基于PLC的智能立体仓库控制系统设计.pdf

第39卷第5期2023年10月山西大同大学学报（自然科学版）Journal of Shanxi Datong University(Natural Science Edition)Vol.39 No.5Oct.2023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）摘要：立体仓库系统是智能制造的重要环节。在分析物料出入库作业流程的基础上，设计了以堆垛机为核心的2区4行5列共40个库位的智能立体仓库。该系统以西门子S1200作为主控制器，采用伺服电机实现堆垛机的上下及左右运动，由直流电机控制伸叉完成物料的出入库动作。利用射频识别技术，实现对库位物料的动态追踪。此外，用户可以通过监控画面来控制系统的出入库动作，实时显示系统的立体仓库运行状态和运行时间。实际运行效果表明，该立体仓库极大地缩短了智能制造过程中物料传送时间，减低了物料报废率，提高了系统的智能化水平。关键词：立体仓库；堆垛机；射频识别；可编程逻辑控制器中图分类号：TP23文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1674-0874.2023.05.026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。空板库堆垛机物料库2#平台1#平台库位1库位17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。收稿日期：2022-04-16基金项目：山西省高等学校科技创新项目2020L0574；运城学院校级科研项目CY-2019023作者简介：李强（1983-），山西芮城人，硕士，讲师，研究方向：电工电子技术及工业自动化技术应用。E-mail：文章编号：1674-0874（2023）05-0116-052023年图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。QF1QF2QF3直流电源CPU1214CRFID单元交换机KA1-KA6伺服驱动器1伺服驱动器2端子排图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 23161820，1 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2140。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。可编程逻辑控制器PLC交换机上位机估算单元X 轴伺服驱动器Z 轴伺服驱动器X轴伺服电机Z轴伺服电机含制动器伸 叉直流电机2#平台直流电机1#平台直流电机读写头1电子标签读写头2电子标签物料输送机堆垛机RFID单元1#物料检测2#物料检测库位1检测库位17检测伸叉零点检测伸叉左限位开关伸叉右限位开关红灯(报警）黄灯(暂停)绿灯(运行)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 Nm，额定功率为0.75 kW，额定电流3 A，所用编码器为2500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 Nm，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。电子标签安装于李强：基于PLC的智能立体仓库控制系统设计117山西大同大学学报(自然科学版)2023年工装板底部，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地址分配表输入I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4功能X轴左限位X轴零点X轴右限位Z轴上限位Z轴零点Z轴下限位伸叉左限位伸叉零点伸叉右限位急停启动停止手自动输入I1.5I2.0I2.1I2.2I2.3I2.4I2.5I2.6功能1库位检测1#平台物料检测17库位检测2#平台物料检测X轴伺服准备好Z轴伺服准备好X轴报警输出Z轴报警输出输出Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1Q2.2Q2.3Q2.4功能X轴脉冲X轴方向Z轴脉冲Z轴方向伸叉电机左转伸叉电机右转1#平台出料1#平台入料2#平台出料2#平台入料绿灯黄灯红灯（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(Q0.00.3)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。CPU 1214C DC/DC/DCX轴左限位X轴零点X轴右限位Z轴左限位Z轴零点Z轴右限位伸叉左限位伸叉零点伸叉右限位急停启动停止手自动1库位检测1#平台物料检测17库位检测2#平台物料检测.0.1.2.3.4.5.6.7.0.1.2.3.4.5X轴伺服准备好X轴报警输出Z轴伺服准备好Z轴报警输出L+.0.1.2.3.4.5.6.0.1.2.3.4.5.6.7DI0DI1DI2.0.1SM12233L+M.1.2.3.4.5.6DQ2.0DQ0DQ1X轴脉冲X轴方向Z轴脉冲Z轴方向伸叉电机左转伸叉电机右转1#平台出料1#平台入料2#平台出料2#平台入料绿灯黄灯红灯图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1182023年定位，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。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。（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。立库待机1为原料入库3为空板入库2为原料出库4为空板出库原料工装板入库空工装板入库1#平台原料检测2#平台空板检测登记MES-PLC订单号RFID1模块执行写操作1#平台输送带正转,原料送入1#库延时2秒,1#输送带停止RFID2模块执行读操作置位2#平台输送带正转,空板送入17#库延时2秒,2#输送带停止出库准备出库操作入库操作YNYNYNYNYNN伸叉在零点入库号与出库号有效入库完成Y图7 立体仓库控制系统流程图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(a)物料板库位坐标(b)空板库位坐标图6 立体仓库库位分布图李强：基于PLC的智能立体仓库控制系统设计119山西大同大学学报(自然科学版)2023年位来说，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。参考文献1 杨莎.面向立体仓储系统的堆垛机建模仿真与寻址算法研究 D.西安：长安大学，2012.2 闫磊，王萌，李任鹏.基于S7-1200PLC的小型立体仓库控制系统设计J.制造业自动化，2020，42（11）：11-13.3 杨利，陈柳松，谢永超.基于PLC和工业机器人的智能仓库系统设计 J.自动化技术与应用，2021，40（7）：72-75.4 赵继红，王艳鹏，王振亚，等.基于PLC立体仓库智能控制系统的设计与实现 J.工业控制计算机，2021，34（7）：157-159.5 龚雄文.基于RFID的立体仓库实训装置 J.科技信息，2010（21）：102.6 李虹静.基于S7-1200 PLC的伺服电机运动控制系统设计 J.机电信息，2019（29）：125-126.Design of Intelligent Three-dimensional Warehouse Control System Based on PLCLI Qiang(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Yuncheng University,Yuncheng Shanxi,044000)Abstract:Three-dimensional warehouse system takes an important part in intelligent manufacturing field.Based on the analysis of the operation flow on material in the warehouse,this paper designs a three-dimensional warehouse with two areas,four rowsand five columns,with a total of 40 locations in the warehouse.The system takes Siemens S1200 as the controller,uses servo motor to achieve different movements of the stacker in horizontal and vertical level,and uses DC motor to control the fork to completethe movements of the stacker.RFID technology is properly implemented to realize the dynamic tracking of warehouse location materials.In addition,the user can control the warehouse in and out action of the system through the monitoring screen,and displaythe running state and running time of the three-dimensional warehouse of the system in real time.The actual operation results showthat the three-dimensional warehouse greatly shortens the time of material transmission in the process of intelligent manufacturing,reduces the scrap rate of materials,and improves the intelligent level of the system.Key words:warehouse;stacker;RFID;PLC责任编辑 王东120