【正文】 1 基于 西門子 S7 一 200PLC 的立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要 自動化立體倉庫集存儲、搬運、輸送、分發(fā)一體，作為工業(yè)物流與計算機集成制造系統(tǒng) (CIMS)的一部分，代表了當今物流發(fā)展的趨勢。為了對自動化立體倉庫進行更加有效的管理，提高整體作業(yè)效率，要求對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，對貨位進行優(yōu)化分配，以減少貨物搬運和存儲的成本，降低在存儲及搬運過程中所損耗的時間，從而降低物流成本，提高收益。 本文構(gòu)建了一個實驗室規(guī)模的自動化立體倉庫系統(tǒng)，系統(tǒng)是由管理層、監(jiān)控層 和執(zhí)行層組成的二級系統(tǒng)。 在管理系統(tǒng)中，根據(jù)自動化立體倉庫中存放貨品的特點，提出了采用分類隨機存儲和定位存儲相結(jié)合的貨品存儲策略。按照貨品出入庫頻度進行貨位存儲區(qū)域劃分，提高了貨位和存儲區(qū)域的利用率。同時針對因同類貨品集中進行出入庫操作而導(dǎo)致巷道阻塞的問題，在進行貨位分配設(shè)計時采用一種均勻分配算法，結(jié)合電子標簽技術(shù)，實現(xiàn)了貨位的自動均勻分配勺就近出入庫，并運 用 此均勻分配算法實現(xiàn)了批量出入庫作業(yè)和 單件 出入庫作業(yè) 。 執(zhí)行系統(tǒng)由進 /出貨輥道、機械手、堆垛機三個部分組成。研究了整個控制 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與控制原理，進行 了總休功能設(shè)計重點設(shè)計了 PLC 控制的程序模塊，實現(xiàn)了各個單元的單動控制與聯(lián)動的順序控制。同時通過PROFIBUS— DP 現(xiàn)場總線網(wǎng)實現(xiàn) 三 臺 PLC 的連接以及與監(jiān)控系統(tǒng)的通信，接收出入庫指令，完成相應(yīng)的出入庫操作 。 為了確保二級系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運行，管理層與監(jiān)控層的通信實現(xiàn)也是很重要的。采用 OPC 技術(shù)實現(xiàn)了兩者的通信，重點研究了組態(tài)軟件 WinCC 中的通信設(shè)計以及全局腳本的編寫。 本系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試與設(shè)備的運行，各部分功能正常 。系統(tǒng) =級分層之間實現(xiàn)了相應(yīng)的通信，靈活的貨品存儲策略與貨位的自動均勻分配克服了傳統(tǒng)立體倉庫的許 多不足，提高了倉庫貨位利用率和出入庫效率，達到了預(yù)期的效果，不僅保持了系統(tǒng)的靈活性與可靠性，而且提高了整個倉儲系統(tǒng)的自動化水平與工作效率。 2 本課題設(shè)計的背景 立體倉庫一般是指采用幾層、十幾層、乃至幾十層高的貨架儲存單元貨物，用相應(yīng)的物料搬運設(shè)備進行貨物入庫和出庫作業(yè)的倉庫。由于這類倉庫能充分利用空間儲存貨物，故常形象地將其稱為“立體倉庫”。 立體倉庫的產(chǎn)生和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)之后生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。 50年代初，美國出現(xiàn)了采用橋式堆垛起重機的立體倉庫； 50 年代末 60 年代初出現(xiàn)了司機操作 的巷道式堆垛起重機立體倉庫； 1963年美國率先在高架倉庫中采用計算機控制技術(shù)，建立了第一座計算機控制立體倉庫。此后，自動化立體倉庫在美國和歐洲得到迅速發(fā)展，并形成了專門的學(xué)科。 60年代中期，日本開始興建立體倉庫，并且發(fā)展速度越來越快， chengwi當今世界擁有自動化立體倉庫最多的國家之一。 我國對立體倉庫及其物料搬運設(shè)備的研制開始并不晚， 1963年研制成第一臺橋式堆垛起重機（機械部北京起重運輸機械研究所）， 1973 年開始研制我國第一座有計算機控制的自動化立體倉庫（高 15 米，機械部起重所負責），該庫 1980 年 投入運行。到目前為止，我國自動化立體倉庫數(shù)量已超過 200座。