基于S7-1500 PLC的立體智能倉(cāng)庫(kù)控制設(shè)計(jì)＊

莫慧芳，鄧婉瑩

（廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東 廣州 511442）

自動(dòng)化智能立體倉(cāng)庫(kù)又可以稱作自動(dòng)存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)，它通常是指兩層以上高的貨架，通過運(yùn)用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的操作，將貨物進(jìn)行進(jìn)出倉(cāng)庫(kù)處理，不需要進(jìn)行人工搬運(yùn)即可完成，這樣的倉(cāng)庫(kù)不僅僅具有原先傳統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)的功能，同時(shí)還有分類、理貨等新的功能，提高空間使用率，也可以方便取貨，提高工作的效率[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本立體智能倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)主要由3個(gè)獨(dú)立的工作站組成，分別為輸送物料工作站、物料分揀工作站、成品入庫(kù)工作站。當(dāng)井式送料機(jī)構(gòu)檢測(cè)到存在物料底座時(shí)，S7-1500 PLC控制推料氣缸將物料底座推至變頻器控制的傳送帶上，開始輸送物料底座，待阻擋氣缸上的物料底座檢測(cè)傳感器檢測(cè)到物料底座時(shí)，輸出信號(hào)使傳送帶停止運(yùn)行，等待物料放至物料底座上后傳送帶再次啟動(dòng)運(yùn)行，擋板上的光纖傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)將傳送帶停止運(yùn)行，等待物料放至物料底座上后傳送帶再次啟動(dòng)運(yùn)行，開始輸送成品物料，當(dāng)傳送帶末端的傳感器檢測(cè)到成品物料到位信號(hào)時(shí)傳送帶停止運(yùn)行，完成物料底座的輸送和物料分揀工作。此時(shí)由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制的Y軸絲桿與伺服驅(qū)動(dòng)控制的Z軸絲桿分別運(yùn)動(dòng)到取件位置，到達(dá)取件位置后，絲桿上的伸縮氣缸伸出到位后夾緊物料，待物料夾緊后絲桿移動(dòng)到安全位置，到達(dá)安全位置后絲桿上的伸縮氣缸縮回，伸縮氣缸縮回到位后絲桿運(yùn)動(dòng)到倉(cāng)庫(kù)指定位置進(jìn)行入庫(kù)放料，成品入庫(kù)工藝完成，完成智能倉(cāng)儲(chǔ)工藝。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是由井式送料機(jī)構(gòu)、G120變頻器輸送裝置以及各個(gè)氣缸組成的輸送物料工作站；由分度盤裝載物料通過PLC指令進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算實(shí)現(xiàn)物料分揀從而形成的物料分揀工作站；由伺服控制裝置和幾個(gè)雙控氣缸以及模擬倉(cāng)庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)組成成品入庫(kù)工作站。本系統(tǒng)以SIMATICS7-1500 PLC為主控，ET 200 SP為輔助控制，通過Profinet通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、雙控氣缸的控制，以各種傳感器進(jìn)行信息反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的環(huán)境信息采集，進(jìn)而完善立體智能倉(cāng)庫(kù)各個(gè)功能。

可編程邏輯控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程[2]。

可編程邏輯控制器基本結(jié)構(gòu)主要有CPU、電源、儲(chǔ)存器和輸入輸出接口電路等組成。中央處理器單元一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成。

SIMATIC ET 200 SP是分布式I/O系統(tǒng)，配有CPU，可進(jìn)行智能預(yù)處理，以減輕上一級(jí)控制器的負(fù)荷壓力。而且其CPU也可用作單獨(dú)的設(shè)備。使用故障安全CPU，可以實(shí)現(xiàn)安全工程應(yīng)用。安全程序的組態(tài)和編程方式與標(biāo)準(zhǔn)CPU相同。提供有種類豐富的I/O模塊，進(jìn)一步完善了該產(chǎn)品線。

觸摸屏（Touch Panel）又稱為“觸控屏”“觸控面板”，是一種可接收觸頭等輸入訊號(hào)的感應(yīng)式液晶顯示裝置，它是由觸摸檢測(cè)部件和觸摸屏控制器組成。當(dāng)接觸了屏幕上的圖形按鈕時(shí)，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程式驅(qū)動(dòng)各種連結(jié)裝置，可用以取代機(jī)械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動(dòng)的影音效果[3]。

