论文总字数：15617字

摘 要

在当今社会物流行业飞速发展，货物量的急剧增长导致仓库短缺，因此智能立体仓库的广泛应用势在必行。智能立体仓库系统主要分成两部分设计，一部分是硬件设计，一部分是软件设计。硬件部分主要介绍传感器设备和立体仓库的实现所需要的硬件设备，软件部分主要介绍西门子S7-200PLC编程软件实现智能立体仓库的I/O分配和梯形图，通过模拟仿真软件的仿真调试，智能立体仓库系统存取货动作均可实现。整个智能立体仓库系统的完成将解决传统仓库占地广、人工管理费用高、仓储量小的问题，这也使得智能立体仓库在未来将会成为中国物流业蓬勃发展的最好搭档。

关键词：PLC，S7-200，立体仓库，传感器

Abstract：In today"s society, the rapid development of the logistics industry, the rapid growth of freight volume leads to shortage of warehouse, so the wide application of intelligent three-dimensional warehouse is imperative. The intelligent three-dimensional garage system is mainly divided into two parts, one is hardware design, the other is software design. The hardware part mainly introduces the hardware and equipment needed for the realization of the sensor equipment and the three-dimensional warehouse. The software part mainly introduces the SIEMENS S7-200PLC programming software to realize the I/O allocation and ladder diagram of the intelligent three-dimensional warehouse. Through the simulation and debugging of simulation software, the access of the intelligent three-dimensional garage system can be realized. The completion of the whole intelligent three-dimensional warehouse system will solve the problems of the wide area of the traditional warehouse, the high cost of manual management, and the small storage capacity, which will make the intelligent three-dimensional warehouse the best partner of the flourishing development of the Chinese logistics industry in the future.

Keyword：PLC,S7-200,Stereo garage,sensor

1绪论

1.1 课题研究背景及意义

在现今“互联网 ”时代崛起，网络支付、网络购物都已成为时下潮流。紧抓时代脉搏，是致富发家的捷径，物流行业的春天就是从此而来。物流行业的兴起，带来了方便也带来问题。本次设计主要解决了仓库占地广，土地空间利用率低的问题，将大幅度削减货物仓储的成本。

2018年5月9日，唯链及普华永道联合发布的《2018中国区块链（非金融）应用市场调查报告》中受访者选出区块链技术最有应用前景的领域前三名分别为物流、政府项目和医疗。从这则调查报告中可以看出，物流行业已经成为了2018年人们非常看好的行业，而物流行业想要做大做强，仓储问题是他们必须面对的问题^[1]。对于一家面向全国的大型物流公司，在全国各地都会需要拥有属于自己的大仓库来存放货物，这样一来如果使用传统的库房去存储，势必会大大增加成本，如果单次货物量没有达到预期，就很有可能因为单次货物量少而无利润可赚，这样看不仅加大了成本更加大了风险^[2]。对于刚起步的物流公司来说，仓库和货车就是这家公司的命脉，缺一不可。如果使用传统仓库储藏，前期投入在仓库的资金会非常多，不仅提高了本行业的创业门槛，也让创业者承担了更多风险。但如果使用本篇论文提到的智能立体仓库，不管是大公司还是小公司，他们的利润都会成倍增长，成本则呈几何下降，如此事半功倍再加上行业前景紧俏，智能立体车库的使用率和发展也将会随着水涨船高^[3]。

为适应本国的致富的快速增长趋势，智能立体仓库在其中起到了至关重要的作用，此次设计使用PLC作为控制部分就是为了其灵活、方便的特点更适应其高速的脚步。国民对于财富的渴望使得他们对物流的依赖越来越强烈^[4]。物流增长值的增长继续快于服务行业的增长速度，如今的物流行业已成为促进发展的第三的产业，是推动着致富结构调整的重要举措。另一方面，由于国内的物流刚刚挣脱了计划致富的捆绑，目前还没形成一个较为完整的体制。而且，就目前来看智能立体车库还没有在国内获得大的推广和使用，主要是因为现在的国内经济体系在质量把控方面还有待提高，其次是智能立体车库系统对它的硬件设备也有些许要求，如果在硬件方面偷工减料，很有可能会酿成大的安全事故，所以只要不折不扣的按照设计参数来制造系统，安全和市场都是可以得到保障的。

1.2 课题研究现状

1）立体仓库的研究现状

由于50年代的中国经济发展不平衡性，导致立体仓库只能在发达城市有用武之地。而如今不同，因为网络购物和一带一路的飞速发展，使得中国许多地方也都富裕起来，也使得中国物流业蓬勃发展，在发展中仓储困难一直是行业难关，这样一来使用立体仓库就能很好的解决货物存储成本高、货物量大的问题。国外的立体仓库比国内要先进一些，国外主要是运用扫描技术，通过对货物编码来对货物进行监管，而此项技术也是我们国家可以学习借鉴的。而现今，许多媒体也在运用此项技术^[5]。

