智能立體存儲(chǔ)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

Design and Development of the Intelligent Control System for Three Dimensional Storage

李文強(qiáng)

(中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司， 遼寧 沈陽(yáng)　110850)

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智能立體存儲(chǔ)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

Design and Development of the Intelligent Control System for Three Dimensional Storage

李文強(qiáng)

(中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司， 遼寧 沈陽(yáng)110850)

摘要：針對(duì)板材存儲(chǔ)的占用面積大、存儲(chǔ)效率低、管理庫(kù)存不便等問題，提出了一種板材立體存儲(chǔ)方案，并設(shè)計(jì)開發(fā)了一套板材存儲(chǔ)自動(dòng)控制系統(tǒng)。采用可編程邏輯控制器結(jié)合觸摸屏控制方式，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)存取板材、自動(dòng)修改庫(kù)存、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控顯示、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，存儲(chǔ)系統(tǒng)平移機(jī)構(gòu)水平移動(dòng)定位精度達(dá)到0.5 mm，板材存放占用面積減少了60%，存取板材效率提高70%以上，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅提升了自動(dòng)化程度，驗(yàn)證了系統(tǒng)可行性和安全穩(wěn)定可靠性，極大地提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：板材存儲(chǔ)立體倉(cāng)儲(chǔ)可編輯邏輯控制器觸摸屏自動(dòng)存取自動(dòng)控制變送器智能化人機(jī)界面

Abstract：According to the problems existing in storage of plate material,such as occupying large area,low storage efficiency and inconvenient inventory management,the scheme of three dimensional storage of plate material is proposed,and a set of automatic control system is also designed and developed.By using PLC and touch screen control method,multiple functions including automatic plate material stacking and reclaiming,automatic modification of inventory,real time status monitoring display,and remote monitoring are realized.The results of field application show that the horizontal movement positioning precision of translational mechanism can reach 0.5 mm,meanwhile,this storage system makes the occupying area decrease by 60%,and the efficiency of stacking and reclaiming plate material increase by 70%,in addition,it also lowers the labor strength and significantly enhances the degree of automation,thus verifies the feasibility,safety,stability and reliability of the system,and greatly improves the working sufficiency.

Keywords:Plate storageThree dimensional storagePLCTouch screenAutomatic stacking and reclaimingAutomatic controlTransmitterIntelligenceHuman machine interface

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展以及各種新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，各種不同性能工程材料的需求越來越廣泛。板材產(chǎn)品由于具有外形扁平、寬厚比大、表面積大等外形特點(diǎn)，可任意剪裁、彎曲、沖壓、焊接制成各種制品構(gòu)件，使用靈活方便，所以成為萬(wàn)能鋼材，在航空航天、船舶、兵器、汽車制造等行業(yè)均得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。為了滿足企業(yè)大量實(shí)際生產(chǎn)需要，必須庫(kù)存一定數(shù)量的板材，這給企業(yè)帶來了存儲(chǔ)放置問題。對(duì)于物料存儲(chǔ)放置，目前大多采用倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備。20 世紀(jì)70 年代， 德國(guó)亨乃爾及瑞士卡迪斯公司相繼開發(fā)出用于存儲(chǔ)物料的垂直旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)化庫(kù)柜。 目前，國(guó)外自動(dòng)化存儲(chǔ)設(shè)備已經(jīng)大量使用，著名的自動(dòng)化貨柜生產(chǎn)廠家有德國(guó)亨乃爾、瑞士卡迪斯、美國(guó) FKI 等公司。國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)立體倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的廠家有沈飛、昆船、太原剛玉和電子科技等，但板材立體存儲(chǔ)方面的研究和開發(fā)并不多見，且板材立體存儲(chǔ)控制系統(tǒng)方面未見文獻(xiàn)報(bào)道[4-6]。目前國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)的板材存放方式多采取隨意疊放、立式斜放或板材架。這些存儲(chǔ)方式占用了大量存放面積，且在搬運(yùn)板材過程需要大量的人工;同時(shí)在搬運(yùn)過程中易產(chǎn)生劃傷板材表面甚至引起安全事故發(fā)生,存在工作效率低、人工消耗大等一系列問題。

