尚東東，孟春志，張玉艷，張博宇，展佳琪

（1.沈陽工程學(xué)院 自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.北京京能清潔能源電力股份有限公司東北分公司，遼寧 沈陽 110623）

智能分揀倉儲系統(tǒng)的應(yīng)用在電子商務(wù)和全球化物流領(lǐng)域廣泛發(fā)展，成為現(xiàn)代物流管理的關(guān)鍵部分。這種系統(tǒng)提高了分揀效率和準(zhǔn)確性，降低了人力成本和物流費(fèi)用，提升了客戶滿意度和競爭力。與傳統(tǒng)的人工控制相比，智能倉儲分揀系統(tǒng)利用先進(jìn)的技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能和傳感器網(wǎng)絡(luò)，提高了倉庫分揀的效率和準(zhǔn)確性，并減少了安全風(fēng)險。在國外，例如美國、歐洲和日本等發(fā)達(dá)地區(qū)，智能倉儲分揀系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用和研究，研究的重點(diǎn)包括物流規(guī)劃、自動化設(shè)備開發(fā)、智能算法設(shè)計等方面。文獻(xiàn)［1］提出了基于圖像技術(shù)的條形碼壓縮識別算法，提高了對模糊條形碼圖像的識別率。自動化立體倉庫是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于輕工、物資、醫(yī)藥、電器、商業(yè)、配送中心、軍隊后勤、紡織、煙草等領(lǐng)域［2］。截至2022 年，全球排名前十的大倉儲自動化企業(yè)均分布在國外，其中歐洲獨(dú)占六家，美國和日本分別各占兩家［3-4］。在國內(nèi)，智能倉儲分揀系統(tǒng)的研究也取得了一些進(jìn)展。一些大型電商企業(yè)和物流公司已經(jīng)開始使用智能倉儲分揀系統(tǒng)，并與高校、研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作，推進(jìn)相關(guān)研究，研究的重點(diǎn)主要集中在系統(tǒng)優(yōu)化、數(shù)據(jù)挖掘、智能調(diào)度等方面。在國內(nèi)電商和物流行業(yè)迅速發(fā)展的背景下，許多生產(chǎn)企業(yè)都致力于發(fā)展自己的倉儲物流系統(tǒng)。然而，目前的倉儲分揀貨物系統(tǒng)過于依賴人工操作，存在管理和維護(hù)成本高、工作效率低的問題。這就造成無法實現(xiàn)客戶下單后的快速發(fā)貨，進(jìn)而導(dǎo)致退貨率偏高和客戶滿意度低的問題。南慶霞等［5］設(shè)計了一款適用于倉儲分揀貨物的智能小車，為解決上述問題提供了新的方案?；诂F(xiàn)有成果，本文主要利用TIA Portal軟件平臺設(shè)計了一種智能分揀倉儲控制系統(tǒng)，通過自動化分揀和存儲貨物，提高倉儲效率和準(zhǔn)確性，降低勞動力成本和物流費(fèi)用。

1 系統(tǒng)的設(shè)計方案與構(gòu)想

該智能分揀倉儲管理系統(tǒng)是基于西門子S7-1200PLC控制器、交流異步電機(jī)和交流伺服電機(jī)作為主要執(zhí)行器驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行的。該系統(tǒng)可以根據(jù)貨物的不同包裝重量進(jìn)行智能分揀，并通過三軸機(jī)械臂將分揀好的貨物自動搬運(yùn)到托盤上，最后運(yùn)送到指定的寄存庫中，控制工藝流程如圖1所示。

圖1 控制工藝流程

為了方便管理員對整個自動控制系統(tǒng)進(jìn)行管理與監(jiān)控，利用PC機(jī)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行組態(tài)設(shè)計，可以將整個智能分揀倉儲系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示在上位機(jī)中。該智能分揀倉儲管理系統(tǒng)具有高效、精準(zhǔn)、自動化的優(yōu)點(diǎn)，可以大大提高貨物分揀和倉儲的效率和準(zhǔn)確性，減少人力和物力成本。同時，系統(tǒng)的核心執(zhí)行器——擺輪分揀機(jī)及三軸機(jī)械臂的設(shè)計方案，需要根據(jù)實際應(yīng)用需求設(shè)計合適的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和控制方案，以確保貨物的安全和準(zhǔn)確分揀。在控制器的選型和集成方案方面，需要考慮PLC的輸入輸出模塊、通信接口、存儲容量、運(yùn)行速度等因素，以及PLC 與其他設(shè)備的連接和通信方式等方面的設(shè)計。在上位機(jī)的組態(tài)設(shè)計方面，需要考慮上位機(jī)與PLC 的通信方式、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、監(jiān)控界面等方面的設(shè)計。最后，在Factory IO 中搭建仿真現(xiàn)場場景，如圖2所示。

