基于组态王和PLC小型立体仓库的设计研究

谭猛

摘   要：小型立体仓库改变了以往仓储模式，实现仓库自动化控制，并在仓储行业得到越来越多的应用。结合组态王和PLC控制系统设计一种新的小型立体仓库方案，从组态设计及PLC系统设计两方面进行展开，构建更高效的仓库控制系统，提升立体仓库应用便捷性和灵活性，以期能够提高仓库自动化水平，节约更多的人力、物力，推动小型立体仓库进一步发展、普及。

关键词：组态王;可编程逻辑控制器;小型立体仓库

小型立体仓库能够在自动控制的状态下，完成存储、出库、统计等一系列仓储活动，将仓储物流与计算机、网络及自动控制系统相结合，带来一种更加高效的管理方式。立体仓库的出入库能力较强，能够明显提高仓储空间利用率，进而节约仓储成本，防止资金积压。如上功能的实现需要建立在高质量控制系统的基础上，因此有必要将组态王和可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）融入其中，优化小型立体仓库设计。

1    基于组态王的小型立体仓库设计

1.1  模拟功能

设计方案以组态王为组态软件，在此环境下完成对上位机的设计。选用该软件的主要原因是系统界面为全中文、人机交互性优良、操作过程简单、各项控制参数的修改和调整相对灵活。通过观察参数调整后系统变动曲线即可找出其变化趋势，有利于控制系统设计实验的开展。

利用组态王软件对小型立体仓库的原理及工作流程进行设计。系统包括以下元件：（1）操作按键。带有英文字母标识的按键对应仓库巷道，用于控制堆垛机的运行路线。带有数字标识的按键对应货架层数，用于控制升降台的运行路线。另有启停控制按钮，控制整个系统的开闭。（2）电动机。系统中包括3台电动机，分别用于堆垛机、传送带和升降台的控制。可利用控制按钮调整电动机的运行状态，使堆垛机、传送带和升降台相互配合，将货物运送至指定位置。（3）堆垛机。堆垛机是小型立体仓库中的关键设备，具备手动控制、自动控制和半自动控制功能，负责货物的平面运输，其结构主要包括机架、提升构件、移动构件、货叉、控制系统、载物台等[1]。堆垛机选型是立体仓库设计的重点工作，常见的堆垛机形式包括双轨巷道式、单立柱式、单轨巷道式等，需结合仓储特点进行选择。在参数设定上，结合仓储流量，推算堆垛机的理论运行速度和提升速度。（4）传送系统。传送系统负责货物位置移动，小型立体仓库的传送系统包括升降台、提升机、链条输送机等，同样需依照仓储流量设定速度参数。（5）货架。货架设计在一定程度上决定了仓库空间的可利用率，自动化仓库常用横梁式货架和框架式货架，一般需根据仓储货物的外观、尺寸及质量进行选择。

在本研究的设计中，传动系统包括堆垛机、传送带和升降台，由相应电动机控制。传送带带动升降台进行水平移动，升降台再将货物运送至相应的垂直高度，并选用框架式货架，利用托盘将货物运送到指定位置。

1.2  监控功能

1.2.1  框架设计

小型立体仓库组态界面被分为两个区域，即按键区和显示区考虑到人机交互的便捷性，将按键区设计在显示区下方。按键区除对应巷道及库位的按钮及启停按键外，还设有各类指示灯，包括运行指示、空闲指示、报警指示灯。指示灯设计可结合小型立体仓库的仓储物流需求进行，若仓库功能较为简单且仓储活动密度较低，可选择忽略[2]。界面提供上下、左右、前后动作操控，可对运输系统设备进行控制。

报警指示灯给出报警提示，当小型立体仓库的仓储活动发生问题或系统中设备出现异常时，提示现场操作人员对故障点及异常点进行检查并处理，以免给仓库造成额外损失。本设计方案添加了开关量报警模塊，当系统发生相应问题时，自动给出报警提示和相关信息，可在交互界面观察到报警指示灯闪烁并有提示窗口弹出。此时，系统数据库自动记录报警时的状态数据，若具体参数已达到事先设定的临界值，自动作出停机处理，对组态进行保护。

1.2.2  具体应用

对组态王监控功能的使用方法进行介绍。首先，新建小型立体仓库工程，新建设计界面并进入开发系统，使用各类工具绘制小型立体仓库的组态结构。其次，进入数据库词典，编辑变量，如A存、A取、1存、1取等。变量需对应小型立体仓库设计要求，并设置初始坐标。再次，进行画面设计，选取所需图形，并与变量相连。例如在界面点击货物图标，自动弹出图形连接对话框，选取所需变量并确认，完成连接操作。最后，编辑命令语言。命令语言编辑是组态模拟的关键步骤，在命令语言对话框中建立事件命令。本方案命令语言描述为以下流程：点击巷道及库位案件，升降台达到指定位置，提升完成取货任务。将货物移动至传送带并回到初始位置。点击存货按键和启动按键，传送带和升降台水平移动，到达指定位置后将货物提升至存放点。

1.3  数据库搭建

数据库也是组态王软件的核心结构之一，通过数据库将上位机及下位机相连，实现组态王与PLC系统的配合与联动。小型立体仓库现场工况以视频形式呈现在监视屏中，在操作人员通过计算机系统下达具体动作指令后，指令信息必须在最短的时间内传输至仓储现场，以上过程均需要依托功能优良的数据库系统。数据库的搭建核心工作为对数据变量的定义，包括数据量的名称、型号、初始值和限定范围等。

