基于PLC的智能立体仓库控制系统设计

董思宁

天津市中天海河职业培训学院 300350

摘要：立体仓库系统是智能制造的重要环节。在分析物料出入库作业流程的基础上，设计了以堆垛机为核心的2区4行5列共40个库位的智能立体仓库。该系统以西门子S1200作为主控制器，采用伺服电机实现堆垛机的上下及左右运动，由直流电机控制伸叉完成物料的出入库动作。利用射频识别技术，实现对库位物料的动态追踪。此外，用户可以通过监控画面来控制系统的出入库动作，实时显示系统的立体仓库运行状态和运行时间。实际运行效果表明，该立体仓库极大地缩短了智能制造过程中物料传送时间，减低了物料报废率，提高了系统的智能化水平。

关键词：PLC；智能立体仓库；控制系统；设计

引言

随着现代物流技术的快速发展，仓储管理已从人工作业管理逐渐向机械化、自动化、信息化、智能化转变。为推动现代供应链建设并满足电力物资仓储管理的需求，构建精益、高效的自动化立体仓库，满足电力物资多品种实物储备需要，提高仓库的存储、抽检、配送等综合能力。电力自动化立体仓库管理系统是数据交互和设备智能控制的枢纽，向上承接电力智慧供应链运营决策中心的智能仓储、智能配送等功能模块，向下统筹区域自动化立体仓库设备指令调度，其核心是A-WMS与自动化立体仓库WCS之间的交互，实现A-WMS调度自动化立体仓库设备，如输送线、堆垛机、检测设备、四项穿梭车、行吊、灯光拣选、机器人等。本文重点研究A-WMS与WCS，以及与区域自动化立体仓库内设备之间的数据交互接口和A-WMS上位机软件的功能，旨在提高仓库控制系统、库内设备与上层应用软件之间的互操作性，为现代供应链数据采集奠定良好的基础。

1立体仓库系统结构及功能

1.1立体仓库系统结构组成

立体仓库系统主要由货架、堆垛机、传感器检测模块、PLC控制模块、触摸屏监控模块5个部分组成。货架由4层3列共12个仓位组成。堆垛机由X轴行走机构、Z轴行走机构和气动货叉3个部分组成，其中，X轴、Z轴的行走机构采用步进电机控制滚珠丝杠以实现水平移动和垂直升降，Y轴气动货叉通过两位五通电磁阀控制气缸伸缩实现货物的取放动作。传感器检测模块包括X轴原点，Z轴原点，X轴左限位、右限位，Z轴上限位、下限位，气缸前限位、后限位，仓位货物检测共9个传感器，用以完成货物检测和位置控制的功能。PLC控制模块根据控制盒按钮实现对立体仓库的自动运行控制。触摸屏监控模块实时监控立体仓库货物的存取状态，并能够向PLC发送控制指令，驱动堆垛机自动存取货物或手动存取货物。

1.2立体仓库系统功能

立体仓库系统分为手动控制和自动控制两种模式，可以通过触摸屏画面中相应按钮选择其中一种模式执行，每种模式均包含入库和出库两种功能，通过触摸屏中的出入库按钮可选择不同的功能。手动模式下，通过触摸屏画面中启动、停止、复位、急停按钮可以控制堆垛机的运行情况，并可以自由选择仓位执行货物存取操作。自动模式下，货物存取方式分为两种：一种是通过按钮控制盒中的启动、停止、复位、急停按钮控制堆垛机完成货物的自动存取；另一种是通过触摸屏画面中的启动、停止、复位、急停按钮实现货物的自动存取，其中，堆垛机自动存货按照依次存入离出货口最近且未被占据的货格的原则进行，自动取货按照先被存进去的货物先被取出的原则进行。

2基于PLC的智能立体仓库控制系统设计

2.1叉货气动装置气压回路的设计

实际仓储工件质量较轻，堆垛机的出入库动作由气缸带动叉货装置完成。叉货气动装置气压回路的控制过程是从气源出来的气体经气源三联件后，通过三位五通电磁换向阀来控制叉货装置的运动方向，经过的节流阀控制叉货装置的运动速度，通过感应磁性开关对叉货装置进行前后限位。

