基于PLC的智能仓储控制系统设计.pdf

基于 PLC 的智能仓储控制系统设计 徐新 江汉大学 物理与信息工程学院 湖北武汉430056 摘要 智能仓储是物流与供应链系统中的重要节点和调控中心 是自动化技术在物流管理上的一 个很好的应用 自动化立体仓库主要由货物储存 货物存取和传送 控制和管理三大系统组成 是机械 和电气 强电控制和弱电控制相结合的产物 针对场地面积有限的问题 将储存系统设计成可收缩移动 式立体货架 从而实现空间的充分利用 在此基础上 应用智能控制理论来管理 控制以及监视现场货 物的存取和运行 达到存储空间的节省和货物搬运的节能高效 最终使仓储系统功能达到最优化 关键词 智能仓储 可移动货架 可编程控制器 自动化 中图分类号 TP273文献标志码 A文章编号 1673 0143 2010 03 0041 04 现代物流业的发展离不开现代化的仓储 现 代仓储的发展也必然会推动现代物流的发展 仓 储是物流与供应链系统中的重要节点和调控中 心 1 计算机技术的飞速发展 为现代企业的物 流管理提供了重要的技术支持 自动化仓储就是 自动化技术在物流管理上的一个很好的应用 现代化仓储经历了人工仓储 机械化仓储 自动化仓储 集成化仓储等几个阶段 目前正向 智能自动化仓储方向发展 自动化立体仓库主要 由货物储存 货物存取和传送 控制和管理三大 系统组成 是机械和电气 强电控制和弱电控制 相结合的产物 是结合存储方便化 传输机械 化 控制自动化和管理协调化为一体的现代化物 流系统中的调控枢纽 本文根据自动化立体仓库 的结构特点 提出一种基于可移动货架对货物进 行存储的节能型自动化控制系统 1智能仓储的构成 自动化仓储中 货物储存系统由多层立体货 架构成 机械结构分为分离式 整体式和柜式三 种 按货架形式分为单元货架 重力货架 活动 货架和拣选货架等 货物存取和传送系统主要实 现货物的存取和出入仓库 包括有轨或无轨堆垛 机 出入库输送机和装卸机械等设备 控制和管 理系统是自动化仓储的控制中心 沟通并协调管 理计算机 堆垛机和出入库输送机等构成元件间 的联系 控制和监视整个自动化立体仓库的运行 1 1 货物存储系统 在传统仓库中 货架一般都是固定不动的 为了方便货物的存取 在每排货架与货架之间都 留出巷道供堆垛机存取货物 使空间的有效利用 面积大大降低 为了解决这一问题 可将立体仓 库设计成伸缩式可移动货架系统 由交流电机驱 动货架在指定的轨道上移动 并只留出一条巷道 供堆垛机存取货物 需要在哪一排货架上进行存 取货物 只需移动并展开相应的货架即可 由于 运输通道的减少和货架的可收缩性 可以有效节 约场地空间 减小仓库内运输时间和增加取货的 精确度 从而实现货物传输的节能高效 2 本系统设计一个共有三排货架的立体仓库模 型 如图 1 所示 三排货架中 一排为固定货 架 其余两排为移动货架 并由行程开关实现移 动货架是否运行到位的判断 另外 每个货架上 有 4 4 共 16 个仓位 仓位上装有微动开关 用来判断仓位上是否存有货物 1 2 货物存取和传送系统 自动化仓储系统中 首先由出入库输送机将 货物送到堆垛机下料位置和货物出入库位置 然 后堆垛机将货物运送到货架巷道内预先确定的仓 储位置 仓位 最后装卸机械承担货物出入库 装车或卸车的工作 堆垛机都是基于地面轨道而 进行工作的 因此 在进行货物的入库或出库的 收稿日期 2010 05 27 基金项目 湖北省教育厅科研计划指导性项目 B20083405 作者简介 徐新 1955 女 黑龙江哈尔滨人 副教授 主要从事自动化控制研究 第38卷 第3期 2010年9月 江汉大学学报 自然科学版 Journal of Jianghan University Natural Sciences Vol 38 No 3 Sep 2010 42江汉大学学报 自然科学版 总第38卷 存取操作时 货架与货架之间就需留出巷道供堆 垛机行走 这样就降低了仓库的空间利用率 为 了克服这一缺点 在此引入 高空行车 的概 念 将存取货物的 机械手 从高空引入 从而 减少场地中巷道的设置数目 进而节约场地空 间 图 1 所示的自动化立体仓库 分别采用 3 台 交流电机驱动堆垛机在水平面前后左右 4 个方向 的运动 而堆垛机垂直方向的运动由一台直流电 机驱动 堆垛机在各个方向的运动情况均采用光 电传感器进行定位 提供输入信号 用来识别存 库和出库过程中货架的精确存取位置 从而保证 准确无误地送货和取货 1 3 控制和管理系统 控制和管理系统是整个智能自动化仓储系统 的核心系统 它是整个仓储系统的控制中心 控 制和监视整个自动化立体仓库的运行 通过该系 统可以实现对仓储系统中货物传输系统运行的最 优化控制 