基于PLC的智能立体仓库控制系统设计

李 强

（运城学院机电工程系，山西运城 044000）

在实施智能制造战略及打造智慧工厂时代背景下，自动化立体仓库备受工业界关注，对其需求量和智能化要求越来越高。因此，对立体仓库的深入研究可以产生巨大的社会效益和经济效率[1]。物料的质量跟踪和运行效率直接影响立体仓库的性能。一方面，运用RFID 技术对物料运行轨迹进行动态跟踪保证物料的供应质量；另一方面，设计更加可靠、高效、精确的运动路径意义重大，可以提高立体仓库中执行设备的平稳性、高效性和精确性[2]。目前，立体仓库执行机构常采用伺服电机构成堆垛机，负责完成物料的入库和出库运动。为此，利用RFID 技术和堆垛机，基于西门子S7-1200控制器开发了一套智能立体仓库系统，可实现物料的出入库智能管理，同时驱动堆垛机中的伺服系统精确控制，通过工业以太网实现仓库与数控车床或加工中心的互联互通，为后续实施智能制造规划打下基础。

1 立体仓库的总体设计

1.1 系统结构

立体仓库智能控制系统是一个以堆垛机为核心的2 区4 行5 列结构，由立体仓库机械和控制系统构成。机械结构主要包括堆垛机、输送机、仓库货架，如图1；控制系统由PLC、数据采集及执行设备组成。

图1 立体仓库的机械设计

堆垛机是整个系统的执行机构，由伺服系统和直流电机构成。伺服系统为2 套伺服电机及驱动器组成，为堆垛机的上下和左右运动提供动力；堆垛机上的伸叉采用齿轮齿条传动机构，在一台直流电机驱动下，从固定库位上完成存取动作，如图2。输送机采用同步带减速机构，由两台直流电机来驱动，构成输送物料平台，完成工装板的装运。平台共2 个：平台1 完成物料工装板（以下简称物料板）的输入以及空工装板（以下简称空板）的输出操作；平台2 完成物料板的输出以及空板的输入操作。仓库货架的容量是2 区4 行5 列，总共40 个库位。其中1 区为物料区，库位号为1～20，用于存放待加工的机械物料，三种物料固定摆放在工装板上，放置于物料区的库位中。2 区为空板区，库位号为21 至40，用于存放零件加工后所留下的空板。

图2 堆垛机示意图

电气控制系统是堆垛机及输送带的中枢，是实现立体仓库出入动作的核心单元。其硬件系统包括PLC、输入输出设备、RFID 设备、执行设备、驱动装置等组成，一方面实现对堆垛机和输送带的控制操作，另一方面通过网络可方便地读写RFID 单元中电子标签数据。除此之外，控制系统还需要控制各种控制开关、行程开关、光电开关和上位机组态单元。控制柜元器件布置如图3。

图3 柜体布置图

1.2 系统的控制要求

（1）出入库规则：物料板和空板在入库时，按照库位号递增的原则来进行。物料入库时，入库顺序为2→3→…→16→18→…→20，1 号库位作为1#平台的进出库位，17号库位作为2#平台的进出库位（如图1）。空板入库的顺序为21→…→40。物料板和空板出库时，同样以坚持库位递增的顺序来出库。

（2）库位精确定位：确定立体仓库零点，以此为基础，计算每个库位的精确坐标，为伺服电机的运动提供进入库信息和运动参数。

（3）物料动态追踪：采用非接触的方法，动态追踪物料板和空板的运动轨迹，保证机械加工物料的质量。

（4）运行状态实时显示：利用红绿黄三色灯和上位机监控画面，两种方式监视系统的运行状态。

2 控制系统功能的实现

2.1 系统的硬件设计

立体仓库控制系统硬件种类繁多，其硬件组成及连接关系如图4。为了实现立体仓库的控制功能，对系统的各个硬件进行选型并设计。

图4 立体仓库硬件连接图

（1）控制器：PLC 控制器为核心硬件，需要通过网线进行上传和下载数据，采集现场数据进而控制各个运动机构。本系统PLC 由西门子采用西门子紧凑型、模块化的SIMATIC S7 1200 PLC 组成，可完成简单到高级的逻辑控制、HMI 和通信任务[3]。CPU 模块选择1214C,DC/DC/DC，输出为晶体管型，反应速度快，输出端可产生4 路100 kHz 高速脉冲，可同时实现2 轴或3 轴定位控制，用于驱动堆垛机的伺服系统。

（2）伺服电机及驱动器：精确的伺服电机为堆垛机水平和垂直运动提供动力[4]。采用立合信科技M18-B7512-M110伺服电机，其额定转矩为2.39 N·m，额定功率为0.75 kW，额定电流3 A，所用编码器为2 500 线的增量式编码器。垂直运动的伺服电机配永磁失电制动器，制动力矩至少2.39 N·m，工作电压为直流24 V。驱动器采用和伺服电机配套的合信科技E10-B7512-M110 伺服驱动器。两种输入电源，直流电源为24 V、2 A 的输入，交流电源为220 V、3.5 A 的输入，输出3相220 V交流电给伺服电机供电。

（3）直流电机：根据用途和传动方式的不同，结合维护的方便性，本系统选用类型相同功率不同的齿轮减速电机。物料检测平台输送机采用中大力德Z2D15-24GN 的直流电机，减速器为减速比为50∶1的平行轴减速器。堆垛机的伸叉电机选用Z2D10-24GN直流电机。

