基于PLC控制自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

秦萍

【摘? 要】論文介紹了基于西門(mén)子S7-300PLC的自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，及系統(tǒng)仿真調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題及處理方法。該設(shè)計(jì)方案中，商品識(shí)別及自動(dòng)入庫(kù)精準(zhǔn)，智能監(jiān)控畫(huà)面清晰、信息量大，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

【Abstract】This paper introduces the software and hardware design scheme of the automated and three-dimensional storage and retrieval system based on Siemens S7-300 PLC， as well as the problems encountered in the process of system simulation and debugging and the solutions. In the design scheme， the product identification and automated storage are accurate， the intelligent monitoring has clear picture and large amount of information， and the system works stably and reliably.

【關(guān)鍵詞】PLC;立體倉(cāng)儲(chǔ);組態(tài)設(shè)計(jì);智能監(jiān)控

【Keywords】PLC; three-dimensional storage and retrieval; configuration design; intelligent monitoring

【中圖分類(lèi)號(hào)】TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）10-0184-03

1 引言

隨著現(xiàn)代科技和全球經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展，現(xiàn)代物流業(yè)已成為各國(guó)致力發(fā)展的黃金產(chǎn)業(yè)。物流業(yè)是一個(gè)新興的生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)，涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要支撐，自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)是現(xiàn)代物流業(yè)的重要基礎(chǔ)，功能從單純地進(jìn)行商品物資的倉(cāng)儲(chǔ)保管，發(fā)展到商品物資的分類(lèi)、統(tǒng)計(jì)、包裝貼標(biāo)、分揀配送、立體倉(cāng)儲(chǔ)等多種功能。實(shí)現(xiàn)了信息化科學(xué)儲(chǔ)備，有效地銜接生產(chǎn)與庫(kù)存，提高了商品物資調(diào)配水平，加快了物流周轉(zhuǎn)速度，降低了物流成本，提高了企業(yè)效益。

2 自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)由供料皮帶輸送單元、機(jī)械手搬運(yùn)單元、立體倉(cāng)庫(kù)單元組成，系統(tǒng)選用緊湊型S7-300PLC，及TP700觸摸屏作為核心控制和智能監(jiān)控設(shè)備。輸送機(jī)種類(lèi)繁多，常用的有輥道輸送機(jī)、鏈條輸送機(jī)、提升機(jī)、皮帶機(jī)和AGV系統(tǒng)等，本設(shè)計(jì)采用皮帶輸送機(jī)。皮帶輸送機(jī)設(shè)計(jì)由交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，配備西門(mén)子G120變頻器，可以方便地控制皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行方向及速度，同時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置變頻器參數(shù)，方便地控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間，減少機(jī)械沖擊，降低能耗。皮帶輸送機(jī)上方安裝傳感器，用于檢測(cè)識(shí)別通過(guò)輸送帶的商品類(lèi)型。機(jī)械手單元由氣缸及步進(jìn)電機(jī)組成，通過(guò)控制不同氣缸動(dòng)作方向完成機(jī)械手的上升、下降、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、抓取和釋放動(dòng)作，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的前后直線(xiàn)行走控制。常用的立體倉(cāng)庫(kù)按照貨架形式來(lái)劃分，有單元貨格式、貫通式、移動(dòng)貨架式和旋轉(zhuǎn)貨架式四種，本設(shè)計(jì)中采用單元貨格式，立體倉(cāng)庫(kù)單元設(shè)計(jì)為2層，每層8個(gè)庫(kù)位，每個(gè)庫(kù)位安裝光電傳感器，檢測(cè)商品入庫(kù)情況。

PLC、觸摸屏及變頻器組成工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互連，構(gòu)成分布式的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主令工作信號(hào)由觸摸屏提供，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行工作方式的選擇及顯示當(dāng)前系統(tǒng)皮帶輸送機(jī)工作狀態(tài)、立體倉(cāng)庫(kù)的入庫(kù)情況等，整個(gè)系統(tǒng)的主要工作狀態(tài)可以在上位機(jī)和觸摸屏上進(jìn)行顯示監(jiān)控。

3 自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的工作過(guò)程設(shè)計(jì)

供料倉(cāng)存放有空芯和帶芯兩種商品。系統(tǒng)啟動(dòng)后，商品由供料倉(cāng)自動(dòng)推送到皮帶輸送機(jī)上，皮帶輸送開(kāi)始啟動(dòng)，輸送商品經(jīng)過(guò)傳感器檢測(cè)，運(yùn)送到輸送帶末端，機(jī)械手搬運(yùn)單元機(jī)械手將商品按照庫(kù)位分配要求送入立體倉(cāng)庫(kù)存放。當(dāng)分揀入庫(kù)的商品數(shù)量達(dá)到客戶(hù)要求數(shù)量時(shí)，完成一個(gè)工作周期，系統(tǒng)自動(dòng)停止工作。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常，可以立即按下停止按鈕，系統(tǒng)停止工作。出現(xiàn)缺料等情況時(shí)，在觸摸屏監(jiān)控畫(huà)面上有相應(yīng)報(bào)警指示。

