1. 引言
随着当今社会科学技术发展越来越快，各类物料输送的生产线对自动化智能化程度的要求也越来越高，面对越来越大的压力，不但要充分考虑国内的主要竞争对手，国外市场的竞争也愈来愈激烈。在装备制造行业中，尖端技术设备已经取代了以往的手工操作，自动供料设备也愈加的受益，其中包括自动控制系统 [1]。随着社会的发展迅速，网络信息科技技术和国内市场经济的迅猛发展和欣欣向荣，产品的不断更新迭代速度越来越快，特别是高端技术快速发展，使社会的发展也变得高速，产品的类型和工艺形式日益复杂和细分，企业的管理、发展以及劳动力短缺，相对来说提高了人工成本，传统的手工供应材料已经不能满足要求，这时出现了自动供应自动化 [2]。在满足基本工作下，与之前的人工方式相比，大大提高了工作效率和可靠性 [3]。可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，通常称PLC)具有强大的控制能力和高速指令运算能力，对各类的可编程控制器性能，可以适用于各行各业，各种场合中自动检测，监控等功能，在现实工业生产得到了广泛的应用。在各种复杂的环境之下，为了满足装料、卸料等一系列连续运输过程，通过对小车运输路径系统的编程，远程控制也对小车自动控制提出了更高的要求，传统的方法已经无法满足生产需求，西门子PLC控制系统也可容易担负循环物料 [4]，同时，以物料配料管理系统的应用为例，探索PLC技术的应用流程 [5]，因此，PLC来实现这一控制功能具有重要的意义。
为了满足物料运输小车应用在各种场景中，需要对生产、制造和研发做出改进，可以提高工作效率，减少劳动力和降低成本 [6]。本文研究PLC程序控制小车货物，为我国的技术研究奠定一定的理论和实验基础。
2. 物料运输控制系统简介
经时间继电器下料时间，将物料下料到小车上，小车根据系统控制路径，货物将从甲地装载，甲地货物已装满小车，小车可直接将货物运输到乙地卸载，卸完料以后，可直接返回初始地甲地。控制系统对整个物料运输车路径和下料时间的控制。
2.1. 物料运输工艺流程图
若要实现自动运输控制设计控制系统关键技术非常重要，要按照设计的路线小车对物料的装卸等操作进行精确定位，达到运行平稳，控制程序简单以及运用于各种复杂环境中，但也面临着路线不能随机改变，只能按照用户给定的路线行驶缺点。通过流程图可以清晰的看出小车装料、卸料是否完成以及行驶路径。如图1运输工艺流程所示。
2.2. 控制系统硬件设计
运输物料小车控制系统主要硬件设备有：限位开关、PLC控制系统、驱动电机和时间继电器。
Figure 1. Transportation process flow diagram
图1. 运输工艺流程图
2.3. PLC主控制器选择
按照西门子组态动画中采用合理送卸小车模型，所需要的输入点7个，输出点2个，中间变量3个，通过物料运输控制系统输入/输出的特点，本文采用西门子S7-1500系列CPU1516控制器作为主控制器，相比较三菱PLC，西门子PLC可以在博图软件内进行仿真和调试，不像三菱PLC需要硬件接线，这样可以大量的节省时间，达到预期所做的目的，所以在接下来软件设计及仿真选用的是德国西门子PLC来完成相关任务。如图2上控制器，如图2下HMI (Human Machine Interface，称人机交互界面)所示。
Figure 2. CPU 1516 controller and HMI
图2. CPU 1516控制器和HMI
3. 物料运输软件设计
3.1. I/O分配表
HIM控制按钮的信号与PLC内部的端子需要一一对应，才能实现仿真和程序一致性，编写I/O分配表，如表1数据变量表所示。
3.2. 系统程序设计
3.2.1. 主程序块
系统上电，CPU运行，输入地址采用手/自动切换I0.0，置位为0系统默认为手动模式，置位为1为自动模式。通过表1的地址反映了输入地址、输出地址和中间变量，共同完成主程序块设计。
