基于S7-1200立體倉庫碼垛機(jī)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張懷宇，王強(qiáng)，胡蓉

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003）

0 引 言

近年來高職院校工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用賽項(xiàng)中常涉及立體倉庫碼垛機(jī)控制，結(jié)合相關(guān)賽項(xiàng)與自動(dòng)化立體倉庫實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，本項(xiàng)目完成了碼垛機(jī)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，配合自動(dòng)化生產(chǎn)線AGV 小車，控制碼垛機(jī)行進(jìn)與動(dòng)作，通過觸摸屏顯示倉位信息與控制自動(dòng)取貨，且能完成碼垛機(jī)的精確定位。

1 立體倉庫碼垛機(jī)總體構(gòu)成

1.1 立體倉庫構(gòu)成

如圖1所示，立體倉庫系統(tǒng)主要由碼垛機(jī)、立體倉庫和基礎(chǔ)底板構(gòu)成。其中碼垛機(jī)是系統(tǒng)核心部分與執(zhí)行部件，由電氣設(shè)備、機(jī)械架、貨叉機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和水平行機(jī)構(gòu)五大部分構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)貨品出入庫。碼垛機(jī)X、Y、Z 軸分別實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)水平行進(jìn)、貨叉伸縮與貨叉升降。在X、Z 軸運(yùn)行機(jī)構(gòu)上分別裝有三個(gè)接近式傳感器和兩個(gè)行程開關(guān)，用來檢測(cè)對(duì)應(yīng)軸運(yùn)行位置和碼垛機(jī)的限位裝置；Z 軸運(yùn)行機(jī)構(gòu)上，裝有兩個(gè)行程開關(guān)，檢測(cè)減速運(yùn)行。Y 軸裝有三個(gè)傳感器，其中一個(gè)檢測(cè)縮回到位，一個(gè)檢測(cè)倉庫側(cè)取放工件伸出到位，另一個(gè)檢測(cè)AGV 側(cè)取放工件伸出到位。X 軸與Z 軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)具備剎車裝置，同時(shí)其行進(jìn)中具備防撞裝置，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

圖1 立體倉庫總體構(gòu)成

立體倉庫由橫梁與立柱架體組裝而成，各架體可模塊化安裝。倉庫總長(zhǎng)約2 800 mm，高度約1 900 mm，共設(shè)計(jì)有4 行7 列共28 個(gè)倉位，每個(gè)倉位均有微動(dòng)開關(guān)和定位裝置，分別用來檢測(cè)倉位狀態(tài)和進(jìn)行托盤的精準(zhǔn)定位。

基礎(chǔ)底板則由鋼板與型材組裝而成，立體倉庫與碼垛機(jī)均安裝于基礎(chǔ)底板。基礎(chǔ)底板上安裝有兩只對(duì)射式傳感器，其中1 只為發(fā)射端，另1 只為接收端。在AGV 小車側(cè)對(duì)應(yīng)安裝接收端和發(fā)射端，以實(shí)現(xiàn)AGV 小車與碼垛機(jī)的信號(hào)交互。

本系統(tǒng)中碼垛機(jī)根據(jù)需求完成貨品預(yù)取，等待AGV 小車對(duì)接，兩者之間通過兩對(duì)對(duì)射光電開關(guān)聯(lián)系。碼垛機(jī)允許AGV 小車對(duì)接，那么接通本側(cè)光電開關(guān)，AGV 小車運(yùn)動(dòng)至對(duì)接位置，兩者完成對(duì)接后，接通AGV 小車側(cè)的光電開關(guān)，告知碼垛機(jī)上料。

1.2 AGV 小車控制系統(tǒng)

AGV 小車控制系統(tǒng)由上部輸送裝置與下部車架構(gòu)成，中間抽屜內(nèi)部裝有電氣控制板。其中下部車架由驅(qū)動(dòng)輪、電機(jī)、電池與框架等部件構(gòu)成，由兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪控制小車沿磁導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，四個(gè)輔助萬向輪支撐AGV，能在動(dòng)載或者靜載中水平360 度旋轉(zhuǎn)。上部輸送裝置由皮帶傳動(dòng)，完成與輸送帶對(duì)接，上有三個(gè)貨位，其托盤輸入和輸出端各有一個(gè)記錄小車輸送帶上托盤個(gè)數(shù)的傳感器。輸送帶前端有電磁閥控制的阻擋機(jī)構(gòu)，機(jī)身裝有7 寸HMI 及一個(gè)三色塔燈。PLC 為AGV 小車控制系統(tǒng)控制器，可與無線路由器搭配，進(jìn)而與流水線及碼垛機(jī)進(jìn)行無線通信。

1.3 電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成

基于PLC PROFINET通信的碼垛機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要由PLC、傳感器、變頻器組、電機(jī)組、AGV 和HMI 構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 立體倉庫碼垛機(jī)電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

