基于PLC与触摸屏的立体仓库控制系统设计与实现
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基于PLC与触摸屏的立体仓库控制系统设计与实现
作者：王艳红吴建平李娜刘佳兴
来源：《工业技术创新》2016年第04期
摘要：本文以西门子S7-300系列PLC作为控制中枢，以台达B系列触摸屏作为人机交互界面，通过人机交互界面对立体仓库控制系统的运行状态进行监控及控制，并使用步进定位技术，设计制作了简易自动化立体仓库控制系统模型，该系统通过PROFINET总线接入工业控制网络，配合上位机完成控制任务。
结果表明：系统工作稳定、运行可靠、控制精度高。
关键词：立体仓库；PLC；触摸屏；控制系统
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号： 2095-8412 （2016） 04-775-04
工业技术创新 URL： http：// DOI： 10.14103/j.issn.2095-
8412.2016.04.053
引言
自动化立体仓库采用先进的控制技术、总线技术和信息技术，能够高效实现多种设备协调动作，快速完成货物自动有序的出入库作业，在大型物流仓库中逐渐获得广泛应用[1]。
在自动化立体仓库的管理与控制系统中，控制系统是自动出入库的关键部分[2]。
本文根据物流仓储系统的需求，研究立体仓库的自动控制系统。
在简要介绍三级工业控制网络的基础上，重点阐述HMI-PLC控制系统的硬件、软件和通讯设计，实现立体仓库从站远程方式下自动接受上位机指令，在本地方式下可选择手动或自动模式实现出入库作业，并利用HMI完成实时作业的全程监控。
1 系统设计
管理层与现场控制层采用新型总线PROFINET进行通信，PROFINET可以实现控制层级横向与纵向的集成[3]。
PROFINET通过工业以太网，连接现场层到管理层的设备，可以实现从公司管理层到现场层的直接、透明访问[4]。
现场控制层的HMI与PLC控制器采用MPI通信方式，MPI的优点是CPU可以与多个设备建立多节点通信，并同步运行[5]。
PLC控制器接受来自现场编码器、传感器等信号，控制闭环步进电机、气动机械手等设备的运行。
HMI可实现出入库的过程监控和人机信息交互，以及软件组态参数的设定、操作、监控、报警等。
2 系统硬件设计
2.1 PLC硬件设计
本自动化立体仓库为单巷道、3层、4列共12个仓位的仓库模型。
控制系统由上位机、西门子S7-300系列PLC、DP从站和台达DOP-B系列HMI组成，系统的总体网络构架如图1所示。
系统中，上位机主要完成货物管理与统计、仓位监测、出入库命令发送与信息反馈等工作。
S7-300PLC作为控制器，主要完成控制堆垛机定位行走，物料抓放，与上位机通信等工作。
HMI主要完成出入库信息记录及仓库运行情况的监控，并作为指令输入源使用。
ET200S IM151-7 CPU为DP从站；SCALANCE X208为PROFINET网络交换机；IE/PB LINK PN IO为代理服务器[6]；自动立体仓库模型是系统的控制对象。
2.2 编址和寻址方式
在自动化立体仓库模型中，货架的仓位编址方法是以垂直方向为行地址，底层为第1行，逐层递增；水平方向为列地址，靠近入库平台位的为第1列，逐列递增。
PLC对货位的认址采用相对认址方式。
通过Festo Configuration Tool软件设置货架的仓位坐标，由PLC发送地址数据组控制驱动器来驱动步进电机，以实现堆垛机运动。
同时PLC程序控制对行或列地址进行+1或-1操作。
当堆垛机回原点时，限位开关动作，坐标清零，完成校正。
在该控制系统中，S7-300控制器与触摸屏采用MPI方式进行通信，与上位机采用PROFINET[7]方式进行通信。
3 系统软件设计
3.1 运行模式
系统具有两种运行模式：远程和本地运行模式，本地运行模式又分为自动入库/出库模式和手动入库/出库模式。
在远程运行模式下，PLC根据上位机发来的命令确定目的仓位和运行速度，自动完成入库或者出库操作，并在作业完成后反馈信息给上位机。
在本地运行模式下，当选择自动入库/出库模式时，操作者需在HMI上输入目标坐标和运行速度，系统自动完成入库和出库。
当选择手动入库/出库模式时，可以实现货物在允许的位置上独立伸缩动作和抓物放动作，也可以实现堆垛机X轴、Z轴运动和出入库输送机系统的单独运行。
3.2 触摸屏界面设计
本系统设计的控制界面包括模式选择界面、对应模式下的运行界面、历史信息界面，报警信息界面等。
图2所示为立体仓库运行监控界面。
以单机模式下的出入库运行控制界面设计为例，界面依次有货架的运行状态显示，正在执行的出入库操作，仓库的运行状态、故障及剩余仓位显示，指定出入库操作按钮，机械手及步进电机点动操作。
3.3 PLC程序设计
PLC程序使用STEP7进行编制，STEP7使用方便、直观的用户界面、用组态取代编程及程序运行所需的数据，使得组态编程非常容易[8， 9]。
PLC程序的编制主要采用LAD语言与GRAPH语言混合的模式进行。
本地出入库自动模式的工作过程与远程模式的工作过程类似，现以入库流程为例，给出PLC编程流程，如图3所示。
4 PLC通信设计
S7-300PLC与HMI采用MPI进行，PLC设置站号为2，HMI设置站号为0，通讯速率为187 500 bps。
PLC与HMI之间的数据与信息传达需要建立DB数据块，图4所示为PLC与触摸屏通讯建立的数据块和程序。
5 调试
本章以本地触摸屏操作调试为例，将本地/远程选择开关置于本地位置，手动/自动选择开关置于自动位置，同时出库/入库选择开关置于入库位置，输入入库速度，机械手开始寻原点，进行入库操作，触摸屏运行界面显示正在执行的仓位操作及仓库的运行状态，并适时进行滚动字幕报警。
此模式下的出入库操作、显示及报警相似。
本地手动模式，即将本地/远程选择开关置于本地位置，手动/自动选择开关置于手动位置，可以进行手动出入库操作，机械手臂的前后运动，机械手指的夹紧与放松，还可以手动控制机械手的X轴及Z轴回零点。
依照上述方式，对系统循环测试，若调试过程中，整个系统运行正常，且各界面达到预期的目标，则认为调试成功。
自动化立体仓库系统调试如图5所示。
6 结论
本系统以S7-300系列PLC为控制中枢，以触摸屏为人机交互界面，采用MPI通信方式进行通信。
该模型操作简便，可以实现工件存取的过程监控和人机信息交互，以及软件组态参数的设定、操作、监控、报警等。
该系统运行稳定，操作方便，具有良好的企业应用前景。
参考文献
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