基于PLC與觸摸屏的立體倉庫控制系統設計與實現

王艷紅，吳建平，李娜，劉佳興

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽，110870）

基于PLC與觸摸屏的立體倉庫控制系統設計與實現

王艷紅，吳建平，李娜，劉佳興

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽，110870）

本文以西門子S7-300系列PLC作為控制中樞，以臺達B系列觸摸屏作為人機交互界面，通過人機交互界面對立體倉庫控制系統的運行狀態進行監控及控制，并使用步進定位技術，設計制作了簡易自動化立體倉庫控制系統模型，該系統通過PROFINET總線接入工業控制網絡，配合上位機完成控制任務。結果表明：系統工作穩定、運行可靠、控制精度高。

立體倉庫；PLC；觸摸屏；控制系統

引言

自動化立體倉庫采用先進的控制技術、總線技術和信息技術，能夠高效實現多種設備協調動作，快速完成貨物自動有序的出入庫作業，在大型物流倉庫中逐漸獲得廣泛應用［1］。

在自動化立體倉庫的管理與控制系統中，控制系統是自動出入庫的關鍵部分［2］。

本文根據物流倉儲系統的需求，研究立體倉庫的自動控制系統。在簡要介紹三級工業控制網絡的基礎上，重點闡述HMI-PLC控制系統的硬件、軟件和通訊設計，實現立體倉庫從站遠程方式下自動接受上位機指令，在本地方式下可選擇手動或自動模式實現出入庫作業，并利用HMI完成實時作業的全程監控。

1 系統設計

管理層與現場控制層采用新型總線PROFINET進行通信，PROFINET可以實現控制層級橫向與縱向的集成［3］。PROFINET通過工業以太網，連接現場層到管理層的設備，可以實現從公司管理層到現場層的直接、透明訪問［4］。現場控制層的HMI與PLC控制器采用MPI通信方式，MPI的優點是CPU可以與多個設備建立多節點通信，并同步運行［5］。PLC控制器接受來自現場編碼器、傳感器等信號，控制閉環步進電機、氣動機械手等設備的運行。HMI可實現出入庫的過程監控和人機信息交互，以及軟件組態參數的設定、操作、監控、報警等。

2 系統硬件設計

2.1PLC硬件設計

本自動化立體倉庫為單巷道、3層、4列共12個倉位的倉庫模型。控制系統由上位機、西門子S7-300系列PLC、DP從站和臺達DOP-B系列HMI組成，系統的總體網絡構架如圖1所示。

圖1　系統總體結構圖

系統中，上位機主要完成貨物管理與統計、倉位監測、出入庫命令發送與信息反饋等工作。S7-300PLC作為控制器，主要完成控制堆垛機定位行走，物料抓放，與上位機通信等工作。HMI主要完成出入庫信息記錄及倉庫運行情況的監控，并作為指令輸入源使用。ET200S IM151-7 CPU為DP從站；SCALANCE X208為PROFINET網絡交換機；IE/PB LINK PN IO為代理服務器［6］；自動立體倉庫模型是系統的控制對象。

2.2編址和尋址方式

在自動化立體倉庫模型中，貨架的倉位編址方法是以垂直方向為行地址，底層為第1行，逐層遞增；水平方向為列地址，靠近入庫平臺位的為第1列，逐列遞增。PLC對貨位的認址采用相對認址方式。通過Festo Configuration Tool軟件設置貨架的倉位坐標，由PLC發送地址數據組控制驅動器來驅動步進電機，以實現堆垛機運動。同時PLC程序控制對行或列地址進行+1或-1操作。當堆垛機回原點時，限位開關動作，坐標清零，完成校正。

在該控制系統中，S7-300控制器與觸摸屏采用MPI方式進行通信，與上位機采用PROFINET［7］方式進行通信。

3 系統軟件設計

3.1運行模式

本研究表明，人才政策的擴散和創新受多種因素的影響，具體結論如下:(1)地方政府的經濟增長率和財政收入而不是GDP規模影響人才政策的擴散和創新。(2)地方政府與直接競爭對手的競爭是影響人才政策擴散和創新的最關鍵因素，周邊城市競爭和向大城市學習對人才政策擴散和創新的影響并不顯著。(3)行政級別越高，地方政府人才政策創新的概率也越高。

系統具有兩種運行模式：遠程和本地運行模式，本地運行模式又分為自動入庫/出庫模式和手動入庫/出庫模式。

在遠程運行模式下，PLC根據上位機發來的命令確定目的倉位和運行速度，自動完成入庫或者出庫操作，并在作業完成后反饋信息給上位機。

在本地運行模式下，當選擇自動入庫/出庫模式時，操作者需在HMI上輸入目標坐標和運行速度，系統自動完成入庫和出庫。當選擇手動入庫/出庫模式時，可以實現貨物在允許的位置上獨立伸縮動作和抓物放動作，也可以實現堆垛機X軸、Z軸運動和出入庫輸送機系統的單獨運行。

