基于西門子PLC的自動(dòng)化立體倉庫堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院 哈貴庭

1.前言

現(xiàn)代物流技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展衍生了各種物流產(chǎn)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(dòng)化技術(shù)的產(chǎn)品，它綜合了自動(dòng)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)管理技術(shù)，借助堆垛機(jī)對貨物實(shí)現(xiàn)存取操作，自動(dòng)化立體倉庫堆垛機(jī)不僅具有存取貨物的功能，它還能對貨物進(jìn)行分類、分揀、計(jì)數(shù)和配送等操作。自動(dòng)化立體倉庫主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)化堆垛機(jī)和高層貨架三部分組成，多個(gè)功能子系統(tǒng)共同構(gòu)成了物流倉儲的信息系統(tǒng)。隨著客戶對物流信息化要求增高，切實(shí)掌握倉儲情況及時(shí)更新倉儲信息成了現(xiàn)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(shí)時(shí)性，我們必須保證立體倉庫系統(tǒng)具有正常作業(yè)和信息統(tǒng)計(jì)功能。除此之外還需提高立體倉庫系統(tǒng)的柔性化，在系統(tǒng)中融入條形碼掃描技術(shù)和射頻計(jì)數(shù)等采集貨物信息的技術(shù)，以滿足現(xiàn)代物流自動(dòng)化需求。

2.自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從圖1可看出自動(dòng)化立體倉庫主要包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)存取設(shè)備和高層貨架三個(gè)部分，另外它還具有整合子系統(tǒng)收集整理信息等功能。自動(dòng)化立體倉庫由多個(gè)環(huán)節(jié)綜合而成，在多方面因素的相互作用下其過程相對復(fù)雜，因而構(gòu)建自動(dòng)化立體倉庫，首先需了解各個(gè)組成部分的特性和相互作用。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)即人機(jī)交互界面，通過它操作人員可對立體倉庫的運(yùn)作進(jìn)行控制和監(jiān)視，另外貨物存儲和物流作業(yè)安排都是由控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)；高層貨架與傳統(tǒng)的貨架區(qū)別在于利用貨物的層疊擴(kuò)展和延伸儲存空間，科學(xué)有序的安置不僅使得貨物分類明確，同時(shí)也降低了管理難度；自動(dòng)存取設(shè)備是執(zhí)行任務(wù)的主要工具，作為倉儲作業(yè)的主要?jiǎng)趧?dòng)力，它決定了物流倉儲的工作效率，提高立體倉庫運(yùn)行效率的關(guān)鍵就在此。如圖1所示為自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)構(gòu)成圖。

自動(dòng)化立體倉庫與周邊設(shè)備的位置呈星形拓樸模式，自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)主要由堆垛機(jī)工控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)上位機(jī)WMS軟件系統(tǒng)、轉(zhuǎn)軌車工控系統(tǒng)、地面主柜工控系統(tǒng)和AGV工控子系統(tǒng)五部分組成。WMS是自動(dòng)化立體倉庫管理系統(tǒng)的軟件，該系統(tǒng)屬于常見的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件系統(tǒng)。由于該軟件是按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的，因而在貨物控制和管理中具有很強(qiáng)的相似性，因此可將它作為企業(yè)ERP系統(tǒng)的一個(gè)子模塊，主要負(fù)責(zé)兩者的數(shù)據(jù)交匯。相對應(yīng)用系統(tǒng)而言，針對不同的項(xiàng)目堆垛機(jī)的設(shè)置需嚴(yán)格按照要求定制，對工控系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)化的軟件就可進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。轉(zhuǎn)軌車的工作原理更加簡單，它只需按照設(shè)定軌道將貨物運(yùn)行到制定地點(diǎn)，AGV工控系統(tǒng)從上位機(jī)上接受任務(wù)指令后，負(fù)責(zé)對貨物進(jìn)行裝卸

3.堆垛機(jī)工控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示堆垛機(jī)工控系統(tǒng)包括了計(jì)算機(jī)控制平臺、地面主柜控制系統(tǒng)以及堆垛機(jī)控制系統(tǒng)三個(gè)部分。堆垛機(jī)控制系統(tǒng)本身具有輸入輸出數(shù)字端口(I/0)模塊，它主要由三個(gè)驅(qū)動(dòng)部分、激光定位單元和保護(hù)功能傳感器共同組成，通過端口與PLC相連接，接收堆垛機(jī)PLC控制器的指令并執(zhí)行任務(wù)。操作人員只需在堆垛機(jī)提供的手動(dòng)控制按鈕端口處輸入指令，即可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)模式。如圖2所示為堆垛機(jī)工控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

堆垛機(jī)工控系統(tǒng)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(diào)試通訊。另外該系統(tǒng)使用的西門子PLC本身自帶現(xiàn)場總線通訊功能，針對不同方向的電機(jī)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(jī)號相對應(yīng)，保證主機(jī)與從機(jī)之間的正常通訊。如圖3所示為堆垛機(jī)工控系統(tǒng)模塊配置。

地面主柜控制系統(tǒng)的主控單元采用的是西門子PLCCPU315-ZDP，數(shù)據(jù)交互則是通過CP343-1Lean無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)與堆垛機(jī)之間的通訊。根據(jù)倉儲需求地面主柜控制系統(tǒng)需具備液晶顯示和操控按鈕輸入兩項(xiàng)功能，通過在線操作實(shí)現(xiàn)立體倉庫的半自動(dòng)功。CP343-1Lean無線通訊模塊與TCP/IP局域網(wǎng)連接后，操作人員可布置相應(yīng)的任務(wù)，數(shù)據(jù)通過PC機(jī)可直接進(jìn)行交換，計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)引導(dǎo)便可下達(dá)相應(yīng)的指令，由堆垛機(jī)執(zhí)行命令完成任務(wù)。

