基于PLC的硬币包卷机控制系统设计.pdf

第 5期 2 0 1 3年 5月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 6 7 基 于 P L C的硬 币包卷机控制 系统设计 康思闻 ， 荆学东 ， 魏鼎 1 ． 陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 2 1 ； 2 上海应用技术学院， 上海 2 0 1 4 1 8 摘要 硬 币包卷机是集硬 币检伪、 计数和 包卷功能为一体的光机 电一体化设备 。 设备的执行机构 比较 多， 各机构的动作 响应快， 定位精度高， 且具有很高的柔性 ， 因此对控制 系统的要求 比较 高。P L C作 为一种集成度 高、 功 能性强的工业 自动 化控制器， 已经在包装机械领域得到广泛地应用， 能够满足全 自动硬 币包卷机的动作和功能要求。将西门子 s 7 3 0 0 P L C 应用于硬 币包卷机控制 系统的设计， 论述了硬 币包卷机的工作原理， 再分别从 系统软硬件两部分出发， 应 用编程软件 S T E P 7 和仿真软件 S 7 一 P L C S I M进行 了控制系统的硬件组态和程序的仿真调试。 应用 P L C实现硬 币包卷机控制 系统的开发 ，开发 周期短、 可靠性高， 能够满足硬 币包卷机机构和功能的要求， 具有较好的推广价值。 关键词 P L C； 硬币包卷机 ； 控制系统 中图分类号 T H1 6 ； T P 2 7 3 ； T B 4 8 6 文献标识码 A 文章编号 l O 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 0 5 0 1 6 7 0 3 De s i g n o f Co n t r o l Sy s t e m o f a Co i n - W r a p p i n g Ma c h i n e Ba s e d o n PL C KANG S i we n ， J I NG Xu e d o n g 。 ，WEI Di n g 1 ． Co l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g ， S h a a n x i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y ， S h a n n x i Xi ’ a n 7 1 0 0 2 1 ， Ch i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g ，S h a n g h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，S h a n g h a i 2 0 1 4 1 8 ，C h i n a A b s t r a c t C o i n s l a p p e d m a c h i n e i s u s e d t h e p h o t o - m e c h a n i c e l e c t r o n i c i n t e g r a t i o n e q u i p me n t i n t e g r at i n g c h e c k i n g fi d s e c o i n s ， c o u n t i n g a n d l a p p e d f u n c t i o n ． T h e act u a t o r o f t h e e q u ip men t i s ma n y , and e ach a g e n t h a s ／ ￡ r e s p O nse act i o n ， p o s i t i o n i n g a c c u r acy ， a n d h a s h ig h fl e x i b i l i ty ， S O i t h a s h i g h r e q u i r e m e n t t o t h e c o n t r o l s *v s t e n L P I C∞ a k i n d of i n a t r i al a u t o m a t i o n c o n t r o l l e r w h i c h h a s i n t e g r at i o n a n d s t r o n g f u n c t i o n ， h as b e e n w i d e l y u s e d i n t h e fie l d r J／ ‘p ack a g i n g m a c h i n e r ， ， b e i n g a b l e t o s ati s f y t h e m o v e me n t s a n d f