基于可控編程器的立體倉庫堆垛機電氣控制系統設計

巢一飛

(中國國電集團公司諫壁發電廠教育培訓中心，江蘇 鎮江 212006)

0 引言

立體倉庫主要采用高層貨架充分利用空間儲存貨物，用起重、裝卸、運輸機械設備進行貨物出庫和入庫作業，具有工作效率高，貨物儲存集中化、立體化，占地面積小，便于控制管理，信息處理快速、準確等優勢。自動堆垛機是立體倉庫的關鍵部件，負責全部貨物的入庫承運作業，一般可實現三個自由度的運動(X軸、Y軸、Z軸)。

自動堆垛機的控制單元可以是繼電器組成的邏輯電路，可以是單片機系統，也可以是可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。PLC 具有操作與維護簡單，程序直觀，設計周期短與電路簡單的特點，抗干擾性強，對環境的要求不高，對操作人員以及維護人員的要求不高，安裝、調試相對簡單且設備數量少，適合堆剁機的控制。

1 立體倉庫系統架構

自動化立體倉庫由貨架和自動堆跺機組成，考慮到標準化及制造的方便性，貨架的主框架采用型鋼加工;堆跺機采用有軌雙立柱的結構。系統通過傳感器采集信號，PLC控制程序，可以實現對步進電機和直流電機較復雜的速度與位置控制規模。

在入庫作業時，當檢測傳感器檢測到零位平臺上有貨物，那么起動Z軸方向直流電機，將零位平臺上的貨物放到指定的庫位上。在出庫操作時，啟動貨臺，到達指定庫位，將指定庫位上的貨物取出放到零位平臺。巷道起重機在執行每次的去放任務，都會自動回到零位，等待下一條指令。

在自動化立體倉庫的物流輸送過程中，堆垛機實現貨物在各出入庫端到貨格的搬運，其基本功能包括以下幾個部分:

(1)三維動作控制:控制堆垛機在水平、垂直、左右方向的運行(X軸、Y軸、Z軸)。

(2)位置控制:控制堆垛機以適合的速度運行并精確定位在貨格或入出庫口處。

(3)通訊功能:堆垛機與上位機以及其他倉庫設備的通訊。

(4)保護功能:提供各種電氣和機械保護，保證堆垛機在高速、頻繁的運行和取送貨過程中不會發生事故。

(5)人機界面:通過輸入和顯示設備，提供本機或遙控操作堆垛機。

貨架設計和自動堆跺機結構如圖1所示。貨架采用25 mm×25 mm矩管焊接而成，形成9個單元的空格來容納貨物及其托盤，1個單元的空格用來取貨存放。每個單元內設有2根伸出梁，每根梁上安裝7個尼龍滾輪，用以托住貨物托盤、變滑動摩擦為滾動摩擦，減小伸縮步進電機的負載。

圖1 貨架及堆跺機結構示意圖

自動堆跺機由2部步進電機驅動進行平移和上下移動。當移動位置到達目的單元格時，伸縮驅動電機帶動齒輪齒條運轉，完成貨物推送入庫或者抽拉出庫的工作。

堆跺機的平移機構設在貨架下方，設有2根平移導軌，堆跺機安裝在導軌的4個滑塊上面。由平移步進電機驅動螺旋絲桿旋轉，絲桿上滑塊因絲桿的不同旋轉方向向左右移動，從而牽動整個堆跺機的左右位移。為保證堆跺機在移動過程中的穩定性，在貨架上部前側面安裝有1根導軌，堆跺機上部設備基于此導軌移動，確保堆跺機在運送貨物的過程中不會發生傾翻現象。

堆跺機升降設備由2套雙立柱螺旋絲桿組成。升降步進電機驅動同步輪，由同步帶帶動左右2根絲桿旋轉，即可實現貨物托架的上下升降。堆跺機到達貨架的目的單元格時，伸縮直流電機驅動齒輪旋轉，帶動齒條的伸縮運動，完成推送和拉出貨物托盤的工作。

