S7-1500在物流输送系统中的应用

冯铁 高明强

（辽宁科技大学 鞍山）

Application of S7-1500 in logistics transportation system

［摘要］ 本文介绍了西门子SIMATIC S7-1500系列产品在物流输送系统中的应用，涉及系统构成、设备选型和完成功能。S7-1500与G120变频器、SCALANCE X交换机和TIA Portal软件等产品共同构建的自动化平台，完成对成件物品的输送、分拣、存储和开拆等功能，实现了物流系统的自动连续输送。

［关键词］ 物流输送系统、推挂机、TIA Portal、SCL语言

［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、项目简介

推式悬挂输送机（简称推挂机）是一种自动化程度很高的机电一体化传输设备，在闭合循环的空间内由牵引链条推动夹持成件物品的夹钳小车，按照工艺流程要求的输送线路，通过控制夹钳小车的入轨、停放、出轨以及升降机的升降等，完成对成件物品的输送、分拣、存储、开拆、卸袋和空钳回收等功能，实现物流系统的自动连续输送。

由推挂机构成的物流输送系统，具有输送连续、自动分拣及充分利用空间节省占地面积等特点，已广泛应用于汽车、邮电、电子、化工和食品等行业的自动化大生产流水作业。从上世纪70年代起，推挂机作为一种传输设备逐步应用在邮政部门的包裹开拆、分拣和邮件转运等作业中，目前已成为我国邮政枢纽中邮袋转运、存储作业和开拆作业中主要的机械传输设备。此系统在武汉、北京和厦门等地邮政系统中都有成功应用。

辽宁科技大学是西门子自动化教育合作项目（SCE）的300所高校之一，引入多套多类西门子自动化教学设备，通过与西门子公司在师资培训、工程教育和学生竞赛等方面的合作，推动了工业自动化领域卓越工程师培养计划的实施。在辽宁科技大学工程训练中心的建设规划之初，物流分拣系统作为特色教学设备获批新建，用以教学和科研使用。

此系统中的机械设备在保留原功能的基础上，规模有所缩小，以适用于场地和教学；控制系统采用西门子公司新一代的控制器SIMATIC S7-1500和SINAMICS G120变频器，以与已购置的其他教学设备构成西门子全系列PLC教学体系，如图1、图2所示。

图1 物流输送系统全貌

图2 物流输送系统的控制系统

二、物流输送系统构成

物流输送系统分为两大区域：存储区（8条轨道+1条收容轨）和开拆区（3条轨道），由驱动装置、牵引链条、夹钳小车、进轨道岔及道岔控制器、停放器、出轨道岔、开拆升降机等机械设备和控制系统组成，如图3所示。

驱动装置是整个系统的动力来源，采用履带式驱动，由电动机、减速机、传动轴、驱动链和导向板等组成，驱动链上的推爪从两边推动牵引链条的导向轮，使牵引链条运行。链条运行采用西门子公司的G120变频器调速，实现系统装置的平稳起动和变速。驱动装置另一重要作用是向PLC控制系统发出同步信号，用来控制系统中所有的道岔控制器、停放器等执行部件的动作时间，并起到过载保护作用。

牵引链条是在封闭轨道里运行的牵引构件，由主推头、副推头、承载轮和导向轮等组成，是系统输送功能的具体执行装置。主推头的作用是推动夹钳小车行走，副推头的作用是阻止因夹钳小车在行走时产生的惯力或下坡时产生的下滑力使夹钳小车前冲，将夹钳小车约束在主、付推头之间,随牵引链条一起行走,使小车间隔保持在一定的范围内。

夹钳小车是推挂机携带、运载邮袋的工具，由滚轮、吊杆、钳体和活动夹爪等组成，由牵引链条上的主推头推动沿着轨道运行，来完成运载邮袋工作。

进轨道岔是输送系统的重要部件，其作用是将夹钳小车由一条牵引链条轨道按系统要求转入另一条指定的轨道上。进轨道岔是靠道舌板转动来完成夹钳小车转向的，道舌板转向是靠道岔控制器拉动完成的。控制系统通过控制道岔控制器动作，将邮袋输送到指定轨道，完成邮袋的分拣。

