【学习笔记】模拟设计（10）：基于RFID与PLC的仓储物流系统设计

2016年微型机与应用第08期

作者：唐广耀，李勇，张以帅，赖惠鸽

 摘要：针对现今仓储管理作业具有多样性、复杂性的特点以及传统仓储物流管理效率低下的现状，设计了基于RFID、PLC和数据库相结合的仓储管理系统，并开发了相对应的应用软件。上位机将货物信息写入电子标签中，RFID读写器可以读取电子标签上的货物信息，PLC根据写入的仓位信息控制堆垛机自动实现货物的出入库。该系统具有操作简单、使用方便、自动化程度高等优点。

0引言

　　随着仓储物流行业的快速发展，及时正确地进货和发货将有利于减少企业的物资管理成本，提升企业的竞争力。当前的仓储模式利用手动扫描条形码来记录货物的出入库信息，存在条形码容易磨损、内容无法更改、存储容量较小等缺点，使得现在的仓储模式已经不适用于社会大物流大数据的工作特点。仓储过程还需要投入大量的人力物力，既费时又费力，人们急切需要自动化水平高、维护方便的仓储管理方式［1］。RFID技术是自动识别技术中的一种，已在烟草、医疗等多个领域得到了广泛使用。本文将RFID技术运用到物流行业中，设计出了一套基于RFID的仓储物流系统。

1RFID对现代仓储物流的意义

　　仓储管理不仅是物流管理的核心，而且对企业来说也扮演着关键的角色。仓储会存在于货物生产、销售、流通的各个环节中，是保障加工或运输顺利进行的前提，是保证货物进入下一环节时完好无损的条件，为货物能够最终顺利流入市场保驾护航。

　　在传统的仓储管理模式下，需要用条码扫描器逐个扫描产品上的条码，当货物出入库时，需要停止等待扫描，扫描时工作量大，还可能存在漏扫、重复扫描等情况，扫描工作效率低下。同时货物信息的录入大都采用手动录入的方式，库存盘点效率不高［2］。

　　RFID技术作为近年来发展较为迅速的识别通信技术，与传统的条码识别技术相比，具有传输速度快、存储数据量大、可重复使用等优点。RFID技术应用到仓储物流管理中，可以使仓储管理系统化、信息化、快速化，不但可以降低人为操作的错误，提高物资管理水平，可以从根本上解决仓储过程中效率低下的问题，而且可以减少库存积压，缩短物流的周转周期。

2系统总体方案设计

　　2.1系统原理

　　RFID是整个仓储物流系统核心的信息载体，承载的数据信息包括货物名称、种类、规格、型号、存放仓位号、出入库时间等。RFID在仓储物流管理系统中的主要作用是针对货物的到货、入库、移库、出库时的数据，通过对数据的自动采集，对相应的货物进行货名、数量、位置信息的分析，根据数据整合，经过技术手段找到提高企业物流管理效率的方案。其基本原理如图1所示。

　　

　　2.2结构设计

　　系统的实现是以电子标签为信息载体，通过固定型RFID读写设备作为信息采集设备，PLC为控制器，堆垛机为执行机构来完成货物的出库与入库动作，立体仓库则用来存放货物，操作机和数据库实现货物的订单管理。

　　当带有电子标签的货物托盘到来时，仓库操作人员完成货物的入库检验后，开始进行入库操作。入库货台的RFID读写器将入库信息和仓位号写入电子签;PLC根据仓位号控制堆垛机将货物运送至要求的仓位号处；仓库管理人员可以通过数据库和操作机完成在库货物的盘点和查询工作；仓库管理人员根据客户订单通过PLC控制堆垛机完成出库操作［3］。系统结构如图2所示。

　　

3硬件系统构成

　　3.1RFID射频识别系统

　　RFID（Radio Frequency Identification）技术是20世纪90年代新兴起来的一项自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）的传输特性，实现对识别物体所携带信息的自动化提取与识别。在这一实现过程中，不需要人工干预，不需要识别系统与目标之间建立机械或光学接触，并且还可以保证数据的准确性和时效性 ［4］。

　　射频识别系统由应用系统、RFID读写模块、电子标签、天线等部分组成，如图3所示。

　　

　　电子标签通常由耦合元件和芯片组成，每个电子标签有唯一的数据编码，因此它可附着在货物上用来识别目标。RFID读写器通过射频天线发射一定频率的信号，当电子标签进入到阅读器所发信号的范围内时，电子标签便会产生感应电流，从而使电子标签本身激活；电子标签利用感应电流将所储存的数据开始进行编码，并通过自身的内置天线将编码发射出去；RFID读写器收到电子标签所返回的载波信号，经过解调后将数据发送到处理器中进行处理［5］。

　　3.2立体仓库

　　立体仓库的主要作用是实现货物的存储作业，整个系统功能的实现依赖于立体仓库。其控制界面如图4所示。

　　

　　立体仓库由堆垛机、仓库基体、储物货台、出入货台、检测传感器等部分组成。堆垛机是立体仓库的核心；仓库基体是立体仓库的基础设施；储物货台用于货物在立体仓库中的存放；出入货台的主要作用是实现出入库时货物的暂时放置；检测传感器可以判断货仓中货物的有无，PLC根据其判断就可以实现对应仓位号上货物的出库和入库操作［6］。

