基于PLC的倉庫分揀系統(tǒng)設(shè)計

張玉娟，張磊

(無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫,214153)

0 前言

自動化技術(shù)是現(xiàn)代物流技術(shù)發(fā)展的主流，建立一個自動分揀系統(tǒng)[1]，采用可編程控制器（PLC）能夠大大提高工作效率，節(jié)省人力，減少出錯。侯忠坤設(shè)計了由全向激光掃描儀、分選機(jī)、貨架、堆垛機(jī)、輸送帶和控制系統(tǒng)組成的基于PLC的具有分揀功能的自動化立體倉庫[2]。王建菊設(shè)計了以QUPLC、FXPLC為控制核心，MCGS為實時操作和監(jiān)控中心的倉庫分揀系統(tǒng)[3]。王樹梅設(shè)計了以西門子S7-300PLC為控制核心的智能倉庫分揀系統(tǒng)[4]。孫敏嘉設(shè)計了以西門子S7-200系列PLC為控制核心的自動化倉庫[5]。劉延霞設(shè)計了基于組態(tài)王和PLC的貨物自動識別系統(tǒng)[6]。蔡明書等以倉庫分揀系統(tǒng)任務(wù)為研究對象，設(shè)計了由3臺三菱PLC組建的CC-Link通信網(wǎng)絡(luò)[7]。楊松山設(shè)計了基于S7-200/300PLC的現(xiàn)代超級市場商品倉儲配送系統(tǒng)[8]。

本文通過三臺PLC、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、變頻器、觸摸屏等模擬了倉庫分揀系統(tǒng)，主要介紹了總體設(shè)計方案、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計部分主要介紹了I/O分配、主電路接線圖和控制電路接線圖，軟件設(shè)計部分主要介紹了總體流程圖、初始化子程序流程圖、復(fù)位子程序流程圖、緊急停止子程序流程圖、普通停止子程序流程圖、觸摸屏和組態(tài)。

1 總體設(shè)計方案

1.1 設(shè)計目的

圖1為立體倉庫區(qū)的正視圖。由圖1可知，立體倉庫區(qū)共有9個存儲位置，伺服電機(jī)控制左右移動，步進(jìn)電機(jī)控制上下移動。雙速電機(jī)為轉(zhuǎn)運(yùn)傳送帶電機(jī)，變頻器為分揀傳送帶電機(jī)，用模擬量的不同電壓范圍模擬不同貨物類型。首先進(jìn)行取貨，取貨后放入轉(zhuǎn)運(yùn)傳送帶，之后機(jī)械手對貨物進(jìn)行檢測，檢測之后機(jī)械手將貨物放入分揀傳送帶中，分揀到對應(yīng)位置之后存貨。系統(tǒng)運(yùn)行期間操作員可以在觸摸屏中清晰觀察到運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 立體倉庫區(qū)正視圖

1.2 設(shè)計方案

系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)由PLC、各種電機(jī)和各種開關(guān)組成。通過三菱PLC編寫控制程序，通過控制柜中按鈕開關(guān)、旋鈕開關(guān)、行程開關(guān)、和限位開關(guān)對伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、變頻器和雙速電機(jī)進(jìn)行控制。各種開關(guān)對電機(jī)運(yùn)行起著限制、指引以及控制其運(yùn)行狀況的作用。

圖2 倉庫分揀系統(tǒng)原理框圖

2 硬件設(shè)計

每列倉庫位置的第一層各配有一個位置檢測傳感器（SQ11-SQ13）。首先在觸摸屏中立體倉庫區(qū)的9個倉庫位置隨機(jī)輸入取貨順序號（①-⑨，輸入序號不得重復(fù)），然后取料小車按照規(guī)則行駛至相對應(yīng)位置，取出貨物并返回至原位（SQ13）；車上推送氣缸將貨物推到SQ1，當(dāng)SQ1檢測到有貨物時，轉(zhuǎn)運(yùn)傳送帶將貨物送至SQ2位置，期間需要對貨物類型進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測到的結(jié)果（用控制柜正面的0-10V電壓模擬貨物類型），將貨物分成甲、乙、丙三種；之后機(jī)械手動作將貨物放至貨物傳送帶的SQ3位置，當(dāng)SQ3檢測到有貨物時，分揀傳送帶將貨物運(yùn)送至甲倉、乙倉或丙倉入口（送貨傳送帶運(yùn)行的速度、時間根據(jù)運(yùn)送貨物的類型而變化），對應(yīng)氣缸動作，將貨物推入對應(yīng)倉庫位置，完成放貨。

