西门子,,堆垛机(一)
基于西门子PLC的自动化立体仓库堆垛机控制系统设计
基于西门子PLC的自动化立体仓库堆垛机控制系统设计
作者：哈贵庭
来源：《电子世界》2013年第03期
【摘要】自动化立体仓库是建立在计算机管理技术、自动化控制技术和机械制造设计技术三者的基础上，它具有独立完成仓库物流作业的能力，准确的将货物运送至存取地点，并科学管理仓储信息，因而它是促进现代物流进程的关键。自动化立体仓库堆垛机控制系统主要由计算机管理系统、高层货架和堆垛机三部分组成，本文针对其结构和工作流程进行了简单的介绍，并着重讲述了各子系统的硬件、软件设计，以促进自动化立体仓库堆垛机控制系统在现代物流仓管中的运用。
【关键词】自动化立体仓库系统；西门子；PLC
1.前言
现代物流技术和自动化技术的不断发展衍生了各种物流产品，立体仓库就是针对物流仓储常用的一种，立体仓库作为自动化技术的产品，它综合了自动控制技术与计算机管理技术，借助堆垛机对货物实现存取操作，自动化立体仓库堆垛机不仅具有存取货物的功能，它还能对货物进行分类、分拣、计数和配送等操作。自动化立体仓库主要由计算机控制系统、自动化堆垛机和高层货架三部分组成，多个功能子系统共同构成了物流仓储的信息系统。随着客户对物流信息化要求增高，切实掌握仓储情况及时更新仓储信息成了现代物流信息化的重要因素，为了提高物流信息的可靠性和实时性，我们必须保证立体仓库系统具有正常作业和信息统计功能。除此之外还需提高立体仓库系统的柔性化，在系统中融入条形码扫描技术和射频计数等采集货物信息的技术，以满足现代物流自动化需求。
2.自动化立体仓库系统设计【西门子,,堆垛机】
从图1可看出自动化立体仓库主要包括计算机控制系统、自动存取设备和高层货架三个部分，另外它还具有整合子系统收集整理信息等功能。自动化立体仓库由多个环节综合而成，在多方面因素的相互作用下其过程相对复杂，因而构建自动化立体仓库，首先需了解各个组成部分的特性和相互作用。计算机控制系统即人机交互界面，通过它操作人员可对立体仓库的运作进行控制和监视，另外货物存储和物流作业安排都是由控制系统负责；高层货架与传统的货架区别在于利用货物的层叠扩展和延伸储存空间，科学有序的安置不仅使得货物分类明确，同时也降低了管理难度；自动存取设备是执行任务的主要工具，作为仓储作业的主要劳动力，它决定了物流仓储的工作效率，提高立体仓库运行效率的关键就在此。如图1所示为自动化立体仓库系统构成图。
自动化立体仓库与周边设备的位置呈星形拓朴模式，自动化立体仓库系统主要由堆垛机工控系统、计算机上位机WMS软件系统、转轨车工控系统、地面主柜工控系统和AGV工控子系统五部分组成。WMS是自动化立体仓库管理系统的软件，该系统属于常见的数据库应用软件系统。由于该软件是按照标准化设计的，因而在货物控制和管理中具有很强的相似性，因此可将它作为企业ERP系统的一个子模块，主要负责两者的数据交汇。相对应用系统而言，针对不同的项目堆垛机的设置需严格按照要求定制，对工控系统而言除了在功率配置上有所不同外，其它工作模式基本类似，因此，采用标准化的软件就可进行设计开发。转轨车的工作原理更加简单，它只需按照设定轨道将货物运行到制定地点，AGV工控系统从上位机上接受任务指令后，负责对货物进行装卸
3.堆垛机工控系统硬件设计
如图3所示堆垛机工控系统包括了计算机控制平台、地面主柜控制系统以及堆垛机控制系统三个部分。堆垛机控制系统本身具有输入输出数字端口(I/0)模块，它主要由三个驱动部分、激光定位单元和保护功能传感器共同组成，通过端口与PLC相连接，接收堆垛机PLC控制器的指令并执行任务。操作人员只需在堆垛机提供的手动控制按钮端口处输入指令，即可实现手动模式。如图2所示为堆垛机工控系统结构框图。
堆垛机工控系统模块配置包括输入地址、输出地址、订货号、固件、MPI地址等信息，其中MPI地址号主要是针对在线调试通讯。另外该系统使用的西门子PLC本身自带现场总线通讯功能，针对不同方向的电机变频器及激光定位装置提供通讯，Profibus总线连接配置需与从机号相对应，保证主机与从机之间的正常通讯。如图3所示为堆垛机工控系统模块配置。 地面主柜控制系统的主控单元采用的是西门子PLCCPU315-ZDP，数据交互则是通过CP343-1Lean无线通讯模块实现计算机主控系统与堆垛机之间的通讯。根据仓储需求地面主柜控制系统需具备液晶显示和操控按钮输入两项功能，通过在线操作实现立体仓库的半自动功。CP343-1Lean无线通讯模块与TCP/IP局域网连接后，操作人员可布置相应的任务，数据通过PC机可直接进行交换，计算机管理系统根据数据引导便可下达相应的指令，由堆垛机执行命令完成任务。
