基于PLC仓库灯光指引系统的分析

朱晓觅 徐云生　肖宇　李晨

关键词： 灯光指引 PLC LED 指示灯 数字化 PROFINET RS485

中图分类号： U495 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2024）01-0047-04

普通货架在仓储管理中是不可缺少的重要角色，当仓库规模不断扩大，货架数量与物品样式逐渐增多，物品定位成了最大痛点。本研究的主要目的是采用PLC 控制器构建一套灯光指引系统，该系统能对仓库物品进行快速定位并进行灯光指引。通过在仓库工作现场增加智能引导功能，进一步提高仓库物料入库、出库和查询等操作的效率和准确性，确保仓库工作人员能够顺利、高效地执行日常工作［1］。

针对不同的仓库货物存置类型，基于PLC 的仓库灯光指引系统可以根据具体需求进行定制设置。无论是稀疏型还是紧密型仓库，该系统都可以提供准确的指引，帮助工作人员进行定位引导而快速找到目标货物，提高仓库操作的效率和准确性。

1 仓库灯光指引系统的总体设计

本文设计的仓库灯光指引系统，通过人机交换界面确定出库或入库行为。扫码枪扫码获取信息后，确认物品位置，最终系统将数据发送到执行模块，点亮对位货架的货架指示灯和货架层指示灯，实现用户引导功能。该系统的流程如图1 所示。

本文设计3 个模块：人机交互模块、数据处理模块和执行模块。

1.1 人机交互模块

人机交互模块由扫码枪和西门子TP2200 精智面板触摸屏组成，21.5 寸1 600 万色LED 背光，16∶9 宽屏显示，主要用来进行数据操作，执行出库、入库、系统初始化、系统设置和數据可视化等数据传输。整个系统运行于网络中，网络通信采用现场总线PROFINET。人机交互模块采集工作，使用扫码方式实现用户快捷输入条码号；数据封装与数据处理模块进行有限通信，发送获取的数据，将获取的数据在数据处理模块进行校验，并将读取数据处理模块的内容展示在触摸屏上［2］。

1.2 数据处理模块

数据处理模块同时作为上位机，采用多种通信协议与周边设备进行通信，实现对数据收发的控制。数据处理模块由西门子1200PLC 组成，通过现场总线通信协议PROFINET 与人机交互模块进行通信，获取人员操作信息后进行数据处理，引导和分配空余位置。

1.3 执行模块

硬件LED 电路实现系统引导功能，接收数据处理模块发来的指令。执行模块由数个远程IO 模块、LED灯组成，采用分布式IO 连接LED 灯。每个远程IO 模块最大支持32 节的输出模块扩展，接线采用共阴极接线方法控制灯带，执行模块不同颜色分别对应位置作业的不同功能。

2 仓库灯光指引系统的实现方案

2.1 扫码枪接入PROFINET 系统

扫码枪的通信接口多为RS232 通信接口。RS232接口又称COM 口，是标准串口，通常可以直连电脑设备。使用扫码枪时需要串口工具才可以正常输出，如串口调试助手、超级终端等。扫码枪不需要安装驱动，支持指令触发。在该系统中人们通过网关将扫码枪接入PROFINET 系统中，把扫码枪扫描到的条形码信息上传到PN 网络主站，以西门子1200PLC 作为PN 主站，网关PN 侧作为PROFINET IO，网关RS232 侧作为串口从站，用来接收扫码枪上传的条形码信息。

2.1.1 系统连接

西门子1200PLC 通过PN 专用网线与网关PN 接口相连，RS232 接口与扫描枪RS232 口相连。RS232通信线由于扫描枪RS232 引脚定义为2TD3RXD5GND，网关RS232 引脚也为2TD3XD5GND，故扫描枪与网关RS232 之间需要加一条RS232 交叉串口线，确保一头是针与扫描枪相连，另一头是孔与网关RS232口相连。

2.1.2 工程配置-GSD 文件导入

打开博图（当前使用的是博图V16 专业版），点击项目→新建，输入工程名称后创建。

选择网络视图，在右侧硬件目录中选择对应的CPU 型号双击，加入工程。

在选项菜单列选择“安装设备描述文件”。

在网关的官网上下载GSD 文件后选中对应SGD文件。确定文件名、版本没有问题后点击安装，如图2案例所示。

在右侧的硬件目录中选择其他现场设备→ProfinetIO→Gataway→DS CO，Ltd→DS PN Gataway→PNG2-RS232/485，双击加入工程。

2.1.3 添加PROFINET 网络

选中CPU 以太网接口，点击右键添加子网，然后选中PN-G2-RS232“未分配”三个蓝色字，选择PLC_1.PROFINET 接口。

2.1.4 配置可编程控制器侧的PROFINET 通信网络地址

选中PLC，在软件右侧会出现设备视图，在视图内可以看到设备的通信指示，单击选中CPU PROFINET接口，在接口常规里设置以太网地址。

2.1.5 设置PROFINET 通信网络地址

点击设备进入设备视图，单击选PROFINET 接口，在此处进行通信设置即设置，以太网地址（此地址必须与CPU 地址在同一网段内，一般PLC 会自动分配）。

2.1.6 设置RS232/485 接口

点击模块进行属性设置，针对模块参数项，设置RS232/485 波特率、奇偶校验、数据位及停止位，如图3所示。

数据位、校验位、停止位：8 数据位无校验1 停止位，8 数据位偶校验1 停止位，8 数据位奇校验1 停止位等。

模式（Mode）：设置成Slave 时，网关上电进入准备接收状态，适用于网关232/485 接口，接收到请求后响应或网关只接收请求的场景（收发、收收），接扫描枪时需配置成Slave 模式。

