基于S7-1200PLC的小型立体仓库控制系统设计

（南阳理工学院，南阳 473004）

0 引言

为响应国家智能制造战略，打造数字化工厂，自动化立体仓库越来越受到企业界关注，对其需求量和各方面性能要求越来越高。因此，对自动化立体仓库的深入研究可以产生巨大的社会效益和经济效益[1～3]。堆垛机器人作为立体仓库的核心执行设备，其性能指标将会对仓储系统的运行效率产生重大影响，包括其运行的平稳性，高速性，定位精确性等，因此，设计一种更加可靠、高效、精准的运动控制算法具有重大现实意义[4,5]。基于西门子PLC S7-1200和堆垛机器人开发一套立体仓储控制系统，实现出入库智能操作，并基于S7-1200驱动伺服系统提出一种新型直线插补算法，最后通过工业以太网实现仓库与MES系统的远程通信，为智能车间打下基础。

1 立体仓库总体设计

1.1 立体仓库机械结构设计

小型立体仓库机械结构主要由货架、堆垛机器人、出入库传送带和料盘组成，如图1所示。

1）货架：货架由横梁、立柱组合装配构成，实现模块化安装。

2）堆垛机器人：堆垛机器人是整个立体仓库的核心工作部分，是实现立体仓库出入库的执行机构。堆垛机由X轴、Y轴、Z轴组成，能够实现沿X轴的水平移动、沿Z轴的垂直移动和沿Y轴的水平移动，如图2所示。

图1 立体仓库示意图

1.2 控制系统硬件结构设计

电气控制系统是堆垛机器人及出入库传送带的控制中枢，是实现立体仓库出入库动作的核心单元。整个电气控制硬件系统由PLC、输入/输出设备、执行设备、驱动装置等组成。控制系统除了控制堆垛机和传送带的运行，还需要控制各种限位开关、行程开关、感应开关以及触摸屏等。控制柜元器件布置如图3所示。

图2 堆垛机示意图

图3 控制柜布置图

2 控制系统功能实现

2.1 控制系统组态及IO配置

堆垛机的运动是由三个轴的运动实现的，对堆垛机运动的控制实际上是PLC对三个伺服驱动器的控制来实现的。另外，输入输出传送带的运动是由PLC对变频器的控制来实现的。基于S7-1200 PLC的硬件组态配置如图4所示。

控制系统IO配置如表1所示。

表1 I/O列表

图4 系统硬件组态

表1 （续）

2.2 堆垛机器人步距计算

堆垛机X轴采用斜齿轮/齿条传动，需要计算出齿轮与齿条啮合时，齿轮转动一圈行走的距离，计算过程如下：

其中，已知齿数z1=25，端面模数mt=3，减速比n1=1:7，可计算出斜齿轮分度圆直径d1（mm），分度圆周长C1（mm），分度圆周长即齿轮与齿条啮合时齿轮转动一圈行走的距离。计算可得C1=33.659mm，同理可计算得C2=25.004mm，C3=25.492mm。

2.3 自动认址算法设计

自动认址是指用户给定目标货位的行列数值后，堆垛机可以接收并识别货位信息，然后自动移动至目标位。此功能可分为两个步骤，第一，堆垛机自动识别目标位置。第二，堆垛机精准移动到目标位置。

本系统所设计的自动化立体仓库货架分为前后两排，每一排有五行，十列，共94个货位。绝对认址算法算法分析如下：

首先需要计算出每个货仓之间的行间距和列间距，

其中，X10第十列X轴坐标5255.406（mm），X1第一列X轴坐标-51.50407（mm），n1列数10列，计算可得X轴列间距L1=589.65667（mm）。Z5第五行Z轴坐标1902.563（mm），Z1第一行Z轴坐标93.13336（mm），n2行数5行，计算可得Z轴行间距L2=452.35741（mm）。接着计算出X轴、Z轴目标行列数的具体坐标：

其中，X1第一列X轴坐标-51.50407（mm），L1列间距589.65667（mm），nx目标列数，可计算出Lx目标列数X轴坐标。同理，可计算出Lz目标行数Z轴坐标。

计算完成后，给出X、Z轴运行速度，通过绝对定位指令（MC_MoveAbsolute），控制轴运动到指定位置。

认址算法示意图如图5所示。

2.4 直线插补算法设计

图5 认址算法示意图

自动化立体仓库体积庞大，仓格数量多，目前大多数立体仓库没有对堆垛机X轴、Z轴的运行速度和路径进行优化，这导致了出入库的效率较低，严重影响了立体仓库的性能，所以可将数控系统中的直线插补思想应用到立体仓库中，对运行速度和路径进行优化，提高立体仓库运行效率。故本课题在实现X、Z轴自动定位的基础上，设计了一种新型直线插补算法，极大简化了程序结构，减少了运算量。

设置X轴和Z轴的速度范围，以X轴速度为基准，分别计算出X轴与Z轴的运行距离，根据X轴速度和距离计算出X轴的运行时间，将此时间设置为基准时间，最后根据基准时间和Z轴距离计算出Z轴速度。

具体算法如下：

其中，t轴运行时间（s），Lx1目标列数坐标值（mm），Lx2X轴当前坐标值（mm），VxX轴自动运行速度，Lz1目标行数坐标值（mm），Lz1Z轴当前坐标值（mm），可算得VzZ轴自动运行速度。最后将所得X、Z轴速度赋值给自动定位模块，控制两轴以直线插补形式移动到目标位置。

图6 插补算法流程图

2.5 组态监控

本地监控画面包括初始画面、自动运行画面、手动运行画面、参数配置画面、IO监控画面，其中自动运行画面如图7所示。

图7 自动运行监控画面

自动运行模式下，可以看到X、Y、Z轴当前位置、速度、堆垛机目标货架行和列、出入库情况。另外，该系统还可以实现与上位机通信，远程控制出入库动作，在此不再深入叙述。

3 结语

本文基于S7-1200，运动伺服驱动技术，设计了基于堆垛机的立体仓库控制系统。对立体仓库控制系统的硬件选型、组态配置、自动认址、直线插补、监控等进行了深入研究。实现了手动运行模式、自动运行模式及上位机远程模式下的出入库操作。提出的直线插补算法优化了出入库路径，有效地提高了立体仓库的出入库效率。