基于plc的自动化立体仓库

基于PLC的自动化立体仓库
摘要:随着企业现代生产规模的不断扩大，立体仓库已成为生产物流系统中一个重要而不可缺少的环节，堆垛机是其关键设备。

本文的思想是将整个仓库划分为多个区域，然后将每个区域划分为真实和虚拟的位置。

结合虚拟和真实位置，根据货物进出仓库的频率，将货物存储在相应的位置，以提高操作效率。

本文所描述的系统由先进的PLC控制器和变频器驱动的闭环交流伺服系统控制。

光电传感器用于检测堆料机的位置。

分析了堆垛机的工作过程。

研究了堆垛机的运动控制和位置检测方法。

实现了堆垛机的定位方案。

通过上位机系统对PLC 的运行进行监控，对货位信息进行处理，解决了堆垛机对货物访问路径的优化问题。

最后，采用PLC对堆垛机系统进行控制，实现本文设计的堆垛机系统的在线、自动、手动和维护四种控制模式，以及进出站货物运输三种模式。

最后，给出了上位机监控系统的程序实例和主要功能。

通过实验室模拟运行，堆料机系统运行平稳，定位准确，安全可靠地满足设计要求。

关键词:自动化立体仓库;堆垛机;货位优化;监控系统;PLC
Automated Stereo Warehouse Based on PLC Absrtact: With the continuous expansion of modern production scale of enterprises, three-dimensional warehouse has become an important and indispensable link in production logis tics system, and stacker is its key equipment. The idea of this paper is to divide the who le warehouse into several areas, and then divide each area into real and virtual locations. Combining virtual and real locations, according to the frequencies of goods entering and l eaving the warehouse, the goods are stored in the corresponding locations to improve oper ation efficiency. The system described in this paper is controlled by advanced PLC control ler and closed-loop AC servo system driven by frequency converter. The photoelectric sens or is used to detect the position of the stacker. The working process of the stacker is ana lyzed. The movement control and location detection methods of the stacker are studied. T he positioning scheme of the stacker is realized. The operation of PLC is monitored by th e upper computer system, and the information of cargo location is processed, which solves the problem of optimizing the access path of stacker to cargo. Finally, PLC is used to c ontrol the stacker system, realizing the four control modes of online, automatic, manual an d maintenance of the stacker system designed in this paper, and three modes of inbound a nd outbound freight transportation. Finally, an example of the program and the main functi ons of the host computer monitoring system are given. Through the simulation operation o f the laboratory, the stacker system runs smoothly, locates accurately, and meets the design requirements safely and reliably.
Key words: Automated three-dimensional warehouse; Stacker; Location optimization; Monit oring system; PLC
目录
第1章前言 (1)
1.1自动化仓库概述 (1)
1.1.1自动化立体仓库的组成 (1)
1.1.2自动化立体仓库的优点 (1)
1.1.3自动化立体仓库的分类 (2)
1.2国内外研究现状 (2)
第2章出入库原则及方式设计 (3)
2.1出入库原则概述 (4)
2.1.1先入先出原则 (4)
2.1.2分区原则 (4)
2.1.3均布原则 (5)
2.1.4重力原则 (5)
2.1.5效率原则 (6)
2.2出入库流程设计 (6)
第3章系统组成及硬件连接 (7)
3.1工控器件简介 (7)
3.1.1工控计算机 (7)
3.1.2可编程序控制器(PLC) (7)
3.1.3变频器 (9)
3.2硬件设备设计 (9)
3.2.1出入库系统 (9)
3.2.2堆跺机系统 (10)
3.3输入输出点分配 (12)
3.4输送系统与上位机通信的寄存器区 (15)
第4章 PLC控制程序 (15)
4.1工作方式控制 (16)
4.2手动运行方式下的运行控制 (16)
4.3自动运行方式下的运行控制 (17)
4.4手/自动工作方式的转换 (18)
4.5检修状态 (18)
4.6出入货台系统的报警 (19)
第5章总结 (21)
参考文献 (22)
致谢 (23)
第1章前言
自动化仓储系统是一个不需要直接人工处理就可以自动储存和取出物料的系统。

