自动化立体仓库码垛机控制系统的设计与调试

自动化立体仓库码垛机控制系统的设计与调试

摘要：立体仓库又称为自动化立体仓库，能按照指定的任务，自动将货物从立

体仓库入口处搬运到指定的库位或自动将指定库位的货物搬运到立体仓库的出口处。立体仓库使用起来非常方便，在充分利用空间的同时，也节省了劳动力，提

升了系统的自动化程度，是现代仓储的重要组成部分，在现代化物流仓储系统中

的应用也越来越广泛。码垛机是自动化立体仓库搬运货物的设备，是整个控制系

统的核心。

关键词：立体仓库；码垛机；控制系统；设计；调试

前言

本文设计的立体仓库是基于S7-1200PLC容量为4*8的立体仓库自动控制系统。该系统利

用西门子S7-1200PLC实现对码垛机的移动速度和方向进行控制，并用SIMATICWINCC对立体

仓库运行过程进行模拟监控。

1立体仓库码垛机的总体设计

1.1立体仓库的本体部分

（1）立体仓库

立体仓库由横梁架体、立柱架体等组成，库位有4行8列共32个，各部分采用模块化

设计，方便拆卸和安装。后期可根据需要来进行调整扩充。每个库位可设置感应装置，用来

检测库位状态。

（2）码垛机

码垛机是整个立体仓库的核心，是控制系统的执行部件。码垛机由X轴、Y轴、Z共三

个轴组成，每个轴上安装有多个传感器，用来判断对应轴运行实时位置。X轴运动采用蜗轮

减速装置，轴运动采用齿轮一双齿轮条行程倍增机构。轴运动采用直线轴承导向。在安全方面，三个轴的驱动电机上均设有刹车装置而且X轴和Z轴带有防撞装置，保证断电后立即停止，进一步确保了设备的运行安全和稳定性。

1.2立体仓库的电气控制部分

主机电气控制主要由PLC及其拓展单元模块、HMI触摸屏模块、变频器模块等组成HMI

触摸屏是用户与计算机之间传递信息和交换信息的媒介，通过HMI触摸屏可以实现人机对话，同时可以直观显示系统信息，实时查看库位情况。

变频器：由U1、U2、U3分别控制码垛机的X轴、Y轴、Z轴的电机运行。本文X轴、Y 轴、Z轴的运运动，分别由3个变频器控制的三个电动机进行方向移动和速度控制，并在程

序中设计加减速确保物件的安全。

PLC：主要选用门子PLC-1200可编程逻辑控制器，用于仓库系统的控制，协调仓库的运行。

其他电器元件：有交换机器、电源、发电机、继电器、连接器、接触器、急停开关、报

警灯等，与HMI触摸屏模块，变频器模块等共同组成整个立体仓库控制系统。

2立体仓库码垛机的控制系统硬件设计

2.1立体仓库码垛机PLC和码垛机的选型

本文设计的立体仓库控制系统选用型号为西门子S7-1200系列CPU1215DC/DC/DC，其控

制器高达6个高速计数器，用于计数和测量。并且集成了2个100kHz高速脉冲输出，用于

步进电机和伺服驱动器的速度和位置。系统拓展了两个16位的DI16x24VDC和一个8位的

DI8x24VDC输入模块。码垛机变频器选用型号为G120CPU240E-2PNG120变频器使用灵活，维

护方面，对硬件模块热插拔，可以拆接卸线端子，对系统的安全保护等级也高。

2.2控制系统组态

本文控制系统的程序采用博图V15软件进行编程，分别对PLC1200、三个变频器和HMI

触摸屏进行组态。

2.4立体仓库工作流程及WINCC画面仿真设计

为实现本仓库设计的机械结构与运行功能，利用WINCC进行运动仿真。

2.4.1用户功能。用户存取物件可通过控制箱的门禁系统和指纹模块实现，在用户存取货时设有语言提示辅助。在存货时选择“入库”按钮，在语音的提示下可以刷卡或录入指纹，系

统将显示当前空余的库位。待库位选择成功后，系统检测到用户离开物件将移动到相应的仓处，并记录库位信息，完成一次存货过程。取货时选“存货”按钮，在语音的提示下，用户刷

卡或录入指纹，系统将会根据当前用户录入的信息来找到车仓，待物件从仓库移到相应位置

时即可取，系统将标记当前库位并删除用户的指纹信息，完成一次取货过程。

2.4.2管理员功能。主要是用于解决在意外突发的情况与维护运行仓库系统，辅助用户完成取车等等。

2.4.3存货状况显示。在进入存货前入口上方设有一个用于指示是否有物件空余的led的

显示板，绿色显示有空余，当显示红色则为当前物件已存满，以方便用户识别是否还有库位。 3立体仓库码垛机存货与取货的程序设计

存货程序：在人机界面下按下存货按钮，点击存货启动，码垛机将开始从入库点托起并

送到指定库位。

取货程序：在人机界面下按下取货按钮，点击取货启动，码垛机将开始从指定仓库点托

起车辆并送到指定出库点。

4安全防护

本设计为了提高设备的安全性和可靠性，在存货板前后左右分别安装一对光电开关，通

过红外线开关来确定物件是否“超长”“超宽”，通过程序以及硬件，结合语音报警，来保证设

备运行的安全。当物件或用户在进入仓库的时候，设备将不能动作；如有异常情况出现，设

备将立刻停止运行并报警。立体仓库在X轴和Z轴都设有限位开关，在整个立体仓库运行中

若出现意外并且未收到报警的情况下，码垛机在到达最极限位置会碰到限位开关让整个系统

立即停止，这样为立体仓库系统的安全提供了双重保障。

5系统运行调试

为了保证整个系统能够安全稳定的运行，需要对每个功能做单独调试，然后再整体调试。调试的过程大致可分为系统组态功能调试、码垛机手动取件功能调测、码垛机自动复位功能

调试、自动出库功能调测以及自动入库功能调试。

系统组态功能测试：打开系统总电源，PLC软件编译项目后，下载数据，观察PLC的状

态指示灯，若PLC数据下载成功，且PLC状态指示灯正常，则说明组态成功。

码垛机手动取件功能测试：触摸屏页面切换，点击“X轴速度”按钮，然后再点击“X轴前进”和“X轴后退”按钮，观察码垛机的状态，若码垛机能在水平方向上来回运动，则说明X轴

方向调试没有问题。同样的方法，调试Y轴和Z轴，若码垛机在三个方向上都能按照指令运动，则可以手动取件测试。通过按钮能够控制码垛机取件且返回原点位置则说明手动取件功

能测试成功。码垛机自动复位功能测试：触摸屏页面切换，点击“复位”按钮，码垛机应该从

当前位置直接运动至原点位置，若码垛机能够回到原点位置并且停下来则说明自动复位功能

测试成功。

自动出库功能测试：在触摸屏上选中对应库位，再点击“启动”按钮，码垛机从原点位置

运动至对应库位，然后取下货物，回至原点位置，并将货物放置在前方工位上。若码垛机能

够成功完成这一动作，则说明自动出库功能测试成功。

自动入库功能测试：在触摸屏上选中对应库位，再点击“入库”按钮，码垛机能够将前方

工位上的货物取下，然后将货物精准的放置到选中的库位上，并且能够自动回至原点位置，

则说明自动出库功能测试成功。

结束语

借助传感器和定位片，实现码垛机的精确定位。经过反复测试，系统运行稳定，满足系

统的控制要求。本系统可以提升仓储系统的自动化水平和空间利用率，减少劳动强度，提升

系统的效率和自动化程度。

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