基于PLC的立体仓库堆垛机控制系统设计.doc

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1、摘 要本次设计主要是利用PLC实现对智能仓库中货物定位与存取的工艺流程的自动控制。实现设备和设备间的联锁，并实现工艺规定的机械作业流程。本设计主要涉及PLC的定位控制系统的控制方案、控制设备选型及软件设计。定位控制系统的工艺流程分为4部分，分别为：小车前进的过程，抬升货物的过程，存取货物的过程以及返回的过程。根据工艺流程及定位控制系统的设备情况，确定控制方案为PLC控制系统。PLC控制系统可靠性高、抗干扰能力强；应用灵活、编程方便、功能强、扩展能力强、安装调试方便，易于维护。本次设计首先根据智能仓库定位自动控制系统的工艺要求，根据系统工艺要求进行PLC控制系统的设计。该系统占用45个点数字量I

2、/O，它最大具有256点的I/O处理能力，综合多个方面的考虑，选择了西门子S7-200系列的CPU224，该设备通讯能力强大，能够较好的与上位机进行联网。软件设计采用模块化选择控制方法编程，该程序能够很好的实现控制系统的各项要求，程序结构清晰，简单，易于现场操作人员学习、使用、及维护。关键词：PLC可编程控制器；定位控制系统；智能仓库；ABSTRACTThis design is main in use PLC to achieve the systemprocess automation which name is the process conditions of intelligence

3、 stocks fix a position choose take or get goods. this design is to bring out interlock from equipage to equipage and bring out the whole system of the work of mechanism in the systemdemand. the design is relate to control-program of fix a position control system in PLC. choose tape of equipment of P

4、LC and software design of the system.There are 4 part in the flow path of the whole system which name is the process of machine go forward, the process of machine to lift , the process of machine retreat，the process of machine go back. on the basis of the conditions flow path and condition of fix a

5、position control system of the equipage, PLC control -program is the main control programme in the system. PLC control-programs advantage is it which in good dependable and in good resistance，it can apply flexibleiy. PLC control-program is easy to make program and in good function.its expandance is

6、very good.it is easy to install and text.it can keep in good repair.so it is a good control-program.The first step of the whole design system is to know the system demand of grain allocate and transport, on the basis of systemdemand it is time to draw the port of detection and start to design the PL

7、C control-program system.the second step is to choose the right CPU.because the system has 45 I/O port .in the part, I thought of every thing about the grain allocate and transport system, so I choose CPU224 of siemens s7-200 .it possess 256 I/O port.CPU224 has good capactity of communication and it

8、 can keep in good touch with up-bit machine on net .software design is use the way of the form of models in section, it is bring out the systemdemand very well. it can make the program clearly. it is easy to make people study and keep in good repair.KEY WORDS：plc, position control system, intelligen

9、ce stocks前言堆垛机定位自动控制系统是近年来国内外发展迅速并得到越来越广泛使用的一种新型仓储方式。堆垛机定位自动控制系统是自动化生产的重要组成部分，用于存储配件、半成品、产品、工具、夹具和模具等。堆垛机定位自动控制系统是现代物流与仓储系统的重要组成部分。堆垛机定位自动控制系统集机械电子控制计算机通信网络、传感器和自动控制等多种技术技术于一体，具有科技含量高，货物存取效率高和自动化程度高等优点。堆垛机是自动化立体仓库中的主要设备，堆垛机控制系统的工作效率、可靠性及稳定性等的优劣在自动化立体仓库系统中起着至关重要的作用。而可编程控制器PLC对巷道堆垛机实施自动控制，来完成货物的自动入库、出

10、库、盘库等作业。因此堆垛机PLC控制程序的优劣直接影响着整个自动化程序及各项质量性能指标，如系统工作效率、系统可靠性、系统可操作性等。而PLC功能强大，可靠性高，抗干扰能力强，维修方便，易于实现机电一体化。完全满足堆垛机定位自动控制系统工作环境和控制系统的要求。毕业设计是我在校期间的最后一次综合理论和实践进行设计，是对专业课程各方面的知识一次运用实践。在这次设计中通过老师的指导和查阅相关资料结合自己本身所学的知识来进行实际操作，也是对我所掌握的知识的一次考验。通过本次设计，培养自己对PLC的灵活运用和独立分析解决实际问题的能力。智能化测控制设备和产品广泛应用到各个领域，PLC技术产品和设备促进

