基于西门子S7-1200PLC的立体仓库堆垛机控制与监控

基于西门子S7-1200PLC的立体仓库堆垛机控制与监控
PLC Warehouse Stacking Machine Control and Monitoring based on Siemens S7-1200
• 齐鲁理工学院机电工程学院 黄丽丽 Huang Lili 苏敏 Su Min
摘 要：本设计以西门子S7-1200 PLC可编程控制器为核心，对立体仓库堆垛机的控制系统进行了设计。

首先运用了PLC与变频器相结合对三相交流异步电动机的运行系统进行了控制；其次通过激光测距定位系统
对堆垛机水平方向运行进行了精准定位，同时运用光电传感器定位系统对堆垛机垂直方向运行进行了精准
定位；最后利用上位机WinCC组态软件对立体仓库堆垛机控制系统的运行状态进行了实时监控；实验结果表
明，该系统能对堆垛机运行系统实现精确控制，实用性强，具有一定的推广价值。

关键词：S7-1200PLC 立体仓库 堆垛机 WinCC组态软件
Abstract: The design uses the Siemens S7-1200 PLC programmable controller as the core to design, the
three-dimensional warehouse stacker control system. Firstly, the operation system of the three-phase AC
induction motor is controlled by the combination of PLC and frequency converter. Secondly, the horizontal
direction of the stacker is precisely positioned by the laser ranging system, and the photoelectric sensor’s
positioning system is used to position the vertical operation of the stacking machine precisely. Finally, the
upper machine uses WinCC configuration software to monitor the operating status of the stacking machine
control system. The experimental results show that the system can realize the precise control, practical and
Strong, with a certain value to promote.
Key words: S7-1200PLC Stereoscopic warehouse Stacking machine WinCC configuration software
【中图分类号】F407.67 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2019）09-0046-04
1 绪论
自动化立体仓库是现代物流系统中不可或缺的构成成分，它是非常崭新的仓储技术。

自动化立体仓库又称为自动存储/检索系统（AS/RS）。

立体仓库由高层货架、仓储机械设备、建筑物及控制和管理及控制设施等部分组成。

通过采用高层货架储存货物，用起重、装卸、运输机械设备进行货物出库和入库作业的仓库。

这类仓库主要通过高层货架充分利用空间进行存取货物。

可以对入库、出库任务进行全自动化控制，以及批量化、网络化的管理。

旧式的堆垛机以桥式起重机为原形，在起重机的主体框架上固定一个框架，利用框架的上下、旋转、前后运输货物。

20世纪60年代巷道式堆垛机首次在美国出现，随后慢慢取代了老式堆垛机的运行方式，20世纪70年代我国也开始投入研究这项技术。

现如今在控制技术、定位精度、运行速度等方面都取得了重大突破。

目前立柱有轨巷道堆垛机在各个物流系统中得以广泛的应用，双立柱有轨巷道堆垛机具有强度和刚性比较好，能快速起、制动，并且运行平稳等优点。

根据以上优势选用了双立柱有轨巷道堆垛机堆垛机。

2 堆垛机控制系统方案设计
2.1 堆垛机控制系统设计
对三个方向适当的速度调节需考虑定位精准性、存取速度、稳定性等因素。

水平运动电机、垂直运动电机及伸叉机构电机分别采用7.5KW三相交流异步电机、11KW三相交流异步电机与1.5KW低速电机，前两者三相交流异步电动机由
September 2019
西门子S7-1200PLC通过变频器进行闭环变频调速控制，低速电机(货叉电机)由S7-1200PLC控制中间继电器再通过中间继电器直接控制不经过变频器。

