基于PLC 的智能倉庫管理系統設計

陳俊麗

（武昌職業學院，武漢武昌，430200）

0 引言

隨著現代生產制造技術的不斷發展，貨物的出貨速度和需求量也不斷增加，對貨物的存儲也提出了更高要求。而傳統的倉庫存在占地面積大、管理效率低、經濟成本高等一系列缺點，越發不能滿足要求，智能倉庫技術也應運而生[1～2]。

美國早在十九世紀末就研制出了非自動運行的橋式堆垛起重機，此設備可以進行橫向移動、縱向移動以及旋轉操作來執行貨物入庫、出庫等動作。1963 年，美國在高層貨架中融入了電子計算機控制技術，設計出了全球第一個真正意義上的自動化倉庫[3]。而我國正是從1963 年才開始針對倉庫儲存技術進行研究，當時在北京某機械研究所成功的發明了橋式堆垛起重機。到1973 年，我國開始投入研究融合智能控制技術的倉庫管理系統[4]。到本世紀初，我國智能倉庫技術迅速發展，根據中研普華研究院的相關數據顯示，2018 年我國自動化立體車庫的保有量為2156 座，2020 年我國自動化立體倉庫的產業保有量達到6562 座，同比增長了10.9%，并且增長率還在逐年上升。

在此背景下，本文設計了一套基于PLC（可編程邏輯控制器）的智能倉庫管理系統，該系統結合了裝卸技術、PLC控制技術、信息自動識別技術等專業知識[5～9]，搭建了基于PLC 控制技術的仿真模型，設計的智能倉庫管理系統可以實現自動分揀、儲存、取件、管理等功能，大大提高了倉庫的存儲效率。

1 系統方案設計

■1.1 智能立體倉庫系統組成

（1）PLC 選型

本文結合主控制器PLC、上位機以及PLC 虛擬仿真實驗平臺Factory IO 搭建的仿真模型，設計了一款智能立體倉庫系統。智能倉庫最基本的功能是貨物存放、貨物運送、貨物取出以及貨物數據記錄，從而實現貨物安全入庫、出庫操作。貨物的存放處為貨架，貨物的運送與取出是利用堆垛機進行控制，數據記錄主要是依靠PLC 的存儲記憶功能[10～12]，所以PLC 是本系統的核心。

根據使用場所和功能要求的不同，需要結合IO 模塊、電源模塊、特殊功能模塊以及通信組網能力等合理地選擇PLC 的型號。首先需要考慮的是系統中至少有多少個輸入輸出點，設計中需要運用到的邏輯功能能否保證系統安全穩定運行，然后再去考慮成本問題。此外，還要結合結構類型、安裝方式、響應速度、系統可靠性等因素，選擇最適合的PLC，對提高系統的運行效率有很大幫助。

結合本系統功能要求，最終選擇SIMATIC S7-1200 型控制器，其硬件部分采用了特殊設計，可以大大減少空間占用，在實際安裝中有較高的空間利用率。該控制器采用大規模集成，結構緊湊，功能強大，網絡實時性強，方便通訊，能對用戶程序的運行數據進行歸檔，還可以根據需要靈活方便的添加擴展模塊，可以執行程序復雜的自動化任務，如測量、閉環控制和運動控制等。此外，該控制器還包含了數字量和模擬量的輸入輸出，適用范圍非常廣泛，例如包裝機械、污水處理廠、傳送帶系統、電梯和自動扶梯、安防門禁系統、貨物輸送設備等。

（2）系統組成

整個控制系統以PLC 為控制核心，輸入設備包括按鈕、對射式光電傳感器、編碼器，輸出設備包括變頻電機、堆垛機、指示燈、滾筒輸送機、裝載輸送機，整個系統的結構組成框圖以及主控制器的外部接線圖分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 系統結構框圖