圖2 仿真場景搭建

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計要求及組成

2.1 系統(tǒng)的功能設(shè)計要求

本設(shè)計采用了西門子S7-1200PLC 控制器［6］，并以伺服控制系統(tǒng)及交流異步電機(jī)為執(zhí)行器的智能貨物分揀倉儲系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動化的貨物分揀、儲存和出庫，提高了工作效率，并降低了管理成本。該智能分揀倉儲控制系統(tǒng)的功能設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：

1）自動化分揀：通過擺輪分揀機(jī)對貨物進(jìn)行重量分類，實現(xiàn)貨物的自動化分揀；

2）自動化搬運(yùn)：通過三軸機(jī)械臂、電動托盤搬運(yùn)車等裝置，實現(xiàn)貨物的自動化搬運(yùn)；

3）自動化入庫：通過電動托盤搬運(yùn)車將貨物按順序入庫，實現(xiàn)貨物的自動化入庫；

4）ABC 分線：設(shè)置了A、B、C3 條生產(chǎn)線，可以根據(jù)貨物的重量將其分配到不同的生產(chǎn)線，提高了倉庫運(yùn)作的效率；

5）實時監(jiān)控：管理員可以通過PC station 中的人機(jī)交互MCGS觸摸屏實時監(jiān)控整個系統(tǒng)；

6）遠(yuǎn)程監(jiān)控：通過上位機(jī)控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行與停止，以及對貨物入出庫方式進(jìn)行切換，提高了工作效率；

7）數(shù)據(jù)反饋：測重機(jī)可以將貨物的重量反饋到上層管理系統(tǒng)中，管理系統(tǒng)進(jìn)行判斷并向PLC發(fā)出控制指令，PLC執(zhí)行程序并將結(jié)果反饋回管理系統(tǒng)。

2.2 控制系統(tǒng)的主要組成

該智能分揀倉儲系統(tǒng)主要由測重分揀部分、機(jī)械臂搬運(yùn)部分、倉儲部分及各組傳送帶組成。測重分揀部分的核心組件為測重傳感器及擺輪分揀機(jī)，如圖3所示。

圖3 測重分揀部分

在本控制系統(tǒng)中，貨物首先經(jīng)過發(fā)貨傳送帶送至測重機(jī)上，之后擺輪分揀機(jī)通過對貨物重量與設(shè)定值比較判斷，然后將其運(yùn)送至指定重量范圍的生產(chǎn)線中。

機(jī)械臂搬運(yùn)部分的核心組件為三軸機(jī)械臂，如圖4 所示。當(dāng)有貨物到達(dá)“機(jī)械臂到貨”紅外傳感器之后，輸送貨物的傳送帶停止運(yùn)行，同時當(dāng)承載貨物的托盤到達(dá)指定的位置時，三軸機(jī)械臂才能啟動。通過采樣數(shù)據(jù)，機(jī)械臂的X、Y、Z軸分別移動相應(yīng)的距離，貨物被抓取吸盤吸起，并將其搬運(yùn)至托盤之上。

圖4 機(jī)械臂搬運(yùn)貨物

儲存?zhèn)}庫的核心組件為碼垛機(jī)，如圖5 所示。當(dāng)貨物經(jīng)傳送帶運(yùn)送到碼垛機(jī)前的傳感器時，碼垛機(jī)的貨叉將伸出，并將載有貨物的托盤抬起，搬運(yùn)至寄存庫中。每條生產(chǎn)線的寄存庫都配備了54 個儲存位，當(dāng)寄存庫檢測到來貨時，管理員可以在觸摸屏上選擇相應(yīng)的入庫模式，可以切換為自動或手動模式；同樣地，出庫模式也設(shè)置有自動和手動兩種運(yùn)行模式。每個寄存庫只配備了1個碼垛機(jī)，因此在一段時間內(nèi)，出庫和入庫只能有一種方式在運(yùn)行。

