基于西门子PLC的码垛实训平台开发

李磊 田鹏勇 侯超 仇杰

摘 要：针对机电一体化实训教学，设计了一套基于西门子S71200PLC的码垛实训平台。将机械、PLC控制、人机交互、伺服驱动等技术有机融合。该实训平台控制系统主程序设计采用了函数（Function，FC）和函数块（Function Block，FB）的形式，对各部分功能进行模块化，并对各模块的接口进行规划，简化了码垛程序结构。使学生快速掌握复杂运动控制系统的设计开发、编程调试能力，有利于提高学生工程实践和创新能力。

关键词：S71200PLC;实训平台;喷涂码垛自动线;函数（块）

随着智能制造在自动化领域的不断深入发展，应用于喷涂、码垛等工艺的自动化生产线设备越来越多，且更趋于智能化、信息化和集成化。喷涂码垛实训平台应用于机电类相关专业实训教学环节，旨在使学生们掌握机械、PLC应用、伺服控制、人机交互、通信等技术的基础理论和工程知识。因此，开发了一套基于西门子PLC的码垛实训平台。该平台模拟码垛工艺过程，并根据教学实际进行了改进，使其具有较高的实用性、开放性和拓展性。对提高该专业教学质量和培养学生实践和创新能力具有重要的意义。

1 码垛实训平台方案概述

实训平台机械部分由供料单元和码垛单元组成。供料单元可以将工件定位在抓料位置，码垛单元通过各个轴的协同工作，将工件搬运到指定位置并码垛。在进行試验平台控制系统编程时，由于工艺流程复杂，同学们在学习时若直接进行整个码垛系统上位机和下位机程序开发则难度较大，耗时较长。所以下位机程序的设计采用函数（Function，FC）和函数块（Function Block，FB）的形式，对程序中各部分功能进行模块化，并对各模块的接口进行规划。学生在练习编程时，通过对其中的一个或几个功能块进行编程，这种方式可以帮助同学们建立正确的程序结构，降低了难度，提高了编程效率[1，2]。

2 码垛实训平台硬件设计

2.1 实训平台机械结构

码垛实训平台由供料单元和码垛单元组成，结构图如下图1所示。其中供料单元由料仓、顶料气缸、推料气缸、物料台等元件组成，两气缸按照顶料缸伸出推料缸伸出推料缸缩回顶料缸缩回的顺序动作，将工件推至物料台上，同时工件在重力作用下落下。

码垛单元是由直角坐标结构将X、Y、Z模组轴空间两两垂直固定组成[3-5]。各轴由伺服电机驱动丝杠旋转，带动螺母直线往复运动。在最底部模组轴平行方向设计有导轨滑块结构，以加强设备刚度。

2.2 控制系统组成

实训平台控制部分主要包括上位机触摸屏、PLC、被控对象（松下A6伺服驱动器、电磁阀等）和传感器等元件。该实训平台PLC部分的I/O接线图如图2所示，PLC共有11个输入信号，分别为供料单元顶料气缸和推料气缸位置信号，物料到位检测信号;码垛单元X、Y、Z三轴的原点信号，检测吸盘真空度传感器信号及启动、停止按钮信号及报警信号。

3 码垛平台软件设计

3.1 PLC控制流程设计

码垛实训平台的工艺流程主要包括：设置物料、垛型、速度等参数示教末端执行器抓、放料位置供料单元推出物料开始码垛码放完毕后回原点。

在使用TIA Portal V15软件编程时，利用结构化的程序编写形式有助于对程序功能的分解。如图3所示，码垛实训台主程序结构由组织块OB1对各个函数或函数块进行嵌套和调用。

软件编程中使用的函数或函数块的功能、接口数据见表1。

3.2 上位机功能设计

本实训平台利用西门子KTP900触摸屏对整个码垛系统实现远程控制和实时监测[6-8]。上位机功能主要由参数设置界面、自动调试界面及报警信息显示、确认等功能组成。如图4所示，在开始码垛之前，需要对码放物料尺寸、码垛参数通过HMI设计界面（如图4.a所示）进行设置并传送至PLC相应存储区间。通过运行界面（如图4.b所示）启动或停止工作。

4 实训平台项目开发

利用该实训平台可进行机械设计、电气系统设计及PLC和HMI编程设计的实训项目的开发，下面将设备典型实训项目列举见表2：

5 结语

本文设计的基于TIA Portal V15编程环境的码垛实训平台，可应用于包括机械项目设计、PLC技术、人机交互技术、伺服技术等试验课程。另外，该实训平台可拓展功能，如对多种规格物料码垛算法的开发，或利用VC、Labview等软件代替HMI进行上位机程序开发等项目。该实训平台充分集成了常用的工控技术，具有较高的实用性、开放性和拓展性，对培养学生工程实践和创新能力具有重要的意义。

参考文献：

[1]胡洪国，高建华，杨汝清.码垛技术综述[J].组合机床与自动化加工技术，2000（6）：7-9.

[2]李坤全，邵凤翔.全自动包装码垛机器人控制系统设计[J].机械设计与制造，2017（4）：259-262.

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[4]李海波，房曙光.基于PLC与HMI的码垛实训仿真控制系统开发[J].实训室研究与探索，2018，37（12）：129-132.

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[6]张建新，李磊.移动式数控火焰切割机料架研制[J].制造技术与机床，2016，12（5）：149-152.

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[8]廖常初.S7-1200PLC技术应用[M].北京：机械工业出版社，2018.

基金项目：天津市企业科技优秀特派员项目（18JCTPJC52300）;天津中德应用技术大学教学改革与建设项目城市轨道交通多专业联合仿真实训室建设方案（项目编号：ZDJY2019-03）

作者简介：李磊（1983-），男，河北邯郸人，硕士，讲师，主要从事机电液一体化技术方面的科研和教学工作。