基于組態(tài)王和PLC小型立體倉庫的設(shè)計研究

譚猛

摘? ?要：小型立體倉庫改變了以往倉儲模式，實現(xiàn)倉庫自動化控制，并在倉儲行業(yè)得到越來越多的應(yīng)用。結(jié)合組態(tài)王和PLC控制系統(tǒng)設(shè)計一種新的小型立體倉庫方案，從組態(tài)設(shè)計及PLC系統(tǒng)設(shè)計兩方面進行展開，構(gòu)建更高效的倉庫控制系統(tǒng)，提升立體倉庫應(yīng)用便捷性和靈活性，以期能夠提高倉庫自動化水平，節(jié)約更多的人力、物力，推動小型立體倉庫進一步發(fā)展、普及。

關(guān)鍵詞：組態(tài)王;可編程邏輯控制器;小型立體倉庫

小型立體倉庫能夠在自動控制的狀態(tài)下，完成存儲、出庫、統(tǒng)計等一系列倉儲活動，將倉儲物流與計算機、網(wǎng)絡(luò)及自動控制系統(tǒng)相結(jié)合，帶來一種更加高效的管理方式。立體倉庫的出入庫能力較強，能夠明顯提高倉儲空間利用率，進而節(jié)約倉儲成本，防止資金積壓。如上功能的實現(xiàn)需要建立在高質(zhì)量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，因此有必要將組態(tài)王和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）融入其中，優(yōu)化小型立體倉庫設(shè)計。

1? ? 基于組態(tài)王的小型立體倉庫設(shè)計

1.1? 模擬功能

設(shè)計方案以組態(tài)王為組態(tài)軟件，在此環(huán)境下完成對上位機的設(shè)計。選用該軟件的主要原因是系統(tǒng)界面為全中文、人機交互性優(yōu)良、操作過程簡單、各項控制參數(shù)的修改和調(diào)整相對靈活。通過觀察參數(shù)調(diào)整后系統(tǒng)變動曲線即可找出其變化趨勢，有利于控制系統(tǒng)設(shè)計實驗的開展。

利用組態(tài)王軟件對小型立體倉庫的原理及工作流程進行設(shè)計。系統(tǒng)包括以下元件：（1）操作按鍵。帶有英文字母標識的按鍵對應(yīng)倉庫巷道，用于控制堆垛機的運行路線。帶有數(shù)字標識的按鍵對應(yīng)貨架層數(shù)，用于控制升降臺的運行路線。另有啟停控制按鈕，控制整個系統(tǒng)的開閉。（2）電動機。系統(tǒng)中包括3臺電動機，分別用于堆垛機、傳送帶和升降臺的控制?？衫每刂瓢粹o調(diào)整電動機的運行狀態(tài)，使堆垛機、傳送帶和升降臺相互配合，將貨物運送至指定位置。（3）堆垛機。堆垛機是小型立體倉庫中的關(guān)鍵設(shè)備，具備手動控制、自動控制和半自動控制功能，負責(zé)貨物的平面運輸，其結(jié)構(gòu)主要包括機架、提升構(gòu)件、移動構(gòu)件、貨叉、控制系統(tǒng)、載物臺等[1]。堆垛機選型是立體倉庫設(shè)計的重點工作，常見的堆垛機形式包括雙軌巷道式、單立柱式、單軌巷道式等，需結(jié)合倉儲特點進行選擇。在參數(shù)設(shè)定上，結(jié)合倉儲流量，推算堆垛機的理論運行速度和提升速度。（4）傳送系統(tǒng)。傳送系統(tǒng)負責(zé)貨物位置移動，小型立體倉庫的傳送系統(tǒng)包括升降臺、提升機、鏈條輸送機等，同樣需依照倉儲流量設(shè)定速度參數(shù)。（5）貨架。貨架設(shè)計在一定程度上決定了倉庫空間的可利用率，自動化倉庫常用橫梁式貨架和框架式貨架，一般需根據(jù)倉儲貨物的外觀、尺寸及質(zhì)量進行選擇。

在本研究的設(shè)計中，傳動系統(tǒng)包括堆垛機、傳送帶和升降臺，由相應(yīng)電動機控制。傳送帶帶動升降臺進行水平移動，升降臺再將貨物運送至相應(yīng)的垂直高度，并選用框架式貨架，利用托盤將貨物運送到指定位置。

1.2? 監(jiān)控功能

1.2.1? 框架設(shè)計

小型立體倉庫組態(tài)界面被分為兩個區(qū)域，即按鍵區(qū)和顯示區(qū)考慮到人機交互的便捷性，將按鍵區(qū)設(shè)計在顯示區(qū)下方。按鍵區(qū)除對應(yīng)巷道及庫位的按鈕及啟停按鍵外，還設(shè)有各類指示燈，包括運行指示、空閑指示、報警指示燈。指示燈設(shè)計可結(jié)合小型立體倉庫的倉儲物流需求進行，若倉庫功能較為簡單且倉儲活動密度較低，可選擇忽略[2]。界面提供上下、左右、前后動作操控，可對運輸系統(tǒng)設(shè)備進行控制。