圖5 倉儲部分

3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計

3.1 程序設(shè)計

在該智能分揀倉儲控制系統(tǒng)的項目中，數(shù)字量輸入點(diǎn)、輸出點(diǎn)分別為76個、69個，模擬量輸入點(diǎn)、模擬量分別為10個、13個。因此，需要對PLC進(jìn)行拓展，該項目對1215C DC/DC/DC CPU 拓展了2塊AI 8×RTD-1模擬量輸入模塊，3塊AQ4×14BIT-1模擬量輸出模塊及3 塊DI 16/DQ 16×24VDC 數(shù)字量輸入輸出模塊。

3.1.1 測重分揀程序設(shè)計

測重分揀程序流程如圖6 所示。按下啟動按鈕后，發(fā)貨傳送帶開始工作，當(dāng)發(fā)貨傳送帶將貨物送至測重傳送帶入口位置時，“傳感器測重入口”接通，測重傳送帶啟動，發(fā)貨傳送帶停止。當(dāng)貨物經(jīng)測重傳送帶運(yùn)動至“傳感器測重中”時，測重傳送帶停止，啟動定時器T1（測重），2 s 之后，測重傳感器將測得物體重量引起的電壓變化值，在實數(shù)乘法指令中進(jìn)行計算，計算結(jié)果經(jīng)CONV 傳送指令將實數(shù)轉(zhuǎn)化為雙字形式傳送至模擬量輸出“重量顯示”中，同時將測重傳送帶再次啟動。當(dāng)“重量顯示”為50時，表示物體的重量為50 kg，此時擺輪分揀機(jī)啟動，同時擺輪向左側(cè)旋轉(zhuǎn)，使得貨物進(jìn)入A生產(chǎn)線；當(dāng)“重量顯示”為75 時，擺輪分揀機(jī)啟動，貨物向前進(jìn)入B 生產(chǎn)線；當(dāng)“重量顯示”為40 時，擺輪分揀機(jī)啟動，同時擺輪向右旋轉(zhuǎn)，貨物進(jìn)入C 生產(chǎn)線。在擺輪分揀機(jī)的各個出口位置都設(shè)置了紅外傳感器，當(dāng)有紅外傳感器檢測到貨物經(jīng)過時，將擺輪分揀機(jī)上的所有執(zhí)行器復(fù)位，測重傳感器也停止工作，同時將“重量顯示”清零，測重分揀過程進(jìn)入循環(huán)。

圖6 測重分揀流程

3.1.2 機(jī)械臂子程序設(shè)計

機(jī)械臂子程序共設(shè)置3 個部分，因為工作原理相同，在此僅以A機(jī)械臂為例加以詳細(xì)說明。

啟動機(jī)械臂子程序后，載有貨物的傳送帶A3和載有托盤的傳送帶A4 便開始運(yùn)動，當(dāng)貨物到達(dá)機(jī)械臂下方的“檢測有貨傳感器”，托盤到達(dá)機(jī)械臂下方的“托盤到位傳感器”時，傳送帶A3、A4 停止運(yùn)行。當(dāng)兩側(cè)同時到貨就位后，機(jī)械臂X軸運(yùn)動6.8 個單位距離，Y軸運(yùn)動3.4 個單位距離，之后控制Z軸向下運(yùn)動5.3 個單位距離，機(jī)械臂開始抓取貨物，之后再將Z軸縮回起始高度。當(dāng)Z軸的運(yùn)動反饋距離為0 時，調(diào)整X軸運(yùn)動距離為2.3 個單位，此時貨物已經(jīng)到達(dá)托盤上方位置，并調(diào)整Z軸向下運(yùn)動10.0 個單位距離，機(jī)械臂釋放貨物至托盤上。經(jīng)過T2（機(jī)械臂A）的延時后，調(diào)整Z 軸返回原始高度，當(dāng)Z軸的運(yùn)動反饋距離為0 時，機(jī)械臂的一個完整的搬運(yùn)動作完成，測重分揀程序流程如圖7所示。

圖7 A機(jī)械臂子程序流程

3.1.3 入庫子程序設(shè)計

入庫作為該智能分揀倉儲系統(tǒng)中倉儲部分的核心程序之一，對分揀之后的貨物存儲起到了至關(guān)重要的作用。為了適應(yīng)不同工作情況下貨物的寄存，同時也為了方便對寄存庫的管理，對入庫部分子程序還增設(shè)了自動及手動模式。入庫子程序流程如圖8所示。

圖8 入庫子程序流程

在倉儲系統(tǒng)中，每個立體式寄存庫有54 個寄存位，每個寄存位的地址按照順序編號，在初始化程序中，當(dāng)按下出入庫總開關(guān)后，系統(tǒng)將叉車的所有運(yùn)動方式全部復(fù)位，也可以通過入庫復(fù)位按鈕來實現(xiàn)初始化。

