基于S7-1200 PLC的教学用自动装配生产线控制系统设计

王琳

摘要：在相关工艺技术支持以及社会需求的推动下，行业专家根据自动化生产线控制要求，设计了以S7-1200PLC 为控制核心结合触摸屏、变频器、传感器等的教学用自动化生产线控制系统，该控制系统能够模拟自动运送工件、识别工件、装配工件等功能，提升生产线设备教学效率。

关键词：S7-1200PLC;自动装配生产线;控制系统

随着科技的进步和装配制造业的快速发展，以及生产过程的智能化、网络化，国内外对自动生产线相关技术的研究十分重视。PLC技术可以满足系统的可靠性、实时性与可视化需要，设计自动化生产线控制系统是企业提高产品质量及经济效益的必然选择。多方面采取措施加速我国传统工业设备的自动化改造，大力发展我国生产自动化技术已经成为当务之急。培养高水平工业复合型人才成为一个促进工业化发展的重要渠道。故此，对自动生产线教学装置的研究与开发具有十分重要的意义，该设备开发成功后，能够满足自动生产线技术教学的需要，创建接近企业实际的工作情境来培养学生的工程意识、工程实践技能以及团结协作精神。

一、自动化生产线总体方案

根据工件装配任务要求，模拟自动化生产线需要实现自动取货、送件、识别工件、装配和缺陷工件筛选等功能，自动化生产线由送料单元，加工单元，装配单元，输送单元和分拣单元五个部分组成，集光、机、电、气为一体，完成工件上料、搬运、加工、装配等功能。其中，每个单元都有控制本单元工作过程的PLC，检测元件把检测信号送给本单元的PLC，信号经过PLC处理后，发出使执行元件工作的指令，驱动执行元件动作。每一个工作单元都是一个机电一体化的系统，也可以看成一个独立的工作系统。各个单元的执行机构主要是电机驱动结构与气动执行结构，可以通过安装在其上面的传感器的信号可以判断这些执行机构的运动位置。传感器是自动化生产线中的关键环节，是现代工业实现高度自动化的必备装置。自动生产线五个单元之间必须协调工作，各单元之间要进行通信，以输送单元为主站，基于西门子S7—1200自带的通信协议完成各单元之间的通信。应用PLC作为控制核心部件，设计完成了自动化生产线基于PLC控制的硬件设计和软件设计。本文研究控制系统的模块组成、控制方式、功能的实现及整个系统的综合协调工作。对自动化生产线的控制系统进行设计分析，得出有实际意义和应用价值的教学用自动装配生产线控制系统。

二、自动化生产线控制系统

模拟自动化生产线控制系统分为五个部分，其中包括自动化数控生产设备通讯开发设计实现、生产线智能控制核心部分、人机交互、机器人智能控制与通讯、辅助控制与执行单元。通过自动化数控生产设备的通讯模块，所有生产线上的设备实现通信连接，生产的信息和机器状态被生产线控制核心的信息处理模块收集起来。智能核心部分根据所得到的机器信息，以及系统设置信息，自动安排最优生产过程，并通过机器人通讯模块接口，对机器人发出控制命令，从而完成整個生产线流水线的生产控制。通信网络建立好后，主控系统需要和各单元系统约定好通信的协议，主控发送运行指令，各单元系统按指令执行并反馈相应的状态。主控系统根据反馈的状态信息进行下一次运行控制的协调，实现整个系统的运行控制。如果发生故障或者异常情况，控制中心可以向单台生产设备发送控制命令，完成停机、报警或者其他指令。

模拟生产线控制系统，利用配置程序配置自动线的工作参数;通过调整操作模块利用操作按键控制自动化生产线信息控制操作;利用检测设备检测自动线设备状态数据;通过数模调整模块利用调整程序调整自动线数模操作;利用优化程序对自动线设备参数进行优化;利用传送带运输自动线加工原料;加工设备对自动线运输的原料进行加工;利用显示器显示配置的工作参数，检测设备状态数据。本发明保证了自动线数模的准确性及模拟现场的一致性，避免了仿真模拟与现场操作出现不一致的现象，减少了调试人员的现场调试，无需反复进行调试，直接通过大数据获取最优参数值，效率较高。

