基于PLC 的自動化立體庫控制設計分析

靖夢圓

（哈爾濱商業大學輕工學院，黑龍江 哈爾濱 150028）

近年來，為滿足倉儲物流等行業的實際需要，技術人員在自動化立體庫方面進行了更多的研究和設計。在自動化立體庫的控制設計中，常用的自動控制技術是PLC 技術。基于PLC 技術，能夠根據行業內的實際需要，設計更為合理的自動化立體庫，有效銜接生產和庫存，從而有效提高物資調配和周轉的效率，顯著降低成本開支，提高企業的經濟效益。

1 基于PLC 的自動化立體庫控制設計概述

1.1 基本內涵

自動化立體庫主要是借助高層立體式貨架來放置貨物，并自動進行存取、管理和監督的一種存儲方式[1]。其控制系統的核心就是PLC 技術，PLC 技術又稱為可編程邏輯控制器技術，其并非是單獨的一項技術，而是通信、光學、電氣等多方面技術的有機融合[2]。在自動化立體庫中應用PLC 技術，不僅能夠提高控制系統的運行速度和處理能力，還能顯著提升控制精確度和可靠性，基于PLC 技術對自動化立體庫進行設計有著非常重要的意義[3]。

1.2 自動化立體庫控制系統工作原理

首先，操作人員通過控制面板輸入類似“將貨物送到某倉位”的指令，由控制面板將指令輸入PLC 控制裝置中；其次，由PLC 控制裝置接收倉庫傳感器發出的響應信號，當PLC 控制裝置確認目標倉位屬于空位后，即開始調用和執行送貨命令，完成送貨任務。

2 基于PLC 的自動化立體庫的硬件設計

2.1 控制面板

控制面板在整體系統中起著人機交互的關鍵作用，主要由系統啟停控制、功能鍵盤輸入、倉位號顯示和狀態指示四部分組成，啟動按鈕設置為綠色，停止按鈕則設置為紅色。當系統啟動后，操作人員只需通過面板上的鍵盤，即可向PLC 控制器傳輸相關指令，再由PLC 控制器進行判斷，確定是否可進行物品的取送，具體的工作狀態則由相應的指示燈加以展現。

2.2 倉庫貨架和倉儲機械設備

自動化立體庫中的倉庫貨架通常分為若干組，各組之間留有一條巷道，進行貨物的存取，同時。為了提高效率，自動化立體庫存儲貨物多采用貨箱或托盤，并對原始倉位加裝檢測限位開關，確保堆垛機可以從起始位置有序作業。

自動化立體庫中的倉儲機械設備則以巷道堆垛機為主，其主要被用于巷道口內貨物的存取，行進和升降由2 臺步進電機控制，如圖1 所示。機械設備對貨物的取送則由直流電機控制，在此基礎上，對步進電機的驅動器做進一步設計，確保控制系統所發出的脈沖信號均能有效轉換為步進電機的角位移。因此，首先，要提高脈沖信號的頻率；其次，控制好步進電機的脈沖信號頻率；最后，要控制步進電機的脈沖個數，以確保步進電機的速度和轉速均處于合理區間，并能夠對目標進行精確的定位。

圖1 步進電機

2.3 傳感器設計

自動化立體庫中的每個倉位都需要安裝傳感器，以準確判斷各個倉位的狀態，傳感器類型則為光電傳感器，如圖2 所示。當倉位上放置貨物后，傳感器信號則中斷，這種情況會轉換為電信號傳入PLC 控制器中，再由PLC 控制器向控制面板輸出這一信息，操作人員就明確了哪些倉位已經處于不可用狀態，從而詳細了解自動化立體庫中的整體存儲情況。

圖2 光電傳感器

2.4 電源模塊

自動化立體庫的電源模塊通常以低壓直流電為主，而電網電壓是220V 的交流電，因此，應當先使用變壓器對電網電壓進行降壓，轉變為低壓交流電后再經過整流電路，轉換為脈動的直流電，最后通過濾波電路，徹底清除電流中的交流成分，得到最終的直流電。這些高質量的直流電，是自動化立體庫中電氣設備的電能唯一來源。

2.5 PLC 系統的選擇

當前，自動化立體庫中的輸入輸出點數相對較多，因此考慮到實際情況和配置要求，選用型號為FX2N-64MT 的晶體管輸出型PLC 系統作為自動化立體庫的PLC 控制系統，實現定位功能脈沖輸出，如圖3 所示。