u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s of l app e d a u t o m a t i c c o i n m a c h i n e ． C o n t r o l s y s t e m of a c o i n w r app i n g mach i n e b ase d o n S i c m e n s s 7 3 0 0 P L C h a s b e e n d e s i g n e d , Wh i l e w o r k i n g p r i n c ip l e oft h e c o i n - w r a p p i n g m ach i n e h a s b e e n d e s c r i b e d and h a r d w a r e c o n fi gnr i o n h as b e e n e s t abl i s h e d , The p r e p a r a t i o n oft h e p r o g r a m a n d s i mu l i o n d e b u g g i n g h as b e e n acc o m p l is h e d b y S T E P 7 p r o gra m mi n g s o J t w a p e a n d S 7 - P L C S I M s i mu l at i o n s o fi w a r e ． A p p l i c ati o n o fP L C i n t h e d e i ， e l o p me n t oft h e c o n t r o l s y s t e m oft h e c o i n w r a p p i n g m ach i n e C an s h o r t e n t h e d e v e l o p m e n t c y c l e ， i m p r o y e r e l i a b i l i t y oft h e s y s t e m ． h h as a g o o d p r o m o t i o n and b e e n a b l e t o me e t t h e r e q u i r e m e n t s o f t h e i n s t i t u t i o n s a n d f u n c t i o n s oft h e c o i n - w r app i n g ma c h i n e ． Ke y W o r d s PLC； Co i n - W r a p p i n g M a c h i n e ；Co n t r o l S y s t e m 1引言 硬币包卷机是集硬币检伪、计数和包卷功能为一体的光机电 一 体化设备。 设备的执行机构比较多， 各机构的动作响应陕， 定位精 度高， 且具有很高的柔性， 因此对控制系统的要求比较高。 P L C作为 一 种集成度高、 功能性强的工业自动化控制器『 1 ， 已经在包装机械领 域得到广泛地应用，能够满足全 自动硬币包卷机的动作和功能要 求。将 P L C应用于硬币包卷机的控制系统设计， 开发周期短、 功能 完善、 具有较高的可靠性和稳定性， 能满足市场的迫切需求。 2硬币包卷机概述 硬币包卷机是集硬币检伪 、计数和包卷为一体的自动化装 置。 能自动的对硬币进行检伪， 并将假币剔除； 对真币计数并动态 显示计数信息。 按照 5 0枚／ 卷进行包卷， 包卷速度可达 2 0卷， mi n 。 硬币包卷机的结构示意图 ， 如图 1 所示 。 包括硬币堆币斗 、 硬 币分 离盘、 排列输送道、 堆币机构、 移币钩边机构 、 进纸机构、 包卷机构 等[2 1。硬币包卷机的工作过程大致如下 1 将硬币投入堆币 1 中， 按下启动按钮 ， 主电机启 动， 带动硬币分离盘 2和输送带对硬 币输送道 3上的硬币进行排列输送。 2 输送道 3 装有检伪传感 器 图中未画出 ， 对通过输送道的硬币进行检伪 若为假币， 电磁 铁动作将假币剔除， 同时报警提示； 若为真币继续输送。 3 输送 道 3 上的光电传感器， 对硬币个数进行计数， 并显示技术信息； 同 时硬币继续输送， 落到堆币机构 4中。 4 当硬币个数达到预设值 后 ， 移 币钩边机构 7将硬币组纵向夹紧并移送至包卷位置。 5 同 时进纸机构 5将包卷纸送入包卷机构 6 ， 对硬币进行包卷； 同时 由移币钩边机构 7对排列好的硬币组进行钩边。 6 钩边完成后， 包卷机构松开， 包好的币卷落下， 从而完成一次包卷动作。 3硬件设计 硬币包卷机控制系统主要由P L C 、 交流电机、 步进电机、 驱 动器、 电磁铁、 检伪传感器、 光电传感器、 液晶显示等组成。 其硬件 组成 ， 如图 2所示。 