報警指示燈給出報警提示，當(dāng)小型立體倉庫的倉儲活動發(fā)生問題或系統(tǒng)中設(shè)備出現(xiàn)異常時，提示現(xiàn)場操作人員對故障點及異常點進行檢查并處理，以免給倉庫造成額外損失。本設(shè)計方案添加了開關(guān)量報警模塊，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相應(yīng)問題時，自動給出報警提示和相關(guān)信息，可在交互界面觀察到報警指示燈閃爍并有提示窗口彈出。此時，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫自動記錄報警時的狀態(tài)數(shù)據(jù)，若具體參數(shù)已達到事先設(shè)定的臨界值，自動作出停機處理，對組態(tài)進行保護。

1.2.2? 具體應(yīng)用

對組態(tài)王監(jiān)控功能的使用方法進行介紹。首先，新建小型立體倉庫工程，新建設(shè)計界面并進入開發(fā)系統(tǒng)，使用各類工具繪制小型立體倉庫的組態(tài)結(jié)構(gòu)。其次，進入數(shù)據(jù)庫詞典，編輯變量，如A存、A取、1存、1取等。變量需對應(yīng)小型立體倉庫設(shè)計要求，并設(shè)置初始坐標。再次，進行畫面設(shè)計，選取所需圖形，并與變量相連。例如在界面點擊貨物圖標，自動彈出圖形連接對話框，選取所需變量并確認，完成連接操作。最后，編輯命令語言。命令語言編輯是組態(tài)模擬的關(guān)鍵步驟，在命令語言對話框中建立事件命令。本方案命令語言描述為以下流程：點擊巷道及庫位案件，升降臺達到指定位置，提升完成取貨任務(wù)。將貨物移動至傳送帶并回到初始位置。點擊存貨按鍵和啟動按鍵，傳送帶和升降臺水平移動，到達指定位置后將貨物提升至存放點。

1.3? 數(shù)據(jù)庫搭建

數(shù)據(jù)庫也是組態(tài)王軟件的核心結(jié)構(gòu)之一，通過數(shù)據(jù)庫將上位機及下位機相連，實現(xiàn)組態(tài)王與PLC系統(tǒng)的配合與聯(lián)動。小型立體倉庫現(xiàn)場工況以視頻形式呈現(xiàn)在監(jiān)視屏中，在操作人員通過計算機系統(tǒng)下達具體動作指令后，指令信息必須在最短的時間內(nèi)傳輸至倉儲現(xiàn)場，以上過程均需要依托功能優(yōu)良的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫的搭建核心工作為對數(shù)據(jù)變量的定義，包括數(shù)據(jù)量的名稱、型號、初始值和限定范圍等。

2? ? 下位機設(shè)計

2.1? PLC選型

2.1.1? 電壓設(shè)計

PLC系統(tǒng)的電壓需根據(jù)供電系統(tǒng)電壓確定，通常情況下應(yīng)避免從動力電源直接取電，可使用隔離變壓器將電源系統(tǒng)劃分為動力電源和控制電源兩部分，安裝濾波器，做好抗干擾工作。本研究設(shè)計的PLC系統(tǒng)使用24 V直流電壓。

2.1.2? 點數(shù)選擇

點數(shù)選擇指的是整個控制系統(tǒng)中所需要的PLC輸入及輸出點數(shù)的確定。若為改進方案，可依照事先設(shè)計好的數(shù)量進行選取;若為首次設(shè)計，為確保點數(shù)足夠，可適當(dāng)預(yù)留[3]。本次設(shè)計通過計算，決定設(shè)計輸入點數(shù)36個，輸出點數(shù)17個。

2.1.3? 觸點類型

輸出觸點類型一般選取繼電器或晶體管，具體如何選擇需要考慮執(zhí)行系統(tǒng)電源的電壓大小及功率情況。若系統(tǒng)存在高壓脈沖需求，當(dāng)輸出控制步進電機或進行系統(tǒng)輔助時，必須選取晶體管。本研究的設(shè)計也選擇該類型的輸出觸點。

2.1.4? PLC選型

小型立體倉庫中常用的S7類PLC具備體積小、輕便、標準化程度高、通信性能強等優(yōu)勢。在該類PLC中，因功能、性能上的差異被分為S7-200、S7-300、S7-400等型號。這些型號的PLC自帶高速脈沖輸出端，可較好地配合步進電機的應(yīng)用。結(jié)合小型立體倉庫控制需求，本研究選取S7-200型號PLC。S7-200型號PLC在可擴展性及靈活性上存在優(yōu)勢，若在實際應(yīng)用中需要添加輸入/輸出（Input/Output，I/O），利用擴展模塊即可完成，避免了更換機型的麻煩，有利于減少后期升級投入。設(shè)計方案中輸入及輸出點共計53個，因此要求PLC的I/O點至少為53個。