針對(duì)板材存儲(chǔ)諸多問題，在分析梳理總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出一種板材立體存儲(chǔ)方案，設(shè)計(jì)開發(fā)一套板材存儲(chǔ)自動(dòng)控制系統(tǒng)，大大提高了板材存儲(chǔ)自動(dòng)化程度及工作效率。

1板材立體存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)及工作原理

板材立體存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)如圖1所示，包括4個(gè)部分，主體機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、出入庫(kù)小車。其中主體架構(gòu)包括由4根立柱組成的整體的框架立體空間結(jié)構(gòu)、置于立柱頂部的懸臂梁、用于安裝升降電機(jī)的電機(jī)梁、將4個(gè)立柱連接在一起的圍梁等。主體機(jī)構(gòu)成為整個(gè)立體存儲(chǔ)設(shè)備的重要組成部分。升降機(jī)構(gòu)包括升降電機(jī)、減速機(jī)、換向器、鏈條、鏈輪等，其中，升降電機(jī)連接減速機(jī)和鏈輪，鏈輪連接鏈條。升降機(jī)構(gòu)由鏈條固定連接，使升降機(jī)構(gòu)在升降電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做上升或下降運(yùn)動(dòng)。平移機(jī)構(gòu)包括左右兩側(cè)的直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、伺服電機(jī)、機(jī)械手，其中，伺服電機(jī)連接滾珠絲杠，滾珠絲杠帶動(dòng)平移機(jī)構(gòu)上的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，平移機(jī)構(gòu)作水平運(yùn)動(dòng)。出入庫(kù)小車包括小車電機(jī)、減速機(jī)、稱重器、自動(dòng)定位、底盤、鏈輪、鏈條等。出入庫(kù)小車放置在地面上，在小車馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下沿著地面鋪設(shè)的軌道上行走，將板材送入庫(kù)和從庫(kù)中取出，實(shí)現(xiàn)板材運(yùn)送。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的板材存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)分別有19個(gè)貨位，共有38個(gè)貨位，其中每個(gè)貨位最大承載量為2 t,最大存儲(chǔ)量60 t。

圖1　板材立體存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

板材立體存儲(chǔ)工作原理如下。板材存儲(chǔ)過程分為送板材和取板材。送板材流程為：帶板材的托盤由外部叉車送到立體存儲(chǔ)系統(tǒng)的出入庫(kù)小車上,通過系統(tǒng)自動(dòng)定位、自動(dòng)稱重后,由出入庫(kù)小車將板材自動(dòng)送入到板材立體存儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)；升降機(jī)構(gòu)將板材從出入庫(kù)小車上取下，由升降電機(jī)經(jīng)過減速及換向后，通過兩根鏈條牽引升降臺(tái)完成同步上升到達(dá)指定層，然后通過平移機(jī)構(gòu)滾珠絲桿拖動(dòng)升將臺(tái)上的機(jī)械手沿著直線導(dǎo)軌進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；升降機(jī)構(gòu)將升降臺(tái)連同板材一起提升尋址，到位后由機(jī)械手將板材移送到指定貨位上，完成送板材過程。取板材流程與送板材流程動(dòng)作相反，首先機(jī)械手按照操作人員指令自動(dòng)尋找相應(yīng)貨層，到指定的位置后，機(jī)械手移入貨位，將板材從貨架上取出，升降臺(tái)攜板材返回；然后由機(jī)械手將板材放到出入庫(kù)小車上，出入庫(kù)小車退出庫(kù)板材存儲(chǔ)庫(kù)，完成取板材的流程。

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件平臺(tái)

板材立體存儲(chǔ)設(shè)備以可編程邏輯控制器作為控制核心，結(jié)合觸摸屏，輔以伺服驅(qū)動(dòng)和變頻控制以及傳感檢測(cè)、通信等，形成檢測(cè)與控制于一體的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

可編程邏輯控制器作為系統(tǒng)核心處理單元，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集和邏輯分析處理，并控制相應(yīng)的執(zhí)行器件。根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)容量、維護(hù)方便性、備件通用性和擴(kuò)展性的需求，系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC作為主模塊，同時(shí)系統(tǒng)擴(kuò)展了4個(gè)輸入輸出模塊，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)控制的功能。

