基于S7-1500 PLC和RFID的注塑模具自动化仓库系统设计

李学军，程 红

（1.四川大学 锦城学院，成都 611731；2.成都理工大学，成都 610059）

0 引言

注塑件的成型品质很大程度上取决于模具性能。随着新材料和新技术的开发利用，注塑产品的适用领域和行业需求不断扩大，制造周期明显缩短，注塑生产也逐渐趋向于小批量、多样化和复杂化[1]。然而，对于大多数注塑件制造厂商，由于生产订单的不确定性，塑件规格和种类的增多，都为模具的管理工作带来一定的难度，模具随意堆放和使用不规范等现象，不仅造成车间存储空间的浪费，也影响模具的性能与使用寿命[2,3]。目前，产品数据PDM、产品生命周期PLM和集成化ERP等系统的融合和应用方便了对模具使用信息的高效管理，但模具使用和维护等信息数据的记录仍主要依靠人工完成，不仅效率低、耗时多，繁杂的模具查找和维护工作也会影响注塑车间的整体生产效率。

射频识别（RFID）是一种非接触、近距离无线通信技术，通过RFID终端自动识别标签信息，实现物与网络之间双向数据交互和动态管理[4～6]。在制造业领域，PLC是应用最普遍的工业控制器，与射频RFID融合有助于实现生产数据的在线监控管理。因此，针对注塑模具仓库管理需要，设计了一种支持模具在线查询和管理的自动化控制系统，由射频RFID记录模具出入库、使用等工作状态，再利用S7-1500PLC、工业以太网和物联网将注塑生产数据自动写入标签，提高模具仓库信息化管理水平，使其真正为注塑车间的高效作业服务。

1 系统总体构成

模具自动化仓库是注塑成型的重要辅助单元，通过融合工业以太网和物联网进行模具出入库登记、上下架整理等基本业务，系统总体构成如图1所示，主要包括上位机监控、注塑生产控制和仓库自动化管理等部分。

图1 模具自动化仓库总体构成

上位机监控负责调度和管理整个生产区域，一方面伴随塑件的成型过程，由注塑机PLC在线记录与生产过程相关的模具使用信息，另一方面通过读RFID标签、自动搬运和堆垛，远程管理模具仓库。注塑生产控制以工业以太网为核心，通过PLC实现注塑机、仓库机电设备的自动控制，再利用以太网与上位机进行通讯，远程交互模具使用信息。

仓库自动化管理由立式货架、搬运机和堆垛机等设备组成，当使用模具A时，通过上位机或仓库现场触摸屏面板在线查询该模具信息，经确认后，控制堆垛机行走、货台升降和货叉伸缩，将模具A从立式货架转移到搬运机工位。仓库PLC系统再控制搬运机动作，将模具转移到射频读卡区，在有效的识别间距下由RFID读卡器记录模具A出库。同样，当模具A使用完成后，由RFID读卡器记录模具A入库，先确认模具是否需要维护，再通过搬运、堆垛行走、货台升降和货叉伸缩将模具转移到立式货架的对应位置。

2 仓库系统硬件设计

注塑模具自动化仓库以S7-1500 PLC为核心，利用射频RFID在线记录模具出入库信息，再通过搬运机和堆垛机自动整理模具，控制系统基本构成如图2所示。

图2 PLC系统组成

对于PLC模块，考虑控制系统性能、开发成本和I/O点数等因素，PLC选择CPU 1516-3PN/DP。与S7-300/400相比，S7-1500 PLC硬件、软件和上位机监控可通过TIA portal平台开发，在提高组态和编程效率的同时，方便技术人员在线查询CPU的工作状态，并提供相对直观的故障反馈信息。CPU 1516具有2个Profinet（X1 P1/P2和X2 P1）和1个Profibus接口，其中，X2 P1作为从站接入端口，通过工业以太网总线与上位机数据交互，X1 P1作为设备接入端口，通过交换机X208实现触摸屏TP1200、2台变频器G120、分布式I/O单元ET200SP等模块之间的Profinet通信。模具出入库信息记录和堆垛定位采用支持Profibus通信的终端，其中，射频RFID读卡器采用CK-F080P01，与标签数据交互的典型距离约15cm，堆垛定位采用激光测距DL100和条码定位传感器OLM200[7]，再分别确定模具对应的立式货架和堆垛位置。

CPU 1516-3PN/DP机架上添加电源PM 190W、开关量输入DI 16和开关量输出DO 16模块。其中，DI 16用于输入控制台上电（钥匙选择开关）、急停、自动与点动工位转换旋钮、搬运机和堆垛机控制状态转换旋钮与点动控制按钮（前进和后退、货叉伸缩、货叉升降）等信号，DO 16用于控制输出系统运行与状态指示灯，以声光报警方式直观反映系统或机电设备故障。控制柜前面板安装TP1200触摸屏，通过Profinet通信为自动化仓库机电设备控制、状态监测、立式货架模具信息查询和管理提供现场人机交互服务。搬运机和堆垛机的行进、货叉伸缩、货叉升降等工作状态分别由G120变频器控制，每台变频器分别控制3台相同的异步电机，且在变频器控制模块中设置电机参数（额定功率、转速、转矩等）和Profinet通信协议，搬运与堆垛控制原理如图3所示。

