PLC、GOT、定位單元、伺服電機(jī)在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制中的應(yīng)用

林躍飛

(陽(yáng)江市技工學(xué)校，廣東 陽(yáng)江 529500)

前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的性能以及穩(wěn)定性等大幅度提高，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的日益成熟，一種新的控制方式--軟PLC控制方式逐漸形成并逐漸被應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，其中就包括自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)。立體倉(cāng)庫(kù)模型控制系統(tǒng)是根據(jù)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行的基本原理而設(shè)計(jì)的。在整個(gè)控制系統(tǒng)中以三菱FX2n-32MR型PLC作為核心控制元件，三菱FX2N-20GM作為PLC專用定位單元用來(lái)控制伺服電機(jī)（三菱MR-E-20A）來(lái)驅(qū)動(dòng)倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)的X軸與Y軸，控制雙軸氣缸來(lái)驅(qū)動(dòng)Z軸，堆垛機(jī)的兩軸在高強(qiáng)度導(dǎo)軌上做二維運(yùn)動(dòng)。

一、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是指在不直接進(jìn)行人工處理的情況下，自動(dòng)地完成物品倉(cāng)儲(chǔ)和取出的系統(tǒng)，它以高層立體貨架為主體，以成套搬運(yùn)設(shè)備為基礎(chǔ)，是集自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)電技術(shù)于一體的高效率、大容量存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。PLC作為一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價(jià)比等性能，是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。

二、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型研究的意義

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是指在不直接進(jìn)行人工處理的情況下，自動(dòng)地完成物品的存放和取出的系統(tǒng)，根據(jù)這個(gè)原理結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型主要應(yīng)用于自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)教學(xué)儀器的演示部分，目的是幫助自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生了解自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原理以及整個(gè)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程、熟悉電氣控制的基本原理，了解電氣控制在現(xiàn)代科技應(yīng)用中的重要性，以及PLC應(yīng)用在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的作用和一些不可替代性的優(yōu)點(diǎn)。熟悉PLC的外圍電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程等。同時(shí)本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方案上結(jié)合了正在開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型，并對(duì)其技術(shù)方案進(jìn)行了描述，為日后自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的具體實(shí)施作一個(gè)技術(shù)上的參考。使未來(lái)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)更趨于完美化。

三、系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)思想

本設(shè)計(jì)是以可編程控制器（Programmable Logic Controller簡(jiǎn)稱 PLC）為核心，三菱FX2N-20GM作為PLC專用定位單元，控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)有二個(gè)自由度的堆垛機(jī)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)中立體倉(cāng)庫(kù)的存取過(guò)程。在整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中采用開(kāi)環(huán)控制方式，觸摸屏（三菱GT1155）為人機(jī)接口元件，PLC和定位單元為控制元件，伺服電機(jī)和電磁閥（雙軸氣缸）為執(zhí)行元件來(lái)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)在高強(qiáng)度導(dǎo)軌上做三維運(yùn)動(dòng)，堆垛機(jī)傳動(dòng)部件為高精度絲杠傳動(dòng)。運(yùn)行時(shí)PLC會(huì)接收和分析操作人員在觸摸屏上的輸入指令，做出合理的工作安排。即讀取執(zhí)行元件的信息，通過(guò)軟件做出合理的工控安排反饋到執(zhí)行元件和操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車位的位置移動(dòng)。具體原理方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

2.本設(shè)計(jì)控制要求

（1）PLC根據(jù)觸摸屏所設(shè)置不同物品對(duì)應(yīng)倉(cāng)位實(shí)現(xiàn)十二個(gè)倉(cāng)位的自動(dòng)存取，本系統(tǒng)對(duì)三層倉(cāng)位每層放置不同的三類物品，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)尋找此空位來(lái)實(shí)現(xiàn)物品的依次存放，存放結(jié)束后自動(dòng)返回原點(diǎn)（機(jī)械原點(diǎn)），等待下一個(gè)存放命令。PLC接受存放命令向目標(biāo)空位靠近的運(yùn)動(dòng)默認(rèn)為有負(fù)荷運(yùn)動(dòng)，此時(shí)為低速運(yùn)動(dòng)，以獲得較大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，回原點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)默認(rèn)為空載，此時(shí)堆垛機(jī)快速移動(dòng)，可以節(jié)省工作時(shí)間，提高效率。

