基于PLC 的立體倉庫控制系統設計

王 娟

（吉林工業職業技術學院電氣與信息技術學院，吉林 吉林 132013）

1 引言

隨著現代化生產規模的不斷擴大，自動化立體倉庫被廣泛地應用于倉儲及生產。自動化立體倉庫作為現代物流系統的重要組成部分之一，具有節約用地、降低儲運損耗、減輕勞動強度、消除差錯、減少流動資金的積壓、提高物流效率以及倉儲自動化水平和管理水平、提升管理和操作人員素質等優點[1]，實現了倉庫功能從單純保管型向綜合流通型的轉變[2]。

由于合適的自動化立體倉庫存取策略能夠提高倉庫的工作效率，因此要獲取最優化的算法，并且為了有利于立體倉庫的控制實現自動化，可以應用具備可靠性高、抗干擾能力強、設計安裝容易等優點的PLC。

2 立體倉庫控制功能

如圖1 所示設計了立體倉庫系統控制面板，并且面板上設置了急停、取出、啟動、倉位號等按鈕。該立體倉庫的具體控制功能如下：

（1）將選擇開關置于自動位置，通電狀態下，各機構復位，即返回零位。立體倉庫坐標定位以零位開始。

（2）當送貨的時候，選擇欲送貨物的倉位號，按動倉位號對應按鈕，控制面板數碼管將顯示倉位號。按送進按鈕后，貨物將自動送入指定倉位號對應的倉庫位置。若被指定的倉位有貨物，則送貨命令不被執行。送貨完成后，小車將自動返回原來位置。

（3）當取貨的時候，選擇欲取貨物的倉位號，按動取出按鈕后，控制面板數碼管將顯示倉位號，堆垛機將自動取出貨物。如果小車里有貨物，則取貨命令不被執行。

（4）完成取貨和送貨指令后，各機構將自動返回原來位置。

（5）整個電氣控制系統必須設置急停按鈕，以防發生意外。

3 系統硬件設計

自動化立體倉庫的硬件設計主要包括PLC選型、堆垛機控制系統設計、步進電機選型、輸入點和輸出點分配。

運用PLC 控制系統來控制立體倉庫的運動，實現對輸入信號快速做出響應。控制系統結構如圖2 所示。

3.1 PLC 選型

根據工藝控制要求，本系統選用西門子S7-300 系列PLC，其主要根據如下：

（1）選用該機型PLC 可以滿足立體倉庫控制系統的要求。

（2）目前，西門子品牌PLC 的應用比較成熟，不僅在技術上有保證，還可以借鑒大量的成功經驗，這樣就縮短了系統開發的周期，從而降低成本。

（3）由于有步進電機的控制，故選擇晶體管輸出類型。

3.2 堆垛機控制系統設計

堆垛機作為自動化立體倉庫系統的重要組成部分，是整個系統的執行部件。存貨時，將貨物從出入貨臺準確存放至貨位；取貨時，將貨物從貨位取回至出入貨臺。

堆垛機運行機構由水平運行的行走機構、垂直運行的起升機構與取送貨的伸叉機構三部分組成。其中，水平和垂直部分運動電機由西門子S7-300PLC 控制。伸叉機構電機則采用步進電機，由西門子S7-300 系列PLC 通過步進電機驅動器進行控制。堆垛機運行機構特點與工作要求能夠保證堆垛機的穩定工作，并精確定位三維位置移動。

3.3 步進電機選型

該立體倉庫控制系統采用三相混合式步進電機，其主要優點為體積小以及具有較高起動和運行頻率，能夠保持定位轉矩等。作為驅動步進電動機，必須由決定電動機速度和旋轉角度的脈沖發生器（該立體倉庫控制系統采用PLC 作脈沖發生器進行位置控制）、使電動機繞組電流按規定次序通斷的脈沖分配器、保證電動機正常運行的功率放大器以及直流功率電源等組成驅動系統。

3.4 輸入點和輸出點分配

分配I/O 點時，應注意系統公共點的帶載能力，以免燒毀設備。堆垛機控制系統采用的PLC是西門子S7-300 CPU312，共使用8 個輸入點、16 個輸出點，以及4 個中間變量M，具體I/O 點分配如表1 所示。

表1 PLC輸入輸出I/O點分配

4 立體倉庫存取路徑優化

對于固定面積的立體倉庫而言，不同的存儲策略決定了存取時間。因此，合理安排堆垛機的工作路徑能夠提高立體倉庫的存取效率。

4.1 存取策略

排隊論被稱為隨機服務系統理論，是研究排隊系統運行規律、優化控制和系統狀態的一種科學理論[3]。排隊理論適用于建立立體倉庫存儲模型。立體車庫排隊模型如圖3 所示。

通過排隊隊列立體倉庫在每次存取貨物操作后會回到原處，再重新進行操作。由隨機存取策略演化而來交叉存取策略，則是將批量貨物先分組，再交叉存取[4]。

若先進行存貨操作，完成后立即取貨所用時間為T1，則：

若先進行取貨操作，完成后立即進行存貨所用時間為T2，則：

連續進行n 次存取貨任務所用總時間為T，則：

其中，k1和k2分別指在交叉存取策略下，兩種情況發生的次數，k1+k2=n。

4.2 路徑優化

堆垛機的工作方式采用單一和復合相結合的方式，運行路徑的計算方式為距離之和。

當存貨或者取貨的目標位置為（a，b）時，堆垛機進行單一工作的距離為Sd，則：

當同時有存貨目標位置（a，b）和目標位置（c，d）任務時，堆垛機進行復合工作運動，則：

當有m 項存貨任務和n 項取貨任務時，進行單一作業次數為｜m-n｜的值，即：

當有m 項存貨任務和n 項取貨任務時，進行復合作業次數將執行m 和n 中較小的數量，即：

堆垛機運行的總距離為S，則：

由此可見，利用遺傳算法優化堆垛機的路徑，可以縮短其工作距離。

5 上位機設計

在組態軟件中，采用交叉存取策略可以完成自由控制。利用西門子S7-300 系列PLC 完成對立體倉庫堆垛機控制系統的設計，并通過WinCC 來組態人機界面，建立WinCC 與PLC 的通信連接，實現對控制過程的監控。圖4 為主運行界面。

6 結語

隨著立體倉庫快速發展，采用交叉存儲策略以及遺傳算法優化立體倉庫路徑有利于企業實施現代化管理，因而已成為企業物流和生產管理不可缺少的倉儲技術。基于PLC 的立體倉庫控制系統在故障排除方面，采用預測專家系統等智能控制算法，能夠幫助操作員快速找到故障點，提高其排除故障效率；在優化分配貨架貨位方面，對輸送線等外圍設備進行了分析，力爭將系統全局達到最優。當然，在實際生產中，還要不斷完善和改進部分環節可能存在的漏洞，并利用高級語言開發監控系統，縮短工程人員檢測程序的周期，以提高控制系統的性能。