基于PLC的工業自動化立體倉庫控制系統設計

冉玉梅

(德州學院 機電工程學院，山東 德州 253023)

隨著信息化技術的發展，我國工業和建筑行業等都逐漸由傳統模式轉變為應用機械設備的智能化模式，可以大大提高生產工作效率，為個人、企業帶來便利。除了生產過程的自動化外，還應當發展管理的自動化，例如自動化立體倉庫的研究和建設。PLC相較于其它的單片機，具有強大的功能和過硬的質量，因此可以將其作為倉庫控制系統的基礎。

1 自動化立體倉庫簡介

自動化立體倉庫指的就是在沒有人員管理的情況下，可以自主進行貨物儲存和取出工作的現代化倉庫，它的運作模式類似于自動販賣機，內部設置層層疊疊的貨架，并對相應的隔間位置作出編號，將物料置于其中，然后通過控制系統進行自動化管理[1]。它主要由四個部分組成：

1.1 儲存設備

儲存設備指的就是用于存放貨物的貨架，它分為兩種，一種是放置在倉庫中、沒有與倉庫墻體等連接的貨架，它們能夠取出或者方便地進行轉移，而另一種是與倉庫建筑物墻體、屋頂等相連的貨架，它還起到支撐建筑結構的作用，并且造價較低。

1.2 貨物存取設備

它指的是貨架之間的巷道上架設的能夠水平或者垂直移動的堆垛機，它們能夠完成貨物的裝載工作，執行貨物存取任務。

1.3 輸送設備

它指的是將貨物運送到存取設備所能接觸到的范圍外的設備，大多為傳送帶等裝置，可以連接貨物存取設備與其它貨物運輸裝置。

1.4 控制系統

控制系統指的就是統計并記錄倉庫中各類型貨物的種類、數量和存放位置，并將各個部分進行有機連接的裝置，過去在不完全自動化的倉庫中，控制系統往往會采用幾臺計算機，成本較高，但如今可以使用PLC作為控制系統的基礎，在保證功能完整的前提下還能大大減少生產成本[2]。

2 PLC特性介紹

2.1 起源與發展

PLC控制系統誕生于二十世紀六十年代，彼時監測控制系統已經初具規模，但是還沒有人創造性地提出將PLC應用于工業自動化立體倉庫控制系統的設計。當時它是一種即時系統，專為工業生產而誕生，其結構類似微電腦，具備角比較基礎的部件，但又與電腦存在很大差異。

此后汽車制造業率先引入PLC控制系統，提高了汽車的性能，為汽車制造業帶來福音。它在之后數年內得到了飛速發展，當時世界范圍PLC控制器的數量以每年20%～30%的速率增長，市場之巨大令人咋舌。近年來，其在發達國家的市場趨近飽和，因而增長速度大大減緩，但在以我國為代表的發展中國家仍然保持著迅猛的增長勢頭，近年來智能化與自動化概 念深入人心，許多行業都發生了重大變革，于是有人創設性地提出自動監控系統構想，其中自動化立體倉庫控制系統設計乃是十分重要的一種。

2.2 組成結構

它的組成結構與計算機類似，具有CPU、存儲器等，并且具備接受和輸出數據的功能，但是又區別于計算機，因為它不具備1/0設備，并且體積遠遠小于計算機。簡單說來，PLC本身就是一塊智能化芯片，它自己同時也是一個小型的數據處理系統，能夠高速地對所獲得的數據進行分析處理[3]。需要注意的是，“小型”數據處理系統指的是其功能不如計算機完善，只能承擔一部分工作，而不是其體積較小。

2.3 特點與優勢

2.3.1 抗干擾能力強

許多設備都是使用電波進行信息的傳遞，而波在傳播過程中會發生相互作用，從而產生干擾，尤其是同頻率的波。但PLC芯片不存在這種顧慮，它可以在復雜環境中正常工作。

2.3.2 配套齊全，功能完善，適用性強

PLC發展到今天，經歷了數十年的的漫長進化過程，為了滿足不同行業消費者的需求，它已經形成了一系列不同尺寸，小到建筑工地的大型器械和電廠中的發電設備，小到電子手表，都能夠有與之對應的芯片。并且經歷多年發展，PLC的功能愈發強大和完善，如今它已經能夠在很短時間內處理龐大的數據，在數控領域發揮了巨大作用，經過調整后也可用于倉庫的監測控制系統。

2.3.3 界面簡潔，容易學會

PLC的適用人群十分廣泛，由于它的界面簡潔易懂，沒有過多贅余的功能，許多不具備專業IT知識或是只有一點基礎的人也能夠使用，并且它的編程語言相較于其它同類型產品而言算是十分簡單，能夠為廣大工程師接受。

2.3.4 設計容易，維護方便

PLC采用的是存儲邏輯，這就意味著相比起使用布線邏輯的產品，它的設計步驟要簡潔得多，設計和建造所需時間也十分短暫，并且控制系統裝置外部很少出現線路，維護工作也輕松不少[4]。更重要的是，它有可能通過改變同一裝置來改變生產過程。

