基于S7-1500 PLC和RFID的注塑模具自動化倉庫系統設計

李學軍，程 紅

（1.四川大學 錦城學院，成都 611731；2.成都理工大學，成都 610059）

0 引言

注塑件的成型品質很大程度上取決于模具性能。隨著新材料和新技術的開發利用，注塑產品的適用領域和行業需求不斷擴大，制造周期明顯縮短，注塑生產也逐漸趨向于小批量、多樣化和復雜化[1]。然而，對于大多數注塑件制造廠商，由于生產訂單的不確定性，塑件規格和種類的增多，都為模具的管理工作帶來一定的難度，模具隨意堆放和使用不規范等現象，不僅造成車間存儲空間的浪費，也影響模具的性能與使用壽命[2,3]。目前，產品數據PDM、產品生命周期PLM和集成化ERP等系統的融合和應用方便了對模具使用信息的高效管理，但模具使用和維護等信息數據的記錄仍主要依靠人工完成，不僅效率低、耗時多，繁雜的模具查找和維護工作也會影響注塑車間的整體生產效率。

射頻識別（RFID）是一種非接觸、近距離無線通信技術，通過RFID終端自動識別標簽信息，實現物與網絡之間雙向數據交互和動態管理[4～6]。在制造業領域，PLC是應用最普遍的工業控制器，與射頻RFID融合有助于實現生產數據的在線監控管理。因此，針對注塑模具倉庫管理需要，設計了一種支持模具在線查詢和管理的自動化控制系統，由射頻RFID記錄模具出入庫、使用等工作狀態，再利用S7-1500PLC、工業以太網和物聯網將注塑生產數據自動寫入標簽，提高模具倉庫信息化管理水平，使其真正為注塑車間的高效作業服務。

1 系統總體構成

模具自動化倉庫是注塑成型的重要輔助單元，通過融合工業以太網和物聯網進行模具出入庫登記、上下架整理等基本業務，系統總體構成如圖1所示，主要包括上位機監控、注塑生產控制和倉庫自動化管理等部分。

圖1 模具自動化倉庫總體構成

上位機監控負責調度和管理整個生產區域，一方面伴隨塑件的成型過程，由注塑機PLC在線記錄與生產過程相關的模具使用信息，另一方面通過讀RFID標簽、自動搬運和堆垛，遠程管理模具倉庫。注塑生產控制以工業以太網為核心，通過PLC實現注塑機、倉庫機電設備的自動控制，再利用以太網與上位機進行通訊，遠程交互模具使用信息。

倉庫自動化管理由立式貨架、搬運機和堆垛機等設備組成，當使用模具A時，通過上位機或倉庫現場觸摸屏面板在線查詢該模具信息，經確認后，控制堆垛機行走、貨臺升降和貨叉伸縮，將模具A從立式貨架轉移到搬運機工位。倉庫PLC系統再控制搬運機動作，將模具轉移到射頻讀卡區，在有效的識別間距下由RFID讀卡器記錄模具A出庫。同樣，當模具A使用完成后，由RFID讀卡器記錄模具A入庫，先確認模具是否需要維護，再通過搬運、堆垛行走、貨臺升降和貨叉伸縮將模具轉移到立式貨架的對應位置。

2 倉庫系統硬件設計

注塑模具自動化倉庫以S7-1500 PLC為核心，利用射頻RFID在線記錄模具出入庫信息，再通過搬運機和堆垛機自動整理模具，控制系統基本構成如圖2所示。

圖2 PLC系統組成

對于PLC模塊，考慮控制系統性能、開發成本和I/O點數等因素，PLC選擇CPU 1516-3PN/DP。與S7-300/400相比，S7-1500 PLC硬件、軟件和上位機監控可通過TIA portal平臺開發，在提高組態和編程效率的同時，方便技術人員在線查詢CPU的工作狀態，并提供相對直觀的故障反饋信息。CPU 1516具有2個Profinet（X1 P1/P2和X2 P1）和1個Profibus接口，其中，X2 P1作為從站接入端口，通過工業以太網總線與上位機數據交互，X1 P1作為設備接入端口，通過交換機X208實現觸摸屏TP1200、2臺變頻器G120、分布式I/O單元ET200SP等模塊之間的Profinet通信。模具出入庫信息記錄和堆垛定位采用支持Profibus通信的終端，其中，射頻RFID讀卡器采用CK-F080P01，與標簽數據交互的典型距離約15cm，堆垛定位采用激光測距DL100和條碼定位傳感器OLM200[7]，再分別確定模具對應的立式貨架和堆垛位置。

CPU 1516-3PN/DP機架上添加電源PM 190W、開關量輸入DI 16和開關量輸出DO 16模塊。其中，DI 16用于輸入控制臺上電（鑰匙選擇開關）、急停、自動與點動工位轉換旋鈕、搬運機和堆垛機控制狀態轉換旋鈕與點動控制按鈕（前進和后退、貨叉伸縮、貨叉升降）等信號，DO 16用于控制輸出系統運行與狀態指示燈，以聲光報警方式直觀反映系統或機電設備故障。控制柜前面板安裝TP1200觸摸屏，通過Profinet通信為自動化倉庫機電設備控制、狀態監測、立式貨架模具信息查詢和管理提供現場人機交互服務。搬運機和堆垛機的行進、貨叉伸縮、貨叉升降等工作狀態分別由G120變頻器控制，每臺變頻器分別控制3臺相同的異步電機，且在變頻器控制模塊中設置電機參數（額定功率、轉速、轉矩等）和Profinet通信協議，搬運與堆垛控制原理如圖3所示。