2.1 輸送物料工作站

該工作站主要實(shí)現(xiàn)底座物料的定向送料，如圖1所示。通過SIMATICS7-1500 PLC指令控制，當(dāng)光纖傳感器檢測(cè)到料倉(cāng)中存在方形物料底座時(shí)，SIMATICS7-1500 PLC的輸入端會(huì)接收到該信號(hào)信息，從而將方形物料底座通過雙控氣缸推送到運(yùn)輸物料輸送線上等待SIMATICS7-1500 PLC控制G120變頻器驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸物料輸送線的傳送帶，對(duì)底座物料進(jìn)行定向傳送，再通過SIMATICS7-1500 PLC進(jìn)行指令控制，完成裝載物料，到達(dá)傳送帶末端等待入庫(kù)，完成輸送物料工作。

圖1 輸送物料工作站

變頻器（Ⅴariable-frequency Drive，ⅤFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。

西門子G120變頻器是一種包含各種功能單元的模塊化變頻器系統(tǒng)，包括控制單元（CU）、電源模塊（PM），CU在多種可以選擇的操作模式下對(duì)PM和連接的電機(jī)進(jìn)行控制和監(jiān)視。通過控制單元，可與本地控制器以及監(jiān)視設(shè)備進(jìn)行通訊。電源模塊的功率范圍為0.37～250 kW。西門子G120系列變頻器尤其適合用作整個(gè)工業(yè)與貿(mào)易領(lǐng)域內(nèi)的通用變頻器。

2.2 物料分揀工作站

該工作站主要實(shí)現(xiàn)物料的分揀，如圖2所示。通過SIMATICS7-1500 PLC指令程序進(jìn)行運(yùn)算，通過傳感器采集物料信息對(duì)物料進(jìn)行分揀，將指定物料轉(zhuǎn)動(dòng)至可抓取位置，再由SIMATICS7-1500 PLC控制氣缸對(duì)物料進(jìn)行抓取放置至底座，完成物料分揀工作。

圖2 物料分揀工作站

步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（稱為“步距角”）一步一步運(yùn)行的，其特點(diǎn)是沒有積累誤差（精度為100%），所以廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說，控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角。所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比?？刂撇竭M(jìn)脈沖信號(hào)的頻率可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速；控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)可以對(duì)電機(jī)精確定位目的。

色標(biāo)傳感器指的是對(duì)各種標(biāo)簽進(jìn)行檢測(cè)，即使背景顏色有著細(xì)微差別的顏色也可以檢測(cè)到，處理速度快，自動(dòng)適應(yīng)波長(zhǎng)，能夠檢測(cè)灰度值的細(xì)小差別，與標(biāo)簽和背景的混合顏色無關(guān)。

色標(biāo)傳感器常用于檢測(cè)特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)，它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測(cè)，而不是直接測(cè)量顏色。色標(biāo)傳感器實(shí)際是一種反向裝置，光源垂直于目標(biāo)物體安裝，而接收器與物體成銳角方向安裝，讓它只檢測(cè)來自目標(biāo)物體的散射光，從而避免傳感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。白熾燈和單色光源都可用于色標(biāo)檢測(cè)。

2.3 成品入庫(kù)工作站

該工作站主要實(shí)現(xiàn)成品入庫(kù)工藝，如圖3所示。當(dāng)成品物料到傳送帶末端即達(dá)取件位置時(shí)，由SIMATICS7-1500 PLC通過控制邁信伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)絲桿軸運(yùn)動(dòng)到取件位置，再由SIMATICS7-1500 PLC控制氣缸進(jìn)行成品物料抓取，取件完成后控制絲桿軸運(yùn)動(dòng)至放料位置進(jìn)行成品物料存儲(chǔ)，完成智能倉(cāng)儲(chǔ)工作[4]。

圖3 成品入庫(kù)工作站

伺服驅(qū)動(dòng)器（Servo Drives）又稱為“伺服控制器”“伺服放大器”，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩3種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端產(chǎn)品。

