基于分类编码的自动化仓储系统的模拟与实现

谭涛　刘沛

摘要：针对目前许多企业仓储管理缺乏合理的分类原则以及数据管理混乱等问题，本着节约成本的原则，该文提出了一种采用分类编码技术代替传统的传感器网络技术的自动化仓储系统的设计方案，并完成了基于GE RX3i 系列PLC和触摸屏系统的模拟实现。通过在Proicy Machine Edition开发环境下的在线调试，系统不但能够实现基本的自动化仓储系统的出库和入库功能，而且还能实现标准化管理和可视化操作，为工业应用实现提供有利的参考和理论依据。

关键词：自动仓储；分类编码；传感器；GE；RX3I；PLC

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）13-0234-03

Simulation and Implementation of Automated Warehousing System Based on Classification and Coding

TAN Tao， LIU Pei

（Department of Mechanical Engineering， Shanxi University of Technology， Hanzhong 723001， China）

Abstract： Aiming at the problem that Warehouse management lack of many enterprises has no reasonable classification principles and chaos of data management， we adhere to the principle of cost saving， and puts forward a kind of the classification and coding technology instead of traditional sensor network technology of automatic warehousing system design scheme， and completed based on GE RX3i series PLC and touch screen to the implementation of the system simulation. Through the Proficy Machine Edition development environment online debugging， system can not only realize the basic automation warehouse outbound and inbound function in the system， but also can realize standardization management and visualization operation， for the industrial application implementation to provide a beneficial reference and theoretical basis.

Key words： automatic warehouse； classification and coding； sensor； GE； RX3i； PLC

仓储是现代物流以及工业生产中的重要环节，物流仓储的自动化、集成化不仅节省了大量的人力物力，而且大大提高了物流速度以及生产效率[1] 。随着计算机技术，制造技术，管理技术以及自动化技术的不断进步，自动化仓储技术变得日益成熟。但是随着自动化仓库规模的不断扩大化，自动化仓储系统的管理变得尤为重要，为了完成物品和库位的有效管理就必须实现物品的查找和定位功能。传统的方式采用的是在每个库位安装检测传感器，并组成传感器网络[2]。但是在大型的物流仓库中由于库位比较多，使用这种方式不但会大大提高成本，而且还会使系统的故障几率增加，减小了系统的稳定性[3-4]。为此本研究设计了一套基于分类编码技术的自动化仓储系统。

分类编码理论的基础是相似性理论，最早是应用于产品设计，机械制造和生产管理方面。本文将此技术运用到自动化物流仓库领域，用数据编码来表征仓库库位的相关信息。系统原始编码由上位机提供，在完成物料的存取时，PLC将对编码数据进行实时的刷新存储，并上传至触摸屏，使得操作人员以及上位机能准确知道每个库位的存取情况以及物料的相关信息。上位机以及操作人员通过物料的信息和库位编码信息将物料输送到相应的目标库位[5-6]。

1系统总体设计

系统主要由机械部分、气动回路部分、电气回路部分三大部分组成。其中的机械部分是系统的骨骼，构成了系统的大致框架。主要由供料机构，传输带机构，搬运机械手，托盘仓储机构，出入库堆垛机，出货平台以及货架组成。气动回路是系统的心脏，为气动执行机构提供动力，它主要包括气泵，各种气动执行气缸，气动控制器件电磁阀组等。在气缸伸出和退回出处都安有磁感应开关气，以检测气缸的状态信息，并在机械臂的吸盘上装有压力开关，以检测是否成功搬运物料。系统的电气回路主要由触摸屏，控制器（Programmable Logic Controller），开关电源，各电动执行结构，以及各种传感器等组成。PLC通过控制电磁阀组的通断来控制各气动执行机构。该系统的结构如图1所示。

1 控制系统硬件设计

1.1系统硬件组态

据统计系统共需要24个信号输入点，19个信号输出点，同时需要对堆垛机的两台伺服电机，以及对传送带磁感应电机以及转角直流电机进行控制。最后本系统选择了GE公司的RX3i系列PLC，PLC的硬件组态如下：电源模块IC695PSD040，CPU模块IC695CPU315，以太网模块IC695ETM001，32位数字输出模块IC694MDL754，32为数字输入模块IC694MDL655，数字运动控制模块IC695PMM335。PLC的配置完全满足系统的需要。

1.2 系统PLC端子分配

系统PLC端子配线图如图2所示， IC695FTB001为PAC Motion运动控制模块IC695PMM335的终端模块。系统启动I01（NO）前首先对系统进行复位I03（NO），然后选择运行模式I05（NO），当发生故障后系统会自动紧急停止I04（NC），或者需要手动停止时也可按下紧急停止按钮[7]。I06-I24为现场反馈信号以及各个位置的传感器检测信号，用于系统控制，以及对系统的故障类别进行诊断。SQ1-SQ7为堆垛机构X轴和Z轴的参考点以及上下限限位开关，PLC的运动模块通过检测到的行程开关的信息来控制X轴和Z轴的伺服电机。Q01-Q04为系统运行状态指示灯，Q06-Q16为控制电磁阀组K1-K12以及传送带电机和转角直流电机的输出信号。为了节约PLC的输出端子，将Q17-Q21为故障类别显示输出信号，可显示32种故障类别。

2 系统软件设计

系统的程序在美国通用公司的Proficy Machine Edition开发环境下进行开发及调试，Proficy Machine Edition是一个编程人员可以实现人机界面开发，运动控制以执行逻辑开发的通用开发环境，标准化的界面使得该开发环境更便于学习和使用[8]。

