基于PLC控制自動化立體倉儲系統(tǒng)設計探究

秦萍

【摘? 要】論文介紹了基于西門子S7-300PLC的自動化立體倉儲系統(tǒng)的軟硬件設計方案，及系統(tǒng)仿真調(diào)試過程中遇到的問題及處理方法。該設計方案中，商品識別及自動入庫精準，智能監(jiān)控畫面清晰、信息量大，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

【Abstract】This paper introduces the software and hardware design scheme of the automated and three-dimensional storage and retrieval system based on Siemens S7-300 PLC， as well as the problems encountered in the process of system simulation and debugging and the solutions. In the design scheme， the product identification and automated storage are accurate， the intelligent monitoring has clear picture and large amount of information， and the system works stably and reliably.

【關鍵詞】PLC;立體倉儲;組態(tài)設計;智能監(jiān)控

【Keywords】PLC; three-dimensional storage and retrieval; configuration design; intelligent monitoring

【中圖分類號】TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）10-0184-03

1 引言

隨著現(xiàn)代科技和全球經(jīng)濟一體化的發(fā)展，現(xiàn)代物流業(yè)已成為各國致力發(fā)展的黃金產(chǎn)業(yè)。物流業(yè)是一個新興的生產(chǎn)性服務業(yè)，涉及國民經(jīng)濟的各個方面，是經(jīng)濟發(fā)展的一個重要支撐，自動化立體倉儲系統(tǒng)是現(xiàn)代物流業(yè)的重要基礎，功能從單純地進行商品物資的倉儲保管，發(fā)展到商品物資的分類、統(tǒng)計、包裝貼標、分揀配送、立體倉儲等多種功能。實現(xiàn)了信息化科學儲備，有效地銜接生產(chǎn)與庫存，提高了商品物資調(diào)配水平，加快了物流周轉(zhuǎn)速度，降低了物流成本，提高了企業(yè)效益。

2 自動化立體倉儲系統(tǒng)的硬件設計

本文設計的自動化立體倉儲系統(tǒng)由供料皮帶輸送單元、機械手搬運單元、立體倉庫單元組成，系統(tǒng)選用緊湊型S7-300PLC，及TP700觸摸屏作為核心控制和智能監(jiān)控設備。輸送機種類繁多，常用的有輥道輸送機、鏈條輸送機、提升機、皮帶機和AGV系統(tǒng)等，本設計采用皮帶輸送機。皮帶輸送機設計由交流電動機拖動，配備西門子G120變頻器，可以方便地控制皮帶輸送機的運行方向及速度，同時，可以通過設置變頻器參數(shù)，方便地控制電動機的起動和制動時間，減少機械沖擊，降低能耗。皮帶輸送機上方安裝傳感器，用于檢測識別通過輸送帶的商品類型。機械手單元由氣缸及步進電機組成，通過控制不同氣缸動作方向完成機械手的上升、下降、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、抓取和釋放動作，通過步進電機及驅(qū)動器控制，實現(xiàn)機械手的前后直線行走控制。常用的立體倉庫按照貨架形式來劃分，有單元貨格式、貫通式、移動貨架式和旋轉(zhuǎn)貨架式四種，本設計中采用單元貨格式，立體倉庫單元設計為2層，每層8個庫位，每個庫位安裝光電傳感器，檢測商品入庫情況。

PLC、觸摸屏及變頻器組成工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)互連，構成分布式的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主令工作信號由觸摸屏提供，通過觸摸屏進行工作方式的選擇及顯示當前系統(tǒng)皮帶輸送機工作狀態(tài)、立體倉庫的入庫情況等，整個系統(tǒng)的主要工作狀態(tài)可以在上位機和觸摸屏上進行顯示監(jiān)控。

3 自動化立體倉儲系統(tǒng)的工作過程設計

供料倉存放有空芯和帶芯兩種商品。系統(tǒng)啟動后，商品由供料倉自動推送到皮帶輸送機上，皮帶輸送開始啟動，輸送商品經(jīng)過傳感器檢測，運送到輸送帶末端，機械手搬運單元機械手將商品按照庫位分配要求送入立體倉庫存放。當分揀入庫的商品數(shù)量達到客戶要求數(shù)量時，完成一個工作周期，系統(tǒng)自動停止工作。在系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)異常，可以立即按下停止按鈕，系統(tǒng)停止工作。出現(xiàn)缺料等情況時，在觸摸屏監(jiān)控畫面上有相應報警指示。

4 智能監(jiān)控組態(tài)設計

在TP700人機界面上進行組態(tài)畫面設計，設計的用戶窗口包括首頁界面、工作模式選擇界面、手動測試界面、自動入庫界面四個界面。

4.1 首頁界面組態(tài)要求

在觸摸屏上電后自動進入首頁界面，首頁界面要求顯示：①在首頁界面顯示“自動立體倉儲系統(tǒng)”字樣，及自動化倉儲系統(tǒng)圖片;②在首頁界面放置“進入系統(tǒng)”按鈕，按下此按鈕，進入工作模式選擇界面。

