实例分析ET200S 模块应用

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摘要: 本文介绍了基于 et200s 的立体仓库堆垛机控制系统的构成、定位方式、硬件选型和软件设计，并针对G120 变频器调试过程中可能出现的问题提出了解决方案。

关键词: ET200S；堆垛机；G120 变频器；Profinet

Abstract: This article introduces the stereoscopic warehouse based on the ET200S stacker control system constitution, positioning methods, hardware selection and software design, and puts forward the solutions of the possible problems in the G120converter debugging process.

Key words: ET200S; stacker; G120converter; profinet

中图分类号：TU7文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

堆垛机主要由起升机构、运行机构、货叉伸缩机构、机架以及电气部分组成，可以实现 3个方向的运动 ( 行走、升降、货叉伸缩) ，并结合 3个方向的定位检测、货物状态检测，完成立体仓库存取托盘及货物的功能。目前，堆垛机的控制系统主要采用 PLC 作为主控制器。

1．ET200S 介绍

ET200S 是西门子公司的一种分布式 I/O 系统，具有丰富的信号模块，支持电机启动器、变频器、Profibus 和 Profinet 网络，具有体积小、接线方便、支持带电热插拔功能。本文所述控制系统采用的ET200S 组件为 IM151－8PN/DP CPU 接口模块，该模块具有 PLC 功能，是 1 个“智能预处理器”。它可以实现分散控制任务，能够被扩展至最多 63个来自 ET200S 的 I/O 模块，集成 3 端换机功能的 Profinet 接口可以实现大数据量高速通讯。

2．控制系统

2.1 工作模式

堆垛机的工作模式有联机自动、单机自动和手动3 种。在系统正常的情况下，堆垛机工作在联机自动模式下，图 1 为联机自动模式下控制系统结构图。操作人员通过上位机的仓库管理软件向堆垛机发出作业指令，堆垛机在执行指令过程中向上位机实时反馈故障信息、作业完成情况、当前状态等。当无线通讯出现故障时，在单机自动模式下，操作人员登机后通过触摸屏输入作业指令，堆垛机也可以自动运行。手动模式用于调试和维修。

图 1 控制系统结构图

2.2 定位方式

堆垛机在水平和垂直方向一般使用遮光式光电检测定位，更高级的定位方式有旋转编码器、激光测距器、条码及扫描器定位，但成本较高。遮光式光电检测定位通过检测光电开关经过认址片时的状态变化来触发 PLC 内部计数器的增减，以此记录堆垛机当前所处的行和列。这种方法记录的是相对位置，当光电开关受到干扰时容易出现计数紊乱。本系统中水平和垂直方向分别用 3个槽型光电开关定位，中间的光电开关用于计数，另外 2 个做辅助计数，这种方式能够有效减少因干扰造成的计数错误。另外，在水平和垂直方向增加零点对位开关，用于计数错误时 PLC 内部计数器的复位。

图 2 为水平和垂直方向定位时光电开关与认址片的相对位置。水平认址片是在堆垛机行走路线的每一列设置的固定遮光板，当 3 个光电开关同时有效时认为水平定位准确。由于货叉在存取货物时，垂直方向需要进行微升和微降，所以，垂直方向的每一层都设有低位和高位定位。当载货台上有货物时垂直方向应停在高位，反之，停在低位。

(a) 水平方向定位 (b) 垂直方向高位定位

(c) 垂直方向低位定位

图 2 定位方式

2.3 变频器选型及控制

本系统所用变频器为 SINAMICS G120 系列，它是由多种不同功能单元组成的模块化变频器，包括控制单元(CU) 和功率单元(PM)。控制单元对功率模块和所接电机进行控制和监控，支持与本地或中央控制的通信并且支持通过监控设备和输入/输出端子直接控制。ET200S 与触摸屏和变频器之间采用 Profinet 通讯，所以控制模块选用CU240S PN，功率模块选用 PM240。

因货叉电机与行走电机和起升电机不会同时运行动作，因此，在控制流程中，要做好3个变频器的工作时序，做好互锁功能，保证系统可靠安全。

在行走和升降方向上堆垛机的速度控制采用总线形式，可以有效减少 ET200S 与变频器之间的接线数量，ET200S 向变频器发送控制字来实现电机起停和速度变化，变频器向 ET200S 发送状态字反馈当前状态和实际速度。为了保证运行平稳和定位准确，采用多段速运行方式，通过计算目的地址和当前地址的位置差来确定当前速度 (见图3)。当差值大于 S3时为高速启动，差值为 S2时降为中速，差值为 S1时降为低速直至目的地址，若目的地址与起始地址差值小于 S2大于 S1则直接以中速启动。

图 3 速度控制

当升降电机低频运行时，如果电机扭矩不足以提升重物，则会发生溜车现象。针对这个问题G120 控制模块设计了抱闸输出控制功能，通过将其自带的数字量输出端口设置为电动机抱闸投入功能，然后设置合适的最小频率 (P1080)、抱闸制动释放延迟时间 (P1216)和斜坡曲线结束后的抱闸时间(P1217)，就能达到满意的提升特性。需要注意的是: V2. 10 以上版本的 G120 控制单元抱闸控制逻辑做了改变，区别如图 4 所示。

(a) V2. 09 抱闸时序 (b) V2. 10 抱闸时序

图 4 G120 控制单元抱闸控制逻辑

3．软件设计

ET200S 的编程软件为 Step 7，在 S7 － 300 指令列表中可以找到对 IM 151 － 8 PN/DP CPU 接口模块进行编程的 Step 7 指令集，其支持 LAD、STL和 FBD 3 种编程方式。LAD 和 FBD 是图形化的编程语言，易理解但灵活性相对较差，STL 更接近程序员的语言，能够实现指针等非常灵活的控制。编程前进行硬件组态，并分配 I/O 地址以及变频器和触摸屏的 IP 地址。主要程序结构见图 5，根据工作模式，软件系统主要由点动、手动和自动 3 个子程序构成。其图 5 流程图中，自动模式又包括通讯、行走、提升和货叉动作等若干具有独立功能的子程序，能够实现自动定位、故障报警等功能。

图5流程图

4．结论

本文介绍了一种基于 ET200S 的堆垛机控制系统，通过 Profinet 实现变频器控制和触摸屏显示，有效减少了 I/O 模块数量，降低了成本。配线简洁美观，通过高性能的 G120 变频器提高了行走、提升和货叉的平稳性和安全性以及定位的准确度。

参考文献：

［1］ 西门子(中国)自动化与驱动集团. 深入浅出西门子S7－300PLC［M］. 北京: 北京航空航天大学出版社，2004.

［2］ 周天沛，代洪. 基于 PLC 的自动化立体仓库控制系统［J］. 起重运输机械，2009 ( 2) : 43 －46.

［3］ 陈金玉 . 立体仓库堆垛机的设计［J］. 现代物流，2006(4)

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。