4.堆垛机工控系统软件设计
堆垛机工控系统是由堆垛机控制系统、地面主柜控制系统和计算机上位机软件三部分实现立体仓库的自动化，前两者是建立在PLC基础上，主要针对西门子PLC集成第七步设立的开发环境；后者则是通过visua1C++实现环境开发的，Visualstudio6.0是该软件的主要开发环境。
4.1 堆垛机控制系统软件设计
西门子,,堆垛机(二)
西门子运动控制模块在堆垛系统中的应用
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西门子运动控制模块在堆垛系统中的应用 作者：赵建兴 李海波 王文堂
来源：《中国工业年鉴》2014年第04期【西门子,,堆垛机】
【摘 要】运动控制的设计和应用由来已久，每个生产商都会有一套现成的方案可供选择。本文介绍的是一种采用多个厂家的硬件，经优化组合后性能价格比较高的一种实现。其中重点分析了硬件组态和程序的执行流程。
【关键词】运动控制；FM357-2；NC编程；堆垛机
运动控制是生产工业自动化的重要实现部分，了解和掌握运动控制的知识很有必要。经典的PLC运动控制架构由两种，一种是专用的伺服驱动器加伺服电机，一种是PLC的运动控制模块加电源驱动模块加伺服电机。两种实现各有优缺点，这里就不多分析，而是解析性价比较高的第三种方案：使用运动控制模块加变频器加伺服电机。【西门子,,堆垛机】
一、硬件组态：
西门子运动控制模块FM357-2是S7-300模块中功能最为强大的一种，属于SIMATIC Technology 的一员。它的功能包括高速计数和测量、定位控制、闭环控制、凸轮控制。NC编程支持ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何加工。比如G1代表直线插补，G04代表暂停，G90代表绝对尺寸，G91代表增量尺寸。堆垛机主要用到了定位控制中的两轴圆弧插补连续路径控制和独立轴之间的位置同步控制。FM357-2分三个版本：L、LX、H，堆垛机所用的为LX版，可同时控制四个轴的同步。以下仅以500区2#堆垛机为例，其他堆垛机大同小异。2#堆垛机控制模块FM357-2安装在主站机架上，这样可减少通讯延时。X3～X6测量端口分别连接轴1到轴4的信号，信号来自艾默生SP变频器的SM编码器输出选件接口，由变频器接收520M1、520M2、516M1、516M2的编码器反馈，X2端口分别输出到四个变频器的模拟量速度端子。四个轴的配置如下图，可以看出旋转臂520M1M2电机是两个旋转轴，位于通道1，516M1M2传送带电机是两个线性轴，位于通道2。
二、程序架构：
要在Step7中对FM357-2编程，需要安装FM357-2组态包和FM357-2基本功能库。一般还需要安装一个NC编程的辅助工具NCVar Selector，以代替手工编程，减少出错的几率。NCVar Selector配置文件编译后会生成扩展名为AWL的STL源代码。
当在S7程序中添加基本功能库时，会产生几个不能改变的功能块和数据块。DB15、DB16用于内部数据读写支持；DB30、DB31必须改名为UDT1、UDT2供FM357-2的读写功能块使用。还有FB6、FC23也不能改变。
四、结语
西门子,,堆垛机(三)
基于西门子PLC的自动化立体仓库堆垛机控制系统设计
基于西门子PLC的自动化立体仓库堆垛机控制系统设计
作者：哈贵庭
来源：《电子世界》2013年第02期
【摘要】自动化立体仓库是建立在计算机管理技术、自动化控制技术和机械制造设计技术三者的基础上，它具有独立完成仓库物流作业的能力，准确的将货物运送至存取地点，并科学管理仓储信息，因而它是促进现代物流进程的关键。自动化立体仓库堆垛机控制系统主要由计算机管理系统、高层货架和堆垛机三部分组成，本文针对其结构和工作流程进行了简单的介绍，并着重讲述了各子系统的硬件、软件设计，以促进自动化立体仓库堆垛机控制系统在现代物流仓管中的运用。
