小型自動(dòng)化立體倉庫控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

許加鑫，壯而行，陳浩云

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院控制技術(shù)學(xué)院，無錫 214121）

1 引言

自動(dòng)化立體倉庫也稱自動(dòng)化存取系統(tǒng)AS/RS（Automatic Storage& Retrieval System），是在不直接進(jìn)行人工參與的情況下自動(dòng)地存儲(chǔ)和取出貨物的系統(tǒng)。自動(dòng)化立體倉庫采用高層倉庫貨架存儲(chǔ)貨物，用專門的倉儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行貨物出入庫作業(yè)。用可編程控制器PLC控制的自動(dòng)化立體倉庫實(shí)現(xiàn)了物流機(jī)械和計(jì)算機(jī)技術(shù)的完美結(jié)合，推動(dòng)了倉儲(chǔ)技術(shù)的全面自動(dòng)化。

一般來說，一個(gè)自動(dòng)化立體倉庫主要由如下設(shè)備組成：

（1）高層貨架：高層貨架主要是由鋼或鋼筋混凝土等材料構(gòu)造成的層式儲(chǔ)物架，它是立體倉庫的主體建筑物。

（2）托盤（貨箱）：方便貨叉取放貨物的專用托板、貨箱。

（3）巷道堆垛：把貨物存入某倉位或?qū)⒛硞}位的貨物取出專用的起重設(shè)備。

（4）輸送機(jī)系統(tǒng)：可按照規(guī)定的路線連續(xù)或間歇地可進(jìn)行水平、傾斜和垂直輸送的搬運(yùn)機(jī)械，因其輸送能力大，運(yùn)輸距離長，采用多部分附件組合工作，因此稱為輸送機(jī)系統(tǒng)。

（5）自動(dòng)化控制系統(tǒng)：立體倉庫中各模塊的控制系統(tǒng)。

使用自動(dòng)化立體倉庫能夠產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，這主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）倉庫的面積和利用率大幅度提高，建設(shè)用地大幅減少。

（2）能提高倉庫作業(yè)水平，有效利用倉庫的儲(chǔ)存能力，提高周轉(zhuǎn)速度，減少庫存和庫存費(fèi)用。

（3）由于自動(dòng)化和機(jī)械化作業(yè)，減少了貨損和貨差。

（4）能適應(yīng)特殊環(huán)境下的工作條件。

本文根據(jù)實(shí)際需求，針對一以PLC控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，由堆垛機(jī)、貨叉以及電磁制動(dòng)電機(jī)和其他硬件軟件系統(tǒng)組成的小型自動(dòng)化立體倉庫，完成硬件選型與設(shè)計(jì)。

2 倉庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對系統(tǒng)所需功能的具體分析，一個(gè)自動(dòng)化立體倉庫需完成以下功能：

（1）將貨物自動(dòng)送至某一指定倉位；

（2）將貨物自動(dòng)從某一指定倉位取出；

（3）把貨物從0倉位送到目標(biāo)倉位；

（4）將某一倉位的貨物送至0倉位；

（5）調(diào)換儲(chǔ)貨倉位；

（6）檢測倉庫的庫存情況；

（7）意外事故發(fā)生時(shí)可急停；

要實(shí)現(xiàn)上述功能，立體倉庫需具備如下模塊：控制面板、PLC程序控制器、高層貨架、堆垛機(jī)設(shè)備、電源模塊以及光電傳感器等。

系統(tǒng)存取功能實(shí)現(xiàn)的簡要流程為：倉庫工作人員通過控制面板輸入功能命令，功能命令連同光電傳感器對倉位信息的檢測狀態(tài)將同時(shí)輸入到PLC控制器，PLC綜合分析處理信息并給出輸出作用于機(jī)械設(shè)備，完成入倉或出倉任務(wù)。根據(jù)上問所述，立體倉庫中各模塊的相互關(guān)系如下圖所示：

圖1 立體倉庫的結(jié)構(gòu)

3 倉庫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上文所述倉庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本節(jié)對各電氣硬件進(jìn)行選型與設(shè)計(jì)。

3.1 控制面板

控制面板是立體倉庫系統(tǒng)中面向操作人員的交互界面。按照系統(tǒng)功能要求，面板布置如圖2所示。其中，啟動(dòng)按鈕為綠色，停止按鈕為紅色，數(shù)碼管顯示倉位號(hào)，鍵盤上的相關(guān)數(shù)字和功能按鈕輸入PLC，指示燈顯示不同的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，操作人員通過相應(yīng)的按鈕給出不同的命令，PLC控制器接收后根據(jù)信號(hào)指令和貨倉的實(shí)際情況進(jìn)行綜合判斷，將相應(yīng)信號(hào)輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)再予以響應(yīng)，從而完成貨物及進(jìn)出倉工作。控制面板示意圖如圖2所示：

為了提高系統(tǒng)集成度，降低接線的復(fù)雜度，方便對人機(jī)界面進(jìn)行修改，本系統(tǒng)選擇MCGS觸摸屏實(shí)現(xiàn)該控制面板，同時(shí)急停、復(fù)位按鈕仍然采用實(shí)體按鍵，以提高系統(tǒng)應(yīng)對緊急情況時(shí)的可靠性。

