（1）研究背景

本课题研究的自动仓储控制系统用于控制立体仓库的自动化运行。自动化立体仓库又称立库、自动存取系统AS/RS(AutomaticStorageRetrievalSystem)，是一种用高层立体货架(托盘系统)储存物资，用电子计算机控制管理和用自动控制堆垛运输车进行存取作业的仓库。仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。50年代初，美国出现了采用桥式堆垛堆垛机的立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛堆垛机立体仓库；1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。世纪70年代初期，我国开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。1980年，由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成的我国第一座自动化立体仓库在北京汽车制造厂投产。从此以后，立体仓库在我国得到了迅速的发展

自动化控制系统在现代物流系统中起着承上启下的重要作用，根据上位调度管理计算机下达作业任务，控制系统自动完成对设备的运行、停机、故障、报警等各项过程的控制。同时将作业完成情况和设备状况实时上报上位调度管理层，使上位系统实现对设备运行状况、物流位置和物流数据的管理与监控。自动化控制系统作为自动化物流系统中的一个重要组成部分，对于提高物流系统的物流控制功能和作业效率，具有关键的作用。

（2）研究目的

自动仓储控制系统需要能够有效地利用仓库存储能力合理安排库存，提高仓库管理水平，同时使操作人员通过计算机系统方便地完成出入库的自动化作业，降低操作人员的劳动强度。因此本课题主要研究基于PLC的自动仓储控制系统的设计，控制系统的PLC选择西门子S7-1200系列，这是是一款紧凑型、模块化的PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI 和网络通信等任务，同时具有工作稳定性高、兼容性强、扩展能力强、价格适中等方面的特点。可以满足自动仓储控制系统中堆垛机的控制要求，实现稳定控制、立体存储、上位机组态控制等功能。

（3）研究意义

使用自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。它通过高层货架存储，使存储区大幅度地向高空发展，提高了空间利用率；自动化立体仓库采用层积式存放，结合计算机管理，可以很容易实现先入先出，防止货物的自然老化、变质和损坏；通过自动存取系统(AS/RS),加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度；采用自动化技术后，还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要；计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了货物处理和信息处理过程中的差错；同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。

（1）研究内容

1）本课题主要根据自动仓储码垛控制的基本结构与工作原理，分析自动仓储码垛控制的一般过程，完成全自动仓储码垛控制程序设计。实现按照货物大小对货物进行分类存储，将货物按照大、小两类分别放置于两列不同货架，同时可通过HMI触摸屏进行存储状态监控和存储模式的切换。

2）本控制系统根据自动仓储码垛控制的基本结构与工作原理的控制需求选择对应PLC和各类硬件设备。其中PLC选择西门子S7-1200系列，这是是一款模块化的PLC，可完成各种逻辑控制、HMI和网络通信等任务。各类执行机构则采用Factory IO软件进行模拟仿真。

3）软件程序部分使用西门子配套的博途软件设计全自动仓储码垛控制的控制程序，实现课题要求的各种控制需求和功能。根据实际功能需求使用WinCC设计控制画面和监控画面，以实现从HMI触摸屏即可监控仓储系统的存取情况，并控制自动和手动模式之间的切换。

（2）预期目标

本课题设计的自动仓储控制系统应实现货物的智能存取，具有反应灵敏、工作稳定、智能化程度高，人机界面友好等特点，主要包含以下基本功能：

1）仓库的启动与停止功能

启动时，物流运输流水线开始运作将货物送入立式货架的准备位置，各个货架的堆垛机均位于初始位置。按下停止后，物流流水线立即停止运行，立式货架的堆垛机将当前正在进行存取的货物完成存取操作后停止运行。

2）货物大小检测功能

通过一组光电式传感器检测货物的大小，根据货物经过传感器时被遮蔽的传感器个数与编号判断货物的体积并进行分类，共将货物分为大、小两类，分别存储在仓库的两列立式货架中。

3）物流流水线的分拣功能

所有货物从主传输轨道进入大小检测区，当货物完成大小检测后将货物送入对应货架的准备区。若预定送入的准备区当前已有货物则将货物暂停传送，待准备区空出再将其送入。

4）立式仓库的存储功能

经过检测体积并识别完成的货物将运输至对应货架的准备区域，通过PLC控制堆垛机的货叉进行收货，将货物移送至需要存放的格位，再控制货叉将货物放进空格位。可通过触摸屏改变存储的模式，共分为自动和手动，自动模式下通过程序编程实现堆垛机运行路径的优化，即堆垛机寻找距离原点位置最近的空余格位自动进行码垛；手动模式下可由触摸屏选择要存储的格位。。

5）立式仓库的取出功能

当仓库收到取货需求后可由操作人员通过HMI触摸屏控制货物的取出。操作人员可在触摸屏上选择要取出的格位。确认取货后堆垛机移动至目标格位，将货物取出放置于出货轨道。取出货物时存储功能即停止运作，取出完成后手动选择下一步的运行模式。

6）运行状态监控功能

通过WinCC上位组态软件监控及管理货架的码垛情况，主要包括货架格位的空闲情况、仓库当前的运行模式、手动模式下格位的输入以及货架存取出现异常时的报警提示。存储货物时若货架全满或者选择格位已有货物则在触摸屏上发出报警提示。同样，取出货物时若选择的格位为空格位则在触摸屏上发出报警提示。以上状况发生时均停止进行下一步，当操作人员消除警报提示后才能重新恢复工作。

