基于TIA Portal的智能分拣仓储控制系统的设计与仿真.pdf
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1、收稿日期:2023-06-22作者简介:尚东东(1999-),男,河南洛阳人。通讯作者:张玉艳(1977-),女,内蒙古赤峰人,教授,硕士生导师,博士,主要从事智能检测与智能控制方面的研究。基于TIA Portal的智能分拣仓储控制系统的设计与仿真尚东东1,孟春志2,张玉艳1,张博宇1,展佳琪1(1.沈阳工程学院 自动化学院,辽宁 沈阳 110136;2.北京京能清洁能源电力股份有限公司东北分公司,辽宁 沈阳 110623)摘要:智能分拣仓储系统是一种高效、准确、节省人力成本和物流费用的仓储管理系统。采用S7-1200PLC作为控制器,结合测重分拣程序、机械臂控制程序和出入库控制程序,实现自动
2、化分拣和存储货物。同时,采用 TIA Portal 软件平台中的 Factory IO 搭建仿真模型,通过 PCStation设计人机交互界面,方便用户操作。经过联机调试验证了所设计的系统操作简单、功能完善、性价比高,为分拣仓储企业提供了很好的解决方案。关键词:分拣;仓储;TIA Portal;Factory I/O 仿真中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1673-1603(2023)04-0078-06智能分拣仓储系统的应用在电子商务和全球化物流领域广泛发展,成为现代物流管理的关键部分。这种系统提高了分拣效率和准确性,降低了人力成本和物流费用,提升了客户满意度和竞争力。与传统的人
3、工控制相比,智能仓储分拣系统利用先进的技术,如机器学习、人工智能和传感器网络,提高了仓库分拣的效率和准确性,并减少了安全风险。在国外,例如美国、欧洲和日本等发达地区,智能仓储分拣系统已经得到广泛应用和研究,研究的重点包括物流规划、自动化设备开发、智能算法设计等方面。文献 1 提出了基于图像技术的条形码压缩识别算法,提高了对模糊条形码图像的识别率。自动化立体仓库是现代物流系统中的重要组成部分,被广泛应用于轻工、物资、医药、电器、商业、配送中心、军队后勤、纺织、烟草等领域2。截至2022年,全球排名前十的大仓储自动化企业均分布在国外,其中欧洲独占六家,美国和日本分别各占两家3-4。在国内,智能仓储
4、分拣系统的研究也取得了一些进展。一些大型电商企业和物流公司已经开始使用智能仓储分拣系统,并与高校、研究机构进行合作,推进相关研究,研究的重点主要集中在系统优化、数据挖掘、智能调度等方面。在国内电商和物流行业迅速发展的背景下,许多生产企业都致力于发展自己的仓储物流系统。然而,目前的仓储分拣货物系统过于依赖人工操作,存在管理和维护成本高、工作效率低的问题。这就造成无法实现客户下单后的快速发货,进而导致退货率偏高和客户满意度低的问题。南庆霞等5设计了一DOI:10.13888/ki.jsie(ns).2023.04.015第 19 卷第 4 期2 0 2 3 年 10 月Vol.19 No.4Oct
5、.2023沈阳工程学院学报(自然科学版)Journal of Shenyang Institute of Engineering(Natural Science)款适用于仓储分拣货物的智能小车,为解决上述问题提供了新的方案。基于现有成果,本文主要利用TIA Portal软件平台设计了一种智能分拣仓储控制系统,通过自动化分拣和存储货物,提高仓储效率和准确性,降低劳动力成本和物流费用。1系统的设计方案与构想该智能分拣仓储管理系统是基于西门子 S7-1200PLC控制器、交流异步电机和交流伺服电机作为主要执行器驱动系统运行的。该系统可以根据货物的不同包装重量进行智能分拣,并通过三轴机械臂将分拣好的货
6、物自动搬运到托盘上,最后运送到指定的寄存库中,控制工艺流程如图 1所示。图1控制工艺流程为了方便管理员对整个自动控制系统进行管理与监控,利用PC机对现场设备进行组态设计,可以将整个智能分拣仓储系统的设备运行状态显示在上位机中。该智能分拣仓储管理系统具有高效、精准、自动化的优点,可以大大提高货物分拣和仓储的效率和准确性,减少人力和物力成本。同时,系统的核心执行器摆轮分拣机及三轴机械臂的设计方案,需要根据实际应用需求设计合适的机械臂结构和控制方案,以确保货物的安全和准确分拣。在控制器的选型和集成方案方面,需要考虑PLC的输入输出模块、通信接口、存储容量、运行速度等因素,以及PLC与其他设备的连接和
