基于PLC 的港口物流仓库堆垛机监控系统研究

原 峰

营口港务股份有限公司 固机分公司作业一部

本文针对港口物流快速高效的需求，为实现港口物流仓库堆垛机自动化运行和控制，在构建巷道式港口物流仓库物理模型的基础上，提出了一种基于PLC 技术的物流仓库堆垛机自动监控系统的设计与实现方案，详细讨论了系统的结构设计、系统的软硬件设计和通信技术实现的过程。实验证明，通过PLC 对物流仓库堆垛机进行自动控制安全可靠，为港口物流管理工作的信息化奠定了基础。

随着货运港口经济建设的迅猛发展，沿海的货运港口吞吐量快速提升，逐步扩大的物流仓库建设规模，货物的储备和运送量也越来越大，物资流通得到进一步促进，仓储物流设备在市场中的需求量更会逐年递增，并且在仓储存取率、信息化程度、自动化程度等方面对港口物流提出更高的要求。

随着货运港口经济建设的迅猛发展，沿海的货运港口吞吐量快速提升，逐步扩大的物流仓库建设规模，货物的储备和运送量也越来越大，物资流通得到进一步促进，仓储物流设备在市场中的需求量更会逐年递增，并且在仓储存取率、信息化程度、自动化程度等方面对港口物流提出更高的要求。

物流立体库也称为高架仓库，一般是指将货物储存在几层、十几层高的货架中，用相应的自动化搬运设备对物资进行出库和入库操作的物资仓库。自动化立体库是物流技术快速发展的成果，一般由输送机、巷道堆垛机、高层货架、计算机控制系统等构成，能够在计算机监控系统的控制下对单元货物进行自动存取作业。

在物流仓库中，堆垛机是自动化立体仓库中输送系统的核心机械设备，是整个仓库出入货物运行通畅的关键。自动化立体仓库应用日趋广泛，提高堆垛机的性能，通过合理的控制速度，精准的货格定位来实现堆垛机的效安全运行，能够提高物流仓库的运行效率，对物流仓库的正常运行起着重要作用。

港口物流仓库堆垛机监控系统采用西门子S7-300 型PLC 设计，运用Step7 编写堆垛机自检、复位、运行控制、异常应急处理等程序。同时，在Visual C++开发环境下设计监控系统的人机操作界面，并通过RS-485 总线实现监控计算机与PLC 的实时通信。在港口物流中利用先进的PLC 技术建设港口物流仓库堆垛机实时监控系统，可以提高物流仓库执行效率，促进港口货运的服务水平，满足现代物流快速发展的需求，提高港口在运输市场的竞争力。

1 监控系统结构设计

本文研究的港口物流仓库采用高层货架来完成货物存储，每两排货架间留有巷道供堆垛机存取货物作业。仓库主要由货架、巷道堆垛机、出入库配套设施和计算机监控系统组成。货架由；巷道堆垛机是自动化立体仓库的关键设备，由机架、升降机及货叉等组成，它在货架中的巷道上往返运行，完成货物的出入库任务；货架上装有配套机械设施，能够保证堆垛机准确、高速地完成货物的存取操作；计算机系统控制堆垛机在固定的巷道中完成垂直和水平作业，实现货物存取的集中控制。图1 为货运仓库的动画模拟图。

图1 货运仓库模拟图

图2 系统结构拓扑图

本系统由现场堆垛机控制单元与监控计算机系统组成。现场堆垛机控制单元是采用PLC 组成的控制系统对各设备进行实时自动控制操作，堆垛机采用S7-300 型PLC 控制，通过堆垛机水平和纵向变频系统对堆垛机运行机构进行调速。监控计算机系统实现与现场控制的PLC进行实时数据通讯、实时监控堆垛机存取货物流程。同时，在Visual C++开发环境下设计监控系统的人机操作界面，并通过RS-485 总线实现监控计算机与PLC 的实时通信。系统结构拓扑图如图2 所示。

2 监控系统软件设计

堆垛机现场控制程序包括：堆垛机自检、复位、运行控制、异常应急处理等程序。

1）堆垛机自检程序

堆垛机自检程序主要完成设备的自检，用于检测堆垛机设备以及各种机械是否处于初始位置，设备初始化正常，检测信息无异常情况，才能对运行机构进行相应的控制操作。如果检测信息发现异常，则需排除故障问题后才可继续操作。

2）堆垛机复位程序

堆跺机控制程序在运行过程中有异常状况发生时，如果不能及时排除故障，会导致货物出入库管理出现问题，复位程序能通过复位按钮方便的恢复堆垛机控制系统的数据和设置，会启动返回原位程序，以重新设定系统的当前值归到原位，保障系统的正常运行。

3）堆垛机出入库程序

堆垛机现场控制程序接收到操作任务命令后，对堆垛机执行自动入库或者出库作业。通过通讯接口接收到目标货物的层数、列数，设定入库动作，然后开始执行货物入库操作。控制堆垛机执行机构取货，托起货物后移动向程序设定的目标货位，通过传感器检测目标货位是否有货，将货物运放到目标货位，控制堆垛机返回到初始位置待命。

3 系统安全保护措施

堆垛机控制系统是货物仓库储存和流通的重要部分，如果系统发生故障，将会对操作人员和货物造成严重损失，因此对系统设置相应的保护措施十分必要。堆垛机的故障一般可分为机械故障和电气故障。机械故障是指由于系统长期使用而引起的设备磨损、断裂、老化。电气故障是指系统的电气控制设备由于老化接触不良等引起的系统失效故障。为了保障系统安全运行设置保护措施如下：

1）在货架的水平和垂直端分别设置开关起到限位的作用，在堆垛机移动超出极限位置时，系统将对执行机构进行自动断电并发出故障报警信号；

2）为了承受堆垛机全速满载运行时的冲击，通过设置缓冲器，在开关限位故障时能保障堆垛机的缓冲停车，确保堆垛机运行设备的安全；

3）在堆垛机上安装货仓虚实传感器，用来检测货位是否已经存在货物，避免双重入库操作引发的故障；

4）在货仓上安装货物超差检测传感器，当检测到货物超出货仓存储空间时，停止货物入库动作并发出故障报警；

5）在堆垛机上安装限速器安全钳系统，当堆垛机的提升钢绳出现断裂时能够及时钳住货叉，避免货物跌落。

4 结语

本文设计了基于PLC 技术的港口物流仓库堆垛机监控系统，构建了港口货运仓库及堆垛机控制物理模型。该系统采用Visual C++作为上位机软件开发平台，完成监控软件设计，通过485 总线实现上位监控计算机与S7-300 PLC 的实时通信，采用Step 7 软件编写堆垛机现场控制程序，实现自检、复位、运行控制、异常应急处理等程序。通过港口物流仓库堆垛机监控系统仿真模型调试运行，该监控系统具有稳定性、可靠性和实时性，达到了预期控制指标，在港口物流仓库系统中具有一定的应用价值。