2 控制系統硬件配置

控制系統主要硬件有控制Z軸的直流電動機，控制X、Y軸的步進電動機以及供給系統能源的直流開關電源，還有各種傳感器，如系統中采用的反射式和對射式傳感器以及微動開關(用來完成貨物的檢測與限位保護)等?？刂圃硪妶D2。由此所設計的輸出端口電氣原理圖見圖3，輸入端口見圖4。

圖2 系統控制原理

圖3 輸出端口的電氣原理圖

圖4 輸入端口電氣原理圖

在所設計的PLC控制系統中，主要包含貨位選擇區、急停、手動/自動開關、輸入/輸出等功能。系統通過采集外部檢測信號(所經的列、行)，控制電機的起停，選擇自動或是手動控制狀態，前后列向運動、升降行向運動、機械手的伸縮運動、貨物的抓取、存放等。系統的I/O分配見表1。

表1 系統的I/O分配情況

3 電氣控制程序設計

本系統所使用的S7－200型PLC可以使用STEP7－Micro/WIN32編程軟件進行編程，該軟件基于WINDOWS操作系統。

主程序:系統的整體控制(主程序)

SBR_0:初始化程序，讓各個軸回到初始位置(主程序)

SBR_1:當系統運行過程中達到某個軸的限位時，應當停止當前軸的動作(到達軸限位停止)

SBR_2:倉庫的庫位坐標定位計算程序計算(庫位坐標定位)

SBR_3:出入庫控制的程序設計(出入庫控制)

SBR_4:鍵盤裝置的掃描檢測及顯示系統的PLC程序設計(鍵盤掃描及顯示)

SBR_5:脈沖發生器0的控制程序(輸入PT0)

SBR_6:停止脈沖發生器0的控制程序(停止PT0)

SBR_7:脈沖發生器1的控制程序(輸入PT1)

SBR_8:停止脈沖發生器1的控制程序(停止PT1)

其中SBR_2庫位坐標定位是采用將庫位坐標進行參數表達，程序入口參數為指定的庫位號(0～9)，輸出的參數為庫位的X軸和Y軸坐標的方式設計的。庫位號情況如圖5所示。

圖5 倉庫的庫位號情況

在程序中，用LWO來表示制定的倉位號，用LD2和LD6表示倉位的X軸坐標值和Y軸坐標值。X軸坐標值分別存放在數據寄存區VD616、VD620VD624中，Y軸的坐標值分別存放在坐標寄存區VD600、VD604、VD608、VD612 中。

程序中的第一段用來計算0、1、2、3號庫位的X軸坐標值，如圖6所示。第二段是用于計算1、4、7號庫位的Y軸坐標。第三段到第十段分別計算各個庫位的X、Y軸的坐標。由于倉位是一個長方形結構，故其中各個庫位的坐標值均可以用0～3號庫位的X軸坐標和1、4、7號庫位的 Y軸坐標來表示。最后一段是用于給其他的程序送出坐標值。

圖6 計算0、1、2、3號庫位的X軸坐標值程序示意

4 結語

基于PLC的立體倉庫控制系統已經成為生產物流建設發展的潮流。自動化倉庫與加工過程相連，可構成柔性加工系統。而自動化倉庫作為生產物流系統的樞紐和核心，是生產物流系統實現物流合理化的關鍵。通過實際運行檢驗，所設計的系統程序滿足要求，該系統具有運行速度快、可靠性高等優勢。各程序的編譯也通過系統塊得以驗證。

［1］蔡紅斌.電氣與PLC控制技術［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［2］汪曉平.PLC可編程控制器系統開發實例導航［M］.北京:人民郵電出版社，2004.

［3］西門子公司.深入淺出西門子S7－200［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

［4］周天沛，代洪.基于PLC的自動化立體倉庫控制系統［J］.起重運輸機械，2009，(2):43－46.