基于PLC的智能儲物柜設計

摘 要：針對市場上現有的高層儲物柜存取不便的問題，設計了一種新型的智能儲物柜。該儲物柜采用可編程邏輯控制器（PLC）與觸摸屏結合的方式，以PLC S7-200為核心控制單元，負責整個儲物柜的運行控制。其中，升降裝置由絲桿滑臺和42步進電機組成，能夠實現物品的自動存取，觸摸屏TPC7062Ti為用戶提供直觀的人機交互界面。此外，還建立了遠程控制系統，借助PLC的穩定性和抗干擾能力，使用戶在遠離儲物柜時也能進行遠程監控和操作。通過該設計，構建了一個自動化存儲系統，用戶可以輕松地通過觸摸屏存取高層儲物柜中的物品。PLC的穩定性和觸摸屏的直觀可操作性顯著提升了存取過程的安全性和便利性。遠程控制功能的加入進一步增強了儲物柜的靈活性，即使用戶身處遠處也能方便地進行操作。

關鍵詞：PLC S7-200；智能儲物柜；觸摸屏TPC7062Ti；遠程監控；自動化存儲系統；步進電機

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-0-03

0 引 言

隨著我國工業經濟的發展，儲物柜在各行各業得到了廣泛應用。雖然它提高了存儲效率和便捷性，但也暴露出了人力資源消耗大、處理速度慢、高峰時段易擁堵等問題。為解決上述問題，文獻[1]設計了一款智能儲物柜，這款儲物柜可以實現遠程操作和監控，通過PLC與觸摸屏的通信，極大地提升了用戶體驗，并且優化了物品分配，提高了存取效率，減少了資源浪費。

本設計運用PLC技術對傳統存儲方式加以創新，提高了智能儲物柜的效率和可靠性。借助技術創新，本設計解決了用戶存儲操作不便的問題，滿足了用戶需求，推動了智能儲物柜的普及。

1 智能儲物柜的總體設計

智能儲物柜的總體設計基礎在于PLC與觸摸屏的結合，核心為PLC S7-200控制器，并搭配MCGS監控系統和驅動裝置，從而構成自動化存儲系統。該設計注重安全性、便利性和操作的直觀性[2]，在優化了空間利用率的同時，實現了高層儲物柜的便捷存取，提升了整體的存儲性能[3]。智能儲物柜的整體結構如圖1所示。

2 儲物柜的結構設計及原理

本設計的控制系統以PLC S7-200為核心控制器。其配備有X軸和Z軸的傳送機構，這些傳送機構借助步進電機和驅動器控制絲桿滑動，從而實現物品的左右和上下移動；Y軸采用直流電機，利用其正反轉功能推動絲桿，實現托盤上物品的存取。采用SN04-N型接近開關檢測三軸絲桿的位置，確保操作處于安全范圍之內。采用繼電器驅動減速電機，對儲物柜門的開啟和關閉進行控制；微動開關監測12個儲物柜門的關閉狀態，并向PLC發送信號。MCGS觸摸屏通過PPI編程口與系統相連，為用戶提供操作界面。系統由兩個電源單元供電，以滿足整個控制系統和執行機構的能源需求。從結構上看，系統可劃分為三個主要部分，即監控界面、控制邏輯以及執行機構。

2.1 儲物柜的機械結構

2.1.1 主控模塊

主控模塊是整個智能儲物柜系統的核心，選用西門子S7-200系列PLC中的CPU226 DC/DC/DC型號。這款PLC有24個輸入和16個輸出，共40個數字量I/O點。該設備擴展性和功能性強大，能通過多達7個附加模塊，將數字輸入/輸出接口擴展至最高248個，或將模擬輸入/輸出接口擴展至最高35個。它有26 KB內存空間，用于存儲程序和相關數據。在性能方面，包含6個獨立運行且計數頻率達30 kHz的高速計數器，以及2個頻率為20 kHz的高速脈沖輸出接口，并且內建PID控制算法用于精確控制。在通信方面，配備2個RS 485接口，支持PPI、MPI和自由口通信方式等多種通信協議，以適應不同工業通信需求。主控模塊如圖2所示。

2.1.2 升降模塊

升降模塊由絲桿滑臺和步進電機組成，負責實現儲物柜內物品的垂直升降運動。根據儲物柜的尺寸、負載能力和精度要求，選擇了EB1610-500 mm和EB1204-500 mm滾珠式絲桿滑臺，并配套42步進電機驅動裝置，確保了傳動的精確性和穩定性[4-5]。升降模塊如圖3所示。

2.1.3 電機模塊

電機模塊由步進電機和減速電機組成。其中步進電機負責接收來自PLC的脈沖信號和方向信號，將這些信號轉化為精確的角位移，進而精確控制X軸和Z軸上絲桿的移動，實現儲物柜的自動存取功能。這里選用的42步進電機，搭配DM542標準型驅動器，能夠提供穩定的驅動力。減速電機則用于控制儲物門的開啟和關閉，所采用的渦輪式減速電機具備高減速比和大轉矩輸出的特性，確保了開關門動作的平穩性和準確性。