7、通信方式等方面的设计。在上位机的组态设计方面,需要考虑上位机与PLC的通信方式、数据传输协议、监控界面等方面的设计。最后,在Factory IO中搭建仿真现场场景,如图2所示。图2仿真场景搭建2控制系统的设计要求及组成2.1系统的功能设计要求本设计采用了西门子 S7-1200PLC 控制器6,并以伺服控制系统及交流异步电机为执行器的智能货物分拣仓储系统,实现了自动化的货物分拣、储存和出库,提高了工作效率,并降低了管理成本。该智能分拣仓储控制系统的功能设计应满足以下要求:1)自动化分拣:通过摆轮分拣机对货物进行重量分类,实现货物的自动化分拣;2)自动化搬运:通过三轴机械臂、电动托盘搬运车等装置,
8、实现货物的自动化搬运;3)自动化入库:通过电动托盘搬运车将货物按顺序入库,实现货物的自动化入库;4)ABC分线:设置了A、B、C3条生产线,可以根据货物的重量将其分配到不同的生产线,提高了仓库运作的效率;5)实时监控:管理员可以通过PC station中的人机交互MCGS触摸屏实时监控整个系统;6)远程监控:通过上位机控制整个系统的运行与停止,以及对货物入出库方式进行切换,提高了工作效率;7)数据反馈:测重机可以将货物的重量反馈到上层管理系统中,管理系统进行判断并向PLC发出控制指令,PLC执行程序并将结果反馈回管理系统。第 4 期尚东东,等:基于TIA Portal的智能分拣仓储控制系统的设
9、计与仿真79第 19 卷沈阳工程学院学报(自然科学版)2.2控制系统的主要组成该智能分拣仓储系统主要由测重分拣部分、机械臂搬运部分、仓储部分及各组传送带组成。测重分拣部分的核心组件为测重传感器及摆轮分拣机,如图3所示。图3测重分拣部分在本控制系统中,货物首先经过发货传送带送至测重机上,之后摆轮分拣机通过对货物重量与设定值比较判断,然后将其运送至指定重量范围的生产线中。机械臂搬运部分的核心组件为三轴机械臂,如图4所示。当有货物到达“机械臂到货”红外传感器之后,输送货物的传送带停止运行,同时当承载货物的托盘到达指定的位置时,三轴机械臂才能启动。通过采样数据,机械臂的X、Y、Z轴分别移动相应的距离,
10、货物被抓取吸盘吸起,并将其搬运至托盘之上。图4机械臂搬运货物储存仓库的核心组件为码垛机,如图5所示。当货物经传送带运送到码垛机前的传感器时,码垛机的货叉将伸出,并将载有货物的托盘抬起,搬运至寄存库中。每条生产线的寄存库都配备了54个储存位,当寄存库检测到来货时,管理员可以在触摸屏上选择相应的入库模式,可以切换为自动或手动模式;同样地,出库模式也设置有自动和手动两种运行模式。每个寄存库只配备了1个码垛机,因此在一段时间内,出库和入库只能有一种方式在运行。图5仓储部分3控制系统的程序设计3.1程序设计在该智能分拣仓储控制系统的项目中,数字量输入点、输出点分别为76个、69个,模拟量输入点、模拟量分
11、别为10个、13个。因此,需要对PLC进行拓展,该项目对1215C DC/DC/DC CPU拓展了2块AI 8RTD-1模拟量输入模块,3块AQ414BIT-1模拟量输出模块及3块DI 16/DQ 1624VDC数字量输入输出模块。3.1.1测重分拣程序设计测重分拣程序流程如图6所示。按下启动按钮后,发货传送带开始工作,当发货传送带将货物送至测重传送带入口位置时,“传感器测重入口”接通,测重传送带启动,发货传送带停止。当货物经测重传送带运动至“传感器测重中”时,测重传送带停止,启动定时器T1(测重),2 s之后,测重传感器将测得物体重量引起的电压变化值,在实数乘法指令中进行计算,计算结果经 C
12、ONV传送指令将实数转化为双字形式传送至模拟量输出“重量显示”中,同时将测重传送带再次启动。当“重量显示”为50时,表示物体的重量为50 kg,此时摆轮分拣机启动,同时摆轮向左侧旋转,使得货物进入A生产线;80当“重量显示”为75时,摆轮分拣机启动,货物向前进入B生产线;当“重量显示”为40时,摆轮分拣机启动,同时摆轮向右旋转,货物进入 C 生产线。在摆轮分拣机的各个出口位置都设置了红外传感器,当有红外传感器检测到货物经过时,将摆轮分拣机上的所有执行器复位,测重传感器也停止工作,同时将“重量显示”清零,测重分拣过程进入循环。图6测重分拣流程3.1.2机械臂子程序设计机械臂子程序共设置3个部分,
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