基于PLC的仓库分拣系统设计

张玉娟，张磊

(无锡城市职业技术学院，江苏无锡,214153)

0 前言

自动化技术是现代物流技术发展的主流，建立一个自动分拣系统[1]，采用可编程控制器（PLC）能够大大提高工作效率，节省人力，减少出错。侯忠坤设计了由全向激光扫描仪、分选机、货架、堆垛机、输送带和控制系统组成的基于PLC的具有分拣功能的自动化立体仓库[2]。王建菊设计了以QUPLC、FXPLC为控制核心，MCGS为实时操作和监控中心的仓库分拣系统[3]。王树梅设计了以西门子S7-300PLC为控制核心的智能仓库分拣系统[4]。孙敏嘉设计了以西门子S7-200系列PLC为控制核心的自动化仓库[5]。刘延霞设计了基于组态王和PLC的货物自动识别系统[6]。蔡明书等以仓库分拣系统任务为研究对象，设计了由3台三菱PLC组建的CC-Link通信网络[7]。杨松山设计了基于S7-200/300PLC的现代超级市场商品仓储配送系统[8]。

本文通过三台PLC、伺服电机、步进电机、变频器、触摸屏等模拟了仓库分拣系统，主要介绍了总体设计方案、硬件设计和软件设计。硬件设计部分主要介绍了I/O分配、主电路接线图和控制电路接线图，软件设计部分主要介绍了总体流程图、初始化子程序流程图、复位子程序流程图、紧急停止子程序流程图、普通停止子程序流程图、触摸屏和组态。

1 总体设计方案

1.1 设计目的

图1为立体仓库区的正视图。由图1可知，立体仓库区共有9个存储位置，伺服电机控制左右移动，步进电机控制上下移动。双速电机为转运传送带电机，变频器为分拣传送带电机，用模拟量的不同电压范围模拟不同货物类型。首先进行取货，取货后放入转运传送带，之后机械手对货物进行检测，检测之后机械手将货物放入分拣传送带中，分拣到对应位置之后存货。系统运行期间操作员可以在触摸屏中清晰观察到运行状态。

图1 立体仓库区正视图

1.2 设计方案

系统原理框图如图2所示，系统由PLC、各种电机和各种开关组成。通过三菱PLC编写控制程序，通过控制柜中按钮开关、旋钮开关、行程开关、和限位开关对伺服电机、步进电机、变频器和双速电机进行控制。各种开关对电机运行起着限制、指引以及控制其运行状况的作用。

图2 仓库分拣系统原理框图

2 硬件设计

每列仓库位置的第一层各配有一个位置检测传感器（SQ11-SQ13）。首先在触摸屏中立体仓库区的9个仓库位置随机输入取货顺序号（①-⑨，输入序号不得重复），然后取料小车按照规则行驶至相对应位置，取出货物并返回至原位（SQ13）；车上推送气缸将货物推到SQ1，当SQ1检测到有货物时，转运传送带将货物送至SQ2位置，期间需要对货物类型进行检测，根据检测到的结果（用控制柜正面的0-10V电压模拟货物类型），将货物分成甲、乙、丙三种；之后机械手动作将货物放至货物传送带的SQ3位置，当SQ3检测到有货物时，分拣传送带将货物运送至甲仓、乙仓或丙仓入口（送货传送带运行的速度、时间根据运送货物的类型而变化），对应气缸动作，将货物推入对应仓库位置，完成放货。

2.1 可编程控制器I/O端口分配

I/O分配表如表1所示。本文共用到三个PLC，分别为Q系列、3UMT系列和3UMR系列。按钮开关SB1与MR系列上X1对应，当按下按钮开关时，启动程序，运行电机，按钮开关SB2与MR系列上X2对应，对应停止驱动器的运行。

表1 仓库分拣系统I/O分配表

2.2 硬件接线图

2.2.1 主电路接线图

主电路接线图如图3所示，整个系统由三相电源供电，GND与COM连接形成回路，可以保护电路。24V与 V+连接，给步进电机驱动器供电。Y0为步进电机运行的信号灯，Y1与DIR相连接控制步进电机正反转。伺服驱动器SQ14，SQ15用于保护伺服电机，当操作员失误操作触碰到SQ14或SQ15位置时强制停止。M3双速电机KM1与KM2控制双速电机高速运转，KM3控制双速电机低速运行。M4变频器由电压模拟量输入控制，实行七段速运行。

图3 主电路接线图

2.2.2 控制电路接线图

控制电路接线图如图4所示。3UMR系列，3UMT系列以及Q系列三个PLC用CCLINK相互关联，通过CCLINK实现数据量和开关量的数据传送。当驱动器运行时，MRPLC有对应的HL指示灯给出运行状态信号。