（2）具有急停功能。當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其它意外等，可以點(diǎn)擊急停按鍵，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)立即停止運(yùn)行并保持原位置。但系統(tǒng)再次運(yùn)行務(wù)必要回原點(diǎn)校正。因?yàn)橄到y(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制，其速度由伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)接受的脈沖頻率決定，運(yùn)行位移量由脈沖數(shù)目決定。而各空位對(duì)應(yīng)的脈沖頻率、數(shù)量數(shù)據(jù)均由程序設(shè)定。

（3）能夠快速返回原點(diǎn)。堆垛每次執(zhí)行完取/放料動(dòng)作完成后，系統(tǒng)便快速返回原點(diǎn)。本功能也可以作為原點(diǎn)校正用，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行誤差積累導(dǎo)致工作臺(tái)不能精確定位，借此可以校正。

（4）有手動(dòng)和自動(dòng)檔選擇，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式。并且在觸摸屏上有點(diǎn)動(dòng)按鈕導(dǎo)航鍵，分別用于控制堆垛機(jī)X軸正向與反向運(yùn)行，Y軸正向與反向運(yùn)行，Z軸（物料叉）伸縮運(yùn)動(dòng)運(yùn)。規(guī)定遠(yuǎn)離原點(diǎn)為正向，靠近原點(diǎn)為反向。同時(shí)在控制臺(tái)上設(shè)置手動(dòng)操作的十字開(kāi)關(guān)，對(duì)堆垛機(jī)X與Y軸手動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的存放操作。

（5）堆垛機(jī)X軸與Y軸方向定位由輸出脈沖序列專用單元FX2N-20GM控制兩臺(tái)MR-E-20A伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)；堆垛機(jī)取放料機(jī)構(gòu)物料叉由PLC驅(qū)動(dòng)電磁閥控制氣缸伸縮動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)取放物品功能。

（6）裝配物品檢測(cè)傳感器，PLC獲取此信息并根據(jù)觸摸屏對(duì)物品分類入庫(kù)參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品分類入倉(cāng)。

（7）觸摸屏功能：在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)對(duì)象的監(jiān)視及倉(cāng)庫(kù)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的顯示功能，具體要求：①自動(dòng)控制；②手動(dòng)控制；③系統(tǒng)急停；④物品對(duì)應(yīng)倉(cāng)位設(shè)置；⑤倉(cāng)庫(kù)物品實(shí)時(shí)庫(kù)存數(shù)量統(tǒng)計(jì)；⑥歷史庫(kù)存數(shù)量統(tǒng)計(jì)；⑦倉(cāng)庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)視；⑧出庫(kù)操作；⑨系統(tǒng)報(bào)警（如滿倉(cāng)）。

3.系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由可編程控制器（FX2n-32MR）、定位單元（FX2n-20GM）、觸摸屏（三菱GT1155）、伺服電機(jī)（MR-E-20A）及氣缸（物料叉）等組成?？刂齐娐穲D如圖2所示。

三、系統(tǒng)主要器件及在系統(tǒng)中的功能簡(jiǎn)介

1.可編程控制器（PLC）

本設(shè)計(jì)中用的主控制器MITSUBISHI FX2N-32MR型PLC為本三菱公司生產(chǎn)的一款小型PLC，F(xiàn)X2n系列PLC把許多其他PLC的優(yōu)點(diǎn)都融進(jìn)一個(gè)很小的控制器中。FX2n適用于最小的封裝，是希望低成本的用戶在有限的I/O范圍尋求強(qiáng)大控制功能的首選目標(biāo)。內(nèi)部提供多達(dá)32個(gè)I/O點(diǎn)，并且能夠通過(guò)串行通信傳輸數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)PLC為核心元件對(duì)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理。

2.觸摸屏（GOT）

觸摸屏是觸摸式圖形顯示終端的簡(jiǎn)稱，它是一種人機(jī)交互裝置。一般通過(guò)串行接口與計(jì)算機(jī)、PLC或其他外圍設(shè)備連接進(jìn)行通信，由專用軟件完成畫(huà)面的制作和傳輸，實(shí)現(xiàn)其作為圖形操作和顯示終端的功能。在控制系統(tǒng)中，觸摸屏常作為PLC的輸入和輸出設(shè)備，通過(guò)使用相關(guān)軟件，設(shè)計(jì)出滿足用戶要求的監(jiān)控畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的操作和顯示。

