劉進(jìn)鵬，陸生鮮，張 明，李崇山

（1.慶陽(yáng)新莊煤業(yè)有限公司新莊煤礦，甘肅 慶陽(yáng) 745000；2.桂林理工大學(xué) 南寧分校，廣西 南寧 530001）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家不斷推動(dòng)職業(yè)教育的高質(zhì)量、高水平建設(shè)，由于職業(yè)高等教育的在校生數(shù)量持續(xù)上升，國(guó)內(nèi)不少院校存在教學(xué)設(shè)備不能適應(yīng)要求的問(wèn)題。尤其是在實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面：（1）科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速導(dǎo)致各種技術(shù)更新迭代較快，學(xué)校無(wú)法及時(shí)將最新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備用于實(shí)際教學(xué)中[1]。以西門(mén)子PLC為例，目前，大部分高校都是以SIMATIC S7-200為基礎(chǔ)進(jìn)行教學(xué)任務(wù)，但隨著TIA Portal的高度集成化，并受到各大中小企業(yè)工程師的青睞，SIMATIC S7-1200/1500以及TIA Portal平臺(tái)兼容的其他自動(dòng)化產(chǎn)品在企業(yè)項(xiàng)目中運(yùn)用會(huì)更加廣泛。（2）由于使用人數(shù)較多導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用頻率高，造成設(shè)備損耗，從而增加了成本[2]。在學(xué)生進(jìn)行電氣接線和程序調(diào)試的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)接線錯(cuò)誤或者程序邏輯不合理的情況，從而引起的實(shí)驗(yàn)設(shè)備故障或者造成安全事故。其三，實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限，在實(shí)際教學(xué)環(huán)節(jié)中存在局限性。因?yàn)槊總€(gè)專(zhuān)業(yè)的人數(shù)較多，在需要使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)，除了錯(cuò)峰使用外就是劃分小組。這種辦法有助于加強(qiáng)同學(xué)之間的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，但是無(wú)法鍛煉學(xué)生單獨(dú)解決問(wèn)題的能力。其四，由于試驗(yàn)室的硬件設(shè)備條件限制，學(xué)生們?cè)趯?shí)際調(diào)試操作過(guò)程中，往往只能使用已有的PLC或?qū)嶒?yàn)設(shè)備中的開(kāi)關(guān)按鈕，手動(dòng)模擬傳感器元件所給出的各類(lèi)輸入信息和狀態(tài)變化，或使用指示燈、繼電器等機(jī)械模擬控制對(duì)象的部分動(dòng)作狀況，無(wú)法真實(shí)有效的檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能否滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需要。

針對(duì)以上問(wèn)題提出利用PLC虛擬仿真軟件Factory I0來(lái)搭建工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，應(yīng)用此方法不僅可以彌補(bǔ)PLC課程教學(xué)設(shè)備的不足，還能更直觀地顯示PLC以及其他傳感器的動(dòng)作狀態(tài)[3]。更主要的是可以用有限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠有效地解決由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足和無(wú)法支持最新技術(shù)造成的問(wèn)題，從而達(dá)到豐富教學(xué)內(nèi)容、增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的目的，為學(xué)生學(xué)習(xí)PLC技術(shù)提供了便利。

1 Factory IO虛擬仿真軟件簡(jiǎn)介

Factory IO是一個(gè)包含了工業(yè)系統(tǒng)搭建、PLC編程、PLC控制系統(tǒng)調(diào)試等功能的綜合性軟件。它相當(dāng)于一個(gè)實(shí)時(shí)自動(dòng)化沙盒，它具有逼真的仿真環(huán)境，用戶可以根據(jù)自身的需求簡(jiǎn)單快捷地搭建模擬工業(yè)系統(tǒng)。

Factory IO可通過(guò)IO驅(qū)動(dòng)程序與外部軟件或硬件實(shí)現(xiàn)通信。Factory IO構(gòu)建的任何系統(tǒng)都可由外接技術(shù)、軟件和硬件實(shí)時(shí)控制。它包含20多個(gè)即用型場(chǎng)景及豐富的工業(yè)零件庫(kù)（包括傳感器、輸送機(jī)、電梯、工作站等）[4]。

