西门子模块6ES7222-1BD22-0XA0产品描述

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引言

近年来我国制造业、加工业发展,企业对自动化应用人才需求量不断上升,对人才的质量要求也越来越高。可编程序控制器PLC是以微处理器为基础,综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业自动化装置,与传统继电器控制系统相比, PLC是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的,只要编写程序以及少量的接线就可以完成控制要求,现已成为工业控制领域的主流控制设备。为了使相关的学生能尽快掌握这门技术,并达到一个较高的起点和水平,因此开发设计了PLC控制的多点气动上料教学系统,该系统涉及到可编程控制器PLC、变频器、步进电机、机械传动、传感器、气动控制等重要技术。

1　PLC控制的多点气动上料教学系统的基本构成及功能设计

整套系统主要包括机械部分、气动部分和电气部分。从构成模块上说包括PLC模块、传感器与检测模块、电机及控制模块、传送带模块、气动单元模块、电源模块等。

1. 1　机械部分

主要部分械手、转盘、上料装置等部分组成。其组成示意图如图1、图2所示。

图1工作说明:底座1固定不动,立柱6固定在底座1上;机械手气动手指2与机械手气动升降缸连在一起,通过气动手指驱动缸3驱动进行物件的夹持;机械手通过气动升降缸4驱动实现升降运动,机械手通过传动臂步进电机7和机械手左右移动传动带5驱动可实现左右移动。另外,机械手运动方向设有限位保护。机械手随传送带左右移动方向有左右限位行程开关,机械手升降运动方向有上下限位行程开关。因此图1所示机械手可以左右、上下直线运动,同时机械手的气动手指可进行物件的夹持。

图2工作说明:转盘13通过转盘步进电机2转动驱动旋转,旋转过程中,转盘传感器到转盘,转盘停止、转盘定位气缸定位;上料点1通过上料气缸12上料;上料点2通过上料气缸10和8上料;搬运车7随搬运车传送带6前进,搬运车检测传感器检测到搬运车、搬运车定位气缸定位,搬运车停止,等待机械手装运工件;搬运车传送带6通过伺服电机驱动,速度通过搬运车传送带变频器进行控制。另外,气缸上料点1方向设有前后限位行程开关,系统有3处还设有工件检测开关。因此图2所示转盘可以按要求自动旋转和定位停止;上料机构能够自动上料,并且为多点上料,两点的上料方式也不同, 这与工业实际系统较接近。

1. 2　气动部分

气动部分各执行元件的气路图如图3所示。各执缸都是通过电磁换向阀控制其方向运动。PLC程序控制时通过控制电磁铁的通、断电可控制各气缸的运动方向。

1. 3　电气部分

本系统有2台步进电机与步进电机驱动器、1 台搬运车传送带伺服电机、1个变频器、1个PLC、1个电源模块、1个电气控制柜等组成。2台步进电机分别是传动臂步进电机和转盘步进电机, 2台步进电机驱动器分别用于驱动传动臂步进电机和转盘步进电机。搬运车传送带伺服电机用于传送带的驱动,变频器用于搬运车传送带的速度控制, PLC是整个系统的控制,电源模块用于提供24 V、36 V直流电源。

1. 4　系统功能

本系统的功能是两次经气缸送料到转盘,后机械手将工件抓起运至搬运皮带线上的搬运车中。整个工作过程自动控制,若要调试可采用软件设置断点的方式进行。

2　PLC控制系统设计

2. 1　PLC外部接线

在该系统设计中,根据其控制输入、输出点的数量采用西门子S72200PLC,主CPU采用CPU226。输入、输出分配及具体PLC外部接线如图4所示。

2. 2　PLC控制程序

采用STEP7 - Micro /W IN32 编程软件进行编程。由于通过PC /PP I电缆的编程通信是为常见的S72200编程方式,因此选用这一种编程通信方式。

PLC控制程序的流程为:启动—复位—转盘旋转一定角度—转盘传感器到转盘、转盘停止、转盘定位气缸定位—上料点1气缸上料—转盘定位气缸复位、转盘旋转一定角度—转盘传感器到转盘、转盘停止、转盘定位气缸定位—上料点2前后气缸上料—转盘定位气缸复位、转盘旋转一定角度—工件检测传感器到工件、转盘停止、转盘定位气缸定位—搬运车检测传感器检测到搬运车、搬运车定位气缸定位—机械手行至工件上方—机械手下降、气动手指抓取工件—机械手复位、行至搬运车上方—机械手下降、气动手指松开、将工件放到搬运车上—机械手复位、转盘定位气缸复位、搬运车定位气缸复位、搬运车运走工件。