这个定义涵盖了各种复杂度和规格的系统。

自动化仓库由计算机管理和控制。

无需人工操作即可实现收货操作。

1.1自动化仓库概述
1.1.1自动化立体仓库的组成
立体仓库，是指在高层货架上储存货物，利用起重、装卸、运输机械设备等进行货物出入库的仓库。

这种仓库主要采用高层货架，充分利用空间进出货物，故称为“立体仓库”或“高架仓库”[1]。

目前，这种仓库的最大高度超过40米，最大库存可达数万甚至10万件以上。

实现无人值守操作，实现计划入库、出入库全自动控制，实现仓库计算机网络管理。

立体仓库一般由高层货架、仓储机械设备、建筑物及控制管理设施组成。

输送系统必须高度可靠。

立体仓库只有一个输送系统，一旦发生故障，整个仓库工作都会受到影响。

因此，要求输送系统各环节设备可靠、耐用、维护方便。

设置手动控制以备份输送系统。

1.1.2自动化立体仓库的优点
自动化仓库的使用可以产生巨大的经济效益和社会效益，主要有以下几个方面：
1）高层货架储存。

由于采用高层货架存放货物，可将仓储区大幅度发展到高空，充分利用仓库地面及其空间，节约仓储面积，提高空间利用率。

2）自动接入。

AS/RS使用机械和自动化设备。

它运行和处理迅速，提高了劳动生产率，降低了操作人员的劳动强度。

同时，可以方便地集成到企业的物流系统中，使企业的物流合理化。

3）计算机控制。

计算机能够准确地存储和管理各种信息，减少了票据处理和信息处理过程中的误差。

1.1.3自动化立体仓库的分类
根据货架的形式，自动化立体仓库可分为三类。

1）单元货架仓库。

这种形式的仓库是使用最广泛和用途最广泛的。

其特点是货架沿仓库的宽度方向分为几排，每排两排成一组，有车行道，采用堆垛机或其他仓储机械作业。

每排货架沿长度方向分为数千行，沿垂直方向分为若干层，形成了大量货架，用于存放货物单元、托盘或集装箱，如图1.1所示。

图1.1单元货架仓库示意图
2）穿过架子。

与单位仓库相比，取消了货架之间的道路，将货架合并在一起，使同一楼层的同一货架贯通，形成了一个通道，可以一次存储多个货物单元，另一端有一台起重机从仓库中提取货物。

根据走廊内货物单元的不同移动方式，直通仓库可进一步分为重力货架仓库和穿梭车货架仓库。

3）回收架仓库。

仓库的货架本身是一个垂直的起重机或一个在水平面上沿圆形路线来回运行的输送机。

前者可以垂直进入货物，后者可以在飞机上拾取货物。

1.2国内外研究现状
立体仓库的出现和发展是现代物流系统发展的要求，也是信息技术进步的结果。

自20世纪60年代以来，在美国、日本、欧洲等国家和地区，立体仓库的设计和使用越来越多。

立体仓储技术已成为一门新兴学科。

据不完全统计，美国拥有各类自动化仓库2万多个，日本超过38000个，德国超过10000个，英国超过4000个，前苏联超过1500个[2]。

堆垛机是自动化立体仓库的主要作业机械。

它是自动化立体仓库的核心部件。

堆垛机的发展标志着自动化立体仓库的发展。

目前，道路式堆垛机是主要的发展方向。

下面是几个典型的自动化仓库的清单，从中我们可以看到中国自动化仓库发展的概况。

1）北京汽车制造厂是中国第一家自动化立体仓库。

1981年，所有货位和进出港货位的查询均由计算机管理。

1982年底，实现了仓库库存管理、物流统计、财务结算、物料计划分配管理。

2）河北科学院自动化研究所应用立体仓库堆垛机计算机控制系统，计算机控制立体仓库巷道堆垛机。