国内的智能立体仓库系统不足的地方还是有很多的，其主要是因为我们对于主机的集成能力低；因为资金不足，许多可以提供便捷的设备都无法实现，而立体车库的智能往往需要一些外设来进行辅助；还有仓储作业所使用的中央处理器等级太低。所以不管是从技术层面还是设备级别层面来看，我们要走的路都还有很长很长。

2）立体仓库的发展趋势

在未来，中国的智能立体车库系统会加入更多的个性化元素，越来越多的人会选择私人定制。为了适应更多的市场要求，智能立体车库的智能化程度也会随着客户要求不断改变，它会和许多只能外设连接起来，成为物联网中的一员，会成为人们生活发展中不可或缺的伙伴^[8]。所以总结来看，智能立体仓库的发展将呈现以下趋势：

1. 仓货物的存储过程的智能程度会越来越高。
2. 智能技术得到更多的使用。
3. 立体仓库使用领域更加广泛。
4. 智能立体仓库的设计会更加侧重安全和实用。

1.3 本课题的主要内容

本课题主要用的是PLC编程软件，在本次设计中只列举了两层两列，而在生活中可以根据现实情况向上累加，可以最大程度的利用空间。智能立体仓库的控制形式有三种，一是手动控制，通过点动的控制方式可以帮助完成系统检修和存取货动作。二是PLC单独控制，来让立体仓库系统自动按逻辑运行；三是上、下位机构成的完整监控系统的控制方式。这三种控制是智能立体车库的常用控制形式，最大程度提高了系统的便捷行和稳定性。

第一章为绪论，主要介绍立体仓库的发展现状和对现实生活的意义。

第二章主要介绍论文里涉及到的立体仓库的结构设计。

第三章主要介绍智能立体车库的硬件结构和设计。

第四章主要介绍智能立体车库的PLC软件设计。

第五章主要展示系统完成后的仿真结果。

2 智能仓库的整体设计

第一章介绍了智能立体仓库在当今社会的发展现状和发展趋势，接下来将介绍本次设计中的智能仓库的设计结构及工作原理，将体现出立体仓库的构造简单，成本低的特点。

2.1立体仓库系统的总体结构

智能立体仓库控制系统是通过上位机进行控制下位机进行监控的系统。此中的操作系统主要是由外设组成在接受指令后动作，PC机为本系统的核心，他会接受PLC控制部分发来的指令，经过编译之后发送给控制面板、显示器等操作系统，也可以给PLC发送指令，来控制电机、光电传感器等设备。

图2-1控制系统总体组成原理框图

整个系统的控制方式分为三种现场手动控制、PLC单独控制和上位机监控控制。手动控制主要是对载货板和搬运小车的控制，通过点动的方式完成；PLC单独控制是通过控制面板按钮让PLC逻辑控制；上位机监控控制是由计算机给出存取命令由PLC执行，同时仓库的运行状态实时反映在上位机上。三种方式可以任意选择。现场手动控制主要是在智能立体仓库进行维修调试或者是安装的时候，进行手动检测可以快速反映出症结所在，也能帮助更快的解决问题；PLC单独控制和上位机监控控制方式都是用在没有故障时的系统，PLC单独控制比上位机的监控控制的优先级要高。上位机与PLC的通信是应用上位机中通信软件对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置，以实现上位机串行口和PLC上的通讯单元之间的通讯连接。

2.2智能立体仓库系统的设计要求

在本次设计中，为了能够最大限度的实现方便快捷的使用特点，在设计过程中设置了3项设计要求，具体设计要求如下：

1）能用上位机上实现出立体仓库的状况，且能用下位机控制上位机。

2）能显示空仓位的目标仓位号，且从1开始依次的优先。

3）可通过上位机得知仓库的运行情况。

2.3系统创新点

相较于传统的仓库模式，智能立体仓库不仅占地少、空间利用率也高、智能化程度高，在仓库运营的过程中也能最大程度的节约人工，可以做到绿色节能，在繁华的城市中也能发挥最大的作用，可以有效的为城市节约土地资源^[9]。现列出智能立体仓库的优点如下：

1）智能立体仓库有很大的拓展空间。与传统大仓库相比，智能立体仓库可以充分利用上层空间，不用预留出仓储空间，普通的一个大厂房的占地可以放相较之前数倍以上的货物。

2）智能立体仓库可以实现个性设置。根据不同的场合不同人群，智能立体仓库的大小、外观、智能程度都可以定制，智能立体仓库系统会更贴近民生，成为人们在生活中必不可少的一部分。
随着国内致富的持续稳定增长和物流行业的迅猛发展，城市物流的货物量急剧增加，由于停仓设施不足带来的仓储难问题在国的大中城市日益严重^[10]。而智能立体仓库内部运行时，仓库不仅避免了货物混淆、丢失等意外情况发生，还在一定程度上保证了用户在拿取货物时的人身安全。在备受仓储问题困扰的繁华大都市中，智能立体仓库系统无疑不仅缓解了储藏量大的同时，还能做到低碳环保，节能减排，这无疑是智能立体仓库能够持续发展的重要保障。