图4 控制电路接线图

3 软件设计

3.1 总体流程图

系统自动运行模式的流程图如图5所示，先将SA1拨右挡，进入自动运行模式，处于初始化阶段，伺服向右运行至SQ13，之后HL4灯常亮，之后按下启动按钮SB1之后取货，取货完成后按下SQ1行程开关后，再进行下一次取货，并且转运电机双速运行，按下SQ2行程开关，检测之后，机械手运行。按下SB3按钮确定货物类型，以模拟量电压值模拟甲乙丙货物状态。之后按下SQ3之后。若SB3确定为甲货，则变频器以45Hz运行9s将其分拣到甲区并进行存货。若SB3确定为乙货，则变频器以30Hz运行6s，分拣到乙区，并且进行存货，若SB3确定为丙货，则变频器15Hz运行3s，分拣至丙区，并且进行存货。存货后在触摸屏对应框内进行计数。若任意一个区计数货物等于3个，则该区不能在进行计数，若SB3确定货物依然到该区域时，则变频器以50Hz运行10s分拣到存货多余区。共取货物九个，当最后一个货物分拣存货完之后，则自动运行部分结束。

图5 自动运行模式流程图

3.2 复位子程序流程图

复位子程序流程图如图6所示。在调试模式运行完毕后，伺服位置并不在原来位置。复位按钮是为了所有电机恢复到原先位置，即伺服向右移动至SQ13位置，双速KM处于非吸合状态，步进与变频器处于停止转动状态。当复位完成后HL4灯以1Hz闪烁表明复位完成。

图6 复位按钮子程序

3.3 紧急停止子程序流程图

紧急停止子程序流程图如图7所示。紧急停止是为了保证系统出现意外状况后，能够立刻停止，减小设备损失。当出现紧急状况的时候，旋转急停SA2，则所有电机全部停止，界面数值全部清空，恢复初始状态。之后HL2以2Hz闪烁提示处于急停状态。

图7 紧急停止子程序

3.4 普通停止子程序

普通停止子程序流程图如图8所示。普通停止用于设备正常关启，操作员暂时性无法看管机器时使用。按下普通停止后，当再次启动时，系统会以原先运行时的状态继续运行，原数据保存。HL2灯常亮表示目前处于普通停止状态。

图8 普通停止子程序

3.5 触摸屏HMI与组态MCGS

触摸屏上的自动分拣组态画面如图9所示。在自动分拣模式中，操作员点击复位按钮，进行初始化。初始化完成后，操作员在仓库存货区九宫格里随机输入1-9之后，按下启动按钮。九宫格内黄色三角形实时显示运行到的位置。甲货位置对应SQ11位置，乙货位置对应SQ12位置，丙货位置对应SQ13位置。当步进正转四圈时，则上升一层，步进反转四圈时则下降一层。当取货完成后转运传送带启动时，界面中状态显示区对应的指示信号灯变为红色。表示该电动机处于运行状态。数据统计负责统计数据，当分拣存货后，若货物为甲货，则甲区数量记为1。参数显示区，显示当前伺服步进运行速度以及分拣电机运行频率和时间。当SB3按钮确定货物类型时，确定什么货物，当前货物类型位置也可以显示出来。参数显示区可以显示仓库取货区和状态显示区的电机运行参数。在取货区域中当伺服电机与步进电机运动时，显示伺服步进的当前运行速度。进入分拣阶段时，显示当前变频器运动的频率和时间。如果在运行过程中出现故障，拨动SA2急停按钮后，数据统计区的数据可以保留，仓库取货区和参数显示区域数据全部清零。当回归正常后，操作员拨回SA2按钮。重新输入数据后，回归正常运行。

图9 自动分拣界面

4 结束语

本文采用伺服驱动器、步进驱动器、转运传送带电机（即双速电机）、分拣传送带电机（即变频器）、模拟量、触摸屏和组态MCGS构成了基于PLC的仓库分拣系统设计。平面仓库操作中将仓库分为九个区域，运用伺服电机实现平面上左右移动，运用步进电机实现平面上上下移动，更容易固定位置，取货更方便。分拣传送带电机用变频器，可以运行多段速，而且频率可以自己拟定。利用变频器不同的运行频率与运行时间，能够区分三种货物区域上的不同。模拟货物类型时，还用到了电压模拟量输入。触摸屏和组态MCGS使得操作更直观方便。若再增加伺服实行前后移动，则可以建立成立体仓库，则可以扩充18个区域进行取货。