基于PLC的倉庫分揀系統設計

張玉娟，張磊

(無錫城市職業技術學院，江蘇無錫,214153)

0 前言

自動化技術是現代物流技術發展的主流，建立一個自動分揀系統[1]，采用可編程控制器（PLC）能夠大大提高工作效率，節省人力，減少出錯。侯忠坤設計了由全向激光掃描儀、分選機、貨架、堆垛機、輸送帶和控制系統組成的基于PLC的具有分揀功能的自動化立體倉庫[2]。王建菊設計了以QUPLC、FXPLC為控制核心，MCGS為實時操作和監控中心的倉庫分揀系統[3]。王樹梅設計了以西門子S7-300PLC為控制核心的智能倉庫分揀系統[4]。孫敏嘉設計了以西門子S7-200系列PLC為控制核心的自動化倉庫[5]。劉延霞設計了基于組態王和PLC的貨物自動識別系統[6]。蔡明書等以倉庫分揀系統任務為研究對象，設計了由3臺三菱PLC組建的CC-Link通信網絡[7]。楊松山設計了基于S7-200/300PLC的現代超級市場商品倉儲配送系統[8]。

本文通過三臺PLC、伺服電機、步進電機、變頻器、觸摸屏等模擬了倉庫分揀系統，主要介紹了總體設計方案、硬件設計和軟件設計。硬件設計部分主要介紹了I/O分配、主電路接線圖和控制電路接線圖，軟件設計部分主要介紹了總體流程圖、初始化子程序流程圖、復位子程序流程圖、緊急停止子程序流程圖、普通停止子程序流程圖、觸摸屏和組態。

1 總體設計方案

1.1 設計目的

圖1為立體倉庫區的正視圖。由圖1可知，立體倉庫區共有9個存儲位置，伺服電機控制左右移動，步進電機控制上下移動。雙速電機為轉運傳送帶電機，變頻器為分揀傳送帶電機，用模擬量的不同電壓范圍模擬不同貨物類型。首先進行取貨，取貨后放入轉運傳送帶，之后機械手對貨物進行檢測，檢測之后機械手將貨物放入分揀傳送帶中，分揀到對應位置之后存貨。系統運行期間操作員可以在觸摸屏中清晰觀察到運行狀態。

圖1 立體倉庫區正視圖

1.2 設計方案

系統原理框圖如圖2所示，系統由PLC、各種電機和各種開關組成。通過三菱PLC編寫控制程序，通過控制柜中按鈕開關、旋鈕開關、行程開關、和限位開關對伺服電機、步進電機、變頻器和雙速電機進行控制。各種開關對電機運行起著限制、指引以及控制其運行狀況的作用。

圖2 倉庫分揀系統原理框圖

2 硬件設計

每列倉庫位置的第一層各配有一個位置檢測傳感器（SQ11-SQ13）。首先在觸摸屏中立體倉庫區的9個倉庫位置隨機輸入取貨順序號（①-⑨，輸入序號不得重復），然后取料小車按照規則行駛至相對應位置，取出貨物并返回至原位（SQ13）；車上推送氣缸將貨物推到SQ1，當SQ1檢測到有貨物時，轉運傳送帶將貨物送至SQ2位置，期間需要對貨物類型進行檢測，根據檢測到的結果（用控制柜正面的0-10V電壓模擬貨物類型），將貨物分成甲、乙、丙三種；之后機械手動作將貨物放至貨物傳送帶的SQ3位置，當SQ3檢測到有貨物時，分揀傳送帶將貨物運送至甲倉、乙倉或丙倉入口（送貨傳送帶運行的速度、時間根據運送貨物的類型而變化），對應氣缸動作，將貨物推入對應倉庫位置，完成放貨。

2.1 可編程控制器I/O端口分配

I/O分配表如表1所示。本文共用到三個PLC，分別為Q系列、3UMT系列和3UMR系列。按鈕開關SB1與MR系列上X1對應，當按下按鈕開關時，啟動程序，運行電機，按鈕開關SB2與MR系列上X2對應，對應停止驅動器的運行。

表1 倉庫分揀系統I/O分配表

2.2 硬件接線圖

2.2.1 主電路接線圖

主電路接線圖如圖3所示，整個系統由三相電源供電，GND與COM連接形成回路，可以保護電路。24V與 V+連接，給步進電機驅動器供電。Y0為步進電機運行的信號燈，Y1與DIR相連接控制步進電機正反轉。伺服驅動器SQ14，SQ15用于保護伺服電機，當操作員失誤操作觸碰到SQ14或SQ15位置時強制停止。M3雙速電機KM1與KM2控制雙速電機高速運轉，KM3控制雙速電機低速運行。M4變頻器由電壓模擬量輸入控制，實行七段速運行。

圖3 主電路接線圖

2.2.2 控制電路接線圖

控制電路接線圖如圖4所示。3UMR系列，3UMT系列以及Q系列三個PLC用CCLINK相互關聯，通過CCLINK實現數據量和開關量的數據傳送。當驅動器運行時，MRPLC有對應的HL指示燈給出運行狀態信號。

