基于PLC的工業(yè)自動(dòng)化立體倉庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冉玉梅

(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，我國工業(yè)和建筑行業(yè)等都逐漸由傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用機(jī)械設(shè)備的智能化模式，可以大大提高生產(chǎn)工作效率，為個(gè)人、企業(yè)帶來便利。除了生產(chǎn)過程的自動(dòng)化外，還應(yīng)當(dāng)發(fā)展管理的自動(dòng)化，例如自動(dòng)化立體倉庫的研究和建設(shè)。PLC相較于其它的單片機(jī)，具有強(qiáng)大的功能和過硬的質(zhì)量，因此可以將其作為倉庫控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1 自動(dòng)化立體倉庫簡(jiǎn)介

自動(dòng)化立體倉庫指的就是在沒有人員管理的情況下，可以自主進(jìn)行貨物儲(chǔ)存和取出工作的現(xiàn)代化倉庫，它的運(yùn)作模式類似于自動(dòng)販賣機(jī)，內(nèi)部設(shè)置層層疊疊的貨架，并對(duì)相應(yīng)的隔間位置作出編號(hào)，將物料置于其中，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化管理[1]。它主要由四個(gè)部分組成：

1.1 儲(chǔ)存設(shè)備

儲(chǔ)存設(shè)備指的就是用于存放貨物的貨架，它分為兩種，一種是放置在倉庫中、沒有與倉庫墻體等連接的貨架，它們能夠取出或者方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)移，而另一種是與倉庫建筑物墻體、屋頂?shù)认噙B的貨架，它還起到支撐建筑結(jié)構(gòu)的作用，并且造價(jià)較低。

1.2 貨物存取設(shè)備

它指的是貨架之間的巷道上架設(shè)的能夠水平或者垂直移動(dòng)的堆垛機(jī)，它們能夠完成貨物的裝載工作，執(zhí)行貨物存取任務(wù)。

1.3 輸送設(shè)備

它指的是將貨物運(yùn)送到存取設(shè)備所能接觸到的范圍外的設(shè)備，大多為傳送帶等裝置，可以連接貨物存取設(shè)備與其它貨物運(yùn)輸裝置。

1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)指的就是統(tǒng)計(jì)并記錄倉庫中各類型貨物的種類、數(shù)量和存放位置，并將各個(gè)部分進(jìn)行有機(jī)連接的裝置，過去在不完全自動(dòng)化的倉庫中，控制系統(tǒng)往往會(huì)采用幾臺(tái)計(jì)算機(jī)，成本較高，但如今可以使用PLC作為控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在保證功能完整的前提下還能大大減少生產(chǎn)成本[2]。

2 PLC特性介紹

2.1 起源與發(fā)展

PLC控制系統(tǒng)誕生于二十世紀(jì)六十年代，彼時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)已經(jīng)初具規(guī)模，但是還沒有人創(chuàng)造性地提出將PLC應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)它是一種即時(shí)系統(tǒng)，專為工業(yè)生產(chǎn)而誕生，其結(jié)構(gòu)類似微電腦，具備角比較基礎(chǔ)的部件，但又與電腦存在很大差異。

此后汽車制造業(yè)率先引入PLC控制系統(tǒng)，提高了汽車的性能，為汽車制造業(yè)帶來福音。它在之后數(shù)年內(nèi)得到了飛速發(fā)展，當(dāng)時(shí)世界范圍PLC控制器的數(shù)量以每年20%～30%的速率增長(zhǎng)，市場(chǎng)之巨大令人咋舌。近年來，其在發(fā)達(dá)國家的市場(chǎng)趨近飽和，因而增長(zhǎng)速度大大減緩，但在以我國為代表的發(fā)展中國家仍然保持著迅猛的增長(zhǎng)勢(shì)頭，近年來智能化與自動(dòng)化概 念深入人心，許多行業(yè)都發(fā)生了重大變革，于是有人創(chuàng)設(shè)性地提出自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)想，其中自動(dòng)化立體倉庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)乃是十分重要的一種。

2.2 組成結(jié)構(gòu)

它的組成結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)類似，具有CPU、存儲(chǔ)器等，并且具備接受和輸出數(shù)據(jù)的功能，但是又區(qū)別于計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗痪邆?/0設(shè)備，并且體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計(jì)算機(jī)。簡(jiǎn)單說來，PLC本身就是一塊智能化芯片，它自己同時(shí)也是一個(gè)小型的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，能夠高速地對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[3]。需要注意的是，“小型”數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)指的是其功能不如計(jì)算機(jī)完善，只能承擔(dān)一部分工作，而不是其體積較小。

