【《基于西门子S7-200的仓储搬运控制器系统设计与实现》7600字（论文）】

基于西门子S7-200的仓储搬运控制器系统设计与实现摘要传统企业仓储采用静态平面存储来保证运营的持续需求，而现代仓储对于供应链快速流动性更为迫切。为了满足企业库存周转快、进出库效率、准确率要求高等特点，自动化立体仓库出现了。立体仓库把面积和空间实现最优利用，逐步替代传统的平面仓库，促进了物流行业水平的提高。本文设计了一种仓储搬运控制器系统，该系统以西门子S7-1200为控制核心，与触摸屏、变频器、电动机、传感器等硬件相互配合，实现了运输操作、库存分析、系统监视、信息管理等功能。堆垛机采用相对地址识别的定位方法，通过变频器调速方案，来保证系统稳定运行，最大限度地提高运输效率。通过监控系统还可以实时查看系统状态、错误报警等信息。关键词：自动化立体仓库；堆垛机；PLC；监控系统目录摘要 [1]。因为，叉车升降有高度限制，而起重机只能从垂直方向搬运。所以，当时综合了起重机和叉车的运行特点，在起重机上安装类似货叉的部件，可以实现在侧面完成搬运货物。但起重机太大，限制了运行速度，搬运效率不高。1959年，另一家企业提出了新的设计方案，在高层货架旁安装由人驱动的过道式堆垛机，来减小通道宽度。1962年，德国首先将自动化和仓库相结合，世界上第一个自动化搬运仓库出现了。此后，立体仓库在一些发达国家迅速发展。近年来，我国加强对土地资源的管理，土地资源日益稀缺，导致用地成本不断增加，为了促使企业充分利用有限的土地空间，提高现有土地的利用率，自动化仓库转变趋势是往高层的方向发展，与传统仓库的横向扩展模式相比，具有更高的土地利用率和容积率，可以降低企业的用地成本。现阶段，在药业、食品类、电商物流、车辆、3C数码设备等领域，立体仓库的使用占比较高。传统制造企业有香烟、家用电器、汽车等，在原材料、生产制造、制成品的物流环节，对仓储设备的需求依然非常大。2018我国立体仓库需求量达到5549座，2020年我国立体仓库需求量达到7124座，同比增长11.3%。1.3本课题研究的内容本文设计了一种基于PLC的仓储搬运控制器系统，主要研究内容包括硬件电路设计和PLC程序编程。硬件方面主要包括器件选型、电控柜设计、原理图设计；软件方面主要是对变频器的运动控制和触摸屏监控界面的设计。系统通过PLC可以实现以下功能：可以手动控制三个轴的运动，X轴负责前进和后退，Y轴实现垂直升降，Z轴水平伸缩运动取货物。三个轴可以协调运动，自动化的完成运输作业。堆垛机可实现按货位顺序取货，也可人工随机选择取货。可实现堆垛机和立体仓库的状态显示，主要包括手动控制堆垛机三个轴的运动、显示堆垛机各轴位置信息和各类传感器的检测状态。2.系统控制方案设计2.1系统的工作原理和功能分析仓储搬运控制器系统的连接，如图2-1所示，操作员在触摸屏下达操作指令后，由PLC进行信息采集和控制堆垛机[2]的运动，当微动开关检测到有货物时，PLC会获取到位置信息。然后，控制变频器使堆垛机向目标位置进行移动，堆垛机下方的接近开关每经过一次定位片，信号被传送到PLC,PLC程序对信号进行位置计算。接近开关和微动开关为PLC提供堆垛机位置信息和货位信息。变频器和电机是动力单元，使堆垛机实现三个方向的运动。PLCPLC堆垛机变频器微动开关接近开关以太网连接执行机构电动机图2-1系统连接图2.2系统控制方案仓储搬运控制器系统由堆垛机负责所有货物的运输，结构示意如图2-2所示，高层货架负责货物的存储。变频器控制电动机，使堆垛机在三个方向（X、Y和Z轴）运动。