圖4 控制電路接線圖

3 軟件設計

3.1 總體流程圖

系統自動運行模式的流程圖如圖5所示，先將SA1撥右擋，進入自動運行模式，處于初始化階段，伺服向右運行至SQ13，之后HL4燈常亮，之后按下啟動按鈕SB1之后取貨，取貨完成后按下SQ1行程開關后，再進行下一次取貨，并且轉運電機雙速運行，按下SQ2行程開關，檢測之后，機械手運行。按下SB3按鈕確定貨物類型，以模擬量電壓值模擬甲乙丙貨物狀態。之后按下SQ3之后。若SB3確定為甲貨，則變頻器以45Hz運行9s將其分揀到甲區并進行存貨。若SB3確定為乙貨，則變頻器以30Hz運行6s，分揀到乙區，并且進行存貨，若SB3確定為丙貨，則變頻器15Hz運行3s，分揀至丙區，并且進行存貨。存貨后在觸摸屏對應框內進行計數。若任意一個區計數貨物等于3個，則該區不能在進行計數，若SB3確定貨物依然到該區域時，則變頻器以50Hz運行10s分揀到存貨多余區。共取貨物九個，當最后一個貨物分揀存貨完之后，則自動運行部分結束。

圖5 自動運行模式流程圖

3.2 復位子程序流程圖

復位子程序流程圖如圖6所示。在調試模式運行完畢后，伺服位置并不在原來位置。復位按鈕是為了所有電機恢復到原先位置，即伺服向右移動至SQ13位置，雙速KM處于非吸合狀態，步進與變頻器處于停止轉動狀態。當復位完成后HL4燈以1Hz閃爍表明復位完成。

圖6 復位按鈕子程序

3.3 緊急停止子程序流程圖

緊急停止子程序流程圖如圖7所示。緊急停止是為了保證系統出現意外狀況后，能夠立刻停止，減小設備損失。當出現緊急狀況的時候，旋轉急停SA2，則所有電機全部停止，界面數值全部清空，恢復初始狀態。之后HL2以2Hz閃爍提示處于急停狀態。

圖7 緊急停止子程序

3.4 普通停止子程序

普通停止子程序流程圖如圖8所示。普通停止用于設備正常關啟，操作員暫時性無法看管機器時使用。按下普通停止后，當再次啟動時，系統會以原先運行時的狀態繼續運行，原數據保存。HL2燈常亮表示目前處于普通停止狀態。

圖8 普通停止子程序

3.5 觸摸屏HMI與組態MCGS

觸摸屏上的自動分揀組態畫面如圖9所示。在自動分揀模式中，操作員點擊復位按鈕，進行初始化。初始化完成后，操作員在倉庫存貨區九宮格里隨機輸入1-9之后，按下啟動按鈕。九宮格內黃色三角形實時顯示運行到的位置。甲貨位置對應SQ11位置，乙貨位置對應SQ12位置，丙貨位置對應SQ13位置。當步進正轉四圈時，則上升一層，步進反轉四圈時則下降一層。當取貨完成后轉運傳送帶啟動時，界面中狀態顯示區對應的指示信號燈變為紅色。表示該電動機處于運行狀態。數據統計負責統計數據，當分揀存貨后，若貨物為甲貨，則甲區數量記為1。參數顯示區，顯示當前伺服步進運行速度以及分揀電機運行頻率和時間。當SB3按鈕確定貨物類型時，確定什么貨物，當前貨物類型位置也可以顯示出來。參數顯示區可以顯示倉庫取貨區和狀態顯示區的電機運行參數。在取貨區域中當伺服電機與步進電機運動時，顯示伺服步進的當前運行速度。進入分揀階段時，顯示當前變頻器運動的頻率和時間。如果在運行過程中出現故障，撥動SA2急停按鈕后，數據統計區的數據可以保留，倉庫取貨區和參數顯示區域數據全部清零。當回歸正常后，操作員撥回SA2按鈕。重新輸入數據后，回歸正常運行。

圖9 自動分揀界面

4 結束語

本文采用伺服驅動器、步進驅動器、轉運傳送帶電機（即雙速電機）、分揀傳送帶電機（即變頻器）、模擬量、觸摸屏和組態MCGS構成了基于PLC的倉庫分揀系統設計。平面倉庫操作中將倉庫分為九個區域，運用伺服電機實現平面上左右移動，運用步進電機實現平面上上下移動，更容易固定位置，取貨更方便。分揀傳送帶電機用變頻器，可以運行多段速，而且頻率可以自己擬定。利用變頻器不同的運行頻率與運行時間，能夠區分三種貨物區域上的不同。模擬貨物類型時，還用到了電壓模擬量輸入。觸摸屏和組態MCGS使得操作更直觀方便。若再增加伺服實行前后移動，則可以建立成立體倉庫，則可以擴充18個區域進行取貨。