堆垛机运行重点为精确定位X、Y、Z坐标。

X方向为货叉方向、Y方向为水平方向、Z方向为垂直方向。

2.2 水平方向变频调速系统设计
水平方向即Y轴方向采用7.5KW三相交流异步电动机，其速度要求为0~180m/min。

系统根据当前位移与目标点之间的距离来定义运行速度的控制方式。

2.3 垂直方向变频调速系统设计
垂直方向即Z轴方向则采用11KW的三向交流异步电动机，运行速度要0~80m/min。

垂直方向采集信号和水平方向不一样，其他方面都相似。

这里是通过光电传感器的数字量信号，经过程序运算得出当前位移与目标位移间的距离，再经过程序里的计数器来确定货架的层数。

2.4 堆垛机的速度曲线分析
常见的速度运行曲线有三种，分别为三角形与梯形速度曲线、抛物线与直线形速度曲线、正弦形速度曲线。

本文采用最常用的梯形速度曲线。

2.5 堆垛机货叉控制系统设计
因为货叉的行程距离比较短，再通过货叉速度、强度和惯性来综合考虑，在货叉上边不用变频调速，直接用一个低速电机通过PLC控制中间继电器在控制低速电机，就能满足系统要求了。

2.6 通信方案的确定
PC机与PLC采用工业以太网的通讯方式，该接口带一个具有自动交叉网线功能的 RJ45 连接器，提供 10/100Mbit/s 的数据传输速率，支持以下协议：TCP/IP native、ISO-on-TCP和S7通讯。

S7-1200 PLC和西门子变频器之间的通信，选用USS通讯协议作为其通信网络数据链路层的协议。

3 系统主要配置
3.1 PLC及资源配置
西门子S7-1200的产品相对比S7-200的产品有紧凑模块化结构、强大的控制功能、经典的编程模式、复杂的数据结构、指令参数的多态性、基于控制对象编程、集成HMI工程组态、通讯集成PROFINET接口、灵活的第三方通讯等新特点，根据控制点数来计算，DI点数有31个，DO点数有13个，AI有1路，则选择点数最多和可扩展等级最高的CPU 1214C这个型号的CPU，CPU 1214C有14输入/10输出，在此基础上在加扩展口。

由于 S7-1200- CPU 1214C的集成14输入/10输出太少，加上“博纳”的激光测距传感器输出的是4-20mA的信号，CPU自带的模拟量输入为0-10V的，转换比较麻烦需要外界电阻，这样就会有人为误差，导致精度下降。

所以就选用了模拟量输入/输出模块以及通讯等不能满足设计的要求，所以本文选用了SM 1221 DI模块、SM 1223 DI/DO模块、SM1234AI模块、CM 1241 RS485 主站模块这样才满足设计的需要。

3.2 变频器参数及配置
根据全方位考虑选择两种功率的西门子MM440型变频器，7.5KW的变频器，其订货号为6SE6440-2UD27-5CA1，11KW的变频器，其订货号为6SE6440-2UD31-1CA1。

根据控制系统的性能指标要求，三相异步电动机采用泰山伊万福电机有限公司生产的2Y系列2Y-632-2型两种功率的电机，额定功率7.5W和11KW，额定电流22A，额定电压380V，额定频率50Hz，转速2720r/min，功率因数0.81。

