基于PLC的立體倉庫自動取料機構設計

陳紅琴

（揚州高等職業技術學校 江蘇 揚州 225000）

0 引言

立體倉庫是指采用由下而上建立的高度貨架儲存貨物，由自動控制系統控制倉庫中的取料機構進行貨物入、出庫工作的一種自動化倉庫，該倉庫可以利用其極高的占地面積使用率對貨物進行有效存儲。立體倉庫的使用范圍廣泛，可用于各大物流公司、航天、食物加工、藥物生產等行業。

1 自動取料機構的研究意義及現狀

為支持現代物流企業的持續高速發展，提升運作效率，提升倉庫物流處理能力，研發立體倉庫的自動取料機構意義重大。立體倉庫的自動取料機構設計好壞與否很大程度取決于取料堆垛機、傳送帶等裝置精確控制，貨物入庫、出庫精準控制，工作過程安全可靠等。

立體倉庫產生于第二次世界大戰之后。20世紀50年代，美國建立了一個橋式立體倉庫。19世紀中期，日本已經開始著手建造立體倉庫，并且發展速度越來越快。各國之間的發展方向各有不同，美國注重于更高更精確的取料系統，日本專注于實用方面，對于成本方面的控制更苛刻，著力于發展綠色物流。

20世紀初，我國開始立體倉庫的研究。近幾年，諸多高校、企業也開始致力于自動取料機構的研發，例如蒙重寶研究設計的堆垛機[1]，極大地方便了控制電機的工作，降低了能耗，通過在軌道上加裝傳感器，更加方便控制人員對于堆垛機工作狀況的了解與實施改進。

2 立體倉庫自動取料機構總體設計概述

2.1 立體倉庫概述

立體倉庫由貨架、堆垛機、傳送帶、PLC控制系統等部件組成，它不需要人工直接干預，通過自動取料機構完成取料送料的基本物流工作[2]。立體倉庫中的自動取料機構是最為重要的工作系統，負責貨物出庫、貨物入庫、貨物分揀等工作。自動取料機構由PLC控制驅動，由取料機械手負責運行，是立體倉庫自動取料機構中最重要的一環，它直接影響了該倉庫的整體效率。

PLC控制系統的加入，可以對倉庫的工作狀態進行實時控制，對貨物情況進行管理[3]，提高企業的運作效率，減少工人勞動，節約企業資金，進行科學有效的管理。

2.2 立體倉庫的種類

按照貨架結構類型分，目前國內市場的立體倉庫可分為以下幾種。

2.2.1 貨格式立體倉庫

貨格式立體倉庫（圖1）是最普遍的一種立體倉庫，貨架倉庫有較多的空間，貨架通道寬敞，堆垛機可以在貨架之間來回穿梭，進行存貨取貨的作業。適合于大型物流企業，自動化控制較為困難，技術要求高。

2.2.2 貫通式立體倉庫

貫通式立體倉庫（圖2）是一個結構較為整體的倉庫，在每個架子的底部安裝滑軌和滾輪，貨物單元可以自動沿著坡道的高端移動到其下方的低端。適用于平臺提貨倉庫，提貨端在平臺上，有利于提高裝車速度，減少裝車距離。

2.2.3 柜式立體倉庫

柜式立體倉庫由柜式貨架、柜式通道與自動取料機構等組成。柜式立體倉庫的主要特點是小型化、輕巧和智能。它適用于存儲貴重物品等。

2.2.4 條式立體倉庫

條式立體倉庫使用較少，該立體倉庫主要用于存放條形狀的貨物，貨架之間不封閉，由叉車負責將貨物放入或取出。適合專門化的企業進行特定存儲。

2.3 立體倉庫取料機構

倉庫的取料機構（圖3）總體上分為3大方面。

（1）物料存儲系統：負責對立體倉庫中進出的貨物，原料進行儲存。由于其直接影響到存儲的貨物質量，物料存儲系統必須配備相應的存儲設施。例如，存儲精密材料的立體倉庫需配備恒溫設施，保證室內溫度，防濕防潮。存儲較為危險的貨物的倉庫需配備通風裝置及精密機械手，防止搬運時損害貨物等。

（2）物料傳送系統：負責在貨架之間運輸貨物，其分為堆垛機械手與傳送裝置，堆垛機械手負責精準的將貨物搬到傳送裝置上。傳送系統應滿足適用性強、工作安全穩定、運輸能力大等要求。

（3）物流控制與管理系統：立體倉庫自動化與否的核心所在，分為分揀裝置與人機接口界面。分揀裝置能連續不斷地大批量分揀商品，適應性強，可以實現無人化。人機接口界面是立體倉庫唯一需要人工干預的部分，操作人員通過PLC自動控制系統對整個倉庫進行傳輸控制。通過人機交互，使整個立體倉庫穩定運行。在自動取料機構出現故障時，人機交互界面會告知人工倉庫發生故障，請求人工介入，修正錯誤。