检测元件选用非接触式红外光电检测元件和接触开关。

3）十堰市第二汽车制造厂是国内较先进的AS/RS物流管理系统。

该系统由五台不同规模的微型计算机组成，由层次化的分布式系统组成，实现了仓库信息管理和仓库进出口操作的自动化。

4）仪征化纤工业有限公司涤纶长丝自动化库自1995年初以来运行稳定，可靠性达到较高水平。

聚酯长丝自动化仓库是当时自主设计制造的，综合自动化程度最高，技术最完善。

5）宝钢自动化立体仓库是我国较先进的立体仓库，具有80年代中期的水平，性能为10X排，15层，6排，库容4500吨，货架高度15.36米，2台堆垛机，2台堆垛机和转运车，1台链条配送小车，25-30吨/天进出库，22吨/天。

ER日进出库，即约74次/日进出频率（按每天6小时计算）[3-5]。

近年来，我国自动化仓储技术发展迅速。

实现了与其他信息决策系统的集成，正在进行智能控制和模糊控制的研究工作。

然而，我国目前还没有建立起许多综合仓储体系。

与发达国家相比，我国自动化立体仓库在数量和建设水平上存在较大差距。

这些差距主要表现在
1）发展缓慢。

目前，我国自动化仓库的数量和生产能力已不能满足我国未来经济发展的需要。

2）仓库形式、设备种类、规格少，不能满足各方面的需要。

3）先进的控制技术和驱动技术的应用不多。

例如，在我国，堆垛机通常采用两速和三速电机驱动。

水平速度60-80米/分钟，垂直速度16-60米/分钟，拨叉速度4-10米/分钟，速度不高，工作效率不高，经济效益不太好。

4）研发创新能力不够强。

第2章出入库原则及方式设计
自动化立体仓库的进出口流程设计是自动化立体仓库设计的关键。

在自动化立体仓库设计的早期阶段，设计原则应满足仓库进出口的基本要求。

在自动化仓库的设计过程中，根据自动化仓库设计的不同特点及诸多因素，设计出入库和出库的流程。

2.1出入库原则概述
2.1.1先入先出原则
先进先出原则FIFO (First In First Out)是货物出仓时最重要的原则，最先进的货物先出仓，避免了旧货物的体积压力和货物过期的现象。

先进先出原则适用于保质期内的货物，大多数出仓货物采用先进先出原则。

2.1.2分区原则
分区的原则是根据货物的不同特点、拣货方式和操作方式，将整个立体仓库逻辑划分为若干不同的区域，以更好地满足不同货物的存储要求，提高货物进出仓库的效率。

重新安置。

ABC分类法（pareto analysis method）又称ABC分析法，是将分析对象分为A、B、C三类，可以作为货位划分的良好理论依据。

它是一种分析方法，根据事物的特点对其进行分类和排序，区分关键点和一般点，并不同地实施管理[6]。

立体仓库是否需要划分主要取决于仓库的形式和出入库的频率。

只有长仓库才需要进行分区，由于运输设备的效率主要取决于短途运输的加减速过程以及货物位置。

分区还考虑到存储材料的性质，如果仓库在单个磁盘中存储大量存储较少的材料，并且如果库存中也有少量材料，则需要分区。

商品也有一些特殊的需要，有必要进行分割。

例如，对于药品来说，存在着不能混合的情况，因此有必要考虑分区存储，但分区目的不再是对输出和输入效率的要求。

图2.1自动化仓库的货物存储出现扇形分布
2.1.3均布原则
如果只考虑效率原则，出入库主要集中在靠近出入库台的区域，但这会导致堆垛的扇形分布现象（如图2.1所示），使堆垛机的利用率不平衡。

