码垛生产线物流控制系统设计

基金项目：高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(编号:2011ZX04013-011)1码垛生产线物流控制系统设计Thedesignofpalletizinglinelogisticscontrolsystem谢晋1，张伟1，金杰峰2，楼向明2XIEJin1，ZHANGWei1，JINJie-feng2，LOUXiang-ming2（1.中国计量学院机电工程学院，杭州310018；2.杭州娃哈哈研究院，杭州310009）摘要:文章针对娃哈哈公司的码垛生产线，设计了一套以西门子PLC为控制核心，采用西门子人机界面作为人机交互工具的物流控制系统。该系统实现了产品整列控制、栈板输送控制、系统的实时监控等功能。从系统总体结构、控制系统硬件设计、控制系统软件设计、人机交互界面等方面进行了详细的介绍。经过调试测试投入运行后系统运行可靠、参数设置简便、监控界面明晰，为企业提高生产效率、改善劳动条件、优化作业布局做出了贡献。关键词：码垛生产线；物流；PLC；人机交互界面中图分类号：TP278文献标识码：A0引言所谓码垛就是按照集成单元化的思想，将一件件的物料按照一定的模式堆码成垛，以便使单元化的物垛实现物料的存储、搬运、装卸运输等物流活动1。码垛生产线物流系统属于一种集成化的系统，其应用的数量和质量标志着企业生产自动化的先进水平2。在我国食品、医药、化工、物流等劳动强度大、生产量大、工伤事故率高的行业规模化成型产品物流生产线的应用还几为空白3。企业对车间级自动化物流生产线的需求表现出非常旺盛的态势，因此具有较大的市场空间。文章介绍的是一套基于PLC控制的码垛生产线物流控制系统。实现对娃哈哈306×243×172mm（长×宽×高）280ml营养快线，430×219×92mm（长×宽×高）125ml小爽歪歪，387×264×120mm（长×宽×高）200ml大爽歪歪三种产品的码垛。首先根据具体工艺过程分析出控制要求制定出整体的控制系统框架。其次，使用西门子STEP7对系统进行硬件组态，采用模块化的软件设计方法使用梯形图和语句表编写系统控制程序。使用WinCCFlexible完成对监控画面的绘制。最后对系统进行联机仿真调试。基金项目：高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(编号:2011ZX04013-011)21系统总体结构介绍物流控制系统对码垛生产线功能的实现及作业性能的保障起着至关重要的作用2。码垛生产线的物流装置可分为整列和栈板供给两个功能模块，由同一控制系统控制运行。图1和图2分别为码垛生产线物流系统整列部分机械结构图和码垛部分机械结构图。图1整列部分机械结构图图2栈板供给部分机械结构图系统采用了西门子S7-300PLC作为控制器，CPU为315-2PN/DP。以西门子KTP1000触摸屏作为操作屏，触摸屏与PLC之间采用以太网通讯。系统各电机均由变频器驱动，采用丹佛斯VLT-2800系列。变频器均由PLC通过Profibus-DP总线控制。除电机外，其它诸如箱子转向、推箱升降、栈板夹持等动作采用气缸驱动，由PLC通过点对点的方式直接控制电磁阀的动作实现。另有各个开关按钮作为操作装置，光电开关和接近开关作为检测器件，由电磁阀和气缸驱动相关基金项目：高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(编号:2011ZX04013-011)3机构动作。码垛生产线物流控制系统架构如图3所示。上位机EthernetPLCProfibus-DP上位机变频器电机变频器电机直道输送带拉距机转向输送带整列输送带推向机构堆放区供给区板仓升降机构码垛区完成区图3码垛生产线物流控制系统架构图2控制系统硬件设计根据工程项目要求，控制系统的硬件模块选择与配置如图4所示图4硬件模块选择与配置基金项目：高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(编号:2011ZX04013-011)4在导轨2号槽位置安装CPU模块。