系统软件主要由上位机界面程序以及下位机PLC程序组成。根据系统的实际需求，PLC控制程序分为手动模式和自动模式。自动模式下，系统先进行物料的自动入库，当库位放满后，开始进行物料的自动出库工作，其过程不受上位机的控制（当需要紧急停止时可按下紧急停止按钮使系统停止工作）。手动模式下操作者通过触摸屏上的实时库位状态信息，输入要进行入库或则出库的库位号，也可以通过RS-485总线和计算机之间进行通讯，由计算机发送。触摸屏上位机界面如图3所示。

系统PLC控制程序流程图如图5所示。系统上电后，当按下复位按钮时，开始进行复位，各气缸恢复到初始位置，堆垛机构回到X，Z轴的参考点，并完成库位数据，计数器等信息清零。在复位时系统还将库位编码从对应的存储单元中读取，并在触摸屏上显示每个库位的储存状态。系统复位完成后开始选择系统的运行模式，手动模式或者自动模式。为了使系统的更安全并且易于维护和维修，当系统发生故障时，系统将会紧急停止。然后通过对传感器信号，以及内部线圈的状态进行逻辑判断，推断故障的大致位置，从而减小了系统维修和维护的成本。

3 分类编码的系统实现

自动化仓储系统的分类编码主要是包括物料的编码以及仓库库位的编码由于篇幅限制，本文仅介绍仓库库位编码以及在本系统中的实现过程。系统启动后接受到触摸屏的输入，PLC将输入的库位号所对应的库位编码信息进行解析，然后将解析出来的库位的位置信息传送运动控制模块，来控制堆垛机进行物料的存取工作。物料被送入相应的存储单元中或者从相应的存储单元取出后，系统将对目标库位对应的库位编码进行刷新，并在触摸屏上实时显示库位存储状态的变化，同时将编码存储到对应的存储单元中。再次启动后，系统会将储存的编码提取出来，并进行库位存储状态的显示，等待操作人员的输入。

3.1 库位编码

仓库中存放的货物是多种多样的，包括需要加工的原料或者需要进一步加工和组装的半成品，以及即将进入市场的成品，而这些物料往往都是储存在不同区域的不同货位的，因此有必要对每个区域的每个库位进行编码以便于标准化管理。由于编码的规则是根据仓库的类型改变而改变，本文采用模拟的立体仓库共有四层，每层有五个库位，根据仓库的信息，本系统采取的编码规则是：编码由八位0，1代码组成，编码的前两位，表示仓库的区域号，同一个区域存放着相同的物品，不同区域存放着不同的物品，中间的五位二进制码表示库位号（可以最多表示32个库位号），每个库位拥有唯一的库位号编码。最后一位表示此库位的存储状态，若库位存放有货品则编码为1，否则就为0，此位在系统的原始数据中默认为0。

3.2 库位编码的解析和状态的显示

PLC要想通过库位编码控制堆垛机完成指定区域库位的入库和出库功能，以及库位存储状态的显示功能，就必须对库位的编码进行解析。解析的过程是通过逻辑运算分别提取出编码中的区域编码位，库位号编码位以及库位存储状态位，提取公式如下。

[R0=R + R0] （1）

式中：[R0]为库位编码 [R]为信息提取码

提取出各种编码信息后，然后在触摸屏上通过库位状态位来显示每一个库的存储状态，采用不同的颜色表示此库位是否有货物，库位储存状态显示界面如5所示。

3.3 库位编码的刷新和存储

PLC控制堆垛机将物品存取到指定的目标存储单元后，系统会自动刷新库位编码的库位存储状态位，当将货品存储到库位时，此位由0置为1，当物品从库位取出时，此位由清零，并进行实时上传至上位机（触摸屏）进行显示。库位编码刷新后，要进行编码信息的存储工作，由于PLC为存储器配有后备电池，因此只要经常更换电池，系统库位编码信息一般不会丢失。系统再次启动后，PLC将读出存储器的编码信息并进行显示，进行下一次的存取工作。

4 结束语

本设计采用GE公司的RXi3系列PLC以及触摸屏来完成了自动化仓储系统的模拟和实现。特别是将分类编码技术运用到物流仓储领域，不但能够完成物品的查找以及定位功能，实现自动化仓储系统的标准化管理，而且采用编码的方式计算机以及其他的智能装置实现可以和PLC实现无线通讯，从而实现对系统的远程监控和管理。除此之外使用分类编码技术代替了通过传感器来检测库位的存储状态，增加了系统的稳定性，减少了传感器以及PLC扩展模块的使用，大大降低了系统的成本。特别是在大型的仓储系统中效果尤为显著，可以创造巨大的经济效益。通过对模拟系统的调试，实现了工业自动化仓储系统的要求，从而为该系统的工业实现提出了有利的理论依据。

参考文献：

[1] 唐吉成.动化立体仓库监控与管理系统开发[D].南京：南京航空航天大学，2010.

[2] 黄志雨，稽启春，陈登峰.物联网中的智能物流仓储系统研究[J].自动化仪表，2011（3）.

[3] 邵凝宁，蒋国华，杨欢.基于PLC的自动仓储系统设计[J].制造业自动化，2013（2）：32.

[4] 孔令中.现代物流设备设计与选用[M].北京：化学工业出版社，2006.

[5] 陈春宝，马正元.成组技术和分类编码技术在自动化仓库系统设计中的应用[J].工业工程与管理，2004（2）：93-97.

[6] 洪磊.基于编码的方式研究烟草自动化仓储物流系统[J].物流工程与理，2011（2）：24.

[7] 张永飞.可编程控制器应用技术[M].北京：中国电力出版社，2004.

[8] GE Rx3i 产品说明书 GFK2314-CN[E]