【关键词】自动化立体仓库系统；西门子；PLC
1.前言
现代物流技术和自动化技术的不断发展衍生了各种物流产品，立体仓库就是针对物流仓储常用的一种，立体仓库作为自动化技术的产品，它综合了自动控制技术与计算机管理技术，借助堆垛机对货物实现存取操作，自动化立体仓库堆垛机不仅具有存取货物的功能，它还能对货物进行分类、分拣、计数和配送等操作。自动化立体仓库主要由计算机控制系统、自动化堆垛机和高层货架三部分组成，多个功能子系统共同构成了物流仓储的信息系统。随着客户对物流信息化要求增高，切实掌握仓储情况及时更新仓储信息成了现代物流信息化的重要因素，为了提高物流信息的可靠性和实时性，我们必须保证立体仓库系统具有正常作业和信息统计功能。除此之外还需提高立体仓库系统的柔性化，在系统中融入条形码扫描技术和射频计数等采集货物信息的技术，以满足现代物流自动化需求。
2.自动化立体仓库系统设计
从图1可看出自动化立体仓库主要包括计算机控制系统、自动存取设备和高层货架三个部分，另外它还具有整合子系统收集整理信息等功能。自动化立体仓库由多个环节综合而成，在多方面因素的相互作用下其过程相对复杂，因而构建自动化立体仓库，首先需了解各个组成部分的特性和相互作用。计算机控制系统即人机交互界面，通过它操作人员可对立体仓库的运作进行控制和监视，另外货物存储和物流作业安排都是由控制系统负责；高层货架与传统的货架区别在于利用货物的层叠扩展和延伸储存空间，科学有序的安置不仅使得货物分类明确，同时也降低了管理难度；自动存取设备是执行任务的主要工具，作为仓储作业的主要劳动力，它决定了物流仓储的工作效率，提高立体仓库运行效率的关键就在此。如图1所示为自动化立体仓库系统构成图。
自动化立体仓库与周边设备的位置呈星形拓朴模式，自动化立体仓库系统主要由堆垛机工控系统、计算机上位机WMS软件系统、转轨车工控系统、地面主柜工控系统和AGV工控子系统五部分组成。WMS是自动化立体仓库管理系统的软件，该系统属于常见的数据库应用软件系统。由于该软件是按照标准化设计的，因而在货物控制和管理中具有很强的相似性，因此可将它作为企业ERP系统的一个子模块，主要负责两者的数据交汇。相对应用系统而言，针对不同的项目堆垛机的设置需严格按照要求定制，对工控系统而言除了在功率配置上有所不同外，其它工作模式基本类似，因此，采用标准化的软件就可进行设计开发。转轨车的工作原理更加简单，它只需按照设定轨道将货物运行到制定地点，AGV工控系统从上位机上接受任务指令后，负责对货物进行装卸
3.堆垛机工控系统硬件设计
如图3所示堆垛机工控系统包括了计算机控制平台、地面主柜控制系统以及堆垛机控制系统三个部分。堆垛机控制系统本身具有输入输出数字端口（I/0）模块，它主要由三个驱动部分、激光定位单元和保护功能传感器共同组成，通过端口与PLC相连接，接收堆垛机PLC控制器的指令并执行任务。操作人员只需在堆垛机提供的手动控制按钮端口处输入指令，即可实现手动模式。如图2所示为堆垛机工控系统结构框图。
堆垛机工控系统模块配置包括输入地址、输出地址、订货号、固件、MPI地址等信息，其中MPI地址号主要是针对在线调试通讯。另外该系统使用的西门子PLC本身自带现场总线通讯功能，针对不同方向的电机变频器及激光定位装置提供通讯，Profibus总线连接配置需与从机号相对应，保证主机与从机之间的正常通讯。如图3所示为堆垛机工控系统模块配置。 地面主柜控制系统的主控单元采用的是西门子PLCCPU315-ZDP，数据交互则是通过CP343-1Lean无线通讯模块实现计算机主控系统与堆垛机之间的通讯。根据仓储需求地面主柜控制系统需具备液晶显示和操控按钮输入两项功能，通过在线操作实现立体仓库的半自动功。CP343-1Lean无线通讯模块与TCP/IP局域网连接后，操作人员可布置相应的任务，数据通过PC机可直接进行交换，计算机管理系统根据数据引导便可下达相应的指令，由堆垛机执行命令完成任务。
4.堆垛机工控系统软件设计
堆垛机工控系统是由堆垛机控制系统、地面主柜控制系统和计算机上位机软件三部分实现立体仓库的自动化，前两者是建立在PLC基础上，主要针对西门子PLC集成第七步设立的开发环境；后者则是通过visua1C++实现环境开发的，Visualstudio6.0是该软件的主要开发环境。