2 虛擬仿真系統(tǒng)案例設(shè)計(jì)

以基于PLC的立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，將PLC控制、HMI技術(shù)與Factory IO相結(jié)合，進(jìn)一步展示PLC在工業(yè)場(chǎng)景下的運(yùn)行狀態(tài)。立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制與監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

（1）將巷道口中的貨物送到指庫(kù)位（入庫(kù)）；

（2）將某個(gè)指定庫(kù)位的貨物取出（出庫(kù)）；

（3）將某個(gè)庫(kù)位的貨物送到另一個(gè)指定的庫(kù)位（移庫(kù)）；

（4）監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分需包含庫(kù)位狀態(tài)顯示、故障報(bào)警等信息展示；

（5）控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種作業(yè)方式。

立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制與監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要工作原理為：當(dāng)作業(yè)人員使用觸摸屏向控制單元發(fā)出作業(yè)指令時(shí)，控制單元會(huì)結(jié)合實(shí)際情況做出是否執(zhí)行該指令的判斷，例如，當(dāng)作業(yè)人員下達(dá)移庫(kù)模指令，但是操作庫(kù)位處于無(wú)貨狀態(tài)或者目標(biāo)庫(kù)位處于有貨狀態(tài)，又或者操作庫(kù)位和目標(biāo)庫(kù)位都處于有貨狀態(tài)，此時(shí)，該指令將不會(huì)被執(zhí)行。只有在操作庫(kù)位處于有貨狀態(tài)且目標(biāo)貨位處于無(wú)貨狀態(tài)，該指令才會(huì)被控制單元執(zhí)行，控制單元會(huì)控制驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)單元，帶動(dòng)機(jī)械單元實(shí)現(xiàn)入庫(kù)、出庫(kù)或者移庫(kù)作業(yè)。

系統(tǒng)在上電過(guò)后自動(dòng)進(jìn)入初始化狀態(tài)，此時(shí)會(huì)進(jìn)入堆垛機(jī)運(yùn)行方式選擇，當(dāng)執(zhí)行完成選擇的任務(wù)時(shí)，此時(shí)，會(huì)將堆垛機(jī)狀態(tài)信息反饋至上位機(jī)并回到原點(diǎn)。立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)總流程圖如圖1所示。

圖1 立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)總流程圖

2.1 立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制與監(jiān)控系統(tǒng)場(chǎng)景搭建

立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)的總體場(chǎng)景搭建要盡可能地貼合實(shí)際，充分利用Factory IO中已經(jīng)預(yù)設(shè)的場(chǎng)景，可以減少搭建立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)模型的困難。在Factory IO的“元件盒”中選擇搭建該場(chǎng)景需要用到的元件模型，將這些元件模型的擺放位置、尺寸大小及角度等合理規(guī)劃即可。為了便于區(qū)分各個(gè)傳感器和執(zhí)行器，需要按照要求對(duì)其重命名。

本研究搭建的立體倉(cāng)庫(kù)場(chǎng)景主要包括庫(kù)位主體（54個(gè)庫(kù)位）、堆垛機(jī)、上料皮帶、下料皮帶、發(fā)料器、消料器和操作站。立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)場(chǎng)景圖如圖2所示。

圖2 立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)場(chǎng)景圖

2.2 立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制與監(jiān)控系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)現(xiàn)

2.2.1 Factory IO仿真軟件系統(tǒng)配置

為了保證PLC程序的順利執(zhí)行，在進(jìn)行通信之前必須進(jìn)行I/O的連接，將已經(jīng)編輯好的信號(hào)接口連接到CPU對(duì)應(yīng)的輸入/輸出點(diǎn)，只要從Factory IO的配置設(shè)置中用鼠標(biāo)將其拖拽至相對(duì)應(yīng)的I/O即可[3]。