2    下位机设计

2.1  PLC选型

2.1.1  电压设计

PLC系统的电压需根据供电系统电压确定，通常情况下应避免从动力电源直接取电，可使用隔离变压器将电源系统划分为动力电源和控制电源两部分，安装滤波器，做好抗干扰工作。本研究设计的PLC系统使用24 V直流电压。

2.1.2  点数选择

点数选择指的是整个控制系统中所需要的PLC输入及输出点数的确定。若为改进方案，可依照事先设计好的数量进行选取;若为首次设计，为确保点数足够，可适当预留[3]。本次设计通过计算，决定设计输入点数36个，输出点数17个。

2.1.3  触点类型

输出触点类型一般选取继电器或晶体管，具体如何选择需要考虑执行系统电源的电压大小及功率情况。若系统存在高压脉冲需求，当输出控制步进电机或进行系统辅助时，必须选取晶体管。本研究的设计也选择该类型的输出触点。

2.1.4  PLC选型

小型立体仓库中常用的S7类PLC具备体积小、轻便、标准化程度高、通信性能强等优势。在该类PLC中，因功能、性能上的差异被分为S7-200、S7-300、S7-400等型号。这些型号的PLC自带高速脉冲输出端，可较好地配合步进电机的应用。结合小型立体仓库控制需求，本研究选取S7-200型号PLC。S7-200型号PLC在可扩展性及灵活性上存在优势，若在实际应用中需要添加输入/输出（Input/Output，I/O），利用扩展模块即可完成，避免了更换机型的麻烦，有利于减少后期升级投入。设计方案中输入及输出点共计53个，因此要求PLC的I/O点至少为53个。

2.2  步进电机选型

步进电机又称脉冲电动机，作用是将电脉冲信号转化为角位移或线位移，且这种转换不涉及电动机的变换。步进电机的位移量与脉动信号之间呈现正比例关系，且这一关系不受电压、负载等情况的影响。另外，步进电机每个旋转周期对应固定的步数，在正常情况下电机出现的误差不会被积累扩大。此外，步进电机具备优良的控制能力，例如在开环系统中，可对较大范围内的脉冲频率进行调整，以控制电机转速。

2.2.1  电机选型

基于组态王及PLC的小型立体仓库设计中，步进电机的选择应通过计算找出最佳的步进电机类型，然后再选取适合的型号。小型立体仓库中使用的步进电机应具备电压、电流低的特点，并存在定位转矩，由螺旋结构进行安装固定。若为首次设计，步进电机应进行2倍预留。综上，决定选用2相8拍步进电机。该步进电机体积小、运行频率较高，具体型号为42BYGH1O1，额定转矩0.44 N·M，总重0.24 kg，以24 V电压驱动。

2.2.2  组件选型

（1）驱动器。选用SH驱动器，其结构包括电源输入模块、信号输入和输出模块。微型驱动器的供电电压一般在24～40 V，本设计的PLC系统要求使用开关式稳压电源，因此将仓库电源设计为开关式稳压电源。驱动器的具体型号为2H057，主体结构为铸铝材质，密封性好，适用于小型驱动器。由于驱动器本身未设置风机，需要依靠外壳进行散热，因此在安装时，需要将驱动器固定在壁厚较大的金属机柜上，并在接触面涂刷硅脂，方便散热[4]。结合小型立体仓库的设置地点，可选择额外安装风机辅助散热。（2）微动开关。微动开关设置数量对应小型立体仓库仓位，当发生货物运输活动时，相应的微动开关作出反应。为保证系统稳定性，在X轴左限位及Y轴下限位增设微动开关用作位置保护，避免在仓储使用过程中因程序问题导致其遭到破坏。（3）传感器。选用接插件式传感器，设置变调光，以免外界光对系统造成干扰。传感器自带指示灯，以便直观确认动作。传感器回路中包括3根接线，分别接入电源正负极及信号输出，为保证传感器的灵敏性，检测距离不应过短。

2.3  流程设计

以某货物存放为例，对PLC控制的仓库自动化流程设计进行介绍。

（1）检测系统对货物进行检测，若合格，将货物运输至仓库自动化系统起始点。（2）托盘提取货物，并设计2～3 s时滞，确定货物是否存放牢固，结合传送系统将货物提升至指定位置。系统检测货物达到X、Y方向的限位开关，自动关闭电动机。（3）系统根据仓库仓储信息，判断该位置是否为空闲状态，若非空闲，再次寻找目标位置;若空闲，则将货物存放至该地点。（4）放置货物的过程中同样设计2～3 s时滞，确保货物放置平稳后再撤除托盘。（5）Z轴方向气缸收缩，触碰到该方向限位开关后，停止运动。（6）X、Y两方向电动机向原点运动，触碰到本方向限位开关后停止运动。系统回到初始状态，准备下一次运输任务。

3    结语

本研究给出一种结合组态王软件及PLC系统的小型立体仓库设计方案。基于该设计，小型立体仓库能够实现远程控制和实时监管。该控制系统具备性能稳定、扩展灵活、人机交互良好等特点，值得在小型立体仓库设计中大面积推广。实际工作中，相关人员应充分分析小型立体仓库物流仓储需求，明确流量、密度等信息，对控制系统及相关设备做合理化选型，在满足良好控制功能的基础上，提高小型立体仓库运行经济性。

[参考文献]

[1]李  凯.基于PLC的自动立体仓库设计研究[J].信息系统工程，2018（11）：107.

[2]戴花林.基于PLC的小型立体仓库系统自控设计[J].电脑迷，2018，115（12）：176-177.

[3]谭  涛.基于PLC的立体仓库AGV控制系统设计和研究[D].汉中：陕西理工學院，2016.

[4]秦中原.基于PLC的自动化立体仓库系统设计要点[J].智能城市，2016，2（4）：135.