4.2 工作模式選擇界面組態(tài)要求

①在第一行顯示“工作模式選擇”字樣。②工作模式選擇界面上設置“手動測試模式”“自動入庫模式”“初始狀態(tài)”指示燈，“手動測試”“自動入庫”模式選擇按鈕。系統(tǒng)處于初始狀態(tài)時，初始狀態(tài)指示燈亮。在觸摸屏模塊右側(cè)設有工作模式選擇開關，“模式”轉(zhuǎn)換開關扳到右側(cè)，觸摸屏上“手動測試模式”指示燈亮，這時可以按下“手動測試”按鈕，進入手動測試界面;“模式”轉(zhuǎn)換開關扳到左側(cè)，觸摸屏上“自動入庫模式”指示燈亮，這時可以按下“自動入庫”按鈕，進入自動入庫界面。

4.3 手動測試界面組態(tài)要求

①在第一行顯示“手動測試”字樣;②在手動測試界面設置供料皮帶輸送單元、機械手搬運手動測試畫面;③設置設備“初始狀態(tài)”指示燈;④設置皮帶輸送機“左行”“右行”“高速”“中速”“低速”按鈕，設置機械手大氣缸“上升”“下降”按鈕，小氣缸“上升”“下降”按鈕，機械手“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”“夾緊”“松開”“前行”“后退”“復位”按鈕;⑤界面上設置“返回工作模式選擇界面”按鈕。

4.4 自動入庫界面組態(tài)要求

①設置自動入庫模式下系統(tǒng)“啟動”和“停止”按鈕。②設置顯示系統(tǒng)各單元是否準備就緒的指示燈、“系統(tǒng)初始狀態(tài)”“自動入庫”指示燈。如果各單元就緒，“系統(tǒng)初始狀態(tài)”指示燈亮。此時才能觸摸“啟動”按鈕啟動系統(tǒng)。系統(tǒng)啟動后，“自動入庫”指示燈亮，指示當前系統(tǒng)處于自動入庫運行狀態(tài)。③設置能切換到工作模式選擇界面的按鈕，只有在系統(tǒng)停止狀態(tài)，切換按鈕才有效。④在界面上分別顯示立體倉庫已放入的兩類商品的狀況。⑤設置指示自動入庫中供料異常的指示燈，供料皮帶輸送單元的供料缺料狀態(tài)指示“料倉空”，并且相應指示燈以2Hz頻率閃亮。

5 PLC程序設計

系統(tǒng)的工作模式分為手動測試模式和自動入庫模式，PLC程序設計采用模塊化程序結構。

5.1 系統(tǒng)的啟動

先將觸摸屏模塊右側(cè)的“模式”轉(zhuǎn)換開關扳到左側(cè)，觸摸屏切換到自動入庫界面后，PLC程序應首先檢查網(wǎng)絡通訊是否正常，各單元是否準備就緒，即：①供料倉內(nèi)有足夠的商品;②機械手搬運單元在初始狀態(tài)：大氣缸在下降位置、小氣缸在上升位置、機械手停在右邊、氣爪松開，機械手位于原點傳感器處;③各單元的各個氣缸均處于初始位置，皮帶輸送單元傳送帶電機在停止狀態(tài)。

若上述條件中有一個條件不滿足，則系統(tǒng)不能啟動。現(xiàn)將系統(tǒng)模式選擇為手動模式，通過手動控制讓系統(tǒng)設備處于初始狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)為自動模式，如果網(wǎng)絡正常且各工作站均準備就緒，則允許啟動系統(tǒng)。此時按下觸摸屏上的“啟動”按鈕，系統(tǒng)啟動后，觸摸屏上“自動入庫”指示燈常亮，指示系統(tǒng)當前在自動入庫模式下工作。

5.2 正常運行過程

系統(tǒng)正常運行情況下，運行的主令信號均來源于觸摸屏。

①PLC接收到系統(tǒng)發(fā)來的啟動信號時，即進入運行狀態(tài)。當啟動信號被復位時，退出運行狀態(tài)。②進入運行狀態(tài)后，供料單元執(zhí)行把商品推到皮帶輸送帶的操作。若料倉內(nèi)沒有商品，則向系統(tǒng)發(fā)出報警信號。③當皮帶輸送帶上有商品后，皮帶輸送啟動，將商品運送到皮帶輸送單元末端，運送到位后皮帶停止。商品被機械手搬走后，供料皮帶輸送單元開始供應下一個商品。④機械手將皮帶輸送單元末端商品搬運到緩沖庫，經(jīng)過貼標后，機械手將商品搬運到立體倉庫，按商品庫位分配放入相應位置。立體倉庫入庫要求為：將空芯商品送到立體倉庫底層1#位置開始依次存放，將帶芯商品送到立體倉庫頂層9#位置開始依次存放。商品入庫后向系統(tǒng)發(fā)出入庫完成信號。商品放入庫位后，相應庫位指示燈亮，代表該庫位放入商品，可以手動清除所有庫位。一個商品入庫后重復上述工作流程，進行下一個商品的自動入庫工作。