3　结语

本系统采用气动上料模式,整个系统、清洁环保、耗能少、具有很强的环保性。同时系统采用PLC控制,有利于进行机电气及计算机一体化的实践教学。系统利用教学模型进行工程现场模拟,达到使学生进行工程培训的目的。该系统的方案论证、前期研制已经结束,系统已投入运行,运行效果稳定,性能良好。

小型PLC产品加多元化，不仅有度很高的，国内一些自动化企业也看到小型PLC广大的市场，纷纷推出自主的小型PLC产品，这为不同细分市场的中国用户提供了多的选择。

我个人还是建议大家使用的产品，因为，从技术角度来讲，保证PLC在复杂的工业环境下的高性仍然是很多新加入小型PLC领域的厂家面临的技术难题。从角度来讲，持续的大规模的研发投入是不断，满足市场的日益增长的需求的保证，而这种投入对许多厂家来说也是很大的考验。从市场开发角度来看，大厂商拥有明显的强势和领域，拥有优势的技术，成熟的解决方案，和适合行业和市场开发的销售网络。西门子小型PLC经过十多年的市场考验，与服务已经得到了市场的广泛认可，这不仅靠市场宣传，靠的产品品质和完整的解决方案。

近几年自动化产品用户除了稳定性、性价比等因素之外，越来越重视项目的维护成本，现在中国用户都已将维护成本列入整个自动化系统的成本中。西门子小型PLC为用户提供灵活多样的远程服务解决方案，可以基于固定电话，网络，GPRS无线通讯等，为客户后期维护节约可观的成本。为了进一步为广大用户降，2005年，西门子成功完成了S7-200PLC的本地化生产，同时还本地化生产了S7-200PLC触摸屏KTP-178和四行中文文本显示器TD400，进一步提高了西门子小型PLC整体解决方案的性价比，开放性已达到同类中型机水平，支持PPI、RS-485、Profibus－DP、以太网等多种通讯协议，保证了的无缝连接。

我认为小型PLC的市场份额会持续保持快速的发展。随着中国加入WTO，出口额逐年提高，中国正逐步成为机械设备的制造基地，使得国内OEM厂商迅猛发展。一些OEM厂商为了避免激烈竞争，追求高的利润，将用小型PLC替代继电器或单片机控制方案。而且，小型PLC不再仅仅进行单机单站的控制，工厂信息化的潮流将会使多的生产设备联网，进行集中监控。西门子小型PLC开放的平台为工厂生产设备联网和工厂信息化提供了可能性，使客户增加额外的硬件投资即可实现联网。

0前言

汽车制造业的自动化生产线早可追溯到20世纪20年代的福特生产线，历经了手工——(半)自动刚性——(半)自动柔性生产线等不同发展阶段。目前，流行了半个多世纪的美国福特公司的单一品种、大批量生产模式已被日本丰田公司的多品种、中小批量生产模式所替代。随着汽车T业的发展和自动化水平要求的不断提高，焊接机器人在汽车白车身制造中得到了越来越多的应用。在汽车行业的制造模式步入按用户要求进行柔性加1二的精益生产阶段，激光焊接技术正向高速度、、高柔性、、智能化、集成化的方向发展，基于激光焊接机器人的白车身生产线系统的开发具有十分重要的意义。

PLC是一种实现控制功能的工业控制计算机，由于它具有功能强，性高，环境适应能力和抗干扰能力强，以及接线简单，编程灵活、方便等特点，因此在各类生产线的控制系统中得到了广泛的应用。本文从自车身系统实际出发，用PLC设计了白车身生产线的控制系统与机器人进行通讯，满足了系统顺序控制的要求。

l 白车身系统的组成

白车身是指尚未进入涂装和内饰件总装阶段之前的车身，它是轿车的动力系统、行驶系统、电气系统、内外装饰件等轿车子系统的载体，是轿车动力性、舒适性.平顺性等性能的载体，是轿车外观形象、外观质量的载体。因此，轿车白车身制造是轿车总车制造中一项关键的制造技术。本系统针对白车身的车门部分进行焊接加工设计。如图1所示，工位为小件焊接，负责焊接玻璃导槽、防撞杆。二工位为内板焊接，负责焊接铰链加强板、门锁加强板、内装饰带加强板。三工位为内板焊接，负责焊接玻璃导槽、外装饰带加强板、防撞杆，焊接完即成内板总成。四一位为外板焊接，负责焊接外板窗框，焊完即成整个车门。台机器人负责，四这两个工位的激光搭接焊，二台机器人负责二、三两个工位中的激光填丝焊。生产线的物流方式，均采用液压手推车，搬运方式均采用人工搬运。系统中两台激光焊接机器人共用一个激光焊接器，采用分时操作的方法，即在同一时间内只有一台机器人使用激光器工作。为了保证整个生产线T作的效率，另一台机器人则可以进行不需要使用激光器的位姿操作。