2.1.1 PLC 選型

本系統(tǒng)PLC 選用西門子S7-1200 系列CPU1215C，有兩個(gè)PROFINET 接口。在本系統(tǒng)中擴(kuò)展了兩個(gè)16 位和一個(gè)8位的輸入模塊，如圖3所示。

圖3 S7-1200 及模塊擴(kuò)展

2.1.2 變頻器選型

在本設(shè)計(jì)中，碼垛機(jī)中的三個(gè)變頻器是SINAMICS G120 CU240E-2 PN 模塊化變頻器，主要由變頻器控制單元-6SL3244-0BB12-1FA0、變頻器操作面板-6SL3255-0AA00-4CA1、變頻器功率單元-6SL3224-0BE15-5UA0 這三部分組成。變頻器1 控制碼垛機(jī)X 軸電機(jī)左右移動(dòng)，變頻器2 控制碼垛機(jī)Z 軸電機(jī)上下移動(dòng)，變頻器3 控制碼垛機(jī)Y軸電機(jī)正前后移動(dòng)。

2.1.3 傳感器選型

根據(jù)前述要求，本電氣控制系統(tǒng)中使用的主要傳感器類型及型號(hào)，如表1所示。

表1 傳感器類型及型號(hào)

2.2 硬件組網(wǎng)

PLC 分別通過對(duì)3 個(gè)變頻器的控制，實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)三個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)控制，由硬件連接與軟件配置組合實(shí)現(xiàn)通信控制的連接。本系統(tǒng)硬件組網(wǎng)如圖4所示。其中選用的PLC 西門子S7-1200 與 G120 變頻器均有兩個(gè)PN 通訊口，網(wǎng)絡(luò)連接順暢，系統(tǒng)配有一個(gè)交換機(jī)便于擴(kuò)展。

圖4 硬件總體組網(wǎng)設(shè)計(jì)

3 立體倉庫碼垛機(jī)電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)I/O 分配

根據(jù)本設(shè)計(jì)控制功能要求，可得出系統(tǒng)I/O 接口分配情況，如表2所示。

表2 系統(tǒng)I/O 分配表

I1.0 Z 軸最大限位I4.7倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ16 I1.1 Z 軸上位傳感器I5.0倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ17 I1.2 Z 軸中間傳感器I5.1倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ18 I1.3 Z 軸下位傳感器I5.2倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ19 I1.4 Z 軸最小限位I5.3倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ20 I1.5 X 軸最小限位I5.4倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ21 I2.0 X 軸左位傳感器I5.5倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ22 I2.1 X 軸中間位傳感器I5.6倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ23 I2.2 X 軸右位傳感器I5.7倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ24 I2.3 X 軸最大限位I6.0倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ25 I3.0 倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ1 I6.1倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ26 I3.1 倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ2 I6.2倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ27 I3.2 倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ3 I6.3倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ28 I3.3 倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ4 I6.4 AGV 小車到達(dá)碼垛機(jī)信號(hào)I3.4 倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ5 Q1.1 啟動(dòng)AGV 小車離開碼垛機(jī)I3.5 倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ6 Q0.3起動(dòng)繼電器I3.6 倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ7 Q0.4停止繼電器I3.7 倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ8 Q0.5超限接觸繼電器I4.0 倉位托盤監(jiān)測(cè)信號(hào)SQ9

3.2 碼垛機(jī)控制流程

3.2.1 碼垛機(jī)控制總體流程

由PLC 控制，碼垛機(jī)運(yùn)行至相應(yīng)庫位，將貨物取出并送到AGV 上完成取貨。若碼垛機(jī)貨叉上有貨物，在觸摸屏點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)庫位，碼垛機(jī)便將貨物放置到對(duì)應(yīng)庫位，同時(shí)回到原點(diǎn)位置完成入庫。為保證系統(tǒng)、設(shè)備和操作人員的安全，手動(dòng)運(yùn)行模式和自動(dòng)運(yùn)行模式不能同時(shí)運(yùn)行，兩者為互鎖關(guān)系，碼垛機(jī)控制總體流程如圖5所示。

圖5 碼垛機(jī)控制流程圖

3.2.2 出入庫控制流程

碼垛機(jī)啟動(dòng)后首先完成初始化操作，判斷碼垛機(jī)是否處于異常狀態(tài)。若異常則報(bào)警，正常則碼垛機(jī)處于“待命”。當(dāng)系統(tǒng)收到來自觸摸屏的入庫或出庫命令，便完成對(duì)應(yīng)操作。

