基于PLC 的智能倉庫管理系統(tǒng)設(shè)計

陳俊麗

（武昌職業(yè)學院，武漢武昌，430200）

0 引言

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，貨物的出貨速度和需求量也不斷增加，對貨物的存儲也提出了更高要求。而傳統(tǒng)的倉庫存在占地面積大、管理效率低、經(jīng)濟成本高等一系列缺點，越發(fā)不能滿足要求，智能倉庫技術(shù)也應(yīng)運而生[1～2]。

美國早在十九世紀末就研制出了非自動運行的橋式堆垛起重機，此設(shè)備可以進行橫向移動、縱向移動以及旋轉(zhuǎn)操作來執(zhí)行貨物入庫、出庫等動作。1963 年，美國在高層貨架中融入了電子計算機控制技術(shù)，設(shè)計出了全球第一個真正意義上的自動化倉庫[3]。而我國正是從1963 年才開始針對倉庫儲存技術(shù)進行研究，當時在北京某機械研究所成功的發(fā)明了橋式堆垛起重機。到1973 年，我國開始投入研究融合智能控制技術(shù)的倉庫管理系統(tǒng)[4]。到本世紀初，我國智能倉庫技術(shù)迅速發(fā)展，根據(jù)中研普華研究院的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2018 年我國自動化立體車庫的保有量為2156 座，2020 年我國自動化立體倉庫的產(chǎn)業(yè)保有量達到6562 座，同比增長了10.9%，并且增長率還在逐年上升。

在此背景下，本文設(shè)計了一套基于PLC（可編程邏輯控制器）的智能倉庫管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了裝卸技術(shù)、PLC控制技術(shù)、信息自動識別技術(shù)等專業(yè)知識[5～9]，搭建了基于PLC 控制技術(shù)的仿真模型，設(shè)計的智能倉庫管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動分揀、儲存、取件、管理等功能，大大提高了倉庫的存儲效率。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

■1.1 智能立體倉庫系統(tǒng)組成

（1）PLC 選型

本文結(jié)合主控制器PLC、上位機以及PLC 虛擬仿真實驗平臺Factory IO 搭建的仿真模型，設(shè)計了一款智能立體倉庫系統(tǒng)。智能倉庫最基本的功能是貨物存放、貨物運送、貨物取出以及貨物數(shù)據(jù)記錄，從而實現(xiàn)貨物安全入庫、出庫操作。貨物的存放處為貨架，貨物的運送與取出是利用堆垛機進行控制，數(shù)據(jù)記錄主要是依靠PLC 的存儲記憶功能[10～12]，所以PLC 是本系統(tǒng)的核心。

根據(jù)使用場所和功能要求的不同，需要結(jié)合IO 模塊、電源模塊、特殊功能模塊以及通信組網(wǎng)能力等合理地選擇PLC 的型號。首先需要考慮的是系統(tǒng)中至少有多少個輸入輸出點，設(shè)計中需要運用到的邏輯功能能否保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，然后再去考慮成本問題。此外，還要結(jié)合結(jié)構(gòu)類型、安裝方式、響應(yīng)速度、系統(tǒng)可靠性等因素，選擇最適合的PLC，對提高系統(tǒng)的運行效率有很大幫助。

結(jié)合本系統(tǒng)功能要求，最終選擇SIMATIC S7-1200 型控制器，其硬件部分采用了特殊設(shè)計，可以大大減少空間占用，在實際安裝中有較高的空間利用率。該控制器采用大規(guī)模集成，結(jié)構(gòu)緊湊，功能強大，網(wǎng)絡(luò)實時性強，方便通訊，能對用戶程序的運行數(shù)據(jù)進行歸檔，還可以根據(jù)需要靈活方便的添加擴展模塊，可以執(zhí)行程序復雜的自動化任務(wù)，如測量、閉環(huán)控制和運動控制等。此外，該控制器還包含了數(shù)字量和模擬量的輸入輸出，適用范圍非常廣泛，例如包裝機械、污水處理廠、傳送帶系統(tǒng)、電梯和自動扶梯、安防門禁系統(tǒng)、貨物輸送設(shè)備等。

（2）系統(tǒng)組成

整個控制系統(tǒng)以PLC 為控制核心，輸入設(shè)備包括按鈕、對射式光電傳感器、編碼器，輸出設(shè)備包括變頻電機、堆垛機、指示燈、滾筒輸送機、裝載輸送機，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成框圖以及主控制器的外部接線圖分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 主控制器外部接線圖

■1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)備組成

（1）堆垛機

堆垛起重機簡稱堆垛機，通過貨叉來完成搬運工作，在生產(chǎn)線、倉庫、車間等場所被頻繁使用到，屬于倉儲類技術(shù)裝備，F(xiàn)actory IO 中堆垛機實物如圖3 所示。堆垛機在最初期是采用橋式結(jié)構(gòu)，通過垂掛一個支柱，通過貨叉在支柱上進行縱向移動來運送物體，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)水平越來越高，各工廠企業(yè)對于堆垛機的需求量不斷增加，到目前為止，堆垛機可以在40 米的高層貨架環(huán)境中進行工作，并且若不受倉庫建筑和費用限制，堆垛機還可以的達到更高的高度。堆垛起重機可以高效率地運送貨物，存取速度快，并且能夠提高倉庫使用面積的利用率，能夠滿足高層貨架作業(yè)的要求，并且可以實現(xiàn)遠程控制，自動化的控制技術(shù)高、性能高，可以使得整個倉庫的運行更加穩(wěn)定。

