S7-1500在物流輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用

馮鐵 高明強(qiáng)

（遼寧科技大學(xué) 鞍山）

Application of S7-1500 in logistics transportation system

［摘要］ 本文介紹了西門子SIMATIC S7-1500系列產(chǎn)品在物流輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用，涉及系統(tǒng)構(gòu)成、設(shè)備選型和完成功能。S7-1500與G120變頻器、SCALANCE X交換機(jī)和TIA Portal軟件等產(chǎn)品共同構(gòu)建的自動(dòng)化平臺(tái)，完成對(duì)成件物品的輸送、分揀、存儲(chǔ)和開拆等功能，實(shí)現(xiàn)了物流系統(tǒng)的自動(dòng)連續(xù)輸送。

［關(guān)鍵詞］ 物流輸送系統(tǒng)、推掛機(jī)、TIA Portal、SCL語(yǔ)言

［Abstract］ This paper introduces the application of SIEMENS SIMATIC S7-1500 series products in the logistics conveyor system,including system composition,equipment selection,and completion function.S7-1500 and G120 converter,SCALANCE X switch,TIA Portal software and other products work together to build the automation platform to complete the conveyor,sorting,storage,opening of the bags,and realize the automatic continuous transportation of the logistics system.

［Key Words］ Logistics Conveyor system、suspended conveyor、TIA Portal、SCL

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

推式懸掛輸送機(jī)（簡(jiǎn)稱推掛機(jī)）是一種自動(dòng)化程度很高的機(jī)電一體化傳輸設(shè)備，在閉合循環(huán)的空間內(nèi)由牽引鏈條推動(dòng)夾持成件物品的夾鉗小車，按照工藝流程要求的輸送線路，通過控制夾鉗小車的入軌、停放、出軌以及升降機(jī)的升降等，完成對(duì)成件物品的輸送、分揀、存儲(chǔ)、開拆、卸袋和空鉗回收等功能，實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)的自動(dòng)連續(xù)輸送。

由推掛機(jī)構(gòu)成的物流輸送系統(tǒng)，具有輸送連續(xù)、自動(dòng)分揀及充分利用空間節(jié)省占地面積等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車、郵電、電子、化工和食品等行業(yè)的自動(dòng)化大生產(chǎn)流水作業(yè)。從上世紀(jì)70年代起，推掛機(jī)作為一種傳輸設(shè)備逐步應(yīng)用在郵政部門的包裹開拆、分揀和郵件轉(zhuǎn)運(yùn)等作業(yè)中，目前已成為我國(guó)郵政樞紐中郵袋轉(zhuǎn)運(yùn)、存儲(chǔ)作業(yè)和開拆作業(yè)中主要的機(jī)械傳輸設(shè)備。此系統(tǒng)在武漢、北京和廈門等地郵政系統(tǒng)中都有成功應(yīng)用。

遼寧科技大學(xué)是西門子自動(dòng)化教育合作項(xiàng)目（SCE）的300所高校之一，引入多套多類西門子自動(dòng)化教學(xué)設(shè)備，通過與西門子公司在師資培訓(xùn)、工程教育和學(xué)生競(jìng)賽等方面的合作，推動(dòng)了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的實(shí)施。在遼寧科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心的建設(shè)規(guī)劃之初，物流分揀系統(tǒng)作為特色教學(xué)設(shè)備獲批新建，用以教學(xué)和科研使用。

此系統(tǒng)中的機(jī)械設(shè)備在保留原功能的基礎(chǔ)上，規(guī)模有所縮小，以適用于場(chǎng)地和教學(xué)；控制系統(tǒng)采用西門子公司新一代的控制器SIMATIC S7-1500和SINAMICS G120變頻器，以與已購(gòu)置的其他教學(xué)設(shè)備構(gòu)成西門子全系列PLC教學(xué)體系，如圖1、圖2所示。

圖1 物流輸送系統(tǒng)全貌

圖2 物流輸送系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

二、物流輸送系統(tǒng)構(gòu)成

物流輸送系統(tǒng)分為兩大區(qū)域：存儲(chǔ)區(qū)（8條軌道+1條收容軌）和開拆區(qū)（3條軌道），由驅(qū)動(dòng)裝置、牽引鏈條、夾鉗小車、進(jìn)軌道岔及道岔控制器、停放器、出軌道岔、開拆升降機(jī)等機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)組成，如圖3所示。

