立体仓库自动仓储控制系统的设计

来源：本站 | 发布日期：2023-03-27

现代信息管理技术的日益完善与高速发展, 使越来越多的企业开始尝试使用现代物流管理[1,2,3,4]。自动化立体仓库作为现代物流系统的枢纽和核心, 是生产物流系统实现物流合理化的关键, 主要包含机械本体和控制系统两部分[5,6,7,8,9]。

笔者研究立体仓库自动仓储控制系统的总体设计、硬件设计及软件设计过程, 基于组态王软件开发了系统的远程监控及管理画面。

1 机械结构设计

自动化立体仓库主要由巷道式堆垛机、立体货架、输送机、计算机、控制柜、激光测距仪、卷扬机、滑轨、光电检测开关等组成, 如图1所示。

每台堆垛机负责左右两侧的货物存取, 单侧立体货架包含5层60列, 每个货格的宽度为1 000 mm, 高度为1 200 mm。堆垛机Y方向上采用卷扬机实现层数的竖直提升与降落, X方向上根据激光测距仪检测进行货架水平位置的实时反馈, Y方向上使用光电开关加认址片的方式进行位置反馈。X、Y方向精确定位存取货的目标位置后, 堆垛机沿Z方向以货架为存放单元实现货物的存、取、移库。

2 控制系统总体设计

2.1 控制系统的组成

系统设计包含控制系统通信结构图设计及可编程序控制器 (PLC) 控制软件架构设计。为了用户直观方便使用, 应设计简单易操作的组态画面, 采用如图2所示的系统通信结构设计。控制软件架构设计包括PLC软件架构搭建、软件控制流程设计及组态监控管理软件设计, 而PLC设计部分是核心内容。由于现场有输送机系统、堆垛机系统, 因此采用上下位机主从控制的两级管理控制结构, 使用S7-300PLC作为堆垛机主控制器, S7-200PLC作为输送机控制器。

▲图1立体仓库整体结构

▲图2控制系统通信结构图

2.2 PLC控制程序架构设计

PLC控制是控制系统核心[10], 电机、检测装置、光电开关等数字量和模拟量的信号首先输入PLC的寄存器中, PLC对各类信号进行转换和计算处理, 进而输出信号控制执行器执行相应动作, 并且实时将关键信息上传到现场控制台上位机, 执行上位机发送的控制指令, 完成对现有设备的实时和自动化控制[11]。

立体仓库控制系统的主要任务是自动化实现入库、出库、移库过程, 控制系统架构的搭建如图3所示。首先将系统任务分解为连贯的单一伺服运动, 为了实现PLC的模块化编程, 需进一步将伺服动作分解成互不重叠的逻辑运动控制模块, 单独的逻辑运动控制模块有助于PLC编程及系统调试, 同时提高了系统的稳定性和可修改性。系统任务的完成可按照用户设定的控制要求, 顺序调用相应的逻辑运动控制模块实现。

▲图3 PLC控制系统架构设计

3 PLC控制系统硬件设计

系统要求如下: (1) 经济实用, 设备适应性强, 可靠性高; (2) 系统具有一定的柔性, 方便现场数据修改, 便于后期维护; (3) 设备自动化控制; (4) 数据采集准确, 生产率高。

根据系统要求, 采用可靠性高的西门子系列PLC, 其中S7-300PLC作为主控制器, S7-200PLC作为从站。主站包括电源模块、中央处理器模块、通信模块和基本输入输出单元。通过系统功能分析与参数计算, 设计如图4所示的输送机硬件设计与如图5所示的堆垛机硬件设计。

4 软件程序设计

4.1控制软件流程设计

立体仓库自动控制系统主要包括三种不同的操作模式:自动控制模式、手动控制模式及半自动控制模式。其中自动控制模式应用最多, 手动控制和半自动控制起辅助配合作用, 实现系统的自动出入库、移库控制, 系统控制流程如图6所示。

4.2 运动控制程序设计

运动控制编程软件采用Micro Win 4.0作为S7-200PLC的编程工具, 配合Step7 5.4作为S7-300PLC的编程工具。考虑到立体仓库使用者需求的多样化, 立体仓库货格参数、数量应具备一定的柔性, 所以编程思路遵循模块化、标准化。当外设发生变化时, 编程者只需要修改相应的输入输出端口, 功能块之间的逻辑调用关系不变, 这样, 程序的架构会保持高度紧凑并且便于调试。

如图3所示, 先编写X方向前进、X方向后退、Y方向上升、Y方向下降、Z方向左入库、Z方向右入库、Z方向左出库、Z方向右出库共八个逻辑运动的控制程序, 并进行控制动作的独立调试, 在入库、出库、移库的控制模块中按照系统结构的顺序调用逻辑运动控制模块。图7截取了出库模块化程序片段, 该程序通过判断可灵活调用逻辑控制模块。

▲图4输送机硬件设计

▲图5堆垛机硬件设计

4.3 组态王上位机软件的实现

根据实际生产需要, 将系统运行情况、采集信息及控制命令进行了集成, 形成了数据显示、系统运行状态显示、堆垛机单独控制、输送机单独控制、输送机与堆垛机联合控制五个模块。组态过程如下: (1) 选择正确的PLC驱动, 参照通信协议设置通信参数; (2) 硬件设备组态配置; (3) 设置输入输出设备有关参数。系统上位机软件界面将实时生产状态显示在人机交互界面上, 监控主界面如图8所示。

▲图6编程软件控制流程

▲图7出库模块化程序片段

组态软件主画面中, 操作者在运行信息输入模块中输入命令的目标位置, 如出库去取货的地址号, 调用后台数据库与PLC程序进行计算, 计算结果会实时刷新并显示在数据库显示信息模块中。堆垛机位置显示模块中实时刷新并记录堆垛机当前位置及目标位置。画面右侧是控制区域, 可以对系统堆垛机、输送机进行单独控制, 也可以对两者进行联动控制。系统的运行状态以指示灯的形式显示在系统运行信息显示模块中。