圖3 堆垛機

（2）對射式光電傳感器

對射式光電傳感器根本用途是判斷紅外發(fā)光二極管與光敏三極管的間隔中是否有物品通過，其主要結(jié)構(gòu)是發(fā)射器與接收器。工作工程中，發(fā)射器會發(fā)射出一道光線，接收器進行接收，當兩者之間沒有物體穿過時，則輸出會保持不變，即沒有信號發(fā)生；當某物體阻擋了全部光線或部分光線，使得接收器無法正常接收到光線時，會立刻出現(xiàn)信號反應(yīng)，輸出值發(fā)生改變。其優(yōu)點主要包括：高性能、能長距離工作、保留光信號性能強、可以和反光鏡配合使用，并且發(fā)射和接收分離，可避免高反光物體的干擾。即使兩端沒有對準，只要傳感器處于圖中兩個漏斗型光斑的重疊區(qū)，傳感器就可以相互感應(yīng)并且正常工作。Factory IO 中的對射式光電傳感器實物如圖4 所示。

圖4 對射式光電傳感器

（3）滾筒輸送機

傳統(tǒng)貨物搬運主要是通過人工搬運，存在各種各樣的問題，例如卸貨量大、工人效率低、費時費力、人工費用高、利潤低等，而動力滾筒輸送機可以很好地解決這些問題，在省去大量人力的同時還能提高系統(tǒng)的運行效率，可適用于各種需要貨物運輸?shù)膱鏊?，可以穩(wěn)定地輸送貨物，安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便、設(shè)備布局靈活，可實現(xiàn)不同方位的進出口要求。

滾筒輸送機中的輸送滾筒主要是由傳動滾筒、支架、驅(qū)動部、機架幾個部分組裝而成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，安全可靠，并且方便銜接，能夠?qū)⒍鄠€滾筒輸送機或其他輸送設(shè)備進行搭接，形成完整的輸送線，通過皮帶、平面摩擦傳動帶、單鏈輪、雙鏈輪、同步帶等線軸驅(qū)動滾筒。其工作方式是利用電機進行驅(qū)動，可以實現(xiàn)無級變速，輸送量大，運行速度快，可以進行分流輸送，并且能夠處理物品的堆積運輸，這些特點是倉庫運送環(huán)節(jié)中最需要的。Factory IO 中的滾筒輸送機實物如圖5 所示。

圖5 滾筒輸送機

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■2.1 系統(tǒng)程序設(shè)計

整個系統(tǒng)主要采用PLC 進行控制，根據(jù)Factory IO 內(nèi)檢測單元的數(shù)字量、模擬量等信號來判斷系統(tǒng)接下來要執(zhí)行的操作，下達指令控制Factory IO 中的輸出部件，完成智能倉庫管理系統(tǒng)的功能，達到自動控制的效果[13～14]。整個系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能包括貨物的出/入庫申請、任務(wù)審核、倉庫當前存儲狀態(tài)查詢、貨物出/入庫等功能，具體程序設(shè)計流程如下。

（1）入庫申請

入庫申請流程圖如圖6 所示，首先由入庫單填寫人員填寫入庫申請，然后由入庫單發(fā)起人發(fā)起入庫申請，最后由倉庫管理員進行審核。當倉庫管理員收到入庫申請后，根據(jù)收貨單上的信息判斷貨物是否滿足入庫條件，將符合要求的申請單設(shè)置為“待入庫”狀態(tài)，將不符合要求的申請單設(shè)置為“被拒絕”狀態(tài)。對于符合要求的申請單，倉庫管理員確認貨物入庫以后，系統(tǒng)可根據(jù)貨物名稱、底座名稱、貨物數(shù)量等對倉庫中的貨物狀態(tài)進行統(tǒng)計顯示。

圖6 入庫申請流程圖

（2）任務(wù)審核

倉庫管理員收到入庫申請后，貨物處于待審核狀態(tài)，此時，倉庫管理員首先會判斷庫內(nèi)貨物的總數(shù)額是否超出倉庫儲存的范圍，如果超出了范圍，對“庫內(nèi)貨物已滿”置位，并對當前操作數(shù)一直清零。其次會判斷倉庫是否處于入庫待審核狀態(tài)，以及確認庫內(nèi)的倉庫數(shù)量是否有余量，當倉庫數(shù)量有余量且處于入庫待審核狀態(tài)時，可在HMI 的審核管理中執(zhí)行同意操作，將倉庫的當前狀態(tài)切換至待入庫狀態(tài)，此時Factory IO 工程模擬軟件執(zhí)行貨物入庫操作；如果執(zhí)行拒絕操作，當前狀態(tài)則是處于已拒絕的狀態(tài)。任務(wù)審核流程圖如圖7 所示。