3.3 I/O接线图
如图3.1所示是S7-1200PLC与扩展模块一起的I/O接线图，PLC与变频器是通过CM1241 RS85接口，用USS通讯协
议，通过RS485屏蔽双绞线链接。

图3.1 PLC I/O接线图
4 堆垛机控制程序设计
4.1 总控制程序设计
程序主要使用“博途”编程软件进行编程和调试。

“博途”编程软件是SIMATIC S7-1200系列可编程控制器专用的，功能强大，主要由用户用来设计控制程序及PC机监控，同时程序运行时可实时监控其状态。

程序按照各个功能模块化编撰而成，再经过整合、调试形成完整的程序。

系统能运行机构进行时时控制，使得任务的完成更加的精准可靠。

通过现场控制柜面板的指示灯查看每个状态，同时任务赋值到寄存器中，运行情况可以使用PC 机进行实时的监视。

主程序流程如图4.1所示。

图4.1 主程序流程图
4.2 堆垛机初始化/归位程序
在上图中，堆垛机的控制系统每次重新通电后，首先执行初始化程序。

堆垛机初始化程序主要是让是让货叉机构、垂直机构、水平机构及各个寄存器和计数器等复位，如果复位过程中电机发生故障或者发生机械故障，则等待处理处理完后再复位完成。

堆垛机初始化程序如图4.2所示。

图4.2 堆垛机初始化和归位程序4.3 自动方式下的堆垛机运行控制
实行自动存货任务的条件是堆垛机位于原位，堆垛机货叉上必须有货。

操作开始首先在PC机的监控界面上输入存货任务货位的列、层及左右，按下存货按钮，其次按下运行，系统开始执行存货任务。

货叉在中位，堆垛机向指定货位运行，到达指定货位之后检测目的货位有没有货，如无货堆垛机向入库目的货位伸叉，伸叉到限位后货叉下降，将货物存好后收叉回到中位，最后载货台回到0层，堆垛机返回到原点位待命，等待下一次任务。

出库的任务顺序与入库的任务顺序类似，如图4.3所示。

图4.3 出库/入库作业流程图
5 立体仓库组态监控系统设计
自动化仓库监控系统主要完成以下几项工作：对系统中的各种运作设备的状态进行实时监视；对物流实施过程中的各种设备或装置进行实时控制；与下位执行设备进行通信，控制设备的运行等。

5.1 监控系统建立的步骤
在博途软件里建立WinCC组态系统编制大致按照如下步骤：
（1）硬件组态：创建一个新的项目，双击设备与网络，选择“创建新项目”，输入项目名称，选择“组态设备”。

（2）选择控制器CPU的型号：CPU1214DC/DC/Rly，订货号6ES7 214-1HG40-0XB0，V4.1版。

September 2019（3）在CPU模块的左端加上CM1214(RS485)两个模块，在扩展板的右边加上扩展的DI和DI/DO模块和模拟量AI/AQ 模块。

（4）建立软件里上位机和PLC通讯用的PC station站上边加上IE通讯网卡、WinCC软件、电脑的PC/PG接口的网卡和TC/IP地址的设置。

（5）PN/IE通讯链接。

（6）建立程序和组态所需的变量，建立变量表如图5.1
所示。

图5.1 建立变量表
（7）建立组态画面
首先根据现场实际情形绘制、画出界面的主要框架接着在各个界面里绘制各种图形即绘制画面，其次为系统中绘制的所有画面对象简历HMI变量即建立动画连接，是其与PLC 通信上，最后将所有设计完成的对象的各种属性的设置等
等。

系统主界面如图5.2所示。

图5.2 系统主界面
（8）货架主视图/手动操作界面
绘制所得的监控界面需贴切实际现场的情况，能显示货位占用情况、显示堆垛机的前进、后退，货台的上升、下降等情况，并支持手动出库操作。

在视图中，货物可以通过程序里每个货位定义的寄存器的值用“可见性”来实现，当该货位对应的寄存器为1时货品存在，为0则表示不存在；界面里的堆垛机的运动是用“直接移动”来实现，PLC程序里的寄存器打的值对应着移动多少的距离。

界面里定义的有开关图形、和按钮图形、字符I/O域、符号I/O域、界面与界面之间的跳转指令以及登录账户名的设置等等，以上根据现场功能添加的。

运行状态界面如图5.3所示。

图5.3 运行状态界面
（9）故障状态界面
故障状态界面主要功能为显示报警的状态，其中无色代表无报警，红色代表有报警。

报警出现时可直接用软件复位能调节的故障的话可以切换到主界面对一些非硬件故障进行复位。

图中的报警是认为给的故障信号，看报警监控表能不
能正常显示。

故障状态如图5.4所示。

图5.4 故障状态表
6 结论
针对堆垛机的速度与精度等各项要求，依据设计立体仓库的相关要求，对堆垛机自控系统进行了设计。

简单介绍了系统的通信协议和方式，也设置了安全方面的保护措施。

设计了在不同工作方式下的系统控制流程图，应用“博途”编程软件编写了PLC控制程序，简化了程序，缩短了扫描周期，提高了系统的执行效率。

用WinCC设计监控系统，通过PC机的监控画面，可以更直接、更全面地得到仓库内各个机构的运行、存储及故障报警等信息。

参考文献（略）作者简介
黄丽丽（1984-）女 工学硕士 讲师 研究方向：电气自动
化设备检测。