部分堆垛机闲置，而货物清单排队等待的现象，不利于提高系统效率。

均匀分布原则是仓库管理中货位选择的最基本原则。

其目的是使各种材料均匀分布在各种道路上。

在提高进出仓库效率的同时，避免了一些物料集中在某条道路上的现象。

当道路设备出现问题时，不能出仓[7]。

均匀分布的原则基本上分为三种：一种是货物的均匀分布，当原仓库有空位时，可以使物料均匀地分布在各个巷道中。

该方法主要适用于仓库内单件物料较多的情况，另一种是货物的均匀分布，适用于仓库内货物较少的原仓库，以保证每条道路的空置空间相等，也适用。

三是设备负荷的均匀分配，即平均分配每台堆料机的工作负荷，充分利用每台堆料机的工作负荷，使每台堆料机的工作负荷基本相同，避免了频繁使用造成的负荷过大，缩短了堆料机的使用寿命。

这三种类型既适用于不同的应用场合，又具有一定的共性。

相对而言，均匀分配原则更适用。

2.1.4重力原则
考虑到物料重量和货架承重因素，如果立体仓库的物料重量不同，则应考虑重力原理。

以确保重型物品存放在低矮的货架上，方便进出，同时确保安全。

重力原理是固体仓库设计中需要考虑的一个重要因素。

随着钢货架的采用和货架结
构的机械设计，实体货架应具有很强的承载能力，而存放重物不会有潜在的安全隐患。

但是，从堆垛机的方便性和经济性出发，较重的物品仍然存储在较低的水平，这节省了取货时间，提高了堆垛机的效率[8]。

2.1.5效率原则
对于每个进出仓库，首先根据均匀分布的原则选择出入库道路。

在选择了指定的道路后，可以采用效率原则来优化每个道路中货物位置选择的通行效率。

效率原则是考虑自动化仓库优化的主要原则。

通过提高进出库效率，降低成本和损失，为企业带来可观的经济效益。

提高进出库效率有两种途径。

可以优化库位的原则，在仓储时可以选择最低的仓储效率。

这样可以保证最短的仓储路径，从而缩短堆垛机的移动路径，从而提高仓储速度，延长堆垛机的使用寿命。

2.2出入库流程设计
对于自动化立体仓库的进出口工艺设计，是自动化立体仓库设计的重点。

在自动化立体仓库设计的早期阶段，货位的分配原则是不同的。

根据自动化立体仓库的一些共同特点和国内外研发现状，本文主要考虑了自动化立体仓库堆垛机P LC控制程序设计中的两个因素，即入库原则和入库原则。

仓库出口。

堆垛机作业路径的优化由上位机完成，通过不同的提单安排实现仓库的优化控制。

提高效率。

仓储原则主要从货物仓储的角度考虑，主要是为了满足货物仓储的基本要求，即货物应均匀分配到不同的资产回报率。

平衡每个道路的任务，同时避免在道路上堆垛机的故障。

集中仓储无法卸货的问题；效率原则是用最短路径法获得货物进出仓库的最佳顺序，以尽量减少堆垛机行走的距离和存取货物所花费的时间；重力原则，考虑到方便以及进出的安全性，较重的货物应尽可能放在较低的位置。

出仓原则主要是以先进先出为总指导思想，兼顾效率原则和均匀分配原则，以满足进、出仓货物的需求，提高自动化立体仓库出仓效率。

上述进出库过程的设计原则主要是通过PC系统的数据库处理来实现的。

通过改变提单的排列方式，实现了进出仓的基本原则，优化了自动化仓储的指标。

可编程逻辑控制器（PLC）直接控制堆垛机系统的运行。

它通过连续执行提单来完成仓库进出操作。

PLC控制程序的合理性直接关系到堆垛机系统的可靠性和安全性。

第3章系统组成及硬件连接
本系统由工业计算机（上位机）、可编程控制器（PLC）、变频器、电机、行程开关、光电开关、超声波开关、指示灯、按钮开关、拨动开关、旋钮开关等成熟的工业控制装置组成。