圖3 搬運與堆垛控制原理

模具出庫或入庫時，分別通過上位機或RFID讀卡器將模具信息發送給倉庫S7-1500 PLC，將其在立式貨架的位置數據（圖3虛線所示）作為給定。由圖2可知，分布式I/O ET200SP提供2×DI 32、2×DO 32和2×AI 4，其中，2×DI 32用于輸入貨叉常閉限位、貨架常開限位、貨叉過升降和過伸縮預警限位等信號，2×DO 32輸出控制繼電器和接觸器，以實現行走M1、貨叉升降M2和貨叉伸縮M3等動作切換，2×AI 4用于檢測搬運機和堆垛機運行過程中電壓和電流參數。G120變頻器負責行走M1、貨叉升降M2和貨叉伸縮M3的直接控制，如圖4所示，DI 0～D2 1分別對應電機的正轉、反轉和復位。當分布式I/O ET200SP控制KM1和KM4閉合，G120控制行走電機M1，由激光測距反饋控制，確定立式貨架位置后，KM4斷開、KM5閉合，G120再輸出控制貨叉升降M2，由條碼定位反饋，確定立式貨架上模具的堆垛位置后，KM5斷開、KM6閉合，G120再控制貨叉伸縮M3，由貨叉常閉限位和貨架常開限位反饋控制，當貨叉伸出到位且模具堆垛到位同時滿足時，貨叉停止伸出。

圖4 變頻控制電路

3 倉庫系統軟件設計

自動化倉庫控制軟件在TIA portal平臺上開發，主要包括對S7-1500 PLC控制程序、TP1200觸摸屏界面和上位機監控界面等設計。PLC程序用于注塑模具出入庫的自動控制以及對控制臺、觸摸屏或上位機監控請求的響應，程序控制流程如圖5所示。

圖5 PLC程序控制流程圖

模具出入庫自動控制程序由搬運子程序、堆垛子程序、狀態監測和處理子程序、故障報警子程序等組成。其中，狀態監測和處理子程序在線判定倉庫控制系統I/O狀態，并對特定 I/O狀態作出響應，進而觸發對應的中斷以調用搬運、堆垛、故障報警等子程序。模具入庫時，射頻RFID讀卡器自動讀取模具標簽信息，S7-1500 PLC通過Profinet與上位機進行交互，判定模具是否需要維護。由于模具在注塑過程中使用信息已通過Profinet傳回上位機，技術人員在注塑結束后對模具進行維護，相關信息也錄入生產管理過程。但是，在入庫前模具未進行維護，則需要由倉庫S7-1500 PLC作出判定，方便技術人員及時維護模具。如果模具已維護或不需要維護，觸發中斷調用搬運子程序，將模具由RFID讀卡區搬運至待堆垛區。同樣，模具搬運完成后，再觸發堆垛機控制子程序，將模具轉移到立式貨架上。

觸摸屏或上位機為模具倉庫管理提供最基本的人機交互服務。觸摸屏主要用于模具位置和堆垛空位的在線查詢，如圖6所示，方便技術人員查詢和管理具體模具的使用情況。

圖6 觸摸屏界面

上位機用于模具倉庫總體業務的監控管理，如圖7所示，支持對多立式貨架模具位置和堆垛空位查詢、搬運機和堆垛機變頻調速控制等。模具倉庫管理作為一個子監控界面，通過主界面和返回選項，方便與注塑過程監控主界面的自由切換。變量狀態選項輸出倉庫S7-1500 PLC監控I/O和中間變量狀態，對其中異常進行報警，再通過報警選型反饋給管理人員。模具倉庫管理提供7排貨架共145個貨格位置的直觀顯示和查詢，能根據實際需求靈活分配和擴展貨架貨格，并由貨架貨格的柔性分配擴展設置搬運和堆垛等設備運行參數。

4 結語

由于注塑模具隨意堆放和使用不規范等問題，不僅浪費車間存儲空間，也影響模具性能與使用壽命。在此背景下，通過研究注塑模具出入庫管理需求，利用S7-1500 PLC設計了一種支持模具在線查詢和管理的自動化倉庫系統，并在TIA portal平臺上進行硬件組態、通信配置、PLC程序和監控界面的開發設計。對于注塑模具的自動化倉庫管理，由射頻RFID記錄模具的出入庫信息，融合工業以太網和物聯網，利用PLC或上位機處理模具使用數據，再調用相應的機電設備實現模具搬運或堆垛控制。自動化倉庫為技術人員開展模具管理工作提供便利，實現對對模具使用信息、狀態的高效管理，解決了過往模具管理存在的問題，在一定程度上提高了注塑生產效率。

圖7 上位機界面