由于手動測試動作簡單獨立，因此，常選擇梯形圖編程語言進行設計。自動入庫工作流程復雜，需要檢測商品的類型，并根據(jù)商品類型和當前立體倉儲情況計算確定入庫庫位，同時，保證機械手行走方向正確及距離精準，常選用GRAPH編程語言即順序功能圖。順序功能圖常用的結構有單序列、選擇結構和并行結構，在自動入庫順序功能圖設計中，需要根據(jù)當前倉儲情況選擇入庫庫位，因此，常在程序中分別設置各類入庫商品數(shù)量計數(shù)器，根據(jù)當前商品類型及該類商品計數(shù)器數(shù)值計算入庫庫位，設計采用選擇結構順序功能圖。順序功能圖結構清晰，轉(zhuǎn)換條件可以是單個觸點，也可以是多個觸點的邏輯運算結果，不需要考慮各個運行功能之間的聯(lián)鎖關系，程序設計簡單。在程序調(diào)試過程中，出現(xiàn)問題時，可以通過監(jiān)控查看程序停留位置，通過停留位置步上方條件判斷出錯原因，大大縮短了程序調(diào)試時間，提高了設計效率。

6 調(diào)試過程中的問題及處理方法

6.1 機械手搬運停止時出現(xiàn)抖動，幾秒鐘后停止

原因分析：機械手的直線運動由步進電機控制，步進電機的運行控制脈沖信號來自PLC的高速脈沖信號，信號頻率可以達到2000Hz，導致在程序執(zhí)行中出現(xiàn)當前值與目標值間反復有偏差，機械手需要不停改變運動方向，出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。

處理方法：在程序中目標值的設定從固定數(shù)值，變成一段區(qū)間。通過設定目標值下限和上限，目標值上限=目標值+2，目標值下限=目標值-2，當前值在目標值下限與目標值上限之間時，機械手即停止運行，解決了機械手運行到位后出現(xiàn)抖動的現(xiàn)象，機械手運行平穩(wěn)。

6.2 商品入庫位置錯誤

原因分析：在自動入庫過程中，需要先通過輸送帶上方傳感器識別商品的種類，并由程序中設定的商品類型標志位記住當前商品類型，再按照要求由機械手送入立體倉庫相應庫位。為了提高自動立體倉儲系統(tǒng)運行效率，商品會連續(xù)通過輸送帶運輸。造成上一個商品還沒有完成入庫，下一個商品已通過所有傳感器檢測，修改了程序中商品類型標識，程序會按照當前商品的類型完成上一個商品的入庫操作，造成商品入庫位置錯誤。

處理方法：商品類型標志位的狀態(tài)不是在所有傳感器檢測完成后確定，改在機械手抓取商品后，利用傳送帶末端傳感器的下降沿來控制修改商品類型標志位，在機械手處理當前商品時，計算確定當前商品入庫位置時，不去修改商品類型標志，保證了商品入庫位置的準確性。

6.3 機械手動作時碰撞立體倉庫庫位

原因分析：程序編制錯誤或步進電機定位計算錯誤。

處理方法：首先做好手動測試，將機械手調(diào)整到動作時不會碰撞到立體倉庫庫位的安全位置，編制測試機械手行走到每一個庫位精確位置的脈沖數(shù)程序，測試出機械手從設備原點行走到每個庫位的脈沖數(shù)，然后將測試結果輸入程序中，再次進行調(diào)試校準。調(diào)試完成后，將機械手升降部件連接螺絲松動一些，防止在自動入庫程序調(diào)試中再次出現(xiàn)由于程序錯誤導致機械手碰撞立體倉庫庫位，造成機械手等設備損壞。所有程序調(diào)試運行正常后，再將機械手部件緊固牢靠。

7 系統(tǒng)設計調(diào)試效果

系統(tǒng)按照設定的工作流程，完成不同商品的識別和按照要求完成立體倉庫入庫工作，商品識別準確，入庫定位精度高。自動化立體倉儲系統(tǒng)各種搬運機械可以無縫銜接，實現(xiàn)整個倉庫的無人化作業(yè)，降低人工成本。通過傳感器識別、PLC及以太網(wǎng)方便地實現(xiàn)倉儲系統(tǒng)信息化，可實時掌握商品物資動態(tài)倉儲情況，實現(xiàn)快速調(diào)度。隨著步進電機技術發(fā)展，可以實現(xiàn)高精度精準定位控制，立體倉儲巷道與貨位幾乎可以等寬，高度密集的倉儲方式可以極大地提高土地利用率，降低運行成本，提高企業(yè)效益。

【參考文獻】

【1】李錦，權寧.基于PLC控制的立體倉儲智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].山東工業(yè)技術，2017（13）：210.

【2】馬笑.自動化倉儲系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析[J].物流技術與應用，2016，21（11）：115-117.