基于S7-1200PLC的小型立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（南陽(yáng)理工學(xué)院，南陽(yáng) 473004）

0 引言

為響應(yīng)國(guó)家智能制造戰(zhàn)略，打造數(shù)字化工廠，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)越來(lái)越受到企業(yè)界關(guān)注，對(duì)其需求量和各方面性能要求越來(lái)越高。因此，對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的深入研究可以產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1～3]。堆垛機(jī)器人作為立體倉(cāng)庫(kù)的核心執(zhí)行設(shè)備，其性能指標(biāo)將會(huì)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行效率產(chǎn)生重大影響，包括其運(yùn)行的平穩(wěn)性，高速性，定位精確性等，因此，設(shè)計(jì)一種更加可靠、高效、精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制算法具有重大現(xiàn)實(shí)意義[4,5]。基于西門(mén)子PLC S7-1200和堆垛機(jī)器人開(kāi)發(fā)一套立體倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)智能操作，并基于S7-1200驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)提出一種新型直線插補(bǔ)算法，最后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)與MES系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信，為智能車間打下基礎(chǔ)。

1 立體倉(cāng)庫(kù)總體設(shè)計(jì)

1.1 立體倉(cāng)庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型立體倉(cāng)庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由貨架、堆垛機(jī)器人、出入庫(kù)傳送帶和料盤(pán)組成，如圖1所示。

1）貨架：貨架由橫梁、立柱組合裝配構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)模塊化安裝。

2）堆垛機(jī)器人：堆垛機(jī)器人是整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)的核心工作部分，是實(shí)現(xiàn)立體倉(cāng)庫(kù)出入庫(kù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。堆垛機(jī)由X軸、Y軸、Z軸組成，能夠?qū)崿F(xiàn)沿X軸的水平移動(dòng)、沿Z軸的垂直移動(dòng)和沿Y軸的水平移動(dòng)，如圖2所示。

圖1 立體倉(cāng)庫(kù)示意圖

1.2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)是堆垛機(jī)器人及出入庫(kù)傳送帶的控制中樞，是實(shí)現(xiàn)立體倉(cāng)庫(kù)出入庫(kù)動(dòng)作的核心單元。整個(gè)電氣控制硬件系統(tǒng)由PLC、輸入/輸出設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備、驅(qū)動(dòng)裝置等組成。控制系統(tǒng)除了控制堆垛機(jī)和傳送帶的運(yùn)行，還需要控制各種限位開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、感應(yīng)開(kāi)關(guān)以及觸摸屏等。控制柜元器件布置如圖3所示。

圖2 堆垛機(jī)示意圖

圖3 控制柜布置圖

2 控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 控制系統(tǒng)組態(tài)及IO配置

堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制實(shí)際上是PLC對(duì)三個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。另外，輸入輸出傳送帶的運(yùn)動(dòng)是由PLC對(duì)變頻器的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。基于S7-1200 PLC的硬件組態(tài)配置如圖4所示。

控制系統(tǒng)IO配置如表1所示。

表1 I/O列表

圖4 系統(tǒng)硬件組態(tài)

表1 （續(xù)）

2.2 堆垛機(jī)器人步距計(jì)算

堆垛機(jī)X軸采用斜齒輪/齒條傳動(dòng)，需要計(jì)算出齒輪與齒條嚙合時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈行走的距離，計(jì)算過(guò)程如下：

其中，已知齒數(shù)z1=25，端面模數(shù)mt=3，減速比n1=1:7，可計(jì)算出斜齒輪分度圓直徑d1（mm），分度圓周長(zhǎng)C1（mm），分度圓周長(zhǎng)即齒輪與齒條嚙合時(shí)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈行走的距離。計(jì)算可得C1=33.659mm，同理可計(jì)算得C2=25.004mm，C3=25.492mm。

2.3 自動(dòng)認(rèn)址算法設(shè)計(jì)

自動(dòng)認(rèn)址是指用戶給定目標(biāo)貨位的行列數(shù)值后，堆垛機(jī)可以接收并識(shí)別貨位信息，然后自動(dòng)移動(dòng)至目標(biāo)位。此功能可分為兩個(gè)步驟，第一，堆垛機(jī)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)位置。第二，堆垛機(jī)精準(zhǔn)移動(dòng)到目標(biāo)位置。

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)貨架分為前后兩排，每一排有五行，十列，共94個(gè)貨位。絕對(duì)認(rèn)址算法算法分析如下：

