基于PLC控制自动化立体仓储系统设计探究
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作者:秦萍
【摘 要】论文介绍了基于西门子S7-300PLC的自动化立体仓储系统的软硬件设计方案，及系统仿真调试过程中遇到的问题及处理方法。该设计方案中，商品识别及自动入库精准，智能监控画面清晰、信息量大，系统工作稳定可靠。
【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.
【关键词】PLC;立体仓储;组态设计;智能监控
【Keywords】PLC; three-dimensional storage and retrieval; configuration design; intelligent monitoring
【中图分类号】TP273 【文献标志码】A 【文章編号】1673-1069（2020）10-0184-03
1 引言
随着现代科技和全球经济一体化的发展，现代物流业已成为各国致力发展的黄金产业。物流业是一个新兴的生产性服务业，涉及国民经济的各个方面，是经济发展的一个重要支撑，自动化立体仓储系统是现代物流业的重要基础，功能从单纯地进行商品物资的仓储保管，发展到商品物资的分类、统计、包装贴标、分拣配送、立体仓储等多种功能。实现了信息化科学储备，有效地衔接生产与库存，提高了商品物资调配水平，加快了物流周转速度，降低了物流成本，提高了企业效益。
2 自动化立体仓储系统的硬件设计
本文设计的自动化立体仓储系统由供料皮带输送单元、机械手搬运单元、立体仓库单元组成，系统选用紧凑型S7-300PLC，及TP700触摸屏作为核心控制和智能监控设备。输送机种类繁多，常用的有辊道输送机、链条输送机、提升机、皮带机和AGV系统等，本设计采用皮带输送机。皮带输送机设计由交流电动机拖动，配备西门子G120变频器，可以方便地控制皮带输送机的运行方向及速度，同时，可以通过设置变频器参数，方便地控制电动机的起动和制动时间，减少机械冲击，降低能耗。皮带输送机上方安装传感器，用于检测识别通过输送带的商品类型。机械手单元由气缸及步进电机组成，通过控制不同气缸动作方向完成机械手的上升、下降、左转、右转、抓取和释放动作，通过步进电机及驱动器控制，实现机械手的前后直线行走控制。常用的立体仓库按照货架形式来划分，有单元货格式、贯通式、移动货架式和旋转货架式四种，本设计中采用单元货格式，立体仓库单元设计为2层，每层8个库位，每个库位安装光电传感器，检测商品入库情况。
PLC、触摸屏及变频器组成工业以太网实现互连，构成分布式的控制系统，系统主令工作信号由触摸屏提供，通过触摸屏进行工作方式的选择及显示当前系统皮带输送机工作状态、立体仓库的入库情况等，整个系统的主要工作状态可以在上位机和触摸屏上进行显示监控。
3 自动化立体仓储系统的工作过程设计
供料仓存放有空芯和带芯两种商品。系统启动后，商品由供料仓自动推送到皮带输送机上，皮带输送开始启动，输送商品经过传感器检测，运送到输送带末端，机械手搬运单元机械手将商品按照库位分配要求送入立体仓库存放。当分拣入库的商品数量达到客户要求数量时，完成一个工作周期，系统自动停止工作。在系统运行过程中出现异常，可以立即按下停止按钮，系统停止工作。出现缺料等情况时，在触摸屏监控画面上有相应报警指示。
4 智能监控组态设计
在TP700人机界面上进行组态画面设计，设计的用户窗口包括首页界面、工作模式选择界面、手动测试界面、自动入库界面四个界面。
4.1 首页界面组态要求
在触摸屏上电后自动进入首页界面，首页界面要求显示：①在首页界面显示“自动立体仓储系统”字样，及自动化仓储系统图片;②在首页界面放置“进入系统”按钮，按下此按钮，进入工作模式选择界面。