立體倉庫由于具有很高的空間利用率、很強的入出庫能力、采用計算機進行控制管理而利于企業(yè)實施現(xiàn)代化管理等特點，已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲技術(shù)，越來越受到企業(yè)的重視。 自動化倉庫應(yīng)用范圍很廣，幾乎遍布所有行業(yè)。在我國，自動化倉庫應(yīng)用的行業(yè)主要有機械、冶金、化工、航空航天、電子、醫(yī)藥、食品加工、煙草、印刷、配送中心、機場、港口等。 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制出世界第一臺可編程控制器，并成功地應(yīng)用在美國（ GM）的生產(chǎn)線上。但當時只能 進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC（ Programmable Logic Controller）。 70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計算機的迅猛發(fā)展，使 PLC從開關(guān)量的邏輯控制擴展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域，真正成為一種電子計算機工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱 PC（ Programmable Controller）。但由于 PC 容易與個人計算機（ Programmable Computer）相混淆，故人們?nèi)粤晳T地用 PLC作為可編程控制器的縮寫。 1985年國際電工委員會（ IEC）對 PLC的定 義如下： 可編程控制器是一種進行數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制器，它采用了可以編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程。 3 PLC是繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，所以它在數(shù)學(xué)處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢。繼電器在控制系統(tǒng)中主要起兩種作用：（ 1）邏輯運算（ 2）弱電控制強電。 PLC是集自動控制技術(shù)，計算機技術(shù)和通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置，已 躍居工業(yè)自動化三大支柱（ PLC、 ROBOT、 CAD/CAM）的首位。可編程控制器，簡稱 PLC。它在集成電路、計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制設(shè)備。具有 高、抗干擾能力強 、安裝容易， .維護工作量少 、通用性好 短，成功率高 ，重量輕、功率低等特點。已經(jīng)廣泛用于自動化控制的各個領(lǐng)域，并已成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱產(chǎn)品。與繼電 —— 接觸器系統(tǒng)相比更可靠；占位空間比繼電 —— 接觸器系統(tǒng) ?。粌r格上能與繼電 —— 接觸器系統(tǒng)競爭；易于在現(xiàn)場變更程序；便于使用、維護、維修；能直接推動電磁閥、接觸器與之 相當?shù)膱?zhí)行機構(gòu)；能向中央執(zhí)行機構(gòu)；能向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。 因此，進行立體倉庫的 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計，可以推動機械手行業(yè)的發(fā)展，擴大 PLC在自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟和理論研究的價值 。 本課題設(shè)計的內(nèi)容 本文研究的主要內(nèi)容包括三個部分 ： 基于電子標簽技術(shù)的倉儲物流管理系統(tǒng) ： 基于西門子 S7一 200PLC的下位執(zhí)行機構(gòu)自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)以及 PLC程序的編制：管理層、監(jiān)控層、控制層三層之間的通信實現(xiàn)。 在管理系統(tǒng)中，研究內(nèi)容涉及到 ： 自動化立體倉庫的出入庫方式、存儲策略及貨位分配原則 ： 根 據(jù)自動化立體倉庫中存放貨品的特點，提出了采用分類隨機存儲和定位存儲相結(jié)合的貨品存儲策略。