基于PLC 的港口物流倉庫堆垛機監控系統研究

原 峰

營口港務股份有限公司 固機分公司作業一部

本文針對港口物流快速高效的需求，為實現港口物流倉庫堆垛機自動化運行和控制，在構建巷道式港口物流倉庫物理模型的基礎上，提出了一種基于PLC 技術的物流倉庫堆垛機自動監控系統的設計與實現方案，詳細討論了系統的結構設計、系統的軟硬件設計和通信技術實現的過程。實驗證明，通過PLC 對物流倉庫堆垛機進行自動控制安全可靠，為港口物流管理工作的信息化奠定了基礎。

隨著貨運港口經濟建設的迅猛發展，沿海的貨運港口吞吐量快速提升，逐步擴大的物流倉庫建設規模，貨物的儲備和運送量也越來越大，物資流通得到進一步促進，倉儲物流設備在市場中的需求量更會逐年遞增，并且在倉儲存取率、信息化程度、自動化程度等方面對港口物流提出更高的要求。

隨著貨運港口經濟建設的迅猛發展，沿海的貨運港口吞吐量快速提升，逐步擴大的物流倉庫建設規模，貨物的儲備和運送量也越來越大，物資流通得到進一步促進，倉儲物流設備在市場中的需求量更會逐年遞增，并且在倉儲存取率、信息化程度、自動化程度等方面對港口物流提出更高的要求。

物流立體庫也稱為高架倉庫，一般是指將貨物儲存在幾層、十幾層高的貨架中，用相應的自動化搬運設備對物資進行出庫和入庫操作的物資倉庫。自動化立體庫是物流技術快速發展的成果，一般由輸送機、巷道堆垛機、高層貨架、計算機控制系統等構成，能夠在計算機監控系統的控制下對單元貨物進行自動存取作業。

在物流倉庫中，堆垛機是自動化立體倉庫中輸送系統的核心機械設備，是整個倉庫出入貨物運行通暢的關鍵。自動化立體倉庫應用日趨廣泛，提高堆垛機的性能，通過合理的控制速度，精準的貨格定位來實現堆垛機的效安全運行，能夠提高物流倉庫的運行效率，對物流倉庫的正常運行起著重要作用。

港口物流倉庫堆垛機監控系統采用西門子S7-300 型PLC 設計，運用Step7 編寫堆垛機自檢、復位、運行控制、異常應急處理等程序。同時，在Visual C++開發環境下設計監控系統的人機操作界面，并通過RS-485 總線實現監控計算機與PLC 的實時通信。在港口物流中利用先進的PLC 技術建設港口物流倉庫堆垛機實時監控系統，可以提高物流倉庫執行效率，促進港口貨運的服務水平，滿足現代物流快速發展的需求，提高港口在運輸市場的競爭力。

1 監控系統結構設計

本文研究的港口物流倉庫采用高層貨架來完成貨物存儲，每兩排貨架間留有巷道供堆垛機存取貨物作業。倉庫主要由貨架、巷道堆垛機、出入庫配套設施和計算機監控系統組成。貨架由；巷道堆垛機是自動化立體倉庫的關鍵設備，由機架、升降機及貨叉等組成，它在貨架中的巷道上往返運行，完成貨物的出入庫任務；貨架上裝有配套機械設施，能夠保證堆垛機準確、高速地完成貨物的存取操作；計算機系統控制堆垛機在固定的巷道中完成垂直和水平作業，實現貨物存取的集中控制。圖1 為貨運倉庫的動畫模擬圖。

圖1 貨運倉庫模擬圖

圖2 系統結構拓撲圖

本系統由現場堆垛機控制單元與監控計算機系統組成。現場堆垛機控制單元是采用PLC 組成的控制系統對各設備進行實時自動控制操作，堆垛機采用S7-300 型PLC 控制，通過堆垛機水平和縱向變頻系統對堆垛機運行機構進行調速。監控計算機系統實現與現場控制的PLC進行實時數據通訊、實時監控堆垛機存取貨物流程。同時，在Visual C++開發環境下設計監控系統的人機操作界面，并通過RS-485 總線實現監控計算機與PLC 的實時通信。系統結構拓撲圖如圖2 所示。

2 監控系統軟件設計

堆垛機現場控制程序包括：堆垛機自檢、復位、運行控制、異常應急處理等程序。

1）堆垛機自檢程序

堆垛機自檢程序主要完成設備的自檢，用于檢測堆垛機設備以及各種機械是否處于初始位置，設備初始化正常，檢測信息無異常情況，才能對運行機構進行相應的控制操作。如果檢測信息發現異常，則需排除故障問題后才可繼續操作。

2）堆垛機復位程序

堆跺機控制程序在運行過程中有異常狀況發生時，如果不能及時排除故障，會導致貨物出入庫管理出現問題，復位程序能通過復位按鈕方便的恢復堆垛機控制系統的數據和設置，會啟動返回原位程序，以重新設定系統的當前值歸到原位，保障系統的正常運行。

3）堆垛機出入庫程序

堆垛機現場控制程序接收到操作任務命令后，對堆垛機執行自動入庫或者出庫作業。通過通訊接口接收到目標貨物的層數、列數，設定入庫動作，然后開始執行貨物入庫操作。控制堆垛機執行機構取貨，托起貨物后移動向程序設定的目標貨位，通過傳感器檢測目標貨位是否有貨，將貨物運放到目標貨位，控制堆垛機返回到初始位置待命。

3 系統安全保護措施

堆垛機控制系統是貨物倉庫儲存和流通的重要部分，如果系統發生故障，將會對操作人員和貨物造成嚴重損失，因此對系統設置相應的保護措施十分必要。堆垛機的故障一般可分為機械故障和電氣故障。機械故障是指由于系統長期使用而引起的設備磨損、斷裂、老化。電氣故障是指系統的電氣控制設備由于老化接觸不良等引起的系統失效故障。為了保障系統安全運行設置保護措施如下：

1）在貨架的水平和垂直端分別設置開關起到限位的作用，在堆垛機移動超出極限位置時，系統將對執行機構進行自動斷電并發出故障報警信號；

2）為了承受堆垛機全速滿載運行時的沖擊，通過設置緩沖器，在開關限位故障時能保障堆垛機的緩沖停車，確保堆垛機運行設備的安全；

3）在堆垛機上安裝貨倉虛實傳感器，用來檢測貨位是否已經存在貨物，避免雙重入庫操作引發的故障；

4）在貨倉上安裝貨物超差檢測傳感器，當檢測到貨物超出貨倉存儲空間時，停止貨物入庫動作并發出故障報警；

5）在堆垛機上安裝限速器安全鉗系統，當堆垛機的提升鋼繩出現斷裂時能夠及時鉗住貨叉，避免貨物跌落。

4 結語

本文設計了基于PLC 技術的港口物流倉庫堆垛機監控系統，構建了港口貨運倉庫及堆垛機控制物理模型。該系統采用Visual C++作為上位機軟件開發平臺，完成監控軟件設計，通過485 總線實現上位監控計算機與S7-300 PLC 的實時通信，采用Step 7 軟件編寫堆垛機現場控制程序，實現自檢、復位、運行控制、異常應急處理等程序。通過港口物流倉庫堆垛機監控系統仿真模型調試運行，該監控系統具有穩定性、可靠性和實時性，達到了預期控制指標，在港口物流倉庫系統中具有一定的應用價值。