本章主要介绍了系统的硬件组成，阐述了这些设备在系统中的应用，并对其进行了详细的介绍[9]。

介绍了系统的硬件连接及PLC和变频器的具体参数设置。

3.1工控器件简介
在工业自动化领域，可编程序控制器和工业计算机是人们必须提及的两种控制设备。

它们是大多数自动化系统的基本设备。

变频器可以方便、可靠地控制交流电机的无级调速。

行程开关、光电开关、超声波开关等开关器件能检测系统的当前状况并给出相应的开度。

数量提供给控制器进行处理。

3.1.1工控计算机
IPC (industry personal computer)简称工控机，随着PC工业的发展，工业计算机取得了很大的进步。

工业计算机多用于恶劣环境，维护方便，散热性好，防尘性能好，尺寸限制严格。

3.1.2可编程序控制器(PLC)
PLC具有通用性强、使用方便、适应性广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制，特别是顺序控制中的地位是不可替代的。

从结构上看，PLC可分为固定式和模块式。

固定PLC包括CPU板、I/0板、显示面板、内存块、电源等，这些部件组合成一个不可拆卸的整体（如图3.1所示）。

模块化PLC包括CPU模块、I/0模块、内存模块、电源模块、机箱或机架。

这些模块可以根据特定的规则进行配置（如图3.2所示）。

图3.1固定式PLC示意图
图3.2禅块式P1,C示意图
I/0模块是PLC与电路的接口。

它集成了PLC的I/0电路。

其输入寄存器反映输入信号的状态，其输出点反映输出锁存器的状态。

输入模块将电信号转换成数字信号，进入PLC系统。

输出模块则相反。

I/0分为开关量输入（DI）、开关量输出（DO）、模拟量输入（AI）和模拟量输出（AO）模块。

开关量是指只有开关两种状态的信号（或1和0），模拟量是指连续变量。

常用的I/0分类有：开关、模拟（电流、电压等）[10]。

模块的数量和规格可由I/0点决定，但I/0模块的最大数量受CPU可管理的基本配置能力的限制，即机箱或机架插槽的最大数量。

PLC电源为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有些还为输入电路提供24伏工作电源。

电源输入类型有：交流电源（220V AC或110V AC）、直流电源（常用于24V AC）[11]。

可编程控制器和工业计算机的最新技术发展是工程师对设备应用性能要求的完美体现：控制器硬件的标准化和用户的各种控制要求都是通过软件来改变的。

3.1.3变频器
变频器是运动控制系统中的功率转换器。

运动控制系统是控制机电式能量转换器的电驱动技术。

变频器作为系统的一个重要的功率转换元件，通过提供可控制的、高性能的、电压和频率可变的交流电源，得到了迅速的发展。

变频器的可靠性不断提高，变频器的小型化、轻量化、高性能和多功能性进一步提高，且无污染。

变频器的性能取决于输出交流电压谐波对电机的影响，电网谐波污染和输入功率因数，以及能量损耗（即效率）。

3.2硬件设备设计
3.2.1出入库系统
图3.3出入货系统示意图
系统的PLC控制器由一个CPU226 AC/DC/继电器、一个EM223 24 Vdc 数字组合8输入/8继电器组合扩展模块和一个EM221数字输入16×24 Vdc输入扩展模块组成。

