基于PLC的循跡搬運(yùn)小車(chē)實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)

王超然 張禹 連方舟

摘要：隨著物流行業(yè)的飛速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，傳統(tǒng)的人工搬運(yùn)方式會(huì)浪費(fèi)大量人力物力。文章基于當(dāng)前的物流搬運(yùn)發(fā)展現(xiàn)狀，采用PLC控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了智能化貨物搬運(yùn)小車(chē)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人工干預(yù)的貨物搬運(yùn)，其搬運(yùn)過(guò)程非常省時(shí)省力，且具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。文章以S7-1200PLC為控制核心對(duì)循跡搬運(yùn)小車(chē)進(jìn)行控制，通過(guò)HMI觸摸屏與WINCC進(jìn)行畫(huà)面設(shè)置，最終實(shí)現(xiàn)循跡搬運(yùn)小車(chē)的智能化運(yùn)行。該系統(tǒng)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(yè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：物流；PLC控制系統(tǒng)；循跡；智能；搬運(yùn)小車(chē)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著自動(dòng)化行業(yè)的快速發(fā)展，智能化運(yùn)行與PLC控制系統(tǒng)逐漸成為當(dāng)代工業(yè)制造中不可或缺的組成部分。同時(shí)，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，給人們的生活帶來(lái)了諸多便捷的同時(shí)，網(wǎng)購(gòu)物品的需求量也在不斷加大，從而對(duì)企業(yè)或倉(cāng)庫(kù)中貨物的提取、搬運(yùn)和運(yùn)輸工作提出了更大的挑戰(zhàn)［1］。本文基于當(dāng)前的物流搬運(yùn)發(fā)展現(xiàn)狀，擬建立一個(gè)省時(shí)、省力、低成本的物流搬運(yùn)實(shí)訓(xùn)裝置。

現(xiàn)在的物流倉(cāng)庫(kù)里，運(yùn)輸大多是在機(jī)器分類(lèi)完成后依靠人工進(jìn)行搬運(yùn)，或是用叉車(chē)等工具進(jìn)行搬運(yùn)，這樣不僅浪費(fèi)了大量的人力資源且耗時(shí)較長(zhǎng)，容易對(duì)物件造成損傷，也易出現(xiàn)錯(cuò)誤或沒(méi)有將物件搬運(yùn)至指定地點(diǎn)。不僅使得工作效率低下，也容易帶來(lái)各種損失。為此，筆者查閱相關(guān)資料，并深入物流中轉(zhuǎn)站實(shí)地調(diào)研，提出了設(shè)計(jì)貨物搬運(yùn)小車(chē)實(shí)訓(xùn)裝置的想法。

1 實(shí)訓(xùn)裝置總體方案的設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

循跡搬運(yùn)小車(chē)控制系統(tǒng)主要由機(jī)械手控制系統(tǒng)、自動(dòng)循跡控制系統(tǒng)、小車(chē)的使能控制系統(tǒng)組成。由PLC來(lái)調(diào)度和控制其他3個(gè)控制系統(tǒng)，通過(guò)PLC程序的編寫(xiě)，控制與協(xié)調(diào)各控制系統(tǒng)的工作，保證循跡搬運(yùn)小車(chē)的穩(wěn)定工作。同時(shí)，通過(guò)三大控制系統(tǒng)的相互配合，來(lái)實(shí)現(xiàn)整體的工作目標(biāo)。

實(shí)訓(xùn)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(jī)械手與顏色傳感器的小車(chē)、帶有顏色的路線以及最后收件的特定區(qū)域組成。