圖1 自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖2 堆垛機(jī)工控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 堆垛機(jī)工控系統(tǒng)模塊配置

圖4 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)軟件框圖

4.堆垛機(jī)工控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

堆垛機(jī)工控系統(tǒng)是由堆垛機(jī)控制系統(tǒng)、地面主柜控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件三部分實(shí)現(xiàn)立體倉庫的自動(dòng)化，前兩者是建立在PLC基礎(chǔ)上，主要針對西門子PLC集成第七步設(shè)立的開發(fā)環(huán)境；后者則是通過visua1C++實(shí)現(xiàn)環(huán)境開發(fā)的，Visualstudio6.0是該軟件的主要開發(fā)環(huán)境。

4.1 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

借助PLC堆垛機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)其功能，按照程序標(biāo)準(zhǔn)在第七步集成開發(fā)環(huán)境下對功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，由堆垛機(jī)控制系統(tǒng)控制的五個(gè)子模塊分別具有入庫功能、出庫功能、轉(zhuǎn)彎功能、通訊功能和保護(hù)功能，而堆垛機(jī)控制系統(tǒng)則是各子模塊的控制中心，同時(shí)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送與監(jiān)聽、功能請求與判斷、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)捕捉、激光數(shù)據(jù)定位以及采集傳感器信號等工作。如圖4所示為堆垛機(jī)控制系統(tǒng)軟件框圖。

入庫功能模塊根據(jù)接收到的指令將貨物從卸貨點(diǎn)運(yùn)送到指定貨架的某個(gè)位置，它的云次運(yùn)行流程為移動(dòng)到制定貨源位置、升出貨叉、載貨臺微升、收回貨叉、移動(dòng)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(biāo)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(biāo)的方式表示可將貨物準(zhǔn)確的送至指定位置。當(dāng)操作過程中沒有無轉(zhuǎn)軌車，堆垛機(jī)執(zhí)行任務(wù)的運(yùn)動(dòng)軌道轉(zhuǎn)變?yōu)閳A弧形，當(dāng)堆垛機(jī)運(yùn)行速度過快時(shí)就可能出現(xiàn)側(cè)翻現(xiàn)象，且運(yùn)行速度過快對軌道早成的磨損也就越大。當(dāng)堆垛機(jī)從一條巷道進(jìn)入另一條巷道，貨叉方向發(fā)生了左右置換，此時(shí)還需要考慮堆垛機(jī)存取貨物時(shí)所在行道，需要用奇數(shù)偶數(shù)的方法來判斷貨叉方向是否發(fā)生了左右置換。堆垛機(jī)轉(zhuǎn)彎動(dòng)作：接收入庫指令后起動(dòng)運(yùn)行直至轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，降低運(yùn)行速度準(zhǔn)備轉(zhuǎn)彎，由于激光定位裝置無法定位轉(zhuǎn)彎位置，因此無法獲取相應(yīng)的定位信息，當(dāng)堆垛機(jī)運(yùn)行到水平位置，激光定位裝置恢復(fù)定位功能，獲取對應(yīng)的定位信息，設(shè)置左右貨叉方向到達(dá)新巷道目標(biāo)地址，這就是轉(zhuǎn)彎的整個(gè)過程。

4.2 地面柜臺控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

地面主柜控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)堆垛機(jī)的半自動(dòng)作業(yè)過程，在控制盤鍵盤上輸入作業(yè)指令使堆垛機(jī)開始作業(yè)，通過地面柜臺的控制盤顯示設(shè)備對堆垛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行查看和監(jiān)督，該控制系統(tǒng)可對堆垛機(jī)實(shí)行在線調(diào)試，另外當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)通訊失靈現(xiàn)象時(shí)還可通過手動(dòng)調(diào)度協(xié)助堆垛機(jī)完成作業(yè)。地面主柜控制系統(tǒng)主要由PLC主控制單元、輸入輸出I/O接口、無線數(shù)據(jù)模塊和LCD顯示模塊四部分組成。

4.3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化立體倉庫是自動(dòng)化技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)兩者的綜合產(chǎn)品，在現(xiàn)代物流中采用自動(dòng)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(jī)軟件的規(guī)范性和通用性是自動(dòng)化立體倉庫的有效保證。計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件在自動(dòng)化立體倉庫的管理中具有以下功能：貨物在庫管理、貨物調(diào)整貨位管理、入庫出庫管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控堆垛機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、錄入和查詢貨單、對地面主柜工作狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、打印庫存物流信息。

5.結(jié)語

本文針對自動(dòng)化立體倉庫堆垛機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，提出了基于西門子PLC的自動(dòng)化立體倉庫堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)不僅包含了堆垛機(jī)坐標(biāo)運(yùn)行設(shè)置，還包括地面主柜控制系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)端上位機(jī)管理信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉庫執(zhí)行任務(wù)的主要器械，同時(shí)也是倉庫搬運(yùn)的主要?jiǎng)趧?dòng)力，它的運(yùn)行受到了地面主柜控制系統(tǒng)和上位機(jī)管理信息系統(tǒng)的共同作用。對于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，PLC控制器和外圍擴(kuò)展設(shè)備都是有各種功能模塊組成，只需通過編程就可實(shí)現(xiàn)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(jù)子系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行編程，明確模塊化思想。

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