西门子S7-1200的设计与应用

浙江工商职业技术学院 李方园

1 前言

PLC自上世纪60年代第一台问世以来，很快被应用到汽车制造、机械加工、冶金、矿业、轻工等各个领域，并大大推进了机电一体化进程。经过长时间的发展和完善，PLC的编程概念和控制思想已为广大的自动化行业人员所熟悉，这是一个目前任何其他工业控制器（包括DCS和FCS等）都无法与之相提并论的巨大知识资源。西门子S7-1200作为中小型PLC的佼佼者，无论在硬件配置和软件编程上都具有强大的优势。

2 金属与非金属自动分拣装置的组成部分

金属与非金属自动分拣装置如图1所示，当落料光电传感器检测到有物料后，马上启动输送电动机；当物料经过推料一位置，如果电感式传感器动作，则说明该物料为金属，则气缸动作将物料推入到金属料槽中；当物料未被电感式传感器识别时，而被输送到推料二位置，此时如果电容式传感器动作，则说明必定为非金属物料，气缸动作将其推入到塑料料槽中。

图1 自动分拣机构

自动分拣机构具体包括以下几部分：

• 落料光电传感器：检测是否有物料到传送带上，并给PLC一个输入信号；

• 放料孔：物料落料位置定位；

• 金属料槽：放置金属物料；

• 塑料料槽：放置非金属物料；

• 电感式传感器：检测金属材料；

• 电容式传感器：用于检测非金属材料；

• 三相异步电动机：驱动传送带转动，低速运行；

• 推料气缸：将物料推入料槽，由双向电控气阀控制。

3 物料自动分拣用的检测开关

（1）金属分拣用的电感式传感器

电感式传感器由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的，如图2所示。

图2 电感式传感器工作原理

图3 电感式传感器工作流程

在物料分拣中，电感式传感器工作流程如图3所示，金属物体在接近电感式传感器的振荡感应头时，会在物体内部产生涡流，这个涡流反作用于传感器，使传感器振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种电感式传感器所能检测的物体必须是金属物体。

（2）物料分拣用的电容式传感器

电容式传感器的感应面由两个同轴金属电极构成，很象“打开的”电容器电极，这两个电极构成一个电容，串接在RC振荡回路内。电源接通时，RC振荡器不振荡，当一目标朝着电容器的电靠近时，电容器的容量增加，振荡器开始振荡。通过后级电路的处理，将振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电常数，材料的介电常数越大，可获得的动作距离越大。

图4所示为电容式传感器工作流程。电容式传感器亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种传感器的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体，在检测较低介电常数ε的物体时，可以调节传感器的内部电位器来增加感应灵敏度。

图4 电容式传感器工作流程

（3）提升气缸的到位检测

为了确保气缸动作的正确性，通常还要在气缸上安装传感器，用于检测气缸伸出和缩回是否到位。由于提升气缸的动作为开关形式，因此只需要在气缸的前点和后点上各安装一个，当检测到气缸准确到位后，就给PLC或上位机发出一个信号。

由于气缸运动部件是处于金属壳体内部，这时就无法使用光电开关、电感开关等常用的接近开关来进行检测，在这种情况下可以考虑采用能测量永久变化的磁感应式接近开关。图5是利用磁性开关来测量气缸活塞运动位置的示意图。

图5 磁性开关的安装位置

用于气缸到位检测的磁性开关有不同的安装方式，主要有带式、导轨式、拉杆式和直接式四种。

4 S7-1200 PLC的硬件部分接线

（1）列出输入/输出资源配置

根据自动分拣控制工艺要求，选择S7-1200作为PLC控制器，并列出物料传送和分拣机构的输入/输出资源配置，如表1所示。

表1 自动分拣装置的输入/输出资源配置

（2）PLC外部接线原理

无论是光电开关还是磁性开关，都有NPN和PNP输出两种接线方式。对于PLC来说，也有对应的两种输入接线方式，在本案例中接近开关和光电开关等均采用PNP接线，而输出电磁阀或接触器等采用直流24V线圈，具体如图6所示。

5 S7-1200的软件编程

如表2所示，除输入信号和输出信号外，新增进口物料检测上升沿%M0.0布尔变量和未检测到物料定时器%MD4时间变量。

图6 自动分拣机构的PLC外部接线

表2 自动分拣控制的PLC变量表

本程序中需要注意的编程要点是：如果在设定时间（本案例为60s）内没有检测到新的物料的话，则传送带停止；如果在设定时间内有新的物料检测后，则定时器复位。因此，需要应用到复位定时器的指令“----[ RT ]----”，它可重置指定定时器的定时器数据。

同时，由于需要检测上升沿信号，需要用到P 触点，如图7所示。

图7 P触点

它在分配的“IN”位上检测到正跳变（关到开）时，该触点的状态为 TRUE；该触点逻辑状态随后与能流输入状态组合以设置能流输出状态。P 触点可以放置在程序段中除分支结尾外的任何位置。

图8所示是自动分拣装置的详细梯形图程序，本程序中定时器采用了单一背景数据块DB1。

图8 自动分拣PLC控制梯形图

6 结束语

在以S7-1200为核心的控制系统中，输入/输出部分用以接收信号或输出信号，便于与PLC进行人机对话。输入的有条码读入器，输入模拟量的电位器等；输出的则有打印机、编程器、监控器虽也可对PLC输入信息，从PLC输出信息，但输入输出设备实现人机对话更方便，可在现场条件下实现，并便于使用。随着技术进步，这种设备将更加丰富。通过本案例的实现，可以进一步将S7-1200应用到以前使用S7-200的任何场合中去。

[1] 李方园. 图解西门子S7-1200 PLC入门到实践[M]. 北京: 机械工业出版社,2011.

[2] 李方园. 自动化综合实践[M]. 北京: 中国电力出版社, 2009.

[3] 李方园. PLC控制技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2010.