A009基于博途西门子1200PLC自动装配小车控制系统仿真
摘要
研究背景与意义：在工业4.0浪潮推动下，工业自动化已成为提升生产效率、降低人工成本的核心手段。自动配料装车系统作为工业生产中的关键环节，广泛应用于建材、化工、粮食等行业。西门子S7-1200PLC凭借其高可靠性、灵活的扩展性及强大的编程功能，在工业控制领域占据重要地位。本课题设计基于博途软件的S7-1200PLC自动装配小车控制系统，实现货车到位识别、自动进料、时序装车、满料停机等自动化功能，对提升工业配料环节的智能化水平、保障生产稳定性具有重要的实际应用价值。
研究内容与目标：本研究以自动配料装车为核心需求，设计基于西门子S7-1200PLC的控制系统。核心目标包括：系统启动后自动完成料斗进料控制；精准识别货车到位状态并触发装车流程；通过时序控制实现传送带分级启动与出料阀联动；货车满料后自动终止装车并允许离场；支持紧急停机功能保障系统安全。同时，利用博途软件完成PLC编程、HMI组态及系统仿真测试，验证系统功能的可靠性与稳定性。
研究方法与技术路线：采用“需求分析-总体设计-硬件选型与接线-软件编程-HMI组态-仿真调试-优化改进”的技术路线。运用梯形图（LAD）进行PLC程序编写，通过博途软件实现PLC与HMI的通信组态，利用软件仿真功能对系统各模块及整体流程进行测试验证，结合调试结果优化程序逻辑与控制参数。
论文结构：本文共分为八章，第一章为绪论，阐述研究背景、意义及技术路线；第二章介绍相关技术基础；第三章进行系统总体设计；第四章与第五章分别展开硬件与软件设计；第六章通过仿真测试验证系统功能；第七章提出系统优化方案；第八章总结研究成果并展望未来发展方向。
关键词
西门子S7-1200PLC；博途软件；自动配料；HMI组态；控制系统仿真
一、绪论
（一）研究背景与意义
工业自动化发展现状：当前，全球工业自动化技术正朝着智能化、柔性化、集成化方向快速发展，PLC（可编程逻辑控制器）作为工业控制的核心设备，已广泛应用于各类生产场景，成为实现自动化生产的关键支撑。
自动配料装车系统在工业生产中的应用需求：在建材、化工、粮食加工等行业中，配料装车环节传统依赖人工操作，存在效率低、配料精度差、劳动强度大等问题，无法满足现代化生产的规模化、高效化需求，亟需自动化控制系统提升生产水平。
西门子S7-1200PLC在控制系统中的应用优势：西门子S7-1200PLC作为中小型PLC的代表产品，具备紧凑的硬件结构、强大的指令集、便捷的编程环境及良好的兼容性，支持与HMI、传感器、执行器等设备的无缝对接，能够精准实现时序控制、逻辑判断等功能，适用于自动配料这类复杂控制场景。
本课题研究的实际意义与应用价值：本课题设计的自动装配小车控制系统，可实现配料装车全流程自动化，有效提升生产效率、降低人工成本、提高配料精度，为相关行业的自动化升级提供可行方案，具有重要的工程应用价值与推广前景。
（二）国内外研究现状
国内外自动配料系统研究进展：国外自动配料技术起步较早，已形成成熟的智能化控制系统，具备远程监控、故障诊断等高级功能；国内相关技术近年来发展迅速，但部分中小型企业仍采用传统人工或半自动化控制方式，系统的稳定性与智能化水平有待提升。
PLC在工业控制领域的应用现状：PLC已成为工业控制的主流设备，西门子、三菱、台达等品牌占据主要市场份额，其中西门子S7系列PLC凭借其可靠的性能与完善的生态系统，在中高端工业控制场景中应用广泛。
现有自动配料系统存在的不足与改进空间：现有部分自动配料系统存在控制逻辑单一、时序配合不精准、人机交互体验不佳等问题，且缺乏针对中小规模生产场景的高性价比解决方案，本课题基于S7-1200PLC的设计可有效弥补这一缺口。
（三）研究内容与目标
核心研究内容：系统硬件选型与接线设计、PLC程序编写（含启动停止控制、进料控制、装车时序控制等）、HMI组态设计、系统仿真测试与优化。
