基于半实物虚拟仿真对象的传送带物料分拣系统方案设计

基于物料分拣的半实物仿真对象课题设计书设计人：“瑞莹成伟”团队2014年5月25日目录1.课题分析1.1项目研究背景1.2目的和意义1.3课题主要工作描述1.4系统需求分析2.系统方案设计3.硬件3.1I/O分配表3.2板卡信号图3.3信号接线图4.虚拟仿真对象设计4.1传送带分拣系统结构说明4.2虚拟对象介绍4.3虚拟对象的调试（单独调试）5.控制程序设计5.1工艺说明5.2控制流程图5.3程序拓扑图5.4程序设计说明6.WinCC监控设计6.1监控拓扑图6.2变量管理6.3归档记录与控件6.4画面控件设计7.总体调试7.1如何使用这套设备7.2调试步骤与效果8.程序附录8.1MFC虚拟对象程序设计8.2S7-300控制程序设计8.3WinCC监控报表输出1.课题分析1.1项目研究背景自动化的程度是工业发展程度的重要指标，而自动分拣系统正是自动化中的一个必不可少的重要部分。其中PLC分拣控制装置又以其成本低，效率高的优点，成为了当今自动化工业领域的主流。它可以根据既定的工艺要求，通过一系列的传感器和检测系统反馈的信息，按照预先设计好的程序，高效有序地完成分拣作业。并且，它的维护费用低，全部采用机械自动化作业，分拣处理能力强大，分拣分类和数量较多。以往一直采用人工分拣的方法，由于人工作的个人限制性，因人而致使有的生产效率很低，误差多，生产成本高，企业的竞争能力差，阻碍了企业的正常发展。所以分拣装置人PLC控制系统必然会取代人工的分拣工作，这也正是其能够迅猛发展的根本原因。随着工业的发展水平越来越高，自动分拣装置完全取代人工作业是必须的也是必然的。自动分拣系统是二战后在美国、日本以及欧洲的大型物流中心广泛采用的一种分拣系广泛应用在医药行业、生产制造业等国外的自动化程度很高，而在我国，由于自动化和物流业起步较晚，始于1980年代，自动化程度不高。一开始使用与机场以及火车站的行李处理和邮政处理，然后，慢慢应用与其他领域。近二十年来，随着国内经济的迅速腾飞，我国的工业得到迅猛发展，特别是物流行业，达到了空前的繁荣时期，进入21世纪，随着电子商务的浪潮，物流行业又提升到一个新的水平，对于繁重的物料分拣作业，自动化的物料分拣系统的重要性和其光明的前景更是不言而喻。1.2目的和意义将传送带物料分拣系统实物通过虚拟建立仿真对象代替，取代体积较大、笨重而又昂贵的实验室设备，开发一套可以应用于实验教学和自动化研究的仿真虚拟对象软件。这对实验室的教学和研究具有重大意义，一方面可以使更多的研究者接触到这套系统，使得研究受到设备短缺的局限性进一步缩小；另一方面，虚拟的仿真对象在调试的过程中，可以避免直接连接实物时，因操作不当造成的触电或其他事故。更重要的是，一套虚拟的仿真对象软件相对昂贵的实物设备来说，经济性无疑是最大的优势，而且没有硬件损耗，可以一直重复利用。1.3课题主要工作描述基于半实物的（传送带物料分拣系统）自动化控制系统主要由三部分组成：一.将实际的传送带物料分拣系统虚拟化的MFC仿和真对象模块；二.对仿真对象进行运动控制的STEP7300控制程序；三.实时监控仿真对象控制程序运行过程的WinCC监控画面设计。WinCC监控设计和S7-300控制程序之间通过SIMENSS-300控制器建立MPI通讯。设置PG/PC，设置为PCAdapter（MPI）格式，将控制程序下载到控制器中，WinCC建立PCAdapter（MPI）通讯，激活程序即可将两个部分建立联系。再将虚拟的仿真对象通过板卡输入输出I/O信号与控制器相连。这样，整套系统就搭建起来，在监控画面中启动系统，整套物料分拣系统就可以运行起来。虚拟对象将输入信号反馈给控制程序，通过程序控制再输出信号，在虚拟的系统中仿真对象执行的相应动作，实现整个实物系统的工艺要求。而监控画面则将系统运行的过程通过变量关联显示在画面中，同时可以将系统运行的变量过程值和运行过程中的故障警报记录下来并进行归档，通过WinCC自带的控件和报表系统输出，方便进一步的后续数据处理和分析。