4.2 工作模式选择界面组态要求
①在第一行显示“工作模式选择”字样。②工作模式选择界面上设置“手动测试模式”“自动入库模式”“初始状态”指示灯，“手动测试”“自动入库”模式选择按钮。系统处于初始状态时，初始状态指示灯亮。在触摸屏模块右侧设有工作模式选择开关，“模式”转换开关扳到右侧，触摸屏上“手动测试模式”指示灯亮，这时可以按下“手动测试”按钮，进入手动测试界面;“模式”转换开关扳到左侧，触摸屏上“自动入库模式”指示灯亮，这时可以按下“自动入库”按钮，进入自动入库界面。 4.3 手动测试界面组态要求
①在第一行显示“手动测试”字样;②在手动测试界面设置供料皮带输送单元、机械手搬运手动测试画面;③设置设备“初始状态”指示灯;④设置皮带输送机“左行”“右行”“高速”“中速”“低速”按钮，设置机械手大气缸“上升”“下降”按钮，小气缸“上升”“下降”按钮，机械手“左转”“右转”“夹紧”“松开”“前行”“后退”“复位”按钮;⑤界面上设置“返回工作模式选择界面”按钮。
4.4 自动入库界面组态要求
①设置自动入库模式下系统“启动”和“停止”按钮。②设置显示系统各单元是否准备就绪的指示灯、“系统初始状态”“自动入库”指示灯。如果各单元就绪，“系统初始状态”指示灯亮。此时才能触摸“启动”按钮启动系统。系统启动后，“自动入库”指示灯亮，指示当前系统处于自动入库运行状态。③设置能切换到工作模式选择界面的按钮，只有在系统停止状态，切换按钮才有效。④在界面上分别显示立体仓库已放入的两类商品的状况。⑤设置指示自动入库中供料异常的指示灯，供料皮带输送单元的供料缺料状态指示“料仓空”，并且相应指示灯以2Hz频率闪亮。
5 PLC程序设计
系统的工作模式分为手动测试模式和自动入库模式，PLC程序设计采用模块化程序结构。
5.1 系统的启动
先将触摸屏模块右侧的“模式”转换开关扳到左侧，触摸屏切换到自动入库界面后，PLC程序应首先检查网络通讯是否正常，各单元是否准备就绪，即：①供料仓内有足够的商品;②机械手搬运单元在初始状态：大气缸在下降位置、小气缸在上升位置、机械手停在右边、气爪松开，机械手位于原点传感器处;③各单元的各个气缸均处于初始位置，皮带输送单元传送带电机在停止状态。
若上述条件中有一个条件不满足，则系统不能启动。现将系统模式选择为手动模式，通过手动控制让系统设备处于初始状态，然后转为自动模式，如果网络正常且各工作站均准备就绪，则允许启动系统。此时按下触摸屏上的“启动”按钮，系统启动后，触摸屏上“自动入库”指示灯常亮，指示系统当前在自动入库模式下工作。
5.2 正常运行过程
系统正常运行情况下，运行的主令信号均来源于触摸屏。
①PLC接收到系统发来的启动信号时，即进入运行状态。当启动信号被复位时，退出运行状态。②进入运行状态后，供料单元执行把商品推到皮带输送带的操作。若料仓内没有商品，则向系统发出报警信号。③当皮带输送带上有商品后，皮带输送启动，将商品运送到皮带输送单元末端，运送到位后皮带停止。商品被机械手搬走后，供料皮带输送单元开始供应下一个商品。④机械手将皮带输送单元末端商品搬运到缓冲库，经过贴标后，机械手将商品搬运到立体仓库，按商品库位分配放入相应位置。立体仓库入库要求为：将空芯商品送到立体仓库底层1#位置开始依次存放，将带芯商品送到立体仓库顶层9#位置开始依次存放。商品入库后向系统发出入库完成信号。商品放入库位后，相应库位指示灯亮，代表该库位放入商品，可以手动清除所有库位。一个商品入库后重复上述工作流程，进行下一个商品的自动入库工作。