圖2 主控制器外部接線圖

■1.2 系統硬件設備組成

（1）堆垛機

堆垛起重機簡稱堆垛機，通過貨叉來完成搬運工作，在生產線、倉庫、車間等場所被頻繁使用到，屬于倉儲類技術裝備，Factory IO 中堆垛機實物如圖3 所示。堆垛機在最初期是采用橋式結構，通過垂掛一個支柱，通過貨叉在支柱上進行縱向移動來運送物體，隨著科學技術的發展，技術水平越來越高，各工廠企業對于堆垛機的需求量不斷增加，到目前為止，堆垛機可以在40 米的高層貨架環境中進行工作，并且若不受倉庫建筑和費用限制，堆垛機還可以的達到更高的高度。堆垛起重機可以高效率地運送貨物，存取速度快，并且能夠提高倉庫使用面積的利用率，能夠滿足高層貨架作業的要求，并且可以實現遠程控制，自動化的控制技術高、性能高，可以使得整個倉庫的運行更加穩定。

圖3 堆垛機

（2）對射式光電傳感器

對射式光電傳感器根本用途是判斷紅外發光二極管與光敏三極管的間隔中是否有物品通過，其主要結構是發射器與接收器。工作工程中，發射器會發射出一道光線，接收器進行接收，當兩者之間沒有物體穿過時，則輸出會保持不變，即沒有信號發生；當某物體阻擋了全部光線或部分光線，使得接收器無法正常接收到光線時，會立刻出現信號反應，輸出值發生改變。其優點主要包括：高性能、能長距離工作、保留光信號性能強、可以和反光鏡配合使用，并且發射和接收分離，可避免高反光物體的干擾。即使兩端沒有對準，只要傳感器處于圖中兩個漏斗型光斑的重疊區，傳感器就可以相互感應并且正常工作。Factory IO 中的對射式光電傳感器實物如圖4 所示。

圖4 對射式光電傳感器

（3）滾筒輸送機

傳統貨物搬運主要是通過人工搬運，存在各種各樣的問題，例如卸貨量大、工人效率低、費時費力、人工費用高、利潤低等，而動力滾筒輸送機可以很好地解決這些問題，在省去大量人力的同時還能提高系統的運行效率，可適用于各種需要貨物運輸的場所，可以穩定地輸送貨物，安全可靠、結構簡單、使用維護方便、設備布局靈活，可實現不同方位的進出口要求。

滾筒輸送機中的輸送滾筒主要是由傳動滾筒、支架、驅動部、機架幾個部分組裝而成，結構穩固，安全可靠，并且方便銜接，能夠將多個滾筒輸送機或其他輸送設備進行搭接，形成完整的輸送線，通過皮帶、平面摩擦傳動帶、單鏈輪、雙鏈輪、同步帶等線軸驅動滾筒。其工作方式是利用電機進行驅動，可以實現無級變速，輸送量大，運行速度快，可以進行分流輸送，并且能夠處理物品的堆積運輸，這些特點是倉庫運送環節中最需要的。Factory IO 中的滾筒輸送機實物如圖5 所示。

圖5 滾筒輸送機

2 系統軟件設計

■2.1 系統程序設計

整個系統主要采用PLC 進行控制，根據Factory IO 內檢測單元的數字量、模擬量等信號來判斷系統接下來要執行的操作，下達指令控制Factory IO 中的輸出部件，完成智能倉庫管理系統的功能，達到自動控制的效果[13～14]。整個系統可實現的功能包括貨物的出/入庫申請、任務審核、倉庫當前存儲狀態查詢、貨物出/入庫等功能，具體程序設計流程如下。

（1）入庫申請

入庫申請流程圖如圖6 所示，首先由入庫單填寫人員填寫入庫申請，然后由入庫單發起人發起入庫申請，最后由倉庫管理員進行審核。當倉庫管理員收到入庫申請后，根據收貨單上的信息判斷貨物是否滿足入庫條件，將符合要求的申請單設置為“待入庫”狀態，將不符合要求的申請單設置為“被拒絕”狀態。對于符合要求的申請單，倉庫管理員確認貨物入庫以后，系統可根據貨物名稱、底座名稱、貨物數量等對倉庫中的貨物狀態進行統計顯示。

圖6 入庫申請流程圖

（2）任務審核

倉庫管理員收到入庫申請后，貨物處于待審核狀態，此時，倉庫管理員首先會判斷庫內貨物的總數額是否超出倉庫儲存的范圍，如果超出了范圍，對“庫內貨物已滿”置位，并對當前操作數一直清零。其次會判斷倉庫是否處于入庫待審核狀態，以及確認庫內的倉庫數量是否有余量，當倉庫數量有余量且處于入庫待審核狀態時，可在HMI 的審核管理中執行同意操作，將倉庫的當前狀態切換至待入庫狀態，此時Factory IO 工程模擬軟件執行貨物入庫操作；如果執行拒絕操作，當前狀態則是處于已拒絕的狀態。任務審核流程圖如圖7 所示。