首先需要計(jì)算出每個(gè)貨倉(cāng)之間的行間距和列間距，

其中，X10第十列X軸坐標(biāo)5255.406（mm），X1第一列X軸坐標(biāo)-51.50407（mm），n1列數(shù)10列，計(jì)算可得X軸列間距L1=589.65667（mm）。Z5第五行Z軸坐標(biāo)1902.563（mm），Z1第一行Z軸坐標(biāo)93.13336（mm），n2行數(shù)5行，計(jì)算可得Z軸行間距L2=452.35741（mm）。接著計(jì)算出X軸、Z軸目標(biāo)行列數(shù)的具體坐標(biāo)：

其中，X1第一列X軸坐標(biāo)-51.50407（mm），L1列間距589.65667（mm），nx目標(biāo)列數(shù)，可計(jì)算出Lx目標(biāo)列數(shù)X軸坐標(biāo)。同理，可計(jì)算出Lz目標(biāo)行數(shù)Z軸坐標(biāo)。

計(jì)算完成后，給出X、Z軸運(yùn)行速度，通過(guò)絕對(duì)定位指令（MC_MoveAbsolute），控制軸運(yùn)動(dòng)到指定位置。

認(rèn)址算法示意圖如圖5所示。

2.4 直線插補(bǔ)算法設(shè)計(jì)

圖5 認(rèn)址算法示意圖

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)體積龐大，倉(cāng)格數(shù)量多，目前大多數(shù)立體倉(cāng)庫(kù)沒(méi)有對(duì)堆垛機(jī)X軸、Z軸的運(yùn)行速度和路徑進(jìn)行優(yōu)化，這導(dǎo)致了出入庫(kù)的效率較低，嚴(yán)重影響了立體倉(cāng)庫(kù)的性能，所以可將數(shù)控系統(tǒng)中的直線插補(bǔ)思想應(yīng)用到立體倉(cāng)庫(kù)中，對(duì)運(yùn)行速度和路徑進(jìn)行優(yōu)化，提高立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行效率。故本課題在實(shí)現(xiàn)X、Z軸自動(dòng)定位的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型直線插補(bǔ)算法，極大簡(jiǎn)化了程序結(jié)構(gòu)，減少了運(yùn)算量。

設(shè)置X軸和Z軸的速度范圍，以X軸速度為基準(zhǔn)，分別計(jì)算出X軸與Z軸的運(yùn)行距離，根據(jù)X軸速度和距離計(jì)算出X軸的運(yùn)行時(shí)間，將此時(shí)間設(shè)置為基準(zhǔn)時(shí)間，最后根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)間和Z軸距離計(jì)算出Z軸速度。

具體算法如下：

其中，t軸運(yùn)行時(shí)間（s），Lx1目標(biāo)列數(shù)坐標(biāo)值（mm），Lx2X軸當(dāng)前坐標(biāo)值（mm），VxX軸自動(dòng)運(yùn)行速度，Lz1目標(biāo)行數(shù)坐標(biāo)值（mm），Lz1Z軸當(dāng)前坐標(biāo)值（mm），可算得VzZ軸自動(dòng)運(yùn)行速度。最后將所得X、Z軸速度賦值給自動(dòng)定位模塊，控制兩軸以直線插補(bǔ)形式移動(dòng)到目標(biāo)位置。

圖6 插補(bǔ)算法流程圖

2.5 組態(tài)監(jiān)控

本地監(jiān)控畫(huà)面包括初始畫(huà)面、自動(dòng)運(yùn)行畫(huà)面、手動(dòng)運(yùn)行畫(huà)面、參數(shù)配置畫(huà)面、IO監(jiān)控畫(huà)面，其中自動(dòng)運(yùn)行畫(huà)面如圖7所示。

圖7 自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)控畫(huà)面

自動(dòng)運(yùn)行模式下，可以看到X、Y、Z軸當(dāng)前位置、速度、堆垛機(jī)目標(biāo)貨架行和列、出入庫(kù)情況。另外，該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，遠(yuǎn)程控制出入庫(kù)動(dòng)作，在此不再深入敘述。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于S7-1200，運(yùn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于堆垛機(jī)的立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)。對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的硬件選型、組態(tài)配置、自動(dòng)認(rèn)址、直線插補(bǔ)、監(jiān)控等進(jìn)行了深入研究。實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)運(yùn)行模式、自動(dòng)運(yùn)行模式及上位機(jī)遠(yuǎn)程模式下的出入庫(kù)操作。提出的直線插補(bǔ)算法優(yōu)化了出入庫(kù)路徑，有效地提高了立體倉(cāng)庫(kù)的出入庫(kù)效率。