11、了生产技术水平的提高。企业迫切需要大量熟练掌握PLC技术，并能开发、应用和维护管理这些智能化产品的高级工程技术人才。企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得堆垛机成为生产物流系统中的一个重要且不可缺少的环节。为满足现代化生产与流通的需要，就必须采用以计算机控制技术为主要手段组成的自动化立体仓库。自动化立体仓库为现代物流系统的主要设备，是一种多层存放货物的高层仓库系统，它需要通过堆垛机定位自动控制系统来完成。随着PLC应用技术的迅速发展，S7-200系列PLC可以满足多种多样的自动化控制的需要。由于它具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格、丰富的功能模块以及强大的指令系统，使得可以近乎完美地满

12、足小规模的控制要求。本章以一个堆垛机定位自动控制系统的设计为例，介绍基于S7- 200PLC堆垛机定位自动控制系统的设计方法。目 录内容摘要 前言1第一章 绪论4第一节 智能立体仓库发展现状4第二节 本课题主要研究内容4第二章 软件设计6第一节 控制系统PLC程序流程6第二节 控制系统软件设计及其程序说明 7第三节 控制功能块17第四节 故障检测与处理功能块18第五节 通信功能块19第六节 键盘输入和显示功能块21第三章 硬件设计23第一节 硬件设计控制原理分析23第二节 硬件设计PLC选型及其资源配置24 第三节 堆垛机的控制方式27 第四节 堆垛机工作环境29 第五节 位置定位29 第六节

13、 速度控制30 第七节 变频调速系统控制31第四章 系统调试32第一节 S7-200仿真软件简介32 第二节 程序调试33第五章 系统总体设计36第一节 系统工作过程36第二节 系统软件功能36第三节 系统硬件功能36总结38致谢39参考文献40电气工程系毕业论文（设计说明书）第一章 绪论第一节 智能立体仓库发展状况美国学者J.A.White将自动化技术在仓储领域(包括立体仓库)中的发展分为五个阶段1：人工仓储阶段、机械化仓储阶段、自动化仓储阶段、集成化仓储阶段和智能化阶段。其中智能自动化仓储在九十年代后期以及二十一世纪的若干年内，将是仓库自动化技术的主要发展方向。1.1立体仓库未来的发展趋势

14、自动化程度不断提高，近年来采用可编程控制器(PLC)和微机控制搬运设备的仓库和采用计算机管理与PLC联网控制的全自动化仓库在全部立体仓库中的比重不断增加。大型自动化仓库系统己不再是发展方向。为了适应工业发展的新形势，出现了规模更小，反应速度更快，用途更广的智能立体仓库系统。应用领域日趋广泛，从制造工厂、商场、机场、港口、军需部门到地下室冷库等各行各业均有采用。仓库存储货物品种也日益多样化，除了大多数仍是制成品外，储存品种越来越多。提高仓库运转的可靠性与安全性。在仓库自动控制与信息传输中采用高可靠性的硬、软件，增强抗干扰能力。国外智能立体仓库这方面发展的一个方向是普遍采用扫描技术，使货物的存取和

15、发送信息做到快速、实时、可靠和准确。1.2立体仓库在我国的发展随着国民经济持续快速发展，我国物流也呈现出快速增长的势头。国民经济发展对物流的依赖程度越来越高。物流增加值增长继续快于服务业的发展速度，现代物流已经成为加快发展第三产业，推动经济结构调整的必不可少的重要措施。另一方面，由于我国物流刚刚摆脱计划经济体制的束缚，目前还没有形成一个比较完整的体系。另外，我国物流企业与物流组织的总体水平低，设备陈旧，损失率大、效率低，运输能力严重不足，效率偏低，制约了物流的发展。因此，从总体来说，我国的物流的发展仍处于起步阶段。第二节 本课题主要研究内容由于堆垛机PLC控制程序对整个系统自动化程度和各项质量

