PLC、GOT、定位單元、伺服電機在自動化立體倉庫控制中的應用

林躍飛

(陽江市技工學校，廣東 陽江 529500)

前言

隨著計算機技術的飛速發展，計算機的性能以及穩定性等大幅度提高，現場總線技術的日益成熟，一種新的控制方式--軟PLC控制方式逐漸形成并逐漸被應用于各種控制領域，其中就包括自動化倉庫。立體倉庫模型控制系統是根據自動化立體倉庫運行的基本原理而設計的。在整個控制系統中以三菱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）來驅動倉庫堆垛機的X軸與Y軸，控制雙軸氣缸來驅動Z軸，堆垛機的兩軸在高強度導軌上做二維運動。

一、自動化立體倉庫系統

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，它以高層立體貨架為主體，以成套搬運設備為基礎，是集自動控制技術、通信技術、機電技術于一體的高效率、大容量存儲機構。PLC作為一種工業控制計算機，具有模塊化結構、配置靈活、高速的處理速度、精確的數據處理能力、多種控制功能、網絡技術和優越的性價比等性能，是目前廣泛應用的控制裝置之一。

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，根據這個原理結構，設計了自動化立體倉庫模型控制系統。本設計的自動化立體倉庫模型主要應用于自動化等相關專業教學儀器的演示部分，目的是幫助自動化等相關專業的學生了解自動化立體倉庫的基本結構、設計原理以及整個控制系統的工作過程、熟悉電氣控制的基本原理，了解電氣控制在現代科技應用中的重要性，以及PLC應用在現代控制系統中的作用和一些不可替代性的優點。熟悉PLC的外圍電路設計、軟件設計方法和設計流程等。同時本系統在設計方案上結合了正在開發的自動化立體倉庫模型，并對其技術方案進行了描述，為日后自動化立體倉庫的具體實施作一個技術上的參考。使未來自動化立體倉庫的設計更趨于完美化。

三、系統方案總體設計

1.設計思想

本設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，控制伺服電機驅動一個有二個自由度的堆垛機來模擬現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）為執行元件來驅動工作臺在高強度導軌上做三維運動，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。即讀取執行元件的信息，通過軟件做出合理的工控安排反饋到執行元件和操作系統，實現車位的位置移動。具體原理方框圖如圖1所示。

圖1 系統方框圖

2.本設計控制要求

（1）PLC根據觸摸屏所設置不同物品對應倉位實現十二個倉位的自動存取，本系統對三層倉位每層放置不同的三類物品，系統會自動尋找此空位來實現物品的依次存放，存放結束后自動返回原點（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矩，回原點的運動默認為空載，此時堆垛機快速移動，可以節省工作時間，提高效率。

（2）具有急停功能。當系統在運行的過程中發現其它意外等，可以點擊急停按鍵，此時系統會立即停止運行并保持原位置。但系統再次運行務必要回原點校正。因為系統采用開環控制，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目決定。而各空位對應的脈沖頻率、數量數據均由程序設定。

（3）能夠快速返回原點。堆垛每次執行完取/放料動作完成后，系統便快速返回原點。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，可以實現手動和自動兩種控制方式。并且在觸摸屏上有點動按鈕導航鍵，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。規定遠離原點為正向，靠近原點為反向。同時在控制臺上設置手動操作的十字開關，對堆垛機X與Y軸手動控制。實現對物品的存放操作。

（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；堆垛機取放料機構物料叉由PLC驅動電磁閥控制氣缸伸縮動作實現對倉庫取放物品功能。

（6）裝配物品檢測傳感器，PLC獲取此信息并根據觸摸屏對物品分類入庫參數設置，實現對物品分類入倉。

（7）觸摸屏功能：在系統中實現對堆垛機對象的監視及倉庫和系統運行狀態的顯示功能，具體要求：①自動控制；②手動控制；③系統急停；④物品對應倉位設置；⑤倉庫物品實時庫存數量統計；⑥歷史庫存數量統計；⑦倉庫實時監視；⑧出庫操作；⑨系統報警（如滿倉）。

3.系統構成

系統由可編程控制器（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、系統主要器件及在系統中的功能簡介

1.可編程控制器（PLC）

本設計中用的主控制器MITSUBISHI FX2N-32MR型PLC為本三菱公司生產的一款小型PLC，FX2n系列PLC把許多其他PLC的優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。內部提供多達32個I/O點，并且能夠通過串行通信傳輸數據。在系統PLC為核心元件對負責整個系統控制與數據處理。

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或其他外圍設備連接進行通信，由專用軟件完成畫面的制作和傳輸，實現其作為圖形操作和顯示終端的功能。在控制系統中，觸摸屏常作為PLC的輸入和輸出設備，通過使用相關軟件，設計出滿足用戶要求的監控畫面，實現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（基本指令和應用指令）；當連上一個通用的脈沖發生器（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，定位數據可被讀/寫，定位單元也可不需要任何PLC單獨運行。

4.伺服驅動器及伺服電機

本設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的高速脈沖串執行電機的旋轉速度和方向的控制。MR-E系統伺機服電機的編碼器采用14386脈沖/轉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計執行元件，控制傳動部件絲杠旋轉進行準確的定位。

5.驅動支架倉庫模型

驅動支架（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，兩邊是導軌。倉庫模型采用鋼架結構，為3×4行列式，共12個空位。

四、關鍵問題處理

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

當定位單元發出一定脈沖，經過伺服驅動器驅動伺服電機旋轉一定的角度，要想實現對堆垛機的精確控制，傳動部件絲杠旋轉一圈進給量為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坐標值。

結束語

本控制系統是根據自動化立體倉庫運行的基本原理設計的，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）來驅動倉庫堆垛機的X軸與Y軸，驅動一個有二自由度的堆垛機在高強度導軌上做二維運動。控制氣缸動作驅動Z軸，來實現對物品的自動存取任務。在這次設計中，基本完成了倉庫模型控制系統的設計，達到了預期的目標，實現了其主要功能。此設備調試表明所選設計方案均是可行的。此倉庫模型控制系統適合自動化類教學儀器的演示，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畫面設計手冊》.