3 設計基于PLC的工業自動化立體倉庫控制系統的設計要求

3.1 確保滿足控制需求

使PLC芯片的能力充分發揮出來，盡可能地滿足在進行控制設計的要求，這是設計PLC控制系統的最重要的原則。這就需要設計人在設計控制系統前就要去現場進行分析和研究，并且多多研讀相關著作和論文，了解用戶需求。例如，根據工業自動化立體倉庫中所貯存的物資的不同，該系統需要監測的參數也不同，例如存放化學藥劑的除了常規參數檢測外，還需要監測光照，有些物質如硝酸在光照條件下容易分解，還有些容易揮發，另外有些物質受到光照甚至會引發爆炸，帶來巨大的危險。而存放精密儀器的倉庫則需要對空氣中的粉塵進行監測，要知道，許多較為精細的儀器中一旦進入灰塵，其功能和穩定性將會大打折扣，一些傳感器會因為接觸面布滿灰塵而降低靈敏度，甚至無法感知信息。

3.2 確保PLC控制系統可靠性

在設計的時候，必須確保該系統可以穩定且安全地長在很長一段時間內不出現任何問題地運轉和操作，它必須具備強大的穩定性和可靠性，保證不會出現判斷失誤和決策失誤，導致倉庫中的物品受到損傷，從而帶來巨大的經濟損失，或是由于監管不力而導致爆炸、火災等的發生，這也是在設計所有控制系統時需要遵守的最重要的原則之一。

3.3 力求設計簡單方便，后期維護容易

在滿足控制要求的前提下，在設計系統時要注意將生產成本和獲得的效益相結合。也就是說在設計時要充分考慮成本價格的高低，在滿足要求的前提下將控制系統變得簡潔明了、較為經濟，而且要盡量使系統的操作簡單化，畢竟想要實現工業自動化立體倉庫的普及，就一定需要廣大基層工人群體的參與，而我國很大一部分基層工人并沒有很高的知識水平，過于復雜的系統不會被他們接受，他們也不需要某些看似華麗實則無用的功能，因此設計師不能盲目地增添系統功能，要以簡潔實用為主。

3.4 適應社會發展需要

隨著社會的發展和技術的進步，人們的需求在不斷的提升，對于控制系統的要求也將越來越高，例如需要它能夠具備互動功能，向操作員匯報系統運轉情況，或是除了采集倉庫及其周圍環境的溫度濕度等信息外還要具備一定的數據分析和處理功能，還要能夠應對突發事件，分析當下環境并作出最優選擇，力求將損失降到最低，在設計系統時也要考慮到未來控制系統的進展和人們的需要。

4 基于PLC的工業自動化立體倉庫控制系統設計

4.1 控制系統結構

圖1 控制系統網絡結構

如圖1控制系統的結構示意圖，該系統主要是由上位機、下位機PLC、現場設備和電機構成。

4.2 上位機和下位機的含義及作用

上位機指的就是能夠顯示倉庫中各類信息參數變化并且發出操控命令的計算機，下位機接收它的命令，直接操控設備，并采集數據、將其反饋給上位機，使之能夠對設備進行監測，從而做出最優選擇。之前大多采用電子計算機，但如今使用PLC便足夠完成各項工作，并且可以減小設備造價。

4.3 現場設備

現場設備指的是直接進行工作的設備，在不同的系統中，現場設備也存在差異，而在本控制系統中，它指的是包括開關、運轉指示燈等的一些設備。

4.4 電機

電機就是實現電能與其他形式的能量轉化的裝置，在本系統中，電機將電能轉化為機械能，用于對貨物做功，使之產生位移，也就是為設備的存取工作提供能量。

4.5 I/O地址分配

表1 I/O地址分配表

如表1，本系統的I/O地址分配表可以直接按照表中進行設計。

4.6 控制程序流程

首先，當控制程序啟動后，應當自動監測整個系統中硬件是否出現故障，若有，則必須啟動自動報警功能，并切斷存取設備和運送設備的電源，使其緊急停止，然后進行故障深入檢測和處理。若未發現異常，則需要監測需要移動的貨物附近是否有空閑的堆垛機和貨架，并智能化地調取最近的堆垛機進行工作，入庫時要選擇大小、距離合理的位置存放貨物，出庫時則要選擇距離最近的出口，節省電能的損耗。另外，當貨物數量或是位置等出現變動時，系統需要自動采集數據并進行記錄。

此外，每隔一段時間，控制系統都應當自主進行倉庫的環境監測，并根據所儲存貨物的特點進行數據分析，若是當前環境不利于貨物貯存，則需要立即采取措施，例如當環境過于干燥可能引起某些材料干裂時，要及時噴灑水分；當環境過于潮濕容易引發貨物氧化受潮等時，需要自動進行除濕工作。若光照強度太高，則需要自動使用簾子等遮蓋貨物，遇到機器無法解決的問題時，還應當及時反饋給管理人員，由人工進行緊急處理。

5 結束語

隨著經濟和科技的不斷發展，各行各業的自動化程度必然會逐步提升，人類將會從繁重的勞動中解放出來，只需管理不同的控制系統。若是能夠實現倉庫管理的自動化，則能夠避免許多人工監管中出現的錯誤和問題，并減少儲存過程中倉庫物資的損壞，必定會提升管理工作的效率，為我國工業水平的提升和綜合國力的增強貢獻一份力量。