研究目标：实现货车到位识别、料斗自动进料、传送带时序启动、出料控制、满料自动停机、紧急停机等核心功能，确保系统响应及时、运行稳定、操作便捷。
（四）论文结构与技术路线
论文章节安排：本文共八章，依次为绪论、相关技术基础、系统总体设计、硬件设计、软件设计、仿真测试、优化改进、结论与展望。
研究技术路线图：需求分析→总体架构设计→硬件选型与I/O分配→硬件接线设计→PLC程序编写→HMI组态→分模块仿真调试→整体流程测试→系统优化→成果总结。
二、相关技术基础
（一）西门子S7-1200PLC概述
S7-1200PLC硬件结构与特性：S7-1200PLC由CPU模块、信号板、信号模块等组成，采用紧凑式设计，体积小、安装便捷；支持直流电源输入与输出，具备高速计数器、脉冲输出等功能，可满足复杂控制需求。
CPU 1214C DC/DC/DC型号参数与接口说明：本系统选用CPU 1214C DC/DC/DC型号，具备14路数字量输入、10路数字量输出，支持24V直流电源供电，配备以太网接口与RS485接口，可实现与HMI及其他设备的通信。
（二）博途（TIA Portal）软件介绍
博途软件功能模块：博途软件集成了编程、组态、仿真、调试等功能，涵盖PLC编程、HMI设计、网络配置等多个模块，实现了一站式的自动化工程设计环境。
PLC编程环境（LAD语言）：梯形图（LAD）是PLC编程中常用的图形化语言，基于继电器控制逻辑演变而来，直观易懂、逻辑清晰，适用于编写顺序控制、逻辑判断类程序，本系统核心控制逻辑均采用LAD语言编写。
HMI组态设计功能：博途软件支持对西门子精智面板等HMI设备进行组态，可通过拖拽方式设计操作界面，关联PLC变量，实现设备状态显示、操作指令下发等功能。
仿真与调试工具：博途软件内置仿真功能，无需连接实际硬件即可模拟PLC运行状态，支持变量监控、程序单步执行等调试手段，便于快速排查程序逻辑错误。
（三）自动控制系统核心原理
输入输出（I/O）控制原理：PLC通过数字量输入模块采集按钮、传感器等设备的信号，经程序逻辑运算后，通过数字量输出模块控制指示灯、电磁阀、接触器等执行器动作，实现输入与输出的逻辑关联。
时序控制逻辑：时序控制是本系统的核心，通过PLC内部定时器设定时间参数，实现设备的延时启动与停止，如传送带的分级启动、出料阀的延时开启等功能。
传感器与执行器工作原理：本系统中传感器（S1、SQ1、SQ2）通过检测物料状态或设备位置输出开关量信号；执行器（电磁阀、接触器、指示灯）接收PLC输出信号，完成进料、出料、电机启动、状态指示等动作。
（四）HMI人机交互技术
精智面板（TP1200）功能特性：TP1200精智面板具备高分辨率显示屏，支持触摸操作，具备良好的抗干扰能力，可实时显示系统运行状态、设备参数，接收用户操作指令并传输至PLC。
HMI与PLC通信原理：HMI通过以太网与PLC建立通信连接，采用Profinet通信协议，实现PLC变量与HMI画面元素的实时数据交互，确保操作指令及时下发与设备状态实时反馈。
三、系统总体设计
（一）系统功能需求分析
核心功能需求
自动进料功能：系统启动后，若料斗物料不满，自动开启进料阀进料，料满后自动停止；
货车到位检测功能：通过限位开关SQ1检测货车是否到达指定装车位置；
自动配料装车功能：货车到位后，自动启动传送带（时序控制）、开启出料阀，实现装车作业；
满料停止功能：通过限位开关SQ2检测货车装满状态，自动关闭出料阀，时序停止传送带；
安全停机功能：按下停止按钮SB2，系统立即终止所有运行动作，恢复初始状态。
性能需求：系统响应时间≤1s，时序控制精度≤0.1s，设备连续运行无故障时间≥8小时；
安全需求：具备紧急停机功能，设备状态通过指示灯明确显示，避免误操作导致安全事故。