2.2? 步進電機選型

步進電機又稱脈沖電動機，作用是將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移，且這種轉(zhuǎn)換不涉及電動機的變換。步進電機的位移量與脈動信號之間呈現(xiàn)正比例關(guān)系，且這一關(guān)系不受電壓、負載等情況的影響。另外，步進電機每個旋轉(zhuǎn)周期對應(yīng)固定的步數(shù)，在正常情況下電機出現(xiàn)的誤差不會被積累擴大。此外，步進電機具備優(yōu)良的控制能力，例如在開環(huán)系統(tǒng)中，可對較大范圍內(nèi)的脈沖頻率進行調(diào)整，以控制電機轉(zhuǎn)速。

2.2.1? 電機選型

基于組態(tài)王及PLC的小型立體倉庫設(shè)計中，步進電機的選擇應(yīng)通過計算找出最佳的步進電機類型，然后再選取適合的型號。小型立體倉庫中使用的步進電機應(yīng)具備電壓、電流低的特點，并存在定位轉(zhuǎn)矩，由螺旋結(jié)構(gòu)進行安裝固定。若為首次設(shè)計，步進電機應(yīng)進行2倍預(yù)留。綜上，決定選用2相8拍步進電機。該步進電機體積小、運行頻率較高，具體型號為42BYGH1O1，額定轉(zhuǎn)矩0.44 N·M，總重0.24 kg，以24 V電壓驅(qū)動。

2.2.2? 組件選型

（1）驅(qū)動器。選用SH驅(qū)動器，其結(jié)構(gòu)包括電源輸入模塊、信號輸入和輸出模塊。微型驅(qū)動器的供電電壓一般在24～40 V，本設(shè)計的PLC系統(tǒng)要求使用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，因此將倉庫電源設(shè)計為開關(guān)式穩(wěn)壓電源。驅(qū)動器的具體型號為2H057，主體結(jié)構(gòu)為鑄鋁材質(zhì)，密封性好，適用于小型驅(qū)動器。由于驅(qū)動器本身未設(shè)置風(fēng)機，需要依靠外殼進行散熱，因此在安裝時，需要將驅(qū)動器固定在壁厚較大的金屬機柜上，并在接觸面涂刷硅脂，方便散熱[4]。結(jié)合小型立體倉庫的設(shè)置地點，可選擇額外安裝風(fēng)機輔助散熱。（2）微動開關(guān)。微動開關(guān)設(shè)置數(shù)量對應(yīng)小型立體倉庫倉位，當(dāng)發(fā)生貨物運輸活動時，相應(yīng)的微動開關(guān)作出反應(yīng)。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，在X軸左限位及Y軸下限位增設(shè)微動開關(guān)用作位置保護，避免在倉儲使用過程中因程序問題導(dǎo)致其遭到破壞。（3）傳感器。選用接插件式傳感器，設(shè)置變調(diào)光，以免外界光對系統(tǒng)造成干擾。傳感器自帶指示燈，以便直觀確認動作。傳感器回路中包括3根接線，分別接入電源正負極及信號輸出，為保證傳感器的靈敏性，檢測距離不應(yīng)過短。

2.3? 流程設(shè)計

以某貨物存放為例，對PLC控制的倉庫自動化流程設(shè)計進行介紹。

（1）檢測系統(tǒng)對貨物進行檢測，若合格，將貨物運輸至倉庫自動化系統(tǒng)起始點。（2）托盤提取貨物，并設(shè)計2～3 s時滯，確定貨物是否存放牢固，結(jié)合傳送系統(tǒng)將貨物提升至指定位置。系統(tǒng)檢測貨物達到X、Y方向的限位開關(guān)，自動關(guān)閉電動機。（3）系統(tǒng)根據(jù)倉庫倉儲信息，判斷該位置是否為空閑狀態(tài)，若非空閑，再次尋找目標位置;若空閑，則將貨物存放至該地點。（4）放置貨物的過程中同樣設(shè)計2～3 s時滯，確保貨物放置平穩(wěn)后再撤除托盤。（5）Z軸方向氣缸收縮，觸碰到該方向限位開關(guān)后，停止運動。（6）X、Y兩方向電動機向原點運動，觸碰到本方向限位開關(guān)后停止運動。系統(tǒng)回到初始狀態(tài)，準備下一次運輸任務(wù)。

3? ? 結(jié)語

本研究給出一種結(jié)合組態(tài)王軟件及PLC系統(tǒng)的小型立體倉庫設(shè)計方案。基于該設(shè)計，小型立體倉庫能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制和實時監(jiān)管。該控制系統(tǒng)具備性能穩(wěn)定、擴展靈活、人機交互良好等特點，值得在小型立體倉庫設(shè)計中大面積推廣。實際工作中，相關(guān)人員應(yīng)充分分析小型立體倉庫物流倉儲需求，明確流量、密度等信息，對控制系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備做合理化選型，在滿足良好控制功能的基礎(chǔ)上，提高小型立體倉庫運行經(jīng)濟性。

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