由于控制系统中有以CPU作为主站和变频器作为从站的PROFIBUS-DP网络。并且触摸屏与PLC之间采用以太网通讯。因此选择同时集成了以太网接口和PN端口的CPU315-2PN/DP以满足系统需要。本项目不需要拓展机架，所以3号槽空出不安装模块。从4号槽开始安装I/O模块。根据系统控制要求，系统中需要的数字量输入共有51个，数字量输出有13个，无模拟量输入输出。考虑到今后的调整和扩充加上10%—15%的备用量。因此在4、5两槽各配置一块32点的数字量输入模块SM321，在6槽配置一块32点的输出模块SM322。所有模块的地址均采用系统默认地址。将I/O模块的地址分配给机器人码垛生产线上的传感器和执行器。输入/输出地址如表1所示。表1I/O分配表输入功能输出功能I0.0~I0.1急停，主机手动/自动Q0.0拉距机抱闸I0.2~I0.3主机启动与停止Q0.1推箱机构抱闸I0.4~I0.6整列手动/自动，整列启动，整列停止Q0.2栈板供给区抱闸I0.7~I1.0推箱前进与后退Q0.3板仓升降抱闸I1.1~I1.2推箱上升与下降Q0.4码垛区抱闸I1.3~I1.5转向顶出，转向退回，板仓手动/自动Q0.5主机启动指示灯I1.6~I1.7栈板输送带启动垛输送带启动Q0.6~Q0.7备用I2.0~I2.3板仓上升，板仓下降，夹臂松开，夹臂夹紧Q1.0转向进出I2.4~I2.5抓取完成，码垛完成Q1.1推箱升降I2.6~I2.7机器人运行与故障Q1.2夹臂松紧I4.0~I4.1直道1检测，直道2检测，弯道检测Q1.3备用I4.3~I4.4拉距机计数，整列计数Q1.4整列启动指示灯I4.5~I5.0抓取区检测，栈板堆放区检测Q1.5~Q1.7备用I5.1~I5.2栈板供给区上检测与下检测Q2.0~Q2.7备用I5.3~I5.4码垛区前检测与后检测Q3.0启动信号I5.5~I5.6垛完成区检测，垛输出区检测Q3.1整列完成I6.0~I6.2推箱机构前、中、后限位Q3.2铲板到位I6.3~I6.5板仓上、中、下限位Q3.3~Q3.7备用I7.0~I7.1整列区箱位正常检测与异常检测I7.2~I7.3推箱升起位置与落下位置I7.4~I7.5左夹臂松开位置与夹紧位置I7.6~I7.7右夹臂松开位置与夹紧位置基金项目：高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(编号:2011ZX04013-011)53控制系统软件设计3.1整列部分系统控制要求文章以125ml小爽歪歪为例，完成对整列部分系统控制要求的分析，控制要求如下：图5小爽歪歪整列方式小爽歪歪整列方式如图5所示，整列装置一次整理好两排，即半垛。小爽歪歪进入整列区域前均为纵向进入。（1）整列第一排3箱不用转向，第二排6箱需要转向。箱体进入拉距机时，开始计数。（2）箱体进入转向输送机后，转向轮缩回，成品直接通过，进入整列装置。（3）箱体进入整列装置后，开始排队，当进入3箱时，拉距机暂停，3箱挤紧后，推箱机构动作，将第一排推到要求位置。（4）第一排到位后，拉距机开动，推箱块缩回，推箱机构回到原位后推箱块再伸出。（5）整理第二排。第4箱进入转向输送机时，转向轮移出，成品转向，进入整列装置后，开始排队计数，当进入6箱时，拉距机暂停，6箱挤紧后，推箱机构动作，将第二排推到位。（6）半垛排好后，拉距机暂停，等半垛被抓走后，再开始下一个工作循环。3.2栈板供给部分系统控制要求（1）当叉车将空栈板整齐堆放在栈板输送带上时，输送带启动，将栈板送至栈板释放位，栈板托架气缸动作，托架抓住第二层栈板，释放电机转动，第二层及以上栈板上升，第一层栈板释放。（2）栈板输送带启动，将栈板送至码垛位。第一层离开后，释放电机动作，第二层及以上栈板下降至输送带，栈板托架打开后上升，进入下一循环。（3）栈板在码垛位定位后，机器人码垛。码垛结束后，输送带启动，将成基金项目：高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(编号:2011ZX04013-011)6品垛运至卸垛位，等待叉车将成品垛转运走。3.3程序框图设计明确码垛生产线物流装置的控制要求后，通过以PLC为核心的软件设计和编程实现。