圖7 任務(wù)審核流程圖

（3）當前空倉數(shù)和剩余數(shù)量計算

當貨物被存放到一個新的倉庫內(nèi)時，該倉庫的存放標志位將被置1，且該倉庫的存儲數(shù)量加1，通過讀取某倉庫的存放標志位和存儲數(shù)量，可以計算出當前空倉數(shù)和某倉庫剩余的存貨數(shù)量。當某個倉庫被存滿時，將該倉庫的存放標志位置2，后續(xù)貨物將不再存放至該倉庫，防止貨物入庫不正確，發(fā)生碰撞，造成貨物損壞。

（4）入庫操作

當貨物狀態(tài)為待入庫狀態(tài)時，系統(tǒng)把變量存儲到當前任務(wù)號，并把貨物、底座、需執(zhí)行數(shù)量和剩余數(shù)量傳送到當前工作參數(shù)內(nèi)，驅(qū)動Factory IO 工程模擬軟件執(zhí)行入庫操作。Factory IO 控制程序驅(qū)動傳送帶及堆垛機完成移動任務(wù)，將傳感器以及編碼器采集的信號作為控制信號對步驟位加1，達到每個步驟之間互不影響的效果。入庫操作程序如圖8所示。

圖8 貨物入庫流程圖

（5）出庫操作

出庫申請單發(fā)起人員發(fā)起出庫申請以后，出庫申請單狀態(tài)變?yōu)椤俺鰩齑龑徍恕保却鰩靻螌徍巳藛T審核；出庫單審核人員審核通過后，出庫申請單狀態(tài)為“待出庫”，等待出庫設(shè)備；審核不通過則出庫申請單置為“被拒絕”狀態(tài)，出庫申請單生命周期結(jié)束；若出庫申請單由倉庫管理員審核通過，則系統(tǒng)自動將貨物取出至取件點。出庫操作程序如圖9 所示。

圖9 出庫操作流程圖

■2.2 人機界面設(shè)計

根據(jù)智能倉庫管理系統(tǒng)的設(shè)計要求，在WINCC 中繪制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面，可實現(xiàn)貨物的出/入庫申請、任務(wù)審核、倉庫當前存儲狀態(tài)查詢等功能，系統(tǒng)的主登錄界面如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)主登錄界面

3 系統(tǒng)調(diào)試與運行

（1）出/入庫申請

申請?zhí)峤唤缑骘@示貨物名稱、底座名稱、貨物數(shù)額以及備注說明的輸入框，貨物名稱和底座名稱是用符號IO 域放置的，符號IO 域的內(nèi)容在文本和圖形列表內(nèi)設(shè)置好數(shù)值所對應(yīng)的名稱，選擇的同時會把變量的數(shù)值反饋到PLC 進行程序判斷，同時判斷貨物名稱、底座名稱和貨物數(shù)額是否設(shè)置完成。用戶設(shè)置完成后點擊入庫申請按鈕，將申請任務(wù)保存到變量內(nèi)，在審核管理系統(tǒng)內(nèi)顯示。申請?zhí)峤唤缑嫒鐖D11 所示。

圖11 申請?zhí)峤唤缑?/p>

（2）審核管理界面

當有任務(wù)申請成功后，會在審核管理界面依次顯示，顯示內(nèi)容有貨物名稱、底座名、數(shù)額、流程狀態(tài)、申請時間以及操作，流程狀態(tài)顯示當前任務(wù)的工作狀態(tài)，申請時間則是顯示在任務(wù)申請成功當天的日期，操作是對當前的任務(wù)進行操作設(shè)置，有同意和拒絕兩種選擇，如果同意任務(wù)請求，則會執(zhí)行任務(wù)要求的工作，并在流程狀態(tài)顯示待出/入庫；如果拒絕任務(wù)請求，流程狀態(tài)上會顯示已拒絕。審核管理界面如圖12 所示。

圖12 審核管理界面

（3）倉庫監(jiān)控界面

倉庫監(jiān)控界面會顯示當前倉庫總數(shù)量、剩余倉庫數(shù)量、當前功能、要求存儲數(shù)量、剩余存儲數(shù)量，并把所有倉庫的存儲狀態(tài)顯示出來，能直觀了解倉庫的存儲狀態(tài)。倉庫監(jiān)控界面如圖13 所示。

圖13 倉庫監(jiān)控界面

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一套基于PLC 的智能倉庫管理系統(tǒng)，以西門子S7-1200PLC 為主控制器，通過TIA Porta1 軟件和SIMATIC STEP7 PLCSIM 高功能仿真器對智能倉庫管理系統(tǒng)進行模擬仿真，實現(xiàn)了貨物入庫審核、貨物存放入庫、入庫數(shù)據(jù)記錄、貨物出庫審核、取貨出庫、出庫數(shù)據(jù)記錄等功能，并設(shè)計了人機交互界面，大大提高了倉庫的存儲效率。