結(jié)合電子標簽技術(shù)，根據(jù)貨品出入庫頻度劃分貨品的大致存儲區(qū)域 ： 在此基礎(chǔ)上，使用貨位自動均勻分配算法實現(xiàn)貨位的均勻分配與貨品的就近出入庫 。最后根據(jù)此算法實現(xiàn)了批量出入庫作業(yè)和單件出入庫作業(yè)。 在執(zhí)行系統(tǒng)中，研究內(nèi)容涉及到 ： 構(gòu)建一個實驗室規(guī)模的自動化立體倉庫系統(tǒng) 。分析整個控制系統(tǒng)的構(gòu)成以及電氣控制原理，進而對下位執(zhí)行系統(tǒng)進行總體功能設(shè)計，并對各單元 PLC 的控制功能模塊進行了分析 。最后迸行 PLC 程序的編寫，局部調(diào)通之后再將三個部 分整合在一起進行調(diào)試，實現(xiàn)三個單元的順序控制。 在管理層 、監(jiān)控層、控制層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通信實現(xiàn)中主要研究 OPC通訊實現(xiàn)過程中，組態(tài)軟件 WinCC 中的相應(yīng)設(shè)置：監(jiān)控層與控制層的基于現(xiàn)場總線 PROFIBUS 的具體組網(wǎng)通訊實現(xiàn)以及 WinCC中全局腳本的編寫，最終實現(xiàn)管控一體化。 本課題設(shè)計的目的和意義 4 傳統(tǒng)條件下的庫房管理作業(yè)，主要依據(jù)人工裝卸，特別是對于一些大型物資，不僅工作效率低，浪費大量的人力、物力，存在較大的安全隱患，同時還占據(jù)大量的庫房面積。立體庫的投入使用，徹底解決了這一難題。 自動化立體倉 庫可以產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。它通過高層貨架存儲，使存儲區(qū)大幅度地向高空發(fā)展，提高空間利用率 ；自動化立體倉庫采用層積式存放，結(jié)合計算機管理，可以很容易實現(xiàn)先入先出，防止貨物的自然老化、變質(zhì)和損壞；通過自動存取系統(tǒng)（ AS/RS），加快了運行和處理速度，提高了勞動生產(chǎn)率，降低操作人員的勞動強度；采用自動化技術(shù)后，還能較好地適應(yīng)黑暗、低溫、污染、有毒和易爆等特殊場合的物品存儲需要；計算機控制能夠始終準確無誤地對各種信息進行存儲和管理，減少了貨物處理和信息處理過程中的差錯；同時借助于計算機管理還能有效地利用倉 庫存儲能力，便于清點和盤庫，合理減少庫存，加快資金周轉(zhuǎn)，節(jié)約流動資金，從而提高倉庫的管理水平。 自動化倉庫的信息系統(tǒng)可以與企業(yè)的生產(chǎn)信息系統(tǒng)集成，實現(xiàn)企業(yè)信息管理的自動化。同時，由于使用自動化倉庫，促進企業(yè)的科學(xué)管理，減少了浪費，保證均衡生產(chǎn)，也提高了操作人員素質(zhì)和管理人員的水平。 2． 自動化立體倉庫的概述 自動化立體倉庫系統(tǒng) (Autoamted Sotrage And Retireval System,AS/RS)是在 不直接進行人工處理的情況下能自動存儲和取出 物料的系統(tǒng)，它的主體是自動化立體倉庫。自動化立體倉庫是指采用高層立體貨架 (托盤系統(tǒng) )儲存貨物，利用計算機系統(tǒng)進行控制管理，利用自動控制堆垛機及運輸車進行存取作業(yè)的倉庫。 自動化立體倉庫能自動、嚴密、準確、迅速地對物料進行搬運、存取和揀選 。 自動化立體倉庫由以下部分組成： 高層貨架：用于存儲貨物的鋼結(jié)構(gòu)。目前主要有焊接式和組合式貨架兩種基本形式。 托盤（貨箱）：用于承載貨物的器具，亦稱工位器具。 巷道堆垛機：用于自動存取貨物 的設(shè)備，按結(jié)構(gòu)形式分為單立柱和雙立柱兩種基本形式。按服務(wù)方式分為直道、彎道和轉(zhuǎn)移車三種 基本形式。 輸送機系統(tǒng)：立體倉庫的主要外圍設(shè)備，負責將貨物運送到堆垛機或從堆垛機將貨物移走。輸送機種類非常多，常見的有 輥道輸送機，鏈條輸送機，升降臺，分配車，提升機，皮帶機等。 AGV系統(tǒng)：即自動導(dǎo)向小車。根據(jù)其導(dǎo)向方式分為感應(yīng)式導(dǎo)向小車和激光導(dǎo)向小車。 自動控制系統(tǒng)：驅(qū)動自動化立體倉庫系統(tǒng)各設(shè)備的自動控制系統(tǒng)。目前以采用現(xiàn)場 5 總線方式為控制模式為主。 庫存信息管理系統(tǒng)：亦稱中央計算機管理系統(tǒng)。