南疆地區干果類小型倉庫自動存取系統的設計與實現

呂昕聰　李傳峰　梁鑫　郭小康

摘 要： 針對當前新疆南疆地區干果類倉庫自動化程度不高、空間利用率低和勞動強度大等問題，設計了一種基于PLC的干果類倉庫自動控制存取系統。用光電傳感器檢測待存取倉位貨物，以PLC為系統控制核心元件，并做出相應處理，控制步進電機驅動堆垛機的運行，實現了對倉庫的自動檢測和自動存取。通過對系統進行測試，結果表明，倉庫自動存取系統操作過程作業穩定，識別精度較高，操作時間控制較好，具有較好的可靠性與穩定性，單臺系統入庫能力P1為126.1次/h，單臺系統出庫能力P2為126.3 次/h。

關鍵詞： 自動存取系統； PLC； 步進電機； 倉庫

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0072?04

Abstract： Aiming at the problems of low?level automation， low space utilization rate， great labor intensity and so on of dry fruit storehouse in Southern Xinjiang， a kind of automatic storing and retrieving system based on PLC for dry fruit warehouse was designed. Some photoelectric sensors are used in the warehouse to detect the awaiting goods. The PLC is taken as the system′s control core for controlling the stepping motor to drive the stacker to make corresponding treatment， that is， the stackers could send or fetch the goods automatically by a stepping motor under PLC′s control. The testing results show that the system has stable performance and strong practicality. A single system′s storage capacity P1 is 126.1 times/h， and its delivery of cargo from storage P2 is 126.3 times/h.

Keywords： automatic storing and retrieving system； PLC； stepping motor； storehouse

新疆作為一個以農業為基本經濟框架的省份，農業產品資源和氣候資源非常豐富，區位優勢得天獨厚，具有發展特色農業的有利條件。新疆南疆地區常年降雨量少、氣候干燥、日照時間長、晝夜溫差大，產出的的瓜果異常香甜，促進了紅棗、核桃、葡萄干、杏干等內地消費者家喻戶曉、耳熟能詳的特色干果類農產品的形成[1]。

近些年，隨著新疆南疆地區干果業的生產規模不斷擴大與發展，傳統干果類倉庫自動化程度不高、空間利用低和勞動強度大等問題呈現出來。因此，利用PLC具有最優化的邏輯判斷能力的控制程序，設計了干果業倉庫自動存取系統，使倉庫最合理地運行，為南疆干果類倉庫運行的生產帶來更大的便利和經濟效益[2?4]。

1 系統總體設計

1.1 設計思路

目前，南疆地區干果業的倉庫稱重、存取等工序基本上靠人工完成，嚴重影響了工作效率、空間利用率和干果存取質量，圖1為南疆一師12團和順棗業公司倉庫實際情況。因此，采用先進的PLC控制器控制針對南疆地區干果業設計一個物流倉庫自動存取系統，通過系統PLC程序的設計，能靈活方便地進行系統配置滿足控制要求，并能通過步進電機、堆垛機和運動機械裝置等系統的工作對倉庫貨物進行準確的自動存取。

1.2 系統功能要求與技術參數

根據南疆一師12團和順棗業公司對儲藏紅棗倉庫的實際要求，設計本倉庫自動存取系統應滿足以下功能：巷道堆垛機（機械手）應具有三個自由度，即水平運動，上下運動，前后運動；通過步進電機驅動堆垛機的運動；堆垛機水平運動和上下運動時必須設有限位保護開關；倉庫倉位必須安裝檢測裝置（檢測傳感器），判斷倉位是否存有貨物；整個自動存取系統控制必須設置急停按鈕（開關），以防意外情況的發生。

倉庫自動存取系統主要技術參數見表1。

1.3 系統結構與工作原理

系統主要由人機接口界面、電氣控制裝置、驅動電路模塊、步進電機、巷道堆垛機、機械手和倉位模塊構成，其主體結構包括：水平軌道、立柱、倉位庫體、運動機械及電氣控制等部分，如圖2 所示。

系統工作原理是利用PLC作為核心控制元件，控制步進電機來驅動一個有三自由度的堆垛機在導軌和立柱上做三維運動。以步進電機每轉輸出的脈沖數為基礎，通過光電傳感器進行掃描將信號傳送給PLC得出相應的倉位號，并輸出對應倉位的脈沖數，經過驅動器驅動步進電機按指令的方向轉動相應的角度，進而控制機械傳動部件進行準確的定位，以完成倉庫貨物的存取功能。

2 系統單元設計

通過參考自動化立體倉庫的一般結構形態[5]，倉位采用N×M的結構，考慮各模塊的功能和要求，合理排列各個部件之間的位置，每個倉位上都設置了檢測傳感器；倉庫自動存取系統采用一個控制臺，操作人員通過人機接口界面操控立體倉庫的控制面板；控制器采用西門子生產的S7?300系列PLC；電機制動裝置采用了兩個步進電機；驅動裝置是給步進電機配以相應的驅動電路模塊。endprint

