基于可控編程器的立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

巢一飛

(中國(guó)國(guó)電集團(tuán)公司諫壁發(fā)電廠教育培訓(xùn)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212006)

0 引言

立體倉(cāng)庫(kù)主要采用高層貨架充分利用空間儲(chǔ)存貨物，用起重、裝卸、運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備進(jìn)行貨物出庫(kù)和入庫(kù)作業(yè)，具有工作效率高，貨物儲(chǔ)存集中化、立體化，占地面積小，便于控制管理，信息處理快速、準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)。自動(dòng)堆垛機(jī)是立體倉(cāng)庫(kù)的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)全部貨物的入庫(kù)承運(yùn)作業(yè)，一般可實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)(X軸、Y軸、Z軸)。

自動(dòng)堆垛機(jī)的控制單元可以是繼電器組成的邏輯電路，可以是單片機(jī)系統(tǒng)，也可以是可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。PLC 具有操作與維護(hù)簡(jiǎn)單，程序直觀，設(shè)計(jì)周期短與電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，抗干擾性強(qiáng)，對(duì)環(huán)境的要求不高，對(duì)操作人員以及維護(hù)人員的要求不高，安裝、調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單且設(shè)備數(shù)量少，適合堆剁機(jī)的控制。

1 立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)架構(gòu)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)由貨架和自動(dòng)堆跺機(jī)組成，考慮到標(biāo)準(zhǔn)化及制造的方便性，貨架的主框架采用型鋼加工;堆跺機(jī)采用有軌雙立柱的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集信號(hào)，PLC控制程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)較復(fù)雜的速度與位置控制規(guī)模。

在入庫(kù)作業(yè)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)傳感器檢測(cè)到零位平臺(tái)上有貨物，那么起動(dòng)Z軸方向直流電機(jī)，將零位平臺(tái)上的貨物放到指定的庫(kù)位上。在出庫(kù)操作時(shí)，啟動(dòng)貨臺(tái)，到達(dá)指定庫(kù)位，將指定庫(kù)位上的貨物取出放到零位平臺(tái)。巷道起重機(jī)在執(zhí)行每次的去放任務(wù)，都會(huì)自動(dòng)回到零位，等待下一條指令。

在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的物流輸送過(guò)程中，堆垛機(jī)實(shí)現(xiàn)貨物在各出入庫(kù)端到貨格的搬運(yùn)，其基本功能包括以下幾個(gè)部分:

(1)三維動(dòng)作控制:控制堆垛機(jī)在水平、垂直、左右方向的運(yùn)行(X軸、Y軸、Z軸)。

(2)位置控制:控制堆垛機(jī)以適合的速度運(yùn)行并精確定位在貨格或入出庫(kù)口處。

(3)通訊功能:堆垛機(jī)與上位機(jī)以及其他倉(cāng)庫(kù)設(shè)備的通訊。

(4)保護(hù)功能:提供各種電氣和機(jī)械保護(hù)，保證堆垛機(jī)在高速、頻繁的運(yùn)行和取送貨過(guò)程中不會(huì)發(fā)生事故。

(5)人機(jī)界面:通過(guò)輸入和顯示設(shè)備，提供本機(jī)或遙控操作堆垛機(jī)。

貨架設(shè)計(jì)和自動(dòng)堆跺機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。貨架采用25 mm×25 mm矩管焊接而成，形成9個(gè)單元的空格來(lái)容納貨物及其托盤，1個(gè)單元的空格用來(lái)取貨存放。每個(gè)單元內(nèi)設(shè)有2根伸出梁，每根梁上安裝7個(gè)尼龍滾輪，用以托住貨物托盤、變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，減小伸縮步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載。

圖1 貨架及堆跺機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

自動(dòng)堆跺機(jī)由2部步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行平移和上下移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)位置到達(dá)目的單元格時(shí)，伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條運(yùn)轉(zhuǎn)，完成貨物推送入庫(kù)或者抽拉出庫(kù)的工作。

堆跺機(jī)的平移機(jī)構(gòu)設(shè)在貨架下方，設(shè)有2根平移導(dǎo)軌，堆跺機(jī)安裝在導(dǎo)軌的4個(gè)滑塊上面。由平移步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿上滑塊因絲桿的不同旋轉(zhuǎn)方向向左右移動(dòng)，從而牽動(dòng)整個(gè)堆跺機(jī)的左右位移。為保證堆跺機(jī)在移動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，在貨架上部前側(cè)面安裝有1根導(dǎo)軌，堆跺機(jī)上部設(shè)備基于此導(dǎo)軌移動(dòng)，確保堆跺機(jī)在運(yùn)送貨物的過(guò)程中不會(huì)發(fā)生傾翻現(xiàn)象。

堆跺機(jī)升降設(shè)備由2套雙立柱螺旋絲桿組成。升降步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步輪，由同步帶帶動(dòng)左右2根絲桿旋轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)貨物托架的上下升降。堆跺機(jī)到達(dá)貨架的目的單元格時(shí)，伸縮直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒條的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成推送和拉出貨物托盤的工作。