从而实现整个智能自动化仓储系统的 节能高效运转 在进行货物存放时 简单地对货物进行分类 同一类货物置于同一货架上 若货架的仓位不 足 就在相邻的货架上进行存放 总之同类货物 尽量放置在一起 本文设计的立体仓库模型为了 突出节约空间的理念 在不进行货物存放时 货 架都紧密排列在一起 只在进行货物存取时才移 动相应的货架 另外 为了使能耗减小 在存取 货物时应尽量不移动或移动较少数量的货架 存 放货物时采取顺序存放的原则 从小到大 亦即 从下到上 从左至右 依次存放 在取货物时 采取指定货架指定仓位取货的原则 根据具体的操作规则 确定控制算法来找出 最佳的仓位 即在存放货物时 采用时间最短原 则 达到节能高效的目的 根据输送机和堆垛机 的运行方式 提出基于可移动货架的堆垛机运行 控制算法 以货物进仓存储为例 设货物在输送机上的 初始位置坐标为 0 0 0 堆垛机停放的初始位 置坐标为 x0 y0 0 空闲货架位置坐标为 x y h 输送机的传送速率为 v0 堆垛机沿 x 轴水平 移动的速率为 vh1 沿 y 轴水平移动的速率为 vh2 堆垛机的机械手沿 z 轴垂直移动的速率为 vv 则 将货物从初始位置存放至一个空闲货架所需的时 间 T 可表示为 T max T11 T12 T2 T3 T4 max x0 v0 y0 vh2 xx0 vh1 y vh2 h v0 其中 T11为输送机将货物运至堆垛机 x 轴初始 停放位置所需的时间 T12为堆垛机从初始位置 沿 y 轴空载水平移动所需的时间 因此 对每台堆垛机 扫描其可到达的空闲 仓位 计算堆垛机针对每个空闲仓位完成存货所 需要的时间 Ti 并从中选取所需时间最短 T minTi 的空闲仓位 该仓位就被确定为获取的 最终存放位置 结合相应的控制算法和系统需要实现的相关 功能 控制和管理系统具体的实现方案有多种选 择 如继电器控制 单片机控制 PLC Programmable Logic Controller 可编程逻辑控制器 控制等 3 由于自动化仓库集存储 搬运 输送和分发于一 体 整个系统中包含了大量的输入输出信号 为 了使布线简单明了 便于维护 提高系统工作的 可靠性 本文采用基于 PLC 的 CC Link 现场总线 控制方案 2PLC 控制方案的实现 PLC 是以微处理器为基础 综合计算机 自 动控制和通讯技术而发展起来的一种新型工业控 制装置 它具有可靠性高 环境适应性强和使用 方便等优点 已经广泛用于工业过程和位置的自 动控制系统中 4 进一步地 CC Link 现场总线 技术是一种可以同时高速处理和控制信息数据的 现场网络系统 5 它能提供高效一体化的工厂控 制和远程自动化控制 因此基于 CC Link 的 PLC 控制系统将实现智能仓储系统货物的传输与存取 工作的自动化流程 另外 为了使仓储系统更易 于监控 管理 在 CC Link 网络上还添加了人机 界面 触摸屏 使用户可以在设备远端的触摸 屏上实现对立体仓库的操作控制 2 1 PLC 控制系统框图 PLC 控制系统采用三菱的 Q 系列 PLC 来实 图 1自动化立体仓库模型 2010年第3期徐新 基于PLC的智能仓储控制系统设计43 现 整个控制系统主要包括构成 PLC 系统的电 源模块 CPU 模块和输入 输出模块 CC Link 远 程设备模块和触摸屏模块等等 具体的系统框图 如图 2 所示 根据图 2 所示 将仓库中各种控制信号接入 触摸屏 货架和堆垛机及其机械手行程限位信号 接入主站输入模块 各个仓库的位置信号则接入 到 FX2N 32CCL 远程设备模块 而电机输出动作 由主站输出模块控制 各个模块链接到 CC Link 网络后便成为整个网络中的一个从站 最后由 Q 系列 PLC 中的 CC Link 主站模块对这些从站进行 控制 各模块通过 RS 232 进行连接 最终实现 自动化仓储系统的整体协调和统一控制 2 2 PLC 控制系统设计 对于 PLC 控制系统的实现 就是从 PLC 系 统的具体构成模块出发 逐步实现包括电源模 块 CPU 模块和输入 输出模块的 PLC 模块 CC Link远程设备模块和触摸屏模块等的具体配置和 相应功能程序的编制 首先 整合 PLC 控制模块 根据整个仓储系 统的输入输出信号的构成 可以选定具体的 PLC 模块的类型 包括电源模块 CPU 模块和输入 输出模块等子模块 在具体的 PLC 型号选定以 后 由于本自动化仓储控制系统的输入输出信号 均为开关量 且输入较多 共有 63 个输入信号 其中包括 48 个微动开关信号 12 个光电传感器 信号和 3 个行程开关信号 而输出相对较少 为 了对输入信号实现有序的控制 需要对其进行整合 