驅(qū)動(dòng)裝置是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，采用履帶式驅(qū)動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)鏈和導(dǎo)向板等組成，驅(qū)動(dòng)鏈上的推爪從兩邊推動(dòng)牽引鏈條的導(dǎo)向輪，使?fàn)恳湕l運(yùn)行。鏈條運(yùn)行采用西門子公司的G120變頻器調(diào)速，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)裝置的平穩(wěn)起動(dòng)和變速。驅(qū)動(dòng)裝置另一重要作用是向PLC控制系統(tǒng)發(fā)出同步信號(hào)，用來(lái)控制系統(tǒng)中所有的道岔控制器、停放器等執(zhí)行部件的動(dòng)作時(shí)間，并起到過載保護(hù)作用。

牽引鏈條是在封閉軌道里運(yùn)行的牽引構(gòu)件，由主推頭、副推頭、承載輪和導(dǎo)向輪等組成，是系統(tǒng)輸送功能的具體執(zhí)行裝置。主推頭的作用是推動(dòng)夾鉗小車行走，副推頭的作用是阻止因夾鉗小車在行走時(shí)產(chǎn)生的慣力或下坡時(shí)產(chǎn)生的下滑力使夾鉗小車前沖，將夾鉗小車約束在主、付推頭之間,隨牽引鏈條一起行走,使小車間隔保持在一定的范圍內(nèi)。

夾鉗小車是推掛機(jī)攜帶、運(yùn)載郵袋的工具，由滾輪、吊桿、鉗體和活動(dòng)夾爪等組成，由牽引鏈條上的主推頭推動(dòng)沿著軌道運(yùn)行，來(lái)完成運(yùn)載郵袋工作。

進(jìn)軌道岔是輸送系統(tǒng)的重要部件，其作用是將夾鉗小車由一條牽引鏈條軌道按系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)入另一條指定的軌道上。進(jìn)軌道岔是靠道舌板轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成夾鉗小車轉(zhuǎn)向的，道舌板轉(zhuǎn)向是靠道岔控制器拉動(dòng)完成的?？刂葡到y(tǒng)通過控制道岔控制器動(dòng)作，將郵袋輸送到指定軌道，完成郵袋的分揀。

圖3 物流輸送系統(tǒng)平面圖

停放器是在控制系統(tǒng)的控制下，使夾鉗小車在軌道上定點(diǎn)停車和定點(diǎn)釋放的機(jī)構(gòu)，安裝在無(wú)牽引、有一定坡度的承載軌道上，與出軌道岔配合完成夾鉗小車軌道的交換。

出軌道岔是推掛機(jī)輸送線路上重要的部件，它的作用一般是在停放器控制下，根據(jù)開拆區(qū)的要袋需求和要袋種類，控制夾鉗小車通過停放器，送往開拆區(qū)。

開拆升降機(jī)位于開拆區(qū)，采用螺桿結(jié)構(gòu)形式，由電動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過輸送帶傳遞到螺旋傳動(dòng)裝置，使螺桿上、下運(yùn)動(dòng)，通過剪式桿放大運(yùn)動(dòng)行程帶動(dòng)升降軌上、下運(yùn)動(dòng)。操作人員按下降按鈕，升降軌下降到合適高度后停止進(jìn)行郵袋的開拆作業(yè)；開拆作業(yè)后，操作人員按上升按鈕，升降軌上升，由限位開關(guān)控制，升降軌與進(jìn)、出軌對(duì)接，夾鉗小車與釋放板擋桿脫離，滑出升降軌道，通過檢測(cè)開關(guān)處，檢測(cè)開關(guān)發(fā)出信號(hào)/停放器再送出下一個(gè)夾鉗小車，周而復(fù)始作業(yè)。

三、控制系統(tǒng)構(gòu)成

物流輸送系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由PLC控制站、工程師站、操作員站及通信網(wǎng)絡(luò)組成，如圖4所示。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)方案時(shí)，完全摒棄此前在各地郵政系統(tǒng)中的應(yīng)用案例，考慮我校是西門子公司教育合作高校，首選西門子公司的控制系統(tǒng)；同時(shí)，為與我校其它教學(xué)設(shè)備構(gòu)成西門子全系列PLC教學(xué)體系，兼顧系統(tǒng)的先進(jìn)性，控制系統(tǒng)決定采用西門子公司的SIMATIC S7-1500及SINAMICS G120變頻器、SCALANCE X 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等其他控制產(chǎn)品。

圖4 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.PLC控制站

按物流輸送系統(tǒng)區(qū)域的劃分，控制系統(tǒng)設(shè)置3個(gè)PLC控制站：存儲(chǔ)區(qū)站、中間區(qū)站和開拆區(qū)站，負(fù)責(zé)各自區(qū)域內(nèi)設(shè)備的信息檢測(cè)和自動(dòng)控制。

