智能立體存儲控制系統的設計與開發

Design and Development of the Intelligent Control System for Three Dimensional Storage

李文強

(中航工業沈陽飛機工業(集團)有限公司， 遼寧 沈陽　110850)

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智能立體存儲控制系統的設計與開發

Design and Development of the Intelligent Control System for Three Dimensional Storage

李文強

(中航工業沈陽飛機工業(集團)有限公司， 遼寧 沈陽110850)

摘要：針對板材存儲的占用面積大、存儲效率低、管理庫存不便等問題，提出了一種板材立體存儲方案，并設計開發了一套板材存儲自動控制系統。采用可編程邏輯控制器結合觸摸屏控制方式，實現了自動存取板材、自動修改庫存、實時狀態監控顯示、遠程監控等功能。現場應用結果表明，存儲系統平移機構水平移動定位精度達到0.5 mm，板材存放占用面積減少了60%，存取板材效率提高70%以上，降低了人工勞動強度，大幅提升了自動化程度，驗證了系統可行性和安全穩定可靠性，極大地提高了工作效率。

關鍵詞：板材存儲立體倉儲可編輯邏輯控制器觸摸屏自動存取自動控制變送器智能化人機界面

Abstract：According to the problems existing in storage of plate material,such as occupying large area,low storage efficiency and inconvenient inventory management,the scheme of three dimensional storage of plate material is proposed,and a set of automatic control system is also designed and developed.By using PLC and touch screen control method,multiple functions including automatic plate material stacking and reclaiming,automatic modification of inventory,real time status monitoring display,and remote monitoring are realized.The results of field application show that the horizontal movement positioning precision of translational mechanism can reach 0.5 mm,meanwhile,this storage system makes the occupying area decrease by 60%,and the efficiency of stacking and reclaiming plate material increase by 70%,in addition,it also lowers the labor strength and significantly enhances the degree of automation,thus verifies the feasibility,safety,stability and reliability of the system,and greatly improves the working sufficiency.

Keywords:Plate storageThree dimensional storagePLCTouch screenAutomatic stacking and reclaimingAutomatic controlTransmitterIntelligenceHuman machine interface

0引言

隨著經濟迅速發展以及各種新技術、新產業的出現，各種不同性能工程材料的需求越來越廣泛。板材產品由于具有外形扁平、寬厚比大、表面積大等外形特點，可任意剪裁、彎曲、沖壓、焊接制成各種制品構件，使用靈活方便，所以成為萬能鋼材，在航空航天、船舶、兵器、汽車制造等行業均得到了廣泛的應用[1-3]。為了滿足企業大量實際生產需要，必須庫存一定數量的板材，這給企業帶來了存儲放置問題。對于物料存儲放置，目前大多采用倉儲設備。20 世紀70 年代， 德國亨乃爾及瑞士卡迪斯公司相繼開發出用于存儲物料的垂直旋轉式自動化庫柜。 目前，國外自動化存儲設備已經大量使用，著名的自動化貨柜生產廠家有德國亨乃爾、瑞士卡迪斯、美國 FKI 等公司。國內主要生產立體倉儲設備的廠家有沈飛、昆船、太原剛玉和電子科技等，但板材立體存儲方面的研究和開發并不多見，且板材立體存儲控制系統方面未見文獻報道[4-6]。目前國內大部分企業的板材存放方式多采取隨意疊放、立式斜放或板材架。這些存儲方式占用了大量存放面積，且在搬運板材過程需要大量的人工;同時在搬運過程中易產生劃傷板材表面甚至引起安全事故發生,存在工作效率低、人工消耗大等一系列問題。

