S7-1500在物流輸送系統(tǒng)中的應用

馮鐵 高明強

（遼寧科技大學 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)中的應用，涉及系統(tǒng)構成、設備選型和完成功能。S7-1500與G120變頻器、SCALANCE X交換機和TIA Portal軟件等產(chǎn)品共同構建的自動化平臺，完成對成件物品的輸送、分揀、存儲和開拆等功能，實現(xiàn)了物流系統(tǒng)的自動連續(xù)輸送。

［關鍵詞］ 物流輸送系統(tǒng)、推掛機、TIA Portal、SCL語言

［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、項目簡介

推式懸掛輸送機（簡稱推掛機）是一種自動化程度很高的機電一體化傳輸設備，在閉合循環(huán)的空間內由牽引鏈條推動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、出軌以及升降機的升降等，完成對成件物品的輸送、分揀、存儲、開拆、卸袋和空鉗回收等功能，實現(xiàn)物流系統(tǒng)的自動連續(xù)輸送。

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

遼寧科技大學是西門子自動化教育合作項目（SCE）的300所高校之一，引入多套多類西門子自動化教學設備，通過與西門子公司在師資培訓、工程教育和學生競賽等方面的合作，推動了工業(yè)自動化領域卓越工程師培養(yǎng)計劃的實施。在遼寧科技大學工程訓練中心的建設規(guī)劃之初，物流分揀系統(tǒng)作為特色教學設備獲批新建，用以教學和科研使用。

此系統(tǒng)中的機械設備在保留原功能的基礎上，規(guī)模有所縮小，以適用于場地和教學；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，以與已購置的其他教學設備構成西門子全系列PLC教學體系，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)構成

物流輸送系統(tǒng)分為兩大區(qū)域：存儲區(qū)（8條軌道+1條收容軌）和開拆區(qū)（3條軌道），由驅動裝置、牽引鏈條、夾鉗小車、進軌道岔及道岔控制器、停放器、出軌道岔、開拆升降機等機械設備和控制系統(tǒng)組成，如圖3所示。

驅動裝置是整個系統(tǒng)的動力來源，采用履帶式驅動，由電動機、減速機、傳動軸、驅動鏈和導向板等組成，驅動鏈上的推爪從兩邊推動牽引鏈條的導向輪，使牽引鏈條運行。鏈條運行采用西門子公司的G120變頻器調速，實現(xiàn)系統(tǒng)裝置的平穩(wěn)起動和變速。驅動裝置另一重要作用是向PLC控制系統(tǒng)發(fā)出同步信號，用來控制系統(tǒng)中所有的道岔控制器、停放器等執(zhí)行部件的動作時間，并起到過載保護作用。

牽引鏈條是在封閉軌道里運行的牽引構件，由主推頭、副推頭、承載輪和導向輪等組成，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夾鉗小車行走，副推頭的作用是阻止因夾鉗小車在行走時產(chǎn)生的慣力或下坡時產(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。

夾鉗小車是推掛機攜帶、運載郵袋的工具，由滾輪、吊桿、鉗體和活動夾爪等組成，由牽引鏈條上的主推頭推動沿著軌道運行，來完成運載郵袋工作。

進軌道岔是輸送系統(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)要求轉入另一條指定的軌道上。進軌道岔是靠道舌板轉動來完成夾鉗小車轉向的，道舌板轉向是靠道岔控制器拉動完成的?？刂葡到y(tǒng)通過控制道岔控制器動作，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停車和定點釋放的機構，安裝在無牽引、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)。

開拆升降機位于開拆區(qū)，采用螺桿結構形式，由電動機動力通過輸送帶傳遞到螺旋傳動裝置，使螺桿上、下運動，通過剪式桿放大運動行程帶動升降軌上、下運動。操作人員按下降按鈕，升降軌下降到合適高度后停止進行郵袋的開拆作業(yè)；開拆作業(yè)后，操作人員按上升按鈕，升降軌上升，由限位開關控制，升降軌與進、出軌對接，夾鉗小車與釋放板擋桿脫離，滑出升降軌道，通過檢測開關處，檢測開關發(fā)出信號/停放器再送出下一個夾鉗小車，周而復始作業(yè)。

三、控制系統(tǒng)構成

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)絡組成，如圖4所示。設計控制系統(tǒng)方案時，完全摒棄此前在各地郵政系統(tǒng)中的應用案例，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，為與我校其它教學設備構成西門子全系列PLC教學體系，兼顧系統(tǒng)的先進性，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)交換機等其他控制產(chǎn)品。

圖4 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

1.PLC控制站

按物流輸送系統(tǒng)區(qū)域的劃分，控制系統(tǒng)設置3個PLC控制站：存儲區(qū)站、中間區(qū)站和開拆區(qū)站，負責各自區(qū)域內設備的信息檢測和自動控制。