1.2 運(yùn)動(dòng)控制

將物品分類(lèi)裝箱后，由小車(chē)機(jī)械手的物品識(shí)別傳感器進(jìn)行掃描，在確定貨物發(fā)往地之后，機(jī)械手開(kāi)始動(dòng)作，將物品箱夾起放入車(chē)內(nèi)。小車(chē)開(kāi)始往前行駛，此時(shí)小車(chē)下方的顏色傳感器收到指令，根據(jù)道路顏色來(lái)尋找正確路線并循跡行駛，直至抵達(dá)指定區(qū)域，將物品卸下，按照指定路線返回候車(chē)區(qū)，等待下一條指令。此外，在HMI顯示屏上設(shè)有緊急制動(dòng)按鈕，發(fā)生緊急情況能及時(shí)制動(dòng)。具體流程如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC及其擴(kuò)展模塊的選型

本文設(shè)計(jì)采用西門(mén)子S7-1200 1215C DC/DC/DC（含有14個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)和10個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)）型號(hào)的PLC控制設(shè)備，不僅能完成模塊化和緊湊型設(shè)計(jì)，還具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活度高等優(yōu)點(diǎn)。PLC的內(nèi)部主要組成元件有CPU、擴(kuò)展接口、輸入/輸出接口、存儲(chǔ)器以及通信接口等，如圖3所示。

由于所選PLC控制設(shè)備的數(shù)字輸入與輸出信號(hào)的數(shù)量不足以支持實(shí)訓(xùn)裝置控制所需，需要擴(kuò)展設(shè)備補(bǔ)足。根據(jù)實(shí)訓(xùn)裝置實(shí)際需要的數(shù)字輸入點(diǎn)與輸出點(diǎn)的數(shù)量，最終采用型號(hào)為SM1221 8DI 24 V DC的擴(kuò)展設(shè)備，如圖4所示。

2.2 電機(jī)的選型

運(yùn)料小車(chē)由三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)向前旋轉(zhuǎn)，小車(chē)往左走；電機(jī)反轉(zhuǎn)，則向右走［2］。電機(jī)控制回路采用的是時(shí)間繼電器，可以用時(shí)間繼電器的延時(shí)閉合常開(kāi)觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)從正轉(zhuǎn)運(yùn)行到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的自動(dòng)［3］。電機(jī)正反轉(zhuǎn)主回路如圖5所示。

2.3 I/O分配表

開(kāi)始PLC程序編寫(xiě)前，需要將輸入接口與輸出接口一一對(duì)應(yīng)完整。I/O分配要合理、便于布線且簡(jiǎn)潔，因?yàn)镮/O接口有限，要在滿足功能使用的前提下盡量節(jié)約使用，并且要考慮后期功能的擴(kuò)展和改進(jìn)，預(yù)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(tǒng)中，總共有17個(gè)輸入信號(hào)以及9個(gè)輸出信號(hào)。

3 程序設(shè)計(jì)

編程軟件采用博圖V15.1。

在設(shè)計(jì)基于PLC控制系統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件時(shí)，必須遵循一定的規(guī)則。首先，必須最大限度地滿足控制設(shè)備的控制要求；其次，PLC控制系統(tǒng)的功能必須可靠、安全，這對(duì)提高系統(tǒng)的功能起著重要作用；最后，加強(qiáng)健全成本控制，科學(xué)提高項(xiàng)目效益。

編程采用的設(shè)計(jì)語(yǔ)言為圖形設(shè)計(jì)語(yǔ)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(yǔ)言，通常使用類(lèi)似梯形的圖形符號(hào)來(lái)表示控制電路的邏輯關(guān)系［5］。梯形圖簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)的過(guò)程，使得編程步驟變得簡(jiǎn)單，便于PLC的開(kāi)發(fā)與維護(hù)，且結(jié)構(gòu)清晰，易于理解和審核，便于工程師對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)，被廣泛應(yīng)用于各種工控系統(tǒng)。

控制面板的設(shè)計(jì)，。可以選擇物件的抓取，從而決定小車(chē)按照哪種路線運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。

機(jī)械手左右移動(dòng)的控制。選擇欲夾取的物件后，機(jī)械手能夠及時(shí)地運(yùn)動(dòng)至該物件上方；同時(shí)，將物件放置在小車(chē)上方后，能夠及時(shí)地復(fù)位，如圖7所示。

