基于PLC、觸摸屏及伺服定位的立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃震宇 談蓉蓉

（無(wú)錫廣播電視大學(xué)，江蘇 無(wú)錫214011）

0 引言

近些年物流行業(yè)獲得了快速發(fā)展，而自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)因?yàn)槠湔嫉厣僖约翱臻g使用效率高成為整個(gè)物流體系中的不可缺少的重要一環(huán)[1]。 本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)以現(xiàn)代PLC 技術(shù)為控制中樞，選用伺服定位技術(shù)進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)位置定位，并且以觸摸屏設(shè)計(jì)監(jiān)視及操控界面，可以有效的提升操控人員的工作效率，降低工作強(qiáng)度，且整個(gè)系統(tǒng)具有存取貨物準(zhǔn)確性高，響應(yīng)速度快、工作可靠，查詢信息方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)

1.1 主要設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)是以西門子PLC S7-200 CPU 226cn 為核心控制器來(lái)控制整個(gè)自動(dòng)立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的工作。在運(yùn)行位置控制上主要采用開環(huán)控制方式，使用PLC 控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)堆垛機(jī)在橫向?qū)к墸╔ 軸）和縱向?qū)к墸╕ 軸）上進(jìn)行定位和移動(dòng)，使堆垛機(jī)可以運(yùn)行到相應(yīng)的貨倉(cāng)位；使用一個(gè)小型直流電機(jī)控制堆垛機(jī)的叉臺(tái)在Z 軸方向上移動(dòng)以便進(jìn)入相應(yīng)貨倉(cāng)位叉取或者釋放貨物。堆垛機(jī)傳動(dòng)部件采用高精度絲杠進(jìn)行傳動(dòng)。 整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控和操作通過(guò)采用昆侖通態(tài)觸摸屏（TPC7063KS）為人機(jī)接口來(lái)進(jìn)行， 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)操作人員通過(guò)觸摸屏了解系統(tǒng)狀態(tài)，并通過(guò)觸摸屏下達(dá)運(yùn)行指令控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。具體控制系統(tǒng)方框圖如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)方框圖

1.2 控制要求

1.2.1 本系統(tǒng)的立體倉(cāng)庫(kù)貨倉(cāng)位分為4 層每層4 個(gè)，操作人員在觸摸屏上下達(dá)控制命令,觸摸屏將操作命令傳遞給PLC,PLC 控制堆垛機(jī)完成對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)16 個(gè)貨倉(cāng)中的貨物進(jìn)行存儲(chǔ)和提取操作任務(wù)。 整個(gè)系統(tǒng)工作方式分為“手動(dòng)模式”和“自動(dòng)模式”，其中“自動(dòng)模式”為主要工作模式還包括“連續(xù)模式”和“定點(diǎn)模式”等具體情況。

1.2.2 “手動(dòng)模式”運(yùn)行要求如下：

使用觸摸屏上設(shè)置的方向按鈕控制堆垛機(jī)的運(yùn)行，包括控制堆垛機(jī)在X 軸上前進(jìn)和后退，在Y 軸上前進(jìn)與后退，堆垛機(jī)貨叉在z 軸的上伸縮動(dòng)作。 規(guī)定遠(yuǎn)離原點(diǎn)為前進(jìn)，靠近原點(diǎn)為后退。

1.2.3 “自動(dòng)模式”運(yùn)行要求如下：

當(dāng)系統(tǒng)處于“連續(xù)存儲(chǔ)模式”時(shí)會(huì)按照1-16 的順序?qū)ふ铱盏呢泜}(cāng)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)貨物的連續(xù)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)結(jié)束后堆垛機(jī)退回原點(diǎn)位置，進(jìn)入待命狀態(tài)，等待下—個(gè)控制命令。 當(dāng)系統(tǒng)處于“連續(xù)取模式”時(shí)會(huì)自動(dòng)尋找有貨的貨倉(cāng)位來(lái)實(shí)現(xiàn)物品的依次取出。系統(tǒng)處于“定點(diǎn)存取模式”時(shí)， 可以在觸摸屏上下達(dá)具體進(jìn)行存取的貨倉(cāng)位號(hào)，PLC 控制堆垛機(jī)從原點(diǎn)出發(fā)直接運(yùn)行至選擇的貨倉(cāng)位進(jìn)行存取操作。

1.2.4 其他控制要求：如下

1）能夠快速返回原點(diǎn)，系統(tǒng)控制堆垛機(jī)完成一次貨物的存或者取任務(wù)后能快速返回原點(diǎn)。原點(diǎn)設(shè)置有傳感器可以作為堆垛機(jī)運(yùn)行市的位置參考點(diǎn)， 避免系統(tǒng)因長(zhǎng)期運(yùn)行累計(jì)誤差而使堆垛機(jī)不能精確定位。