2.1 可編程控制器I/O端口分配

I/O分配表如表1所示。本文共用到三個PLC，分別為Q系列、3UMT系列和3UMR系列。按鈕開關(guān)SB1與MR系列上X1對應(yīng)，當(dāng)按下按鈕開關(guān)時，啟動程序，運(yùn)行電機(jī)，按鈕開關(guān)SB2與MR系列上X2對應(yīng)，對應(yīng)停止驅(qū)動器的運(yùn)行。

表1 倉庫分揀系統(tǒng)I/O分配表

2.2 硬件接線圖

2.2.1 主電路接線圖

主電路接線圖如圖3所示，整個系統(tǒng)由三相電源供電，GND與COM連接形成回路，可以保護(hù)電路。24V與 V+連接，給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器供電。Y0為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的信號燈，Y1與DIR相連接控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。伺服驅(qū)動器SQ14，SQ15用于保護(hù)伺服電機(jī)，當(dāng)操作員失誤操作觸碰到SQ14或SQ15位置時強(qiáng)制停止。M3雙速電機(jī)KM1與KM2控制雙速電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，KM3控制雙速電機(jī)低速運(yùn)行。M4變頻器由電壓模擬量輸入控制，實行七段速運(yùn)行。

圖3 主電路接線圖

2.2.2 控制電路接線圖

控制電路接線圖如圖4所示。3UMR系列，3UMT系列以及Q系列三個PLC用CCLINK相互關(guān)聯(lián)，通過CCLINK實現(xiàn)數(shù)據(jù)量和開關(guān)量的數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)驅(qū)動器運(yùn)行時，MRPLC有對應(yīng)的HL指示燈給出運(yùn)行狀態(tài)信號。

圖4 控制電路接線圖

3 軟件設(shè)計

3.1 總體流程圖

系統(tǒng)自動運(yùn)行模式的流程圖如圖5所示，先將SA1撥右擋，進(jìn)入自動運(yùn)行模式，處于初始化階段，伺服向右運(yùn)行至SQ13，之后HL4燈常亮，之后按下啟動按鈕SB1之后取貨，取貨完成后按下SQ1行程開關(guān)后，再進(jìn)行下一次取貨，并且轉(zhuǎn)運(yùn)電機(jī)雙速運(yùn)行，按下SQ2行程開關(guān)，檢測之后，機(jī)械手運(yùn)行。按下SB3按鈕確定貨物類型，以模擬量電壓值模擬甲乙丙貨物狀態(tài)。之后按下SQ3之后。若SB3確定為甲貨，則變頻器以45Hz運(yùn)行9s將其分揀到甲區(qū)并進(jìn)行存貨。若SB3確定為乙貨，則變頻器以30Hz運(yùn)行6s，分揀到乙區(qū)，并且進(jìn)行存貨，若SB3確定為丙貨，則變頻器15Hz運(yùn)行3s，分揀至丙區(qū)，并且進(jìn)行存貨。存貨后在觸摸屏對應(yīng)框內(nèi)進(jìn)行計數(shù)。若任意一個區(qū)計數(shù)貨物等于3個，則該區(qū)不能在進(jìn)行計數(shù)，若SB3確定貨物依然到該區(qū)域時，則變頻器以50Hz運(yùn)行10s分揀到存貨多余區(qū)。共取貨物九個，當(dāng)最后一個貨物分揀存貨完之后，則自動運(yùn)行部分結(jié)束。

圖5 自動運(yùn)行模式流程圖

3.2 復(fù)位子程序流程圖

復(fù)位子程序流程圖如圖6所示。在調(diào)試模式運(yùn)行完畢后，伺服位置并不在原來位置。復(fù)位按鈕是為了所有電機(jī)恢復(fù)到原先位置，即伺服向右移動至SQ13位置，雙速KM處于非吸合狀態(tài)，步進(jìn)與變頻器處于停止轉(zhuǎn)動狀態(tài)。當(dāng)復(fù)位完成后HL4燈以1Hz閃爍表明復(fù)位完成。

