王艷紅，吳建平，李娜，劉佳興

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽，110870）

基于PLC與觸摸屏的立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王艷紅，吳建平，李娜，劉佳興

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽，110870）

本文以西門子S7-300系列PLC作為控制中樞，以臺(tái)達(dá)B系列觸摸屏作為人機(jī)交互界面，通過人機(jī)交互界面對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控及控制，并使用步進(jìn)定位技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了簡(jiǎn)易自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)通過PROFINET總線接入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，配合上位機(jī)完成控制任務(wù)。結(jié)果表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、控制精度高。

立體倉(cāng)庫(kù)；PLC；觸摸屏；控制系統(tǒng)

引言

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)采用先進(jìn)的控制技術(shù)、總線技術(shù)和信息技術(shù)，能夠高效實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備協(xié)調(diào)動(dòng)作，快速完成貨物自動(dòng)有序的出入庫(kù)作業(yè)，在大型物流倉(cāng)庫(kù)中逐漸獲得廣泛應(yīng)用［1］。

在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的管理與控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)是自動(dòng)出入庫(kù)的關(guān)鍵部分［2］。

本文根據(jù)物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的需求，研究立體倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在簡(jiǎn)要介紹三級(jí)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述HMI-PLC控制系統(tǒng)的硬件、軟件和通訊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)立體倉(cāng)庫(kù)從站遠(yuǎn)程方式下自動(dòng)接受上位機(jī)指令，在本地方式下可選擇手動(dòng)或自動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)作業(yè)，并利用HMI完成實(shí)時(shí)作業(yè)的全程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管理層與現(xiàn)場(chǎng)控制層采用新型總線PROFINET進(jìn)行通信，PROFINET可以實(shí)現(xiàn)控制層級(jí)橫向與縱向的集成［3］。PROFINET通過工業(yè)以太網(wǎng)，連接現(xiàn)場(chǎng)層到管理層的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)從公司管理層到現(xiàn)場(chǎng)層的直接、透明訪問［4］?，F(xiàn)場(chǎng)控制層的HMI與PLC控制器采用MPI通信方式，MPI的優(yōu)點(diǎn)是CPU可以與多個(gè)設(shè)備建立多節(jié)點(diǎn)通信，并同步運(yùn)行［5］。PLC控制器接受來自現(xiàn)場(chǎng)編碼器、傳感器等信號(hào)，控制閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)、氣動(dòng)機(jī)械手等設(shè)備的運(yùn)行。HMI可實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)的過程監(jiān)控和人機(jī)信息交互，以及軟件組態(tài)參數(shù)的設(shè)定、操作、監(jiān)控、報(bào)警等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1PLC硬件設(shè)計(jì)

本自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)為單巷道、3層、4列共12個(gè)倉(cāng)位的倉(cāng)庫(kù)模型?？刂葡到y(tǒng)由上位機(jī)、西門子S7-300系列PLC、DP從站和臺(tái)達(dá)DOP-B系列HMI組成，系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中，上位機(jī)主要完成貨物管理與統(tǒng)計(jì)、倉(cāng)位監(jiān)測(cè)、出入庫(kù)命令發(fā)送與信息反饋等工作。S7-300PLC作為控制器，主要完成控制堆垛機(jī)定位行走，物料抓放，與上位機(jī)通信等工作。HMI主要完成出入庫(kù)信息記錄及倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行情況的監(jiān)控，并作為指令輸入源使用。ET200S IM151-7 CPU為DP從站；SCALANCE X208為PROFINET網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；IE/PB LINK PN IO為代理服務(wù)器［6］；自動(dòng)立體倉(cāng)庫(kù)模型是系統(tǒng)的控制對(duì)象。

2.2編址和尋址方式

在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型中，貨架的倉(cāng)位編址方法是以垂直方向?yàn)樾械刂?，底層為?行，逐層遞增；水平方向?yàn)榱械刂罚拷霂?kù)平臺(tái)位的為第1列，逐列遞增。PLC對(duì)貨位的認(rèn)址采用相對(duì)認(rèn)址方式。通過Festo Configuration Tool軟件設(shè)置貨架的倉(cāng)位坐標(biāo)，由PLC發(fā)送地址數(shù)據(jù)組控制驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)PLC程序控制對(duì)行或列地址進(jìn)行+1或-1操作。當(dāng)堆垛機(jī)回原點(diǎn)時(shí)，限位開關(guān)動(dòng)作，坐標(biāo)清零，完成校正。