3.2觸摸屏界面設計

本系統設計的控制界面包括模式選擇界面、對應模式下的運行界面、歷史信息界面，報警信息界面等。圖2所示為立體倉庫運行監控界面。

以單機模式下的出入庫運行控制界面設計為例，界面依次有貨架的運行狀態顯示，正在執行的出入庫操作，倉庫的運行狀態、故障及剩余倉位顯示，指定出入庫操作按鈕，機械手及步進電機點動操作。

圖2　自動立體倉庫運行監控界面

PLC程序使用STEP7進行編制，STEP7使用方便、直觀的用戶界面、用組態取代編程及程序運行所需的數據，使得組態編程非常容易［8，9］。

PLC程序的編制主要采用LAD語言與GRAPH語言混合的模式進行。

本地出入庫自動模式的工作過程與遠程模式的工作過程類似，現以入庫流程為例，給出PLC編程流程，如圖3所示。

圖3　本地自動入庫程序流程圖

4 PLC通信設計

S7-300PLC與HMI采用MPI進行，PLC設置站號為2，HMI設置站號為0，通訊速率為187 500 bps。

PLC與HMI之間的數據與信息傳達需要建立DB數據塊，圖4所示為PLC與觸摸屏通訊建立的數據塊和程序。

5 調試

圖4　PLC與觸摸屏數據傳達程序

本章以本地觸摸屏操作調試為例，將本地/遠程選擇開關置于本地位置，手動/自動選擇開關置于自動位置，同時出庫/入庫選擇開關置于入庫位置，輸入入庫速度，機械手開始尋原點，進行入庫操作，觸摸屏運行界面顯示正在執行的倉位操作及倉庫的運行狀態，并適時進行滾動字幕報警。此模式下的出入庫操作、顯示及報警相似。本地手動模式，即將本地/遠程選擇開關置于本地位置，手動/自動選擇開關置于手動位置，可以進行手動出入庫操作，機械手臂的前后運動，機械手指的夾緊與放松，還可以手動控制機械手的X軸及Z軸回零點。依照上述方式，對系統循環測試，若調試過程中，整個系統運行正常，且各界面達到預期的目標，則認為調試成功。自動化立體倉庫系統調試如圖5所示。

圖5　自動化立體倉庫系統調試

6 結論

本系統以S7-300系列PLC為控制中樞，以觸摸屏為人機交互界面，采用MPI通信方式進行通信。該模型操作簡便，可以實現工件存取的過程監控和人機信息交互，以及軟件組態參數的設定、操作、監控、報警等。該系統運行穩定，操作方便，具有良好的企業應用前景。

［1］徐菱， 勞揚健， 王金諾. 基于PLC的堆垛機控制系統設計［J］. 組合機床與自動化加工技術， 2005（1）: 72-73.

［2］劉魯， 常曉玲. 基于工業控制網絡的立體倉庫堆垛機PLC控制系統設計［J］. 組合機床與自動化加工技術， 2015（1）: 93-96.

［3］李鑫. 工業以太網PROFINET技術的研究與實現［D］. 北京: 北京化工大學， 2006.

［4］廖常初. S7-300/400 PLC應用技術: 第2版［M］. 北京: 機械工業出版社， 2011: 315-316.

［5］向曉漢， 王飛飛. 西門子PLC高級應用實例精解: 第2版［M］. 北京: 機械工業出版社， 2015: 160-161.

［6］孫蓉， 蘇麗， 呂淑平， 等. PROFINET控制系統設計研究［J］. 實驗室研究與探索， 2014， 33（4）: 103-107.

［7］龔仲華. S7-300/400系列PLC應用技術［M］. 北京: 人民郵電出版社， 2011: 32-33.

［8］陽勝峰. 快速學會S7-300/400 PLC［M］. 北京: 中國電力出版社，2014.

［9］劉忠超， 蓋曉華. 西門子S7-300 PLC編程入門及工程實踐［M］.北京: 化學工業出版社， 2014.

Design and Implementation of Stereo Warehouse Control System based on PLC and Touch Screen

Yanhong Wang， Jianping Wu， Na Li， Jiaxing Liu（Institute of Information Science and Engineering， Shenyang University of Technology，Shenyang， Liaoning， 110870， China）

This paper bases on Siemens S7-300 series PLC as the control center， and uses DOP-B series touch screen as human machine interface， as to monitor and control the status of stereo warehouse control system through the human machine interface. Also， stepper positioning technology is used to design and produce a simple automated warehouse control system model. Such a system accesses industrial control network via PROFINET bus， and cooperates with PC to complete the control task. The results show that，system operation is stable， reliable， and with high precision control.

Stereo Warehouse； PLC； Touch Screen； Control System

TP2

A

2095-8412 （2016） 04-775-04

工業技術創新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.053

王艷紅（1967-），女，遼寧沈陽人，博士，教授，研究方向：生產調度與優化。

吳建平（1983-），女，河南濮陽人，研究生，研究方向：控制工程。

李娜（1991-），女，遼寧朝陽人，研究生，研究方向：控制理論與控制工程。

劉佳興（1991-），男，遼寧調兵山人，研究生，研究方向：控制工程。