2 控制系統(tǒng)硬件配置

控制系統(tǒng)主要硬件有控制Z軸的直流電動(dòng)機(jī)，控制X、Y軸的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及供給系統(tǒng)能源的直流開(kāi)關(guān)電源，還有各種傳感器，如系統(tǒng)中采用的反射式和對(duì)射式傳感器以及微動(dòng)開(kāi)關(guān)(用來(lái)完成貨物的檢測(cè)與限位保護(hù))等?？刂圃硪?jiàn)圖2。由此所設(shè)計(jì)的輸出端口電氣原理圖見(jiàn)圖3，輸入端口見(jiàn)圖4。

圖2 系統(tǒng)控制原理

圖3 輸出端口的電氣原理圖

圖4 輸入端口電氣原理圖

在所設(shè)計(jì)的PLC控制系統(tǒng)中，主要包含貨位選擇區(qū)、急停、手動(dòng)/自動(dòng)開(kāi)關(guān)、輸入/輸出等功能。系統(tǒng)通過(guò)采集外部檢測(cè)信號(hào)(所經(jīng)的列、行)，控制電機(jī)的起停，選擇自動(dòng)或是手動(dòng)控制狀態(tài)，前后列向運(yùn)動(dòng)、升降行向運(yùn)動(dòng)、機(jī)械手的伸縮運(yùn)動(dòng)、貨物的抓取、存放等。系統(tǒng)的I/O分配見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)的I/O分配情況

3 電氣控制程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所使用的S7－200型PLC可以使用STEP7－Micro/WIN32編程軟件進(jìn)行編程，該軟件基于WINDOWS操作系統(tǒng)。

主程序:系統(tǒng)的整體控制(主程序)

SBR_0:初始化程序，讓各個(gè)軸回到初始位置(主程序)

SBR_1:當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中達(dá)到某個(gè)軸的限位時(shí)，應(yīng)當(dāng)停止當(dāng)前軸的動(dòng)作(到達(dá)軸限位停止)

SBR_2:倉(cāng)庫(kù)的庫(kù)位坐標(biāo)定位計(jì)算程序計(jì)算(庫(kù)位坐標(biāo)定位)

SBR_3:出入庫(kù)控制的程序設(shè)計(jì)(出入庫(kù)控制)

SBR_4:鍵盤裝置的掃描檢測(cè)及顯示系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)(鍵盤掃描及顯示)

SBR_5:脈沖發(fā)生器0的控制程序(輸入PT0)

SBR_6:停止脈沖發(fā)生器0的控制程序(停止PT0)

SBR_7:脈沖發(fā)生器1的控制程序(輸入PT1)

SBR_8:停止脈沖發(fā)生器1的控制程序(停止PT1)

其中SBR_2庫(kù)位坐標(biāo)定位是采用將庫(kù)位坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)表達(dá)，程序入口參數(shù)為指定的庫(kù)位號(hào)(0～9)，輸出的參數(shù)為庫(kù)位的X軸和Y軸坐標(biāo)的方式設(shè)計(jì)的。庫(kù)位號(hào)情況如圖5所示。

圖5 倉(cāng)庫(kù)的庫(kù)位號(hào)情況

在程序中，用LWO來(lái)表示制定的倉(cāng)位號(hào)，用LD2和LD6表示倉(cāng)位的X軸坐標(biāo)值和Y軸坐標(biāo)值。X軸坐標(biāo)值分別存放在數(shù)據(jù)寄存區(qū)VD616、VD620VD624中，Y軸的坐標(biāo)值分別存放在坐標(biāo)寄存區(qū)VD600、VD604、VD608、VD612 中。

程序中的第一段用來(lái)計(jì)算0、1、2、3號(hào)庫(kù)位的X軸坐標(biāo)值，如圖6所示。第二段是用于計(jì)算1、4、7號(hào)庫(kù)位的Y軸坐標(biāo)。第三段到第十段分別計(jì)算各個(gè)庫(kù)位的X、Y軸的坐標(biāo)。由于倉(cāng)位是一個(gè)長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，故其中各個(gè)庫(kù)位的坐標(biāo)值均可以用0～3號(hào)庫(kù)位的X軸坐標(biāo)和1、4、7號(hào)庫(kù)位的 Y軸坐標(biāo)來(lái)表示。最后一段是用于給其他的程序送出坐標(biāo)值。

圖6 計(jì)算0、1、2、3號(hào)庫(kù)位的X軸坐標(biāo)值程序示意

4 結(jié)語(yǔ)

基于PLC的立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為生產(chǎn)物流建設(shè)發(fā)展的潮流。自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)與加工過(guò)程相連，可構(gòu)成柔性加工系統(tǒng)。而自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)作為生產(chǎn)物流系統(tǒng)的樞紐和核心，是生產(chǎn)物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物流合理化的關(guān)鍵。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)程序滿足要求，該系統(tǒng)具有運(yùn)行速度快、可靠性高等優(yōu)勢(shì)。各程序的編譯也通過(guò)系統(tǒng)塊得以驗(yàn)證。

［1］蔡紅斌.電氣與PLC控制技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［2］汪曉平.PLC可編程控制器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例導(dǎo)航［M］.北京:人民郵電出版社，2004.

［3］西門子公司.深入淺出西門子S7－200［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［4］周天沛，代洪.基于PLC的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2009，(2):43－46.