由于PLC的负载能力有限，采用独立的24Vdc电源为系统提供额外的输入电源。

系统输出采用220V AC电源，提高了系统的负载能力。

电机的运行由接触器控制，同一货物平台的进退控制接触器由机械联锁，接触器的电源为220V AC，进出平台的位置由行程开关检测，货物平台上的货物情况由照片检测。

电子开关。

出入口办公桌的形式如图3.3所示。

表3.1出入货台硬件参数表
控制装置的数量如表3.l所示。

PLC通过RS-232与PC系统通讯。

系统连接如图3.4所示，详细的硬件连接如图所示。

图3.4出入库系统硬件连接示意图
PLC的远程地址为8。

它通过端口0与主机通信，并传输系统的当前状态和系统的操作（输入状态读取输入图像区域）。

3.2.2堆跺机系统
堆垛机的水平和垂直操作由两个艾默生EV1000传感器控制，通过开关量的输入，堆垛机的两个方向可以以不同的速度和方向独立移动。

堆垛机拨叉的操作由接触器控制，拨叉的升降和左/右伸缩拨叉的运动由机械联锁，接触器的电源为220V AC；堆垛机的位置由反火光电开关检测，拨叉的位置由行程检测。

平台上的货物状况由光电开关检测，货物位置由超声波接近开关检测。

采用双向摆动行程开关作为限速开关[12]。

表3.2堆珠机硬件参数表
堆垛机系统工作模式/状态的输入控制采用旋钮开关，与发光二极管串联后输入PLC。

有效输入状态由二极管指示。

提单手工录入采用BCD拨号器。

堆料机系统在手动/维护操作状态下运动方向的控制输入由按钮开关控制，无需自锁。

控制装置信息见表3.2。

堆垛机运行时，使用警示灯作为堆垛机的操作说明，并警告附近人员注意安全。

蜂鸣器用于系统运行错误的报警。

图3.5堆跺机系统硬件连接示意图
PLC通过RS-232与PC系统通讯。

系统连接如图3.5所示，具体硬件连接如图所示。

图3.6货单意义图
堆跺机系统货单部分意义如图3.6所示:
堆料机采用相对寻址方式，寻址装置由正向光电、反向光电和寻址芯片组成。

该装置完成了输送机的前计数、后计数和停机判断。

当传送带移动时，光电开关每经过一个地址板就会响应一次，这意味着光电开关会从低电平跳到高电平。

根据两个光电开关的响应顺序，可以确定系统的方向。

地址识别装置如图3.7所示。

图3.7三个堆垛机系统PLC的远程地址分别为2、4、6。

它们通过CPU上的端口0与主机通信，以传输堆垛机系统的提货单、堆垛机的当前状态以及系统的运行情况[13]。

3.3输入输出点分配
为了方便系统建设过程中的硬件连接，方便上位机查询和修改系统的输入输出状态，系统的输入输出点在编写系统程序前进行了合理的分配。

在分配I/0点时，应注意系统公共点的承载能力，避免烧毁设备。

在进行I/0分配时，将相同设备和类似功能的输入和输出点集合在一起。

即使对于线路的连接和存储，上位机也可以方便地查询系统的工作状态和设备的位置。

例如，操作控制按钮集中在IBO字节中，用于检测运输车位置和1车道车
辆上货物情况的输入开关集中在IBL字节中，以便在上位机读取下位机的工作信息后简化处理过程。

为上位机监控系统的编程提供便利。

通过对连接到PLC的各种信号进行计数，计算出所需的输入和输出点分别为74点和32点。

系统CPU采用西门子S7-200系列PLC的226DC/DC/DC，24路输入/16路输出。

它使用22个输入和所有输出。

I/0分从I0.0分到I2.7分，从Q0.0分到Q 1.7分。

输入主要用于输送带地址识别的光电输入、输送带上货叉的限位及其手动控制、输送带的前后控制等，输出用于变频器、输送带、货叉及装卸台的控制。

扩展模块使用16输入/16输出EM223数字混合模块I/0点分配，输入从I3. 0到I4.7，输出从Q2.0到Q3.7。

输入主要用于输送机的停止和限制，1号和2号装卸平台的限制。

输出主要用于2号、3号托运台的操作，也作为报警指令的输出。

使用三个EM221输入扩展模块。

第一个输入点是从i5.0到i6.7。

主要用于托运台的控制和货物的检验输入。

EM221的第二个输入点是从I7.0到I8.7。

主要用于装卸站的控制和货物的检测。

I8.1和I8.2用于输送机的超声波检测。

第三个输入点EM221是从I9.0到I10.7。

输入主要用于托运台的控制和有或无货物的检验输入。

硬件接线图如下：
自动化立体仓库运输系统是现代物流系统的重要组成部分，优化调度。

输送系统负责将自动堆垛机选择的货物从拣货台上带出仓库，并按指令送至指定的交货港。

同时，从境外交货的货物，从进口港运出，按指示运至指定的交货地点。

运输系统是整个仓库系统的上下文，是仓库自动化不可缺少的组成部分。

由自动出入库平台、分拣平台、自动输送机等组成。