基于PLC的立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高殿明，辛艷東

(1.哈爾濱哈電機(jī)械電子設(shè)備有限責(zé)任公司哈爾濱150040;2.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司哈爾濱150040)

立體倉(cāng)庫(kù)一般是指采用幾層、十幾層乃至幾十層高的貨架儲(chǔ)存單元貨物，用相應(yīng)的物料搬運(yùn)設(shè)備進(jìn)行貨物入庫(kù)和出庫(kù)作業(yè)的倉(cāng)庫(kù)。由于這類(lèi)倉(cāng)庫(kù)能充分利用空間儲(chǔ)存貨物，故常形象地將其稱(chēng)為“立體倉(cāng)庫(kù)”。立體倉(cāng)庫(kù)的產(chǎn)生和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)之后生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。50年代初，美國(guó)出現(xiàn)了采用橋式堆垛起重機(jī)的立體倉(cāng)庫(kù);50年代末60年代初出現(xiàn)了司機(jī)操作的巷道式堆垛起重機(jī)立體倉(cāng)庫(kù);1963年美國(guó)率先在高架倉(cāng)庫(kù)中采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，建立了第一座計(jì)算機(jī)控制的立體倉(cāng)庫(kù)。此后，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)在美國(guó)和歐洲得到迅速發(fā)展，并形成了專(zhuān)門(mén)的學(xué)科。60年代中期，日本開(kāi)始興建立體倉(cāng)庫(kù)，并且發(fā)展速度越來(lái)越快，成為當(dāng)今世界上擁有自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)最多的國(guó)家之一。

我國(guó)對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)及其物料搬運(yùn)設(shè)備的研制開(kāi)始并不晚，1963年研制成第一臺(tái)橋式堆垛起重機(jī)(機(jī)械部北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所)，1973年開(kāi)始研制我國(guó)第一座由計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)(高15 m，機(jī)械部起重所負(fù)責(zé))，該庫(kù)1980年投入運(yùn)行。到目前為止，我國(guó)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)數(shù)量已超過(guò)200座。立體倉(cāng)庫(kù)由于具有很高的空間利用率、很強(qiáng)的入出庫(kù)能力、采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制管理而利于企業(yè)實(shí)施現(xiàn)代化管理等特點(diǎn)，已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)，越來(lái)越受到企業(yè)的重視。

1 立體倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的概述

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)及機(jī)電技術(shù)于一體的高效率、大容量存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)庫(kù)功能從單純保管型向綜合流通型的轉(zhuǎn)變。用PLC控制的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)達(dá)到倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)的全面自動(dòng)化。

自動(dòng)化立體庫(kù)基本由以下部分組成:高層貨架:用于存儲(chǔ)貨物的鋼結(jié)構(gòu)。目前主要有焊接式貨架和組合式貨架兩種基本形式。托盤(pán)(貨箱):用于承載貨物的器具，亦稱(chēng)工位器具。

巷道堆垛機(jī):用于自動(dòng)存取貨物的設(shè)備。按結(jié)構(gòu)形式分為單立柱和雙立柱兩種基本形式;按服務(wù)方式分為直道、彎道和轉(zhuǎn)移車(chē)三種基本形式。

輸送機(jī)系統(tǒng):立體庫(kù)的主要外圍設(shè)備，負(fù)責(zé)將貨物運(yùn)送到堆垛機(jī)或從堆垛機(jī)將貨物移走。輸送機(jī)種類(lèi)非常多，常見(jiàn)的有輥道輸送機(jī)、鏈條輸送機(jī)、升降臺(tái)、分配車(chē)、提升機(jī)機(jī)和皮帶機(jī)等。

AGV系統(tǒng):即自動(dòng)導(dǎo)向小車(chē)。根據(jù)其導(dǎo)向方式分為感應(yīng)式導(dǎo)向小車(chē)和激光導(dǎo)向小車(chē)。

自動(dòng)控制系統(tǒng):驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化立體庫(kù)系統(tǒng)各設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)。目前以采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式為控制模式為主。

庫(kù)存信息管理系統(tǒng):亦稱(chēng)中央計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。是全自動(dòng)化立體庫(kù)系統(tǒng)的核心。目前典型的自動(dòng)化立體庫(kù)系統(tǒng)均采用大型的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(如ORACLE，SYBASE等)構(gòu)筑典型的客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器體系，可以與其他系統(tǒng)(如ERP系統(tǒng)等)聯(lián)網(wǎng)或集成。