16、性能有着很重要的影响，因此根据堆剁机的自动控制需考虑其运行特点，并采用不同的编程方法。 本论文分为硬件部分和软件部分，但是由于软件对整个控制的重要性将会主要对软件部分进行阐述。本论文分为硬件部分和软件部分，但是由于软件对整个控制的重要性将会主要对软件部分进行阐述。当今社会“仓储”、“物流”等概念已经逐渐为广大公众所了解，其相应的管理技术也在许多大、中型企业中付诸实施。计算机自控技术的飞速发展，为现代企业的物流管理提供了重要的技术支持。智能立体仓库就是自控技术在物流管理上的一个很好的应用。智能立体仓库不仅具有节省用地、减轻劳动强度、提高物流效率、降低储运损耗、减少流动资金积压等功能，而且在沟通物

17、流信息、衔接产需、保证生产均衡、合理利用资源、进行科学储备与生产经营决策等方面发挥着独特的作用，使人们真正享受到现代计算机技术应用于企业物流管理的益处。智能立体仓库是融计算机网络数据库管理技术、自动控制技术、通讯技术、机电技术为一体的综合系统，科技含量高，具有一定的复杂性。堆垛机或称巷道车是智能立体仓库的主要存取设备，直接执行出、入库等任务的操作，因此其控制系统的灵活性、稳定性直接彰响着整个系统的运行状况。PLC即可编程逻辑控制器，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置。它具有可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单等优点，已广

18、泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。第二章 软件设计第一节 控制系统PLC程序流程根据2.3节系统控制过程的介绍，可以总结出基本的程序流程如图4-1所示。启动主程序初始化过程仅在启动时完成自动运动方式选择运动方式判断定位程序是选择运动方式是否已经到位置运行到位标志结束主程序是否图4-1 程序流程图 第二节 控制系统软件设计及其程序说明 定位自控系统PLC程序说明程序运行步骤如下。（1）初始化在程序的第一个扫描周期（SM0.1=1）设置重要的参数。（2）运行按下设备的“启运”（START）按钮开始运行，首先调用子程序检测位置信号，取得当前位

19、置记数，然后将位置计数存入在变量VD100（行记数）、VD120（列记数）中，以便程序判断是否已经到达指定的位置。1、程序初始化程序初始化由网络1和网络2完成。（网络是PLC梯形图的一个基本单位，通常可以理解为一个程序行。）这是一段简单的初始化过程程序，S7-200只读特殊内存SM0.1，只有在首次扫描循环时打开，所以这段初始化程序只在程序开始运行的时候执行一次。这里执行的两条指令对变更VW102以及VW132进行初始化，这两个变量分别为小车运行中所经过的行计数以及列计数。由于要涉及到小车完成任务的过程以及完成任务以后返回的过程，所以程序在执行的过程中必须要明确其运动方式和目的，是前进或后退运

20、动、升降运动或者是机械手臂的伸缩运动等。因此，在以下的程序中，每一个运动过程都必须加上很明确的标志和条件限制来确定其运动的方式和运动的目的，这样才不至于因为目的不明确而造成错误的判断以及错误的动作，造成存取货物的失败。网络1的梯形图如图所示。网络1的实现代码如下：LD SM0.1/仅在首次扫描时SM0.1才为1MOVW +0,VW102/清除行位置记录变量VW102MOVW +0,VW132/清除列位置记录变量VW132网络2的梯形图如图所示。网络2的实现代码如下：LD SM0.0/CALL singal 2、列向自动运行面是一段小车沿列向自动运行的程序，由网络3和网络4完成。在这段程序中，首

21、先要考虑的问题就是：小车处于前进或者是存入货物的过程，还是完成了预定任务返回的过程。但是由于PLC程序的执行特点是逐行扫描，所以仅仅判断小车是处于前进过程还是返回过程是不够的，因为在返回过程中，还有机械手臂从货架上缩回、机械手臂下降到初始位置等几个过程，所以说，必须要在程序中能够将这3种完全不同的运动区分开来。根据这种要求，在编写程序的时候加入了3个不同的BOOL类型的变量M20.1、M20.3、M20.5，分别作为小车沿列向运行到位标志、机械手沿行向运行到位标志、机械手货架到位标志。当变量为ON时，表示已经完成了该项动作，为OFF时表明小车还没有完成对应的运动。Q0.0是开关量输出，表示启动