（二）系统总体架构设计
硬件架构：系统硬件由PLC主机（CPU 1214C DC/DC/DC）、输入设备（启动按钮SB1、停止按钮SB2、满料检测传感器S1、限位开关SQ1/SQ2）、执行设备（料斗进料阀D4、出料阀D2、传送带电机M1-M4、接触器KM1-KM4、指示灯D1/D3/L1/L2）、HMI（TP1200精智面板）、电源、断路器、熔断器、热继电器等组成。
软件架构：系统软件以PLC主程序（OB1）为核心，包含启动停止控制、进料控制、装车时序控制、停机控制等程序段；HMI软件包含操作面板、状态显示等画面，实现人机交互；通过博途软件仿真模块实现系统调试。
（三）控制流程设计
系统初始化流程：系统启动后，PLC程序初始化，设置程序步骤为0，红灯L2灭、绿灯L1亮（允许货车进车），料斗出料阀D2关闭，传送带电机M1-M4均处于停止状态；若料斗满料检测传感器S1为OFF（物料不满），启动进料阀D4进料，S1为ON（料满）时停止进料。
自动配料装车完整流程：货车开进装车位置→限位开关SQ1置ON→红灯L2亮、绿灯L1灭→启动M4→1S后启动M3→1S后启动M2→1S后启动M1→1S后开启出料阀D2→料斗出料装车→货车装满后SQ2置ON→关闭D2→1S后停止M1→1S后停止M2→1S后停止M3→1S后停止M4→红灯L2灭、绿灯L1亮→货车开走。
停机控制流程：按下停止按钮SB2→PLC接收信号→立即关闭所有执行器（进料阀、出料阀、传送带电机）→指示灯恢复初始状态→系统终止运行。
四、系统硬件设计
（一）硬件选型
PLC选型：选用西门子CPU 1214C DC/DC/DC，该型号具备14路输入/10路输出，满足系统I/O信号需求，支持LAD编程与博途软件无缝兼容，性价比高、可靠性强。
传感器选型：料斗满料检测传感器S1选用电容式接近开关，具备非接触式检测优势，可精准判断料斗物料是否满溢；限位开关SQ1（车到位）、SQ2（车装满）选用机械式限位开关，结构简单、动作可靠，适用于位置检测场景。
执行器选型
指示灯：车装满指示灯D1、料斗满料指示灯D3选用LED指示灯，功耗低、寿命长；允许进车绿灯L1、禁止进车红灯L2选用高亮LED灯，便于远距离观察；
电磁阀：料斗进料阀D4、出料阀D2选用24V直流电磁阀，响应迅速、控制精准；
传送带电机：M1-M4选用三相异步电动机，功率根据装车需求选型，配套接触器KM1-KM4（交流接触器）实现电机启停控制。
HMI选型：选用西门子TP1200精智面板，具备7英寸彩色触摸屏，支持多语言显示，可实现设备状态实时监控与操作指令下发。
其他硬件：电源选用24V直流开关电源，为PLC、传感器、指示灯等设备供电；断路器QS用于系统总电源控制；熔断器FU1-FU4分别为M1-M4电机回路提供短路保护；热继电器FR1-FR4用于电机过载保护。
（二）I/O分配表设计
输入信号分配
输出信号分配
（三）硬件接线设计
外部接线图设计：PLC电源端L+、M分别连接24V直流电源的正负极；输入设备（SB1、SB2、S1、SQ1、SQ2）一端接PLC输入地址（I0.0-I0.4），另一端接电源M极；输出设备（D1-D4、L1-L2、KM1-KM4）一端接PLC输出地址（Q0.0-Q1.1），另一端接电源M极（指示灯、电磁阀）或通过接触器控制电机电源（传送带电机）；HMI通过以太网电缆连接PLC以太网接口，实现通信。
主电路图设计：三相电源L1、L2、L3经断路器QS接入，分别为M1-M4传送带电机供电；每路电机回路串联熔断器（FU1-FU4）、接触器主触点（KM1-KM4）、热继电器（FR1-FR4），最后接入电机；热继电器常闭触点串联入控制回路，实现过载保护。
五、系统软件设计
（一）PLC程序设计