X轴代表水平运动方向，Y轴代表垂直运动方向，Z轴代表货叉伸入的方向。在了解控制要求以及工作流程后,可用PLC编写仓储搬运控制系统程序，实现运输功能。图2-2立体仓库结构示意图2.3堆垛机的定位方式堆垛机要平稳地存取货物，准确地定位是其关键。首先，将定位片（挡片）安装在货架底板上，然后在堆垛机的底部安装三个接近开关与堆垛机一起来回移动。每经过货位后，接近开关通过感应定位片向PLC发送输出信号，计数器自动记录，从而实现堆垛机在X轴和Y轴定位的目的。当堆垛机下方三个接近开关同时到达目标货位后，计数器的相差值为0，PLC发送一个位置信号来使堆垛机停止运行。出于高精确度的考虑，堆垛机定位结构片制成如图2-3所示的形状。如果3个接近开关同时有信号，则说明堆垛机已经到达目标位置。堆垛机接近开关堆垛机接近开关堆垛机定位片图2-3堆垛机定位示意图2.4堆垛机的速度控制本文的设计思路是根据货位和堆垛机之间的距离来判断速度。为保证堆垛机运行的平稳性，系统采用三个等级的调速，运行速度如表2-4所示。当按下启动按钮时PLC自动判断运行速度，当与目的货位距离大于1格时，设置为高速运行，当与目的货位距离等于1格时，转为中速运行，小于1格时转为低速运行，完全到达货位后堆垛机停止。表2-4速度判定表相差货位数大于1等于1小于1运行速度高速中速低速当主控PLC获得目的地址后，PLC自动比较起始位置和结束位置，通过对变频器的速度控制，达到调速和精确停车的目的，从而获得相对稳定的运行模式，如图2-5所示。在这种控制方案中,传感器负责实时采集信息并通过PLC完成调速。PLCPLC变频器电机执行机构传感器位置反馈图2-5速度控制原理图3.系统硬件设计3.1仓储搬运控制器电控柜设计仓储搬运控制器电控柜部分主要设备有：可编程控制器(PLC)及其扩展单元、触摸屏（HMI）、G120变频器、以及其它电气元件。如图3-1所示：图3-1电控柜设计图PLC：采用S7-1200PLC为核心控制器，计算数据和控制全部运动过程。触摸屏：人机界面，用TP700系列触摸屏可直观观察到系统各个部件的状态，并通过触摸屏来设定PLC运行参数。变频器：用G120来控制堆垛机的三个执行电机运行。接近开关：使用阳明的QL-05N型接近开关，用来扫描定位片，获得行列信息。微动开关：用正泰的YBLXW-5/11G1型微动开关，用来检测货架的货位信息。其它电气元件及附件：断路器、滤波器、交流接触器、直流继电器、端子排、24V开关电源等等，与主要电气元件一起，组成整个系统的电气控制回路。3.2PLC的选型西门子作为全球工业控制系统中主流品牌，具有可靠性、安全性、实时性等特点，所以，本方案选择西门子PLC。在具体选型中考虑两点，首先，扩展性要高，在仓储搬运控制器系统中使用的I/O点位大约40个。其次，通讯方便，系统中PLC需要与变频器和触摸屏进行通讯。方案一：采用S7-200PLC，这款PLC可在控制器右侧能够增加7个扩展模块，I/O点的分配是根据扩展模块的位置由系统进行分配。通讯方面，集成一个或两个标准的RS485口。方案二：采用S7-1200PLC，控制器可以增加8个IO模块和3个通信模块，新增模块的地址在软件中可以自定义分配。通讯上，集成一个或两个PROFINET接口，左侧也可以增加RS485模块。相较于S7-200系列，S7-1200它具有更强大的扩展功能，更能满足多个I/O点的需求。在通讯方面，S7-1200通过网线就可以实现与PLC或者远程I/O进行通讯，针对第三方设备PLC还集成了MODBUSTCP通信所以，综上所述，本系统采用西门子S7-1200PLC。