4.1 堆垛机控制系统软件设计
西门子,,堆垛机(四)
堆垛机控制系统设计中PLC的运用
摘 要：对于自动化立体仓库而言，其优越性的发挥依赖于堆垛机。PLC可编程控制器是工业控制计算机中的一种，具有很强的控制功能，有很快的处理速度，结构呈模块化，配置本身灵活度也比较高，对应较高的性价比，优点非常的明显，在当前诸多的控制装置里面，应用的最为广泛。文章主要对堆垛机控制系统设计中PLC的运用进行探讨。 关键词：堆垛机；控制系统；PLC
中图书分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）32-0141-02
对于自动化立体仓库而言，巷道堆垛机是一个至关重要的设备。这个设备能够取货于巷道口，送达到指定的特定货格。或者从特定货格将货物取出，放于巷道对应的出货口。PLC不但可靠，而且功能非常的强大，能够实现巷道堆垛机之具体的自动控制功能，货物进出库、乃至盘库都可以实现自动化。
1 堆垛机控制系统的工作原理
在堆垛机控制系统里面，无论是控制还是记录堆垛机的具体状态，都是由PLC控制的。当前西门子生产的S7-300可编程控制器是所有的堆垛机控制系统的核心。要想实现平稳而且安全的运行，这些技术都需要得到很好的解决：
①能够在指定货位精准的多货物予以存取，为了实现这个目的，那么作为控制系统，一定要能够对堆垛机的具体位置予以精准的定位。
②准确定位和稳定运行的同时，如果还想同步的实现效率的提升，那么一定要很好的控制堆垛机的具体运行速度。
故而，下面的测控方法需要予以很好的考虑：
①检测相关位置。堆垛机作业的目标是货架，为了实现精准的作业，那么对位置一定要能够予以精准的确定，也就是说不管是对于升降，还是对于行走的具体方向，都应该给予准确的监测，这样地址才能够获得精准的定位。对于堆垛机来说，有两种比较常见的具体寻址方法，分别是绝对和相对，绝对认址的时候，即使堆垛机出现了比较严重的颠簸，或者中途有断电的现象发生，寻址也不会出错，不过会耗费很高的造价。在本系统里面，寻址的方法选择的为绝对寻址，也就是固定行走和升降两个方向层面上的地址，固定为代码，在目标地址和固定的代码地址之间吻合的条件下，堆垛机就可以予以存取。
②控制具体的速度。作业效率的提升对于运行的具体速度提出了更高的要求；定位的精确也期望在出现紧急的停止的情况下，货物不会发生倾倒，这个目标则要求运行的速度得到一定的控制，那么就出现了矛盾。为了解决这个矛盾，按照当前堆垛机的具体位置以及和目标货位之间的距离，无论是行走还是升降的具体速度都是要进行恰当的选择的，速度一般划分为高、中、低三档。
③控制货叉。为了货叉能够精准的存取货物，那么货叉对应的速度也设定作高、低两个不同的档次，如果货物本身的质量比较轻，不会轻易的出现倾倒的现象，这个时候的运行速度就应该选择高速。
④控制具体的方向。对方向进行控制，作业的堆垛机一共包括了三台不同的电机，这些电机沿着三个不同的方向对运动与以控制，这三个方向分别是导轨、货叉伸缩、载物台升降方向的旋转，分别记录为X、Y、Z运动。
可以借助本地触摸屏对堆垛机予以手动的控制，借助上位监管的主机对堆垛机进行自动的控制。数据通讯目标的实现是借助PLC和DP口进行的。所有对象的具体状态都能够借助触摸屏予以很好的显现；在触摸屏上面，还有操作的按钮，这些按钮能够发出指令给PLC；对于上位机来说，其主要的作用包括了对指令的接收，对堆垛机予以指挥，诊断故障，显示信息以及报警。用一对远红外通信器完成堆垛机中PLC与上位监控主机之间的无线通信，实现与上位机的联机功能，上位机可籍此向堆垛机中的PLC发送任务信息或接收其状态信息。图1描述了简化版的堆垛机自动控制系统。
2 操作模式
具体来说，操作堆垛机的模式有三种，分别是本地手动、联机以及本地自动：
①本地手动这种作业模式运用于如下情形。堆垛机复位出现了异常，堆垛机位于调试安装这个作业阶段。本地手动作业的具体模式下，可以借助于触摸显示屏上面的按钮堆垛机进行操作，实现相关的手动控制目标。
②在本地自动作业这种具体的模式下面，借助触摸屏，操作员将作业指令予以输入，在PLC的具体控制下，能够将作业予以自动的完成，而后返至待命的初始位置。