控制站采用西門子公司的SIMATIC S7-1500控制器，CPU型號(hào)為CPU 1513-1 PN，其卓越的性能和出色的可用性非常適合項(xiàng)目的要求：

1）響應(yīng)快速：物流輸送系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置配有同步信號(hào)發(fā)生器，控制系統(tǒng)需要通過檢測(cè)其發(fā)出的大、小同步信號(hào)，去跟蹤?quán)]袋在輸送過程中的行進(jìn)位置，完成對(duì)道岔控制器的精確控制，對(duì)郵袋的分揀功能而言是非常重要的設(shè)備。同步信號(hào)的響應(yīng)處理時(shí)間直接關(guān)系到項(xiàng)目的成敗，因此對(duì)控制器的性能有著較高的要求，要求控制系統(tǒng)具有快速響應(yīng)能力。SIMATIC S7-1500控制器提供更快速的信號(hào)處理方式，以縮短響應(yīng)時(shí)間，提高生產(chǎn)能力，CPU 1513位運(yùn)算處理時(shí)間為40ns，字運(yùn)算處理時(shí)間為48ns，完全可以滿足控制上的要求。

2）通信網(wǎng)絡(luò)：SIMATIC S7-1500控制器集成了PROFINET通信接口，其開放性易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，3個(gè)PLC控制站之間以及與SIMATIC G120變頻器、3臺(tái)工程站和1臺(tái)操作員站完成高精度、高傳輸速率的信息交互。PROFINET網(wǎng)絡(luò)保證了系統(tǒng)通信的無(wú)縫整合和高效協(xié)調(diào)。

3）TIA Portal：編程和監(jiān)控軟件采用TIA Portal工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域新一代工程設(shè)計(jì)軟件，TIA Portal集成了SIMATIC Step7和SIMATIC WinCC，提供了直觀、高效、可靠的程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和診斷環(huán)境。

2.變頻器

變頻器安裝于開拆區(qū)的鏈條起制動(dòng)控制箱內(nèi)。鏈條起制動(dòng)控制箱用以控制鏈條驅(qū)動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行和停止，采用SINAMICS G120變頻器（CU240E-2 PN控制單元+PM240 功率模塊+智能操作面板 IOP）控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。按照郵政行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鏈條的運(yùn)行速度為每4s一個(gè)推頭距，可以達(dá)到900郵袋/h的掛袋效率。

變頻器的CU240E-2 PN控制單元集成PROFINET通信接口，與存儲(chǔ)區(qū)站PLC進(jìn)行通信，完成鏈條驅(qū)動(dòng)裝置電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定；通過PROFINET接口，使用變頻器調(diào)試軟件 STARTER 可以對(duì) SINAMICS G120 變頻器進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)。

3.工程師站和操作員站

工程師站和操作員站安裝TIA Portal軟件，通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)與3個(gè)PLC控制站通信，分別完成PLC程序的編寫和調(diào)試、HMI畫面的組態(tài)和系統(tǒng)監(jiān)控。實(shí)踐教學(xué)時(shí)，4臺(tái)工作站都可進(jìn)行Step7和WinCC實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的操作。

控制系統(tǒng)主要設(shè)備清單見表1。

表1 控制系統(tǒng)主要設(shè)備清單

四、控制系統(tǒng)功能

此物流輸送系統(tǒng)針對(duì)郵政系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐大批量郵袋流水作業(yè)的需求，采用機(jī)電一體化的輸送設(shè)備——推掛機(jī)，由其控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各類傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息處理和分析判斷，根據(jù)邏輯和算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果，驅(qū)動(dòng)電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制夾鉗小車按工藝流程要求的輸送線路通過停放器、入軌道岔、出軌道岔和開拆升降機(jī)等指定位置，完成對(duì)郵袋的批量輸送、分類存儲(chǔ)和要袋開拆等功能，如圖5所示。

圖5 物流輸送系統(tǒng)工藝流程圖

下面對(duì)控制系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行闡述：

1.分類識(shí)別

郵袋分為快件（A類）和普件（B類），快件較普件具有優(yōu)先處理級(jí)別，因此控制系統(tǒng)必須先對(duì)郵袋的種類進(jìn)行識(shí)別，然后進(jìn)行分類存儲(chǔ)和按類別開拆。分類識(shí)別是控制系統(tǒng)的重要功能，是系統(tǒng)其他功能實(shí)現(xiàn)的前提。