2）堆垛機(jī)X 軸和Y 軸的定位由PLC 輸出端Q0.0 和Q0.1 輸出脈沖序列控制兩臺(tái)松下伺服電機(jī)（mhmd022p1u）來(lái)實(shí)現(xiàn)；堆垛機(jī)的貨叉由PLC 驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制， 通過(guò)伸縮動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)貨物的存儲(chǔ)提取功能。

3）各個(gè)貨倉(cāng)位裝有物料檢測(cè)傳感器，PLC 根據(jù)傳感器反饋的信息了解各個(gè)貨倉(cāng)位中有無(wú)貨物的情況。

1.2.5 人機(jī)界面功能要求：人機(jī)界面使用昆侖通態(tài)觸摸屏（TPC7063KS）來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要完成對(duì)貨貨倉(cāng)位和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視功能。

1.3 系統(tǒng)的硬件組成

1.3.1 PLC 輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)分配情況

根據(jù)立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的工作要求， 采用西門子S7 系列PLC CPU 226CN 繼電器輸出型作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制中樞。 它屬于微小型PLC，具有24 個(gè)輸入點(diǎn)16 個(gè)輸出點(diǎn)，且可以輸出兩路高速脈沖，功能上完全滿足本次設(shè)計(jì)的需要。

本系統(tǒng)工作時(shí)的輸入信號(hào)主要是各種控制按鈕，限位開關(guān)、傳感器， 但由于本次設(shè)計(jì)采用觸摸屏作為人機(jī)交互的操作界面所以啟動(dòng)、停止按鈕，工作方式選擇開關(guān)都在觸摸屏上制作軟元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，以節(jié)省PLC 輸入點(diǎn)。 急停按鈕，原點(diǎn)限位，超行程限位必須采用物理元件實(shí)現(xiàn)，共需要占用PLC 輸入點(diǎn)8 個(gè)。 除此之外還需要使用傳感器檢測(cè)立體倉(cāng)庫(kù)中各個(gè)貨倉(cāng)位中是否有貨，為了節(jié)省輸入點(diǎn)在這里采用行列矩陣掃描的方式來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，16 個(gè)貨倉(cāng)位分為4 行4 列需要占用4個(gè)輸入點(diǎn)和4 個(gè)輸出點(diǎn)。 所以總的需要占用PLC 輸入點(diǎn)12 個(gè)。

本系統(tǒng)工作時(shí)的輸出信號(hào)主要用于控制伺服電機(jī)和直流電機(jī)工作需要占用輸出點(diǎn)6 個(gè)。系統(tǒng)傳感器采用行列矩陣掃描的方式檢測(cè)貨倉(cāng)中有無(wú)貨物需要占用4 個(gè)輸出點(diǎn)， 總共需要占用10 個(gè)輸出點(diǎn)進(jìn)行工作。 表1 為自動(dòng)立體倉(cāng)庫(kù)PLC 輸入輸出分配表。

表1 自動(dòng)立體倉(cāng)庫(kù)PLC 輸入輸出分配表

1.3.2 定位設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是堆垛機(jī)在運(yùn)行時(shí)的位置確定。設(shè)計(jì)中采用兩臺(tái)松下交流伺服器 （maddt1207003）， 工作模式設(shè)定為位置控制模式，工作在該模式時(shí)高速脈沖串最高輸出速度可達(dá)500Kpps[2]。 伺服電機(jī)采用兩臺(tái)松下伺機(jī)服電機(jī) （mhmd022p1u）， 該機(jī)的編碼器采用2500p/r 分辨率的增量位置編碼器，可進(jìn)行精確定位。

CPU 226CN 型PLC 只有Q0.0 和Q0.1 可以輸出高速脈沖信號(hào)，因此使用Q0.0 高速脈沖輸出(PTO)功能精確的控制伺服電機(jī)在橫軸（X軸）上的運(yùn)行位置，使用Q0.2 發(fā)出信號(hào)控制伺服電機(jī)在X 軸上的運(yùn)行方向；同樣道理使用Q0.1 高速脈沖輸出(PTO)功能精確的控制伺服電機(jī)在縱軸（Y 軸）上的運(yùn)行位置，使用Q0.3 發(fā)出信號(hào)控制伺服電機(jī)在Y 軸上的運(yùn)行方向。 堆垛機(jī)貨叉伸縮(Z 軸)的控制利用直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行來(lái)進(jìn)行控制。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)PLC 先采樣各種輸入信號(hào)， 然后通過(guò)其內(nèi)部編寫的程序判斷和計(jì)算，輸出伺服電動(dòng)機(jī)所需的高速脈沖數(shù)，使堆垛機(jī)在橫向和縱向?qū)к壣暇_移動(dòng)，移動(dòng)到位后輸出信號(hào)控制直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而控制貨叉伸縮完成貨物的存取。

