PLC、GOT、定位單元、伺服電機在自動化立體倉庫控制中的應(yīng)用

林躍飛

(陽江市技工學(xué)校，廣東 陽江 529500)

前言

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機的性能以及穩(wěn)定性等大幅度提高，現(xiàn)場總線技術(shù)的日益成熟，一種新的控制方式--軟PLC控制方式逐漸形成并逐漸被應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，其中就包括自動化倉庫。立體倉庫模型控制系統(tǒng)是根據(jù)自動化立體倉庫運行的基本原理而設(shè)計的。在整個控制系統(tǒng)中以三菱FX2n-32MR型PLC作為核心控制元件，三菱FX2N-20GM作為PLC專用定位單元用來控制伺服電機（三菱MR-E-20A）來驅(qū)動倉庫堆垛機的X軸與Y軸，控制雙軸氣缸來驅(qū)動Z軸，堆垛機的兩軸在高強度導(dǎo)軌上做二維運動。

一、自動化立體倉庫系統(tǒng)

自動化立體倉庫是指在不直接進行人工處理的情況下，自動地完成物品倉儲和取出的系統(tǒng)，它以高層立體貨架為主體，以成套搬運設(shè)備為基礎(chǔ)，是集自動控制技術(shù)、通信技術(shù)、機電技術(shù)于一體的高效率、大容量存儲機構(gòu)。PLC作為一種工業(yè)控制計算機，具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價比等性能，是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。

二、自動化立體倉庫模型研究的意義

自動化立體倉庫是指在不直接進行人工處理的情況下，自動地完成物品的存放和取出的系統(tǒng)，根據(jù)這個原理結(jié)構(gòu)，設(shè)計了自動化立體倉庫模型控制系統(tǒng)。本設(shè)計的自動化立體倉庫模型主要應(yīng)用于自動化等相關(guān)專業(yè)教學(xué)儀器的演示部分，目的是幫助自動化等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生了解自動化立體倉庫的基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計原理以及整個控制系統(tǒng)的工作過程、熟悉電氣控制的基本原理，了解電氣控制在現(xiàn)代科技應(yīng)用中的重要性，以及PLC應(yīng)用在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的作用和一些不可替代性的優(yōu)點。熟悉PLC的外圍電路設(shè)計、軟件設(shè)計方法和設(shè)計流程等。同時本系統(tǒng)在設(shè)計方案上結(jié)合了正在開發(fā)的自動化立體倉庫模型，并對其技術(shù)方案進行了描述，為日后自動化立體倉庫的具體實施作一個技術(shù)上的參考。使未來自動化立體倉庫的設(shè)計更趨于完美化。

三、系統(tǒng)方案總體設(shè)計

1.設(shè)計思想

本設(shè)計是以可編程控制器（Programmable Logic Controller簡稱 PLC）為核心，三菱FX2N-20GM作為PLC專用定位單元，控制伺服電機驅(qū)動一個有二個自由度的堆垛機來模擬現(xiàn)實中立體倉庫的存取過程。在整個立體倉庫運行過程中采用開環(huán)控制方式，觸摸屏（三菱GT1155）為人機接口元件，PLC和定位單元為控制元件，伺服電機和電磁閥（雙軸氣缸）為執(zhí)行元件來驅(qū)動工作臺在高強度導(dǎo)軌上做三維運動，堆垛機傳動部件為高精度絲杠傳動。運行時PLC會接收和分析操作人員在觸摸屏上的輸入指令，做出合理的工作安排。即讀取執(zhí)行元件的信息，通過軟件做出合理的工控安排反饋到執(zhí)行元件和操作系統(tǒng)，實現(xiàn)車位的位置移動。具體原理方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

2.本設(shè)計控制要求

（1）PLC根據(jù)觸摸屏所設(shè)置不同物品對應(yīng)倉位實現(xiàn)十二個倉位的自動存取，本系統(tǒng)對三層倉位每層放置不同的三類物品，系統(tǒng)會自動尋找此空位來實現(xiàn)物品的依次存放，存放結(jié)束后自動返回原點（機械原點），等待下一個存放命令。PLC接受存放命令向目標空位靠近的運動默認為有負荷運動，此時為低速運動，以獲得較大的電機轉(zhuǎn)矩，回原點的運動默認為空載，此時堆垛機快速移動，可以節(jié)省工作時間，提高效率。