3.定位單元

定位單元FX2n-20GM型是三菱公司生產(chǎn)的輸出脈沖序列的專用單元。定位單元允許用戶使用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元來(lái)控制定位。一個(gè)定位單元能控制兩根軸；定位單元配有一種專用定位語(yǔ)言（cod指令）和順序語(yǔ)言（基本指令和應(yīng)用指令）；當(dāng)連上一個(gè)通用的脈沖發(fā)生器（集電器開(kāi)路型）后，手動(dòng)進(jìn)給有效；當(dāng)連接上一個(gè)帶有絕對(duì)位置（ABS）檢測(cè)功能的伺服放大器后，每次啟動(dòng)時(shí)的回零點(diǎn)可以被保存下來(lái)。當(dāng)連上一個(gè)FX2n系列PLC時(shí)，定位數(shù)據(jù)可被讀/寫(xiě)，定位單元也可不需要任何PLC單獨(dú)運(yùn)行。

4.伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)

本設(shè)計(jì)中采用兩臺(tái)三菱通用AC伺服MR-E-20A型交流伺服放大器，控制模式有位置控制和速度控制2種模式，而且能夠切換位置控制和速度控制進(jìn)行運(yùn)行。位置控制模式時(shí)可用最高500Kpps的高速脈沖串執(zhí)行電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和方向的控制。MR-E系統(tǒng)伺機(jī)服電機(jī)的編碼器采用14386脈沖/轉(zhuǎn)分辨率的增量位置編碼器，可進(jìn)行高精度定位。 兩臺(tái)伺服電機(jī)為本設(shè)計(jì)執(zhí)行元件，控制傳動(dòng)部件絲杠旋轉(zhuǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。

5.驅(qū)動(dòng)支架倉(cāng)庫(kù)模型

驅(qū)動(dòng)支架（堆垛機(jī)）是此模擬機(jī)的重要機(jī)械部分，要求有高的強(qiáng)度和傳動(dòng)精度用于保證運(yùn)行的精度和可靠性。其有效坐標(biāo)行程（可運(yùn)動(dòng)最大坐標(biāo)值）為X×Y×Z=460×450×70mm。其各坐標(biāo)方向上各有三根軸，中間是傳動(dòng)絲杠，兩邊是導(dǎo)軌。倉(cāng)庫(kù)模型采用鋼架結(jié)構(gòu)，為3×4行列式，共12個(gè)空位。

四、關(guān)鍵問(wèn)題處理

在本模擬自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)中，主要根據(jù)輸出脈沖序列的專用單元FX2n-20GM對(duì)伺服電機(jī)控制，即采用脈沖開(kāi)環(huán)控制方式設(shè)計(jì)，由三菱FX2n-32MR型PLC、定位單元FX2n-20GM、MR-E伺服電機(jī)、氣缸、開(kāi)關(guān)電源（DC24V）、一個(gè)基本的控制臺(tái)，起控制和驅(qū)動(dòng)作用。

當(dāng)定位單元發(fā)出一定脈沖，經(jīng)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)的精確控制，傳動(dòng)部件絲杠旋轉(zhuǎn)一圈進(jìn)給量為6mm，因此需依此量并參照機(jī)械零點(diǎn)位置計(jì)算出每一倉(cāng)位對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值。

結(jié)束語(yǔ)

本控制系統(tǒng)是根據(jù)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行的基本原理設(shè)計(jì)的，以三菱FX2n-32MR型PLC作為核心控制元件，三菱FX2N-20GM作為PLC專用定位單元用來(lái)控制伺服電機(jī)（三菱MR-E-20A）來(lái)驅(qū)動(dòng)倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)的X軸與Y軸，驅(qū)動(dòng)一個(gè)有二自由度的堆垛機(jī)在高強(qiáng)度導(dǎo)軌上做二維運(yùn)動(dòng)?？刂茪飧讋?dòng)作驅(qū)動(dòng)Z軸，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的自動(dòng)存取任務(wù)。在這次設(shè)計(jì)中，基本完成了倉(cāng)庫(kù)模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了其主要功能。此設(shè)備調(diào)試表明所選設(shè)計(jì)方案均是可行的。此倉(cāng)庫(kù)模型控制系統(tǒng)適合自動(dòng)化類教學(xué)儀器的演示，也可以為自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的具體實(shí)施作一個(gè)技術(shù)參考。

[1]三菱電機(jī)《FX1S；FX1N；FX2N；FX2NC 系列編程手冊(cè)》.

[2]三菱電機(jī)《FX2N-10GM；FX2N-20GM 編程手冊(cè)》.

[3]三菱電機(jī)《MR-E 伺服放大器使用手冊(cè)》.三菱電機(jī)《GT Designer2版本2畫(huà)面設(shè)計(jì)手冊(cè)》.