基于PLC的工业自动化立体仓库控制系统设计

冉玉梅

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)

随着信息化技术的发展，我国工业和建筑行业等都逐渐由传统模式转变为应用机械设备的智能化模式，可以大大提高生产工作效率，为个人、企业带来便利。除了生产过程的自动化外，还应当发展管理的自动化，例如自动化立体仓库的研究和建设。PLC相较于其它的单片机，具有强大的功能和过硬的质量，因此可以将其作为仓库控制系统的基础。

1 自动化立体仓库简介

自动化立体仓库指的就是在没有人员管理的情况下，可以自主进行货物储存和取出工作的现代化仓库，它的运作模式类似于自动贩卖机，内部设置层层叠叠的货架，并对相应的隔间位置作出编号，将物料置于其中，然后通过控制系统进行自动化管理[1]。它主要由四个部分组成：

1.1 储存设备

储存设备指的就是用于存放货物的货架，它分为两种，一种是放置在仓库中、没有与仓库墙体等连接的货架，它们能够取出或者方便地进行转移，而另一种是与仓库建筑物墙体、屋顶等相连的货架，它还起到支撑建筑结构的作用，并且造价较低。

1.2 货物存取设备

它指的是货架之间的巷道上架设的能够水平或者垂直移动的堆垛机，它们能够完成货物的装载工作，执行货物存取任务。

1.3 输送设备

它指的是将货物运送到存取设备所能接触到的范围外的设备，大多为传送带等装置，可以连接货物存取设备与其它货物运输装置。

1.4 控制系统

控制系统指的就是统计并记录仓库中各类型货物的种类、数量和存放位置，并将各个部分进行有机连接的装置，过去在不完全自动化的仓库中，控制系统往往会采用几台计算机，成本较高，但如今可以使用PLC作为控制系统的基础，在保证功能完整的前提下还能大大减少生产成本[2]。

2 PLC特性介绍

2.1 起源与发展

PLC控制系统诞生于二十世纪六十年代，彼时监测控制系统已经初具规模，但是还没有人创造性地提出将PLC应用于工业自动化立体仓库控制系统的设计。当时它是一种即时系统，专为工业生产而诞生，其结构类似微电脑，具备角比较基础的部件，但又与电脑存在很大差异。

此后汽车制造业率先引入PLC控制系统，提高了汽车的性能，为汽车制造业带来福音。它在之后数年内得到了飞速发展，当时世界范围PLC控制器的数量以每年20%～30%的速率增长，市场之巨大令人咋舌。近年来，其在发达国家的市场趋近饱和，因而增长速度大大减缓，但在以我国为代表的发展中国家仍然保持着迅猛的增长势头，近年来智能化与自动化概 念深入人心，许多行业都发生了重大变革，于是有人创设性地提出自动监控系统构想，其中自动化立体仓库控制系统设计乃是十分重要的一种。

2.2 组成结构

它的组成结构与计算机类似，具有CPU、存储器等，并且具备接受和输出数据的功能，但是又区别于计算机，因为它不具备1/0设备，并且体积远远小于计算机。简单说来，PLC本身就是一块智能化芯片，它自己同时也是一个小型的数据处理系统，能够高速地对所获得的数据进行分析处理[3]。需要注意的是，“小型”数据处理系统指的是其功能不如计算机完善，只能承担一部分工作，而不是其体积较小。

2.3 特点与优势

2.3.1 抗干扰能力强

许多设备都是使用电波进行信息的传递，而波在传播过程中会发生相互作用，从而产生干扰，尤其是同频率的波。但PLC芯片不存在这种顾虑，它可以在复杂环境中正常工作。

2.3.2 配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，经历了数十年的的漫长进化过程，为了满足不同行业消费者的需求，它已经形成了一系列不同尺寸，小到建筑工地的大型器械和电厂中的发电设备，小到电子手表，都能够有与之对应的芯片。并且经历多年发展，PLC的功能愈发强大和完善，如今它已经能够在很短时间内处理庞大的数据，在数控领域发挥了巨大作用，经过调整后也可用于仓库的监测控制系统。

2.3.3 界面简洁，容易学会

PLC的适用人群十分广泛，由于它的界面简洁易懂，没有过多赘余的功能，许多不具备专业IT知识或是只有一点基础的人也能够使用，并且它的编程语言相较于其它同类型产品而言算是十分简单，能够为广大工程师接受。

2.3.4 设计容易，维护方便

PLC采用的是存储逻辑，这就意味着相比起使用布线逻辑的产品，它的设计步骤要简洁得多，设计和建造所需时间也十分短暂，并且控制系统装置外部很少出现线路，维护工作也轻松不少[4]。更重要的是，它有可能通过改变同一装置来改变生产过程。

