现代物流信息的高速发展，企业对物料的储存及搬运的高效化、便捷化要求也越来越高，因此自动化立体仓库的要求也越来越高[1]。现代化的自动立体仓库多是运用机械和电气控制等多种形式共同组成的。整体的流水线能够从货物的存储到传递以及管理等很多方面完成工作[2]，能够实现仓储立体仓库的高层合理化、存取自动化，操作简便化。立体仓库的设计推动物流业的发展，存在较高的研究价值。

本文设计的立体仓库控制系统由4*4共16个储货仓位和输送线（输送线上有出料载具）组成。通过使用西门子SMART PLC控制可实现对立体仓库手动和自动两种工作方式。自动工作方式通过上位机控制货物的出/入库，手动工作方式可以实现水平轴、垂直轴以及气动抓手的运动，利用伺服电机可以实现精确定位。

立体仓库控制系统主要由5部分组成，包括：PLC控制单元、货架、堆垛机、输送线、上位机组态单元。采用以传感器等基础为感知技术，实现对出料载具的感知、定位。仓库的所有库位状态都会由上位机组态进行监控，以及控制货物的出入库。

自动化立体仓库控制系统主要实现以下功能：(1)入库操作：依次从货架中的托盘上取出货物放到出料载具中；(2)出库操作：依次从出料载具上将货物存放到货架中的托盘中；(3)实现气缸的旋转-伸出-夹紧-缩回-旋转-伸出-松开等操作；(4)通过上位机控制出库/入库等操作，并实时监控操作过程。

控制要求：PLC上电时要有回原点操作，这样可以给堆垛机有工作的参考点，同时可以消除累积误差。为了便于系统的日常维护，控制系统设计有手动/自动两种操作方式。手动控制方式主要是对堆垛机的水平轴、垂直轴以及气缸气动抓手的伸缩、旋转、夹放的控制，水平、垂直运动由伺服电机驱动，气动抓手由气缸驱动；自动控制方式主要是用户在触摸屏上选择出入库指令，以实现货物的自动出入库控制，并对设备运行状态进行实时监控。为了运行中的安全，两种操作方式为互锁关系[3]。

控制器：PLC控制器是整个自动化立体仓库的核心，需要通过网线将PLC程序下载到PLC内部，由PLC实现自动化控制。SMART 200系列PLC是首选的低成本的电机控制（伺服、变频）PLC，具有丰富的集成功能、强劲的通讯能力、极高的性价比。该PLC控制单元由西门子公司的S7-200 SMART ST30构成。ST30 PLC输出为晶体管型，因晶体管反应速度快，故输出端能发射出最多3路高速脉冲，能同时实现3轴定位控制，可用于驱动步进伺服电机。

步进电机及驱动器：(1)步进电机的选择和堆垛机有关，堆垛机的动作主要分为水平轴、垂直轴的运动，步进电机是实现水平和垂直运动的主要动力来源，这是由步进电机进行矢量移动的特点决定的。采用雷赛科技L5-400Z ACM6002L2H-10-8伺服电机。与步进电机相比，L5系列交流伺服系统避免失步现象、宽速比、恒转矩、高速度、高精度、控制简单、灵活等优点；(2)运动量场合，晶体管CPU模块不能直接驱动步进电动机或伺服电动机，需要配有驱动器。驱动器采用和伺服电机配套的雷赛科技DM542-500驱动器，是深圳市雷赛智能控制股份有限公司自主研制的新一代全数字交流伺服系统，用于实现系统的精确定位。

SMART PLC具有脉冲输出功能，在运动控制系统中，伺服电机是很重要的精确定位装置，而控制伺服电机需要使用脉冲输出。ST30的CPU内置脉冲串输出提供了三个脉冲输出通道（Q0.0、Q0.1和Q0.3),PLC脉冲输出指令只可以进行简单的脉冲输出，如果需要对伺服电机进行复杂的绝对定位控制时则需要使用S7-200 SMART PLC的“运动”程序向导组态伺服电机或步进电机（运动轴）的运动控制，组态完成后使用MAP库指令进行调用。

气动抓手：PLC控制气缸运动是通过控制电磁阀线圈的通断，然后通过电磁阀中的气路输出来控制气缸的活塞运动；另外气缸上装有磁性开关用来反馈气缸所处的位置。气动元件除了常规气缸以外还有很多其他元件比如旋转气缸、滑台气缸、无杆气缸、真空吸嘴、吸盘、电磁阀、比例阀等等。该系统中上料工位使用的电磁阀为最多。

编程软件简介：STEP 7-Micro/Win SMART是西门子开发的SMART 200系列PLC的组态、编程和调试软件,它工作在Windows平台下。一次可将STEP 7-Micro/Win SMART的一个实例连接至一个S7-200 SMART CPU。STEP 7-Micro/Win SMART用户界面提供多个窗口，可用来排列、编程和监控。