来稿 日期 2 0 1 2 0 7 1 4 基金项 目 西安市科技计划项 目 C X YI O 1 4 4 作者简介 康思闻， 1 9 8 8 一 ， 女， 陕西西安人 ， 在读硕士研究生， 主要研究方 向 电子机械 ； 荆学东 ， 1 9 6 8 一 ， 男 ， 安徽人 ， 博七， 教授 ， 硕士生导师 ， 主要研究方 向 智能检测技术及 自动化 ， 机器人技术 1 6 8 康思闻等 基于 P L C的硬币包卷机控制 系统设计 第 5期 图 1硬币包卷机结构示意图 F i g ． 1 S t r u c t u r e S c h e ma t i c o f C o i n W r a p p i n g Ma c h i n e 叫 窒 堕 皇 I 按 键 开 关 圃 检 伪 传 感 器 匝 磊 步进电机1 P 咂 光 电 传 感 器 L 限 位 开 关卜 _ C 二 互 噩 二 卜 步 进 电 机 2 ， 3 坚 H 步 进 电 机 4 ， 5 驱 动 器 I- , I 步 进 电 机6 困 面再 图 2硬币包卷机硬件组成 F i g ．2 Ha r d wa r e Co mp o s i t i o n o f C o i n W r a p p i n g Ma c h i n e 3 ． 1 P L C选型 P L C作为控制系统的核心，其 C P U必须满足系统控制的要 求。 选用西门子s 7 3 0 0系列的C P U 3 1 3 C模块化的紧凑型 p L O 3 ， 集成了4路数字量输人、 l 6路数字量输出 4路高速输 ， 4 路 模拟量输入、 1 路模拟量输出， 3通道脉宽调制 最高 2 ． 5 K H z o P L C的所有 I ／ O输入输出信号均采用光电隔离， 各模块均采用屏 蔽措施， 使其具有高可靠性。 P L C还针对不同的输入信号， 有相应 的 I ／ O模块与这些器件直接连接。根据设备 I ／ O点数和类型 的要 求 ， 为 P L C配置 2 个 F M3 5 3 位置控制模块 可控制 2台步进 电机 实现满足其运动要求。 3 ． 2输入组件 系统的输入组件主要由按键开关、 检伪传感器 、 光电传感器 和限位开关等组成。其中 4 个按键 包括启动键 、 停止键、 清零键 和币种切换键 ； 1 个电涡流传感器用于硬币的检伪 ， 1 路模拟量 输入； 1 个光电传感器 光电开关 对是否有硬币通过硬币进行检 测 ， 将结果送入计数器； 2个限位开关分别安装在移币机构的两 个极 限位置， 用于确定硬币堆码和包卷 的位置 。 3 ． 3输出组件 系统的输 出组件 主要包括 2个交流 电机 、 6 个 步进电机及 驱动器、 2个电磁铁、 报警灯、 和液晶显示等。其中 交流电机 I 用 于驱动硬币输送排列机构，交流电机 2用于控制移币机构的运 动， 它们正反转控制可以利用 P L C的继电器输出来实现。步进电 机 1 用于驱动硬币纵向夹紧机构，根据硬币组的高度准确定位 ； 步进电机 2 ， 3用于驱动硬币横向夹紧机构， 也要根据不同币种直 径的差异进行位置控制 ； 步进电机 4 ， 5 作为辊子驱动电机 ， 根据 币种不 同， 进行调速 ； 步进 电机 6用于进纸机构的控制 ．． 步进电机 的控制通 过 P L C提 供高速脉冲输 出控制 步进 电机驱动 器来实 现。采用编程软件 S T E P 7对控制系统进行组态 、 编程和监控 ， 硬 件组态界面 ， 如图 3所示 。 图 3 s 7 3 0 0控制系统硬件组态界面 F i g ．3 Ha r d wa r e Co n f i g u r a t i o n I n t e r f a c e o f 7 - 3 0 0 C o n t r o l S y s t e m 4软件设计 4 ． 1程序结构 S 7 2 0 0系列 P L C产品控制程序采用模块化 的程序结构 ， 各 模块相对独立 ， 程序结构清晰， 易于编制与更改 。 硬币包卷机 主要 过程包括硬币排列输送、 假币剔除、 计数堆码 、 夹紧移币、 送纸进 纸、 包卷钩边、 落卷完成等几部分。 硬币包卷机需要满足 种规格 一元硬 币包卷 、 五角硬币包卷 和一角硬币包卷 的包卷要求 ， 此可以利用三个子程序来编写不同面额硬币的包卷过程 ， 并通过 主程序调用实现设备的控制要求。程序执行时， C P U不断扫描主 程序 ， 满足子程序调用条件就转移到相应的子程序中去执行 。 4 _ 2程序设计 主程序的任务是完成硬币输送排列、 假币剔除、 计数堆码以 及包卷子程序的调用， 实现P L C程序的循环T作。主程序控制流 程图 ， 如 图 4 所示。 网 N 堡 至 垄l V 硬币检伪 电机 反转 3 s 计数堆码 燮 Y 甬丽 满 5 O 枚 1 元 包卷 I I 5 角包卷 I l 1 角包卷 子程 序 I l 子程序 l l 子程序 落卷完成 赢 N I ／ 计数器 2 3 7 Y 图4 主程序控制流程 图 F i g ．