基于ＰＬＣ的堆垛機控制系統設計

摘要: 通過對自動化立體倉庫中堆垛機的功能分析，提出完整的堆垛機控制系統硬件、軟件設計方案，并涉及到PLC﹑變頻器﹑激光測距儀等設備的應用。

關鍵詞: PLC;變頻器;激光測距儀;梯形圖

隨著物流業的發展，自動化立體倉庫得到廣泛的推廣。自動存取設備（AS/RS）作為自動化立體倉庫的核心功能模塊之一在很大程度上提高了倉庫作業的自動化水平，節省了人力，尤其是堆垛機設備的使用提高了倉庫的作業效率，增強了作業的安全性。因此我們對堆垛機控制系統的結構及其功能進行了研究并給出了完整的設計方案。

本文將從硬件和軟件兩個方面著手。硬件方面，對系統的電氣功能圖以及涉及到的設備給出了相應的型號和參數設定；軟件方面，在硬件的基礎上給出了PLC梯形圖程序。

一、堆垛機系統組成及功能介紹

巷道堆垛機一般由升降機構、運行機構、貨叉、伸縮機構、機架以及電氣部分等組成。

自動化立體倉庫中的堆垛機，要求能夠接收上位機的指令并對指令做出判斷（需要做出的判斷包括運行的方式為手動還是自動，進行的是出庫還是入庫，是從哪個方向等），然后再進行動作，完成動作分為自動取貨和存貨。因此，堆垛機在動作之前就要對上位機給出的位置和自身所處的位置加以比較，然后做出判斷向哪個方向行走。堆垛機有水平行走，垂直運行和貨叉伸縮三種動作。本文主要討論堆垛機的精確定位以及3種動作的準確控制。

二、硬件系統設計

1.功能模塊設計

水平行走：PLC接到上位機指令，水平方向激光測距儀給出當前位置，PLC做出判斷，控制變頻器驅動電機帶動水平行走設備運行。

垂直升降：PLC接到上位機指令，垂直方向激光測距儀給出當前位置，PLC做出判斷，控制變頻器驅動電機帶動垂直行走設備運行。

貨叉伸縮：由于貨叉運行距離較短，所以不需要變頻器的控制，只需PLC控制電機以恒定的速度運行就可以滿足要求。

附屬設備：設置多對光電開關。為了準確定位和防止出現故障，設有故障報警設備。

2.水平速度模式和運行方向的確定

堆垛機在倉庫貨架間穿行，有時候目的地址和自身所在位置相距可能較遠，有時候可能很近，為了提高效率，我們要求堆垛機按照距離的遠近對自身運行速度進行控制。本文采用PLC發出多段速度指令控制水平變頻器。垂直方向由于運行距離較短沒有采用多段速度。

現代堆垛機的運行速度一般為160～240m/min，最高達320 m/min；起升速度為40～60m/min左右，最高達100 m/min。堆垛機理想速度模式為開始先以最大加速度a起動，勻加速到允許的最大值，然后勻速運動，在接近目標點時，以同樣的加速度a勻減速，當V =0時，堆垛機正好位于要存取貨物的位置。理想的速度模式如圖1所示。

但是為保證較高的停止精度，堆垛機在臨近貨位停機前又必須以較低的速度(爬行速度)運轉。根據經驗，此時運行速度為2～4m/min。因此，運行機構和起升機構均存在一個調速問題。為了有效提高作業效率和停止精度，堆垛機的水平運行機構和垂直上升機構各用一個變頻器。

堆垛機水平運行方向的判定：設堆垛機初始位置S1，目的位置S2，目的位置與初始位置的差為S，則S=S2-S1，若S為正，對堆垛機給前進指令，若為負，則給后退指令。

堆垛機的水平運行速度模式的判定：采用三級速度控制，除了工作速度和慢速爬行速度外，中間還插入一檔中速，增加中速可降低減速度，縮短爬行距離和時間，從而縮短作業周期。為了設置的方便，我們將速度轉換成變頻器輸出頻率。