在該控制系統(tǒng)中，S7-300控制器與觸摸屏采用MPI方式進(jìn)行通信，與上位機(jī)采用PROFINET［7］方式進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1運(yùn)行模式

本研究表明，人才政策的擴(kuò)散和創(chuàng)新受多種因素的影響，具體結(jié)論如下:(1)地方政府的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率和財(cái)政收入而不是GDP規(guī)模影響人才政策的擴(kuò)散和創(chuàng)新。(2)地方政府與直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的競(jìng)爭(zhēng)是影響人才政策擴(kuò)散和創(chuàng)新的最關(guān)鍵因素，周邊城市競(jìng)爭(zhēng)和向大城市學(xué)習(xí)對(duì)人才政策擴(kuò)散和創(chuàng)新的影響并不顯著。(3)行政級(jí)別越高，地方政府人才政策創(chuàng)新的概率也越高。

系統(tǒng)具有兩種運(yùn)行模式：遠(yuǎn)程和本地運(yùn)行模式，本地運(yùn)行模式又分為自動(dòng)入庫(kù)/出庫(kù)模式和手動(dòng)入庫(kù)/出庫(kù)模式。

在遠(yuǎn)程運(yùn)行模式下，PLC根據(jù)上位機(jī)發(fā)來的命令確定目的倉(cāng)位和運(yùn)行速度，自動(dòng)完成入庫(kù)或者出庫(kù)操作，并在作業(yè)完成后反饋信息給上位機(jī)。

在本地運(yùn)行模式下，當(dāng)選擇自動(dòng)入庫(kù)/出庫(kù)模式時(shí)，操作者需在HMI上輸入目標(biāo)坐標(biāo)和運(yùn)行速度，系統(tǒng)自動(dòng)完成入庫(kù)和出庫(kù)。當(dāng)選擇手動(dòng)入庫(kù)/出庫(kù)模式時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)貨物在允許的位置上獨(dú)立伸縮動(dòng)作和抓物放動(dòng)作，也可以實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)X軸、Z軸運(yùn)動(dòng)和出入庫(kù)輸送機(jī)系統(tǒng)的單獨(dú)運(yùn)行。

3.2觸摸屏界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制界面包括模式選擇界面、對(duì)應(yīng)模式下的運(yùn)行界面、歷史信息界面，報(bào)警信息界面等。圖2所示為立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行監(jiān)控界面。

以單機(jī)模式下的出入庫(kù)運(yùn)行控制界面設(shè)計(jì)為例，界面依次有貨架的運(yùn)行狀態(tài)顯示，正在執(zhí)行的出入庫(kù)操作，倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)、故障及剩余倉(cāng)位顯示，指定出入庫(kù)操作按鈕，機(jī)械手及步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)動(dòng)操作。

圖2　自動(dòng)立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行監(jiān)控界面

PLC程序使用STEP7進(jìn)行編制，STEP7使用方便、直觀的用戶界面、用組態(tài)取代編程及程序運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)，使得組態(tài)編程非常容易［8，9］。

PLC程序的編制主要采用LAD語言與GRAPH語言混合的模式進(jìn)行。

本地出入庫(kù)自動(dòng)模式的工作過程與遠(yuǎn)程模式的工作過程類似，現(xiàn)以入庫(kù)流程為例，給出PLC編程流程，如圖3所示。

圖3　本地自動(dòng)入庫(kù)程序流程圖

4 PLC通信設(shè)計(jì)

S7-300PLC與HMI采用MPI進(jìn)行，PLC設(shè)置站號(hào)為2，HMI設(shè)置站號(hào)為0，通訊速率為187 500 bps。

PLC與HMI之間的數(shù)據(jù)與信息傳達(dá)需要建立DB數(shù)據(jù)塊，圖4所示為PLC與觸摸屏通訊建立的數(shù)據(jù)塊和程序。