2.4 PLC自動化控制簡介

PLC控制系統（圖4），全稱為可編程邏輯編輯器，是一種專業化的數字電子裝置，其內部有數字控制器，用于取料機構的自動化控制[4]。可編程控制器由計算機、輸入輸出接口、數字裝置、模擬轉換元件等部分組成。

PLC控制系統主要使用單片機進行運作，它們具有很高的集成度，并具有相應的保護電路和自診斷功能，從而提高了系統的可靠性。與計算機系統相比，PLC的安裝既不需要專用的計算機室，也不需要嚴格的屏蔽措施。使用時，只需將檢測設備正確連接到執行器和PLC的I/O接口端子，即可正常工作。

2.5 自動取料機構使用PLC進行控制的優勢

本文選擇PLC控制系統進行控制，相較于其他控制系統，PLC控制系統成本較低，穩定性高，工作也較為可靠。PLC編程的程序與圖形易于掌握，即使是沒有計算機專業知識的人也能在一段時間的培訓后輕松掌握。

在立體倉庫中，需要一個穩定可靠的控制系統操控堆垛機、機械手等運貨設施，PLC自動控制系統作為一種專門為工業化設計的控制系統，非常符合立體倉庫的要求。本文以PLC控制的自動取料機構為主題，以PLC控制取料機械手、堆垛機等工作機構完成貨物的拿取為內容，構成一套完善的立體倉庫自動取料機構。

3 自動取料機構設計方案

3.1 總體設計方案

本文設計的自動取料機構系統有5臺堆垛機負責運行，取料機械手進行具體的取料工作。系統為二級框架結構，PLC控制系統由水平與垂直控制兩種，監控系統進行輔助工作，整個控制系統無需人工干預，堆垛機可在水平或垂直的方向上對倉庫中的貨物進行自動化控制管理。堆垛機將貨物堆放好后，由取料機械手進行取料，以達成自動運輸貨物的功能。

3.2 堆垛機系統自動控制方案

本文的自動取料機構中，堆垛機采用3種方法進行工作，手動控制、單機自動化控制及聯機自動化控制。在立體倉庫正常運行的情況下，只需工人在計算機面板前進行人機交互，向PLC控制系統發出指令，自動取料機構便會按照工人的指令做出相應動作。手動控制是為了防止取料機構出現問題，如斷電、機器損壞等故障，由人工轉換為手動控制進行操作。

（1）手動控制。在發生意外情況，機器不能自動運行時，以人工的方式通過開關控制堆垛機升降。手動控制可以解決絕大多數的故障，是堆垛機系統中的一道保障。

（2）單機化自動控制。堆垛機用計算機觸摸板進行控制，該系統根據工人給出的指令，自動進行產品的出庫入庫工作。需要對現有指令進行改動時，才需要人工干預。計算機觸摸板上可以實時顯示該倉庫的情況、貨物種類、位置及其入出庫時間并對每件貨物進行查詢。

（3）聯機式自動化控制。該種控制方法將命令與網絡連接，傳輸到PLC系統中，堆垛機接受指令，進行實時處理，監控機構對其工作進行實時監控，與網絡連接，查看其工作是否正常，是否需要人工干涉等。

3.3 監控系統設計方案

監控系統（圖5）的主要功能是對倉庫中設備的實時位置進行監控，獲取堆垛機、傳送帶等工作裝置在運輸貨物時的位置。當有裝置出現故障，監控系統就會報警處理，告知工作人員取料機構出現故障，讓人工進行故障排查。

主監控機構由一臺計算機為主體，聯網到倉庫各個堆垛機系統上，實時對堆垛機的工作情況進行監控。其工作方式可由工作人員根據情況自行選擇。主監控系統的計算機配置有較高的需求，以支撐倉庫龐大的系統。

主要功能：監控該立體倉庫中的取料系統，傳輸信號給客戶服務器，提供倉庫的實時狀態，查詢貨架中商品的實時信息。

客戶端監控系統配備計算機，關聯到主監控系統上，配備打印機、攝像頭、紅外線掃描儀等設備。客戶端監控系統的計算機需要與主監控系統相互配對。

主要功能：接受來自監控機構服務器端傳輸來的信息，供工作人員實時查閱，統計商品在倉庫中的情況，發出出庫、入庫指令，操控堆垛機工作，由打印機打印出商品單據，掃描儀掃描商品確定貨物種類，攝像頭監控倉庫整體情況，進行通信。