图3 搬运与堆垛控制原理

模具出库或入库时，分别通过上位机或RFID读卡器将模具信息发送给仓库S7-1500 PLC，将其在立式货架的位置数据（图3虚线所示）作为给定。由图2可知，分布式I/O ET200SP提供2×DI 32、2×DO 32和2×AI 4，其中，2×DI 32用于输入货叉常闭限位、货架常开限位、货叉过升降和过伸缩预警限位等信号，2×DO 32输出控制继电器和接触器，以实现行走M1、货叉升降M2和货叉伸缩M3等动作切换，2×AI 4用于检测搬运机和堆垛机运行过程中电压和电流参数。G120变频器负责行走M1、货叉升降M2和货叉伸缩M3的直接控制，如图4所示，DI 0～D2 1分别对应电机的正转、反转和复位。当分布式I/O ET200SP控制KM1和KM4闭合，G120控制行走电机M1，由激光测距反馈控制，确定立式货架位置后，KM4断开、KM5闭合，G120再输出控制货叉升降M2，由条码定位反馈，确定立式货架上模具的堆垛位置后，KM5断开、KM6闭合，G120再控制货叉伸缩M3，由货叉常闭限位和货架常开限位反馈控制，当货叉伸出到位且模具堆垛到位同时满足时，货叉停止伸出。

图4 变频控制电路

3 仓库系统软件设计

自动化仓库控制软件在TIA portal平台上开发，主要包括对S7-1500 PLC控制程序、TP1200触摸屏界面和上位机监控界面等设计。PLC程序用于注塑模具出入库的自动控制以及对控制台、触摸屏或上位机监控请求的响应，程序控制流程如图5所示。

图5 PLC程序控制流程图

模具出入库自动控制程序由搬运子程序、堆垛子程序、状态监测和处理子程序、故障报警子程序等组成。其中，状态监测和处理子程序在线判定仓库控制系统I/O状态，并对特定 I/O状态作出响应，进而触发对应的中断以调用搬运、堆垛、故障报警等子程序。模具入库时，射频RFID读卡器自动读取模具标签信息，S7-1500 PLC通过Profinet与上位机进行交互，判定模具是否需要维护。由于模具在注塑过程中使用信息已通过Profinet传回上位机，技术人员在注塑结束后对模具进行维护，相关信息也录入生产管理过程。但是，在入库前模具未进行维护，则需要由仓库S7-1500 PLC作出判定，方便技术人员及时维护模具。如果模具已维护或不需要维护，触发中断调用搬运子程序，将模具由RFID读卡区搬运至待堆垛区。同样，模具搬运完成后，再触发堆垛机控制子程序，将模具转移到立式货架上。

触摸屏或上位机为模具仓库管理提供最基本的人机交互服务。触摸屏主要用于模具位置和堆垛空位的在线查询，如图6所示，方便技术人员查询和管理具体模具的使用情况。

图6 触摸屏界面

上位机用于模具仓库总体业务的监控管理，如图7所示，支持对多立式货架模具位置和堆垛空位查询、搬运机和堆垛机变频调速控制等。模具仓库管理作为一个子监控界面，通过主界面和返回选项，方便与注塑过程监控主界面的自由切换。变量状态选项输出仓库S7-1500 PLC监控I/O和中间变量状态，对其中异常进行报警，再通过报警选型反馈给管理人员。模具仓库管理提供7排货架共145个货格位置的直观显示和查询，能根据实际需求灵活分配和扩展货架货格，并由货架货格的柔性分配扩展设置搬运和堆垛等设备运行参数。

4 结语

由于注塑模具随意堆放和使用不规范等问题，不仅浪费车间存储空间，也影响模具性能与使用寿命。在此背景下，通过研究注塑模具出入库管理需求，利用S7-1500 PLC设计了一种支持模具在线查询和管理的自动化仓库系统，并在TIA portal平台上进行硬件组态、通信配置、PLC程序和监控界面的开发设计。对于注塑模具的自动化仓库管理，由射频RFID记录模具的出入库信息，融合工业以太网和物联网，利用PLC或上位机处理模具使用数据，再调用相应的机电设备实现模具搬运或堆垛控制。自动化仓库为技术人员开展模具管理工作提供便利，实现对对模具使用信息、状态的高效管理，解决了过往模具管理存在的问题，在一定程度上提高了注塑生产效率。

图7 上位机界面