2.3 特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

2.3.1 抗干擾能力強(qiáng)

許多設(shè)備都是使用電波進(jìn)行信息的傳遞，而波在傳播過程中會(huì)發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生干擾，尤其是同頻率的波。但PLC芯片不存在這種顧慮，它可以在復(fù)雜環(huán)境中正常工作。

2.3.2 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)

PLC發(fā)展到今天，經(jīng)歷了數(shù)十年的的漫長(zhǎng)進(jìn)化過程，為了滿足不同行業(yè)消費(fèi)者的需求，它已經(jīng)形成了一系列不同尺寸，小到建筑工地的大型器械和電廠中的發(fā)電設(shè)備，小到電子手表，都能夠有與之對(duì)應(yīng)的芯片。并且經(jīng)歷多年發(fā)展，PLC的功能愈發(fā)強(qiáng)大和完善，如今它已經(jīng)能夠在很短時(shí)間內(nèi)處理龐大的數(shù)據(jù)，在數(shù)控領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，經(jīng)過調(diào)整后也可用于倉庫的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。

2.3.3 界面簡(jiǎn)潔，容易學(xué)會(huì)

PLC的適用人群十分廣泛，由于它的界面簡(jiǎn)潔易懂，沒有過多贅余的功能，許多不具備專業(yè)IT知識(shí)或是只有一點(diǎn)基礎(chǔ)的人也能夠使用，并且它的編程語言相較于其它同類型產(chǎn)品而言算是十分簡(jiǎn)單，能夠?yàn)閺V大工程師接受。

2.3.4 設(shè)計(jì)容易，維護(hù)方便

PLC采用的是存儲(chǔ)邏輯，這就意味著相比起使用布線邏輯的產(chǎn)品，它的設(shè)計(jì)步驟要簡(jiǎn)潔得多，設(shè)計(jì)和建造所需時(shí)間也十分短暫，并且控制系統(tǒng)裝置外部很少出現(xiàn)線路，維護(hù)工作也輕松不少[4]。更重要的是，它有可能通過改變同一裝置來改變生產(chǎn)過程。

3 設(shè)計(jì)基于PLC的工業(yè)自動(dòng)化立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

3.1 確保滿足控制需求

使PLC芯片的能力充分發(fā)揮出來，盡可能地滿足在進(jìn)行控制設(shè)計(jì)的要求，這是設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的最重要的原則。這就需要設(shè)計(jì)人在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)前就要去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析和研究，并且多多研讀相關(guān)著作和論文，了解用戶需求。例如，根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化立體倉庫中所貯存的物資的不同，該系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)也不同，例如存放化學(xué)藥劑的除了常規(guī)參數(shù)檢測(cè)外，還需要監(jiān)測(cè)光照，有些物質(zhì)如硝酸在光照條件下容易分解，還有些容易揮發(fā)，另外有些物質(zhì)受到光照甚至?xí)l(fā)爆炸，帶來巨大的危險(xiǎn)。而存放精密儀器的倉庫則需要對(duì)空氣中的粉塵進(jìn)行監(jiān)測(cè)，要知道，許多較為精細(xì)的儀器中一旦進(jìn)入灰塵，其功能和穩(wěn)定性將會(huì)大打折扣，一些傳感器會(huì)因?yàn)榻佑|面布滿灰塵而降低靈敏度，甚至無法感知信息。

3.2 確保PLC控制系統(tǒng)可靠性

在設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須確保該系統(tǒng)可以穩(wěn)定且安全地長(zhǎng)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不出現(xiàn)任何問題地運(yùn)轉(zhuǎn)和操作，它必須具備強(qiáng)大的穩(wěn)定性和可靠性，保證不會(huì)出現(xiàn)判斷失誤和決策失誤，導(dǎo)致倉庫中的物品受到損傷，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，或是由于監(jiān)管不力而導(dǎo)致爆炸、火災(zāi)等的發(fā)生，這也是在設(shè)計(jì)所有控制系統(tǒng)時(shí)需要遵守的最重要的原則之一。

3.3 力求設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，后期維護(hù)容易

在滿足控制要求的前提下，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)要注意將生產(chǎn)成本和獲得的效益相結(jié)合。也就是說在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮成本價(jià)格的高低，在滿足要求的前提下將控制系統(tǒng)變得簡(jiǎn)潔明了、較為經(jīng)濟(jì)，而且要盡量使系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單化，畢竟想要實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化立體倉庫的普及，就一定需要廣大基層工人群體的參與，而我國很大一部分基層工人并沒有很高的知識(shí)水平，過于復(fù)雜的系統(tǒng)不會(huì)被他們接受，他們也不需要某些看似華麗實(shí)則無用的功能，因此設(shè)計(jì)師不能盲目地增添系統(tǒng)功能，要以簡(jiǎn)潔實(shí)用為主。

