基于S7-1200和雙PLC通訊的懸掛輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

原通文，姜 川，孟 暉，龐艷君，黃何慶

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，以及快節(jié)拍、大規(guī)模、柔性化生產(chǎn)制造的需求，采用自動(dòng)控制技術(shù)和信息技術(shù)，具有自動(dòng)化、智能化，并具備起重、運(yùn)輸、貯存、組織生產(chǎn)等功能的智能化輸送裝備得到越來越廣泛的應(yīng)用，特別是在自動(dòng)化程度較高的制造業(yè)中，更是占到相當(dāng)大的市場份額。

懸掛輸送線是根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的工藝線路，按照設(shè)定的速度實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)部或者車間與車間之間連續(xù)輸送物品達(dá)到自動(dòng)化、半自動(dòng)化流水線作業(yè)的理想設(shè)備?？稍谌S空間內(nèi)任意布置，能夠起到空中儲(chǔ)存的作用，節(jié)省地面使用場地，懸掛輸送以其輸送距離遠(yuǎn)，運(yùn)行速度范圍大和轉(zhuǎn)彎、爬越、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于表面清洗、噴涂、烘干、電鍍、裝配和產(chǎn)品傳輸轉(zhuǎn)運(yùn)等細(xì)分領(lǐng)域。

本文針對懸掛輸送系統(tǒng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用西門子公司的S7-1200 PLC作為控制器，通過雙PLC實(shí)時(shí)通訊進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了分別位于車間一樓和二樓的懸掛輸送系統(tǒng)的分散獨(dú)立控制。由于采用雙PLC控制架構(gòu)，非常易于后期維護(hù)和功能擴(kuò)展。

1 系統(tǒng)要求和工藝流程簡介

1.1 懸掛輸送系統(tǒng)介紹

該項(xiàng)目控制系統(tǒng)總共包含6套懸掛輸送子系統(tǒng)，分散位于1、2、3車間。

懸掛輸送系統(tǒng)的性能為，產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍1臺(tái)/1.5min，運(yùn)載貨物最大重量100kg，工件最大外輪廓尺寸600mm（長）×600mm（寬）×600 mm（高），水平運(yùn)行速度0～20m/min，提升速度0～20m/min。

每套懸掛輸送子系統(tǒng)均分為5部分，分別是二樓懸掛輸送線，二樓和一樓高位之間的升降機(jī)，一樓高位懸掛輸送線，一樓高位升降機(jī)，一樓低位橫移臺(tái)。同時(shí)要求5部分的輸送要同步運(yùn)行。

1.2 工藝流程介紹

總體流程，如圖1所示。

圖1 總體流程示意圖

各部分具體操作流程如下。

1.2.1 上線區(qū)

產(chǎn)品安裝調(diào)試完成后到達(dá)上線點(diǎn)，此時(shí)空車已在上線點(diǎn)上方等待，下方頂升裝置升起200mm～300mm，空車掛鉤掛入產(chǎn)品吊掛點(diǎn)，裝配線工裝下降脫離箱體，完成產(chǎn)品上線。

1.2.2 外觀檢查

上線產(chǎn)品輸送至外觀檢查控制點(diǎn)，手動(dòng)按下“停止”按鈕，拔掉鎖緊銷，產(chǎn)品可進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，檢查合格后插入鎖緊銷方可解鎖輸送，手動(dòng)控制后前行輸送，不合格產(chǎn)品則轉(zhuǎn)至移動(dòng)升降臺(tái)車處置。

1.2.3 二樓輸送線

空車到達(dá)上線點(diǎn)，產(chǎn)品上線，進(jìn)行外觀檢測，隨后送至二樓升降機(jī)?？哲嚨倪\(yùn)行，依靠電機(jī)的啟動(dòng)停止去自動(dòng)控制。

1.2.4 二樓和一樓高位之間的升降機(jī)

產(chǎn)品進(jìn)入升降機(jī)，升降機(jī)從二樓送至一樓高位。同時(shí)，在一樓高位等待的空車進(jìn)入升降機(jī)，升降機(jī)從一樓高位送至二樓。

1.2.5 一樓輸送線

產(chǎn)品經(jīng)二樓和一樓高位之間的升降機(jī)從二樓送至一樓高位，經(jīng)一樓高位輸送線輸送至一樓高位升降機(jī)。

1.2.6 一樓高位升降機(jī)

產(chǎn)品經(jīng)高位經(jīng)輸送線輸送至升降機(jī)，升降機(jī)把產(chǎn)品從高位降至一樓底部橫移臺(tái)。同時(shí)，從橫移臺(tái)送來的空車進(jìn)入升降機(jī)，升降機(jī)從一樓底部送至一樓高位。

1.2.7 一樓低位橫移臺(tái)

經(jīng)升降機(jī)下降的產(chǎn)品移動(dòng)到橫移臺(tái)另一端，經(jīng)懸臂吊調(diào)運(yùn)至包裝區(qū)。同時(shí)，在一樓高位等待的空車進(jìn)入升降機(jī)，升降機(jī)從一樓高位送至二樓。

