現代信息管理技術的日益完善與高速發展, 使越來越多的企業開始嘗試使用現代物流管理[1,2,3,4]。自動化立體倉庫作為現代物流系統的樞紐和核心, 是生產物流系統實現物流合理化的關鍵, 主要包含機械本體和控制系統兩部分[5,6,7,8,9]。

筆者研究立體倉庫自動倉儲控制系統的總體設計、硬件設計及軟件設計過程, 基于組態王軟件開發了系統的遠程監控及管理畫面。

自動化立體倉庫主要由巷道式堆垛機、立體貨架、輸送機、計算機、控制柜、激光測距儀、卷揚機、滑軌、光電檢測開關等組成, 如圖1所示。

每臺堆垛機負責左右兩側的貨物存取, 單側立體貨架包含5層60列, 每個貨格的寬度為1 000 mm, 高度為1 200 mm。堆垛機Y方向上采用卷揚機實現層數的豎直提升與降落, X方向上根據激光測距儀檢測進行貨架水平位置的實時反饋, Y方向上使用光電開關加認址片的方式進行位置反饋。X、Y方向精確定位存取貨的目標位置后, 堆垛機沿Z方向以貨架為存放單元實現貨物的存、取、移庫。

系統設計包含控制系統通信結構圖設計及可編程序控制器 (PLC) 控制軟件架構設計。為了用戶直觀方便使用, 應設計簡單易操作的組態畫面, 采用如圖2所示的系統通信結構設計。控制軟件架構設計包括PLC軟件架構搭建、軟件控制流程設計及組態監控管理軟件設計, 而PLC設計部分是核心內容。由于現場有輸送機系統、堆垛機系統, 因此采用上下位機主從控制的兩級管理控制結構, 使用S7-300PLC作為堆垛機主控制器, S7-200PLC作為輸送機控制器。

▲圖1立體倉庫整體結構   下載原圖

▲圖2控制系統通信結構圖   下載原圖

PLC控制是控制系統核心[10], 電機、檢測裝置、光電開關等數字量和模擬量的信號首先輸入PLC的寄存器中, PLC對各類信號進行轉換和計算處理, 進而輸出信號控制執行器執行相應動作, 并且實時將關鍵信息上傳到現場控制臺上位機, 執行上位機發送的控制指令, 完成對現有設備的實時和自動化控制[11]。

立體倉庫控制系統的主要任務是自動化實現入庫、出庫、移庫過程, 控制系統架構的搭建如圖3所示。首先將系統任務分解為連貫的單一伺服運動, 為了實現PLC的模塊化編程, 需進一步將伺服動作分解成互不重疊的邏輯運動控制模塊, 單獨的邏輯運動控制模塊有助于PLC編程及系統調試, 同時提高了系統的穩定性和可修改性。系統任務的完成可按照用戶設定的控制要求, 順序調用相應的邏輯運動控制模塊實現。

▲圖3 PLC控制系統架構設計   下載原圖

系統要求如下: (1) 經濟實用, 設備適應性強, 可靠性高; (2) 系統具有一定的柔性, 方便現場數據修改, 便于后期維護; (3) 設備自動化控制; (4) 數據采集準確, 生產率高。

根據系統要求, 采用可靠性高的西門子系列PLC, 其中S7-300PLC作為主控制器, S7-200PLC作為從站。主站包括電源模塊、中央處理器模塊、通信模塊和基本輸入輸出單元。通過系統功能分析與參數計算, 設計如圖4所示的輸送機硬件設計與如圖5所示的堆垛機硬件設計。

立體倉庫自動控制系統主要包括三種不同的操作模式:自動控制模式、手動控制模式及半自動控制模式。其中自動控制模式應用最多, 手動控制和半自動控制起輔助配合作用, 實現系統的自動出入庫、移庫控制, 系統控制流程如圖6所示。

運動控制編程軟件采用Micro Win 4.0作為S7-200PLC的編程工具, 配合Step7 5.4作為S7-300PLC的編程工具。考慮到立體倉庫使用者需求的多樣化, 立體倉庫貨格參數、數量應具備一定的柔性, 所以編程思路遵循模塊化、標準化。當外設發生變化時, 編程者只需要修改相應的輸入輸出端口, 功能塊之間的邏輯調用關系不變, 這樣, 程序的架構會保持高度緊湊并且便于調試。

如圖3所示, 先編寫X方向前進、X方向后退、Y方向上升、Y方向下降、Z方向左入庫、Z方向右入庫、Z方向左出庫、Z方向右出庫共八個邏輯運動的控制程序, 并進行控制動作的獨立調試, 在入庫、出庫、移庫的控制模塊中按照系統結構的順序調用邏輯運動控制模塊。圖7截取了出庫模塊化程序片段, 該程序通過判斷可靈活調用邏輯控制模塊。

▲圖4輸送機硬件設計   下載原圖

▲圖5堆垛機硬件設計   下載原圖

根據實際生產需要, 將系統運行情況、采集信息及控制命令進行了集成, 形成了數據顯示、系統運行狀態顯示、堆垛機單獨控制、輸送機單獨控制、輸送機與堆垛機聯合控制五個模塊。組態過程如下: (1) 選擇正確的PLC驅動, 參照通信協議設置通信參數; (2) 硬件設備組態配置; (3) 設置輸入輸出設備有關參數。系統上位機軟件界面將實時生產狀態顯示在人機交互界面上, 監控主界面如圖8所示。

▲圖6編程軟件控制流程   下載原圖

▲圖7出庫模塊化程序片段   下載原圖

組態軟件主畫面中, 操作者在運行信息輸入模塊中輸入命令的目標位置, 如出庫去取貨的地址號, 調用后臺數據庫與PLC程序進行計算, 計算結果會實時刷新并顯示在數據庫顯示信息模塊中。堆垛機位置顯示模塊中實時刷新并記錄堆垛機當前位置及目標位置。畫面右側是控制區域, 可以對系統堆垛機、輸送機進行單獨控制, 也可以對兩者進行聯動控制。系統的運行狀態以指示燈的形式顯示在系統運行信息顯示模塊中。

采用PLC和組態軟件相結合的方法, 實現了對立體倉庫的自動控制, 完成了堆垛機的輸送、提升、伸縮、抓放等的自動運行控制經過調試確認, 設備動作順暢, 性能穩定, 可靠性高。

▲圖8系統監控主界面