基于S7-1200和雙PLC通訊的懸掛輸送系統的設計與實現

原通文，姜 川，孟 暉，龐艷君，黃何慶

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著現代信息技術的快速發展，以及快節拍、大規模、柔性化生產制造的需求，采用自動控制技術和信息技術，具有自動化、智能化，并具備起重、運輸、貯存、組織生產等功能的智能化輸送裝備得到越來越廣泛的應用，特別是在自動化程度較高的制造業中，更是占到相當大的市場份額。

懸掛輸送線是根據用戶預先設定的工藝線路，按照設定的速度實現車間內部或者車間與車間之間連續輸送物品達到自動化、半自動化流水線作業的理想設備。可在三維空間內任意布置，能夠起到空中儲存的作用，節省地面使用場地，懸掛輸送以其輸送距離遠，運行速度范圍大和轉彎、爬越、布置靈活等優點，因而廣泛應用于表面清洗、噴涂、烘干、電鍍、裝配和產品傳輸轉運等細分領域。

本文針對懸掛輸送系統的特點，系統采用西門子公司的S7-1200 PLC作為控制器，通過雙PLC實時通訊進行關鍵數據交換，實現了分別位于車間一樓和二樓的懸掛輸送系統的分散獨立控制。由于采用雙PLC控制架構，非常易于后期維護和功能擴展。

1 系統要求和工藝流程簡介

1.1 懸掛輸送系統介紹

該項目控制系統總共包含6套懸掛輸送子系統，分散位于1、2、3車間。

懸掛輸送系統的性能為，產品生產節拍1臺/1.5min，運載貨物最大重量100kg，工件最大外輪廓尺寸600mm（長）×600mm（寬）×600 mm（高），水平運行速度0～20m/min，提升速度0～20m/min。

每套懸掛輸送子系統均分為5部分，分別是二樓懸掛輸送線，二樓和一樓高位之間的升降機，一樓高位懸掛輸送線，一樓高位升降機，一樓低位橫移臺。同時要求5部分的輸送要同步運行。

1.2 工藝流程介紹

總體流程，如圖1所示。

圖1 總體流程示意圖

各部分具體操作流程如下。

1.2.1 上線區

產品安裝調試完成后到達上線點，此時空車已在上線點上方等待，下方頂升裝置升起200mm～300mm，空車掛鉤掛入產品吊掛點，裝配線工裝下降脫離箱體，完成產品上線。

1.2.2 外觀檢查

上線產品輸送至外觀檢查控制點，手動按下“停止”按鈕，拔掉鎖緊銷，產品可進行360°旋轉，檢查合格后插入鎖緊銷方可解鎖輸送，手動控制后前行輸送，不合格產品則轉至移動升降臺車處置。