（4）RFID 设备：考虑到工业现场环境恶劣、干扰性大的特点，为了提高工装板追踪的准确性，RFID单元选用易福门射频识别系统，主要包括电子标签、RFID 读写头以及RFID 估算单元。电子标签安装于工装板底部，与输送机上的读写头相对应[5]。估算单元将读写头传来的电子标签数据通过Profinet 网络与PLC 进行数据交换。根据本控制系统的功能和要求，得到PLC的I/O地址分配表见表1。

表1 立体仓库I/O 地址分配表

（5）PLC 模块：包括CPU 模块和数字量扩展模块，如图5。CPU 为西门子1214C，直流24 V 供电，板载14个输入和10路脉冲输出。其中9路输入分别用来检测伺服系统X 轴、Z 轴以及伸叉的左限位、零位和右限位。4 路外接操作按钮，急停、启动、停止和手自动选择。4 路输出(Q0.0～0.3)分别为伺服驱动器提供控制脉冲和方向，其余输出口为伸叉电机和立体仓库操作的控制输出。数字扩展模块为SM1223，共8 个数字量输入和8 个数字量输出。其中，输入信号为库位及平台物料检测，同时接收伺服驱动器传来的反馈信号。3 个输出驱动绿黄红三色灯，其信号指示系统的运动状态：绿灯表示系统无故障并正在运行；黄灯表示系统处于待机状态；红灯亮系统故障，无法运行。

图5 PLC硬件接线图

2.2 系统的软件设计

立体仓库程序流程设计是以物料出入库作业流程为基础。根据控制系统的功能要求，共设计1个主程序和5 个子程序。主程序放在组织块OB 中，读写RFID单元数据及调用子程序以完成物料追踪及输出控制功能。5 个子程序在功能FC 和功能块FB 中，分别是立库回零、出入库平台程序，库位信息处理程序，堆垛机运动程序以及伺服运动驱动程序[6]，相互调用，共同完成立体仓库的物料入库、物料出库、空板入库和空板出库功能。物料的出入库要实现精准定位，主要是控制伺服电机的运动，通过PLC 对伺服电机发送脉冲信号来实现。将40个仓库的实际距离作为其坐标，如图6。在PLC 软件的工艺对象中，设置X 轴电机每转动一圈需要10 000 个脉冲，电机移动20 mm；Z 轴电机每转动一圈需要10 000 个脉冲，电机移动17.5 mm；允许电机双向旋转。PLC 根据库位的实际坐标位置发出对应的脉冲输，进而实现精确定位。

图6 立体仓库库位分布图

控制系统的流程如图7。PLC 上电后，数据进行初始化操作。如果系统存在故障，则红色指示灯亮，此时立体仓库为故障状态，不执行任何操作。按下启动按钮，主程序开始调用各子程序，完成伺服系统检查和立库回零操作。黄色指示灯亮，系统处于待机状态，可以自动完成物料板入库、物料板出库、空板入库和空板出库操作。

图7 立体仓库控制系统流程图

（1）物料板入库指令：上位机输入有效订单号并下此指令，1#物料平台进行物料检测，确认有料后再将订单号写入电子便签。启动输送机，将物料板送入1号库，1号库位的光电开关检测到物料后，库位信息处理程序完成库位选择并记忆，给出物料入库库位号，堆垛机运动程序完成物料板的出库和入库操作。入库完成后，系统原地处于待机状态。

（2）物料板出库指令：上位机发送指令后，库位信息处理程序计算出库号，堆垛机运动程序控制堆垛机移动至出库库位，完成物料板的出库操作并送至17 号库位完成入库。此时17 号库位的光电开关检测到物料后，便启动2#物料平台输送机，将物料板送至2#平台物料检测处，出库完成，随后物料进入机械加工环节，物料板变为空板。

（3）空板入库指令：上位机发送该指令后，2#物料平台进行物料检测，确认有料后读出电子便签内的订单号。启动输送机，将物料板送入17号库，17号库位检测到空板后，库位信息处理程序完成库位选择并记忆，给出入库库位号，堆垛机运动程序完成空板的出库和入库操作。入库完成后，系统原地处于待机状态。

（4）空板出库指令：上位机发送该指令后，库位信息处理程序计算出库号，堆垛机运动程序控制堆垛机移动至出库库位，完成物料板的出库操作并送至1 号库位完成入库。此时1 号库位检测到空板后，启动1#物料平台输送机，将空板送至1#平台物料检测处，出库完成，待空板装入新的物料后，空板变为物料板。系统在执行上述某种操作时，系统绿色指示灯亮。

2.3 上位机监控功能的实现

立体仓库上位机系统监控主要用于库位信息显示、运动参数显示以及库位操作，如图8。库位信息实时显示物料库及空板库的使用情况，对于已用库位来说，给出了物料的订单号。运动参数显示分别从伺服电机的运动量及出入库流程给出。用户可以选择物料入库、物料出库、空板入库和空板出库，从而完成相应的库位操作。立体仓库的运行状态通过运行、待机及报警指示灯进行检测。操作“追溯管理”，可显示物料板和空板的运动轨迹。

图8 立体仓库监控主画面

3 结语

经过现场测试，智能化立体仓库完成了物料板和空板的自动出入库功能，实现了物料的动态追踪功能，降低了物料的报废率，达到了堆垛机对40个库位的精确定位，完成了预期功能。立体仓库智能控制系统系统设计合理，结构清晰，功能可靠，具有智能化、便捷化的特点，可以方便接入工业机器人及数控加工系统，为今后智能制造领域提供优质可靠的物料供应。