基于Factory IO的PLC虛擬仿真系統設計與實現
——以立體倉庫堆垛機控制與監控系統設計為例

劉進鵬，陸生鮮，張 明，李崇山

（1.慶陽新莊煤業有限公司新莊煤礦，甘肅 慶陽 745000；2.桂林理工大學 南寧分校，廣西 南寧 530001）

0 引言

近年來，國家不斷推動職業教育的高質量、高水平建設，由于職業高等教育的在校生數量持續上升，國內不少院校存在教學設備不能適應要求的問題。尤其是在實驗設備方面：（1）科學技術發展迅速導致各種技術更新迭代較快，學校無法及時將最新的實驗設備用于實際教學中[1]。以西門子PLC為例，目前，大部分高校都是以SIMATIC S7-200為基礎進行教學任務，但隨著TIA Portal的高度集成化，并受到各大中小企業工程師的青睞，SIMATIC S7-1200/1500以及TIA Portal平臺兼容的其他自動化產品在企業項目中運用會更加廣泛。（2）由于使用人數較多導致實驗設備使用頻率高，造成設備損耗，從而增加了成本[2]。在學生進行電氣接線和程序調試的時候，會出現接線錯誤或者程序邏輯不合理的情況，從而引起的實驗設備故障或者造成安全事故。其三，實驗設備數量有限，在實際教學環節中存在局限性。因為每個專業的人數較多，在需要使用實驗設備時，除了錯峰使用外就是劃分小組。這種辦法有助于加強同學之間的團結協作能力，但是無法鍛煉學生單獨解決問題的能力。其四，由于試驗室的硬件設備條件限制，學生們在實際調試操作過程中，往往只能使用已有的PLC或實驗設備中的開關按鈕，手動模擬傳感器元件所給出的各類輸入信息和狀態變化，或使用指示燈、繼電器等機械模擬控制對象的部分動作狀況，無法真實有效的檢驗所設計的控制系統能否滿足實際設計需要。

針對以上問題提出利用PLC虛擬仿真軟件Factory I0來搭建工業現場場景，應用此方法不僅可以彌補PLC課程教學設備的不足，還能更直觀地顯示PLC以及其他傳感器的動作狀態[3]。更主要的是可以用有限的實驗設備實現PLC實驗教學，能夠有效地解決由于實驗設備不足和無法支持最新技術造成的問題，從而達到豐富教學內容、增強實驗教學效果的目的，為學生學習PLC技術提供了便利。

1 Factory IO虛擬仿真軟件簡介

Factory IO是一個包含了工業系統搭建、PLC編程、PLC控制系統調試等功能的綜合性軟件。它相當于一個實時自動化沙盒，它具有逼真的仿真環境，用戶可以根據自身的需求簡單快捷地搭建模擬工業系統。

Factory IO可通過IO驅動程序與外部軟件或硬件實現通信。Factory IO構建的任何系統都可由外接技術、軟件和硬件實時控制。它包含20多個即用型場景及豐富的工業零件庫（包括傳感器、輸送機、電梯、工作站等）[4]。

2 虛擬仿真系統案例設計

以基于PLC的立體倉庫堆垛機控制與監控系統設計為例，將PLC控制、HMI技術與Factory IO相結合，進一步展示PLC在工業場景下的運行狀態。立體倉庫堆垛機控制與監控系統實現的主要功能如下：

（1）將巷道口中的貨物送到指庫位（入庫）；

（2）將某個指定庫位的貨物取出（出庫）；

（3）將某個庫位的貨物送到另一個指定的庫位（移庫）；

（4）監控系統設計部分需包含庫位狀態顯示、故障報警等信息展示；

（5）控制系統應當有手動和自動兩種作業方式。

立體倉庫堆垛機控制與監控系統實現的主要工作原理為：當作業人員使用觸摸屏向控制單元發出作業指令時，控制單元會結合實際情況做出是否執行該指令的判斷，例如，當作業人員下達移庫模指令，但是操作庫位處于無貨狀態或者目標庫位處于有貨狀態，又或者操作庫位和目標庫位都處于有貨狀態，此時，該指令將不會被執行。只有在操作庫位處于有貨狀態且目標貨位處于無貨狀態，該指令才會被控制單元執行，控制單元會控制驅動單元驅動電機制動單元，帶動機械單元實現入庫、出庫或者移庫作業。

系統在上電過后自動進入初始化狀態，此時會進入堆垛機運行方式選擇，當執行完成選擇的任務時，此時，會將堆垛機狀態信息反饋至上位機并回到原點。立體倉庫堆垛機控制系統總流程圖如圖1所示。