觸摸屏已成為最佳人機(jī)對(duì)話工具，系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)DOP系列10英寸(1英寸=25.4 mm)觸摸屏。操作者通過觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)預(yù)設(shè)和調(diào)整板材存取輸入，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警指示，便于操作人員使用。

為了便于物料存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中心對(duì)工廠各個(gè)部位的板材存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，系統(tǒng)選用了具有通信功能的Profibus-DP通信模塊[7-8]，使該控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。對(duì)板材存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效匯總、統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)板材存儲(chǔ)設(shè)備狀況的實(shí)時(shí)記錄。

稱重系統(tǒng)檢測(cè)用于檢測(cè)存放板材的整體質(zhì)量,它直接影響該系統(tǒng)安全性。將4個(gè)稱重變送器安裝在出入庫(kù)小車上,在送料之前進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè),稱重變送器輸出信號(hào)經(jīng)多路放大器信號(hào)求和,轉(zhuǎn)換成合適的4～20 mA的電流信號(hào)。該電流信號(hào)傳送到可編程邏輯控制器進(jìn)行處理，并與系統(tǒng)設(shè)置的最大承重量進(jìn)行比對(duì)分析，判斷是否超重，提高了系統(tǒng)的承載安全可靠性。

系統(tǒng)設(shè)置了多個(gè)檢測(cè)開關(guān)，其中包括用于出入庫(kù)小車初始位置、前進(jìn)終點(diǎn)位置、有無貨盤、升降臺(tái)初始位置、頂點(diǎn)位置、機(jī)械手初始位置、左右兩個(gè)終點(diǎn)的位置等檢測(cè)。在出入庫(kù)小車的進(jìn)出立柱中間安裝一對(duì)光電檢測(cè)開關(guān)，用于檢測(cè)出入庫(kù)小車在送板材過程中是否超出了規(guī)定的高度。在升降臺(tái)上安裝一個(gè)檢測(cè)開關(guān)用于貨層的認(rèn)址檢測(cè)。同時(shí)在每個(gè)層支架上分別安裝檢測(cè)片，升降臺(tái)上升過程中每經(jīng)過一層,檢測(cè)開關(guān)就有一個(gè)信號(hào),PLC的增計(jì)數(shù)器就計(jì)數(shù)一次,用于判斷是否到達(dá)指定貨層，實(shí)現(xiàn)了認(rèn)址功能。

在出入庫(kù)小車入庫(kù)和出庫(kù)過程和升降臺(tái)上升和下降的運(yùn)動(dòng)過程，均需要對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)采用變頻調(diào)速控制技術(shù)。選用臺(tái)達(dá)高機(jī)能、向量型交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器VFD-VE系列變頻器，通過改變變頻器的頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)小車電機(jī)和升降電機(jī)的速度調(diào)整。采用高低速度的搭配調(diào)速方式，減少了運(yùn)送時(shí)間，提高了系統(tǒng)的工作效率。

為了保障平移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)定位精度，對(duì)平移機(jī)構(gòu)機(jī)械手采用伺服控制。伺服控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，通過S7-200高速脈沖輸出口Q0.0或Q0.1輸出脈沖，將該信號(hào)發(fā)送給伺服控制器,伺服控制器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，通過一定控制算法使兩臺(tái)伺服電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平移機(jī)構(gòu)的精確定位。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了控制面板和狀態(tài)指示功能。其中，控制面板設(shè)置自動(dòng)/手動(dòng)、本地/遠(yuǎn)程、急停等操作，狀態(tài)指示設(shè)置電源指示、手動(dòng)和自動(dòng)指示、本地和遠(yuǎn)程指示、故障指示、運(yùn)行指示等。操作人員通過控制面板的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制功能，并實(shí)時(shí)觀測(cè)狀態(tài)指示，保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

2.2軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件包括兩部分：PLC程序和人機(jī)界面?？刂葡到y(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，PLC程序利用西門子S7-200 PLC 編程軟件Step7-Micro/WIN V4.0 開發(fā)[9-10]，能夠完成數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)送板材、自動(dòng)取板材、計(jì)算處理、自動(dòng)存儲(chǔ)庫(kù)存記錄、超限報(bào)警及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，滿足自動(dòng)送取板材的要求。PLC程序主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、送板材控制模塊、取板材控制模塊、計(jì)算處理模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊和報(bào)警管理模塊。PLC 控制流程如圖3所示。