图3-2S7-1200PLCSIMATICS7-1200PLC[3]，如图3-2所示，整体模块化结构，易于维护，同时由于体积小，可以节省控制柜的空间布局，也变得美观。在稳定性方面，比继电器控制装置更稳定可靠，在现场可以使用电脑可随时监控生产线的生产状态，发现故障及时处理。3.3变频器的选型在仓储搬运系统中，堆垛机在不同位置时，对速度的要求也不一样，所以，堆垛机需要分段调速。为了方便控制和编程，变频器优先选择和PLC同品牌的西门子。因为，同品牌的变频器无需复杂的配置和编程，只需用博途软件进行简单的组态，即可与PLC进行通讯[4]连接，根据查阅资料，初步选定了西门子G120变频器。SINAMICSG120变频器[5]，由控制模块和功率模块两个部分组成。控制模块，它可以直接安装或拆卸，接通电源后，可以清楚地观察变频器的状态。通过面板可以手动控制电机的运行还可以设置系统参数由PLC进行控制。功率模块由控制模块中的微处理器控制，它的优势在于可快速响应运动过程中出现的问题，灵活控制电机运行。如图3-4所示，变频器输入端是三相交流电，通过滤波得到稳定的波形，再通过交-直-交的转换，得到频率可控的三相交流电。当设备发生故障时，制动继电器开启，实现电机的快速制动。图3-4G120功率模块接线图具体电压和输入输出频率如表3-5所示表3-5G120系统参数输入电压3AC380...480V±10%输入频率47...63Hz输出频率0...650Hz（V/f控制）0...200Hz（矢量控制）冷却方式内置风扇强制风冷保护功能电压过载、线路短路、接地故障、堵转4接近开关在堆垛机的定位识别上，传感器采用台湾阳明的QL-05N[6]，阻燃、耐磨、耐高温、耐腐蚀，感应头灵敏度高，工作稳定，三线制NPN型传感器的接线如图3-6所示褐色接电源的24V、蓝色接电源的0V、黑色为输出和PLC的输入点相连接，当与定位片接近时向PLC发送输出信号。-V-V图3-6传感器原理图接近开关的具体参数如表3-7所示。表3-7传感器参数类型DC型工作电压10~30VDC输出电流150mAmax消耗电流<10mA应差<10%传感距离保护电路短路保护&极性反接保护接线方式3芯/4.2*2m传感面颜色NPN:红;PNP:绿3.5微动开关在仓储控制系统中当货位中有货时会下压微动开关，从而检测到货位有货，PLC检测到信号从而判断货位是否有货。微动开关是通过按压动作弹片如图3-8所示，使其触点快速接通或断开，这款微动开关可以经受60×104次按压，拥有优秀的使用寿命。图3-8微动开关示意图微动开关使用参数如3-9所示。表3-9微动开关参数品牌正泰名称微动开关型号YBLXW-5/11G1操作方式滚轮长横杆型额定电流0.14A(DC)额定电压24VDC（±10%）机械寿命60×104次电气寿命30×104次操作速度0.1mm/s~0.5mm/s环境温度-5℃~+40°C3.6电气原理图的设计根据仓储搬运系统要求，设计了如图3-10的电气原理图。图3-10电气原理图3.7PLCI/O分配表根据仓储搬运控制器系统的控制要求，规划出系统所需要的I/O点，如表3-11所示。