基于西門子PLC的碼垛實訓(xùn)平臺開發(fā)

李磊 田鵬勇 侯超 仇杰

摘?要：針對機(jī)電一體化實訓(xùn)教學(xué)，設(shè)計了一套基于西門子S71200PLC的碼垛實訓(xùn)平臺。將機(jī)械、PLC控制、人機(jī)交互、伺服驅(qū)動等技術(shù)有機(jī)融合。該實訓(xùn)平臺控制系統(tǒng)主程序設(shè)計采用了函數(shù)（Function，F(xiàn)C）和函數(shù)塊（Function Block，F(xiàn)B）的形式，對各部分功能進(jìn)行模塊化，并對各模塊的接口進(jìn)行規(guī)劃，簡化了碼垛程序結(jié)構(gòu)。使學(xué)生快速掌握復(fù)雜運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)、編程調(diào)試能力，有利于提高學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：S71200PLC;實訓(xùn)平臺;噴涂碼垛自動線;函數(shù)（塊）

隨著智能制造在自動化領(lǐng)域的不斷深入發(fā)展，應(yīng)用于噴涂、碼垛等工藝的自動化生產(chǎn)線設(shè)備越來越多，且更趨于智能化、信息化和集成化。噴涂碼垛實訓(xùn)平臺應(yīng)用于機(jī)電類相關(guān)專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)，旨在使學(xué)生們掌握機(jī)械、PLC應(yīng)用、伺服控制、人機(jī)交互、通信等技術(shù)的基礎(chǔ)理論和工程知識。因此，開發(fā)了一套基于西門子PLC的碼垛實訓(xùn)平臺。該平臺模擬碼垛工藝過程，并根據(jù)教學(xué)實際進(jìn)行了改進(jìn)，使其具有較高的實用性、開放性和拓展性。對提高該專業(yè)教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力具有重要的意義。

1 碼垛實訓(xùn)平臺方案概述

實訓(xùn)平臺機(jī)械部分由供料單元和碼垛單元組成。供料單元可以將工件定位在抓料位置，碼垛單元通過各個軸的協(xié)同工作，將工件搬運(yùn)到指定位置并碼垛。在進(jìn)行試驗平臺控制系統(tǒng)編程時，由于工藝流程復(fù)雜，同學(xué)們在學(xué)習(xí)時若直接進(jìn)行整個碼垛系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)程序開發(fā)則難度較大，耗時較長。所以下位機(jī)程序的設(shè)計采用函數(shù)（Function，F(xiàn)C）和函數(shù)塊（Function Block，F(xiàn)B）的形式，對程序中各部分功能進(jìn)行模塊化，并對各模塊的接口進(jìn)行規(guī)劃。學(xué)生在練習(xí)編程時，通過對其中的一個或幾個功能塊進(jìn)行編程，這種方式可以幫助同學(xué)們建立正確的程序結(jié)構(gòu)，降低了難度，提高了編程效率[1，2]。

2 碼垛實訓(xùn)平臺硬件設(shè)計

2.1 實訓(xùn)平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)

碼垛實訓(xùn)平臺由供料單元和碼垛單元組成，結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。其中供料單元由料倉、頂料氣缸、推料氣缸、物料臺等元件組成，兩氣缸按照頂料缸伸出推料缸伸出推料缸縮回頂料缸縮回的順序動作，將工件推至物料臺上，同時工件在重力作用下落下。

碼垛單元是由直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)將X、Y、Z模組軸空間兩兩垂直固定組成[3-5]。各軸由伺服電機(jī)驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動螺母直線往復(fù)運(yùn)動。在最底部模組軸平行方向設(shè)計有導(dǎo)軌滑塊結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)設(shè)備剛度。

2.2 控制系統(tǒng)組成

實訓(xùn)平臺控制部分主要包括上位機(jī)觸摸屏、PLC、被控對象（松下A6伺服驅(qū)動器、電磁閥等）和傳感器等元件。該實訓(xùn)平臺PLC部分的I/O接線圖如圖2所示，PLC共有11個輸入信號，分別為供料單元頂料氣缸和推料氣缸位置信號，物料到位檢測信號;碼垛單元X、Y、Z三軸的原點信號，檢測吸盤真空度傳感器信號及啟動、停止按鈕信號及報警信號。

