基于西門子PLC的碼垛實訓平臺開發

李磊 田鵬勇 侯超 仇杰

摘?要：針對機電一體化實訓教學，設計了一套基于西門子S71200PLC的碼垛實訓平臺。將機械、PLC控制、人機交互、伺服驅動等技術有機融合。該實訓平臺控制系統主程序設計采用了函數（Function，FC）和函數塊（Function Block，FB）的形式，對各部分功能進行模塊化，并對各模塊的接口進行規劃，簡化了碼垛程序結構。使學生快速掌握復雜運動控制系統的設計開發、編程調試能力，有利于提高學生工程實踐和創新能力。

關鍵詞：S71200PLC;實訓平臺;噴涂碼垛自動線;函數（塊）

隨著智能制造在自動化領域的不斷深入發展，應用于噴涂、碼垛等工藝的自動化生產線設備越來越多，且更趨于智能化、信息化和集成化。噴涂碼垛實訓平臺應用于機電類相關專業實訓教學環節，旨在使學生們掌握機械、PLC應用、伺服控制、人機交互、通信等技術的基礎理論和工程知識。因此，開發了一套基于西門子PLC的碼垛實訓平臺。該平臺模擬碼垛工藝過程，并根據教學實際進行了改進，使其具有較高的實用性、開放性和拓展性。對提高該專業教學質量和培養學生實踐和創新能力具有重要的意義。

1 碼垛實訓平臺方案概述

實訓平臺機械部分由供料單元和碼垛單元組成。供料單元可以將工件定位在抓料位置，碼垛單元通過各個軸的協同工作，將工件搬運到指定位置并碼垛。在進行試驗平臺控制系統編程時，由于工藝流程復雜，同學們在學習時若直接進行整個碼垛系統上位機和下位機程序開發則難度較大，耗時較長。所以下位機程序的設計采用函數（Function，FC）和函數塊（Function Block，FB）的形式，對程序中各部分功能進行模塊化，并對各模塊的接口進行規劃。學生在練習編程時，通過對其中的一個或幾個功能塊進行編程，這種方式可以幫助同學們建立正確的程序結構，降低了難度，提高了編程效率[1，2]。

2 碼垛實訓平臺硬件設計

2.1 實訓平臺機械結構

碼垛實訓平臺由供料單元和碼垛單元組成，結構圖如下圖1所示。其中供料單元由料倉、頂料氣缸、推料氣缸、物料臺等元件組成，兩氣缸按照頂料缸伸出推料缸伸出推料缸縮回頂料缸縮回的順序動作，將工件推至物料臺上，同時工件在重力作用下落下。

碼垛單元是由直角坐標結構將X、Y、Z模組軸空間兩兩垂直固定組成[3-5]。各軸由伺服電機驅動絲杠旋轉，帶動螺母直線往復運動。在最底部模組軸平行方向設計有導軌滑塊結構，以加強設備剛度。

2.2 控制系統組成

實訓平臺控制部分主要包括上位機觸摸屏、PLC、被控對象（松下A6伺服驅動器、電磁閥等）和傳感器等元件。該實訓平臺PLC部分的I/O接線圖如圖2所示，PLC共有11個輸入信號，分別為供料單元頂料氣缸和推料氣缸位置信號，物料到位檢測信號;碼垛單元X、Y、Z三軸的原點信號，檢測吸盤真空度傳感器信號及啟動、停止按鈕信號及報警信號。

3 碼垛平臺軟件設計

3.1 PLC控制流程設計

碼垛實訓平臺的工藝流程主要包括：設置物料、垛型、速度等參數示教末端執行器抓、放料位置供料單元推出物料開始碼垛碼放完畢后回原點。

在使用TIA Portal V15軟件編程時，利用結構化的程序編寫形式有助于對程序功能的分解。如圖3所示，碼垛實訓臺主程序結構由組織塊OB1對各個函數或函數塊進行嵌套和調用。

軟件編程中使用的函數或函數塊的功能、接口數據見表1。

3.2 上位機功能設計

本實訓平臺利用西門子KTP900觸摸屏對整個碼垛系統實現遠程控制和實時監測[6-8]。上位機功能主要由參數設置界面、自動調試界面及報警信息顯示、確認等功能組成。如圖4所示，在開始碼垛之前，需要對碼放物料尺寸、碼垛參數通過HMI設計界面（如圖4.a所示）進行設置并傳送至PLC相應存儲區間。通過運行界面（如圖4.b所示）啟動或停止工作。

4 實訓平臺項目開發

利用該實訓平臺可進行機械設計、電氣系統設計及PLC和HMI編程設計的實訓項目的開發，下面將設備典型實訓項目列舉見表2：

5 結語

本文設計的基于TIA Portal V15編程環境的碼垛實訓平臺，可應用于包括機械項目設計、PLC技術、人機交互技術、伺服技術等試驗課程。另外，該實訓平臺可拓展功能，如對多種規格物料碼垛算法的開發，或利用VC、Labview等軟件代替HMI進行上位機程序開發等項目。該實訓平臺充分集成了常用的工控技術，具有較高的實用性、開放性和拓展性，對培養學生工程實踐和創新能力具有重要的意義。

參考文獻：

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[7]張豐華，韓寶玲，羅慶生，等.基于PLC的新型工業碼垛機器人控制系統設計[J].計算機測量與控制，2009，17（11）：2191-2193.

[8]廖常初.S7-1200PLC技術應用[M].北京：機械工業出版社，2018.

基金項目：天津市企業科技優秀特派員項目（18JCTPJC52300）;天津中德應用技術大學教學改革與建設項目城市軌道交通多專業聯合仿真實訓室建設方案（項目編號：ZDJY2019-03）

作者簡介：李磊（1983-），男，河北邯鄲人，碩士，講師，主要從事機電液一體化技術方面的科研和教學工作。