在PLC程序編程結(jié)束、HMI開(kāi)發(fā)完成及立體倉(cāng)庫(kù)模擬場(chǎng)景搭建好以后，接下來(lái)就是要實(shí)現(xiàn)Factory IO與PLC的通信功能，實(shí)際上就是與S7-1200仿真器S7-PLCSIM的通信。在此有兩個(gè)細(xì)節(jié)是特別要注意的，不然就會(huì)導(dǎo)致通信不成功。第一就是Factory IO和TIA Portal V17的打開(kāi)方式必須是“以管理員的身份打開(kāi)”，第二就是在程序中要含有Factory IO官方提供的“西門(mén)子博途工程模版”，兩者缺一不可。

在TIA Portal V17中需要進(jìn)行的操作主要是配置以太網(wǎng)，允許來(lái)自遠(yuǎn)程對(duì)象的PUT_GET通信訪問(wèn)，接著將程序編譯、下載，最后就是啟動(dòng)S7-PLCSIM。具體設(shè)置方法如下：

（1）在場(chǎng)景所在的頁(yè)面狀態(tài)下，按下“F4”鍵進(jìn)入“驅(qū)動(dòng)”配置界面，在“驅(qū)動(dòng)”樹(shù)形圖中選擇“Siemens S7-PLCSIM”，PLC類(lèi)型選擇S7-1200，連接方式選擇自動(dòng)連接，其他項(xiàng)選擇默認(rèn)即可；

（2）返回到“驅(qū)動(dòng)”界面，當(dāng)“Siemens S7-PLCSIM”右邊出現(xiàn)綠色的“■”時(shí)（S7-PLCSIM已啟動(dòng)）就說(shuō)明已經(jīng)通信成功。

2.2.2 立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制與監(jiān)控系統(tǒng)PLC控制程序設(shè)計(jì)

采用的PLC型號(hào)是SIMATIC S7-1200 1214C DC/DC/DC，PLC程序采用結(jié)構(gòu)化編程，首先建立組織塊OB1用來(lái)存放“西門(mén)子博途工程模版”。DB數(shù)據(jù)塊用來(lái)存放程序數(shù)據(jù)和一些中間變量，其中DB-1和DB-2局部有效，DB-3中的數(shù)據(jù)全局有效。而FB（函數(shù)）塊是控制系統(tǒng)的功能，最后在OB123中調(diào)用。

為了能順利地完成控制程序的撰寫(xiě)，首要的就是要清楚每一個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，把連續(xù)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行拆分并且邏輯化。以一個(gè)手動(dòng)存貨的過(guò)程為例，可以把它的過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯劃分，首先選擇控制模式為自動(dòng)存貨，PLC在接收到該指令后開(kāi)始動(dòng)作，動(dòng)作結(jié)束后回原點(diǎn)待機(jī)。該控制系統(tǒng)的PLC程序包括復(fù)位控制、急停暫?？刂?、原點(diǎn)標(biāo)記、判斷運(yùn)行方式、移栽臺(tái)控制、設(shè)備運(yùn)行三色燈指示等。部分控制程序如下圖。

圖3程序是FACTORY IO提供的標(biāo)準(zhǔn)軟件庫(kù)，本質(zhì)上是一個(gè)通信樣板，功能就是實(shí)現(xiàn)FACTORY IO和TIA Portal的輔助通信，單獨(dú)放在OB1中即可。

圖3 西門(mén)子博圖工程模板程序

圖4的程序是復(fù)位操作，實(shí)現(xiàn)的功能就是將所有的控制步清零。

圖4 復(fù)位控制程序

圖5的程序是急停和暫?？刂?，在需要的時(shí)候停掉上料傳送帶和上料電機(jī)。

圖5 急停和暫?？刂瞥绦?/p>

圖6的程序?qū)崿F(xiàn)的是啟動(dòng)功能，當(dāng)系統(tǒng)上電以后，若不選擇工作模式，直接按下啟動(dòng)按鈕則進(jìn)入自動(dòng)存貨狀態(tài)。