4 Co n t r o l F l o w Ch a r t of t h e Ma i n P r o g r a m No ． 5 Ma v ． 2 0 1 3 机 械 设 计 与 制 造 1 6 9 在主程序中，通过控制交流电机 1 的正转实现硬币的输送 排列 ， 然后根据检伪传感器的输入信号判断硬币的真伪 若有假 币， 电磁铁将其剔除并报警提示 ； 真币则继续输送通过光电传感 器对其检测计数。 当计数满 5 0 枚时， 按照选择的币种进入相应的 包卷子程序中完成包卷； 若计数传感器 5 s 没有硬币通过， 则电机 反转 3 s 再正转， 若有硬币， 则继续计数堆码， 若连续 3次仍没有 ， 则认为无币， 系统 1 0 s 后自动停机。 硬币包卷子程序是实现从夹紧移币到包卷完成的工作过程 的控制 ， 由于硬币包卷过程是按照一定的先后顺序执行的， 可将 工作过程分解为几个工作状态， 利用顺序控制 来编写子程序。 三 种硬币的包卷过程是相同的， 只是执行机构的位置控制 、 速度控 制存在差异， 因此只列出其控制过程的流程图。结合硬币包卷机 工作原理， 其J 顺序控制流程图， 如图5所示。 图 5包卷子程序控制流程图 F i g ． 5 Co n t r o l F l o w C h a rt o f W r a p p i n g S u b r o u t i n e 4 ． 3 程序调试 使用 s 7 3 0 0 P L C的仿真软件 s 7 一 P L C S I M对编制好的主程 序进行调试。 如图6 所示， 将 C P U切换到 R U N P 模式， 模拟按下 正转按钮， 1 0 ．0变为 1 状态， Q 0 ． 4 电机正转 变为 l 状态 ， 硬币枚 数到达 5 0 ， 隔币电磁铁 Q1 _ 2 变为 1 ， 包卷完成2 卷。 图 6 P L C S I M程序调试界面 F i g ．6 P r o g r a m De b u g g i n g I n t e rfa c e o f P L CS I M 5结束语 基于 s 7 3 0 0 P L C的全自动硬币包卷机控制系统的设计， 应 用 S T E P 7编程软件和 s 7 一 P L C S I M仿真软件可以不依赖于 P L C 硬件的存在， 对系统程序进行编制及调试 ， 在程序开发早期消除 错误 ， 降低 开发成本 ， 缩短开发周期 。 参考文献 [ 1 ] 海心 ， 马银忠 ， 刘树青． 西门子 P L C开发入门与典型事例[ M] ． 北京 人 民邮电出版社 ， 2 0 1 0 ． H a i X i n ， Ma Y i n - z h o n g ， L i u S h u - q i n g ， D e v e l o p m e n t o f E n t r y a n d T y p i c a l E x a mp l e s 0 f s i e m e n s P L c l M] ． B e i n g P o s t s a n d T e l e c 0 mmu n i c a t i o n s P r e s s ， 2 01 n [ 2 ] 肖丽英． Y B 5 0 全 自 动硬币计数 、 包卷机的研制[ J ] ． 包装工程， 2 0 0 3 ， 2 4 3 2 8 2 9 ． X i a o L i y i n g ． D e v e l o p me n t o f Y B- 5 0 Au t o ma t i c c o i n c o u n t i n g a n d w r a p p i n g ma c h i n e [ J ] ． P a c k a g i n g E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ， 2 4 3 2 8 - 2 9 ． [ 3 ] 西 门子 中国 6 - 限公司 自动化与驱动集 团．S I MA T I C s 7 3 0 0可编程 序控制器产 品目录[ z ] ．2 0 0 9 ． S i e m e n s A G B e r e i c h A u t o ma t i o n a n d D ri v e s ．S I MA T I C S 7 3 0 0 P r o g r a mma b l e C o n t r o l l e r S e l e c t i o n Ma n u al[ Z] ． 