圖6 復(fù)位按鈕子程序

3.3 緊急停止子程序流程圖

緊急停止子程序流程圖如圖7所示。緊急停止是為了保證系統(tǒng)出現(xiàn)意外狀況后，能夠立刻停止，減小設(shè)備損失。當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況的時候，旋轉(zhuǎn)急停SA2，則所有電機(jī)全部停止，界面數(shù)值全部清空，恢復(fù)初始狀態(tài)。之后HL2以2Hz閃爍提示處于急停狀態(tài)。

圖7 緊急停止子程序

3.4 普通停止子程序

普通停止子程序流程圖如圖8所示。普通停止用于設(shè)備正常關(guān)啟，操作員暫時性無法看管機(jī)器時使用。按下普通停止后，當(dāng)再次啟動時，系統(tǒng)會以原先運(yùn)行時的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，原數(shù)據(jù)保存。HL2燈常亮表示目前處于普通停止?fàn)顟B(tài)。

圖8 普通停止子程序

3.5 觸摸屏HMI與組態(tài)MCGS

觸摸屏上的自動分揀組態(tài)畫面如圖9所示。在自動分揀模式中，操作員點擊復(fù)位按鈕，進(jìn)行初始化。初始化完成后，操作員在倉庫存貨區(qū)九宮格里隨機(jī)輸入1-9之后，按下啟動按鈕。九宮格內(nèi)黃色三角形實時顯示運(yùn)行到的位置。甲貨位置對應(yīng)SQ11位置，乙貨位置對應(yīng)SQ12位置，丙貨位置對應(yīng)SQ13位置。當(dāng)步進(jìn)正轉(zhuǎn)四圈時，則上升一層，步進(jìn)反轉(zhuǎn)四圈時則下降一層。當(dāng)取貨完成后轉(zhuǎn)運(yùn)傳送帶啟動時，界面中狀態(tài)顯示區(qū)對應(yīng)的指示信號燈變?yōu)榧t色。表示該電動機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計負(fù)責(zé)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，當(dāng)分揀存貨后，若貨物為甲貨，則甲區(qū)數(shù)量記為1。參數(shù)顯示區(qū)，顯示當(dāng)前伺服步進(jìn)運(yùn)行速度以及分揀電機(jī)運(yùn)行頻率和時間。當(dāng)SB3按鈕確定貨物類型時，確定什么貨物，當(dāng)前貨物類型位置也可以顯示出來。參數(shù)顯示區(qū)可以顯示倉庫取貨區(qū)和狀態(tài)顯示區(qū)的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)。在取貨區(qū)域中當(dāng)伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動時，顯示伺服步進(jìn)的當(dāng)前運(yùn)行速度。進(jìn)入分揀階段時，顯示當(dāng)前變頻器運(yùn)動的頻率和時間。如果在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，撥動SA2急停按鈕后，數(shù)據(jù)統(tǒng)計區(qū)的數(shù)據(jù)可以保留，倉庫取貨區(qū)和參數(shù)顯示區(qū)域數(shù)據(jù)全部清零。當(dāng)回歸正常后，操作員撥回SA2按鈕。重新輸入數(shù)據(jù)后，回歸正常運(yùn)行。

圖9 自動分揀界面

4 結(jié)束語

本文采用伺服驅(qū)動器、步進(jìn)驅(qū)動器、轉(zhuǎn)運(yùn)傳送帶電機(jī)（即雙速電機(jī)）、分揀傳送帶電機(jī)（即變頻器）、模擬量、觸摸屏和組態(tài)MCGS構(gòu)成了基于PLC的倉庫分揀系統(tǒng)設(shè)計。平面?zhèn)}庫操作中將倉庫分為九個區(qū)域，運(yùn)用伺服電機(jī)實現(xiàn)平面上左右移動，運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)平面上上下移動，更容易固定位置，取貨更方便。分揀傳送帶電機(jī)用變頻器，可以運(yùn)行多段速，而且頻率可以自己擬定。利用變頻器不同的運(yùn)行頻率與運(yùn)行時間，能夠區(qū)分三種貨物區(qū)域上的不同。模擬貨物類型時，還用到了電壓模擬量輸入。觸摸屏和組態(tài)MCGS使得操作更直觀方便。若再增加伺服實行前后移動，則可以建立成立體倉庫，則可以擴(kuò)充18個區(qū)域進(jìn)行取貨。