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码垛生产线物流控制系统设计
The design of palletizing line logistics control system
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XIE Jin1，ZHANG Wei1，JIN Jie-feng2，LOU Xiang-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：A
0 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。
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。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。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WinCC Flexible完成对监控画面的绘制。最后对系统进行联机仿真调试。
1 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。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S7-300 PLC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机构动作。
码垛生产线物流控制系统架构如图3所示。

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
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CPU 315-2 PN/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1 I/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

3 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。

图6 整列控制程序框图

图7 栈板供给控制程序框图
4 人机界面组态软件设计与实现
WinCC flexible 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。本次设计使用WinCC flexible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WinCC flexible项目
通过在STEP7的SIMATIC Manager中创建HMI 站，创建集成在STEP7中的WinCC flexible项目。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PLC I/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。

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STEP 7软件后，则可以将WinCC flexible与STEP 7集成在一起。集成的优点在于集成组态期间，可以访问用STEP 7组态PLC时所创建的STEP 7组态数据，使变量的访问更加方便。并且使用STEP 7中的S7-PLCSIM仿真软件，可以和WinCC flexible中的仿真软件WinCC flexible Runtime进行通信，这样可以进行联合调试和仿真程序。
打开S7-PLCSIM，由于系统仿真基于TCP/IP的S7通讯，因此设置PG/PC接口为“PLCSIM（TCP/IP）”，在项目中的选项（Options）-- Set  PG/PC  Interface 中选择“PLCSIM（TCP/IP）”。用STEP7软件SIMITIC Manager的菜单命令“PLC”—“Download”,把程序下载到中仿真器中。打开WinCC flexible菜单中“项目”—“编译器”—“启动运行系统”。在PLCSIM中，选择PLC工作方式为“RUN”，按照系统实际对系统进行模拟，程序运行情况可以直观地在WinCC flexible Runtime中展示出来，（如图15所示）。

图15 系统联机仿真画面
6 结束语
文章针对码垛生产线物流控制系统的设计，采用西门子PLC作为系统控制核心，西门子触摸屏作为人机交互界面完成了系统自动化控制。经过反复调试后，已在娃哈哈实际生产线上得到了示范应用，目前在生产速度为700箱/小时的码垛生产线上可以很好的配合码垛机器人完成码垛任务，并且每条生产线。顺利通过了连续72小时无故障运行及公司设备工程部的验收，工作站长时间试运行下来，平均无故障时间MBTF超过了1000小时。达到了企业以示范应用为突破口，提高企业自动化的程度，减轻工人劳动强度，节约人力资源成本的目的。

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作者简介：
谢晋（1988- ），男，学生，硕士，主要从事机电控制方向的研究。电话：[phone]。E-mail： XmyJ13@

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)
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