針對板材存儲諸多問題，在分析梳理總結的基礎上，提出一種板材立體存儲方案，設計開發一套板材存儲自動控制系統，大大提高了板材存儲自動化程度及工作效率。

1板材立體存儲機構及工作原理

板材立體存儲機構如圖1所示，包括4個部分，主體機構、升降機構、平移機構、出入庫小車。其中主體架構包括由4根立柱組成的整體的框架立體空間結構、置于立柱頂部的懸臂梁、用于安裝升降電機的電機梁、將4個立柱連接在一起的圍梁等。主體機構成為整個立體存儲設備的重要組成部分。升降機構包括升降電機、減速機、換向器、鏈條、鏈輪等，其中，升降電機連接減速機和鏈輪，鏈輪連接鏈條。升降機構由鏈條固定連接，使升降機構在升降電機的驅動下做上升或下降運動。平移機構包括左右兩側的直線導軌、滾珠絲杠、伺服電機、機械手，其中，伺服電機連接滾珠絲杠，滾珠絲杠帶動平移機構上的機械手運動。在伺服電機驅動下，平移機構作水平運動。出入庫小車包括小車電機、減速機、稱重器、自動定位、底盤、鏈輪、鏈條等。出入庫小車放置在地面上，在小車馬達驅動下沿著地面鋪設的軌道上行走，將板材送入庫和從庫中取出，實現板材運送。本系統設計的板材存儲機構左右兩側分別有19個貨位，共有38個貨位，其中每個貨位最大承載量為2 t,最大存儲量60 t。

圖1　板材立體存儲機構簡圖

板材立體存儲工作原理如下。板材存儲過程分為送板材和取板材。送板材流程為：帶板材的托盤由外部叉車送到立體存儲系統的出入庫小車上,通過系統自動定位、自動稱重后,由出入庫小車將板材自動送入到板材立體存儲庫內；升降機構將板材從出入庫小車上取下，由升降電機經過減速及換向后，通過兩根鏈條牽引升降臺完成同步上升到達指定層，然后通過平移機構滾珠絲桿拖動升將臺上的機械手沿著直線導軌進行往復直線運動；升降機構將升降臺連同板材一起提升尋址，到位后由機械手將板材移送到指定貨位上，完成送板材過程。取板材流程與送板材流程動作相反，首先機械手按照操作人員指令自動尋找相應貨層，到指定的位置后，機械手移入貨位，將板材從貨架上取出，升降臺攜板材返回；然后由機械手將板材放到出入庫小車上，出入庫小車退出庫板材存儲庫，完成取板材的流程。

2控制系統設計

2.1硬件平臺

板材立體存儲設備以可編程邏輯控制器作為控制核心，結合觸摸屏，輔以伺服驅動和變頻控制以及傳感檢測、通信等，形成檢測與控制于一體的系統。控制系統硬件結構如圖2所示。

圖2　控制系統硬件結構圖

可編程邏輯控制器作為系統核心處理單元，對輸入信號進行采集和邏輯分析處理，并控制相應的執行器件。根據輸入輸出點數、存儲容量、維護方便性、備件通用性和擴展性的需求，系統采用西門子S7-200 PLC作為主模塊，同時系統擴展了4個輸入輸出模塊，實現控制系統控制的功能。

觸摸屏已成為最佳人機對話工具，系統采用臺達DOP系列10英寸(1英寸=25.4 mm)觸摸屏。操作者通過觸摸屏進行系統參數預設和調整板材存取輸入，實現運行狀態實時顯示和報警指示，便于操作人員使用。

為了便于物料存儲數據中心對工廠各個部位的板材存儲設備進行監控，系統選用了具有通信功能的Profibus-DP通信模塊[7-8]，使該控制系統與遠程控制系統進行通信，實現遠程監視和控制。對板材存儲的數據進行有效匯總、統計，實現對各個板材存儲設備狀況的實時記錄。

稱重系統檢測用于檢測存放板材的整體質量,它直接影響該系統安全性。將4個稱重變送器安裝在出入庫小車上,在送料之前進行質量檢測,稱重變送器輸出信號經多路放大器信號求和,轉換成合適的4～20 mA的電流信號。該電流信號傳送到可編程邏輯控制器進行處理，并與系統設置的最大承重量進行比對分析，判斷是否超重，提高了系統的承載安全可靠性。

系統設置了多個檢測開關，其中包括用于出入庫小車初始位置、前進終點位置、有無貨盤、升降臺初始位置、頂點位置、機械手初始位置、左右兩個終點的位置等檢測。在出入庫小車的進出立柱中間安裝一對光電檢測開關，用于檢測出入庫小車在送板材過程中是否超出了規定的高度。在升降臺上安裝一個檢測開關用于貨層的認址檢測。同時在每個層支架上分別安裝檢測片，升降臺上升過程中每經過一層,檢測開關就有一個信號,PLC的增計數器就計數一次,用于判斷是否到達指定貨層，實現了認址功能。

在出入庫小車入庫和出庫過程和升降臺上升和下降的運動過程，均需要對運行速度進行調整，系統采用變頻調速控制技術。選用臺達高機能、向量型交流電機驅動器VFD-VE系列變頻器，通過改變變頻器的頻率實現對小車電機和升降電機的速度調整。采用高低速度的搭配調速方式，減少了運送時間，提高了系統的工作效率。

