基于組態王和PLC小型立體倉庫的設計研究

譚猛

摘? ?要：小型立體倉庫改變了以往倉儲模式，實現倉庫自動化控制，并在倉儲行業得到越來越多的應用。結合組態王和PLC控制系統設計一種新的小型立體倉庫方案，從組態設計及PLC系統設計兩方面進行展開，構建更高效的倉庫控制系統，提升立體倉庫應用便捷性和靈活性，以期能夠提高倉庫自動化水平，節約更多的人力、物力，推動小型立體倉庫進一步發展、普及。

關鍵詞：組態王;可編程邏輯控制器;小型立體倉庫

小型立體倉庫能夠在自動控制的狀態下，完成存儲、出庫、統計等一系列倉儲活動，將倉儲物流與計算機、網絡及自動控制系統相結合，帶來一種更加高效的管理方式。立體倉庫的出入庫能力較強，能夠明顯提高倉儲空間利用率，進而節約倉儲成本，防止資金積壓。如上功能的實現需要建立在高質量控制系統的基礎上，因此有必要將組態王和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）融入其中，優化小型立體倉庫設計。

1? ? 基于組態王的小型立體倉庫設計

1.1? 模擬功能

設計方案以組態王為組態軟件，在此環境下完成對上位機的設計。選用該軟件的主要原因是系統界面為全中文、人機交互性優良、操作過程簡單、各項控制參數的修改和調整相對靈活。通過觀察參數調整后系統變動曲線即可找出其變化趨勢，有利于控制系統設計實驗的開展。

利用組態王軟件對小型立體倉庫的原理及工作流程進行設計。系統包括以下元件：（1）操作按鍵。帶有英文字母標識的按鍵對應倉庫巷道，用于控制堆垛機的運行路線。帶有數字標識的按鍵對應貨架層數，用于控制升降臺的運行路線。另有啟?？刂瓢粹o，控制整個系統的開閉。（2）電動機。系統中包括3臺電動機，分別用于堆垛機、傳送帶和升降臺的控制。可利用控制按鈕調整電動機的運行狀態，使堆垛機、傳送帶和升降臺相互配合，將貨物運送至指定位置。（3）堆垛機。堆垛機是小型立體倉庫中的關鍵設備，具備手動控制、自動控制和半自動控制功能，負責貨物的平面運輸，其結構主要包括機架、提升構件、移動構件、貨叉、控制系統、載物臺等[1]。堆垛機選型是立體倉庫設計的重點工作，常見的堆垛機形式包括雙軌巷道式、單立柱式、單軌巷道式等，需結合倉儲特點進行選擇。在參數設定上，結合倉儲流量，推算堆垛機的理論運行速度和提升速度。（4）傳送系統。傳送系統負責貨物位置移動，小型立體倉庫的傳送系統包括升降臺、提升機、鏈條輸送機等，同樣需依照倉儲流量設定速度參數。（5）貨架。貨架設計在一定程度上決定了倉庫空間的可利用率，自動化倉庫常用橫梁式貨架和框架式貨架，一般需根據倉儲貨物的外觀、尺寸及質量進行選擇。

在本研究的設計中，傳動系統包括堆垛機、傳送帶和升降臺，由相應電動機控制。傳送帶帶動升降臺進行水平移動，升降臺再將貨物運送至相應的垂直高度，并選用框架式貨架，利用托盤將貨物運送到指定位置。

1.2? 監控功能

1.2.1? 框架設計

小型立體倉庫組態界面被分為兩個區域，即按鍵區和顯示區考慮到人機交互的便捷性，將按鍵區設計在顯示區下方。按鍵區除對應巷道及庫位的按鈕及啟停按鍵外，還設有各類指示燈，包括運行指示、空閑指示、報警指示燈。指示燈設計可結合小型立體倉庫的倉儲物流需求進行，若倉庫功能較為簡單且倉儲活動密度較低，可選擇忽略[2]。界面提供上下、左右、前后動作操控，可對運輸系統設備進行控制。