由于手动测试动作简单独立，因此，常选择梯形图编程语言进行设计。自动入库工作流程复杂，需要检测商品的类型，并根据商品类型和当前立体仓储情况计算确定入库库位，同时，保证机械手行走方向正确及距离精准，常选用GRAPH编程语言即顺序功能图。顺序功能图常用的结构有单序列、选择结构和并行结构，在自动入库顺序功能图设计中，需要根据当前仓储情况选择入库库位，因此，常在程序中分别设置各类入库商品数量计数器，根据当前商品类型及该类商品计数器数值计算入库库位，设计采用选择结构顺序功能图。顺序功能图结构清晰，转换条件可以是单个触点，也可以是多个触点的逻辑运算结果，不需要考虑各个运行功能之间的联锁关系，程序设计简单。在程序调试过程中，出现问题时，可以通过监控查看程序停留位置，通过停留位置步上方条件判断出错原因，大大缩短了程序调试时间，提高了设计效率。
6 调试过程中的问题及处理方法
6.1 机械手搬运停止时出现抖动，几秒钟后停止
原因分析：机械手的直线运动由步进电机控制，步进电机的运行控制脉冲信号来自PLC的高速脉冲信号，信号频率可以达到2000Hz，导致在程序执行中出现当前值与目标值间反复有偏差，机械手需要不停改变运动方向，出现抖动现象。
处理方法：在程序中目标值的设定从固定数值，变成一段区间。通过设定目标值下限和上限，目标值上限=目标值+2，目标值下限=目标值-2，当前值在目标值下限与目标值上限之间时，机械手即停止运行，解决了机械手运行到位后出现抖动的现象，机械手运行平稳。
6.2 商品入库位置错误
原因分析：在自动入库过程中，需要先通过输送带上方传感器识别商品的种类，并由程序中设定的商品类型标志位记住当前商品类型，再按照要求由机械手送入立体仓库相应库位。为了提高自动立体仓储系统运行效率，商品会连续通过输送带运输。造成上一个商品还没有完成入库，下一个商品已通过所有传感器检测，修改了程序中商品类型标识，程序会按照当前商品的类型完成上一个商品的入库操作，造成商品入库位置错误。
处理方法：商品类型标志位的状态不是在所有传感器检测完成后確定，改在机械手抓取商品后，利用传送带末端传感器的下降沿来控制修改商品类型标志位，在机械手处理当前商品时，计算确定当前商品入库位置时，不去修改商品类型标志，保证了商品入库位置的准确性。
6.3 机械手动作时碰撞立体仓库库位
原因分析：程序编制错误或步进电机定位计算错误。
处理方法：首先做好手动测试，将机械手调整到动作时不会碰撞到立体仓库库位的安全位置，编制测试机械手行走到每一个库位精确位置的脉冲数程序，测试出机械手从设备原点行走到每个库位的脉冲数，然后将测试结果输入程序中，再次进行调试校准。调试完成后，将机械手升降部件连接螺丝松动一些，防止在自动入库程序调试中再次出现由于程序错误导致机械手碰撞立体仓库库位，造成机械手等设备损坏。所有程序调试运行正常后，再将机械手部件紧固牢靠。
7 系统设计调试效果
系统按照设定的工作流程，完成不同商品的识别和按照要求完成立体仓库入库工作，商品识别准确，入库定位精度高。自动化立体仓储系统各种搬运机械可以无缝衔接，实现整个仓库的无人化作业，降低人工成本。通过传感器识别、PLC及以太网方便地实现仓储系统信息化，可实时掌握商品物资动态仓储情况，实现快速调度。随着步进电机技术发展，可以实现高精度精准定位控制，立体仓储巷道与货位几乎可以等宽，高度密集的仓储方式可以极大地提高土地利用率，降低运行成本，提高企业效益。
【参考文献】
【1】李锦，权宁.基于PLC控制的立体仓储智能监控系统的设计[J].山东工业技术，2017（13）：210.
【2】马笑.自动化仓储系统的经济性分析[J].物流技术与应用，2016，21（11）：115-117.
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