3.4 取料機械手設計方案

機械手能模仿人類的手臂動作，受人為控制的進行一些設定好的操作，取料機械手是整個取料機構的核心裝置，用于夾取貨物，將其運至指定區域。

要使機械手以任意姿態到達空間中的任何一個點，機械手需要6個自由度，其中位置自由度3個，姿態自由度3個。根據控制要求和該立體倉庫的上下料工藝可知，機械手需3個位置自由度和1個姿態自由度方可成功抓取貨物。通過3個位置自由，機械手可達到其工作范圍內的任意位置。通過1個姿態自由度，機械手可以調整抓取貨物時的姿態。因此，機械手應有4個軸，4個自由度，分別是X軸、Y軸、Z軸和RZ軸。RZ軸裝在機械手Z軸的末端，它可繞Z軸旋轉。在X方向上，機械手可以進行水平方向的左右移動；在Y方向上，機械手可以進行水平方向的前后移動；在Z方向上，機械手可以進行豎直方向的上下移動；在RZ方向上，機械手可以繞著Z軸順時針旋轉或逆時針旋轉。該結構設計可以使取料機械手在工作范圍內自由調整角度，抓取貨物，能夠完成升降旋轉等一系列高自由度的動作，實現了一定范圍內的夾持控制功能。

3.5 取料機械手PLC控制系統設計方案

PLC對于取料機械手的主要控制對象是3個伺服電機和1個步進電機，控制方式是高速脈沖輸出，因此，PLC應具有4路高速脈沖輸出功能。

CPlH-Y20DT-D型PLC的編程軟件為CX-Programmer。CX-Programmer支持功能塊的編寫，功能塊里面的程序可以是梯形圖語言，也可以是結構化文本（ST）語言，采用結構化文本編程，可使程序長度明顯減少[5]。

由PLC控制系統控制的倉庫貨架軌跡簡單，多為平行的直向線，計算機只需要進行簡單的控制運算，因此PLC在控制取料機械手運作這方面的程序系統較為簡單，更易實現自動化控制，其控制示意圖見圖6。

PLC控制系統對于機械手的控制有以下幾點。

（1）設置工作指令。PLC可通過程序向機械手下達工作指令，告知機械手應該入庫還是出庫，何種貨物該運往何種貨架，確定機械手的軌跡路線，保存存儲的貨物，將貨物運至傳送帶。

（2）機械手工作速度控制。為了讓機械手在工作階段更加安全穩定，速度控制也是重要的一環。根據位置定位算法，檢測出機械手的當前位置，視情況予以降速。通過這種方法，可以提高機械手的精準度，以防在機械手工作時發生錯位脫離等意外情況。

（3）定位精度檢測控制。機械手在工作時到達系統指定位置以后，精度檢測裝置會對定位的誤差進行分析，超出規定的誤差范圍后，機械手會取消本次取料工作，進行下一次定位。檢測定位精度是重要的一環，定位不準的話，可能會導致機械手在取料時產生偏差，從而引起錯誤。

（4）安全控制。安全也是立體倉庫的重要環節。整個自動取料機構：升降臺、堆垛機、傳送帶、機械手等都配備安全保護裝置，機械手配有防松裝置，防止工作時發生意外事故。

（5）故障控制。工作時，取料機構如出現故障，報警裝置便會介入控制，終止工作，由終端PLC控制系統轉告到客戶PLC系統上，告知在場的工作人員倉庫發生了故障，由人工接手檢查系統問題，進行維修處理。

3.6 機構正常工作狀態

系統正常運行的情況下，運行信號從計算機面板發出。PLC接收到系統發來的啟動信號時，進入工作狀態。當系統發出故障信號時，PLC取消運行狀態。

系統進入工作狀態后，供料系統負責將商品推到傳送帶。傳送帶負責將貨物帶到程序指定的位置。若已無貨物需要輸送，則向系統下達停止指令。

傳送帶上有貨物需要運輸時，傳送帶輸送程序啟動，將貨物運送到傳送帶末端，貨物到達指定位置時傳送帶停止工作。商品被取料機械手拿走以后，系統向傳送帶發出指令，傳送帶開始輸送下一件貨物。

堆垛機將傳送帶輸送過來的貨物搬到檢測區，經檢測后，取料機械手再將貨物搬運到貨架，按貨物種類分配放置到相對應的位置。商品入庫后向系統發出入庫完成信號。商品放入指定位置后，指示燈亮起，代表該位置已放入貨物，可以進行下一件貨物的存放。

4 結語

本文概述了自動取料機構的堆垛機控制系統、監控系統、PLC控制系統與取料機械手，設計了一個由PLC進行控制的自動取料機構，并對其工作過程進行了預估。根據設計要求，確定了取料機械手的自由度；根據控制對象，確定使用CPlH-Y20DT-D型PLC作為取料機械手的控制器。同時，介紹了PLC控制系統對于取料機械手的控制作用，通過該種方法可使取料機械手穩定工作，減少故障。本設計中的自動取料機構在很多地方仍然存在較大的局限，相關系統、程序和設施等，在以后的工作中會進行及時改進。