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

1）響應快速：物流輸送系統(tǒng)的驅動裝置配有同步信號發(fā)生器，控制系統(tǒng)需要通過檢測其發(fā)出的大、小同步信號，去跟蹤郵袋在輸送過程中的行進位置，完成對道岔控制器的精確控制，對郵袋的分揀功能而言是非常重要的設備。同步信號的響應處理時間直接關系到項目的成敗，因此對控制器的性能有著較高的要求，要求控制系統(tǒng)具有快速響應能力。SIMATIC S7-1500控制器提供更快速的信號處理方式，以縮短響應時間，提高生產(chǎn)能力，CPU 1513位運算處理時間為40ns，字運算處理時間為48ns，完全可以滿足控制上的要求。

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

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

2.變頻器

變頻器安裝于開拆區(qū)的鏈條起制動控制箱內。鏈條起制動控制箱用以控制鏈條驅動裝置的電動機起動、運行和停止，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）控制電動機轉速。按照郵政行業(yè)標準，鏈條的運行速度為每4s一個推頭距，可以達到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，與存儲區(qū)站PLC進行通信，完成鏈條驅動裝置電動機轉速的設定；通過PROFINET接口，使用變頻器調試軟件 STARTER 可以對 SINAMICS G120 變頻器進行調試和維護。

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)絡與3個PLC控制站通信，分別完成PLC程序的編寫和調試、HMI畫面的組態(tài)和系統(tǒng)監(jiān)控。實踐教學時，4臺工作站都可進行Step7和WinCC實訓項目的操作。

控制系統(tǒng)主要設備清單見表1。

表1 控制系統(tǒng)主要設備清單

四、控制系統(tǒng)功能

此物流輸送系統(tǒng)針對郵政系統(tǒng)的轉運樞紐大批量郵袋流水作業(yè)的需求，采用機電一體化的輸送設備——推掛機，由其控制系統(tǒng)實時采集各類傳感器的數(shù)據(jù)，進行信息處理和分析判斷，根據(jù)邏輯和算術運算的結果，驅動電氣執(zhí)行機構，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等指定位置，完成對郵袋的批量輸送、分類存儲和要袋開拆等功能，如圖5所示。

圖5 物流輸送系統(tǒng)工藝流程圖

下面對控制系統(tǒng)的主要功能進行闡述：

1.分類識別

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

分類識別是通過人工手持掃碼槍對郵袋附有的條形碼進行掃描，由高級語言編寫的條碼識別系統(tǒng)對條形碼信息進行處理：掃描的條形碼信息與數(shù)據(jù)庫中的條形碼信息進行查找比較，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，將郵袋輸送到存儲區(qū)進行分類存儲，如圖6所示。

圖6 條碼識別系統(tǒng)

在高級語言中，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的功能非常強大，使其與高級語言的通信變得簡單易行，提供TRCV_C指令，通過以太網(wǎng)接收來自條碼識別系統(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），從而實現(xiàn)郵袋分類識別功能，如圖7所示。

圖7 條碼識別系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)通信

2.選擇軌道及入軌

存儲區(qū)共有8條軌道，即將進入存儲區(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軌道進行尋軌，選擇其要進入的軌道，條件是類別相同，且軌道未滿（掛袋數(shù)<20且滿軌檢測開關OFF），確定后標記其要進入的軌道號。

A類郵袋選擇軌道的SCL語言示例程序如下：

PLC系統(tǒng)通過檢測大、小同步信號，實時跟蹤存儲區(qū)入軌前在途郵袋的行進位置，并根據(jù)其選定的軌道號，去控制相應的道岔控制器動作，在郵袋行進至道岔控制器位置時，自動打開道岔，使郵袋進入到指定的存儲區(qū)軌道。

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

五、項目運行

物流輸送系統(tǒng)從設計到安裝、調試，歷時6個月，于2016年6月通過驗收。作為我校的特色教學設備，保留了原系統(tǒng)的所有功能，并于2016年秋季學期開始投入教學使用，針對全校不同專業(yè)的學生，分別進行設備演示和機械、電氣、自動化和網(wǎng)絡的綜合工程能力訓練，至今已2年時間，學生開拓了視野、學習了知識、提高了能力，并多次在“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽上獲獎，取得了良好效果，如圖8、圖9所示。

圖8 系統(tǒng)運行監(jiān)控畫面

圖9 教學應用

六、應用體會

1）作為新一代控制器，SIMATIC S7-1500控制器的性能卓越，功能強大，滿足項目對響應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間通信和與高級語言通信變得更加簡易，極大地縮短了項目開發(fā)周期。

3）TIA Portal軟件提供的SCL語言，非常適合復雜的循環(huán)嵌套控制邏輯編程，程序簡潔，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

［1］ 西門子（中國）有限公司.SIMATIC S7-1500 自動化系統(tǒng)系統(tǒng)手冊［Z］.

［2］ 西門子（中國）有限公司.SIMATIC WinCC Professional V13.0 SP1 系統(tǒng)手冊［Z］.

［3］ 西門子（中國）有限公司.SCL編程手冊［Z］.