基于PLC、觸摸屏及伺服定位的立體倉庫控制系統設計

黃震宇 談蓉蓉

（無錫廣播電視大學，江蘇 無錫214011）

0 引言

近些年物流行業獲得了快速發展，而自動化立體倉庫因為其占地少以及空間使用效率高成為整個物流體系中的不可缺少的重要一環[1]。 本文設計的自動化立體倉庫系統以現代PLC 技術為控制中樞，選用伺服定位技術進行倉庫位置定位，并且以觸摸屏設計監視及操控界面，可以有效的提升操控人員的工作效率，降低工作強度，且整個系統具有存取貨物準確性高，響應速度快、工作可靠，查詢信息方便等優點。

1 系統方案總體設計

1.1 主要設計思路

本設計是以西門子PLC S7-200 CPU 226cn 為核心控制器來控制整個自動立體倉庫系統的工作。在運行位置控制上主要采用開環控制方式，使用PLC 控制伺服電機驅動堆垛機在橫向導軌（X 軸）和縱向導軌（Y 軸）上進行定位和移動，使堆垛機可以運行到相應的貨倉位；使用一個小型直流電機控制堆垛機的叉臺在Z 軸方向上移動以便進入相應貨倉位叉取或者釋放貨物。堆垛機傳動部件采用高精度絲杠進行傳動。 整個系統監控和操作通過采用昆侖通態觸摸屏（TPC7063KS）為人機接口來進行， 系統運行時操作人員通過觸摸屏了解系統狀態，并通過觸摸屏下達運行指令控制整個系統運行。具體控制系統方框圖如圖1 所示。

圖1 控制系統方框圖

1.2 控制要求

1.2.1 本系統的立體倉庫貨倉位分為4 層每層4 個，操作人員在觸摸屏上下達控制命令,觸摸屏將操作命令傳遞給PLC,PLC 控制堆垛機完成對立體倉庫16 個貨倉中的貨物進行存儲和提取操作任務。 整個系統工作方式分為“手動模式”和“自動模式”，其中“自動模式”為主要工作模式還包括“連續模式”和“定點模式”等具體情況。

1.2.2 “手動模式”運行要求如下：

使用觸摸屏上設置的方向按鈕控制堆垛機的運行，包括控制堆垛機在X 軸上前進和后退，在Y 軸上前進與后退，堆垛機貨叉在z 軸的上伸縮動作。 規定遠離原點為前進，靠近原點為后退。

1.2.3 “自動模式”運行要求如下：

當系統處于“連續存儲模式”時會按照1-16 的順序尋找空的貨倉位置來實現貨物的連續存儲，存儲結束后堆垛機退回原點位置，進入待命狀態，等待下—個控制命令。 當系統處于“連續取模式”時會自動尋找有貨的貨倉位來實現物品的依次取出。系統處于“定點存取模式”時， 可以在觸摸屏上下達具體進行存取的貨倉位號，PLC 控制堆垛機從原點出發直接運行至選擇的貨倉位進行存取操作。

1.2.4 其他控制要求：如下

1）能夠快速返回原點，系統控制堆垛機完成一次貨物的存或者取任務后能快速返回原點。原點設置有傳感器可以作為堆垛機運行市的位置參考點， 避免系統因長期運行累計誤差而使堆垛機不能精確定位。

2）堆垛機X 軸和Y 軸的定位由PLC 輸出端Q0.0 和Q0.1 輸出脈沖序列控制兩臺松下伺服電機（mhmd022p1u）來實現；堆垛機的貨叉由PLC 驅動直流電動機進行控制， 通過伸縮動作來實現對倉庫貨物的存儲提取功能。

3）各個貨倉位裝有物料檢測傳感器，PLC 根據傳感器反饋的信息了解各個貨倉位中有無貨物的情況。

1.2.5 人機界面功能要求：人機界面使用昆侖通態觸摸屏（TPC7063KS）來實現，主要完成對貨貨倉位和系統運行狀態的監視功能。

1.3 系統的硬件組成

1.3.1 PLC 輸入點輸出點分配情況

根據立體倉庫控制系統的工作要求， 采用西門子S7 系列PLC CPU 226CN 繼電器輸出型作為整個控制系統的控制中樞。 它屬于微小型PLC，具有24 個輸入點16 個輸出點，且可以輸出兩路高速脈沖，功能上完全滿足本次設計的需要。

本系統工作時的輸入信號主要是各種控制按鈕，限位開關、傳感器， 但由于本次設計采用觸摸屏作為人機交互的操作界面所以啟動、停止按鈕，工作方式選擇開關都在觸摸屏上制作軟元件來實現，以節省PLC 輸入點。 急停按鈕，原點限位，超行程限位必須采用物理元件實現，共需要占用PLC 輸入點8 個。 除此之外還需要使用傳感器檢測立體倉庫中各個貨倉位中是否有貨，為了節省輸入點在這里采用行列矩陣掃描的方式來進行檢測，16 個貨倉位分為4 行4 列需要占用4個輸入點和4 個輸出點。 所以總的需要占用PLC 輸入點12 個。

本系統工作時的輸出信號主要用于控制伺服電機和直流電機工作需要占用輸出點6 個。系統傳感器采用行列矩陣掃描的方式檢測貨倉中有無貨物需要占用4 個輸出點， 總共需要占用10 個輸出點進行工作。 表1 為自動立體倉庫PLC 輸入輸出分配表。