堆垛機水平運行速度的判定:假設運行過程中距目的位置的距離為S，則當S<2m，則堆垛機以低速運行，設為5HZ；若2m4m，則堆垛機以高速運行，設為40HZ。另外還設有一爬行速度2HZ，速度V和方向D的控制算法如下:

堆垛機的水平運行速度曲線圖如圖２所示。

3. 圖3為堆垛機的結構功能模塊。

4.電氣結構設計

PLC的輸入輸出

PLC輸入包括數字量的輸入和模擬量的輸入。光電開關等為數字量的輸入，而激光測距儀為模擬量的輸人，所以采用A/D轉換器將模擬量轉換為數字量，然后輸入到PLC。數字量輸入包括操作方式（手動，單周運行，自動循環）、變頻器的故障反饋、故障檢測。

PLC的輸出包括水平變頻器（水平變頻器正轉，水平變頻器反轉，多段速度速度1，多段速度速度2，多段速度速度3，水平點動），垂直變頻（垂直變頻器正轉，垂直變頻器反轉，垂直速度，垂直點動），貨叉（貨叉左伸，貨叉右伸）。

為滿足上述輸入輸出端子數，我們選用PLC的CPU型號為西門子公司的CPU226（24輸入/16輸出），選用的輸入輸出擴展模塊為：EM223（16輸入/16輸出），EM221 （8輸入），EM231（4輸入）。

三、軟件的設計

程序的流程如下圖

程序說明：

首先確定運行方式是手動還是自動。在手動方式下的操作指令有: 手動前進，手動后退，手動上升，手動下降，貨叉左伸和貨叉右伸。由于手動方式主要用于調試和維修，因此省略了故障分析處理。

自動運行時，先將水平和垂直傳感器的位置數據取出，同時取得上位機的作業方式、目的地址，然后動作。作業方式有四種：東進、東出、西進、西出，不管是東出還是西出，它們的動作順序都差不多（入庫行走→取貨→出庫行走→卸貨）。同樣東入和西入也很相似（出庫行走→取貨→入庫行走→卸貨）。所以我們假設以出庫操作順序進行編程。

首先是入庫行走。在入庫行走過程中除水平運動外，垂直方向也要能準確定位到目的層。水平方向先比較堆垛機現在的位置和目的位置距離反光板的距離，如果堆垛機現在的位置遠，則應向反光板方向行走，向水平變頻器輸出正轉信號；相反，則向水平變頻器輸出反轉信號。垂直方向以同樣原理進行方向設定。除方向設定外還需進行速度設定，此控制系統中水平方向有三種速度可以選擇。停車后，如果到達目的地址則啟動下一段程序。

其次是取貨操作。由于我們事先已經將升降臺下降了一點，所以貨叉可以直接伸入貨架托盤。不過在此之前要檢測貨架是否有貨，再根據排號決定貨叉左伸或右伸。出庫操作也要根據上位機的出庫指令向東或向西行走，同樣每個動作前也要進行鏈條、變頻器等故障檢測。

最后進行卸貨操作。它和取貨有很多相似之處，但又不大一樣。為了能將托盤順利的送到輸送機上方，需要先將堆垛機的升降臺略微向上抬升一小段距離，提升到位后根據設定的北邊輸送機出貨的條件，使貨叉電機正轉。貨叉到位后再將升降臺向下運行一段距離，使托盤落到輸送機上，完成后即可進行收回貨叉操作。確保貨叉已收回時，整個任務就完成了。

如果是入庫操作，由于和出庫行走程序很相似，所以只要在東邊出庫和西邊出庫運行方式開關下并聯一個東邊入庫和西邊出庫開關就可以了。因為僅位置數據不同，動作及順序均一樣，所以在此不再贅述。

到這里，整個堆垛機控制系統的設計已經完成，經過調試，系統基本上能滿足實際生產中自動存取的要求，并且有一定的安全保障，完全可以運用到自動化立體倉庫中去。

參考文獻 :

[1]張萬忠等.電氣與PLC控制技術[M].北京：化學工業出版社，2003.

[2]王永華等.現代電氣及可編程序控制技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。