用自動(dòng)出庫流程說明碼垛機(jī)運(yùn)行流程。在自動(dòng)運(yùn)行模式下，首先進(jìn)行出庫復(fù)位，其次在觸摸屏上選擇相應(yīng)庫位并發(fā)出出庫命令后，系統(tǒng)開始自檢，首先檢查3 個(gè)軸的碼垛機(jī)是否都在原點(diǎn)位置，如不在原點(diǎn)，讓3 個(gè)軸的碼垛機(jī)先回原點(diǎn)位置。再檢查貨叉和選擇的庫位上是否有貨物，若貨叉有貨物，則系統(tǒng)報(bào)警；若無貨物，則程序繼續(xù)運(yùn)行，若對(duì)應(yīng)庫位無貨物，則系統(tǒng)報(bào)警；若有貨物，則程序繼續(xù)運(yùn)行。系統(tǒng)依靠行列定位片與光電傳感器進(jìn)行尋址定位，當(dāng)碼垛機(jī)當(dāng)前行結(jié)果等于目標(biāo)行結(jié)果、當(dāng)前列結(jié)果等于目標(biāo)列結(jié)果時(shí)，此時(shí)碼垛機(jī)已運(yùn)動(dòng)置選擇庫位。接著碼垛機(jī)在目標(biāo)位置開始取貨，當(dāng)貨叉取出貨物后，再次借助行列定位片與光電傳感器進(jìn)行位置判斷返回原點(diǎn)。其次判斷AGV 小車是個(gè)否到達(dá)預(yù)定位置，若到達(dá)則碼垛機(jī)將貨物放在AGV 小車上，若未到達(dá)則繼續(xù)等待小車。最后當(dāng)貨物放到AGV 小車動(dòng)作結(jié)束后啟動(dòng)小車離開碼垛機(jī)，接著判斷選擇出庫數(shù)量是否為零，若不為零則繼續(xù)出貨，若等于零則停止出貨，其流程如圖6所示。入庫流程與出庫流程相反，如圖7所示。

圖6 碼垛機(jī)出庫流程圖

圖7 入庫程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

4.1 主界面設(shè)計(jì)

立體倉庫觸摸屏主界面設(shè)計(jì)主要包括設(shè)備狀態(tài)、碼垛機(jī)位置與運(yùn)行模式選擇，如圖8所示。設(shè)備狀態(tài)顯示立體倉庫系統(tǒng)當(dāng)前所處狀態(tài)，碼垛機(jī)位置顯示碼垛機(jī)當(dāng)前所在位置，運(yùn)行模式可選自動(dòng)模式或手動(dòng)模式。

圖8 立體倉庫觸摸屏主界面設(shè)計(jì)

4.2 立體倉庫倉位畫面設(shè)計(jì)

“倉位畫面”可以觀測(cè)到當(dāng)前立體倉庫狀態(tài)，有工件的倉位將顯示綠色，如圖9所示，其操作過程如下。（1）在“工位信息”欄的綠色高亮倉位中，選擇所需工件出庫順序。（2）設(shè)置好待出庫工件順序以后，按下“出庫啟動(dòng)”按鈕，碼垛機(jī)按設(shè)定的出庫順序?qū)⒐ぜ鰩臁＃?）向目標(biāo)倉位行進(jìn)時(shí)，速度由高速—中速—低速—停止。（4）需入庫時(shí)，則選擇入庫倉位，碼垛機(jī)先取出AGV 小車送來的貨物，再送到指定的入庫倉位。

圖9 倉位畫面

4.3 出庫位置計(jì)算控制運(yùn)行調(diào)試

以出庫位置計(jì)算為例說明出庫運(yùn)行調(diào)試，開始出庫時(shí)“開始出庫”常閉按鈕斷開，不執(zhí)行“入庫位置計(jì)算”子程序。反之入庫時(shí)同理，如圖10 所示。

圖10 出入庫位置計(jì)算主程序

當(dāng)X 軸往正向左移時(shí)，傳感器檢測(cè)順序?yàn)樽笪弧形弧椅唬繖z測(cè)一輪則加1；當(dāng)X 軸往反向右移時(shí)，傳感器檢測(cè)順序?yàn)橛椅弧形弧笪唬繖z測(cè)一輪則減1，這樣完成列計(jì)數(shù)，如圖11 所示。

圖11 列位置計(jì)算子程序

當(dāng)Z 軸往正向上移時(shí)，傳感器檢測(cè)順序?yàn)樯衔弧形弧挛唬繖z測(cè)一輪則加1；當(dāng)Z 軸往反向下移動(dòng)時(shí)，傳感器檢測(cè)順序?yàn)橄挛弧形弧衔唬繖z測(cè)一輪則減1，這樣完成行計(jì)數(shù)，如圖12 所示。

圖12 行位置計(jì)算子程序

5 結(jié) 論

以高職院校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)為背景，本設(shè)計(jì)結(jié)合自動(dòng)化立體倉庫實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，以西門子 S7-1200 PLC 為系統(tǒng)核心，利用變頻器與三相異步電機(jī)配合拖動(dòng)碼垛機(jī)的三個(gè)軸，同時(shí)借助傳感器和定位片，完成相應(yīng)電氣控制系統(tǒng)硬件配置與軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)的精確定位與實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)系統(tǒng)操作測(cè)試，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物料的自動(dòng)碼垛，能完成碼垛機(jī)的精確定位，具有較高的響應(yīng)速度。