（2）具有急停功能。當系統(tǒng)在運行的過程中發(fā)現(xiàn)其它意外等，可以點擊急停按鍵，此時系統(tǒng)會立即停止運行并保持原位置。但系統(tǒng)再次運行務(wù)必要回原點校正。因為系統(tǒng)采用開環(huán)控制，其速度由伺服電機或步進電機接受的脈沖頻率決定，運行位移量由脈沖數(shù)目決定。而各空位對應(yīng)的脈沖頻率、數(shù)量數(shù)據(jù)均由程序設(shè)定。

（3）能夠快速返回原點。堆垛每次執(zhí)行完取/放料動作完成后，系統(tǒng)便快速返回原點。本功能也可以作為原點校正用，長時間運行誤差積累導(dǎo)致工作臺不能精確定位，借此可以校正。

（4）有手動和自動檔選擇，可以實現(xiàn)手動和自動兩種控制方式。并且在觸摸屏上有點動按鈕導(dǎo)航鍵，分別用于控制堆垛機X軸正向與反向運行，Y軸正向與反向運行，Z軸（物料叉）伸縮運動運。規(guī)定遠離原點為正向，靠近原點為反向。同時在控制臺上設(shè)置手動操作的十字開關(guān)，對堆垛機X與Y軸手動控制。實現(xiàn)對物品的存放操作。

（5）堆垛機X軸與Y軸方向定位由輸出脈沖序列專用單元FX2N-20GM控制兩臺MR-E-20A伺服電機來實現(xiàn)；堆垛機取放料機構(gòu)物料叉由PLC驅(qū)動電磁閥控制氣缸伸縮動作實現(xiàn)對倉庫取放物品功能。

（6）裝配物品檢測傳感器，PLC獲取此信息并根據(jù)觸摸屏對物品分類入庫參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)對物品分類入倉。

（7）觸摸屏功能：在系統(tǒng)中實現(xiàn)對堆垛機對象的監(jiān)視及倉庫和系統(tǒng)運行狀態(tài)的顯示功能，具體要求：①自動控制；②手動控制；③系統(tǒng)急停；④物品對應(yīng)倉位設(shè)置；⑤倉庫物品實時庫存數(shù)量統(tǒng)計；⑥歷史庫存數(shù)量統(tǒng)計；⑦倉庫實時監(jiān)視；⑧出庫操作；⑨系統(tǒng)報警（如滿倉）。

3.系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由可編程控制器（FX2n-32MR）、定位單元（FX2n-20GM）、觸摸屏（三菱GT1155）、伺服電機（MR-E-20A）及氣缸（物料叉）等組成。控制電路圖如圖2所示。

三、系統(tǒng)主要器件及在系統(tǒng)中的功能簡介

1.可編程控制器（PLC）

本設(shè)計中用的主控制器MITSUBISHI FX2N-32MR型PLC為本三菱公司生產(chǎn)的一款小型PLC，F(xiàn)X2n系列PLC把許多其他PLC的優(yōu)點都融進一個很小的控制器中。FX2n適用于最小的封裝，是希望低成本的用戶在有限的I/O范圍尋求強大控制功能的首選目標。內(nèi)部提供多達32個I/O點，并且能夠通過串行通信傳輸數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)PLC為核心元件對負責(zé)整個系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理。

2.觸摸屏（GOT）

觸摸屏是觸摸式圖形顯示終端的簡稱，它是一種人機交互裝置。一般通過串行接口與計算機、PLC或其他外圍設(shè)備連接進行通信，由專用軟件完成畫面的制作和傳輸，實現(xiàn)其作為圖形操作和顯示終端的功能。在控制系統(tǒng)中，觸摸屏常作為PLC的輸入和輸出設(shè)備，通過使用相關(guān)軟件，設(shè)計出滿足用戶要求的監(jiān)控畫面，實現(xiàn)對控制對象的操作和顯示。