2.2立体仓储控制系统的设计

（1）确定采用西门子PLCSIMATICS7-1200，其设计紧凑、成本低廉。具有脉冲串控制接口的驱动，拥有4路用于带脉冲接口的伺服驱动，无须位置反馈，可以进行连续的PID控制，脉冲宽度输出。（2）根据I/O口分配表，需要传感器、开关等输入口18个，伺服电机、电磁阀等输出口11个，按照20%的余量考虑，确定CPU1214C具体型号。（3）自动化仓库管理系统控制的处理流程，分为主程序控制流程和叉货装置动作流程。主程序控制流程是利用传感器、开关信号对出入库状态进行判别，通过控制X轴、Z轴伺服电机的使能、脉冲、方向信号，对叉货装置的水平和垂直的运动进行控制。叉货装置动作流程是根据出入库要求，对气压杠的伸出、缩回动作进行控制，微调Z轴，保证工件顺利完成出入库动作。根据流程编写T形图，最后对系统进行了仿真和调试。

2.3系统之间通信接口设计

本文采用RESTful接口设计并实现A-WMS与电力智慧供应链运营决策中心、WCS之间的数据交互及共享。与传统SOAP协议的服务相比，RESTful接口设计架构既简单又直观，缩减SOAP协议复杂的XML格式化命令和数据传输选项。REST是面向资源和分布式系统的一种架构，架构遵循CRUD原则，对资源的操作包括创建、获取、更新和删除资源。通过统一资源标识符来识别和定位资源，针对这些资源执行的操作是通过HTTP规范定义的。其核心操作只有GET、PUT、POST、DELETE这4种方式。当客户端对某个资源发起4种请求中的一种请求时，服务器就会以相对应的方式提供一个采集了信息资源的文档作为回应。构建基于RESTful接口服务A-WMS的目的是分析系统业务数据交互，然后将交互数据所涉及的对象抽象成不同的资源和对应的URL，这样才能完成数据交互的整体设计。

2.4发动机缸体铸造砂芯自动化立体仓库设计方案

在发动机缸体铸造车间中，发动机缸体铸造砂芯制造线的生产率一般低于造型线的生产率，制芯线与造型线之间存在着生产率不匹配的问题，自动化立体仓库可以很好地解决生产率不匹配问题。发动机缸体铸造砂芯自动化仓库通过自动化存储上游制芯环节生产的砂芯，并配合造型线生产节拍为下游造型环节供应砂芯，调节砂芯的供需平衡，稳定造型线的砂芯供应需要，保证铸造生产过程的高效进行。包括货架区、出入库输送区和空托盘补给区等区域。发动机缸体铸造砂芯自动化立体仓库具有以下功能：（１）自动化存取砂芯，砂芯先进先出。（２）冷芯与热芯入库存储与出库供给。（３）空托盘输送入库暂存与出库供给。（４）冷芯／热芯上线直供。（５）砂芯卸下后空托盘直供。（６）砂芯按工序在预定工位进行组合。（７）组合砂芯带托盘输送入库与出库。（８）组合砂芯输送到造型线下芯机旁的卸芯工位。（９）砂芯库存在线管理。

结束语

经过现场测试，智能化立体仓库完成了物料板和空板的自动出入库功能，实现了物料的动态追踪功能，降低了物料的报废率，达到了堆垛机对40个库位的精确定位，完成了预期功能。立体仓库智能控制系统系统设计合理，结构清晰，功能可靠，具有智能化、便捷化的特点，可以方便接入工业机器人及数控加工系统，为今后智能制造领域提供优质可靠的物料供应。

参考文献

[1]杨莎.基于PLC的智能立体仓库控制系统设计[J].西安：长安大学，2012.，3（05）：46-48.

[2]闫磊，王萌，李任鹏.基于PLC的智能立体仓库控制系统设计[J].制造业自动化，2020，42（11）：11-13.

[3]杨利，陈柳松，谢永超.基于PLC的智能立体仓库控制系统设计[J].自动化技术与应用，2021，40（7）：72-75.