小車(chē)的自動(dòng)循跡控制。在明確夾取到物件后，小車(chē)按照該物件需要去往的庫(kù)開(kāi)始循跡并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，如圖8所示。

通過(guò)梯形圖程序的編寫(xiě)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)循跡搬運(yùn)的功能。需要修改指令時(shí)，可以直接在程序上修改為1或0，能夠更好地對(duì)仿真軟件與運(yùn)行畫(huà)面進(jìn)行控制。

4 畫(huà)面設(shè)計(jì)與仿真調(diào)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(huán)境下，對(duì)用戶編寫(xiě)的程序進(jìn)行運(yùn)行和測(cè)試，無(wú)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(duì)于程序的修改。S7-PLCSIM為用戶提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的接口，用戶可以通過(guò)編程的方式來(lái)監(jiān)控以及修改各種參數(shù)，也可以通過(guò)使用各種參數(shù)和變量表來(lái)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)督、監(jiān)視和修改，如圖9所示。

當(dāng)開(kāi)始仿真時(shí)，PLCSIM為RUN狀態(tài)，指示燈顯示為綠燈；當(dāng)結(jié)束仿真時(shí)，PLCSIM為STOP狀態(tài)，指示燈顯示為黃色。

4.2 控制系統(tǒng)仿真畫(huà)面設(shè)計(jì)

本文畫(huà)面的設(shè)計(jì)采用了西門(mén)子公司的WinCC（Windows Control Center）組態(tài)系統(tǒng)。WinCC組態(tài)軟件可為用戶提供圖形顯示、報(bào)表統(tǒng)計(jì)及歸檔等功能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)視覺(jué)控制任務(wù)［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(chǔ)、報(bào)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(qiáng)的實(shí)用性。

如圖10所示，在整個(gè)控制畫(huà)面中，包含機(jī)械手、物料點(diǎn)、小車(chē)、循跡區(qū)、到達(dá)地點(diǎn)、返回路線以及控制面板。

在控制面板點(diǎn)擊按鈕B，機(jī)械手動(dòng)作，夾起物件B并放入車(chē)廂。并根據(jù)機(jī)械手給出的掃描信號(hào)，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，抵達(dá)循跡區(qū)并按照預(yù)定路線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，抵達(dá)庫(kù)B，如圖11所示，最后沿返回路線返回。

通過(guò)畫(huà)面設(shè)計(jì)，可以更加直觀地看到小車(chē)由取料點(diǎn)到庫(kù)B之間的運(yùn)行情況，這樣更好地展現(xiàn)了仿真所得出的結(jié)果，對(duì)控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)起到了極大的幫助。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一系列的仿真與調(diào)試，該實(shí)訓(xùn)裝置能順利地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。充分發(fā)揮了PLC控制系統(tǒng)的維護(hù)方便、檢測(cè)靈活、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。在提高企業(yè)生產(chǎn)效率的同時(shí)，也大大地節(jié)約了企業(yè)的人工成本。同時(shí)，該實(shí)訓(xùn)裝置還能為學(xué)校學(xué)生實(shí)訓(xùn)提供一個(gè)教學(xué)平臺(tái)，為學(xué)生走入社會(huì)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］蔡婷婷，蔡雪.基于PLC的智能物流控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2021（6）：44-46.

［2］龔書(shū)娟，楊世釗.基于PLC的運(yùn)料小車(chē)電氣控制設(shè)計(jì)［J］.輕工科技，2019（11）：67-68.

［3］賀廉云.基于PLC的運(yùn)料小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.時(shí)代農(nóng)機(jī)，2015（7）：25-26.

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

［5］劉月波.基于PLC的化工自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.科技資訊，2022（14）：70-72.

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

（編輯 沈 強(qiáng)）

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