图3 物流输送系统平面图

停放器是在控制系统的控制下，使夹钳小车在轨道上定点停车和定点释放的机构，安装在无牵引、有一定坡度的承载轨道上，与出轨道岔配合完成夹钳小车轨道的交换。

出轨道岔是推挂机输送线路上重要的部件，它的作用一般是在停放器控制下，根据开拆区的要袋需求和要袋种类，控制夹钳小车通过停放器，送往开拆区。

开拆升降机位于开拆区，采用螺杆结构形式，由电动机动力通过输送带传递到螺旋传动装置，使螺杆上、下运动，通过剪式杆放大运动行程带动升降轨上、下运动。操作人员按下降按钮，升降轨下降到合适高度后停止进行邮袋的开拆作业；开拆作业后，操作人员按上升按钮，升降轨上升，由限位开关控制，升降轨与进、出轨对接，夹钳小车与释放板挡杆脱离，滑出升降轨道，通过检测开关处，检测开关发出信号/停放器再送出下一个夹钳小车，周而复始作业。

三、控制系统构成

物流输送系统的控制系统由PLC控制站、工程师站、操作员站及通信网络组成，如图4所示。设计控制系统方案时，完全摒弃此前在各地邮政系统中的应用案例，考虑我校是西门子公司教育合作高校，首选西门子公司的控制系统；同时，为与我校其它教学设备构成西门子全系列PLC教学体系，兼顾系统的先进性，控制系统决定采用西门子公司的SIMATIC S7-1500及SINAMICS G120变频器、SCALANCE X 工业以太网交换机等其他控制产品。

图4 控制系统网络拓扑图

1.PLC控制站

按物流输送系统区域的划分，控制系统设置3个PLC控制站：存储区站、中间区站和开拆区站，负责各自区域内设备的信息检测和自动控制。

控制站采用西门子公司的SIMATIC S7-1500控制器，CPU型号为CPU 1513-1 PN，其卓越的性能和出色的可用性非常适合项目的要求：

1）响应快速：物流输送系统的驱动装置配有同步信号发生器，控制系统需要通过检测其发出的大、小同步信号，去跟踪邮袋在输送过程中的行进位置，完成对道岔控制器的精确控制，对邮袋的分拣功能而言是非常重要的设备。同步信号的响应处理时间直接关系到项目的成败，因此对控制器的性能有着较高的要求，要求控制系统具有快速响应能力。SIMATIC S7-1500控制器提供更快速的信号处理方式，以缩短响应时间，提高生产能力，CPU 1513位运算处理时间为40ns，字运算处理时间为48ns，完全可以满足控制上的要求。

2）通信网络：SIMATIC S7-1500控制器集成了PROFINET通信接口，其开放性易于实现网络通信，3个PLC控制站之间以及与SIMATIC G120变频器、3台工程站和1台操作员站完成高精度、高传输速率的信息交互。PROFINET网络保证了系统通信的无缝整合和高效协调。

3）TIA Portal：编程和监控软件采用TIA Portal工业自动化领域新一代工程设计软件，TIA Portal集成了SIMATIC Step7和SIMATIC WinCC，提供了直观、高效、可靠的程序设计、调试和诊断环境。

2.变频器

变频器安装于开拆区的链条起制动控制箱内。链条起制动控制箱用以控制链条驱动装置的电动机起动、运行和停止，采用SINAMICS G120变频器（CU240E-2 PN控制单元+PM240 功率模块+智能操作面板 IOP）控制电动机转速。按照邮政行业标准，链条的运行速度为每4s一个推头距，可以达到900邮袋/h的挂袋效率。

变频器的CU240E-2 PN控制单元集成PROFINET通信接口，与存储区站PLC进行通信，完成链条驱动装置电动机转速的设定；通过PROFINET接口，使用变频器调试软件 STARTER 可以对 SINAMICS G120 变频器进行调试和维护。

3.工程师站和操作员站

工程师站和操作员站安装TIA Portal软件，通过PROFINET网络与3个PLC控制站通信，分别完成PLC程序的编写和调试、HMI画面的组态和系统监控。实践教学时，4台工作站都可进行Step7和WinCC实训项目的操作。