2.4智能立体仓库的存取货工作过程

智能立体仓库的存货过程如下：

1. 司机可以将货车先开到立体仓库的入口处，按存货按钮后取卡，此时系统启动搬运小车与载货板复位至0层待客。司机将货物放上有搬运小车的载货板，光电开关闭合后语音提示响起，传感器在确认仓内无生物后，搬运小车夹持目标货物，载货板进入升降通道到达目标层。
2. 搬运小车将目标送至目标层的载货板，由目标层载货板横移将仓送至目标仓位前，然后由搬运小车将目标货送至目标仓位。
3. 送至仓位后，搬运小车的夹持机构收回，搬运小车回到载货板，载货板运回搬运小车至升降通道旁，搬运小车通过升降通道回到底层，等待下位顾客。

其存货的具体流程图如下图2-3：

图2-3 存货流程图

智能立体仓库取货的方式与存货有共同之处，但流程恰好相反，具体流程如下图2-4。

1. 司机可以将货车先开到立体仓库的入口处，刷卡后按取货按钮，此时系统启动搬运小车与载货板收到取货指令，前往目标仓位取货。
2. 搬运小车夹持着货物前往载货板，再由载货板运送至升降通道中，然后由升降电机将持有货物的搬运小车送至0层。
3. 待货物到达0层后，安全挂钩收回，司机将货物运送上车后，在出口处上交磁卡并交纳费用。

图2-4 取货流程图

3 智能立体仓库的硬件设计

以上两章节介绍了智能立体仓库的使用流程和发展潜力，而具体的实现方式就需要依靠PLC控制器来完成。PLC主要有硬件部分和软件部分，第三章将详细介绍立体仓库的硬件设计。

3.1系统硬件结构及主控制器PLC的介绍

PLC（Programmable Logic Controller）其中文名称叫做可编程控制器，是专门为工业生产而创造的一种控制器。具有例如定时、逻辑运行、内部数据和程序的存储等等。它可以通过通信口向外部设备发送模拟或数字指令，也可通过外部设备来接受指令将指令转换成模拟或数字信号，是工业控制的核心。而且，随着计算机技术、信息处理技术和网络技术的发展，PLC的系统也在不断更新，已经不再局限于逻辑控制，在其他控制上也有非常重要的作用。

3.1.1系统硬件结构设计

PLC主要是由通信接口、输入接口、中央处理单元、输出接口等部分组成，其中CPU是PLC的核心，I/O部件口是连接现场的设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器和上位机连接，具体如下图3-1所示。

图3-1 PLC硬件结构

PLC是由很多部分组成的，中央处理器CPU会对收到的指令进行处理，在S7-200中设置了许多个型号的CPU，其目的是为了满足不同的设计要求和工作环境。存储器主要是用来存放系统的运行程序和用户的一些个性化程序，还有部分监控的工作状态数据。目前，存储器的种类繁多，可以从多个角度进行划分。一般的RAM单元可以进行数据和程序的写入和读出，但是一旦断电就会失去所有的数据，会给人们带来许多不便。于是人们在PLC中加入电池或者充电电容，可以确保存储器在短时间里失电也不丢失数据。通信口不管是对于S7-200还是其他系列的PLC编程软件都具有不止一个，它是CPU与外接设备相连的纽带，它可以将中央处理器的指令传送给外设，也能从外设方获得指令反馈给中央处理器。I/O口在主机的模板上有但是数量不多，一般人们会加入更多的扩展I/O口来实现系统功能，这样可以保证主机模块的大小不会因为I/O口设置过多而显得庞大，给出行携带和安装带来。

3.1.2 PLC工作原理

在本次设计中，PLC的使用是最频繁的，也是最重要的。在进行设计之前，有必要认真了解S7-200PLC软件的工作原理，通过对文献的查阅可以知道PLC的CPU连续执行用户程序、完成控制功能是以扫描工作方式进行的。其中提到的扫描工作方式，就是CPU在处理指令时，是按照顺序逐级向下运行的。

PLC控制器作为控制系统核心，电源开关、紧急停车、手动按钮都是智能立体仓库系统的手动控制部分，传感器、光电开关等设备所反馈的信息可以作为PLC控制的输入，控制面板按钮就是上、下位机监控控制。

在整个系统运行的过程中，用户可以打开状态表来对程序的运行进行监控，可以通过强制操作来修改用户在程序中的变量，从而起到模拟的效果。用户也可以跟踪程序的输入输出或者变量，显示它们的当前值。

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