3.4 適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要

隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們的需求在不斷的提升，對(duì)于控制系統(tǒng)的要求也將越來越高，例如需要它能夠具備互動(dòng)功能，向操作員匯報(bào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，或是除了采集倉庫及其周圍環(huán)境的溫度濕度等信息外還要具備一定的數(shù)據(jù)分析和處理功能，還要能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，分析當(dāng)下環(huán)境并作出最優(yōu)選擇，力求將損失降到最低，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)也要考慮到未來控制系統(tǒng)的進(jìn)展和人們的需要。

4 基于PLC的工業(yè)自動(dòng)化立體倉庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖1控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)主要是由上位機(jī)、下位機(jī)PLC、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和電機(jī)構(gòu)成。

4.2 上位機(jī)和下位機(jī)的含義及作用

上位機(jī)指的就是能夠顯示倉庫中各類信息參數(shù)變化并且發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，下位機(jī)接收它的命令，直接操控設(shè)備，并采集數(shù)據(jù)、將其反饋給上位機(jī)，使之能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而做出最優(yōu)選擇。之前大多采用電子計(jì)算機(jī)，但如今使用PLC便足夠完成各項(xiàng)工作，并且可以減小設(shè)備造價(jià)。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備指的是直接進(jìn)行工作的設(shè)備，在不同的系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也存在差異，而在本控制系統(tǒng)中，它指的是包括開關(guān)、運(yùn)轉(zhuǎn)指示燈等的一些設(shè)備。

4.4 電機(jī)

電機(jī)就是實(shí)現(xiàn)電能與其他形式的能量轉(zhuǎn)化的裝置，在本系統(tǒng)中，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，用于對(duì)貨物做功，使之產(chǎn)生位移，也就是為設(shè)備的存取工作提供能量。

4.5 I/O地址分配

表1 I/O地址分配表

如表1，本系統(tǒng)的I/O地址分配表可以直接按照表中進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.6 控制程序流程

首先，當(dāng)控制程序啟動(dòng)后，應(yīng)當(dāng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)中硬件是否出現(xiàn)故障，若有，則必須啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警功能，并切斷存取設(shè)備和運(yùn)送設(shè)備的電源，使其緊急停止，然后進(jìn)行故障深入檢測(cè)和處理。若未發(fā)現(xiàn)異常，則需要監(jiān)測(cè)需要移動(dòng)的貨物附近是否有空閑的堆垛機(jī)和貨架，并智能化地調(diào)取最近的堆垛機(jī)進(jìn)行工作，入庫時(shí)要選擇大小、距離合理的位置存放貨物，出庫時(shí)則要選擇距離最近的出口，節(jié)省電能的損耗。另外，當(dāng)貨物數(shù)量或是位置等出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)需要自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄。

此外，每隔一段時(shí)間，控制系統(tǒng)都應(yīng)當(dāng)自主進(jìn)行倉庫的環(huán)境監(jiān)測(cè)，并根據(jù)所儲(chǔ)存貨物的特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，若是當(dāng)前環(huán)境不利于貨物貯存，則需要立即采取措施，例如當(dāng)環(huán)境過于干燥可能引起某些材料干裂時(shí)，要及時(shí)噴灑水分；當(dāng)環(huán)境過于潮濕容易引發(fā)貨物氧化受潮等時(shí)，需要自動(dòng)進(jìn)行除濕工作。若光照強(qiáng)度太高，則需要自動(dòng)使用簾子等遮蓋貨物，遇到機(jī)器無法解決的問題時(shí)，還應(yīng)當(dāng)及時(shí)反饋給管理人員，由人工進(jìn)行緊急處理。

5 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的自動(dòng)化程度必然會(huì)逐步提升，人類將會(huì)從繁重的勞動(dòng)中解放出來，只需管理不同的控制系統(tǒng)。若是能夠?qū)崿F(xiàn)倉庫管理的自動(dòng)化，則能夠避免許多人工監(jiān)管中出現(xiàn)的錯(cuò)誤和問題，并減少儲(chǔ)存過程中倉庫物資的損壞，必定會(huì)提升管理工作的效率，為我國工業(yè)水平的提升和綜合國力的增強(qiáng)貢獻(xiàn)一份力量。