三、可编程控制器控制系统

控制系统以及后续的系统扩展的自定义模式也很便捷，能够根据客户自身实际需求进行定制。在工业领域中，控制系统是整个工业系统的运转核心，而工控系统性能高低的主要因素是控制器的选择，而当今工控行业用得最多的还是可编程控制器（PLC）。可编程控制器是生产控制系统的控制核心，它可以实现很多控制功能，例如：I/O逻辑控制、延时、计数等。PLC是一种可编程的存储器，用于内部存储程序和执行逻辑、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的控制指令，并且通过数字或模拟式输入或输出，控制各种不同机械协同工作。受国内现实生产情况影响，当前很多生产企业依然采用传统继电器——接触器控制系统，导致生产效率不高、稳定性差。可编程控制系统的应用提高了控制系统的效率和稳定性。文章以S7-1200系列PLC为核心控制器讨论生产控制系统的实现方法。

西门子S7-1200的内存有50KB用于公用指令及数据工作，并且还为集成装载提供了2MB作内存空间以及2KB的断电保存用内存。在S7-1200PLC设备的CPU上附加三个通信模块为点与点之间提供串行通信。此外，S7-1200PLC具有PWM功能，能够运用这种技术在逆变电路中控制电机的转速、阀门位置。

四、控制系统硬件设计

在模拟自动生产线的多个动作（如送料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元）过程中，由于这些动作数量众多且复杂，为了确保自动生产线能力有效运行，设计人员应根据生产线的工艺流程，保证控制系统的硬件设计满足以下要求：

（1）各工序能够协调控制，使自动化生产线稳定、高速运行。

（2）程序的可变性强，能够根据不同作业要求随时对运行程序进行调整。

（3）实时性高，动态响应性能好，能够随时对各种传感器信号进行采集并及时反馈。

（4）高可靠性、安全性和稳定性。

（5）智能化的人机界面，便于工人操作以及监控。

（6）硬件结构紧凑，且具有后期扩展性。根据工艺流程，本文采用了“触摸屏+PLC”的控制模式，PLC可编程控制器作为触摸屏与各信号传感器之间的桥梁，将触摸屏与各个信号紧密连接起来。

五、控制系统软件设计

上位机触摸屏程序能够实现操作人员与PLC之间的交流，实现不同人机界面之间的切换，以及不同的操作、不同的按键控制。根据自动生产线教学装置控制要求，利用组态王软件设计上位机组态界面，实现对整套自动生产线教学装置各模块执行机构和工件信息的实时监控，在上位机组态软件中创建好的工程经过模拟运行后下载到触摸屏正式运行。触摸屏组态模块主要是完成与操作人员的交互功能。在软件平台添加设备子模块，设置PLC、变频器和触摸屏的IP地址，并根据所需流程定义适合的通信协议。

触摸屏能够将包装码垛生产线的运行信息、报警信息以及控制信号，以文字或者图像的方式直观展示给用户。触摸屏程序结构设计好坏不仅仅影响人机界面美观性，对整个系统的稳定可靠运行同样具有重要影响。触摸屏通过编程软件进行离线模拟和在线模拟，极大地方便了程序的调试。该触摸屏软件程序中主要包括主控界面、参数设置界面以及监控三大部分。主控界面中主要包括启动、停止、自动模式以及手动模式。报警显示系统中主要显示生产线中的报警信息，结合报警画面中的信息，生产线的工作人员可以及时发现故障并排除故障，保证生产线的生产正常进行。

六、结束语

随着工控技术的发展，PLC技术和产品发展迅速，总的趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向发展。基于教学用的自动装配生产线利用 S7-1200PLC作为生产线的控制中心，将综合应用PLC、气压传动、传感检测、组态监控及通信等多种技术，充分体现自动化生产线技术的系统性及融合性强等特点;在结构上采用开放式模块化结构，每个模块结构固定，具有相应的生产功能。根据模拟生产线情况，能够通过对生产线不同模块摆放位置的调整及配合，模拟实现不同的生产流程，这更符合企業的需求。在完成硬件选型的基础上，对控制系统主程序以及人机交互界面进行了软件编程。自动生产线教学装置为理论与实践一体化教学提供了非常好的一个平台，可以有效缩短教学与实际工程应用之间的差距。

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