報警指示燈給出報警提示，當小型立體倉庫的倉儲活動發生問題或系統中設備出現異常時，提示現場操作人員對故障點及異常點進行檢查并處理，以免給倉庫造成額外損失。本設計方案添加了開關量報警模塊，當系統發生相應問題時，自動給出報警提示和相關信息，可在交互界面觀察到報警指示燈閃爍并有提示窗口彈出。此時，系統數據庫自動記錄報警時的狀態數據，若具體參數已達到事先設定的臨界值，自動作出停機處理，對組態進行保護。

1.2.2? 具體應用

對組態王監控功能的使用方法進行介紹。首先，新建小型立體倉庫工程，新建設計界面并進入開發系統，使用各類工具繪制小型立體倉庫的組態結構。其次，進入數據庫詞典，編輯變量，如A存、A取、1存、1取等。變量需對應小型立體倉庫設計要求，并設置初始坐標。再次，進行畫面設計，選取所需圖形，并與變量相連。例如在界面點擊貨物圖標，自動彈出圖形連接對話框，選取所需變量并確認，完成連接操作。最后，編輯命令語言。命令語言編輯是組態模擬的關鍵步驟，在命令語言對話框中建立事件命令。本方案命令語言描述為以下流程：點擊巷道及庫位案件，升降臺達到指定位置，提升完成取貨任務。將貨物移動至傳送帶并回到初始位置。點擊存貨按鍵和啟動按鍵，傳送帶和升降臺水平移動，到達指定位置后將貨物提升至存放點。

1.3? 數據庫搭建

數據庫也是組態王軟件的核心結構之一，通過數據庫將上位機及下位機相連，實現組態王與PLC系統的配合與聯動。小型立體倉庫現場工況以視頻形式呈現在監視屏中，在操作人員通過計算機系統下達具體動作指令后，指令信息必須在最短的時間內傳輸至倉儲現場，以上過程均需要依托功能優良的數據庫系統。數據庫的搭建核心工作為對數據變量的定義，包括數據量的名稱、型號、初始值和限定范圍等。

2? ? 下位機設計

2.1? PLC選型

2.1.1? 電壓設計

PLC系統的電壓需根據供電系統電壓確定，通常情況下應避免從動力電源直接取電，可使用隔離變壓器將電源系統劃分為動力電源和控制電源兩部分，安裝濾波器，做好抗干擾工作。本研究設計的PLC系統使用24 V直流電壓。

2.1.2? 點數選擇

點數選擇指的是整個控制系統中所需要的PLC輸入及輸出點數的確定。若為改進方案，可依照事先設計好的數量進行選取;若為首次設計，為確保點數足夠，可適當預留[3]。本次設計通過計算，決定設計輸入點數36個，輸出點數17個。

2.1.3? 觸點類型

輸出觸點類型一般選取繼電器或晶體管，具體如何選擇需要考慮執行系統電源的電壓大小及功率情況。若系統存在高壓脈沖需求，當輸出控制步進電機或進行系統輔助時，必須選取晶體管。本研究的設計也選擇該類型的輸出觸點。

2.1.4? PLC選型

小型立體倉庫中常用的S7類PLC具備體積小、輕便、標準化程度高、通信性能強等優勢。在該類PLC中，因功能、性能上的差異被分為S7-200、S7-300、S7-400等型號。這些型號的PLC自帶高速脈沖輸出端，可較好地配合步進電機的應用。結合小型立體倉庫控制需求，本研究選取S7-200型號PLC。S7-200型號PLC在可擴展性及靈活性上存在優勢，若在實際應用中需要添加輸入/輸出（Input/Output，I/O），利用擴展模塊即可完成，避免了更換機型的麻煩，有利于減少后期升級投入。設計方案中輸入及輸出點共計53個，因此要求PLC的I/O點至少為53個。

2.2? 步進電機選型

步進電機又稱脈沖電動機，作用是將電脈沖信號轉化為角位移或線位移，且這種轉換不涉及電動機的變換。步進電機的位移量與脈動信號之間呈現正比例關系，且這一關系不受電壓、負載等情況的影響。另外，步進電機每個旋轉周期對應固定的步數，在正常情況下電機出現的誤差不會被積累擴大。此外，步進電機具備優良的控制能力，例如在開環系統中，可對較大范圍內的脈沖頻率進行調整，以控制電機轉速。