1.4 PLC 程序設(shè)計(jì)

西門子S7-200PLC 程序編寫使用的是STEP 7-Micro/win v4.0 編程軟件[3]，程序編寫時(shí)可以將整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)劃分為幾個(gè)不同的任務(wù)模塊，每一個(gè)模塊編寫為一個(gè)子程序完成一項(xiàng)具體工作，通過(guò)主程序來(lái)協(xié)調(diào)調(diào)用。 主程序負(fù)責(zé)其他程序的協(xié)調(diào)調(diào)用，“取貨子程序”完成貨物從貨倉(cāng)中取出，“存貨子程序”完成將貨物存入到貨倉(cāng)中，“檢測(cè)子程序”完成對(duì)各個(gè)貨倉(cāng)內(nèi)有無(wú)貨物的掃描，“地址計(jì)算子程序”根據(jù)操作命令計(jì)算出到對(duì)應(yīng)貨倉(cāng)所需的高速脈沖數(shù)，“手動(dòng)操作子程序”用于完成系統(tǒng)的手動(dòng)控制任務(wù)。 程序結(jié)構(gòu)框架如圖2 所示。

圖2 程序架構(gòu)圖

另外用于伺服電機(jī)控制的具體子程序可以通過(guò)西門子編程軟件中“位置控制向?qū)А痹O(shè)置完成，在該向?qū)е刑顚懣刂扑欧姍C(jī)運(yùn)行所需的相關(guān)參數(shù)包括高速脈沖數(shù)，運(yùn)行速度，加減速時(shí)間等。該向?qū)Ц鶕?jù)編程者填寫的參數(shù)信息自動(dòng)生成運(yùn)行“包絡(luò)”以簡(jiǎn)化程序編寫。

1.5 系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)選擇使用昆侖通態(tài)TPC7063KS 觸摸屏來(lái)設(shè)計(jì)，編程軟件為MCGS6.2 全中文工控組態(tài)軟件。 主要工作包括：各倉(cāng)庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)控主要是倉(cāng)庫(kù)中有無(wú)貨物，故障報(bào)警，選擇系統(tǒng)的工作模式，啟動(dòng)和停止設(shè)備運(yùn)行

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作需要正確建立觸摸屏和PLC 之間的通信連接。 觸摸屏將com1 串行接口直接與PLC（port1）編程接口連接。 所使用的通訊線采用西門子PC-PPI 電纜，PC-PPI 電纜把RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485 信號(hào)。 進(jìn)入MCGS 6.2 組態(tài)軟件后先在“設(shè)備窗口”中添加一個(gè)“通用串口父設(shè)備”，然后設(shè)置設(shè)備通信時(shí)有關(guān)參數(shù)，其中包括設(shè)置通信參數(shù)端口號(hào)，波特率，數(shù)據(jù)位數(shù)，停止位數(shù)，校驗(yàn)方式及位數(shù)，數(shù)據(jù)采集方式等[4]。接著在“通用串口父設(shè)備”下面建立一個(gè)子設(shè)備“西門子_s7200ppi”，然后設(shè)置PLC 的有關(guān)參數(shù)[5]，主要將PLC 中的數(shù)據(jù)變量和MCGS 6.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)變量進(jìn)行對(duì)應(yīng)， 這樣觸摸屏就可以通過(guò)PLC 獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息并控制設(shè)備運(yùn)行。 然后在用戶窗口進(jìn)行編輯，繪制操作和監(jiān)控所需要的各種指示燈，按鈕，開關(guān)等軟元件，并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)。 觸摸屏操作及監(jiān)控界面如圖3 所示。

圖3 觸摸屏操作及監(jiān)控界面

2 結(jié)束語(yǔ)

本控制系統(tǒng)是根據(jù)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行的基本要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，以西門子s7-200 系列PLC CPU226CN 繼電器輸出型為中樞控制器件，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器（松下maddt1207003）來(lái)控制伺服電動(dòng)機(jī)(松下mhmd022p1u)進(jìn)行定位控制，控制堆垛機(jī)在高強(qiáng)度導(dǎo)軌沿橫軸（x 軸）與縱軸（Y 軸）精確運(yùn)行。 控制直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)堆垛機(jī)貨叉在z 軸上伸縮， 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的自動(dòng)存儲(chǔ)提取任務(wù)。 使用昆侖通態(tài)觸摸屏（TPC7063KS）設(shè)計(jì)人機(jī)界面，方便操作人員進(jìn)行設(shè)備的操作和狀態(tài)監(jiān)控。 在本次設(shè)計(jì)中，完成了立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。

［1］趙月,王帥.基于S7-200 PLC 的立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表用戶,2012,4.

［2］松下A4 系列AC 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)手冊(cè)[Z].

［3］西門子S7-200 系列PLC 編程手冊(cè)[Z].

［4］侯榮國(guó),許云理,馮延森,穆潔塵.基于MCGS 組態(tài)軟件的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012,1.

［5］北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司.MCGS 嵌入板用戶手冊(cè)[Z].