2基于PLC控制系统的组成

焊接生产线控制系统结构如图2所示，主要由激光焊接机器人及控制器、PLC控制系统、夹具系统、助力臂系统和现场监控系统组成。系统通过PLC控制器控制激光焊接机器人及夹具系统按程序设定的顺序动作，实现车门按照规定的工艺流程进行加工;控制焊接机器人激光器的功率按照焊接工艺要求进行调节;控制焊接机器人的激光器按照操作顺序要求进行分时调节，实现一个激光器为两个激光焊接机器人供光。现场监控系统实时监控、记录激光焊接机器人的运行状况，并能对加T轨迹进行实时跟踪。在电气柜操作台上装有PLC的运行状态指示灯以及对系统进行手动控制的按钮。

3 PLC控制系统的设计

PLC在整个生产线中处于的控制地位。负责协调机器人和夹具、机器人与激光器、机器人与焊接电源的动作，并对现场按钮与显示灯进行控制。PLC与机器人的通讯是整个系统的关键，同时PLC能对夹具体的软件进行自动识别，大地方便了对系统夹具体的维护和对生产线功能的扩展。PLC软件的模块化编程对系统稳定性起到了重要的作用，也大地方便了对系统的调试和检测。

3.1 PLC的硬件设计

系统有4个工位。每个工位上装有一套夹具，每套夹具上的气缸为一组，由一个三位五通电磁换向阀来控制。每个气缸配有两个位置传感器(干簧管磁性开关)，为了方便对夹具体进行识别，每套夹具上气缸的数量不一样，根据位置传感器数量的不同来进行夹具体的区分。气缸个数多为7个(为4，5，6，7)，故整个生产线的气缸位置传感器的输入点多为2×(4+5+6+7)一44点，每组气缸由一个三位五通电磁换向阀来控制，4个工位共需要2×4—8个控制输出点。加上机器人的通讯接口和夹具体识别的8个输入按钮以及系统的各类显示灯，总输入输出点不过200个。考虑系统的可扩展性和稳定性，选用性价比较高的西门子S7—200系列PLC作为本生产线的控制器。

S7—200采用模块化设计，紧凑的结构、良好的扩展性、低廉的价格，强大的指令以及大的输入输出电压范围，使其在解决工业自动化问题时，具有很强的适应性。由于整条生产线的4个工位布局紧凑，PLC与I/o的距离较近，不需要采用远程I/o模块，每个工位上气动阀的动作信号和气缸位置的检测信号都与PLC的I/o口直接相连。同时，电气柜操作台上的按钮和状态指示灯也直接与PLC的输人输出口相连接，故选择S7—200的CPU226和扩展模块EM222、EM223，就能满足系统控制的要求。具体I/O对现场按钮与显示灯进行控制。PLC与机器人的通讯是整个系统的关键，同时PLC能对夹具体的软件进行自动识别，大地方便了对系统夹具体的维护和对生产线功能的扩展。PLC软件的模块化编程对系统稳定性起到了重要的作用，也大地方便了对系统的调试和检测。

3.1 PLC的硬件设计

系统有4个工位。每个工位上装有一套夹具，每套夹具上的气缸为一组，由一个三位五通电磁换向阀来控制。每个气缸配有两个位置传感器(干簧管磁性开关)，为了方便对夹具体进行识别，每套夹具上气缸的数量不一样，根据位置传感器数量的不同来进行夹具体的区分。气缸个数多为7个(为4，5，6，7)，故整个生产线的气缸位置传感器的输入点多为2×(4+5+6+7)一44点，每组气缸由一个三位五通电磁换向阀来控制，4个工位共需要2×4—8个控制输出点。加上机器人的通讯接口和夹具体识别的8个输入按钮以及系统的各类显示灯，总输入输出点不过200个。考虑系统的可扩展性和稳定性，选用性价比较高的西门子S7—200系列PLC作为本生产线的控制器。S7—200采用模块化设计，紧凑的结构、良好的扩展性、低廉的价格，强大的指令以及大的输入输出电压范围，使其在解决工业自动化问题时，具有很强的适应性。由于整条生产线的4个工位布局紧凑，PLC与I/o的连接见图3。