22、小车前进，小车开始向前运动。在这里，笔者认为自动控制不需要控制小车的向后运动。当小车还处于取放货的动作未完成的阶段时，需要判断的是小车是否已经完成了列的定位，如果未完成列的定位（M20.1为OFF），那么启动小车前进的电机，使小车向前运动。如果小车处于完成了取入货的动作时，那么判断小车是否已经完成了由货架上返回（伸缩机械手的运动）、是否已经完成了由指定行数退回初始行位置的运动（如果完成，小车应该是第一行以下的位置）。如果小车这两个过程都已经完成，那么将开始进行后退运动，Q0.2表示启动小车后退电机，使小车向后运行并返回初始位置。网络3的梯形图如图所示。网络3的实现代码如下：LD SM0.0/S

23、M0.0上电以后自动置为ONLPSAN M20.7/如果M20.7值为OFF，那么认为是处于执行动作的过程中AN M20.1/如果M20.1值为OFF，那么认为小车第一种运动-前后列向运动还没有完成A M0.0/如果M0.0值为ON-START RUN状态A M10.0/如果M10.0值为ON-自动运行状态S Q0.0，0/那么将置Q0.0为ON，Q0.0为小车前向运行输出LPPA M20.7/如果M20.7值为ON，那么认为小车处于执行动作完毕，返回途中AN M20.5/如果M20.5为ON-机械手已经由货架上返回AN M20.3/如果M20.3为ON-机械手已经下降到初始位置A M0.0/

24、如果M0.0值为ON-START RUN状态A M10.0/如果M10.0值为ON-自动运行状态S Q0.2, 0/那么将置Q0.2为ON，Q0.2为小车后向运行输出网络4的梯形图如图所示。网络4的实现代码如下：LD SM0.0/SM0.0上电以后自动置为ONLPSAN M20.7/如果M20.7值为OFF，那么认为是处于执行动作的过程中AN M20.1/如果M20.1值为OFF，那么认为小车第一种运动-前后列向运动还没有完成A M0.0/如果M0.0值为ON-START RUN状态A M10.0/如果M10.0值为ON-自动运行状态AD= VD102，VD120/如果当前行进的行数等于设定的

25、行数，说明已经到达指定=Q0.1/的位置输出停止运行信号S M20.1，0/设置达到标记LPPA M20.7/如果M20.7值为ON，那么认为小车处于执行动作完毕，返回途中AN M20.5/如果M20.5为ON-机械手已经由货架上返回AN M20.3/如果M20.3为ON-机械手已经下降到初始位置A M0.0/如果M0.0值为ON-START RUN状态A M10.0/如果M10.0值为ON-自动运行状态AD= VD102，VD120/如果当前行进的行数等于设定的行数，说明已经到达指定=Q0.3/的位置输出停止运行信号R M20.1，0/清除达到标记R M20.7，0/清除达到标记3、手动控制

26、下面一段程序是手动情况下对小车进行控制的程序代码，由网络5完成。在开始按钮已经按下的情况下（START按钮的状态由变量M0.0来对应，）M0.0为ON时表示已经开始运行，反之则为停滞状态。网络5的梯形图如图所示。网络5的代码如下：LD SM0.0/SM0.0上电以后自动置为ONLPSAN M20.7/如果M20.7值为OFF，那么认为是处于执行动作的过程中AN M20.1/如果M20.1值为OFF，那么认为小车第一种运动-前后列向运动还没有完成A M0.0/如果M0.0值为ON-START RUN状态A M10.0/如果M10.0值为ON-自动运动状态S Q0.0，0/那么将置Q0.0为ON，

27、Q0.0为小车前向运行输出LPPA M20.7/如果M20.7值为ON，那么认为小车处于执行动作完毕，返回途中AN M20.5/如果M20.5为ON-机械手已经由货架上返回AN M20.3/如果M20.3为ON-机械手已经下降到初始位置A M0.0/如果M0.0值为ON-START RUN状态A M10.0/如果M10.0值为ON-自动运动状态S Q0.2，0/那么将置Q0.2为ON，Q0.2为小车后向运行输出4、自动控制下面是自动控制部分，由网络6、7实现。Q0.4是开关量输出，表示启动小车机械手上升，机械手开始运动。在这里，笔者认为自动控制不需要控制小车机械手的下降运动。当小车还处于取放货