3.定位單元

定位單元FX2n-20GM型是三菱公司生產(chǎn)的輸出脈沖序列的專用單元。定位單元允許用戶使用步進電機或伺服電機，并通過驅(qū)動單元來控制定位。一個定位單元能控制兩根軸；定位單元配有一種專用定位語言（cod指令）和順序語言（基本指令和應(yīng)用指令）；當連上一個通用的脈沖發(fā)生器（集電器開路型）后，手動進給有效；當連接上一個帶有絕對位置（ABS）檢測功能的伺服放大器后，每次啟動時的回零點可以被保存下來。當連上一個FX2n系列PLC時，定位數(shù)據(jù)可被讀/寫，定位單元也可不需要任何PLC單獨運行。

4.伺服驅(qū)動器及伺服電機

本設(shè)計中采用兩臺三菱通用AC伺服MR-E-20A型交流伺服放大器，控制模式有位置控制和速度控制2種模式，而且能夠切換位置控制和速度控制進行運行。位置控制模式時可用最高500Kpps的高速脈沖串執(zhí)行電機的旋轉(zhuǎn)速度和方向的控制。MR-E系統(tǒng)伺機服電機的編碼器采用14386脈沖/轉(zhuǎn)分辨率的增量位置編碼器，可進行高精度定位。 兩臺伺服電機為本設(shè)計執(zhí)行元件，控制傳動部件絲杠旋轉(zhuǎn)進行準確的定位。

5.驅(qū)動支架倉庫模型

驅(qū)動支架（堆垛機）是此模擬機的重要機械部分，要求有高的強度和傳動精度用于保證運行的精度和可靠性。其有效坐標行程（可運動最大坐標值）為X×Y×Z=460×450×70mm。其各坐標方向上各有三根軸，中間是傳動絲杠，兩邊是導(dǎo)軌。倉庫模型采用鋼架結(jié)構(gòu)，為3×4行列式，共12個空位。

四、關(guān)鍵問題處理

在本模擬自動化立體倉庫設(shè)計中，主要根據(jù)輸出脈沖序列的專用單元FX2n-20GM對伺服電機控制，即采用脈沖開環(huán)控制方式設(shè)計，由三菱FX2n-32MR型PLC、定位單元FX2n-20GM、MR-E伺服電機、氣缸、開關(guān)電源（DC24V）、一個基本的控制臺，起控制和驅(qū)動作用。

當定位單元發(fā)出一定脈沖，經(jīng)過伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)一定的角度，要想實現(xiàn)對堆垛機的精確控制，傳動部件絲杠旋轉(zhuǎn)一圈進給量為6mm，因此需依此量并參照機械零點位置計算出每一倉位對應(yīng)坐標值。

結(jié)束語

本控制系統(tǒng)是根據(jù)自動化立體倉庫運行的基本原理設(shè)計的，以三菱FX2n-32MR型PLC作為核心控制元件，三菱FX2N-20GM作為PLC專用定位單元用來控制伺服電機（三菱MR-E-20A）來驅(qū)動倉庫堆垛機的X軸與Y軸，驅(qū)動一個有二自由度的堆垛機在高強度導(dǎo)軌上做二維運動。控制氣缸動作驅(qū)動Z軸，來實現(xiàn)對物品的自動存取任務(wù)。在這次設(shè)計中，基本完成了倉庫模型控制系統(tǒng)的設(shè)計，達到了預(yù)期的目標，實現(xiàn)了其主要功能。此設(shè)備調(diào)試表明所選設(shè)計方案均是可行的。此倉庫模型控制系統(tǒng)適合自動化類教學(xué)儀器的演示，也可以為自動化立體倉庫的具體實施作一個技術(shù)參考。

[1]三菱電機《FX1S；FX1N；FX2N；FX2NC 系列編程手冊》.

[2]三菱電機《FX2N-10GM；FX2N-20GM 編程手冊》.

[3]三菱電機《MR-E 伺服放大器使用手冊》.三菱電機《GT Designer2版本2畫面設(shè)計手冊》.