基于PLC的循跡搬運小車實訓裝置設計

王超然 張禹 連方舟

摘要：隨著物流行業的飛速發展，人民生活水平的不斷提高，傳統的人工搬運方式會浪費大量人力物力。文章基于當前的物流搬運發展現狀，采用PLC控制系統，設計了智能化貨物搬運小車控制系統，以實現無人工干預的貨物搬運，其搬運過程非常省時省力，且具有很高的實際應用價值。文章以S7-1200PLC為控制核心對循跡搬運小車進行控制，通過HMI觸摸屏與WINCC進行畫面設置，最終實現循跡搬運小車的智能化運行。該系統可以很大程度上減少人力成本，提升物流公司工作效率，為物流行業及社會經濟發展起到推動作用。

關鍵詞：物流；PLC控制系統；循跡；智能；搬運小車

中圖分類號：TP273? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著自動化行業的快速發展，智能化運行與PLC控制系統逐漸成為當代工業制造中不可或缺的組成部分。同時，伴隨著互聯網的高速發展，給人們的生活帶來了諸多便捷的同時，網購物品的需求量也在不斷加大，從而對企業或倉庫中貨物的提取、搬運和運輸工作提出了更大的挑戰［1］。本文基于當前的物流搬運發展現狀，擬建立一個省時、省力、低成本的物流搬運實訓裝置。

現在的物流倉庫里，運輸大多是在機器分類完成后依靠人工進行搬運，或是用叉車等工具進行搬運，這樣不僅浪費了大量的人力資源且耗時較長，容易對物件造成損傷，也易出現錯誤或沒有將物件搬運至指定地點。不僅使得工作效率低下，也容易帶來各種損失。為此，筆者查閱相關資料，并深入物流中轉站實地調研，提出了設計貨物搬運小車實訓裝置的想法。

1 實訓裝置總體方案的設計

1.1 總體方案設計

循跡搬運小車控制系統主要由機械手控制系統、自動循跡控制系統、小車的使能控制系統組成。由PLC來調度和控制其他3個控制系統，通過PLC程序的編寫，控制與協調各控制系統的工作，保證循跡搬運小車的穩定工作。同時，通過三大控制系統的相互配合，來實現整體的工作目標。

實訓裝置的整體布局如圖1所示，從左到右依次由物品箱、帶有機械手與顏色傳感器的小車、帶有顏色的路線以及最后收件的特定區域組成。

1.2 運動控制

將物品分類裝箱后，由小車機械手的物品識別傳感器進行掃描，在確定貨物發往地之后，機械手開始動作，將物品箱夾起放入車內。小車開始往前行駛，此時小車下方的顏色傳感器收到指令，根據道路顏色來尋找正確路線并循跡行駛，直至抵達指定區域，將物品卸下，按照指定路線返回候車區，等待下一條指令。此外，在HMI顯示屏上設有緊急制動按鈕，發生緊急情況能及時制動。具體流程如圖2所示。

2 硬件設計

2.1 PLC及其擴展模塊的選型

本文設計采用西門子S7-1200 1215C DC/DC/DC（含有14個數字輸入信號和10個數字輸出信號）型號的PLC控制設備，不僅能完成模塊化和緊湊型設計，還具有可擴展性強、靈活度高等優點。PLC的內部主要組成元件有CPU、擴展接口、輸入/輸出接口、存儲器以及通信接口等，如圖3所示。

由于所選PLC控制設備的數字輸入與輸出信號的數量不足以支持實訓裝置控制所需，需要擴展設備補足。根據實訓裝置實際需要的數字輸入點與輸出點的數量，最終采用型號為SM1221 8DI 24 V DC的擴展設備，如圖4所示。

2.2 電機的選型

運料小車由三相異步電機驅動，電機向前旋轉，小車往左走；電機反轉，則向右走［2］。電機控制回路采用的是時間繼電器，可以用時間繼電器的延時閉合常開觸點來實現電動機從正轉運行到反轉運行的自動［3］。電機正反轉主回路如圖5所示。

2.3 I/O分配表

開始PLC程序編寫前，需要將輸入接口與輸出接口一一對應完整。I/O分配要合理、便于布線且簡潔，因為I/O接口有限，要在滿足功能使用的前提下盡量節約使用，并且要考慮后期功能的擴展和改進，預留一定的I/O接口地址［4］。具體分配情況如表1所示。

在本文的控制系統中，總共有17個輸入信號以及9個輸出信號。

3 程序設計

編程軟件采用博圖V15.1。

在設計基于PLC控制系統的自動化控制系統軟件時，必須遵循一定的規則。首先，必須最大限度地滿足控制設備的控制要求；其次，PLC控制系統的功能必須可靠、安全，這對提高系統的功能起著重要作用；最后，加強健全成本控制，科學提高項目效益。