圖6 啟動(dòng)控制程序

圖7的程序?qū)崿F(xiàn)的功能就是對(duì)當(dāng)前運(yùn)行模式的判斷，將運(yùn)行模式進(jìn)行定義，0為存料模式，1為取料模式，2為移庫(kù)模式。通過(guò)不同的模式跳轉(zhuǎn)不同的流程控制步，例如當(dāng)模式選擇為取料模式時(shí)，上料傳送帶無(wú)需運(yùn)行，伸縮貨叉也無(wú)需伸出到位取傳送帶的貨物，載貨臺(tái)直接運(yùn)行到指定的取料位置即可。

圖7 判斷本次運(yùn)行模式程序

圖8的程序的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)上料機(jī)構(gòu)的控制，當(dāng)堆垛機(jī)在原點(diǎn)等待的時(shí)候，發(fā)料器開(kāi)始發(fā)料，傳送帶將貨物運(yùn)送到巷道口，同時(shí)，停止發(fā)料器停止工作。

圖8 上料傳送帶控制程序

因?yàn)樵谪浳锏拇嫒∵^(guò)程中，對(duì)伸縮貨叉的控制比較頻繁，圖9的程序采用調(diào)用公共字的方法：0基本位置，1工作位置，2取料位置。

圖9 伸縮貨叉控制程序

圖10的程序?qū)崿F(xiàn)的功能是對(duì)三色燈的控制，運(yùn)行時(shí)綠色燈亮，當(dāng)按下急?；蛘邥和５臅r(shí)候紅色燈亮，處于等待過(guò)程中的時(shí)候黃色燈亮。

圖10 設(shè)備運(yùn)行三色燈控制程序

本案例的PLC控制程序的主要控制方法就是流程步嵌套分支控制實(shí)現(xiàn)主邏輯控制，將伸縮貨叉在不同的模式下的動(dòng)作情況進(jìn)行分解控制。在對(duì)庫(kù)內(nèi)貨物狀況展示控制采用IF語(yǔ)句的嵌套判斷，當(dāng)有貨物時(shí)為“1”，當(dāng)沒(méi)有貨物或者貨物被移走為“0”狀態(tài)，以此來(lái)控制與庫(kù)位相對(duì)應(yīng)的指示燈亮滅。

2.2.3 HMI設(shè)計(jì)

采用WinCC Comfort實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)，觸摸屏型號(hào)選擇精致系列面板中的9英寸顯示屏，型號(hào)為T(mén)P 900 Comfort。以此達(dá)到對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)的控制與監(jiān)控。

在TIA Portal V17中完成設(shè)備組態(tài)和通信后，需繼續(xù)進(jìn)行以下的編輯：

（1）新建畫(huà)面

在HMI編輯狀態(tài)下，利用“新建畫(huà)面”功能，新建4個(gè)新畫(huà)面，將第一張畫(huà)面命名為“倉(cāng)位監(jiān)控”并將其定義為起始頁(yè)面，其他畫(huà)面依次命名為“輸入監(jiān)控”、“輸出監(jiān)控”和“報(bào)警查詢”。

（2）畫(huà)面中控件組態(tài)

在畫(huà)面頂部添加文本框并輸入“立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制與監(jiān)控系統(tǒng)”，在畫(huà)面左邊添加4個(gè)按鈕，將按鈕名稱(chēng)改為步驟1中的名稱(chēng)，然后對(duì)各個(gè)按鈕進(jìn)行“事件”設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)畫(huà)面切換功能。同時(shí)，設(shè)置區(qū)域指針，以便將PLC中讀出的系統(tǒng)時(shí)間同步于HMI。

在“倉(cāng)位監(jiān)控”頁(yè)面中添加54個(gè)“文本域”代表54個(gè)倉(cāng)位和一個(gè)I/O域。對(duì)每一個(gè)“文本域”進(jìn)行建立變量連接，同時(shí)，將第一個(gè)“文本域”文本內(nèi)容改寫(xiě)為“1#倉(cāng)”，其余的“文本域”按照從右向左，從上往下的原則按順序進(jìn)行編號(hào)。此處的I/O域需要實(shí)現(xiàn)的功能是操作模式的切換，將其設(shè)置為下拉菜單模式即可。倉(cāng)位監(jiān)控界面如圖11所示。