伺服驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動(dòng)化設(shè)備中。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設(shè)計(jì)合理與否，對(duì)于整個(gè)伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)上電后，設(shè)備硬件進(jìn)行初始化，系統(tǒng)將根據(jù)SIMATICS7-1500 PLC發(fā)送的指令以及信息，按照SIMATICS7-1500 PLC的組態(tài)控制以及程序邏輯對(duì)各個(gè)工作站實(shí)現(xiàn)精確控制和調(diào)節(jié)。每個(gè)工作站均由SIMATICS7-1500 PLC發(fā)出對(duì)應(yīng)指令信號(hào)才會(huì)開始，當(dāng)工作站完成任務(wù)后都會(huì)反饋一個(gè)完成信號(hào)給SIMATICS7-1500 PLC，由SIMATICS7-1500 PLC進(jìn)行判斷進(jìn)行相應(yīng)的功能執(zhí)行[5]。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 S7-1500 PLC立體倉(cāng)庫(kù)流程控制

具體系統(tǒng)流程如下，當(dāng)料槽檢測(cè)有物料底座時(shí)經(jīng)輸送物料工作站由氣缸推出物料底座且啟動(dòng)傳送帶運(yùn)送至物料分揀工作站。此時(shí)，色標(biāo)傳感器對(duì)當(dāng)前物料盤進(jìn)行物料信息采集分析的結(jié)果進(jìn)行分揀，分揀后同個(gè)氣缸將物料放置到當(dāng)前底座上，再次由輸送物料工作站運(yùn)輸至傳送帶末端。當(dāng)傳送帶末端的傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)成品入庫(kù)工作站，使伺服控制碼垛機(jī)到達(dá)指定位置進(jìn)行取料，再根據(jù)物料分揀工作站對(duì)當(dāng)前物料信息的分析結(jié)果，分別將黃色物料放置于倉(cāng)庫(kù)第一層，紅色物料放置于第二層，倉(cāng)格物料放置從左到右依次按1、2、3、4、5的順序進(jìn)行放置，倉(cāng)格空缺位置按照該順序進(jìn)行優(yōu)先等級(jí)排序放置。未放滿整個(gè)倉(cāng)庫(kù)時(shí)則由輸送物料工作站繼續(xù)推出物料底座，重復(fù)流程；當(dāng)放滿共10個(gè)物料時(shí)停止整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作，流程結(jié)束并報(bào)警。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

該立體智能倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)用于工業(yè)倉(cāng)庫(kù)搬運(yùn)物料及物料分揀實(shí)訓(xùn)臺(tái)，通過在實(shí)訓(xùn)臺(tái)使用HMI對(duì)該倉(cāng)庫(kù)信息進(jìn)行模擬測(cè)試，當(dāng)確認(rèn)當(dāng)前實(shí)訓(xùn)臺(tái)處于可運(yùn)行條件下時(shí)，可點(diǎn)擊“流程啟動(dòng)”啟動(dòng)流程，可自行決定是否按下“流程循環(huán)”按鈕，當(dāng)按下“流程循環(huán)”按鈕時(shí)，系統(tǒng)工藝將運(yùn)行至放滿整個(gè)倉(cāng)庫(kù)?？赏ㄟ^HMI中的當(dāng)前流程步以及流程框可監(jiān)控當(dāng)前系統(tǒng)工藝流程運(yùn)行狀況。并且PLC通過各種倉(cāng)庫(kù)中的傳感器以及物料分揀工作站的色標(biāo)傳感器進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位的信息采集并在HMI上進(jìn)行顯示，如圖5所示。

圖5 智能倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)界面

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的立體智能倉(cāng)庫(kù)，通過SIMATICS7-1500 PLC、G120變頻驅(qū)動(dòng)、伺服驅(qū)動(dòng)器、雙控氣缸以及各類傳感器等組裝為一個(gè)工業(yè)倉(cāng)庫(kù)產(chǎn)線，該立體倉(cāng)庫(kù)可通過PLC的信息采集在HMI上進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)信息的展示以及顯示，從而完成工業(yè)應(yīng)用中物料的搬運(yùn)、分揀、入庫(kù)等工作，為工業(yè)生產(chǎn)帶來很大的便利性。實(shí)際應(yīng)用表明該立體智能倉(cāng)庫(kù)具有穩(wěn)定可靠、定位精確、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，并且可通過對(duì)SIMATICS7-1500PLC進(jìn)行軟件編程，從而優(yōu)化倉(cāng)庫(kù)的功能，提高該立體智能倉(cāng)庫(kù)的功能性。