1.4系统需求分析用虚拟的仿真对象代替实物设备，进行对象研究和调试的经济性和性能优越性不仅仅局限于本课题的传送带物料分拣系统，在工业生产的恶劣的环境，比如：化学化工厂的生产流水线、高温高腐蚀的生产车间、具有高危害的核辐射工作区域等，或者是设备极其昂贵，成本造价太高，用于研究的对象本身的不可实验性，比如一个国家或者一个地区的电力网络系统。这些都可以通过虚拟的仿真对象来实现实物自身的功能，避免了一些不可为因素和研究的高额代价，为工业领域的发展提供了一个广阔的研究平台，为我国的工业振兴和工业自动化事业添砖加瓦。2.系统方案设计图2半实物虚拟仿真对象的分拣系统总体方案设计布局首先，我们选用S7-300PLC设备，S7-300具有较多的IO拓展模块，可以很好地满足任务要求。选择一台性能足够PC机，运用西门子的STEP7编程软件，WinCCV7.0SP3的监控界面设计软件,采用工业以太网以及PROFIBUS的通讯网络。整套系统大致可以分为三个功能区：①：由仿真对象和数据采集组成的I/O信号处理功能区。虚拟的仿真对象通过USB接口和研华PCI信号采集板卡相连，输入输出信号分别是16路和6路，板卡的I/O口足够用。板卡再转接继电器隔离箱，与PLC的中央控制器建立联系。一方面实现了I/O信号的传输，另一方面也避免了采集到的信号受到干扰，实现了电气隔离。②：由S7-300控制器CPU和交换机组成的整套系统数据处理和数据交换功能区。S7-300控制器选用314C-2PN/DP，通过交换机将半实物对象传输过来的运动反馈信号经过电平转换传递到CPU继续进行数据处理和程序控制，对系统的运行做出进一步的指令，发出信号返回到虚拟对象终端执行。③：由PC机设计的控制程序和远端在线WinCC监控画面控制区。程序作为整套系统运行过程的命令发出块，与控制器进行数据分享和命令的处理，控制各部分执行器的动作：在检测不同类型的物料时，要选择相应的传感器。对于第一类的铁质材料，选用电感传感器；对于第二类铝质材料，用电容传感器将其分开；对于第三类黄色塑料物料，选用颜色传感器，在前面两种传感器都没有检测到信号的情况下将黄色物料检测出来；最后一类物料，则只需根据传送带电机的速度测出从物料出口至到达第四类物料动作阀处的时间，在前三类传感器没有检测到信号的基础上自动归为第四类货物。WinCC监控画面将系统运行过程可以在远端一目了然，及时进行控制调整和快速反应。同时，WinCC还为生产过程进行数据记录，输出报表或者归档，方便进一步的数据分析和经济性、生产效率的研究。3.硬件S7-300控制器模块交换机I/O信号转换器继电器隔离箱控制程序PC机终端虚拟真对象研华PCI信号采集卡WinCC在线画面监控程序MPI通讯控制系统启停控制反馈信号输入对象动作信号USB接口16/6路输入输出信号出信号I/O信号电气隔离数据处理工业以太网通讯数据传输对象控制①②③3.1I/O分配表PLC地址接口板地址及注释对应信号输入I0.0A相脉冲I0.1推气缸1回位限位LMT1-SQ1I0.2推气缸2回位限位LMT2-SQ3I0.3推气缸3回位限位LMT3-SQ5I0.4推气缸4回位限位LMT4-SQ7I0.5下料气缸回位限位LMT5-SQ9I0.6电感传感器SASQ13I0.7电容传感器SBSQ14I1.0颜色传感器SCSQ15I1.1推气缸1前位限位LMT1+SQ2I1.2推气缸2前位限位LMT2+SQ4I1.3推气缸3前位限位LMT3+SQ6I1.4推气缸4前位限位LMT4+SQ8I1.5下料气缸前位限位LMT5+SQ10I1.6下料传感器SNSQ12M2.0系统启动无M2.3系统复位无M2.1系统停止无M2.7物料报警无输出Q0.0推气缸1电磁阀YV1Q0.1推气缸2电磁阀YV2Q0.2推气缸3电磁阀YV3Q0.3推气缸4电磁阀YV4Q0.4下料气缸电磁阀YV5Q0.5输送带电动机F3.2板卡信号图3.3I/O信号接线图4.