4 智能監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)

在TP700人機(jī)界面上進(jìn)行組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的用戶(hù)窗口包括首頁(yè)界面、工作模式選擇界面、手動(dòng)測(cè)試界面、自動(dòng)入庫(kù)界面四個(gè)界面。

4.1 首頁(yè)界面組態(tài)要求

在觸摸屏上電后自動(dòng)進(jìn)入首頁(yè)界面，首頁(yè)界面要求顯示：①在首頁(yè)界面顯示“自動(dòng)立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)”字樣，及自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)圖片;②在首頁(yè)界面放置“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕，按下此按鈕，進(jìn)入工作模式選擇界面。

4.2 工作模式選擇界面組態(tài)要求

①在第一行顯示“工作模式選擇”字樣。②工作模式選擇界面上設(shè)置“手動(dòng)測(cè)試模式”“自動(dòng)入庫(kù)模式”“初始狀態(tài)”指示燈，“手動(dòng)測(cè)試”“自動(dòng)入庫(kù)”模式選擇按鈕。系統(tǒng)處于初始狀態(tài)時(shí)，初始狀態(tài)指示燈亮。在觸摸屏模塊右側(cè)設(shè)有工作模式選擇開(kāi)關(guān)，“模式”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)扳到右側(cè)，觸摸屏上“手動(dòng)測(cè)試模式”指示燈亮，這時(shí)可以按下“手動(dòng)測(cè)試”按鈕，進(jìn)入手動(dòng)測(cè)試界面;“模式”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)扳到左側(cè)，觸摸屏上“自動(dòng)入庫(kù)模式”指示燈亮，這時(shí)可以按下“自動(dòng)入庫(kù)”按鈕，進(jìn)入自動(dòng)入庫(kù)界面。

4.3 手動(dòng)測(cè)試界面組態(tài)要求

①在第一行顯示“手動(dòng)測(cè)試”字樣;②在手動(dòng)測(cè)試界面設(shè)置供料皮帶輸送單元、機(jī)械手搬運(yùn)手動(dòng)測(cè)試畫(huà)面;③設(shè)置設(shè)備“初始狀態(tài)”指示燈;④設(shè)置皮帶輸送機(jī)“左行”“右行”“高速”“中速”“低速”按鈕，設(shè)置機(jī)械手大氣缸“上升”“下降”按鈕，小氣缸“上升”“下降”按鈕，機(jī)械手“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”“夾緊”“松開(kāi)”“前行”“后退”“復(fù)位”按鈕;⑤界面上設(shè)置“返回工作模式選擇界面”按鈕。

4.4 自動(dòng)入庫(kù)界面組態(tài)要求

①設(shè)置自動(dòng)入庫(kù)模式下系統(tǒng)“啟動(dòng)”和“停止”按鈕。②設(shè)置顯示系統(tǒng)各單元是否準(zhǔn)備就緒的指示燈、“系統(tǒng)初始狀態(tài)”“自動(dòng)入庫(kù)”指示燈。如果各單元就緒，“系統(tǒng)初始狀態(tài)”指示燈亮。此時(shí)才能觸摸“啟動(dòng)”按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，“自動(dòng)入庫(kù)”指示燈亮，指示當(dāng)前系統(tǒng)處于自動(dòng)入庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)。③設(shè)置能切換到工作模式選擇界面的按鈕，只有在系統(tǒng)停止?fàn)顟B(tài)，切換按鈕才有效。④在界面上分別顯示立體倉(cāng)庫(kù)已放入的兩類(lèi)商品的狀況。⑤設(shè)置指示自動(dòng)入庫(kù)中供料異常的指示燈，供料皮帶輸送單元的供料缺料狀態(tài)指示“料倉(cāng)空”，并且相應(yīng)指示燈以2Hz頻率閃亮。

5 PLC程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的工作模式分為手動(dòng)測(cè)試模式和自動(dòng)入庫(kù)模式，PLC程序設(shè)計(jì)采用模塊化程序結(jié)構(gòu)。

5.1 系統(tǒng)的啟動(dòng)