在入庫程序中，當(dāng)按下停止按鈕時，給寄存庫送貨的傳送帶A6、A7 將會立即停止運(yùn)動，對已經(jīng)在碼垛機(jī)上的貨物，系統(tǒng)將按照程序繼續(xù)將其送至寄存庫，之后會停止工作；當(dāng)按下入庫啟動按鈕時，傳送帶A6、A7 啟動，貨物隨著傳送帶前行，當(dāng)?shù)诌_(dá)傳送帶A7 末端位置設(shè)置的“入庫檢測”傳感器時，兩條送貨傳送帶復(fù)位。

當(dāng)貨物到達(dá)指定的入庫位置之后，判斷叉車的運(yùn)動狀態(tài)，確認(rèn)叉車沒有其他動作之后，叉車向前運(yùn)動伸出貨叉，判斷貨叉前伸到位后，貨叉上升置位，向上抬起貨物并回收，至此，叉車從傳送帶上取貨的過程完成；當(dāng)貨叉處在叉車中間位置時，傳送帶開始進(jìn)入下一個循環(huán)。

該部分主要以A 入庫子程序為例，對入庫的手/自動程序進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，B、C 入庫與之原理相同，這里不再對B、C 的執(zhí)行情況重復(fù)介紹，具體可參考A入庫子程序部分。

3.1.4 出庫子程序設(shè)計

貨物出庫的過程與入庫過程步驟恰好相反，這里不再詳細(xì)說明，出庫子程序流程如圖9所示。

圖9 出庫子程序流程

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計

打開博途軟件，在左側(cè)項目樹中點(diǎn)擊最上側(cè)的添加新設(shè)備，在彈出的對話框中選擇常規(guī)PC，之后再添加控制系統(tǒng)和通訊模塊，PC 機(jī)才能正常使用。PC 機(jī)組態(tài)完成之后，還需要將其與PLC 模塊建立通訊，才能將PLC 的控制指令與PC 機(jī)中的HMI 畫面連接起來。

測重是整個設(shè)計的頭部。將各部分的總控制開關(guān)和整個生產(chǎn)項目的必須首先開啟的按鈕等集中在該頁面下，建立成“總控中心”，如圖10 所示。在運(yùn)行項目時，需要按照由上到下的順序依次啟動。左側(cè)和上面區(qū)域表示開關(guān)按鈕項，中間區(qū)域表示傳感器，下面區(qū)域表示執(zhí)行器。

圖10 測重畫面設(shè)計

生產(chǎn)線A 及其中各部分的畫面設(shè)計如圖11所示。

圖11 生產(chǎn)線A畫面設(shè)計

在此次HMI畫面設(shè)計中，生產(chǎn)線A、B、C的畫面內(nèi)容相似，以上以A生產(chǎn)線部分為例進(jìn)行了詳細(xì)說明，B、C部分設(shè)計可參考A部分，這里不再具體介紹。

4 控制系統(tǒng)的仿真

當(dāng)PLC 程序及人機(jī)交互界面設(shè)計完成之后，需要對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。打開S7-PLCSIM軟件后，可建立博途與Factory IO 的通訊連接。在Factory IO 中搭建好整個控制系統(tǒng)的模擬現(xiàn)場后，點(diǎn)擊S7-PLCSIM 界面中RUN，并在Factory IO 中啟動仿真運(yùn)行。

控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖12 所示。從對測重分揀、機(jī)械臂、出入庫的仿真結(jié)果來看，控制系統(tǒng)的運(yùn)行與預(yù)期情況基本一致，驗證成功。

圖12 控制系統(tǒng)仿真

5 結(jié)論

智能分揀倉儲控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究是一項非常有意義的工作。在系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計中，選取了PLC、傳感器和其他硬件設(shè)備，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中，利用博途軟件的強(qiáng)大功能進(jìn)行PLC 程序設(shè)計，確保系統(tǒng)的高效性和精準(zhǔn)性。另外，在HMI 交互界面的設(shè)計中，注重用戶體驗，提供了直觀、易懂的操作界面。最后，利用Factory IO 軟件和博途軟件進(jìn)行通訊連接，并對智能分揀倉儲系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真，確保系統(tǒng)在實際運(yùn)行中的穩(wěn)定性和可靠性。掌握和應(yīng)用這些技術(shù)將有助于在未來的工業(yè)自動化領(lǐng)域中更好地服務(wù)于社會。