对于输入信号的整合 常用的方法包括分组 输入 矩阵输入 组合输入和输入触点的合并等 多种形式 结合本设计的实际情况 对于 48 个 仓位的开关信号采用 8 6 矩阵输入法 另外 12 个光电传感器信号和 3 个行程开关信号则接到输 入模块上 直接由 CPU 模块读取 无需特殊的 程序调用 其次 设计用户人机界面 为了直观地显示 整个自动化仓储的运行情况 以及使仓储系统在 进行货物存取的同时能得到用户实时的监控 进 而实现有效的管理 这就需要给控制系统配上清 晰可视化的人机界面 这里选择带有一个 CC Link 接口模块的触摸屏为界面显示模块 并将其 作为系统的一个远程设备站 再次 构建 CC Link 网络 为了实现对输入 输出信号的集中控制 将其分别接入 CC Link 网 络中的输入模块或远程设备模块 CC Link 网络 站点的设置包括一个主站 一个远程设备站和一 个触摸屏设备站 各种光电传感器输入信号和行 程开关输入信号均接入主站的输入模块 对电机 的控制信号直接接入主站的输出模块 而所有仓 位的微动开关输入信号接入远程设备模块 触摸 屏上显示的各种控制信号则作为触摸屏从站的输 入信号 在设置好各种信号的端点后就进行 CC Link 网络的参数配置 最终通过主站和各从站之 间的通讯来实现整个自动化仓储的 PLC 硬件控 制系统的设置 最后 编制 PLC 系统控制程序 PLC 系统控 制程序是控制算法思想的具体体现 通过编制 PLC 的控制程序 协调各个电机的工作状态 完 成货物的存取 具体而言 主要包括系统各装置 的初始化 主站和远程设备站上各节点状态的扫 描 以确定输入 输出信号的状态 存取货物过 程的实现可根据输入信号的状态 控制电机而实 现堆垛机运行至最佳仓位 通过这三大步骤控制 程序的具体编制 完成了对仓储系统 PLC 控制 软件系统的实现 通过上述 4 个具体的设定和配置过程 整个 PLC 控制系统就可以运转起来 从而实现对智能 仓储系统中货物存取和传送系统的自动化操作 通过对优化控制算法的实现来控制整个智能自动 化仓储系统的节能高效运转 3结语 本文从节约空间和高效节能的角度出发 提 出了基于可移动货架的自动化仓储控制系统的控 制算法 并将具体控制算法结合相关的硬件设 备 采用 PLC 控制方案完成了最终的智能化立体 仓储系统的设计和运行 实现了自动化仓储系统 智能化 节能化和有效化的功能 在以后的研究 中 需要将更多的控制策略 如货物的上轻下重 存放 货区合理分位等考虑到控制算法中 采用 电 源 模 块 CPU 模 块 CC Link 主站模块 输入模块 QX40 输出模块 QY1 CC Link 远程设备模块 触摸屏 图 2控制系统框图 44江汉大学学报 自然科学版 总第38卷 先进的方法将其进行优化处理 实现算法进一步 的完善和优化 克服货架移动时产生的机械振 动 最终设计出更加节能有效的智能型自动化仓 储系统 参考文献 1 张维君 索世文 牛军 PLC 在自动化立体仓库控制系 统中的应用 J 机械设计与制造 2004 54 2 54 56 2 Reinhard 移动货架大有可为 J 现代制造 2007 6 55 57 3 郭润夏 PLC 在立体仓库自动控制系统中的应用 J 广东自动化与信息工程 2005 26 4 15 17 4 徐菱 劳扬健 王金诺 基于 PLC 的堆垛机控制系统设 计 J 控制与检测 2005 1 72 74 5 王志伟 蒋兆远 基于以太网通信的自动化立体仓库 管理与监控系统 J 中国工程科学 2004 6 6 74 76 Control System Design of Intelligent Warehouse Based on PLC XU Xin School of Physics and Information Engineering Jianghan University Wuhan 430056 Hubei China Abstract Intelligent warehouse is the important part and the control center of logistics and supplychainsystem anditisagoodapplication ofautomationtechnologyforlogisticsmanagement Thecargostoragesystem cargoacessandtransfersystem controlandmanagementsystem constitute the automatic storage and retrieval system which is a pe