表3-11PLCI/0分配表仓储控制PLC硬件地址配置表I0.0停止I2.6三轴变频器报警I0.1上电I2.7联机/单机选择开关I0.2堆垛机超限继电器I3.0货位1工件检测I0.33轴正向限位I3.1货位2工件检测I0.43轴原点1I3.2货位3工件检测I0.5货叉上工件检测I3.3货位4工件检测I0.63轴原点3I3.4货位5工件检测I0.73轴负向限位I3.5货位6工件检测I1.02轴正向限位I3.6货位7工件检测I1.12轴减速1I3.7货位8工件检测I1.22轴减速2I4.0货位9工件检测I1.32轴减速3Q0.0三色灯红I1.42轴负向限位Q0.1三色灯黄I1.51轴正向限位Q0.2三色灯绿I2.01轴减速1Q0.3启动I2.11轴减速2Q0.4停止I2.21轴减速3Q0.5超限接触继电器I2.31轴负向限位Q0.6报警指示灯I2.4一轴变频器报警Q0.7急停指示灯I2.5二轴变频器报警Q1.0变频器停止4.系统控制软件设计4.1系统工作流程图根据仓储搬运系统工作过程的分析得出系统流程图，如图4-1所示图4-1仓储搬运控制器系统流程图系统的运行可分为两种情况，一种是手动模式，通过触摸屏按钮手动控制堆垛机位置移动；另一种是自动模式，在该模式如果选择顺序取货，系统会根据货位顺序进行取货；如果是人工选择，需要人工依次按下仓库屏幕上的按钮，系统将根据所选货位取货。4.2系统硬件组态和IP地址的设定在西门子中，每个设备都有一个唯一的MAC地址，它是由制造商分配，为了能够正常的通讯，每个设备还必须有一个IP地址。网络的划分是按照我们常用的IP地址进行的。为了防止IP地址冲突，每个设备应先规划IP地址，仓库搬运控制器系统分配的IP地址如表4-2所示。表4-2系统IP地址分配序号硬件名称IP分配地址1堆垛机单元PLC192.168.0.102堆垛机单元HMI192.168.0.113堆垛机一轴变频器192.168.0.124堆垛机二轴变频器192.168.0.135堆垛机三轴变频器192.168.0.14西门子PLC在使用过程中很大程度上依赖于正确的配置方法[7]，如果配置步骤错误，将直接导致PLC工控设备通讯故障，无法使用。使用TIAPortalV16来编写的IP地址，展开项目树中的“设备组态”文件夹以显示设备，然后选择以太网地址来设定PLC的地址如图4-3所示。图4-3以太网编辑界面在将IP地址下载到PLC之前，必须首先确保PLC的IP地址和编程设备的IP地址位于同一网段中，以确保编程设备可以搜索PLC。完成配置后，将项目下载到CPU，如图4-4所示。图4-4IP下载界面4.3触摸屏程序的设计在控制系统中，我们需要了解设备运行状态、故障报警等信息，当设备出现故障时，这些状态的显示可以帮助用户和厂家维修人员及时排除故障，恢复设备的正常使用。因此，本系统我们通过触摸屏编程来实现监控功能。图4-5程序监测界面程序监测画面如图4-5所示，仓库画面[8]主要由仓库状态、手动控制及运行监控三部分组成。仓库状态：显示仓库当前存储状态，在此界面可以手动指定货物出库顺序，货物根据选定顺序出库，还可以显示选择货物个数及出库货物个数。手动控制：可以控制堆垛机的停止、复位、和启动，通过触摸屏按钮手动控制三个轴运动。运行监控：可以显示堆垛机的当前位置在几行几列；堆垛机的目标位置在几行几列；PLC输入输出点的状态显示。4.4PLC程序的编程与仿真PLC主体编程使用了梯形图编程[9]，优点是逻辑清晰，程序顺序执行，在人工选择程序中，系统需要进行数据运算，采用了SCL编程。程序在以下几个方面进行仿真：手动控制三个轴的运行，判断正反转是否正常运动。系统复位仿真，验证用于恢复系统初始状态。堆垛机行列定位，验证堆垛机位置是否准确。堆垛机速度判定，验证速度控制是否受控。人工选择，验证是否按人工选择顺序取货物。当按下X轴正转按钮时触发上升沿脉冲，如图4-6所示，把速度和正转控制指令发送到变频器中，X轴正转。松开按钮，发送停止控制指令，X轴停止。其他两个轴同理验证。