編程采用的設計語言為圖形設計語言中的梯形圖（LAD）。梯形圖是用于可編程邏輯控制器的主要編程語言，通常使用類似梯形的圖形符號來表示控制電路的邏輯關系［5］。梯形圖簡化了程序設計的過程，使得編程步驟變得簡單，便于PLC的開發與維護，且結構清晰，易于理解和審核，便于工程師對PLC控制系統進行調試和維護，被廣泛應用于各種工控系統。

控制面板的設計，。可以選擇物件的抓取，從而決定小車按照哪種路線運動，如圖6所示。

機械手左右移動的控制。選擇欲夾取的物件后，機械手能夠及時地運動至該物件上方；同時，將物件放置在小車上方后，能夠及時地復位，如圖7所示。

小車的自動循跡控制。在明確夾取到物件后，小車按照該物件需要去往的庫開始循跡并進行運動，如圖8所示。

通過梯形圖程序的編寫，達到了預期的目標，實現了自動循跡搬運的功能。需要修改指令時，可以直接在程序上修改為1或0，能夠更好地對仿真軟件與運行畫面進行控制。

4 畫面設計與仿真調試

4.1 仿真軟件的選擇

本文采用的是S7-PLCSIM仿真軟件。該軟件可以在STEP7環境下，對用戶編寫的程序進行運行和測試，無需連接任何S7系列的PLC，而只需要用到仿真的方式，極大地方便了用戶對于程序的修改。S7-PLCSIM為用戶提供了一個簡單的接口，用戶可以通過編程的方式來監控以及修改各種參數，也可以通過使用各種參數和變量表來對這些參數進行監督、監視和修改，如圖9所示。

當開始仿真時，PLCSIM為RUN狀態，指示燈顯示為綠燈；當結束仿真時，PLCSIM為STOP狀態，指示燈顯示為黃色。

4.2 控制系統仿真畫面設計

本文畫面的設計采用了西門子公司的WinCC（Windows Control Center）組態系統。WinCC組態軟件可為用戶提供圖形顯示、報表統計及歸檔等功能，廣泛應用于工業視覺控制任務［6］。該軟件的主要功能包括全局腳本、變量管理、圖形編輯器、文本存儲、報表編輯器以及交叉索引等，功能靈活方便，用戶界面友好，具有很強的實用性。

如圖10所示，在整個控制畫面中，包含機械手、物料點、小車、循跡區、到達地點、返回路線以及控制面板。

在控制面板點擊按鈕B，機械手動作，夾起物件B并放入車廂。并根據機械手給出的掃描信號，開始運動，抵達循跡區并按照預定路線進行運動，抵達庫B，如圖11所示，最后沿返回路線返回。

通過畫面設計，可以更加直觀地看到小車由取料點到庫B之間的運行情況，這樣更好地展現了仿真所得出的結果，對控制系統的研究設計起到了極大的幫助。

5 結語

經過一系列的仿真與調試，該實訓裝置能順利地實現預期的目標。充分發揮了PLC控制系統的維護方便、檢測靈活、運行穩定等優勢。在提高企業生產效率的同時，也大大地節約了企業的人工成本。同時，該實訓裝置還能為學校學生實訓提供一個教學平臺，為學生走入社會工作打下堅實的基礎。

參考文獻

［1］蔡婷婷，蔡雪.基于PLC的智能物流控制系統模擬設計［J］.農業裝備技術，2021（6）：44-46.

［2］龔書娟，楊世釗.基于PLC的運料小車電氣控制設計［J］.輕工科技，2019（11）：67-68.

［3］賀廉云.基于PLC的運料小車控制系統設計［J］.時代農機，2015（7）：25-26.

［4］杜偉炯.電氣控制與PLC應用技術的分析［J］.電子制作，2016（22）：5.

［5］劉月波.基于PLC的化工自動化控制系統設計和實現［J］.科技資訊，2022（14）：70-72.

［6］彭珍瑞.電氣控制及PLC應用技術［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

（編輯 沈 強）

Design of training device for tracking trolley based on PLC

WANG? Chaoran， ZHANG? Yu， LIAN? Fangzhou

（College of Physics and Electronic Engineering， Hanjiang Normal University， Shiyan 442000， China）

Abstract：? With the rapid development of the logistics industry and the continuous improvement of peoples living standards， traditional manual handling methods will waste a lot of manpower and material resources. This article is based on the current development status of logistics handling， using a PLC control system to design an intelligent cargo handling car control system， to achieve cargo handling without manual intervention. The process is very time-saving and labor-saving， and has high practical application value. This article uses S7-1200PLC as the control core to control the tracking and handling car. And through the HMI touch screen and WINCC for screen settings， the intelligent operation of the tracking and transportation car is ultimately achieved. This system can greatly reduce labor costs and improve the efficiency of logistics companies， playing a driving role in the logistics industry and socio-economic development.

Key words： logistics; PLC control system; follow the trail; intelligent; moving trolleys