圖1 立體倉庫堆垛機控制系統總流程圖

2.1 立體倉庫堆垛機控制與監控系統場景搭建

立體倉庫堆垛機的總體場景搭建要盡可能地貼合實際，充分利用Factory IO中已經預設的場景，可以減少搭建立體倉庫堆垛機模型的困難。在Factory IO的“元件盒”中選擇搭建該場景需要用到的元件模型，將這些元件模型的擺放位置、尺寸大小及角度等合理規劃即可。為了便于區分各個傳感器和執行器，需要按照要求對其重命名。

本研究搭建的立體倉庫場景主要包括庫位主體（54個庫位）、堆垛機、上料皮帶、下料皮帶、發料器、消料器和操作站。立體倉庫堆垛機場景圖如圖2所示。

圖2 立體倉庫堆垛機場景圖

2.2 立體倉庫堆垛機控制與監控系統虛擬仿真實現

2.2.1 Factory IO仿真軟件系統配置

為了保證PLC程序的順利執行，在進行通信之前必須進行I/O的連接，將已經編輯好的信號接口連接到CPU對應的輸入/輸出點，只要從Factory IO的配置設置中用鼠標將其拖拽至相對應的I/O即可[3]。

在PLC程序編程結束、HMI開發完成及立體倉庫模擬場景搭建好以后，接下來就是要實現Factory IO與PLC的通信功能，實際上就是與S7-1200仿真器S7-PLCSIM的通信。在此有兩個細節是特別要注意的，不然就會導致通信不成功。第一就是Factory IO和TIA Portal V17的打開方式必須是“以管理員的身份打開”，第二就是在程序中要含有Factory IO官方提供的“西門子博途工程模版”，兩者缺一不可。

在TIA Portal V17中需要進行的操作主要是配置以太網，允許來自遠程對象的PUT_GET通信訪問，接著將程序編譯、下載，最后就是啟動S7-PLCSIM。具體設置方法如下：

（1）在場景所在的頁面狀態下，按下“F4”鍵進入“驅動”配置界面，在“驅動”樹形圖中選擇“Siemens S7-PLCSIM”，PLC類型選擇S7-1200，連接方式選擇自動連接，其他項選擇默認即可；

（2）返回到“驅動”界面，當“Siemens S7-PLCSIM”右邊出現綠色的“■”時（S7-PLCSIM已啟動）就說明已經通信成功。

2.2.2 立體倉庫堆垛機控制與監控系統PLC控制程序設計

采用的PLC型號是SIMATIC S7-1200 1214C DC/DC/DC，PLC程序采用結構化編程，首先建立組織塊OB1用來存放“西門子博途工程模版”。DB數據塊用來存放程序數據和一些中間變量，其中DB-1和DB-2局部有效，DB-3中的數據全局有效。而FB（函數）塊是控制系統的功能，最后在OB123中調用。

為了能順利地完成控制程序的撰寫，首要的就是要清楚每一個環節的運動特點，把連續的運動進行拆分并且邏輯化。以一個手動存貨的過程為例，可以把它的過程進行簡單的邏輯劃分，首先選擇控制模式為自動存貨，PLC在接收到該指令后開始動作，動作結束后回原點待機。該控制系統的PLC程序包括復位控制、急停暫停控制、原點標記、判斷運行方式、移栽臺控制、設備運行三色燈指示等。部分控制程序如下圖。

圖3程序是FACTORY IO提供的標準軟件庫，本質上是一個通信樣板，功能就是實現FACTORY IO和TIA Portal的輔助通信，單獨放在OB1中即可。

圖3 西門子博圖工程模板程序

圖4的程序是復位操作，實現的功能就是將所有的控制步清零。

圖4 復位控制程序

圖5的程序是急停和暫停控制，在需要的時候停掉上料傳送帶和上料電機。

圖5 急停和暫停控制程序

圖6的程序實現的是啟動功能，當系統上電以后，若不選擇工作模式，直接按下啟動按鈕則進入自動存貨狀態。

圖6 啟動控制程序

圖7的程序實現的功能就是對當前運行模式的判斷，將運行模式進行定義，0為存料模式，1為取料模式，2為移庫模式。通過不同的模式跳轉不同的流程控制步，例如當模式選擇為取料模式時，上料傳送帶無需運行，伸縮貨叉也無需伸出到位取傳送帶的貨物，載貨臺直接運行到指定的取料位置即可。