虚拟仿真对象设计4.1传送带分拣系统结构说明（传送带结构、传感器、执行器）系统界面如图1所示图1物料设计如图2所示：ABC图2仿真系统对象如图3所示图34.2虚拟对象介绍4.2.1设计思路系统总共分为四大部分，分别是驱动，数据处理，物料投放，计数器，针对每个部分进行设计，符合内部逻辑。图4虚拟仿真系统功能布局图4.2.2设计块的说明（位图之类）对每个需要设计的部分都专门写了函数进行调用，程序当中主要函数如图5所示：图5为表示传送带运动，我们在传送带上每隔一段距离画上一条颜色较浅的线，当传送带电机有信号时，将这条线的位置往左移，通过人们的视觉错觉来体现传送带运动的特点，如图6所示：图6画物料函数，采取的是插入位图的办法，使用双缓冲技术，先将位图选入自定义内存，再将内存映射至屏幕上，如图。box和storage函数由于定义的形参个数不同，虽然同为画物料，但是画出来的物料大小，位置等皆不相同。图7由于位图在移动过程中会残留上个位置的图像，故，需要把移动的痕迹用背景色覆盖，即在上个位置处画一个填充了背景色的方形，如图图8自动投放时的物料属性随机，故，我们设计了一个随机数函数，产生1~9，9个数字，如图9所示。每个数字代表一种属性，r=1,上表面为红色，铁，r=2,上表面为红色，铝，r=3，上表面为红色，塑料。r=4,上表面为黄色，铁，r=5,上表面为黄色，铝，r=6，上表面为黄色，塑料。r=7,上表面为绿色，铁，r=8,上表面为绿色，铝，r=9，上表面为绿色，塑料。图94.2.3内部逻辑设计图104.2.4真实信号的输入输出（板卡分配信号）USB4750地址接口板地址及注释输入IDI0输送带电动机IDI1下料气缸电磁阀IDI2推气缸1电磁阀IDI3推气缸2电磁阀IDI4推气缸3电磁阀IDI5推气缸4电磁阀输出IDO0A相脉冲输出IDO1推气缸1回位限位LMT1-IDO2推气缸2回位限位LMT2-IDO3推气缸3回位限位LMT3-IDO5下料气缸回位限位LMT5-IDO6电感传感器SAIDO7电容传感器SBIDO8颜色传感器SCIDO9推气缸1前位限位LMT1+IDO10推气缸2前位限位LMT2+IDO11推气缸3前位限位LMT3+IDO12推气缸4前位限位LMT4+IDO13下料气缸前位限位LMT5+IDO14下料传感器SNIDO15推气缸4回位限位LMT4-4.3虚拟对象的调试（单独调试）①．USB4750的驱动安装：安装光盘打开后进入安装界面，依次安装前三步至例程安装，完成后重启机，插入USB4750,360提示是否阻止，全部允许后驱动安装，通过设备管理器检查驱动是否安装成功，若否则重启机重新安装驱动。另例程是可覆盖安装的，完善文件却不改变程序的变化。②．USB4750与PLC的连接注意事项：由于USB4750的输出方式与PLC的输入方式相同，两者均通过外部连接电源供电，这造成两者无法直接相连，USB4750的内部电路决定了它无论内部通断（10晶闸管连接）输出口的电信号均为0，故无法为PLC输入口提供高信号。为了解决这个问题，可选择IO外部设备作为中间环节转换这种供应关系，使USB4750的输出端连接IO外部设备的输入端（外部设备输入端接电源），外部设备的输出端则连接PLC的输入端（外部设备输出端接电源），这样就可满足USB4750和PLC对外部电源的要求了。③．安装visualc++6.0，打开应用程序图标，如图6所示：图11④．首先选择USB设备，如果选错设备，则会弹出报警界面，如图7图12⑤．其次点击OPEN按钮，启动USB设备，再点击READ按钮，启动读写功能，如果二者点击顺序相反，则会弹出报警界面，如图8图13⑥．物料投放分为手动和自动，自动按钮按下后，传送带后方台子上出现物料，如图9。图14⑦．待该物料入库后，再投放下一个物料，物料类型随机。手动按钮按下后，自动功能取消，传送带后方台子上出现对应物料，手动模式下，传送带可放置多个物料。如图10图15⑧．当系统接收到传送带