基于西門子PLC的自動化立體倉庫堆垛機控制系統設計

寧夏職業技術學院 哈貴庭

1.前言

現代物流技術和自動化技術的不斷發展衍生了各種物流產品，立體倉庫就是針對物流倉儲常用的一種，立體倉庫作為自動化技術的產品，它綜合了自動控制技術與計算機管理技術，借助堆垛機對貨物實現存取操作，自動化立體倉庫堆垛機不僅具有存取貨物的功能，它還能對貨物進行分類、分揀、計數和配送等操作。自動化立體倉庫主要由計算機控制系統、自動化堆垛機和高層貨架三部分組成，多個功能子系統共同構成了物流倉儲的信息系統。隨著客戶對物流信息化要求增高，切實掌握倉儲情況及時更新倉儲信息成了現代物流信息化的重要因素，為了提高物流信息的可靠性和實時性，我們必須保證立體倉庫系統具有正常作業和信息統計功能。除此之外還需提高立體倉庫系統的柔性化，在系統中融入條形碼掃描技術和射頻計數等采集貨物信息的技術，以滿足現代物流自動化需求。

2.自動化立體倉庫系統設計

從圖1可看出自動化立體倉庫主要包括計算機控制系統、自動存取設備和高層貨架三個部分，另外它還具有整合子系統收集整理信息等功能。自動化立體倉庫由多個環節綜合而成，在多方面因素的相互作用下其過程相對復雜，因而構建自動化立體倉庫，首先需了解各個組成部分的特性和相互作用。計算機控制系統即人機交互界面，通過它操作人員可對立體倉庫的運作進行控制和監視，另外貨物存儲和物流作業安排都是由控制系統負責；高層貨架與傳統的貨架區別在于利用貨物的層疊擴展和延伸儲存空間，科學有序的安置不僅使得貨物分類明確，同時也降低了管理難度；自動存取設備是執行任務的主要工具，作為倉儲作業的主要勞動力，它決定了物流倉儲的工作效率，提高立體倉庫運行效率的關鍵就在此。如圖1所示為自動化立體倉庫系統構成圖。

自動化立體倉庫與周邊設備的位置呈星形拓樸模式，自動化立體倉庫系統主要由堆垛機工控系統、計算機上位機WMS軟件系統、轉軌車工控系統、地面主柜工控系統和AGV工控子系統五部分組成。WMS是自動化立體倉庫管理系統的軟件，該系統屬于常見的數據庫應用軟件系統。由于該軟件是按照標準化設計的，因而在貨物控制和管理中具有很強的相似性，因此可將它作為企業ERP系統的一個子模塊，主要負責兩者的數據交匯。相對應用系統而言，針對不同的項目堆垛機的設置需嚴格按照要求定制，對工控系統而言除了在功率配置上有所不同外，其它工作模式基本類似，因此，采用標準化的軟件就可進行設計開發。轉軌車的工作原理更加簡單，它只需按照設定軌道將貨物運行到制定地點，AGV工控系統從上位機上接受任務指令后，負責對貨物進行裝卸

3.堆垛機工控系統硬件設計

如圖3所示堆垛機工控系統包括了計算機控制平臺、地面主柜控制系統以及堆垛機控制系統三個部分。堆垛機控制系統本身具有輸入輸出數字端口(I/0)模塊，它主要由三個驅動部分、激光定位單元和保護功能傳感器共同組成，通過端口與PLC相連接，接收堆垛機PLC控制器的指令并執行任務。操作人員只需在堆垛機提供的手動控制按鈕端口處輸入指令，即可實現手動模式。如圖2所示為堆垛機工控系統結構框圖。

堆垛機工控系統模塊配置包括輸入地址、輸出地址、訂貨號、固件、MPI地址等信息，其中MPI地址號主要是針對在線調試通訊。另外該系統使用的西門子PLC本身自帶現場總線通訊功能，針對不同方向的電機變頻器及激光定位裝置提供通訊，Profibus總線連接配置需與從機號相對應，保證主機與從機之間的正常通訊。如圖3所示為堆垛機工控系統模塊配置。

地面主柜控制系統的主控單元采用的是西門子PLCCPU315-ZDP，數據交互則是通過CP343-1Lean無線通訊模塊實現計算機主控系統與堆垛機之間的通訊。根據倉儲需求地面主柜控制系統需具備液晶顯示和操控按鈕輸入兩項功能，通過在線操作實現立體倉庫的半自動功。CP343-1Lean無線通訊模塊與TCP/IP局域網連接后，操作人員可布置相應的任務，數據通過PC機可直接進行交換，計算機管理系統根據數據引導便可下達相應的指令，由堆垛機執行命令完成任務。