2 0 0 9 ． [ 4 ] 刘 乘 ， 李 晓刚． P L C在包装机 械上的应 用[ J l l包 装工程 ， 2 0 0 4 ， 2 5 2 51 5 3 ． L i u c h e n g ， L i Xi a o - g a n g ． A p p l i c a t i o n o f P L C i n p a c k a g i n g ma c h i n e [ J ] ． P a c k a g i n g E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 2 5 2 5 1 5 3 ． [ 5 ] 廖常初． s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 1 2 ． L i a o C h a n g c h u ． Ap p l i c a t i o nt e c h n o l o g y o f 7 3 0 0 ／ 4 0 0P L C [ J ] ． B e i j i n g Ma c h i n e r y I n d u s t ry P r e s s ， 2 0 1 2 ． [ 6 ] 西 门子 中国 有 限公司 自动化 与驱 动集 团．S I MA T I C s 7 2 0 0可编程 序控制器系统手册[ M] ． 2 0 0 4 ． S i e me n s A G B e r e i c h A u t o ma t i o n a n d D r i v e s ．S I MA T I C 7 - 2 0 0 P r o g r a m ma b l e C o n t r o l l e r S y s t e n l Ma n u a l 『 M] ．2 0 0 4 ． 上接第 1 6 6页 参考文献 [ 1 ] 屈翔， 吴晓建 ， 廖林清． 汽车转向前束研究[ J ] ．机械设计与制造， 2 0 1 1 1 O 1 0 7 1 0 9 ． Q n Xi a n g ， Wu Xi a o - j i a n ， L i a o L i n - q i n g ． R e s e a r c h o n s t e e r i n g t o e i n o f Ve h i c l e[ J ] ． Ma c h i n e ryD e s i g n a n dMa n u f a c t u r e ． N o ． 1 0 ， O c t ． ， 2 0 1 1 1 O 1 0 7 1 0 9 ． [ 2 ] 吴晓龟送 苻仑 齿条 专 向栅 向特陛研芗 D ] 重 庆 重 班大学，2 0 0 9 ． Wu X i a o - j i a n ． T h e s t e e ri n g c h a r a c t e r i s t i c o f p i n i o n a n d r a c k s t e e r i n g m e c h a n i s m [ D ] ． C h o n g q i n g ． C h o n g q i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 陈家瑞． 汽车构造 [ M] ．第 3版 E 京 机械工业出版社 ， 2 0 0 9 ． C h e n J i a - r u i ． T h e C o n s t r u c t i o n o f V e h i c l e l M J ． B e i j i n g Ma c h i n e r y I n d u s t ryP r e s s T h i r d e d i t i o n ， P a r t i i ． F e b ． 2 0 0 9 ． l 4 j S ． S a r t o r i ， G ． X ．Z h a n g ． G e o me t r i c E r r o r Me a s u r e me n t a n d C o m p e n s a t i o n o f M a c h i n e s [ J ] ． A n n al s o f t h e C 1 R P ． 1 9 9 5 ． 2 4 4 5 9 9 6 0 9 ． 1 5 J K a h r a ma n A．N a t u r a l Mo d e s o f P l a n e t a ryG e a r T r a i n s l J j ．J o u r n a l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n ， 1 9 9 4 ， 1 7 3 1 1 2 5 1 3 0 ． 1 6 j D i n i z A E， O l i v e r i a AJ ．Ha r dt u r n i n g o f i n t e r r u p t e d s u rf a c eu s i n g C B Nt o o l s [ J ] J o u r n a l o f M a t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o gy， 2 0 0 8 1 9 5 2 7 5 2 8 1 ．