先將觸摸屏模塊右側(cè)的“模式”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)扳到左側(cè)，觸摸屏切換到自動(dòng)入庫(kù)界面后，PLC程序應(yīng)首先檢查網(wǎng)絡(luò)通訊是否正常，各單元是否準(zhǔn)備就緒，即：①供料倉(cāng)內(nèi)有足夠的商品;②機(jī)械手搬運(yùn)單元在初始狀態(tài)：大氣缸在下降位置、小氣缸在上升位置、機(jī)械手停在右邊、氣爪松開(kāi)，機(jī)械手位于原點(diǎn)傳感器處;③各單元的各個(gè)氣缸均處于初始位置，皮帶輸送單元傳送帶電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)。

若上述條件中有一個(gè)條件不滿(mǎn)足，則系統(tǒng)不能啟動(dòng)?，F(xiàn)將系統(tǒng)模式選擇為手動(dòng)模式，通過(guò)手動(dòng)控制讓系統(tǒng)設(shè)備處于初始狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)為自動(dòng)模式，如果網(wǎng)絡(luò)正常且各工作站均準(zhǔn)備就緒，則允許啟動(dòng)系統(tǒng)。此時(shí)按下觸摸屏上的“啟動(dòng)”按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)后，觸摸屏上“自動(dòng)入庫(kù)”指示燈常亮，指示系統(tǒng)當(dāng)前在自動(dòng)入庫(kù)模式下工作。

5.2 正常運(yùn)行過(guò)程

系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，運(yùn)行的主令信號(hào)均來(lái)源于觸摸屏。

①PLC接收到系統(tǒng)發(fā)來(lái)的啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)被復(fù)位時(shí)，退出運(yùn)行狀態(tài)。②進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，供料單元執(zhí)行把商品推到皮帶輸送帶的操作。若料倉(cāng)內(nèi)沒(méi)有商品，則向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。③當(dāng)皮帶輸送帶上有商品后，皮帶輸送啟動(dòng)，將商品運(yùn)送到皮帶輸送單元末端，運(yùn)送到位后皮帶停止。商品被機(jī)械手搬走后，供料皮帶輸送單元開(kāi)始供應(yīng)下一個(gè)商品。④機(jī)械手將皮帶輸送單元末端商品搬運(yùn)到緩沖庫(kù)，經(jīng)過(guò)貼標(biāo)后，機(jī)械手將商品搬運(yùn)到立體倉(cāng)庫(kù)，按商品庫(kù)位分配放入相應(yīng)位置。立體倉(cāng)庫(kù)入庫(kù)要求為：將空芯商品送到立體倉(cāng)庫(kù)底層1#位置開(kāi)始依次存放，將帶芯商品送到立體倉(cāng)庫(kù)頂層9#位置開(kāi)始依次存放。商品入庫(kù)后向系統(tǒng)發(fā)出入庫(kù)完成信號(hào)。商品放入庫(kù)位后，相應(yīng)庫(kù)位指示燈亮，代表該庫(kù)位放入商品，可以手動(dòng)清除所有庫(kù)位。一個(gè)商品入庫(kù)后重復(fù)上述工作流程，進(jìn)行下一個(gè)商品的自動(dòng)入庫(kù)工作。

由于手動(dòng)測(cè)試動(dòng)作簡(jiǎn)單獨(dú)立，因此，常選擇梯形圖編程語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。自動(dòng)入庫(kù)工作流程復(fù)雜，需要檢測(cè)商品的類(lèi)型，并根據(jù)商品類(lèi)型和當(dāng)前立體倉(cāng)儲(chǔ)情況計(jì)算確定入庫(kù)庫(kù)位，同時(shí)，保證機(jī)械手行走方向正確及距離精準(zhǔn)，常選用GRAPH編程語(yǔ)言即順序功能圖。順序功能圖常用的結(jié)構(gòu)有單序列、選擇結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)，在自動(dòng)入庫(kù)順序功能圖設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)當(dāng)前倉(cāng)儲(chǔ)情況選擇入庫(kù)庫(kù)位，因此，常在程序中分別設(shè)置各類(lèi)入庫(kù)商品數(shù)量計(jì)數(shù)器，根據(jù)當(dāng)前商品類(lèi)型及該類(lèi)商品計(jì)數(shù)器數(shù)值計(jì)算入庫(kù)庫(kù)位，設(shè)計(jì)采用選擇結(jié)構(gòu)順序功能圖。順序功能圖結(jié)構(gòu)清晰，轉(zhuǎn)換條件可以是單個(gè)觸點(diǎn)，也可以是多個(gè)觸點(diǎn)的邏輯運(yùn)算結(jié)果，不需要考慮各個(gè)運(yùn)行功能之間的聯(lián)鎖關(guān)系，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。在程序調(diào)試過(guò)程中，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)監(jiān)控查看程序停留位置，通過(guò)停留位置步上方條件判斷出錯(cuò)原因，大大縮短了程序調(diào)試時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率。

6 調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題及處理方法

6.1 機(jī)械手搬運(yùn)停止時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)，幾秒鐘后停止