28、的动作未完成的阶段时，需要判断的是小车是否已经完成了列的定位，如果未完成列的定位（M20.3为OFF），那么启动小车机械手上升的电机，使机械手做上升运动。如果小车处于已经完成了取放货的动作，那么判断小车是否已经完成了由货架上的返回（伸缩机械手的运动），如果小车这个过程已经完成，那么将开始进行后退运动。Q0.6表示启动机械手下降电机，使机械手下降并返回初始位置。网络6的梯形图如图所示。网络6的实现代码如下：LD SM0.0/SM0.0上电以后自动置为ONLPSAN M20.7/如果M20.7值为OFF，表明小车在前进完成任务的过程中A M20.1/如果M20.1值为ON，表明小车已经完成了前后方

29、向的运行AN M20.3/如果M20.3值为OFF，表明机械手还没有完成升降运行的动作A M0.0/M0.0值为ON,表明“START”按钮已经按下，处于运动过程中A M10.0/M10.0为ON，小车处于自动控制状态S Q0.4，0/输出信号，机械手臂抬升货物LPPA M20.7/如果M20.7为ON，表明小车已经完成了预定动作，返回AN M20.5/如果M20.5为OFF，表明机械手完成了存取货物返回的动作A M0.0/如果M0.0值为ON，（START按下）A M10.0/如果M10.0值为ON-自动运动状态S Q0.6，0/那么输出信号，机械手执行下降动作网络7的梯形图如图所示。网络7

30、的实现代码如下：LD SM0.0/SM0.0上电以后自动置为ONLPSAN M20.7/如果M20.7值为OFF，表明小车在前进过程中A M20.1/如果M20.1值为ON，表明小车已经完成了前后方向的运行AN M20.3/如果M20.3值为OFF，表明机械手还没有完成升降运行的动作A M0.0/M0.0值为ON,表明“START”按钮已经按下，处于运动过程中A M10.0/M10.0为ON，小车处于自动控制状态AR= VD100，VD150/当测量到的行计数与输出的设定行数相等/认为已经达到了预定的行数位置，那么停止小车上升= Q0.5S M20.3，0/同时设置行位置已经达到标志M20.3

31、LPPA M20.7/返回过程中AN M20.5A M0.0A M10.0AD= VD100，VD150/当测量到的行计数与输出的设定行数相等S Q0.7，0R M20.3，0/认为机械手已经降到原始位置，清除行位置达到标志5、自动控制机械手臂伸缩运动自动控制机械手伸缩部分由网络8网络10完成。前后、升降运动都进行完毕以后，机械手已经到达了指定的行数与列数，将进行伸缩运动来完成货物的存取。网络8的梯形图如图所示。网络8的实现代码如下：LD SM0.0/SM0.0上电以后自动置为ONA M0.0/M0.0值为ON,表明处于运行状态A M10.0/M10.0为OFF时，表示处于手动控制状态LPSA

32、 M21.2/如果M21.2O为ON，表示小车进行向上升运行LPSA M20.2/如果此时允许机械手升降运动S Q0.4，0/那么将输出向上运动信号，使小车上升运动LPPAN M20.2/如果此时升降电机运行按钮是停止的= Q0.5S M20.3，0/那么将输出上升运行停止信号，小车停止上升LPPA M21.3LPSA M20.2/如果启动升降运行电机S Q0.6，0/那么将输出下降运行信号，机械手向下运动LPPAN M20.2/如果此时升降电机运行按钮是停止的= Q0.7/那么将输出向下运行停止信号，小车停止下降S M20.3，0/同时设置M20.3，表明小车升降运行已经完成网络9的梯形图如

33、图所示。网络9的实现代码如下：LD SM0.0/SM0.0上电以后自动置为ONLPSAN M20.7/前进过程中A M20.1/已经到达了指定的列A M20.3/已经到达了指定的行A M0.0/运行状态A M10.0/自动状态S Q1.0，0/控制机械手臂前伸LPPA M20.7/返回过程中A M20.5/还没有完成机械手回缩的动作A M0.0/运行状态A M10.0/自动状态S Q1.2，0/输出信号，机械手后退，离开货架网络10的梯形图如图所示。网络10的实现代码如下：LD SM0.0/SM0.0上电以后自动置为ONLPSAN M20.7/前进过程中A M20.1/已经到达了指定的列A M