整列和栈板供给的程序框图分别如图6和图7所示。开始启动按键输送带启动进箱计数箱体需转向转向机构伸出转向机构退回进箱计数完成输送带停止推向动作进箱次数加一进箱次数达到设定值给出整列完成信号停止按钮抓取完成是是是否否是结束是否否否是否图6整列控制程序框图开始启动按键是供给区无栈板将栈板送入供给区码垛区无栈板输送一块栈板到码垛区给出栈板到位信号码垛完成停止按键将垛输出至完成区结束是是否是否否否否是图7栈板供给控制程序框图基金项目：高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(编号:2011ZX04013-011)74人机界面组态软件设计与实现WinCCflexible简单、灵活、高效易于上手，使自动化过程更加透明，组态更加简单，反应更加迅速。即使在复杂环境下也能确保可靠的信息交换[4]。本次设计使用WinCCflexible软件对底层设备和生产过程进行监控，并对系统运行中出现的问题进行报警。利用该软件设计的码垛生产线物流监控系统实现了人机交互。4.1在STEP7中集成WinCCflexible项目通过在STEP7的SIMATICManager中创建HMI站，创建集成在STEP7中的WinCCflexible项目[7]。将S7-300PLC与触摸屏设置同一网段的IP地址，建立连接。4.2创建变量根据系统中各元件对应的PLCI/O地址（如表1）组态画面，通过变量和动态元件交换输入数据和过程值。如图8所示为项目部分变量图8部分变量4.3离散量报警组态由于变量已经创建，且系统只有离散量故只需组态离散量报警。在“离散量报警器”中，双击空白行，自动添加新的离散量报警，如图9所示。同时组态该条离散量报警的属性，包括输入报警文本，指定变量类别，确定触发变量以及改变变量的触发位。基金项目：高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(编号:2011ZX04013-011)8图9组态离散量报警4.4画面组态及功能在设备设置中设置系统初始界面，设置操作级权限，确保设备运行时的安全。根据系统要求创建画面。监控系统创建的画面包括起始画面、生产线参数设置与监控画面、进箱参数设置画面、报警历史画面。图10控制系统起始画面图11参数设置与监控画面操作面板上按F1，则触摸屏显示控制系统起始画面，如图9所示。按F2，触摸屏上显示参数设置与监控画面，如图11所示。该页面主要用于设置各段输送带和动作机构电机的运行速度，设置进箱延时值和转向延时值，显示各检测信号的状态。在系统停止状态下，点击各输入框即可输入相应参数。页面左下角显示了当前拉距进箱计数值、整列进箱计数值和整列次数值。若传感器计数出错，则可以长按“×”1秒钟，将当前值清零。当某个检测传感器有信号时，对应的“○”将变为绿色。按F3，触摸屏显示进箱参数设置画面，如图12所示。该页面可以设置进箱次数，每次进箱数量以及每个箱子是否需要转向。系统停止状态下，点击相应输基金项目：高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(编号:2011ZX04013-011)9入框即可输入进箱次数值和进箱数量值。“设置值”栏显示了当前每个箱子设置的转向状态。图12进箱参数设置画面图13报警历史画面按F4，触摸屏显示报警历史画面，如图13所示。系统出现过的报警信息可在此页面查到，并可以确认相应的报警。系统出现报警时，触摸屏顶部将显示相应的提示信息，而右下角将显示报警指示。点击“确认”可以确认相应的报警，点击“报警指示器”则可以弹出或隐去报警显示框。4.5配方组态由于码垛物流生产线要完成对三种不同产品的整列，因此每一种产品对应一个配方。首先定义配方所需使用的元素，这其中包括各段电机的转速，进箱次数，进箱数量，转向模式等。在配方编辑器中，将配方元素和相应变量关联起来。在数据记录页中创建三种产品的数据记录，并在数据记录中设置每种产品对应的生产要素数据，如图14所示。这样就创建了名为“进箱参数”的配方。操作人员在实际生产中可以针对不同产品选择相应的数据记录。图14定义配方数据记录5系统联机仿真用西门子的PLC，安装