原因分析：機(jī)械手的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制脈沖信號(hào)來(lái)自PLC的高速脈沖信號(hào)，信號(hào)頻率可以達(dá)到2000Hz，導(dǎo)致在程序執(zhí)行中出現(xiàn)當(dāng)前值與目標(biāo)值間反復(fù)有偏差，機(jī)械手需要不停改變運(yùn)動(dòng)方向，出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。

處理方法：在程序中目標(biāo)值的設(shè)定從固定數(shù)值，變成一段區(qū)間。通過(guò)設(shè)定目標(biāo)值下限和上限，目標(biāo)值上限=目標(biāo)值+2，目標(biāo)值下限=目標(biāo)值-2，當(dāng)前值在目標(biāo)值下限與目標(biāo)值上限之間時(shí)，機(jī)械手即停止運(yùn)行，解決了機(jī)械手運(yùn)行到位后出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象，機(jī)械手運(yùn)行平穩(wěn)。

6.2 商品入庫(kù)位置錯(cuò)誤

原因分析：在自動(dòng)入庫(kù)過(guò)程中，需要先通過(guò)輸送帶上方傳感器識(shí)別商品的種類(lèi)，并由程序中設(shè)定的商品類(lèi)型標(biāo)志位記住當(dāng)前商品類(lèi)型，再按照要求由機(jī)械手送入立體倉(cāng)庫(kù)相應(yīng)庫(kù)位。為了提高自動(dòng)立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行效率，商品會(huì)連續(xù)通過(guò)輸送帶運(yùn)輸。造成上一個(gè)商品還沒(méi)有完成入庫(kù)，下一個(gè)商品已通過(guò)所有傳感器檢測(cè)，修改了程序中商品類(lèi)型標(biāo)識(shí)，程序會(huì)按照當(dāng)前商品的類(lèi)型完成上一個(gè)商品的入庫(kù)操作，造成商品入庫(kù)位置錯(cuò)誤。

處理方法：商品類(lèi)型標(biāo)志位的狀態(tài)不是在所有傳感器檢測(cè)完成后確定，改在機(jī)械手抓取商品后，利用傳送帶末端傳感器的下降沿來(lái)控制修改商品類(lèi)型標(biāo)志位，在機(jī)械手處理當(dāng)前商品時(shí)，計(jì)算確定當(dāng)前商品入庫(kù)位置時(shí)，不去修改商品類(lèi)型標(biāo)志，保證了商品入庫(kù)位置的準(zhǔn)確性。

6.3 機(jī)械手動(dòng)作時(shí)碰撞立體倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位

原因分析：程序編制錯(cuò)誤或步進(jìn)電機(jī)定位計(jì)算錯(cuò)誤。

處理方法：首先做好手動(dòng)測(cè)試，將機(jī)械手調(diào)整到動(dòng)作時(shí)不會(huì)碰撞到立體倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位的安全位置，編制測(cè)試機(jī)械手行走到每一個(gè)庫(kù)位精確位置的脈沖數(shù)程序，測(cè)試出機(jī)械手從設(shè)備原點(diǎn)行走到每個(gè)庫(kù)位的脈沖數(shù)，然后將測(cè)試結(jié)果輸入程序中，再次進(jìn)行調(diào)試校準(zhǔn)。調(diào)試完成后，將機(jī)械手升降部件連接螺絲松動(dòng)一些，防止在自動(dòng)入庫(kù)程序調(diào)試中再次出現(xiàn)由于程序錯(cuò)誤導(dǎo)致機(jī)械手碰撞立體倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位，造成機(jī)械手等設(shè)備損壞。所有程序調(diào)試運(yùn)行正常后，再將機(jī)械手部件緊固牢靠。

7 系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試效果

系統(tǒng)按照設(shè)定的工作流程，完成不同商品的識(shí)別和按照要求完成立體倉(cāng)庫(kù)入庫(kù)工作，商品識(shí)別準(zhǔn)確，入庫(kù)定位精度高。自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)各種搬運(yùn)機(jī)械可以無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)倉(cāng)庫(kù)的無(wú)人化作業(yè)，降低人工成本。通過(guò)傳感器識(shí)別、PLC及以太網(wǎng)方便地實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)信息化，可實(shí)時(shí)掌握商品物資動(dòng)態(tài)倉(cāng)儲(chǔ)情況，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)度。隨著步進(jìn)電機(jī)技術(shù)發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)高精度精準(zhǔn)定位控制，立體倉(cāng)儲(chǔ)巷道與貨位幾乎可以等寬，高度密集的倉(cāng)儲(chǔ)方式可以極大地提高土地利用率，降低運(yùn)行成本，提高企業(yè)效益。

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