3 碼垛平臺軟件設(shè)計

3.1 PLC控制流程設(shè)計

碼垛實訓(xùn)平臺的工藝流程主要包括：設(shè)置物料、垛型、速度等參數(shù)示教末端執(zhí)行器抓、放料位置供料單元推出物料開始碼垛碼放完畢后回原點。

在使用TIA Portal V15軟件編程時，利用結(jié)構(gòu)化的程序編寫形式有助于對程序功能的分解。如圖3所示，碼垛實訓(xùn)臺主程序結(jié)構(gòu)由組織塊OB1對各個函數(shù)或函數(shù)塊進(jìn)行嵌套和調(diào)用。

軟件編程中使用的函數(shù)或函數(shù)塊的功能、接口數(shù)據(jù)見表1。

3.2 上位機(jī)功能設(shè)計

本實訓(xùn)平臺利用西門子KTP900觸摸屏對整個碼垛系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和實時監(jiān)測[6-8]。上位機(jī)功能主要由參數(shù)設(shè)置界面、自動調(diào)試界面及報警信息顯示、確認(rèn)等功能組成。如圖4所示，在開始碼垛之前，需要對碼放物料尺寸、碼垛參數(shù)通過HMI設(shè)計界面（如圖4.a所示）進(jìn)行設(shè)置并傳送至PLC相應(yīng)存儲區(qū)間。通過運(yùn)行界面（如圖4.b所示）啟動或停止工作。

4 實訓(xùn)平臺項目開發(fā)

利用該實訓(xùn)平臺可進(jìn)行機(jī)械設(shè)計、電氣系統(tǒng)設(shè)計及PLC和HMI編程設(shè)計的實訓(xùn)項目的開發(fā)，下面將設(shè)備典型實訓(xùn)項目列舉見表2：

5 結(jié)語

本文設(shè)計的基于TIA Portal V15編程環(huán)境的碼垛實訓(xùn)平臺，可應(yīng)用于包括機(jī)械項目設(shè)計、PLC技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、伺服技術(shù)等試驗課程。另外，該實訓(xùn)平臺可拓展功能，如對多種規(guī)格物料碼垛算法的開發(fā)，或利用VC、Labview等軟件代替HMI進(jìn)行上位機(jī)程序開發(fā)等項目。該實訓(xùn)平臺充分集成了常用的工控技術(shù)，具有較高的實用性、開放性和拓展性，對培養(yǎng)學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡洪國，高建華，楊汝清.碼垛技術(shù)綜述[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2000（6）：7-9.

[2]李坤全，邵鳳翔.全自動包裝碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2017（4）：259-262.

[3]付鐵，李金泉，陳懇，等.一種新型高速碼垛機(jī)械手的設(shè)計與實現(xiàn)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2007，（1）：17-20.

[4]李海波，房曙光.基于PLC與HMI的碼垛實訓(xùn)仿真控制系統(tǒng)開發(fā)[J].實訓(xùn)室研究與探索，2018，37（12）：129-132.

[5]肖艷軍，李磊，周婧，等.基于PLC的自動續(xù)料機(jī)械手[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2011（2）：152-154.

[6]張建新，李磊.移動式數(shù)控火焰切割機(jī)料架研制[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2016，12（5）：149-152.

[7]張豐華，韓寶玲，羅慶生，等.基于PLC的新型工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2009，17（11）：2191-2193.

[8]廖常初.S7-1200PLC技術(shù)應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

基金項目：天津市企業(yè)科技優(yōu)秀特派員項目（18JCTPJC52300）;天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)教學(xué)改革與建設(shè)項目城市軌道交通多專業(yè)聯(lián)合仿真實訓(xùn)室建設(shè)方案（項目編號：ZDJY2019-03）

作者簡介：李磊（1983-），男，河北邯鄲人，碩士，講師，主要從事機(jī)電液一體化技術(shù)方面的科研和教學(xué)工作。