根据本控制系统的功能和要求，得PLC的I/O地址分配如表1所示：

表1 I/O地址分配表     下载原表

程序流程设计是控制系统编程的基础。根据控制系统的功能要求，本系统的程序流程主要包括1个主程序和4个子程序。在主程序中主要完成系统初始化、输出控制等功能。4个子程序分别为出库、入库、手动控制、与伺服电机的控制程序，分别完成立体仓库的自动出入库与手动控制等操作。货物的出入库要实现精确定位，主要是控制伺服电机的运动，通过PLC对伺服电机发送脉冲信号来实现。将16个仓库的实际距离作为其坐标。在PLC软件“运动”控制向导中设置电机每旋转一圈需要10000个脉冲，电机移动1cm,PLC根据仓库的实际坐标位置发出对应的脉冲数，从而实现精确定位。立体仓库货架坐标如图1所示。

图1 立体仓库货架坐标   下载原图

控制系统的流程如图2所示。系统操作流程可以表述为：PLC上电后，数据进行初始化。按下启动按钮，进入各个子程序。当PLC接收到上位机发出的手动控制方式，则进入手动控制子程序，对水平、垂直轴运动、气动抓手进行手动操作；接收到自动控制方式，则进入自动模式。自动模式下，在上位机上选择出库/入库指令。(1)若选择出库指令：首先进行回原点操作，然后对1号仓库位置以及出料载具位置进行货物检测，检测到仓库位有货、出料载具位置无货则进行绝对位置定位并移动，否则报警处理，当水平、垂直轴移动到仓库位置后，气动抓手进行旋转-伸出-夹紧-缩回操作，这时已取到货物；然后对出料载具位置进行绝对位置定位，伺服电机驱动水平、垂直轴到达出料载具位置后，气动抓手执行旋转复位-伸出-松开工件-缩回操作。这时货物已在输送线上的出料载具上，输送线运动进入下一工位。当出料载具又到位（货物检测光电开关为高电平）且出料载具位置没有货后，继续2号仓库货物出库，依次循环。直到16号仓库货物出完库，按下停止按钮，结束操作，出库完成。(2)若选择入库指令：首先进行回原点操作，然后对出料载具位置以及仓库位进行货物检测，若检测到出料载具位有货、仓库位无货则对出料载具位置进行定位并移动，否则报警处理，当伺服电机驱动X、Y轴到达位置后，气动抓手开始执行伸出-夹紧-缩回操作，这时已经取到出料载具上的货物；然后对1号仓库位置进行定位并运动到仓库位置，当到达后，气动抓手开始执行旋转-伸出-松开工件-缩回-旋转复位操作，这时货物已经放入到1号仓库中。当下一个出料载具到位（货物检测光电开关为高电平）且检测有货后，继续入库，从1号仓库到16号仓库依次循环。直到16号仓库货物入库完，按下停止按钮，结束操作，入库完成。

图2 系统控制流程图   下载原图

控制系统组态与编程是在程序流程设计的基础上，在STEP7软件中进行设计的。首先对所选的硬件进行组态，如图3所示。硬件组态的目的是生成1个与实际硬件系统完全相同的系统，硬件组态包括CPU型号、扩展模块和信号板的添加。以及相关参数的设置为了编程和调试以及理解方便，控制系统采模块化编程结构，PLC上电后首先运行主程序，在主程序中根据不同的要求再调用其相应的子程序，实现其对应的功能[5]。编程过程中部分梯形图如图4、图5所示。

系统监控采用了北京昆仑通态MCGS组态软件，用于快速构造和生成上位机监控系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制；MCGS组态软件包括三个版本，分别是网络版、通用版、嵌入式版[4]。本系统采用MCGS嵌入式版，它包括组态环境和运行环境两部分，还带有一个模拟运行环境，用于对组态后的工程进行模拟测试，方便用户对组态过程的调试。

在MCGS组态软件中，首先要进行设备组态，注意本地IP地址要和PLC IP地址在同一个网段内；然后在用户窗口中新建欢迎界面和演示画面两个窗口，对其进行界面设计与动画组态属性的设置，使图形对象与实时数据库的数据对象进行有效连接；最后进行组态检查、下载工程并进入运行环境进行模拟测试[4]。演示窗口界面主要是出/入库操作与状态显示、手动/自动操作、气动抓手状态显示等功能，在上位机上可以实现操作，如图6所示。

图3 控制系统硬件组态   下载原图

图4 出库操作部分梯形图程序   下载原图

图5 X轴伺服电机运行梯形图程序   下载原图

图6 上位机监控界面   下载原图

系统运行调试是对PLC程序和组态监控系统功能是否达到控制要求的检验。将梯形图下载到PLC中，对梯形图程序调试，组态界面下载到触摸屏并进行监控功能的调试；检查通讯无误后，再整体调试，对调试过程中出现的问题一一排查，不断修改和完善，直至调试成功[5]，可实现触摸屏对立体仓库的出/入库的控制。

经过不断的调试，立体仓库系统实现了预期要求功能：(1)实现了货物的自动出/入库，还可以对立体仓库进行手动控制；(2)实现了利用上位机进行控制操作与监控；(3)实现了堆垛机的精确定位。随着科技的不断进步，促使自动化立体仓库也在不断朝着小型化、智能化、专业化、便捷化方向发展，在今后的设计中必须提高系统的反应速度，这样才能更好地提高立体仓库堆垛机的性能.