2 系統(tǒng)方案選擇論證

如前所述，每套懸掛輸送子系統(tǒng)均分成5部分，這5部分控制對象相對位置分散，而且跨樓層。

2.1 方案一

采用集中式控制，一個(gè)PLC作為主控制器，所有控制對象的IO點(diǎn)都通過二次信號(hào)線接入PLC。

2.2 方案二

采用PLC加遠(yuǎn)程IO架構(gòu)，在一樓和二樓的升降機(jī)附近分別放置一個(gè)獨(dú)立的電控柜，二樓為主控柜放置PLC，一樓電控柜設(shè)置遠(yuǎn)程IO模塊。

2.3 方案三

采用雙PLC架構(gòu)，在一樓和二樓的升降機(jī)附近分別放置一個(gè)獨(dú)立的電控柜，一樓、二樓電控柜分別放置一臺(tái)PLC，采用雙PLC通訊方式進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換。

2.4 分析比較

經(jīng)過綜合比較采用方案三，則達(dá)到了分別位于車間一樓和二樓的懸掛輸送系統(tǒng)的低耦合、分散、獨(dú)立控制的目的，并且布線簡單、易于維修和后期擴(kuò)展。

雙PLC架構(gòu)控制系統(tǒng)邏輯圖，如圖2所示。

圖2 雙PLC架構(gòu)控制系統(tǒng)邏輯圖

3 系統(tǒng)硬件配置

3.1 PLC選型

S7-1200是西門子的新一代的控制器，S7-1200控制器具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面等特點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用，能夠保障現(xiàn)有投資的長期安全。由于該控制器具有可擴(kuò)展的靈活設(shè)計(jì)，符合工業(yè)通信最高標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，以及全面的集成工藝功能。

S7-1200還有一個(gè)重要特點(diǎn)是支持多種通信方式，包括有：RS232，RS485，Modbus，USS，Profibus-DP，Pro fi net，TCP。尤其是其支持TCP NATIVE通訊，尤其是對于特定OEM設(shè)備制造商非常適用。

正是基于以上特點(diǎn)以及考慮到后續(xù)同類型項(xiàng)目的拓展，本控制系統(tǒng)決定采用西門子公司的S7-1200 PLC作為控制器。

3.2 變頻器選型

考慮到可靠性和長期運(yùn)行，升降機(jī)的垂直升降控制決定采用西門子m440多段速配合槽型傳感器，做定位控制。在升降機(jī)的上下停止位置，各加裝急停和手動(dòng)升降按鈕和指示燈。

3.3 觸摸屏選型

考慮到和PLC的通訊便利性以及觸摸屏界面編程，決定采用KTP400作為人機(jī)界面。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 S7-1200 CPU之間的通信

S7-1200 CPU本體上集成了一個(gè)PROFINET 通信口，支持以太網(wǎng)和基于TCP/IP和UDP的通信標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)PROFINET物理接口是支持10/100Mb/s的RJ45口，支持電纜交叉自適應(yīng)，因此一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的或是交叉的以太網(wǎng)線都可以用于這個(gè)接口。使用這個(gè)通信口可以實(shí)現(xiàn)S7-1200CPU與編程設(shè)備的通信，與HMI觸摸屏的通信，以及與其他CPU之間的通信。S7-1200CPU的PROFINET通信口支持以下通信協(xié)議及服務(wù)有，TCP，ISO on TCP（RCF 1006），S7通信。

圖3 TSEND_C和TRCV_C指令參數(shù)設(shè)置

本項(xiàng)目采用開放式用戶通信，連接參數(shù)采用圖形方式組態(tài)。兩個(gè)PLC之間使用的通信指令是通用T-block指令（TSEND_C, TRCV_C, TCON, TDISCON, TSEN,TRCV），通信方式為雙邊通信，因此通信指令必須成對出現(xiàn)。緊湊型指令TSEND_C和TRCV_C，除了發(fā)送或接收功能外，還可以建立和斷開連接。項(xiàng)目中通訊程序均在PLC1、PLC2的OB1中編程，組態(tài)及編程基本類同，使用的TSEND_C和TRCV_C指令，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，如圖3所示。

4.2 兩種懸掛線共用一套控制程序

如前所述，該項(xiàng)目控制系統(tǒng)包含6套懸掛輸送子系統(tǒng)，因受限于廠房產(chǎn)品工藝布局，2#和4#懸掛輸送類型相同，1#、2#、5#、6#懸掛輸送類型相同。本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了兩種懸掛線共用一套控制程序，提高了程序可維護(hù)性。設(shè)備首次上電，觸摸屏上會(huì)提示屏幕上選擇線體型號(hào)，一旦選擇后，參數(shù)會(huì)永久保存，即使斷電重啟也會(huì)按照先前的選擇的線體型號(hào)去執(zhí)行程序。

5 結(jié)束語

目前，該懸掛輸送系統(tǒng)已經(jīng)正式使用一年多，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能完全滿足廠家的生產(chǎn)節(jié)拍，生產(chǎn)線在線人員進(jìn)一步優(yōu)化減少，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。采用雙PLC架構(gòu)雖然在設(shè)備購買上會(huì)增加一些成本，但從長期使用的角度來看，反而能降低維護(hù)保養(yǎng)成本，而且應(yīng)用范圍也很廣。相比較于集中式控制方式，總結(jié)其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)幾個(gè)方面：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化；系統(tǒng)的可擴(kuò)展性增強(qiáng)；分散式控制，提高各子系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。