控制系统主要设备清单见表1。

表1 控制系统主要设备清单

四、控制系统功能

此物流输送系统针对邮政系统的转运枢纽大批量邮袋流水作业的需求，采用机电一体化的输送设备——推挂机，由其控制系统实时采集各类传感器的数据，进行信息处理和分析判断，根据逻辑和算术运算的结果，驱动电气执行机构，控制夹钳小车按工艺流程要求的输送线路通过停放器、入轨道岔、出轨道岔和开拆升降机等指定位置，完成对邮袋的批量输送、分类存储和要袋开拆等功能，如图5所示。

图5 物流输送系统工艺流程图

下面对控制系统的主要功能进行阐述：

1.分类识别

邮袋分为快件（A类）和普件（B类），快件较普件具有优先处理级别，因此控制系统必须先对邮袋的种类进行识别，然后进行分类存储和按类别开拆。分类识别是控制系统的重要功能，是系统其他功能实现的前提。

分类识别是通过人工手持扫码枪对邮袋附有的条形码进行扫描，由高级语言编写的条码识别系统对条形码信息进行处理：扫描的条形码信息与数据库中的条形码信息进行查找比较，确定该邮袋类别（A类或B类），然后通过TCP/IP Socket 通讯，将类别数据发送至PLC系统。PLC系统根据邮袋的类别，将邮袋输送到存储区进行分类存储，如图6所示。

图6 条码识别系统

在高级语言中，通过以下指令建立与PLC系统的通信连接：

邮袋类别数据传送：

在PLC系统中，TIA Portal软件及S7-1500的功能非常强大，使其与高级语言的通信变得简单易行，提供TRCV_C指令，通过以太网接收来自条码识别系统的邮袋类别数据；并通过比较指令判断接收数据值，值为1邮袋为快件（A类），值为2则邮袋为普件（B类），从而实现邮袋分类识别功能，如图7所示。

图7 条码识别系统与PLC系统通信

2.选择轨道及入轨

存储区共有8条轨道，即将进入存储区轨道的在途邮袋，根据其类别（A类或B类）依次从第1～8轨道进行寻轨，选择其要进入的轨道，条件是类别相同，且轨道未满（挂袋数<20且满轨检测开关OFF），确定后标记其要进入的轨道号。

A类邮袋选择轨道的SCL语言示例程序如下：

PLC系统通过检测大、小同步信号，实时跟踪存储区入轨前在途邮袋的行进位置，并根据其选定的轨道号，去控制相应的道岔控制器动作，在邮袋行进至道岔控制器位置时，自动打开道岔，使邮袋进入到指定的存储区轨道。

通过选择轨道和入轨，实现了邮袋的分类存储功能。以往在邮政系统中应用时，只能用梯形图编程，复杂的循环使程序量很大且繁琐；而S7-1500支持SCL编程语言，在TIA Portal软件中使用SCL语言编程，使程序逻辑清晰，易于编程和调试，极大缩短了程序开发周期，使项目提前竣工。

五、项目运行

物流输送系统从设计到安装、调试，历时6个月，于2016年6月通过验收。作为我校的特色教学设备，保留了原系统的所有功能，并于2016年秋季学期开始投入教学使用，针对全校不同专业的学生，分别进行设备演示和机械、电气、自动化和网络的综合工程能力训练，至今已2年时间，学生开拓了视野、学习了知识、提高了能力，并多次在“西门子杯”中国智能制造挑战赛上获奖，取得了良好效果，如图8、图9所示。

图8 系统运行监控画面

图9 教学应用

六、应用体会

1）作为新一代控制器，SIMATIC S7-1500控制器的性能卓越，功能强大，满足项目对响应速度和精确控制的要求。

2）TIA Portal软件的通讯指令非常丰富，使PLC间通信和与高级语言通信变得更加简易，极大地缩短了项目开发周期。

3）TIA Portal软件提供的SCL语言，非常适合复杂的循环嵌套控制逻辑编程，程序简洁，极大地减少了程序量和变量资源，而且程序逻辑非常清晰。

参考文献

［1］ 西门子（中国）有限公司.SIMATIC S7-1500 自动化系统系统手册［Z］.

［2］ 西门子（中国）有限公司.SIMATIC WinCC Professional V13.0 SP1 系统手册［Z］.

［3］ 西门子（中国）有限公司.SCL编程手册［Z］.