分類識(shí)別是通過人工手持掃碼槍對(duì)郵袋附有的條形碼進(jìn)行掃描，由高級(jí)語(yǔ)言編寫的條碼識(shí)別系統(tǒng)對(duì)條形碼信息進(jìn)行處理：掃描的條形碼信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的條形碼信息進(jìn)行查找比較，確定該郵袋類別（A類或B類），然后通過TCP/IP Socket 通訊，將類別數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)根據(jù)郵袋的類別，將郵袋輸送到存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，如圖6所示。

圖6 條碼識(shí)別系統(tǒng)

在高級(jí)語(yǔ)言中，通過以下指令建立與PLC系統(tǒng)的通信連接：

郵袋類別數(shù)據(jù)傳送：

在PLC系統(tǒng)中，TIA Portal軟件及S7-1500的功能非常強(qiáng)大，使其與高級(jí)語(yǔ)言的通信變得簡(jiǎn)單易行，提供TRCV_C指令，通過以太網(wǎng)接收來(lái)自條碼識(shí)別系統(tǒng)的郵袋類別數(shù)據(jù)；并通過比較指令判斷接收數(shù)據(jù)值，值為1郵袋為快件（A類），值為2則郵袋為普件（B類），從而實(shí)現(xiàn)郵袋分類識(shí)別功能，如圖7所示。

圖7 條碼識(shí)別系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)通信

2.選擇軌道及入軌

存儲(chǔ)區(qū)共有8條軌道，即將進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)軌道的在途郵袋，根據(jù)其類別（A類或B類）依次從第1～8軌道進(jìn)行尋軌，選擇其要進(jìn)入的軌道，條件是類別相同，且軌道未滿（掛袋數(shù)<20且滿軌檢測(cè)開關(guān)OFF），確定后標(biāo)記其要進(jìn)入的軌道號(hào)。

A類郵袋選擇軌道的SCL語(yǔ)言示例程序如下：

PLC系統(tǒng)通過檢測(cè)大、小同步信號(hào)，實(shí)時(shí)跟蹤存儲(chǔ)區(qū)入軌前在途郵袋的行進(jìn)位置，并根據(jù)其選定的軌道號(hào)，去控制相應(yīng)的道岔控制器動(dòng)作，在郵袋行進(jìn)至道岔控制器位置時(shí)，自動(dòng)打開道岔，使郵袋進(jìn)入到指定的存儲(chǔ)區(qū)軌道。

通過選擇軌道和入軌，實(shí)現(xiàn)了郵袋的分類存儲(chǔ)功能。以往在郵政系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，只能用梯形圖編程，復(fù)雜的循環(huán)使程序量很大且繁瑣；而S7-1500支持SCL編程語(yǔ)言，在TIA Portal軟件中使用SCL語(yǔ)言編程，使程序邏輯清晰，易于編程和調(diào)試，極大縮短了程序開發(fā)周期，使項(xiàng)目提前竣工。

五、項(xiàng)目運(yùn)行

物流輸送系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到安裝、調(diào)試，歷時(shí)6個(gè)月，于2016年6月通過驗(yàn)收。作為我校的特色教學(xué)設(shè)備，保留了原系統(tǒng)的所有功能，并于2016年秋季學(xué)期開始投入教學(xué)使用，針對(duì)全校不同專業(yè)的學(xué)生，分別進(jìn)行設(shè)備演示和機(jī)械、電氣、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)的綜合工程能力訓(xùn)練，至今已2年時(shí)間，學(xué)生開拓了視野、學(xué)習(xí)了知識(shí)、提高了能力，并多次在“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽上獲獎(jiǎng)，取得了良好效果，如圖8、圖9所示。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控畫面

圖9 教學(xué)應(yīng)用

六、應(yīng)用體會(huì)

1）作為新一代控制器，SIMATIC S7-1500控制器的性能卓越，功能強(qiáng)大，滿足項(xiàng)目對(duì)響應(yīng)速度和精確控制的要求。

2）TIA Portal軟件的通訊指令非常豐富，使PLC間通信和與高級(jí)語(yǔ)言通信變得更加簡(jiǎn)易，極大地縮短了項(xiàng)目開發(fā)周期。

3）TIA Portal軟件提供的SCL語(yǔ)言，非常適合復(fù)雜的循環(huán)嵌套控制邏輯編程，程序簡(jiǎn)潔，極大地減少了程序量和變量資源，而且程序邏輯非常清晰。

參考文獻(xiàn)

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