（1）研究方法

1）查找相关文献

查阅大量文献资料，收集有关自动仓储控制系统的相关文献，了解其发展状况与前景，并理解自动仓储控制系统的基本结构、控制需求和工作原理。

2）分析自动仓储控制系统的控制要求

自动仓储控制系统的主要控制过程包括多条运输流水线的分拣、货物体积检测及分类、货物的存入与取出等。

3）自动仓储控制系统的详细设计

自动仓储控制系统的设计包括硬件选择和软件设计两部分:

① 硬件选择：根据实际控制需求进行设备的选择和原理图的绘制，内容包括PLC机型、传感器和执行机构的选择。其中PLC选用西门子S7-1200系列的PLC并选择性添加部分扩展模块用于过程控制。HMI触摸屏选用SIMATIC精智面板系列。传感器则选用光电式传感器和运动传感器，用于判断货物大小及货物是否传输到位。执行机构方面物流流水线采用常见的传送轨道和用于分拣的可转向传送轨道，立式仓库部分则由立式货架和配套的堆垛机组成。而上位机监控和模式切换等操作通过触摸屏实现。

②软件设计：软件部分为编写满足生产控制要求的PLC用户程序，即绘制梯形图和编写SCL程序，主要包括PLC控制程序和上位机监控组态程序。利用西门子博途软件完成该设计的程序编写，实现PLC对立体仓库内货物的管理。程序部分预计包括流水线分拣模块、货物大小检测模块、货物存储模块、货物取出模块、模式切换模块、异常提醒模块等。使用西门子WinCC软件设计上位机监控组态程序，主要包括货架状态监控界面，可操作存入/取出界面和异常报警提醒界面。

4）自动仓储控制系统的仿真运行

系统设计完成后需要进行调试检测，本课题将使用西门子博途软件中的S7-PLCSIM软件对PLC程序进行仿真。同时使用Factory IO软件进行硬件设备的模拟组装。Factory IO软件可与S7-PLCSIM进行联合仿真，由S7-PLCSIM驱动Factory IO中的硬件设备模拟运行，便于进行后期修改调试。

（2）研究步骤

1）查找课题相关的文献资料。

2）分析自动仓储系统的控制需求，并且依据控制需求选择控制器、传感器和执行器的型号规格。

3）使用西门子博途相关软件完成自动仓储控制系统的控制程序以及上位机组态程序的设计和编译。

4）使用Factory IO软件与博途软件进行联合仿真，对设计的系统进行总体调试。

5）撰写完善毕业设计报告，完成毕业设计答辩

[1] 朱敏哲,胡燕琳,马文强.自动堆垛机精确定位控制系统的设计[J]. 机械与电子,2012,(6):38-42

[2] 尤晓玲,陈宏希,张治军,段晓燕. PLC在堆垛机控制系统中的应用[J]. 兰州石化职业技术学院学报,2010,10(1):30-32

[3] 李国洪.编码器定位技术在巷道堆垛机系统中的应用[J]. 物流技术与应用,2009,14(6):92-94

[4] 胡刚,贾义龙. PLC在巷道堆垛机控制系统的应用[J]. 黑龙江造纸,2018,46(1):42-44.

[5] 张燃,曲宙.模糊反馈在堆垛机位置控制系统中的应用[J]. 数字技术与应用,2015,(12):12-12.

[6] 郭丽，田博，张可义，杨腾飞.智能码垛在医药物流仓储系统的研究与应用[J]. 制造业自动化, 2018,(6):65-67.

[7] 杨黎明，姚茜，李鑫.精确定位技术在堆垛机控制系统中的应用[J].起重运输机械2019, (2) :104-107.

[8] 苏晓峰, 史启程, 刘金颂,等. 基于PLC的工业自动化立体仓库控制系统设计[J]. 自动化与仪器仪表, 2016, 000(003):119-121.

[9] 孟雷, 臧华东. 基于PLC的立体仓储控制系统及组态监控设计[J]. 自动化技术与应用, 2010(09):69-72.

[10] 程玉凯. 基于PLC的自动化立体仓库控制系统设计[J]. 可编程控制器与工厂自动化, 2011.

[11] 黄学飞. 中小型自动化立体仓库的智能管理控制系统研制[D].浙江大学,2007.

[12] 宫鹏，刘丹，徐淑华，孙丽凤. 基于WinCC和S7-1200PLC的自动化立体仓库监控系统[J]. 实验室研究与探索，2008,27(8):219-222.

[13] 竺志超，陈元斌，韩豫编著．非标自动化设备设计与实践毕业设计、课程设计训练：国防工业出版社，2015.12.

[14] 刘宝志. 步进电机的精确控制方法研究[D]. 山东大学, 2010.

[15] Boysen N ,Stephan K . A survey on single crane scheduling in automatedstorage/retrieval systems[J]. European Journal of Operational Research,2016:691-704.

序号

起迄日期

工作内容

1

3月1日～3月5日

检查毕业实习内容、实习日志、调研及查阅文献情况。

2

3月8日～3月19日

撰写开题报告；熟悉西门子控制系统的组成和结构，仓储码垛控制的基本结构与工作原理。

3

3月22日～3月26日

了解博途系统组态软件包，根据实际需要选取传感器和执行机构。

4

3月29日～4月9日

完成硬件选型和系统配置，熟悉仓储码垛工程项目实现的过程，实现对系统硬、软件的调试、编译、下载和运行。

5

4月12日～4月30日

使用SCL语言、梯形图程序设计控制程序和监控画面的及控制回路等

6

5月3日～5月21日

根据仓储码垛控制的一般过程，完成全自动仓储码垛加工控制程序设计。

7

5月24日～6月11日

总体调试，撰写毕业答辩报告，完成毕业设计答辩。