為了保障平移機構的運動定位精度，對平移機構機械手采用伺服控制。伺服控制技術是實現整個系統的關鍵技術，通過S7-200高速脈沖輸出口Q0.0或Q0.1輸出脈沖，將該信號發送給伺服控制器,伺服控制器驅動伺服電機，通過一定控制算法使兩臺伺服電機同步運動，實現平移機構的精確定位。

系統設計了控制面板和狀態指示功能。其中，控制面板設置自動/手動、本地/遠程、急停等操作，狀態指示設置電源指示、手動和自動指示、本地和遠程指示、故障指示、運行指示等。操作人員通過控制面板的操作，實現對系統的控制功能，并實時觀測狀態指示，保障系統安全可靠運行。

2.2軟件設計

控制系統軟件包括兩部分：PLC程序和人機界面。控制系統軟件采用模塊化結構設計，PLC程序利用西門子S7-200 PLC 編程軟件Step7-Micro/WIN V4.0 開發[9-10]，能夠完成數據采集、自動送板材、自動取板材、計算處理、自動存儲庫存記錄、超限報警及遠程監控等功能，滿足自動送取板材的要求。PLC程序主要包括數據采集模塊、送板材控制模塊、取板材控制模塊、計算處理模塊、遠程控制模塊、數據查詢模塊和報警管理模塊。PLC 控制流程如圖3所示。

人機界面主要用于設定系統運行參數及顯示實時運行狀態功能。界面由主顯信息畫面、操作畫面、參數設置畫面、故障信息畫面構成。主顯信息畫面顯示的內容包括電機狀態、質量檢測值、輸入的開關量、實時庫存記錄以及系統提示信息等。操作畫面包括自動操作、手動操作、維護操作等，實現系統維護自動、手動、維護等操作功能。參數設置畫面包括最大承重質量、升降臺高低運行速度、機械手運行速度等參數設置。故障信息畫面用于提示用戶設備故障信息和可能原因等，如送入層有貨、取出層無貨、出入庫小車、升降臺超程報警、超重、超高、變頻器故障、伺服故障等信息。

圖3　PLC控制流程圖

3實驗驗證

3.1平移機構定位精度

以直線導軌的水平中心點兩個立柱的1/2作為平移機構的零點，以直線導軌左右兩側機械擋塊位置作為平移機構的終點，從零點到左側終點和右側終點位置距離均為2 m。測量時，將平移機構從零點開始運動到100 mm的規定位移，利用激光跟蹤儀對平移機構實際運動位移進行測量，得到水平機構的定位運動精度為0.5 mm，保障系統的平移機構運動精度。

3.2存儲空間和時間

隨機抽取三類板材樣品。一類面積為2 m×1 m、厚度為0.3 mm、質量為1.5 t的鋁板，放置在10個貨盤內；另一類面積為1 m×1 m、厚度為1 mm、質量為1.7 t的鋁板，放置在10個貨盤內；最后一類面積為2 m×0.8 m、厚度為0.6 mm、質量為1.6 t的板材的鋁板，放置在18個貨盤內。一種方法采用板材架存放，另一種采用該系統存放，實驗結果為：與板材架存放面積相比，立體板材存儲面積直接節約了60%。實驗中采用人工存放板材時間約為1 h，自動存取板材時間約為15 min，存儲時間大大減少，實現了自動化的存儲。

4結束語

設計開發的控制系統，平移機構水平移動定位精度達到0.5 mm，提高了水平定位的精準性，同時利用板材存儲系統使存放占用面積減少了60%，存取板材效率提高70%以上，降低了人工勞動強度，大幅度提升了自動化程度。

綜合運用人機交互技術、PLC 技術、伺服驅動技術和變頻控制技術、通信技術，設計板材立體存儲控制系統，實現了自動存取板材、自動修改庫存、實時狀態監控顯示、遠程監控等功能。

應用該控制系統的板材存儲設備滿足企業大量板材存儲向高效快速、高精度、自動化、智能化方向發展的需要，同時也推動了物料存儲的信息化、數字化的建設。

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中圖分類號：TH86;TP29

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602009

修改稿收到日期：2015-06-03。

作者李文強(1980-)，男，現為沈陽工業大學機械電子工程專業在讀博士研究生，工程師；主要從事技術創新研究及管理工作。