2.1 PLC控制器

根據系統的工作流程特點和倉庫應用要求，選用德國西門子S7?300系列PLC，其型號為S7?300 CPU313。該PLC的各種模塊能很好地滿足和適應倉庫自動存取控制任務，編程軟件和組態軟件齊全、組網方便、擴展性能良好[2]。能夠實現獨立控制步進電機，可用于三個方向的位置控制。其中，外部輸入元件有：傳感檢測元件、按鈕、存、取、急停、限位開關和超限位保護等；輸出有步進電機的正反轉、動作指示、錯誤報警等要求。可以達到對步進電機和堆垛機的運行進行控制，讓其實現較復雜的位置定位，另外它還具有時序邏輯控制等功能。圖3為PLC電氣框圖。

2.2 步進電機及驅動電路

步進電機主要任務是按照運動要求來驅動堆垛機的動作，根據系統要求，選用型號為 42BYGH101二相八拍混合式步進電機。其主要特點是具有反復起動和運行頻率較高、轉矩定位和體積小等優點。其絕緣電阻為DC 500 V 150 mΩ MIN，工作溫度范圍為-15～50 ℃。

步進電機驅動電路采用型號為SH?2H068步進電機驅動器，主要包括電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等。其能夠根據系統指令按對應的運行邏輯關系分配脈沖信號，然后通過功率放大器將信號加到步進電機的各相繞組，使步進電機能按相應的方式運行，并實現正轉、反轉控制和定位控制。

2.3 傳感器

傳感器采用日本歐姆龍公司生產的光電反射型接插件式傳感器作貨物檢測，其型號為EE?SPY40，電源電壓為DC 5～24 V，具有能抗周圍外來光干擾性強和調整方便等優點。

2.4 電源模塊

電源模塊的主要參數如下： 輸入交流電壓/頻率為 220 V/50 Hz； 輸出直流電壓/電流為24 V/6.5 A； 最大功率為300 W。

3 系統程序設計與實現

倉庫自動存取系統設計的主體部分是 PLC 程序的設計[5?6]，整個系統的核心工作就是控制程序，系統的工作方式和性能的好壞取決于程序的處理方法優劣，因此程序的設計與功能的實現在此系統中至關重要。系統程序設計主要采用梯形圖和高級語言混編形式，主程序等采用梯形圖[2?3]，部分功能塊采用匯編語言編程編寫，使程序具有簡潔、維護方便等特點。圖4為系統總體流程圖，圖5為動作子程序流程圖。程序設計后對系統進行了仿真調試，其結果表明，倉庫自動存取系統能準確地完成貨物的存取任務， 且運行可靠、靈敏，達到了設計的要求，表明該設計方案是可行的。

4 倉庫自動存取系統的測試試驗

倉庫自動存取系統主要包括入庫存貨以及出庫取貨兩個方面的動作，入庫存貨與出庫取貨時，均要保證相應倉位號的準確性，測試試驗主要測試入庫存貨與出庫取貨操作時的準確性與快速性，主要反映在光電反射型接插件式傳感器快速響應的性能。

4.1 試驗方法

試驗地點為南疆一師12團和順棗業公司4號存取倉庫，主要物料為紅棗包裝箱。按照設計，試驗主要為單一的存取作業方式，分別測算操作系統從各個倉位入庫存貨的時間周期以及出庫取貨的時間周期。試驗前，將各倉位進行空倉，先進行入庫存貨操作，再進行出庫取貨操作；試驗時，準備好測試用的秒表，結合系統自計算時間綜合測定單次取樣時間；試驗進行多次重復試驗，統計試驗時單次操作時間周期的平均時間；另外，根據重復入庫存貨與出庫取貨測試，統計操作系統的識別倉位精度。

4.4 試驗結果

單臺系統入庫與出庫測試試驗結果如表2及表3所示。表2結果表明，倉庫自動存取系統入庫存貨周期作業平均時間為28.54 s，在測試時，僅出現一次識別錯誤，平均識別精度為99.99%；系統進行入庫操作的周期時間均值為18.51 s，表明操作過程作業穩定，操作時間控制較好，具有較好的可靠性與穩定性。經計算，單臺系統入庫能力P1為126.1次/h。

表2 倉庫自動存取系統入庫存貨測試結果

表3結果表明，倉庫自動存取系統出庫取貨周期作業平均時間為28.49 s，在測試時，無識別錯誤情況出現，平均識別精度為100%；系統進行出庫操作的周期時間均值為20.51 s，測試過程中，操作過程作業穩定，操作時間控制較好，具有較好的可靠性與穩定性。經計算，單臺系統出庫能力P2為126.3次/h。

5 結 論

本文設計的干果業小型倉庫自動存取系統運行性能穩定，送取貨物定位準確，安全可靠，為南疆地區干果業物流過程節省了大量的人力和物力，提高了工作效率和空間利用率，具有一定的經濟效益和社會效益。

表3 倉庫自動存取系統出庫取貨測試結果

通過對系統進行測試結果表明，倉庫自動存取系統操作過程作業穩定，識別精度較高，操作時間控制較好，具有較好的可靠性與穩定性，單臺系統入庫能力P1則可計算為126.1次/h，單臺系統出庫能力P2則可計算為126.3次/h。

注：本文通訊作者為李傳峰。

參考文獻

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