3.2 PLC的软件设计

3.2.1 PLC与机器人的通讯协议

在生产线中PLC与机器人控制器分别编程，PLC与机器人的通讯是整个生产线的问题，定义好PLC与机器人的通讯协议很关键。PLC与机器人之间采用问答式的串口通讯(通讯数据的组成由下表1，表2所示)。PLC发送给机器人的指令内容是通知机器人执行焊接或者是位姿操作的不同动作，机器人发送给PLC的指令内容则是通知PLC机器人执行相关动作的完成情况。

PLC根据机器人的通讯指令进行下一步的操作。整个通讯的性由起始符，BCC检验码和结束符来保证。在串口的通讯过程中，指令有可能受到任何的干扰而使原来的数据信号发生扭曲，此时的指令当然是错误的，为了侦测指令在传输过程中发生的错误，接收方对指令作进一步的确认工作，以防止错误的指令被执行，简单的方法就是使用校验码。BCC校验码的方法就是将要传送的字符串的ASCII码以字节为单位作异或和，并将此异或和作为指令的一部分传送出去;同样地，接收方在接到指令后，以相同的方式对接收到的字符串作异或和，并与传送方所送过来的值作对比，若其值相等，代表通讯正确。

3.2.2 PLC与机器人的交互软件设计

系统启动后，PLC与机器人控制器上电复位，对系统夹具的各传感器初始状态和各按钮的开闭状态进行扫描，将检查结果同程序存储中的模块参数进行比较，选择参数一致的模块执行，同时控制三色灯显示生产线目前的工作状态。PLC软件模块设定的动作完成后与机器人通讯，机器人控制器根据PLC的通讯指令，通过与控制器存储器中的相关指令进行比较，选择执行对应的模块程序，进行焊接作业或者位姿操作。在焊接时，机器人控制器通过控制焊机激光器的电源电流的大小和通断时间来实现既定的焊接工艺参数，按照程序既定的焊接路径进行焊接。机器人完成相应操作后通过通讯端口与PLC通讯，通过相应的通讯指令通知PLC操作完成。

PLC根据机器人控制器的相应通讯指令进行下一步的操作，操作完成后再与机器人通讯，直到完成整个焊接任务。PLC与机器人的程序具体流程图见图5和图6。

PLC系统采用模块化编程的方式，将各个不同的立操作编写成不同的子程序模块，通过有条件的选择和调用来实现我们顺序控制的要求。这样可以大大简化控制软件的设计，使软件设计和调试具灵活性，提高了系统运行的性，保证整个系统协调、有序地完成焊接要求。

3.2.3夹具体的自动识别软件设计

PLC对夹具的控制实现了夹具体的自动识别。每套夹具上的气缸数量不一样，电磁阀的数目不一样(根据每套夹具体气缸分组情况而定)，而且气缸存在使用和不使用的问题，气缸的到位情况也有检测和不检测之分，根据这些参数构成夹具体的控制字，对夹具体进行区分和编号存储。在控制台上设置8个控制开关按钮作为夹具体的编号输入，通过显示屏进行夹具体的编号显示。在PLC程序上，每次程序循环中都对夹具编号的输入点进行扫描，并放入暂存区，同时与记忆区中的夹具编号进行比较。如果两者相同，则表明该工位上的夹具状态正常，任何动作，直接执行相应的程序模块;如果不同，则提示夹具编号变化，需操作员确认，此时又分为两种情况：有新夹具换上工作台，且系统已经正确识别出新放入的夹具的编号，那么操作员需要在触摸屏上确认该夹具编号的正确性。

如果放上的夹具以前在该系统中使用过。则需对该夹具的控制字进行正确设置后写入PLC数据区;如果该夹具曾经在本系统中使用过至少一次，即数据区中保留有该夹具号对应的控制信息，那么操作员在确认夹具编号后，该夹具的控制信息会由系统以间接寻址方式自动调用出来，并显示在触摸屏上，确认无误，即可开始生产。由于硬件故障(连线断裂、网络故障等)造成自动识别出的夹具编号与实际不符时，(识别出错)可通过强行写入正确夹具编号的方式来让系统进入正常工作模式进行生产，待完成任务后再进行维修等操作，以缓解生产压力。具体的过程见图7。

4结束语

利用PLC功能强，性高，环境适应能力和抗干扰能力强，以及接线简单，编程灵活、方便等特点实现激光焊接机器人生产线控制的方法，能保证系统和稳定地工作，通过PLC与焊接机器人的交互通讯，达到了分散稳定控制的目的。夹具体的自动识别和气动夹具的可调整性增加了系统的灵活性，整个控制系统动作快速敏捷，定位，能满足激光焊接机器人的要求，整个系统的调试和初步实验证明了所设计系统的有效性。