　　堆垛机通过对货物的存、取和转移，从而实现入库、出库和移库操作。它由机架、货叉伸缩机构（Z轴）、水平运行机构(X轴)、提升机构（Y轴）、载货台和电气控制系统组成。水平运行机构和提升机构共同作用使堆垛机到达货位和指定仓位号处，货叉伸缩机构和提升机构共同作用完成货物的存取操作。

　　X轴和Y轴动作是在伺服电机和伺服驱动器的共同作用下完成的，Z轴运动由三相异步电动机和变频器控制，可以满足堆垛机的快速行走、高精度定位要求。

4系统功能

　　基于RFID技术的仓储管理模式的关键在于：进入仓库的货物上带有电子标签，同时把RFID 阅读器安装在仓库的入口处，在货物开始入库时，读写模块扫描标签，从而得到货物的信息。同样，把RFID设备装在仓库的出口处，可以对货物进行跟踪。因此，货物从入库到出库的整个过程中，系统都可以实现对货物的管理。可以通过上位机软件对系统进行可视化管理。订单查询界面如图5所示。

　　系统功能的实现可以分为手动操作和自动操作。在自动操作过程中，系统可以连续实现入库、出库、盘点等作业。下面以自动入库为例来详细说明其运作流程，货物图7PLC外部接线图入库流程如图6所示［7］。货物的出库作业与入库作业类似，可参考入库操作。

　　（1）收货员根据入库货物清单对货物进行数量、规格等信息的核对。核对无误后输入入库单号，如有错误通知相关人员进行处理。

　　（2）管理员利用RFID技术读取检验合格货物上的电子标签上的信息，读取完成后输入货物的相关信息。

　　（3）货物验收完成后，仓库管理系统根据货物库区和存储位置的分配，准许入库货物完成上架操作。

　　（4）更新电子标签上的信息，与此同时，在数据库系统中生成相应的入库信息，并将入库结果传到数据库系统中。

　　在系统自动入库的过程中，无需人工的干涉，节约了劳动力，降低了企业的运行成本，并且整个过程可以循环执行，同时可以对电子标签上的数据信息进行实时的读取和更新，使相应的数据快速、准确地录入到数据库中。

5PLC控制系统设计

　　堆垛机控制系统采用西门子S7-1200系列中小型PLC， CPU 1214C 作为控制核心，它集成14输入/10输出共24个数字量I/O，可连接8个信号模块，2 个通信模块 (RS232/RS485)，用于通过点对点连接进行的通信。它内置一个PROFINET端口，借助PROFINET网络，CPU可以与HMI面板或其他CPU通信。同时，作为西门子推出的一款紧凑型控制器，它具有体积小、抗干扰能力强、成本低廉功能强大等优点［8］。

　　S71200 CPU输出脉冲信号和方向信号至伺服驱动器，伺服驱动器再将CPU输入的给定值经过处理后输出到伺服电机，控制伺服电机加减速并移动到指定位置。CPU提供了两个输出通道用于高速脉冲输出，通过对轴的组态和相关指令块的组合使用，可实现绝对位置、相对位置、点动、转速控制的功能［9］。PLC的外部接线图如图7所示。

　　在伺服电机的控制电路中，伺服电机1驱动器的脉冲信号和方向信号分别由Q0.0和Q0.1提供，伺服电机2驱动器的脉冲信号和方向信号分别由Q0.2和Q0.3提供。

6结论

　　本文详细介绍了仓储物流系统的总体结构、硬件设计及软件实现。在整个仓储物流过程中，RFID技术与PLC技术密切结合，能够有效地完成货物从入库、堆垛、库存管理到出库的过程，提高了仓储物流管理系统的自动化水平，提升了工作效率，大大减轻了操作人员的劳动强度，有效降低了仓储管理的运行成本。通过实践证明，该系统具有良好的稳定性和可靠性。

参考文献

　　［1］ 任颖洁.借鉴国外仓储管理经验、完善我国仓储管理的信息化［J］.中国商贸，2011（6）；7778.

　　［2］ 梁竞雅,张俊波,涂振宇，等.基于有源RFID的电器开关识别和控制电路［J］.微型机与应用,2014,33(2):2124.

　　［3］ 魏福鹏，乔铁柱. 基于分治思想的恒速升温PLC控制系统设［J］.工矿自动化，2015，41(11)：7880.

　　［4］ LEEMA A A, HEMALATHA M. Proposed prediction algorithms based on hybrid approach to deal with anomalies of RFID data in healthcare［J］. Egyptian Informatics Journal, 2013,14 (2)：6064.

　　［5］ 马昀骅，关宝璐， 万培元，等. 智能交通RFID与视频双机识别系统［J］.电子技术应用.2015，41(10)：6264.

　　［6］ 周炯亮，郑安平，陈青华.基于PLC控制的自动化立体仓库的设计［J］.仪表技术，2011（6）：1820.

　　［7］ 张馨予. RFID技术在仓储管理中的应用［J］.自动化与仪器仪表，2014（11）；8789.

　　［8］ 廖常初.S71200 PLC编程及应用（第二版）［M］.北京：机械工业出版社，2010.

　　［9］ 李庆梅，瞿新.基于PLC的自动立体仓库运行系统设计［J］.煤炭技术，2013，32（12）：178179.