程序总体结构：系统PLC程序以主程序OB1为核心，采用模块化设计思路，分为10个程序段，分别实现启动停止控制、进料控制、装车时序控制、停机控制等功能，通过“程序步骤”变量（%MW100）实现各流程的切换与联动。
程序段详细设计
程序段1：启动与停止控制逻辑：以启动按钮%M10.0（对应I0.0）为置位条件，停止按钮%M10.1（对应I0.1）为复位条件，控制“运行指示”变量%M200.0的通断，%M200.0为ON时系统进入运行状态，OFF时系统停止。
程序段2：料斗满料检测与自动进料控制：当“运行指示”%M200.0为ON、允许进车绿灯%Q0.4为ON（初始状态），且料斗满料检测%M10.2（对应I0.2）为OFF时，置位料斗进料阀%Q0.3（D4），同时料斗满料指示灯%Q0.2（D3）灭；当%M10.2为ON时，复位%Q0.3，置位%Q0.2，停止进料。
程序段3：汽车装满指示灯亮：当车装满限位开关%M10.4（对应I0.4）为ON时，置位车装满指示灯%Q0.0（D1），指示货车装满；当系统复位或货车开走后，复位%Q0.0。
程序段4：自动配料步骤流程启动：当“运行指示”%M200.0为ON，且车到位限位开关%M10.3（对应I0.3）为ON时，通过MOVE指令将“程序步骤”%MW100设为20，启动装车流程。
程序段5：步骤0：初始化：系统启动后，“程序步骤”%MW100默认值为0，此时复位禁止进车红灯%Q0.5（L2），置位允许进车绿灯%Q0.4（L1），关闭出料阀%Q0.1（D2），停止所有传送带电机（%Q0.6-Q1.1复位），进入初始状态。
程序段6：步骤10：红灯灭、绿灯亮，表明允许汽车开进装料：当“程序步骤”%MW100为10时，复位禁止进车红灯%Q0.5，置位允许进车绿灯%Q0.4，料斗进料阀根据满料检测状态自动控制，等待货车到位。
程序段7：步骤20：当汽车到位后，红灯亮、绿灯灭；启动M4，1S后启动M3，1S后启动M2，1S后启动M1，1S后出料：当“程序步骤”%MW100为20时，置位禁止进车红灯%Q0.5，复位允许进车绿灯%Q0.4；通过TON定时器依次实现M4传送带%Q1.1（KM4）、M3传送带%Q1.0（KM3）、M2传送带%Q0.7（KM2）、M1传送带%Q0.6（KM1）的延时启动，最后开启出料阀%Q0.1（D2）；定时器设定值均为T#1S，通过定时器Q端触发下一设备启动。
程序段8：步骤30：先停止出料阀，然后1秒后停止M1，1秒后停止M2，1秒后停止M3，1秒后停止M4：当车装满限位开关%M10.4为ON时，“程序步骤”%MW100设为30，首先复位出料阀%Q0.1；通过TON定时器依次实现M1-M4传送带的延时停止，定时器设定值均为T#1S，确保设备有序停机。
程序段9：步骤40：红灯L2灭，绿灯L1亮，表明汽车可以开走：当M4传送带停止后，“程序步骤”%MW100设为40，复位禁止进车红灯%Q0.5，置位允许进车绿灯%Q0.4，复位车装满指示灯%Q0.0，系统回到初始等待状态。
程序段10：按下停止按钮SB2，自动配料装车的整个系统终止运行：当停止按钮%M10.1为ON时，复位“运行指示”%M200.0，将“程序步骤”%MW100设为0，关闭所有执行器（进料阀、出料阀、传送带电机），指示灯恢复初始状态。
（二）HMI组态设计
HMI画面设计：设计根画面作为主界面，包含设备状态显示区与操作区；设备状态显示区实时显示料斗满料状态、货车到位状态、车装满状态、各传送带运行状态、指示灯状态等；操作区设置启动、停止按钮，便于用户操作；同时设计控制面板画面，可查看详细变量状态与故障提示。
HMI变量组态：在HMI变量表中添加与PLC对应的变量，如启动按钮（%M10.0）、停止按钮（%M10.1）、运行指示（%M200.0）、各指示灯状态（%Q0.0-%Q0.2、%Q0.4-%Q0.5）、各执行器状态（%Q0.1、%Q0.3、%Q0.6-Q1.1）等，设置变量数据类型与PLC一致，通过通信连接实现数据同步。