5 調(diào)試

圖4　PLC與觸摸屏數(shù)據(jù)傳達(dá)程序

本章以本地觸摸屏操作調(diào)試為例，將本地/遠(yuǎn)程選擇開關(guān)置于本地位置，手動(dòng)/自動(dòng)選擇開關(guān)置于自動(dòng)位置，同時(shí)出庫(kù)/入庫(kù)選擇開關(guān)置于入庫(kù)位置，輸入入庫(kù)速度，機(jī)械手開始尋原點(diǎn)，進(jìn)行入庫(kù)操作，觸摸屏運(yùn)行界面顯示正在執(zhí)行的倉(cāng)位操作及倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)，并適時(shí)進(jìn)行滾動(dòng)字幕報(bào)警。此模式下的出入庫(kù)操作、顯示及報(bào)警相似。本地手動(dòng)模式，即將本地/遠(yuǎn)程選擇開關(guān)置于本地位置，手動(dòng)/自動(dòng)選擇開關(guān)置于手動(dòng)位置，可以進(jìn)行手動(dòng)出入庫(kù)操作，機(jī)械手臂的前后運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手指的夾緊與放松，還可以手動(dòng)控制機(jī)械手的X軸及Z軸回零點(diǎn)。依照上述方式，對(duì)系統(tǒng)循環(huán)測(cè)試，若調(diào)試過程中，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，且各界面達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，則認(rèn)為調(diào)試成功。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)調(diào)試如圖5所示。

圖5　自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)調(diào)試

6 結(jié)論

本系統(tǒng)以S7-300系列PLC為控制中樞，以觸摸屏為人機(jī)交互界面，采用MPI通信方式進(jìn)行通信。該模型操作簡(jiǎn)便，可以實(shí)現(xiàn)工件存取的過程監(jiān)控和人機(jī)信息交互，以及軟件組態(tài)參數(shù)的設(shè)定、操作、監(jiān)控、報(bào)警等。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，具有良好的企業(yè)應(yīng)用前景。

［1］徐菱， 勞揚(yáng)健， 王金諾. 基于PLC的堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)， 2005（1）: 72-73.

［2］劉魯， 常曉玲. 基于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)， 2015（1）: 93-96.

［3］李鑫. 工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］. 北京: 北京化工大學(xué)， 2006.

［4］廖常初. S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù): 第2版［M］. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 2011: 315-316.

［5］向曉漢， 王飛飛. 西門子PLC高級(jí)應(yīng)用實(shí)例精解: 第2版［M］. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 2015: 160-161.

［6］孫蓉， 蘇麗， 呂淑平， 等. PROFINET控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2014， 33（4）: 103-107.

［7］龔仲華. S7-300/400系列PLC應(yīng)用技術(shù)［M］. 北京: 人民郵電出版社， 2011: 32-33.

［8］陽勝峰. 快速學(xué)會(huì)S7-300/400 PLC［M］. 北京: 中國(guó)電力出版社，2014.

［9］劉忠超， 蓋曉華. 西門子S7-300 PLC編程入門及工程實(shí)踐［M］.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社， 2014.

Design and Implementation of Stereo Warehouse Control System based on PLC and Touch Screen

Yanhong Wang， Jianping Wu， Na Li， Jiaxing Liu（Institute of Information Science and Engineering， Shenyang University of Technology，Shenyang， Liaoning， 110870， China）

This paper bases on Siemens S7-300 series PLC as the control center， and uses DOP-B series touch screen as human machine interface， as to monitor and control the status of stereo warehouse control system through the human machine interface. Also， stepper positioning technology is used to design and produce a simple automated warehouse control system model. Such a system accesses industrial control network via PROFINET bus， and cooperates with PC to complete the control task. The results show that，system operation is stable， reliable， and with high precision control.

Stereo Warehouse； PLC； Touch Screen； Control System

TP2

A

2095-8412 （2016） 04-775-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.053

王艷紅（1967-），女，遼寧沈陽人，博士，教授，研究方向：生產(chǎn)調(diào)度與優(yōu)化。

吳建平（1983-），女，河南濮陽人，研究生，研究方向：控制工程。

李娜（1991-），女，遼寧朝陽人，研究生，研究方向：控制理論與控制工程。

劉佳興（1991-），男，遼寧調(diào)兵山人，研究生，研究方向：控制工程。