表1 自動立體倉庫PLC 輸入輸出分配表

1.3.2 定位設計

系統設計的關鍵問題是堆垛機在運行時的位置確定。設計中采用兩臺松下交流伺服器 （maddt1207003）， 工作模式設定為位置控制模式，工作在該模式時高速脈沖串最高輸出速度可達500Kpps[2]。 伺服電機采用兩臺松下伺機服電機 （mhmd022p1u）， 該機的編碼器采用2500p/r 分辨率的增量位置編碼器，可進行精確定位。

CPU 226CN 型PLC 只有Q0.0 和Q0.1 可以輸出高速脈沖信號，因此使用Q0.0 高速脈沖輸出(PTO)功能精確的控制伺服電機在橫軸（X軸）上的運行位置，使用Q0.2 發出信號控制伺服電機在X 軸上的運行方向；同樣道理使用Q0.1 高速脈沖輸出(PTO)功能精確的控制伺服電機在縱軸（Y 軸）上的運行位置，使用Q0.3 發出信號控制伺服電機在Y 軸上的運行方向。 堆垛機貨叉伸縮(Z 軸)的控制利用直流電動機正反轉運行來進行控制。

當系統運行時PLC 先采樣各種輸入信號， 然后通過其內部編寫的程序判斷和計算，輸出伺服電動機所需的高速脈沖數，使堆垛機在橫向和縱向導軌上精確移動，移動到位后輸出信號控制直流電動機運轉，從而控制貨叉伸縮完成貨物的存取。

1.4 PLC 程序設計

西門子S7-200PLC 程序編寫使用的是STEP 7-Micro/win v4.0 編程軟件[3]，程序編寫時可以將整個系統的任務劃分為幾個不同的任務模塊，每一個模塊編寫為一個子程序完成一項具體工作，通過主程序來協調調用。 主程序負責其他程序的協調調用，“取貨子程序”完成貨物從貨倉中取出，“存貨子程序”完成將貨物存入到貨倉中，“檢測子程序”完成對各個貨倉內有無貨物的掃描，“地址計算子程序”根據操作命令計算出到對應貨倉所需的高速脈沖數，“手動操作子程序”用于完成系統的手動控制任務。 程序結構框架如圖2 所示。

圖2 程序架構圖

另外用于伺服電機控制的具體子程序可以通過西門子編程軟件中“位置控制向導”設置完成，在該向導中填寫控制伺服電機運行所需的相關參數包括高速脈沖數，運行速度，加減速時間等。該向導根據編程者填寫的參數信息自動生成運行“包絡”以簡化程序編寫。

1.5 系統的人機界面設計

立體倉庫系統的人機界面設計選擇使用昆侖通態TPC7063KS 觸摸屏來設計，編程軟件為MCGS6.2 全中文工控組態軟件。 主要工作包括：各倉庫實時監控主要是倉庫中有無貨物，故障報警，選擇系統的工作模式，啟動和停止設備運行

為實現系統的實時監控和操作需要正確建立觸摸屏和PLC 之間的通信連接。 觸摸屏將com1 串行接口直接與PLC（port1）編程接口連接。 所使用的通訊線采用西門子PC-PPI 電纜，PC-PPI 電纜把RS232信號轉換為RS485 信號。 進入MCGS 6.2 組態軟件后先在“設備窗口”中添加一個“通用串口父設備”，然后設置設備通信時有關參數，其中包括設置通信參數端口號，波特率，數據位數，停止位數，校驗方式及位數，數據采集方式等[4]。接著在“通用串口父設備”下面建立一個子設備“西門子_s7200ppi”，然后設置PLC 的有關參數[5]，主要將PLC 中的數據變量和MCGS 6.2 實時數據庫中的數據變量進行對應， 這樣觸摸屏就可以通過PLC 獲取系統狀態信息并控制設備運行。 然后在用戶窗口進行編輯，繪制操作和監控所需要的各種指示燈，按鈕，開關等軟元件，并設置好相關參數。 觸摸屏操作及監控界面如圖3 所示。

圖3 觸摸屏操作及監控界面

2 結束語

本控制系統是根據自動化立體倉庫運行的基本要求進行設計的，以西門子s7-200 系列PLC CPU226CN 繼電器輸出型為中樞控制器件，通過伺服驅動器（松下maddt1207003）來控制伺服電動機(松下mhmd022p1u)進行定位控制，控制堆垛機在高強度導軌沿橫軸（x 軸）與縱軸（Y 軸）精確運行。 控制直流電動機驅動堆垛機貨叉在z 軸上伸縮， 來實現對貨物的自動存儲提取任務。 使用昆侖通態觸摸屏（TPC7063KS）設計人機界面，方便操作人員進行設備的操作和狀態監控。 在本次設計中，完成了立體倉庫控制系統的設計，實現設計功能，達到了設計目的，證明了設計方案的可行性。

［1］趙月,王帥.基于S7-200 PLC 的立體倉庫堆垛機控制系統設計[J].儀表用戶,2012,4.

［2］松下A4 系列AC 伺服驅動技術手冊[Z].

［3］西門子S7-200 系列PLC 編程手冊[Z].

［4］侯榮國,許云理,馮延森,穆潔塵.基于MCGS 組態軟件的自動化立體倉庫控制系統的開發[J].機械設計與制造,2012,1.

［5］北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司.MCGS 嵌入板用戶手冊[Z].