③联机作业的具体模式之下，借助于上位机操作终端，能够将作业指令输入，借助红外线实现堆垛机和上位机之间的连接，下达作业指令给堆垛机的PLC，完成出库。
3 PLC的具体配置
在堆垛机中，核心性的控制部件就是PLC。西门子生产的S7-300系列PL属于中小型的，其具有强大的功能，紧凑的结构，灵活的配置，丰富的扩展模块，性价比非常的高，所以其备用在本系统里面。为了实现CPU和HMI，CPU与上位机之间的通讯，端口至少要两个，所以型号选择的为紧凑的类型，这种类型有集成16DI/16DO模块；除此之外，还要有输入和输出数字量的具体模块以及必要的借口。为了控制电机变频，借助MM440变频器与SM334模拟量这个输出模块进行互相的配合。对于上位监控机来讲，本研究用的是研华工控机IPC-610。两个内置的通讯借口能够用到多种不同的通讯模式，在本系统里面，HMI触摸屏以及Pro-fibus-DP模式被用来进行相关的通讯；Port2通讯方式选择的是自由口模式，也就是需要通过红外通讯器以及上位监控机才能够实现相关的通讯功能。
编程S7-300的时候，选择的软件为STEP 7，这样不但能够进行软件编程，还能够做到硬件组态，此外，还能够通过S7-PLCSIM软件在离线的状态下模拟调试用户程序，也就是说无论是维护程序，还是开发程序，都会非常的方便。
4 PLC控制系统软件设计
本研究对堆垛机进行控制系统的具体设计的时候，上位机能够完成如下作业：输入作业指令，分配作业指令，显示状态；PLC把主要的控制任务予以很好地完成。PLC控制堆垛机的主要任务有： ①处理作业命令。对当前作业的具体状态以及具体指令予以确定。
②处理定位检测。对位置代码牌和光电开关的具体状态予以检测，进而对当前载货台以及堆垛机的具体位置进行判断。
③停车和处理调速。按照堆垛机和目标货位之间的具体距离，将速度信号输出，停车前，切换运行速度到低档，满满的和目标位置相靠近，实现停车的准确，制动的迅速。
④控制作业任务对应的具体顺序逻辑。按照指定指令和调度任务的具体策略，对逻辑控制的具体信号予以确定，将出入库的具体作业予以很好地完成。
⑤保护极限位置。为了让堆垛机出于安全运行的环境下，应该设置相关的限位保护开关，开关设于货叉伸缩、升降载货台以及水平行走的时候。
控制系统的定位方法为绝对认证，在X/Z这个方向上，认址方法选择的为地址代码牌以及光电开关，也就是设置标有X/Z地址的具体代码牌到不同的货位上面。在这个代码牌被光电开关感应到之后，就会将这个地址读取下来，更新X/Z地址，将应减速停止的具体位置计算出来。设置对应的传感器于货叉对应的上下位置，确定每层的具体货位，按照控制任务的具体要求，进行模块化的具体设计。图1为软件程序的具体框架图。
无论是自动入库，还是联机作业，堆垛机的初始位置都是巷道入口，底层是升降载货台，货叉在回缩的位置上，但是没有货物，限位开关对应的具体位置也并未超限。上述条件得到很好的满足以后，等到待机和联机的指示灯亮了以后，开始对作业指令予以接受。收到后，借助X/Z轴运动向指定的货位，和货叉伸缩进行配合入出库。作业完成后，回归初始，自检，进入待命的具体状态，准备进行下次作业。如果运行中发生了异常，不管异常是什么，就会有声光报警，运行停止。
5 结 语
伴随着日益改善和提升的工程自动化水平，堆垛机的应用越来越广泛。本研究构筑堆垛机控制系统的核心在于PLC，选择了变频器调速配合光电开关绝对认址这种特定的方式，能够实现精确的定位，运行也非常的稳定，非常的可靠，维护起来也非常的方便。这个控制系统可以将诸多功能予以很好地实现，所以被成功地运用到了自动化立体仓库里面。
参考文献：
[1] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.
[2] 刘昌祺，董良.自动化立体仓库设计[M].北京：机械工业出版社，2004.
[3] 路林吉，王坚，江龙康.可编程控制器原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2002.
http://m.zhuodaoren.com/shenghuo344396/
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