圖11 倉(cāng)位監(jiān)控界面

在“輸入監(jiān)控”頁(yè)面中添加按鈕，并將文本內(nèi)容改為控制系統(tǒng)的各個(gè)輸入信號(hào)名稱(chēng)，并建立內(nèi)部變量連接，以達(dá)到能夠監(jiān)控控制系統(tǒng)各個(gè)輸入信號(hào)的狀態(tài)。

在“輸出監(jiān)控”頁(yè)面中添加按鈕，并將文本內(nèi)容改為控制系統(tǒng)的各個(gè)輸出信號(hào)名稱(chēng)，并建立內(nèi)部變量連接，以達(dá)到能夠監(jiān)控控制系統(tǒng)各個(gè)輸出信號(hào)的狀態(tài)。

在“報(bào)警查詢”頁(yè)面中添加報(bào)警控件，將控件大小調(diào)整至合適頁(yè)面大小，并對(duì)“報(bào)警文本”“報(bào)警類(lèi)別”和“報(bào)警觸發(fā)變量”等進(jìn)行設(shè)置和連接。

（3）仿真運(yùn)行

將編輯完成的畫(huà)面進(jìn)行編譯下載，若出現(xiàn)編譯失敗，根據(jù)編譯結(jié)果的提示進(jìn)行修改并對(duì)相關(guān)的連接變量和組態(tài)屬性檢查，直至編譯成功。

2.3 立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)合測(cè)試

2.3.1 存貨入庫(kù)測(cè)試

在HMI界面中輸入指定的貨位時(shí)，發(fā)料器開(kāi)始發(fā)料，上料皮帶將貨物運(yùn)送至堆垛機(jī)的取貨位置，此時(shí)，堆垛機(jī)會(huì)將貨物取下并存到指定貨位，動(dòng)作結(jié)束后，回到原點(diǎn)停止運(yùn)行。存貨任務(wù)執(zhí)行界面如圖12所示。

圖12 存貨任務(wù)執(zhí)行界面

2.3.2 取貨出庫(kù)測(cè)試

當(dāng)在HMI界面中輸入要取出貨物的貨位，堆垛機(jī)會(huì)運(yùn)動(dòng)到該貨位將貨物取出并送到出貨臺(tái)，動(dòng)作結(jié)束后，回到原點(diǎn)停止運(yùn)行。取貨任務(wù)執(zhí)行界面如圖13所示。

圖13 取貨任務(wù)執(zhí)行界面

2.3.3 移庫(kù)測(cè)試

移庫(kù)操作即將一個(gè)貨位的貨物取出并存放到另一個(gè)貨位，在HMI界面選擇進(jìn)行移庫(kù)操作，并在彈出的窗口中選擇需要取出貨物的貨位，確認(rèn)之后再輸入要將當(dāng)前物品存放的貨位即可。此時(shí)，堆垛機(jī)會(huì)進(jìn)行動(dòng)作來(lái)完成移庫(kù)任務(wù)，結(jié)束后，堆垛機(jī)回原點(diǎn)并停止運(yùn)行。移庫(kù)任務(wù)執(zhí)行界面如圖14所示。

圖14 移庫(kù)任務(wù)執(zhí)行界面

3 結(jié)語(yǔ)

利用FACTORY IO搭建立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)場(chǎng)景，并采用WinCC Comfort軟件開(kāi)發(fā)HMI，通過(guò)FACTORY IO和TIA Portal V17聯(lián)合仿真測(cè)試，立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制與監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)存貨、取貨和移庫(kù)等基本功能的虛擬仿真。但是仍存在不足之處，因?yàn)闇y(cè)試部分使用的是軟件模擬，和用實(shí)物測(cè)試相比較還是有差距的。所以對(duì)于在教學(xué)環(huán)節(jié)中的一些大型復(fù)雜設(shè)備可以采用虛擬仿真的方法，而一些簡(jiǎn)單、小型設(shè)備仍以真實(shí)被控對(duì)象為主。