是自動化立體倉庫系統(tǒng)的核心。目前典型的自動化立體倉庫系統(tǒng)均采用大型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（如 ORACLE， SYBASE 等）構(gòu)筑典型的客戶機 /服務(wù)器體系，可以與其他系統(tǒng)（如 ERP系統(tǒng)等）聯(lián)網(wǎng)或集成。 自動化立體倉庫按照不同的分類原則可以有如下幾種不同的分類： 1 按建 筑 形式分類 按建筑形式可以分為整體式和分離式。整體式指貨架除了存儲貨物之外，還可以作為建筑物的支撐結(jié)構(gòu)，即庫房與貨架形成一體化結(jié)構(gòu)。分離式是指儲存貨物的貨架獨立存在，建在建筑物內(nèi)部，主要用于高度不大或者己經(jīng)有建筑物的情況。 2. 按貨架形式分類 （ 1）單元貨格式貨架倉庫。這種形式的倉庫使用最廣， 通用性也較強。其特點是貨架沿倉庫的寬度方向分為若干排，每兩排貨架為一組 ，其間有一條巷道，供堆垛機或其它倉儲機械作業(yè)。每排貨架沿倉庫縱長方向分為若干列，沿垂直方向又分為若干層，從而形成大量貨格，用以儲存貨物單元。在大多數(shù)情況下，每個貨格存放一個貨物單元 (一個托盤或一個貨箱 )。在某些情況下，例如，貨物單元比較小，則一個貨格往往存放二、三個貨物單元以便充分利用貨格空間，減少貨架投資。本論文研究的對象就是單元貨格式自動化立體倉庫。 (2 )貫通式貨架倉庫。在單元式貨架倉庫中，巷道占去了 1/3 左右的倉庫面積，為了進一步提高倉庫面積利用率，可以取消位于各排貨架之間的巷道，將貨架合并在一起 ，使同一層、同一列的貨物互相貫通，形成能依次存放許多貨物單元的通道。在通道的一端，由一臺入庫起重機將貨物單元裝入通道，而在另一端由出庫起重機取貨。 (3 )水平旋轉(zhuǎn)貨架式倉庫。水平旋轉(zhuǎn)貨架式倉庫中，貨架本身可以在水平面內(nèi)沿環(huán)形路線來回運行。需要提取貨物時，操作人員只需要在操作臺上發(fā)出出庫指令，相應(yīng)的一組貨架便開始運轉(zhuǎn)，當有該貨物的貨柜來到揀選口時，貨架便停止運轉(zhuǎn)，操作人員就可以從貨柜中揀選貨物。水平旋轉(zhuǎn)貨架式倉庫適合于小件貨品的揀選作業(yè)。 (4) 垂直旋轉(zhuǎn)貨架式倉庫。垂直旋轉(zhuǎn)貨架式倉庫與水平旋轉(zhuǎn)貨架式倉庫相 似，只是把水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)改為垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn) .垂直旋轉(zhuǎn)貨架式倉庫特別適用于存放長的卷狀貨物，如地毯、膠片卷等，也可用于小件貨品存儲。 3. 按照作業(yè)方式分類 按作業(yè)方式可以分為單元貨架式、移動貨架式和揀選貨架式三種立體倉庫。單元貨架式倉庫是最常見的結(jié)構(gòu)，貨物先放在托盤或者集裝箱內(nèi)，再裝入單元貨架的貨格中。移動貨架式倉庫中的貨架可以在軌道上行走，由控制裝置控制貨架的合攏和分離。作業(yè)時，貨架分開，在巷道中可進行作業(yè)。平時貨架可以合攏，只留一條作業(yè)巷道，從而減少倉庫面積，提高空間的利用率。揀選貨架式倉庫的分揀機構(gòu)是這 種倉庫的核心組成部 6 分。它有巷道內(nèi)分揀和巷道外分揀兩種方式。兩種分揀方式又分為人工分揀和自動分揀。 4. 按照自動化倉庫的作用可以將其分為生產(chǎn)性倉庫和流通性倉庫兩種。 5. 按照自動化倉庫與生產(chǎn)連接的緊密程度可以分為獨立型、半緊密型和緊密型倉庫。 采用 PLC 控制立體倉庫的優(yōu)點 低成本 利用電力線上網(wǎng)，最大的優(yōu)點就是成本低。由于利用電力線上網(wǎng)，直接使用現(xiàn)有電力網(wǎng)就可以實現(xiàn)通信，而不需要另外鋪設(shè)電話線、光纜線等，大大地減少了在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上的投資。 范圍廣 無所不在的電力網(wǎng)絡(luò)也是這種技術(shù)的優(yōu)勢。 電力線是最基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)，它的規(guī)模之大 ，是其它任何網(wǎng)絡(luò)無法比擬的。因為家家都有電力線，由此，運營商就可以輕松地把這種網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)滲透到每一個家庭。因此，這一技術(shù)一旦進入商