交互功能设计：HMI启动按钮关联PLC“启动按钮”变量（%M10.0），按下时发送置位信号；停止按钮关联“停止按钮”变量（%M10.1），按下时发送复位信号；状态显示区通过指示灯控件关联PLC输出变量，变量为ON时指示灯亮，OFF时灭；添加故障提示控件，当设备异常（如电机过载、传感器故障）时显示报警信息。
（三）变量与数据类型设计
PLC变量定义
数据类型选择依据与合理性分析：Bool类型适用于开关量信号（按钮、传感器、执行器状态），仅占用1位存储空间，操作便捷；Int类型适用于“程序步骤”变量，可通过不同整数值（0、10、20、30、40）标识系统不同流程阶段，便于流程切换与逻辑控制，数据类型选择符合系统控制需求，兼顾存储效率与控制精度。
六、系统仿真与调试
（一）仿真环境搭建
博途软件仿真设置：打开博途软件，创建新项目并添加PLC设备（CPU 1214C DC/DC/DC）与HMI设备（TP1200精智面板），配置PLC与HMI的通信连接（Profinet协议）；启用PLC仿真功能，创建虚拟PLC实例，将编写的PLC程序下载至虚拟PLC。
PLC与HMI通信连接设置：在博途设备网络配置中，为PLC与HMI分配同一网段的IP地址，建立HMI与PLC的通信连接，确保HMI变量与PLC变量能够正常交互。
虚拟硬件设备配置：在仿真环境中，为PLC输入地址（I0.0-I0.4）关联虚拟按钮，模拟启动、停止、传感器等输入信号；为输出地址（Q0.0-Q1.1）关联虚拟指示灯、接触器，模拟执行器动作。
（二）分模块调试
输入信号调试：操作虚拟按钮模拟SB1（启动）、SB2（停止）、S1（料斗满料检测）、SQ1（车到位）、SQ2（车装满）信号，通过PLC变量监控界面观察%M10.0-%M10.4变量是否同步变化，验证输入信号采集的准确性。
输出信号调试：在PLC程序中手动置位输出变量（%Q0.0-%Q1.1），观察虚拟执行器（指示灯、接触器）是否正常响应，验证输出信号控制的可靠性。
程序段功能调试：逐段运行PLC程序，验证各程序段逻辑正确性。例如，调试程序段2时，模拟料斗不满（S1=OFF），观察进料阀是否开启；模拟料满（S1=ON），观察进料阀是否停止。
（三）整体系统仿真测试
初始化状态测试：启动虚拟PLC，观察系统初始状态是否符合设计要求：红灯L2（%Q0.5）灭、绿灯L1（%Q0.4）亮，出料阀（%Q0.1）关闭，传送带电机（%Q0.6-Q1.1）停止；料斗不满时进料阀（%Q0.3）开启，料满后停止。
自动配料流程测试：模拟货车进车并触发SQ1（%M10.3=ON），观察系统是否切换至装车流程：L2亮、L1灭，M4、M3、M2、M1依次延时1S启动，最后出料阀开启；模拟货车装满触发SQ2（%M10.4=ON），观察系统是否停止出料，M1-M4依次延时1S停止，L2灭、L1亮，验证整个流程的连贯性与时序准确性。
异常情况测试：在系统运行过程中按下停止按钮SB2（%M10.1=ON），观察系统是否立即终止所有动作，恢复初始状态；模拟传感器故障（如SQ1持续ON），观察系统是否出现误动作，验证系统稳定性。
测试结果分析：通过仿真测试，系统各模块功能正常，输入输出信号响应及时，时序控制精度满足设计要求（延时误差≤0.1S），整体流程运行稳定，无逻辑错误与误动作，达到设计目标。
七、系统优化与改进
（一）仿真测试问题分析
程序逻辑优化点：仿真过程中发现，当货车未完全离开装车位置时，若再次触发SQ1，系统可能重复启动装车流程，存在逻辑漏洞；同时，时序控制依赖单一定时器，若定时器故障可能导致流程卡顿。
硬件选型改进建议：现有机械式限位开关（SQ1、SQ2）在频繁操作下易磨损，影响检测精度；传送带电机缺乏速度调节功能，无法适应不同物料的装车需求。