圖7 任務審核流程圖

（3）當前空倉數和剩余數量計算

當貨物被存放到一個新的倉庫內時，該倉庫的存放標志位將被置1，且該倉庫的存儲數量加1，通過讀取某倉庫的存放標志位和存儲數量，可以計算出當前空倉數和某倉庫剩余的存貨數量。當某個倉庫被存滿時，將該倉庫的存放標志位置2，后續貨物將不再存放至該倉庫，防止貨物入庫不正確，發生碰撞，造成貨物損壞。

（4）入庫操作

當貨物狀態為待入庫狀態時，系統把變量存儲到當前任務號，并把貨物、底座、需執行數量和剩余數量傳送到當前工作參數內，驅動Factory IO 工程模擬軟件執行入庫操作。Factory IO 控制程序驅動傳送帶及堆垛機完成移動任務，將傳感器以及編碼器采集的信號作為控制信號對步驟位加1，達到每個步驟之間互不影響的效果。入庫操作程序如圖8所示。

圖8 貨物入庫流程圖

（5）出庫操作

出庫申請單發起人員發起出庫申請以后，出庫申請單狀態變為“出庫待審核”，等待出庫單審核人員審核；出庫單審核人員審核通過后，出庫申請單狀態為“待出庫”，等待出庫設備；審核不通過則出庫申請單置為“被拒絕”狀態，出庫申請單生命周期結束；若出庫申請單由倉庫管理員審核通過，則系統自動將貨物取出至取件點。出庫操作程序如圖9 所示。

圖9 出庫操作流程圖

■2.2 人機界面設計

根據智能倉庫管理系統的設計要求，在WINCC 中繪制系統的監控畫面，可實現貨物的出/入庫申請、任務審核、倉庫當前存儲狀態查詢等功能，系統的主登錄界面如圖10所示。

圖10 系統主登錄界面

3 系統調試與運行

（1）出/入庫申請

申請提交界面顯示貨物名稱、底座名稱、貨物數額以及備注說明的輸入框，貨物名稱和底座名稱是用符號IO 域放置的，符號IO 域的內容在文本和圖形列表內設置好數值所對應的名稱，選擇的同時會把變量的數值反饋到PLC 進行程序判斷，同時判斷貨物名稱、底座名稱和貨物數額是否設置完成。用戶設置完成后點擊入庫申請按鈕，將申請任務保存到變量內，在審核管理系統內顯示。申請提交界面如圖11 所示。

圖11 申請提交界面

（2）審核管理界面

當有任務申請成功后，會在審核管理界面依次顯示，顯示內容有貨物名稱、底座名、數額、流程狀態、申請時間以及操作，流程狀態顯示當前任務的工作狀態，申請時間則是顯示在任務申請成功當天的日期，操作是對當前的任務進行操作設置，有同意和拒絕兩種選擇，如果同意任務請求，則會執行任務要求的工作，并在流程狀態顯示待出/入庫；如果拒絕任務請求，流程狀態上會顯示已拒絕。審核管理界面如圖12 所示。

圖12 審核管理界面

（3）倉庫監控界面

倉庫監控界面會顯示當前倉庫總數量、剩余倉庫數量、當前功能、要求存儲數量、剩余存儲數量，并把所有倉庫的存儲狀態顯示出來，能直觀了解倉庫的存儲狀態。倉庫監控界面如圖13 所示。

圖13 倉庫監控界面

4 結論

本文設計了一套基于PLC 的智能倉庫管理系統，以西門子S7-1200PLC 為主控制器，通過TIA Porta1 軟件和SIMATIC STEP7 PLCSIM 高功能仿真器對智能倉庫管理系統進行模擬仿真，實現了貨物入庫審核、貨物存放入庫、入庫數據記錄、貨物出庫審核、取貨出庫、出庫數據記錄等功能，并設計了人機交互界面，大大提高了倉庫的存儲效率。