3.2.2. 手动自动模式选择
为了满足用户对产品的需求可选择手动或者自动模式，如切换到手动模式，触点接触，手动模式灯打开，可通过手动按钮来控制小车运动；通过时间继电器根据实际情况来选择合适的装卸料时间，以及限位开关对小车位置的要求是文章主要设计内容，根据以上的设计思路重点，来完成小车根据程序设计来完成仿真结果，如图3上手动右行，图3下手动左行、图4自动模式所示。
Figure 4. Automatic mode ladder diagram
图4. 自动模式梯形图
4. 组态仿真
4.1. WINCC的性能特点
基于PLC的HIM系统，对各行各业生产过程，工序可实现可视化及操作。WinCC强大功能可与多种自动化设备及软件集成，是一个高度可视化系统。WinCC是一个模块化的自动化组件，可简单有效的进行组态，集成简单，具有开发和扩展灵活的特点。
4.2. 仿真系统的搭建
仿真系统是以TIA Portal V15软件为基础，进行系统的仿真实验，这款系统的功能很强大，软件内不仅提高了各种各样可供选择的CPU类型，还提供了各种不同的HMI的人机交互界面，因此，这款软件可以实现在没有硬件的情况下，对程序进行编写和调用以外，还可以进行系统环境的搭建以及仿真运行。
系统在搭建时，点击新建工程中的添加新设备，在HMI界面中可以选择跟CPU型号相同规格的触摸屏，由于本次主要在软件中进行的模拟仿真过程，并没有具体的实物连接，所以此次此选择了一般常用的规格型号为TP 900 Comfort的触摸屏。
选择好触摸屏后，在画面中点击添加新画面，根据实际情况添加所需要的画面数量修改为相应的系统名称，然后开始在每一个画面中，根据系统设计时要用到的元件，从右边栏目的工具中寻找需要的元件，并且双击或者直接拖到画面内将其放置好，然后将摆放好的元件修改相应的变量数据即可。
将仿真系统搭建好后，还需要对放置到触摸屏中的元件进行属性上的修改，修改的内容要以PLC中定义的变量相对应，目的让搭建的组态环境与系统程序之间建立起联系，同时也是后面程序导入正常运行的基本条件。
4.3. 网络连接
在HMI界面中搭建好系统，需要将模拟量触摸屏型号为TP 900 Comfort面板与西门子PLC所选的CPU进行通讯接口连接，目的是实现HMI界面与程序相互衔接的过程，从而通过程序来控制系统进行模拟操作运行。在系统中，HMI界面的触摸屏和PLC型号的CPU 1516这两个模块都有提高相应的接口型号，都为PN/IE。具体的设备连接情况如图5设备连接所示。
根据设计需求建立了组态仿真画面，有小车、限位开关、时间继电器、指示灯和控制按钮组成，做出的组态画面，通过PLC程序控制来实现小车物料运输仿真，如图6 WINCC组态画面所示。
当切换到自动状态，按下启动，小车装料时间为3 S，此时甲地限位开关打开，当时间结束后，小车自动向乙地限位开关驶去，然后进行卸料为3 S，然后再到甲地进行装料，一直循环直到按下停止按钮，小车才停止运动。如图7、图8所示。
通过以上研究从手/自动切换模式，可以方便用户对小车控制来实现目标完成，相比于传统的手动或者自动，更加人性化设计，通过简单仿真实验与程序编写，仿真界面与程序变量端口一一对应，如图9所示。本设计过程的程序和仿真画面，相比较三菱PLC软件设计大幅度降低，更加方便初学者使用，以上实现本文章小车的程序流程图。
Figure 9. The emulation button corresponds one-to-one to the program variable
图9. 仿真按钮与程序变量一一对应
5. 结束语
基于西门子PLC控制的物料装卸小车设计，实现了按照用户设计的路线来完成相应的等待、运输和卸料的动作，通过此类设计可以广泛应用到工厂、工地等复杂路况，对智能一体化重点方向有所突破，未来会得到更多的重视和发展。本文通过PLC控制系统和WINCC组态结合，得到了控制程序和仿真相互实现，为后续的实物系统开发做出了一定的基础。