圖1 自動化立體倉庫系統構成圖

圖2 堆垛機工控系統結構框圖

圖3 堆垛機工控系統模塊配置

圖4 堆垛機控制系統軟件框圖

4.堆垛機工控系統軟件設計

堆垛機工控系統是由堆垛機控制系統、地面主柜控制系統和計算機上位機軟件三部分實現立體倉庫的自動化，前兩者是建立在PLC基礎上，主要針對西門子PLC集成第七步設立的開發環境；后者則是通過visua1C++實現環境開發的，Visualstudio6.0是該軟件的主要開發環境。

4.1 堆垛機控制系統軟件設計

借助PLC堆垛機控制系統可實現其功能，按照程序標準在第七步集成開發環境下對功能模塊進行設計，由堆垛機控制系統控制的五個子模塊分別具有入庫功能、出庫功能、轉彎功能、通訊功能和保護功能，而堆垛機控制系統則是各子模塊的控制中心，同時負責對數據進行發送與監聽、功能請求與判斷、數據實時捕捉、激光數據定位以及采集傳感器信號等工作。如圖4所示為堆垛機控制系統軟件框圖。

入庫功能模塊根據接收到的指令將貨物從卸貨點運送到指定貨架的某個位置，它的云次運行流程為移動到制定貨源位置、升出貨叉、載貨臺微升、收回貨叉、移動到高層貨架制指定位置、升出貨叉、載貨臺微降、收回貨叉。其中貨源位置和高層貨架位置是用坐標表示的，x代表平行貨架的行號，Y代表位于固定軌道方向的貨架列號，Z代表縱向位置即貨架高度，用坐標的方式表示可將貨物準確的送至指定位置。當操作過程中沒有無轉軌車，堆垛機執行任務的運動軌道轉變為圓弧形，當堆垛機運行速度過快時就可能出現側翻現象，且運行速度過快對軌道早成的磨損也就越大。當堆垛機從一條巷道進入另一條巷道，貨叉方向發生了左右置換，此時還需要考慮堆垛機存取貨物時所在行道，需要用奇數偶數的方法來判斷貨叉方向是否發生了左右置換。堆垛機轉彎動作：接收入庫指令后起動運行直至轉彎點，降低運行速度準備轉彎，由于激光定位裝置無法定位轉彎位置，因此無法獲取相應的定位信息，當堆垛機運行到水平位置，激光定位裝置恢復定位功能，獲取對應的定位信息，設置左右貨叉方向到達新巷道目標地址，這就是轉彎的整個過程。

4.2 地面柜臺控制系統軟件設計

地面主柜控制系統主要負責堆垛機的半自動作業過程，在控制盤鍵盤上輸入作業指令使堆垛機開始作業，通過地面柜臺的控制盤顯示設備對堆垛機運行狀態信息進行查看和監督，該控制系統可對堆垛機實行在線調試，另外當上位機出現通訊失靈現象時還可通過手動調度協助堆垛機完成作業。地面主柜控制系統主要由PLC主控制單元、輸入輸出I/O接口、無線數據模塊和LCD顯示模塊四部分組成。

4.3 上位機軟件系統設計

自動化立體倉庫是自動化技術與計算機技術兩者的綜合產品，在現代物流中采用自動化立體倉庫不僅降低了倉儲成本，還提高了倉儲管理效率，上位機軟件的規范性和通用性是自動化立體倉庫的有效保證。計算機上位機軟件在自動化立體倉庫的管理中具有以下功能：貨物在庫管理、貨物調整貨位管理、入庫出庫管理、遠程監控堆垛機的運行狀態、錄入和查詢貨單、對地面主柜工作狀態進行遠程控制、打印庫存物流信息。

5.結語

本文針對自動化立體倉庫堆垛機控制系統進行了設計和研究，提出了基于西門子PLC的自動化立體倉庫堆垛機控制系統設計，該設計不僅包含了堆垛機坐標運行設置，還包括地面主柜控制系統軟件的實現與計算機端上位機管理信息系統的實現。堆垛機是自動化立體倉庫執行任務的主要器械，同時也是倉庫搬運的主要勞動力，它的運行受到了地面主柜控制系統和上位機管理信息系統的共同作用。對于控制系統設計而言，PLC控制器和外圍擴展設備都是有各種功能模塊組成，只需通過編程就可實現模塊功能，唯一需要考慮的是它們之間的相互兼容性，因此需根據子系統的功能要求進行編程，明確模塊化思想。

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