HMI交互体验优化：现有HMI界面仅显示设备状态，缺乏故障诊断与历史数据查询功能；操作按钮无防误触设计，可能因误操作导致系统异常。
（二）优化方案设计与实现
PLC程序优化：在程序段4中添加“车装满后延时复位”逻辑，确保货车完全离开后才允许再次启动装车流程；采用定时器冗余设计，为关键时序控制设置备用定时器，提高流程可靠性；添加故障检测逻辑，当传感器信号异常时，触发报警并停止系统运行。
HMI界面优化：增加故障诊断画面，显示故障类型、发生时间等信息；添加历史数据查询模块，记录装车次数、运行时间等参数；为操作按钮添加确认弹窗，防止误操作；优化界面布局，采用色彩区分不同设备状态，提升视觉直观性。
优化后仿真测试验证：将优化后的程序下载至虚拟PLC，重复进行整体流程测试与异常情况测试，验证逻辑漏洞是否修复、HMI交互是否便捷、系统稳定性是否提升，确保优化方案有效。
八、结论与展望
（一）研究结论
系统设计完成情况总结：本课题成功完成了基于博途西门子1200PLC的自动装配小车控制系统设计，包括硬件选型、I/O分配、接线设计、PLC程序编写、HMI组态及仿真测试等全部工作，形成了完整的自动化控制系统方案。
核心功能实现验证：通过仿真测试验证，系统实现了料斗自动进料、货车到位检测、时序装车、满料停机、紧急停机等核心功能，输入输出响应及时，时序控制精准，运行稳定可靠，满足设计要求。
研究目标达成情况总结：本课题研究目标全部达成，设计的控制系统可有效实现自动配料装车全流程自动化，提升生产效率、降低人工成本，为相关行业的自动化升级提供了可行的技术方案。
（二）研究展望
系统功能扩展：未来可增加多货车调度功能，通过多个限位开关实现多辆货车的有序装车；集成远程监控功能，利用工业物联网（IoT）技术实现手机或电脑端的远程操作与状态监控；添加故障诊断与预警功能，通过数据分析预测设备故障并及时提醒维护。
技术升级方向：将PLC与物联网平台对接，实现生产数据的云端存储与分析；引入人工智能算法，根据物料特性与装车需求自动调节传送带速度与出料量，优化装车效率；采用伺服电机替代异步电机，提升速度控制精度。
实际工程应用推广前景：本系统设计方案性价比高、通用性强，可根据不同行业的配料装车需求进行参数调整与功能扩展，适用于建材、化工、粮食加工等多个领域的中小型企业，具有广阔的实际工程应用与推广前景。
参考文献
[1] 西门子（中国）有限公司. S7-1200 PLC 技术手册[Z]. 2020.
[2] 王兆义. 可编程控制器教程（第四版）[M]. 北京：机械工业出版社，2019.
[3] 李金伴. 基于博途的PLC与HMI组态控制技术[M]. 北京：电子工业出版社，2021.
[4] 张万忠. 工业自动化仪表与过程控制（第六版）[M]. 北京：化学工业出版社，2020.
[5] 西门子（中国）有限公司. 博途（TIA Portal）软件操作指南[Z]. 2019.
[6] 刘军. PLC在自动配料系统中的应用研究[J]. 自动化技术与应用，2022，41（3）：123-126.
[7] 陈立伟. 基于S7-1200PLC的自动装车控制系统设计[J]. 工业控制计算机，2021，34（7）：105-106.
致谢
感谢指导教师在论文研究过程中的悉心指导与无私帮助，从课题选题、方案设计到论文撰写，均给予了宝贵的意见与建议。
感谢实验室工作人员提供的硬件设备与技术支持，为系统仿真与调试提供了良好的条件。
感谢同窗好友在研究过程中的交流与协作，在遇到技术难题时给予的鼓励与帮助。
感谢家人的理解与支持，为论文研究提供了坚实的后盾。最后，向所有关心与帮助过我的师长、同学和亲友表示衷心的感谢！
附录
（一）完整PLC程序代码（LAD语言）
（二）硬件接线图（CAD版）
（三）主电路图（CAD版）
（四）系统流程图（CAD版）
（五）仿真测试视频截图或链接