2.1.4 人機交互模塊

人機交互模塊是智能儲物柜系統中供用戶操作的界面，其采用的是TPC7062Ti觸摸屏。該模塊以Cortex-A8處理器為基礎，運算速率達600 MHz，并配備了一個7英寸的高亮度TFT顯示屏，分辨率為800×480。同時，該模塊還擁有四線電阻式觸摸屏，可實現4 096×4 096的高分辨率觸控功能。此模塊擁有完全隔離的操作空間，可以有效防止灰塵、濕氣和油脂等污染物的侵入。它內置MCGS嵌入式配置軟件，擁有優秀的圖形展示效果和數據處理能力。觸摸屏通過PPI編程口與PLC連接，實現數據通信和控制指令傳輸，從而構建起人機交互的橋梁。在系統調試的過程中，觸摸屏模塊同樣需要經過細致的測試和調整，以確保其顯示的系統參數準確無誤，且所有控制功能都能按預期工作。人機交互模塊如圖4所示。

3 程序系統設計及調試

智能儲物柜控制系統旨在通過自動化流程，突破儲物柜的尺寸限制，實現存取自由[6]。根據PLC指令，執行機構能精準移動到指定位置完成存取任務，然后復位到初始狀態。在輸出端系統通過繼電器控制電機，實現自動門的開閉和Y軸電機的正反轉，同時發送脈沖信號驅動步進電機，從而精確操作X/Z軸絲桿。此外，系統增設了緊急停止功能，當用戶進行緊急操作時，PLC會迅速響應，以保障系統安全。

3.1 程序設計

智能儲物柜的操作系統提供了兩種操作模式：自動模式和手動模式，這兩種模式可以獨立運行，并且操作時不會相互影響。

自動模式：用戶通過觸摸屏選擇存物倉位并確認后，PLC會控制整個存取流程。系統初始化完成后，用戶操作觸摸屏啟動自動模式，選擇存放點，PLC隨即發出控制信號，啟動柜門電機來開門，并且計算X/Z軸的移動距離，驅動步進電機將物品傳送至指定位置[7-8]。Y軸電機對絲桿進行操作，下降至設定位置后，上升托起物品臺，在接近開關感應到后，Y軸電機退回原位。系統隨后將物品傳送至目標儲物門，Z軸絲桿微微抬起，Y軸電機再次執行前進和下降動作，從而完成存放[9]。操作結束后，步進電機將X/Z軸絲桿導回原點，系統自動做好準備，進行下一個倉位的存放操作。

手動模式：用于系統調試。該模式下，SMO.0常開，用于連接持續激活的程序段。除初始化或原點搜索外，該功能在PLC運行時始終工作。系統上電后，在進行任何調試之前，X/Y/Z軸必須進行原點回歸，以確保PLC正常掃描。若Y軸已達負限位，則可跳過Y軸的原點回歸，直接復位X/Z軸。操作前，需將X/Z軸微調5 cm左右，以便其能準確找到原點。執行原點回歸是必要的，這樣可防止絲桿錯過點位而反向移動。

3.2 儲物柜的動態畫面

使用組態軟件創建TPC7062Ti項目時，需添加西門子S7-200PP設備，并對通道和數據類型進行配置。通過用戶窗口設計監控界面，此界面包含手動/自動模式、啟停按鈕、X/Y/Z軸控制、倉位狀態以及系統參數等內容，從而實現儲物柜操作的可視化。動態畫面如圖5所示。

3.3 調試

啟動軟件在線監控，對X/Y/Z軸進行調試，優化X/Z軸絲桿的速度和定位，確保精準到達各儲物倉門。監控界面實時顯示設備動作[10]，為防Y軸機構碰撞，調整其移動距離[11-12] 10 mm。調整后，系統運行正常，滿足功能需求。監控畫面如圖6所示。

3.4 控制系統

控制系統包括核心控制器PLC S7-200、X軸和Z軸傳送裝置。Y軸為物品存取傳送機構，其通過直流電機的正反轉，實現Y軸絲桿的前進和后退，從而托起托盤上的物品。控制系統如圖7所示。

4 結 語

本文設計的智能儲物柜系統集成了PLC S7-200和TPC7062Ti觸摸屏，成功實現了高層儲物柜的自動化存取和遠程監控功能。此系統的設計目的在于解決傳統儲物柜操作不便、效率低下的問題，并且要確保存取過程的安全性和可靠性。該系統設計了自動與手動操作模式，這一設計既能滿足不同用戶的需求，又能為系統調試提供便利。系統的創新點體現在自動化控制和用戶友好的交互界面上，這不但提升了存取效率，還優化了用戶體驗。在未來的工作中，將進一步增強系統的智能化水平，提高存取速度和準確性，同時探索與更多物聯網技術的集成，從而實現更具個性化和智能化的存儲解決方案。隨著技術的不斷發展，智能儲物柜系統在智能存儲領域有望發揮更重要的作用，為用戶提供更安全、高效、便捷的服務體驗。

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收稿日期：2024-05-21 修回日期：2024-06-25

基金項目：2023年大學生創新創業訓練計劃省級項目（S202313320 406）