圖3 FX2N-64MT

3 基于PLC 的自動化立體庫的軟件設計

3.1 軟件控制方式的選擇

目前，半自動化、手動控制和聯機控制是自動化立體庫控制系統中常見的三種控制軟件的方式，其中，聯機控制主要通過計算機的管理系統發出指令來控制其他設備的工作，并能夠實時監控這些設備的工作狀態，符合自動化的設計要求。因此，自動化立體庫控制系統中通常采用聯機控制方式進行軟件的控制，而半自動控制和手動控制兩種方法則多用于自動化立體庫的維修和調試等相關工作。

3.2 通信協議的制定

在采用了聯機控制方式后，即可使用計算機和通信系統對PLC 系統進行有效控制，向PLC 系統發出相應指令，而PLC 系統接收到相應指令之后，即可控制步進電機執行這些指令，進而實現對目標貨物的自動化存取。PLC 系統通過輸入輸出接口，與計算機之間進行通信。當需要進行貨物存取操作時，操作人員會通過計算機向PLC 系統傳送控制信息，PLC 系統接收到控制信息后控制設備，使相應的設備按照指令自動化進行操作，當操作完成后，將相關信息反饋給PLC 控制系統。為確保這一過程中各種信息指令均能夠實現高效的傳輸，就需要設計相應的通信協議，通信協議的設計則要根據所使用控制軟件的型號來加以確定，確保控制軟件和PLC 編程中的字符數據和波特率均等同。在此基礎上，用byte1 表示控制字符，byte2 表示貨架水平運動時的脈沖信號，byte3 表示貨架垂直運動時的脈沖信號。與此同時，使用類似的方法，對入庫、出庫、原點和停止等參量進行設置。

3.3 程序流程的設計

要確保自動化立體庫控制系統所編程序的準確無誤，對程序流程進行準確的設計。在這一環節中，應當按照控制系統在功能上的要求加以設計，包括主程序與若干個子程序，其中主程序的主要任務是對系統進行初始化，判斷設備運行狀態，并對信號輸出情況進行控制等；子程序則對應移庫、出庫和入庫的相關操作，當設備啟動運行后，先進行自檢，判斷報警信息或故障信息，確保設備未出現故障且不存在報警源。當此階段確認無誤，且設備處于空閑狀態時，則進入準備狀態，等待計算機所發出移庫、出庫或入庫的指令，并執行相應的操作，當設備接收到命令后，狀態隨之轉變為“非空閑”，此時的設備除了執行計算機所發出的上一個指令，不再接收其他指令。

4 設備調試過程中存在的問題及處理方法

4.1 機械手搬運停止后抖動問題的處理

控制機械手的步進電機是通過PLC 系統的高速脈沖信號所控制[4]。因此，在實際的運行過程中，可能出現當前值和目標值之間的偏差，導致機械手在短時間內頻繁變更運動方向而發生抖動。對于這一問題，可通過改變程序中目標值設定的方式來解決，將目標值從固定數值變成一段區間內的動態數值，確保當前值在該區間內時機械手停止運行，即可解決機械手的抖動問題[5]。

4.2 物品入庫位置錯誤問題的處理

在物品入庫的過程中，還有一個識別物品種類的重要環節，入庫的物品需要進行種類識別后才能送入倉庫相應的位置。為確保自動化立體庫的運行效率，物品的傳輸具有很高的連續性，當上一個物品尚未入庫完成時，下一個物品就已通過檢測，就會導致這種錯誤的出現。針對這一問題，需要調整物品類型標志位，將這一環節修改為在機械手抓取物品之后，以確保物品能夠準確入庫[6]。

4.3 機械手碰撞庫位問題的處理

機械手碰撞庫位情況的發生，主要是因程序編制錯誤或步進電機定位計算錯誤而導致。這種問題相對較為嚴重，很可能會造成機械手等設備發生損壞。對此，要先對機械手的運動情況進行手動測試，將機械手調整到不會出現碰撞的位置，再編制脈沖程序進行調試校準；在調試完成后，適當松動機械手升降部件的螺絲，再重復進行調試校準，確保所有環節均準確無誤后，重新緊固機械手升降部位的螺絲。

5 結束語

隨著科學技術的發展，自動化立體庫正被越來越廣泛地應用。在自動化立體庫的設計中，PLC 技術是提升其工作效率和質量的關鍵，對提升自動化立體庫技術水平有重要的現實意義。因此在今后的工作中，技術人員仍需不斷加強創新，不斷提升基于PLC 的自動化立體庫控制設計水平，為行業發展做出更大貢獻。