3 设计基于PLC的工业自动化立体仓库控制系统的设计要求

3.1 确保满足控制需求

使PLC芯片的能力充分发挥出来，尽可能地满足在进行控制设计的要求，这是设计PLC控制系统的最重要的原则。这就需要设计人在设计控制系统前就要去现场进行分析和研究，并且多多研读相关著作和论文，了解用户需求。例如，根据工业自动化立体仓库中所贮存的物资的不同，该系统需要监测的参数也不同，例如存放化学药剂的除了常规参数检测外，还需要监测光照，有些物质如硝酸在光照条件下容易分解，还有些容易挥发，另外有些物质受到光照甚至会引发爆炸，带来巨大的危险。而存放精密仪器的仓库则需要对空气中的粉尘进行监测，要知道，许多较为精细的仪器中一旦进入灰尘，其功能和稳定性将会大打折扣，一些传感器会因为接触面布满灰尘而降低灵敏度，甚至无法感知信息。

3.2 确保PLC控制系统可靠性

在设计的时候，必须确保该系统可以稳定且安全地长在很长一段时间内不出现任何问题地运转和操作，它必须具备强大的稳定性和可靠性，保证不会出现判断失误和决策失误，导致仓库中的物品受到损伤，从而带来巨大的经济损失，或是由于监管不力而导致爆炸、火灾等的发生，这也是在设计所有控制系统时需要遵守的最重要的原则之一。

3.3 力求设计简单方便，后期维护容易

在满足控制要求的前提下，在设计系统时要注意将生产成本和获得的效益相结合。也就是说在设计时要充分考虑成本价格的高低，在满足要求的前提下将控制系统变得简洁明了、较为经济，而且要尽量使系统的操作简单化，毕竟想要实现工业自动化立体仓库的普及，就一定需要广大基层工人群体的参与，而我国很大一部分基层工人并没有很高的知识水平，过于复杂的系统不会被他们接受，他们也不需要某些看似华丽实则无用的功能，因此设计师不能盲目地增添系统功能，要以简洁实用为主。

3.4 适应社会发展需要

随着社会的发展和技术的进步，人们的需求在不断的提升，对于控制系统的要求也将越来越高，例如需要它能够具备互动功能，向操作员汇报系统运转情况，或是除了采集仓库及其周围环境的温度湿度等信息外还要具备一定的数据分析和处理功能，还要能够应对突发事件，分析当下环境并作出最优选择，力求将损失降到最低，在设计系统时也要考虑到未来控制系统的进展和人们的需要。

4 基于PLC的工业自动化立体仓库控制系统设计

4.1 控制系统结构

图1 控制系统网络结构

如图1控制系统的结构示意图，该系统主要是由上位机、下位机PLC、现场设备和电机构成。

4.2 上位机和下位机的含义及作用

上位机指的就是能够显示仓库中各类信息参数变化并且发出操控命令的计算机，下位机接收它的命令，直接操控设备，并采集数据、将其反馈给上位机，使之能够对设备进行监测，从而做出最优选择。之前大多采用电子计算机，但如今使用PLC便足够完成各项工作，并且可以减小设备造价。

4.3 现场设备

现场设备指的是直接进行工作的设备，在不同的系统中，现场设备也存在差异，而在本控制系统中，它指的是包括开关、运转指示灯等的一些设备。

4.4 电机

电机就是实现电能与其他形式的能量转化的装置，在本系统中，电机将电能转化为机械能，用于对货物做功，使之产生位移，也就是为设备的存取工作提供能量。

4.5 I/O地址分配

表1 I/O地址分配表

如表1，本系统的I/O地址分配表可以直接按照表中进行设计。

4.6 控制程序流程

首先，当控制程序启动后，应当自动监测整个系统中硬件是否出现故障，若有，则必须启动自动报警功能，并切断存取设备和运送设备的电源，使其紧急停止，然后进行故障深入检测和处理。若未发现异常，则需要监测需要移动的货物附近是否有空闲的堆垛机和货架，并智能化地调取最近的堆垛机进行工作，入库时要选择大小、距离合理的位置存放货物，出库时则要选择距离最近的出口，节省电能的损耗。另外，当货物数量或是位置等出现变动时，系统需要自动采集数据并进行记录。

此外，每隔一段时间，控制系统都应当自主进行仓库的环境监测，并根据所储存货物的特点进行数据分析，若是当前环境不利于货物贮存，则需要立即采取措施，例如当环境过于干燥可能引起某些材料干裂时，要及时喷洒水分；当环境过于潮湿容易引发货物氧化受潮等时，需要自动进行除湿工作。若光照强度太高，则需要自动使用帘子等遮盖货物，遇到机器无法解决的问题时，还应当及时反馈给管理人员，由人工进行紧急处理。

5 结束语

随着经济和科技的不断发展，各行各业的自动化程度必然会逐步提升，人类将会从繁重的劳动中解放出来，只需管理不同的控制系统。若是能够实现仓库管理的自动化，则能够避免许多人工监管中出现的错误和问题，并减少储存过程中仓库物资的损坏，必定会提升管理工作的效率，为我国工业水平的提升和综合国力的增强贡献一份力量。