图4-6正反转控制程序复位完成后LD装载输入，把预设值PV输送给CV，复位完成后当前列为1，如图4-7所示，也就是堆垛机处于1列。计数器加减计数有三个条件有，当前进时且前两个接近开关得电时开始计数，到达1列堆垛机计数加1。图4-7定位程序SUB代表减法运算，目标列MW102的数据减当前列MW100的数据，得到相差值MW104，如图4-7所示，MW104的正负决定一轴前进还是后退如图4-8所示。ABS绝对值转换MW106为相差列，即表示堆垛机和目标货位相差的列数。图4-8运动方向判断程序当相差列MW106大于1的时候一轴速度为高速，当等于1的时候，一轴速度为中速，当第一个传感器到最后一块挡板时一轴速度为低速，从而实现三档减速如图4-9所示。图4-9速度判断程序通过触摸屏选择的货位信息会存储到Static-1数组里如图4-10所示，按钮值就是每个货位代表的数字，已选位置是把货位数字依次存到数组里，取料顺序是把数字的数据由第一个往下读。图4-10数据存储程序图4-11数据存储程序人工选择程序人工选择程序的难点是，怎么把人工选择的数据存储起来。所以程序设计的思路是把人工选择的货位存到数组[10]中，然后在堆垛机获取行列数据的时候，依次把数组中的数据调用出来。程序如图4-11所示IF"复位"=1THENFOR#i:=0TO27DO"行列数据".Static_1[#i]:=0;"行列数据".取料顺序:=0;"行列数据".已选位置:=0;"行列数据".按钮值:=0;//初始化把所有值赋零。END_FOR;//当复位按钮按下后，行列数据循环赋0。END_IF;IF"仓库有料"=1AND"复位完成"=1THEN//当仓库有料和复位完成后才能在触摸屏上选择。"R_TRIG_DB"(CLK:="行列数据".按钮触发);IF"R_TRIG_DB".Q=1THEN/"行列数据".按钮触发绑定触摸屏上的值。"行列数据".Static_1["行列数据".已选位置]:="行列数据".按钮值;//行列数据".已选位置代表数据储存的顺序。"行列数据".已选位置:="行列数据".已选位置+1;//按一次数据传到数组的第一个位置，按两次传到数组第二个位置。"行列数据".取料顺序:=0;//行列数据".取料顺代表堆垛机读取的顺序。END_IF;IF"Tag_87"=1THEN//启动按钮按下后计算行列数据。#目标行:="行列数据".Static_1["行列数据".取料顺序]/10;#目标列:="行列数据".Static_1["行列数据".取料顺序]MOD10;END_IF;//行列数值计算得到行和列IF"取料完成"=1THEN"R_TRIG_DB_1"(CLK:="去1行1列延时触发");//加延时为了让程序运行出现间隔，负责可能跳程序或不运行。IF"R_TRIG_DB_1".Q=1THEN"行列数据".Static_1["行列数据".取料顺序]:=0;"行列数据".取料顺序:="行列数据".取料顺序+1;END_IF;//行列数值使用后自动跳到下一个数据。END_IF;触摸屏涉及的仓库选择主要在红色区域如图4-12所示,设置变量并连接的PLC变量为行列数据的按钮值.#目标行:="行列数据".Static_1["行列数据".取料顺序]/10;#目标列:="行列数据".Static_1["行列数据".取料顺序]MOD10;通过运算得到目标行目标列.，置位位anniu连接PLC变量为行列数据的按钮触发。图4-12人工选择界面5.结语本文设计了一种仓储搬运控制器系统，该系统由可编程逻辑控制器（PLC）、触摸屏(