PN Offline：设置成RUN 时，当PN 掉线串口232/485 输出仍发送；设置成STOP 时，当PN 掉线串口232/485 输出停止发送。

发送时间间隔：可选100 ms 、200 ms、 400 ms 、600 ms、800 ms 和1s 等。

2.1.7 IO 配置

选中相应的插槽，在右侧的硬件配置选择模块→D→in16 Bytes，双击加入到配置中，同理加入Out16 Bytes。

为PN-G2-RS232 网关分配设备名。PN-G2-RS232/485 网关作为一个PROFINET 从站，在使用时需要给每个从站分配设备名，PROFINET主站以此来对从站进行区分。硬件组态中的设备名必须与PROFINET 从站的名称相同，否则无法正常通信［3］。方法如下所示：首先在PN-G2-RS232/485 的设备视图中，为该模块设置设备名称，也可保持默认名称，这里将该模块命名为pnrs232-gateway（需使用小写字母、数字格式设备名），将设备名下载到网关中，将PC 机通过网线与PN-G2-RS232 网关连接好，并为PC 机分配一个IP 地址。在设备视图中选中网关图标，点击在线/分配设备名称，如图4所示。

在网关设备视图添加输入字节用来接收来自扫描枪的数据，数据长度配置按照扫描枪支持的字节长度自主调整。添加一条16wod，即32Byte 长度的输入。

2.1.8 工程调试

将工程下载到PLC 中，模块的SYS、CFG、RUN 灯均为绿色长亮，代表PN 通信正常。每当扫描枪扫描一次条形码，扫描枪232 口就会向网关232 接口发送一次条形码数据。通过博途软件的监控表监测条形码数据，数据类型需要设置成字符显示，具体如图5 所示。

2.2 单点通信RS232 与多点通信RS485选择

PLC 与远程IO 通信主要是通过串口通信线实现PLC 与远程IO 模块串口功能。因PLC 通信模块可以连接的数量有限，利用串口通信资源最大化实现通信是提高系统性能的关键。在串口通信协议中包含RS232和RS485。

二者通信方式的区别是：在通信距离方面，RS232通信协议最大传输距离为15 m 左右，适用于短距离通信，它的信号强度较大，通信相对较稳定；而RS485 通信协议传输距离可以达到1 200 m，适用于长距离通信。由于采用差分信号传输，RS485 通信能够有效抵抗电磁干扰，具有较好的抗干扰性能。

在连接数量方面，RS232 是点对点通信的，通常只支持两个设备连接。RS485 由于是多点通信，所以RS485 通信可以支持同一总线上多个设备进行连接，且最大可连接32 个设备。

通过上述对通信距离、通信连接数量两个重要参数分析，考虑远程IO 模块通信距离长及最大化串口资源利用率，RS485 总线通信非常适合本系统的使用，能实现一对多的通信，解决距离长、连接数量多等问题。

3 系统的功能设计

本系统舍去了传感器系统，整个系统的数据完全依靠PLC 算法，且系统非常紧凑，维护成本极低。

分析整个系统，每个作业位置有两种数据，分别为是否有货物和货物二维码。在PLC程序内建立一个FC块，用来存放每个作业位置的数据，每16个字节的地址长度作为一個作业位置的数据储存地址。当系统进行初始化（清空所有作业位置内数据，所有灯带红灯闪烁）的时候，释放整个FC块内的数据，所有作业位置为空状态。存放物品的时候经过扫码枪读取二维码数据，从底地址依次向高地址寻找数据为空的地址，然后将读取的二维码数据进行储存，将该地址数据改为满，并将对应编号的货位灯带点亮10 s，指引作业人员存放［4-5］。

当使用者要取出指定物品时，扫描二维码，而系统读取扫描到的二维码后将存放数据的FC 块中所有地址进行对比。对比成功后，将对比找到的地址数据清空，对应的货位存放格灯带点亮10 s，声音系统启动，指引作业人员取出。

4 仓库灯光指引系统设计的目标功能

（1）客户通过人机交互界面或扫码枪进行取、存操作，通过现场总线通信将数据发送到PLC 逻辑控制模块组成的数据处理模块。（2）PLC 逻辑控制模块对数据进行分析，将物品存放在空闲位置，而取出物品时锁定选择物品的位置，将数据通过现场总线通信发送到执行模块，并清除该位置的数据信息。（3）执行模块用来驱动指示灯的变化，通过接收总线数据，驱动灯带，实现指示灯颜色变化、点亮、闪烁和熄灭。（4）根据现场需求设置指示灯的工作模式，例如：可以对指示灯定义为红色指示灯时代表入库功能，绿色灯带对应出库功能等，也可以指流水灯对工作人员进行更精准的指引。

PLC 的仓库灯光指引系统设计的目标功能主要是货物定位指引。这能够提高仓库的作业效率和准确性，降低错误发生概率，从而提升整体的仓库管理水平［6］。

5 结语

本文采用西门子PLC 结合仓储系统应用需求，通过模块化设计，初步开发出了具有实际应用价值的仓库灯光引导系统，改变了传统仓库的灯光模式，让仓库更加智能化。通过指示灯的颜色、点亮、熄灭和闪烁等变化，精准可靠的货位灯光指引功能让工作人员能快速定位并找到货位。这大大提高了工作效率，改善了工作环境。