1.2 立體倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)和功能

根據(jù)某一物流公司對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)的具體要求，本文所設(shè)計(jì)的立體倉(cāng)庫(kù)具有以下功能。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

(1)堆垛機(jī)(機(jī)械手)要有三個(gè)自由度，即:前進(jìn)、后退;上、下;左、右。

(2)堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

(3)堆垛機(jī)前進(jìn)(或后退)運(yùn)動(dòng)和上(或下)運(yùn)動(dòng)可同時(shí)進(jìn)行。

(4)堆垛機(jī)前進(jìn)、后退和上、下運(yùn)動(dòng)時(shí)必須有超限位保護(hù)。

(5)每個(gè)倉(cāng)位必須有檢測(cè)裝置(微動(dòng)開(kāi)關(guān))，當(dāng)操作有誤時(shí)發(fā)出錯(cuò)誤報(bào)警信號(hào)。

(6)當(dāng)按完倉(cāng)位號(hào)后，沒(méi)按入或取前，可以按取消鍵進(jìn)行取消該操作。

(7)整個(gè)電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕，以防發(fā)生意外。

2 系統(tǒng)控制方案

2.1 立體倉(cāng)庫(kù)技術(shù)參數(shù)的確定

立體倉(cāng)庫(kù)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 立體倉(cāng)庫(kù)具體參數(shù)

2.2 PLC 的選型

在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定PLC的功能和外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

FX2系列可編程控制器主機(jī)分為16、24、32、64、80和128點(diǎn)六檔，還有各種輸入和輸出擴(kuò)展單元，這樣在增加I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)，不必改變機(jī)型，可以通過(guò)擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)，降低了經(jīng)濟(jì)投入。本課題設(shè)計(jì)的立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)有輸入信號(hào)40個(gè)，輸出信號(hào)21個(gè)。其中，外部輸入元件包括:檢測(cè)元件、按鈕、取、送、急停、限位開(kāi)關(guān)和超限位保護(hù)等;輸出有三個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反向、動(dòng)作指示、錯(cuò)誤顯示等。按照上述配置，所選I/O點(diǎn)不得低于61點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，所選I/O點(diǎn)為80點(diǎn)。因此我所選型號(hào)為FX2N-80MR。

圖1 立體倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇

采用SH系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為SH-2H057。主要由電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分組成。SH-2H057步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用鑄鋁結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)主要用于小功率驅(qū)動(dòng)器，這種結(jié)構(gòu)為封閉的超小型結(jié)構(gòu)，本身不帶風(fēng)機(jī)，其外殼即為散熱體，所以使用時(shí)要將其固定在較厚、較大的金屬板上或較厚的機(jī)柜內(nèi)，接觸面之間要涂上導(dǎo)熱硅脂，在其旁邊加一個(gè)風(fēng)機(jī)也是一種較好的散熱辦法。

2.4 傳感器的選擇

在該立體倉(cāng)庫(kù)中采用歐姆龍EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式傳感器作貨物檢測(cè)，它是日本歐姆龍公司的產(chǎn)品，采用能抗周?chē)鈦?lái)光干擾的變調(diào)光式;采用變調(diào)光式，與直流光式比，不易受外來(lái)光干擾的影響;電源電壓為DC5-24V的大量程電壓輸出型;帶有容易調(diào)整的光軸標(biāo)識(shí);帶有便于調(diào)整，動(dòng)作確認(rèn)的入光顯示燈。

2.5 系統(tǒng)流程圖

根據(jù)系統(tǒng)工作過(guò)程的分析得出，示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

文中主要以PLC為核心，利用PLC的強(qiáng)大的控制功能，實(shí)現(xiàn)了利用可編程控制器控制立體倉(cāng)庫(kù)的功能，具有接線簡(jiǎn)單、編程直觀和擴(kuò)展容易等特點(diǎn)。當(dāng)機(jī)械手的功能增加時(shí)，硬件接線上只需增加行程開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)。原來(lái)的接線不需改變，軟件上只需增加相應(yīng)程序以及輸出的功能，要改動(dòng)的地方也較少。調(diào)試結(jié)果表明，在適應(yīng)性、精確性和可靠性方面，到達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，表明該設(shè)計(jì)方案是可行的。

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