1.2.3 二樓輸送線

空車到達上線點，產品上線，進行外觀檢測，隨后送至二樓升降機。空車的運行，依靠電機的啟動停止去自動控制。

1.2.4 二樓和一樓高位之間的升降機

產品進入升降機，升降機從二樓送至一樓高位。同時，在一樓高位等待的空車進入升降機，升降機從一樓高位送至二樓。

1.2.5 一樓輸送線

產品經二樓和一樓高位之間的升降機從二樓送至一樓高位，經一樓高位輸送線輸送至一樓高位升降機。

1.2.6 一樓高位升降機

產品經高位經輸送線輸送至升降機，升降機把產品從高位降至一樓底部橫移臺。同時，從橫移臺送來的空車進入升降機，升降機從一樓底部送至一樓高位。

1.2.7 一樓低位橫移臺

經升降機下降的產品移動到橫移臺另一端，經懸臂吊調運至包裝區。同時，在一樓高位等待的空車進入升降機，升降機從一樓高位送至二樓。

2 系統方案選擇論證

如前所述，每套懸掛輸送子系統均分成5部分，這5部分控制對象相對位置分散，而且跨樓層。

2.1 方案一

采用集中式控制，一個PLC作為主控制器，所有控制對象的IO點都通過二次信號線接入PLC。

2.2 方案二

采用PLC加遠程IO架構，在一樓和二樓的升降機附近分別放置一個獨立的電控柜，二樓為主控柜放置PLC，一樓電控柜設置遠程IO模塊。

2.3 方案三

采用雙PLC架構，在一樓和二樓的升降機附近分別放置一個獨立的電控柜，一樓、二樓電控柜分別放置一臺PLC，采用雙PLC通訊方式進行關鍵數據實時交換。

2.4 分析比較

經過綜合比較采用方案三，則達到了分別位于車間一樓和二樓的懸掛輸送系統的低耦合、分散、獨立控制的目的，并且布線簡單、易于維修和后期擴展。

雙PLC架構控制系統邏輯圖，如圖2所示。

圖2 雙PLC架構控制系統邏輯圖

3 系統硬件配置

3.1 PLC選型

S7-1200是西門子的新一代的控制器，S7-1200控制器具有模塊化、結構緊湊、功能全面等特點，適用于多種應用，能夠保障現有投資的長期安全。由于該控制器具有可擴展的靈活設計，符合工業通信最高標準的通信接口，以及全面的集成工藝功能。

S7-1200還有一個重要特點是支持多種通信方式，包括有：RS232，RS485，Modbus，USS，Profibus-DP，Pro fi net，TCP。尤其是其支持TCP NATIVE通訊，尤其是對于特定OEM設備制造商非常適用。

正是基于以上特點以及考慮到后續同類型項目的拓展，本控制系統決定采用西門子公司的S7-1200 PLC作為控制器。

3.2 變頻器選型

考慮到可靠性和長期運行，升降機的垂直升降控制決定采用西門子m440多段速配合槽型傳感器，做定位控制。在升降機的上下停止位置，各加裝急停和手動升降按鈕和指示燈。

3.3 觸摸屏選型

考慮到和PLC的通訊便利性以及觸摸屏界面編程，決定采用KTP400作為人機界面。

4 控制系統軟件設計關鍵點

4.1 S7-1200 CPU之間的通信

S7-1200 CPU本體上集成了一個PROFINET 通信口，支持以太網和基于TCP/IP和UDP的通信標準。這個PROFINET物理接口是支持10/100Mb/s的RJ45口，支持電纜交叉自適應，因此一個標準的或是交叉的以太網線都可以用于這個接口。使用這個通信口可以實現S7-1200CPU與編程設備的通信，與HMI觸摸屏的通信，以及與其他CPU之間的通信。S7-1200CPU的PROFINET通信口支持以下通信協議及服務有，TCP，ISO on TCP（RCF 1006），S7通信。

圖3 TSEND_C和TRCV_C指令參數設置

本項目采用開放式用戶通信，連接參數采用圖形方式組態。兩個PLC之間使用的通信指令是通用T-block指令（TSEND_C, TRCV_C, TCON, TDISCON, TSEN,TRCV），通信方式為雙邊通信，因此通信指令必須成對出現。緊湊型指令TSEND_C和TRCV_C，除了發送或接收功能外，還可以建立和斷開連接。項目中通訊程序均在PLC1、PLC2的OB1中編程，組態及編程基本類同，使用的TSEND_C和TRCV_C指令，各項參數設置，如圖3所示。

4.2 兩種懸掛線共用一套控制程序

如前所述，該項目控制系統包含6套懸掛輸送子系統，因受限于廠房產品工藝布局，2#和4#懸掛輸送類型相同，1#、2#、5#、6#懸掛輸送類型相同。本項目實現了兩種懸掛線共用一套控制程序，提高了程序可維護性。設備首次上電，觸摸屏上會提示屏幕上選擇線體型號，一旦選擇后，參數會永久保存，即使斷電重啟也會按照先前的選擇的線體型號去執行程序。

5 結束語

目前，該懸掛輸送系統已經正式使用一年多，運行穩定可靠，能完全滿足廠家的生產節拍，生產線在線人員進一步優化減少，經濟效益和社會效益明顯。采用雙PLC架構雖然在設備購買上會增加一些成本，但從長期使用的角度來看，反而能降低維護保養成本，而且應用范圍也很廣。相比較于集中式控制方式，總結其優點體現幾個方面：控制系統結構進一步簡化；系統的可擴展性增強；分散式控制，提高各子系統運行的可靠性。