圖2 控制面板示意圖

3.2 高層貨架

目前的自動(dòng)化立體倉庫中大多采用高層貨架進(jìn)行貨物的存取工作。高層貨架由若干排貨架組成，貨架中留有巷道，貨架由若干層組成，這樣一來每個(gè)貨架被分成若干個(gè)小倉位作為貨物存取的單元，每個(gè)單元中使用一個(gè)貨箱或托盤裝載貨物，以提高存儲(chǔ)效率。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用3*3+1的高層貨架，貨架倉位由0號(hào)開始，0號(hào)倉位中裝有限位保護(hù)開關(guān)作為堆垛機(jī)的起始倉位，不存放貨物。高層貨架的簡要說明圖如下：

圖3 高層貨架示意圖

3.3 堆垛機(jī)設(shè)備

堆垛機(jī)設(shè)備是立體倉庫中從貨架中存取貨物的專用設(shè)備，主要由電機(jī)、立柱、貨叉以及各種導(dǎo)軌等組成，按照不同的功能要求，可分成不同的種類。根據(jù)本次自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)中功能要求，采用單立柱、直線運(yùn)動(dòng)型堆垛機(jī)作為主要的倉儲(chǔ)設(shè)備。

在選定堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)以后需要分別選擇行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和貨叉伸縮機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

在此系統(tǒng)中，行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和貨叉伸縮機(jī)構(gòu)均選擇電磁制動(dòng)電機(jī)。電磁制動(dòng)電機(jī)的制動(dòng)器安裝在電機(jī)非軸伸端的端蓋上。當(dāng)制動(dòng)電動(dòng)機(jī)接入電源，制動(dòng)器也同時(shí)工作。此時(shí)由于電磁吸力作用，電磁鐵會(huì)吸引銜鐵并壓縮彈簧使得制動(dòng)盤脫開，電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電源斷開時(shí)，制動(dòng)器電磁鐵失去吸力，彈簧推動(dòng)銜鐵壓緊制動(dòng)盤，致使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。電磁制動(dòng)電機(jī)有著精確的控制能力，符合需要準(zhǔn)確定位的立體倉庫的要求。綜合考慮負(fù)載轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行頻率及其他參數(shù)后，本系統(tǒng)選擇型號(hào)為9BDG-200WH的電磁制動(dòng)電機(jī)。該電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示，為了能驅(qū)動(dòng)這三臺(tái)電磁制動(dòng)電機(jī)，選用西門子變頻器G120作為驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)、變頻器和PLC之間采用現(xiàn)場總線方式通訊。

表1 9BDG-200WH電磁制動(dòng)電機(jī)參數(shù)

3.4 光電傳感器

在自動(dòng)化立體倉庫的構(gòu)建過程中，為了使貨物檢測信號(hào)能準(zhǔn)確及時(shí)的傳達(dá)給PLC控制器，高層貨架上的每一個(gè)倉位都需采用一個(gè)光電傳感器，這樣，當(dāng)倉庫正常工作時(shí)，光電傳感器就會(huì)將本倉位的儲(chǔ)貨情況按需傳遞給PLC控制器。

光電元件是光電傳感器的核心部件，光電傳感器在工作時(shí)，首先將待測量轉(zhuǎn)化成光信號(hào)的變化，接著，利用光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。一般情況下，光電傳感器由如下三個(gè)部分組成：

（1）發(fā)送器：能將光束發(fā)射到目標(biāo)物上，被發(fā)射光束的光源一般是半導(dǎo)體光源，如發(fā)光二極管、紅外發(fā)射二極管等。光束或以一定頻率發(fā)射。

（2）接收器：接收器的前面會(huì)安裝如光圈和透鏡等光學(xué)元件，能有效接收光信號(hào)。

（3）檢測電路：檢測電路位于接收器的后面，它能將有效信號(hào)濾出并輸送到后級(jí)電路中。

在本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，選用日本歐姆龍型號(hào)為EE-SPW321對射型光電傳感器。

3.5 電源模塊

在本課題自動(dòng)化立體倉庫的構(gòu)建過程中，需要提供電源的設(shè)備主要要求如下：

表3 供電設(shè)備表

根據(jù)上表對需要供電設(shè)備的描述，電源模塊應(yīng)能提供低壓直流電源，而我國普遍使用的工廠動(dòng)力電是三相380V和單相220V，為了得到系統(tǒng)需要的弱電控制電壓，本文選用了開關(guān)電源提供所需的DC24V電壓。

3.6 可編程控制器PLC 選型與I/O分配

可編程序控制器PLC是在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的一種設(shè)備。目前，市面上各企業(yè)生產(chǎn)制造的自動(dòng)化立體倉庫中，堆垛機(jī)的核心控制單元大都采用PLC控制系統(tǒng)，由于PLC的品牌型號(hào)眾多，因此需要從輸入輸出點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量、控制能力和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮。在本系統(tǒng)中，綜合上文所述系統(tǒng)控制要求，得到自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)輸入點(diǎn)數(shù)是16，輸出點(diǎn)數(shù)是2，同時(shí)希望所選PLC能比較方便地控制變頻器和觸摸屏，因此，選擇晶體管輸出型西門子系列PLC，型號(hào)為S7-1200（1215C），配合擴(kuò)展模塊C可拓展為輸入點(diǎn)數(shù)為32，輸出點(diǎn)數(shù)為32，十分適合系統(tǒng)控制要求。

根據(jù)本文對自動(dòng)化立體倉庫的控制要求，可得出下表所示的I/O口分配表：

表4 PLC I/O端口分配

4 結(jié)束語

本文首先介紹了自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)中的硬件構(gòu)成，分別是：高層貨架、堆垛機(jī)設(shè)備、光電傳感器和電源模塊，對于各硬件的選型與設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并且根據(jù)系統(tǒng)要求，給出了PLC的I/O端口的分配表，為進(jìn)一步進(jìn)行倉庫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。