2.2.1? 電機選型

基于組態王及PLC的小型立體倉庫設計中，步進電機的選擇應通過計算找出最佳的步進電機類型，然后再選取適合的型號。小型立體倉庫中使用的步進電機應具備電壓、電流低的特點，并存在定位轉矩，由螺旋結構進行安裝固定。若為首次設計，步進電機應進行2倍預留。綜上，決定選用2相8拍步進電機。該步進電機體積小、運行頻率較高，具體型號為42BYGH1O1，額定轉矩0.44 N·M，總重0.24 kg，以24 V電壓驅動。

2.2.2? 組件選型

（1）驅動器。選用SH驅動器，其結構包括電源輸入模塊、信號輸入和輸出模塊。微型驅動器的供電電壓一般在24～40 V，本設計的PLC系統要求使用開關式穩壓電源，因此將倉庫電源設計為開關式穩壓電源。驅動器的具體型號為2H057，主體結構為鑄鋁材質，密封性好，適用于小型驅動器。由于驅動器本身未設置風機，需要依靠外殼進行散熱，因此在安裝時，需要將驅動器固定在壁厚較大的金屬機柜上，并在接觸面涂刷硅脂，方便散熱[4]。結合小型立體倉庫的設置地點，可選擇額外安裝風機輔助散熱。（2）微動開關。微動開關設置數量對應小型立體倉庫倉位，當發生貨物運輸活動時，相應的微動開關作出反應。為保證系統穩定性，在X軸左限位及Y軸下限位增設微動開關用作位置保護，避免在倉儲使用過程中因程序問題導致其遭到破壞。（3）傳感器。選用接插件式傳感器，設置變調光，以免外界光對系統造成干擾。傳感器自帶指示燈，以便直觀確認動作。傳感器回路中包括3根接線，分別接入電源正負極及信號輸出，為保證傳感器的靈敏性，檢測距離不應過短。

2.3? 流程設計

以某貨物存放為例，對PLC控制的倉庫自動化流程設計進行介紹。

（1）檢測系統對貨物進行檢測，若合格，將貨物運輸至倉庫自動化系統起始點。（2）托盤提取貨物，并設計2～3 s時滯，確定貨物是否存放牢固，結合傳送系統將貨物提升至指定位置。系統檢測貨物達到X、Y方向的限位開關，自動關閉電動機。（3）系統根據倉庫倉儲信息，判斷該位置是否為空閑狀態，若非空閑，再次尋找目標位置;若空閑，則將貨物存放至該地點。（4）放置貨物的過程中同樣設計2～3 s時滯，確保貨物放置平穩后再撤除托盤。（5）Z軸方向氣缸收縮，觸碰到該方向限位開關后，停止運動。（6）X、Y兩方向電動機向原點運動，觸碰到本方向限位開關后停止運動。系統回到初始狀態，準備下一次運輸任務。

3? ? 結語

本研究給出一種結合組態王軟件及PLC系統的小型立體倉庫設計方案。基于該設計，小型立體倉庫能夠實現遠程控制和實時監管。該控制系統具備性能穩定、擴展靈活、人機交互良好等特點，值得在小型立體倉庫設計中大面積推廣。實際工作中，相關人員應充分分析小型立體倉庫物流倉儲需求，明確流量、密度等信息，對控制系統及相關設備做合理化選型，在滿足良好控制功能的基礎上，提高小型立體倉庫運行經濟性。

[參考文獻]

[1]李? 凱.基于PLC的自動立體倉庫設計研究[J].信息系統工程，2018（11）：107.

[2]戴花林.基于PLC的小型立體倉庫系統自控設計[J].電腦迷，2018，115（12）：176-177.

[3]譚? 濤.基于PLC的立體倉庫AGV控制系統設計和研究[D].漢中：陜西理工學院，2016.

[4]秦中原.基于PLC的自動化立體倉庫系統設計要點[J].智能城市，2016，2（4）：135.