34、20.3/已经到达了指定的行A M0.0/开始运行A M10.0/自动运行状态AN M20.5/机械手存取动作未完成TON T37，+36/设置100ms定时器LPPA M20.7/返回过程中A M20.5/机械手存取动作已经完成A M0.0A M10.0TON T37，+36/设置100ms定时器由于基本原亘与前面的前后、升降运动相似，就不详细说明了，下面只对一些不同于前面两种运动的情况进行说明。M20.5是伸缩运动到位标志。为ON时，表示机械手已经到达指定位置，为OFF时表示还未到达指定位置。Q1.0表示前伸运动的开关量输出，Q1.2表示后缩运动开关量输出。由于机械手是以5m/min的速度

35、运动，伸缩距离为30cm，定时器C37是以100ms为基本记时单位的，所以计算得到机械手可以到达预定位置的时间：运动距离L=30cm,速度v=5m/min运行时间t=L/v*0.01=0.06min=3.6s=3z600ms因此选用100ms定时器C37进行计时，应该设置计时累加为36。6、自动控制存取物品自动存取物品的程序由网络11网络14完成。网络11的梯形图如图所示。网络11的实现代码如下：LD SM0.0/SM0.0上电以后自动置为ONLPSAN M20.7/如果未完成存取物品动作A M20.1/已经到达了指定的列A M20.3/已经到达了指定的行A M0.0/开始运行A M10.0/

36、自动运行A T37/如果定时器时间已到S M20.5,0/认为机械手已经到达货架指定位置，输出信号/停止机械手运动= Q1.1/设置机械手到达货架指定位置标志M20.5LPPA M20.7/返回过程中A M20.1/A M20.3A M20.5A M0.0A M10.0A T37/如果定时器时间到R M20.5,0/清除机械手到位标志S Q1.3, 0/同时停止机械手运动如果定时器标志T37为ON，表示定时器已经到达了预定的时间，说明机械手已经前伸到了指定的深度，所以停止前伸的运动。Q0.1表示前伸运动。Q1.3表示停止后缩运动。网络12的梯形图如图所示。网络12的实现代码如下：LD SM0.

37、0/SM0.0上电以后自动置为ONAN M20.7/如果未完成存取物品动作A M20.5/如果机械手已经到达了指定的位置A M0.0A M10.0LPSA M22.0/M22.0为ON时表示机械手入下货物标志S Q1.4，0/输出信号，使机械手放下货物LPPA M22.0/ M22.0为OFF时表示机械手抓取货物标志S Q1.5, 0/输出信号，使机械手抓取货物当伸缩运动完成时，需要进行的是抓取或存放货物。Q1.2表示将货物放下，Q1.3表示抓起货物，M22.0为抓取或放下的选择条件，为ON时表示放下。网络13的梯形图如图所示。网络13的实现代码如下：LD SM0.0/SM0.0上电以后自动置

38、为ONA M0.0/ AN M10.0/手动控制LPSA M21.4/ M21.4为向前运动标志LPSA M20.4/如果机械手伸缩按钮按下S Q1.0,0/那么输出信号使机械手前伸LPPAN M20.4/如果机械手伸缩按钮弹起= Q1.1/那么输出信号使机械手停止前伸S M20.5, 0/设置机械手伸缩运动到位标志LPPA M21.5/如果机械手向后运动标志ONLPSA M20.4/如果按钮按下S Q1.2,0/输出信号使机械手后退LPPAN M20.4/如果机械手伸缩按钮弹起= Q1.3/那么输出信号使机械手停止后退S M20.5，0/同时清除机械手到位标志网络14的梯形图如图所示。网络14的实现代码如下：LD SM0.0/SM0.0上电以后自动置为ONA M20.1A M20.3A M20.5S M20.7,0/如果M20.1 M20.3 M20.5都为ON，那么认为已经完成了存放物品的整个过程，设置运行标志位作为返回程序的标志第三节 控制功能块 针对上述由弯道相连的两条巷道共用一台堆垛机和堆垛机左右两排货架列数不等的仓库布局特点, 我们采用了虚拟直