圖7 判斷本次運行模式程序

圖8的程序的功能是實現對上料機構的控制，當堆垛機在原點等待的時候，發料器開始發料，傳送帶將貨物運送到巷道口，同時，停止發料器停止工作。

圖8 上料傳送帶控制程序

因為在貨物的存取過程中，對伸縮貨叉的控制比較頻繁，圖9的程序采用調用公共字的方法：0基本位置，1工作位置，2取料位置。

圖9 伸縮貨叉控制程序

圖10的程序實現的功能是對三色燈的控制，運行時綠色燈亮，當按下急停或者暫停的時候紅色燈亮，處于等待過程中的時候黃色燈亮。

圖10 設備運行三色燈控制程序

本案例的PLC控制程序的主要控制方法就是流程步嵌套分支控制實現主邏輯控制，將伸縮貨叉在不同的模式下的動作情況進行分解控制。在對庫內貨物狀況展示控制采用IF語句的嵌套判斷，當有貨物時為“1”，當沒有貨物或者貨物被移走為“0”狀態，以此來控制與庫位相對應的指示燈亮滅。

2.2.3 HMI設計

采用WinCC Comfort實現人機界面的開發，觸摸屏型號選擇精致系列面板中的9英寸顯示屏，型號為TP 900 Comfort。以此達到對立體倉庫堆垛機的控制與監控。

在TIA Portal V17中完成設備組態和通信后，需繼續進行以下的編輯：

（1）新建畫面

在HMI編輯狀態下，利用“新建畫面”功能，新建4個新畫面，將第一張畫面命名為“倉位監控”并將其定義為起始頁面，其他畫面依次命名為“輸入監控”、“輸出監控”和“報警查詢”。

（2）畫面中控件組態

在畫面頂部添加文本框并輸入“立體倉庫堆垛機控制與監控系統”，在畫面左邊添加4個按鈕，將按鈕名稱改為步驟1中的名稱，然后對各個按鈕進行“事件”設置，從而實現畫面切換功能。同時，設置區域指針，以便將PLC中讀出的系統時間同步于HMI。

在“倉位監控”頁面中添加54個“文本域”代表54個倉位和一個I/O域。對每一個“文本域”進行建立變量連接，同時，將第一個“文本域”文本內容改寫為“1#倉”，其余的“文本域”按照從右向左，從上往下的原則按順序進行編號。此處的I/O域需要實現的功能是操作模式的切換，將其設置為下拉菜單模式即可。倉位監控界面如圖11所示。

圖11 倉位監控界面

在“輸入監控”頁面中添加按鈕，并將文本內容改為控制系統的各個輸入信號名稱，并建立內部變量連接，以達到能夠監控控制系統各個輸入信號的狀態。

在“輸出監控”頁面中添加按鈕，并將文本內容改為控制系統的各個輸出信號名稱，并建立內部變量連接，以達到能夠監控控制系統各個輸出信號的狀態。

在“報警查詢”頁面中添加報警控件，將控件大小調整至合適頁面大小，并對“報警文本”“報警類別”和“報警觸發變量”等進行設置和連接。

（3）仿真運行

將編輯完成的畫面進行編譯下載，若出現編譯失敗，根據編譯結果的提示進行修改并對相關的連接變量和組態屬性檢查，直至編譯成功。

2.3 立體倉庫堆垛機控制與監控系統聯合測試

2.3.1 存貨入庫測試

在HMI界面中輸入指定的貨位時，發料器開始發料，上料皮帶將貨物運送至堆垛機的取貨位置，此時，堆垛機會將貨物取下并存到指定貨位，動作結束后，回到原點停止運行。存貨任務執行界面如圖12所示。

圖12 存貨任務執行界面

2.3.2 取貨出庫測試

當在HMI界面中輸入要取出貨物的貨位，堆垛機會運動到該貨位將貨物取出并送到出貨臺，動作結束后，回到原點停止運行。取貨任務執行界面如圖13所示。

圖13 取貨任務執行界面

2.3.3 移庫測試

移庫操作即將一個貨位的貨物取出并存放到另一個貨位，在HMI界面選擇進行移庫操作，并在彈出的窗口中選擇需要取出貨物的貨位，確認之后再輸入要將當前物品存放的貨位即可。此時，堆垛機會進行動作來完成移庫任務，結束后，堆垛機回原點并停止運行。移庫任務執行界面如圖14所示。

圖14 移庫任務執行界面

3 結語

利用FACTORY IO搭建立體倉庫堆垛機場景，并采用WinCC Comfort軟件開發HMI，通過FACTORY IO和TIA Portal V17聯合仿真測試，立體倉庫堆垛機控制與監控系統可以實現存貨、取貨和移庫等基本功能的虛擬仿真。但是仍存在不足之處，因為測試部分使用的是軟件模擬，和用實物測試相比較還是有差距的。所以對于在教學環節中的一些大型復雜設備可以采用虛擬仿真的方法，而一些簡單、小型設備仍以真實被控對象為主。