人機(jī)界面主要用于設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及顯示實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)功能。界面由主顯信息畫面、操作畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、故障信息畫面構(gòu)成。主顯信息畫面顯示的內(nèi)容包括電機(jī)狀態(tài)、質(zhì)量檢測(cè)值、輸入的開關(guān)量、實(shí)時(shí)庫(kù)存記錄以及系統(tǒng)提示信息等。操作畫面包括自動(dòng)操作、手動(dòng)操作、維護(hù)操作等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)自動(dòng)、手動(dòng)、維護(hù)等操作功能。參數(shù)設(shè)置畫面包括最大承重質(zhì)量、升降臺(tái)高低運(yùn)行速度、機(jī)械手運(yùn)行速度等參數(shù)設(shè)置。故障信息畫面用于提示用戶設(shè)備故障信息和可能原因等，如送入層有貨、取出層無貨、出入庫(kù)小車、升降臺(tái)超程報(bào)警、超重、超高、變頻器故障、伺服故障等信息。

圖3　PLC控制流程圖

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1平移機(jī)構(gòu)定位精度

以直線導(dǎo)軌的水平中心點(diǎn)兩個(gè)立柱的1/2作為平移機(jī)構(gòu)的零點(diǎn)，以直線導(dǎo)軌左右兩側(cè)機(jī)械擋塊位置作為平移機(jī)構(gòu)的終點(diǎn)，從零點(diǎn)到左側(cè)終點(diǎn)和右側(cè)終點(diǎn)位置距離均為2 m。測(cè)量時(shí)，將平移機(jī)構(gòu)從零點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)到100 mm的規(guī)定位移，利用激光跟蹤儀對(duì)平移機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)量，得到水平機(jī)構(gòu)的定位運(yùn)動(dòng)精度為0.5 mm，保障系統(tǒng)的平移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度。

3.2存儲(chǔ)空間和時(shí)間

隨機(jī)抽取三類板材樣品。一類面積為2 m×1 m、厚度為0.3 mm、質(zhì)量為1.5 t的鋁板，放置在10個(gè)貨盤內(nèi)；另一類面積為1 m×1 m、厚度為1 mm、質(zhì)量為1.7 t的鋁板，放置在10個(gè)貨盤內(nèi)；最后一類面積為2 m×0.8 m、厚度為0.6 mm、質(zhì)量為1.6 t的板材的鋁板，放置在18個(gè)貨盤內(nèi)。一種方法采用板材架存放，另一種采用該系統(tǒng)存放，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：與板材架存放面積相比，立體板材存儲(chǔ)面積直接節(jié)約了60%。實(shí)驗(yàn)中采用人工存放板材時(shí)間約為1 h，自動(dòng)存取板材時(shí)間約為15 min，存儲(chǔ)時(shí)間大大減少，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的存儲(chǔ)。

4結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)開發(fā)的控制系統(tǒng)，平移機(jī)構(gòu)水平移動(dòng)定位精度達(dá)到0.5 mm，提高了水平定位的精準(zhǔn)性，同時(shí)利用板材存儲(chǔ)系統(tǒng)使存放占用面積減少了60%，存取板材效率提高70%以上，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅度提升了自動(dòng)化程度。

綜合運(yùn)用人機(jī)交互技術(shù)、PLC 技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)和變頻控制技術(shù)、通信技術(shù)，設(shè)計(jì)板材立體存儲(chǔ)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)存取板材、自動(dòng)修改庫(kù)存、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控顯示、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

應(yīng)用該控制系統(tǒng)的板材存儲(chǔ)設(shè)備滿足企業(yè)大量板材存儲(chǔ)向高效快速、高精度、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展的需要，同時(shí)也推動(dòng)了物料存儲(chǔ)的信息化、數(shù)字化的建設(shè)。

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中圖分類號(hào)：TH86;TP29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602009

修改稿收到日期：2015-06-03。

作者李文強(qiáng)(1980-)，男，現(xiàn)為沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)在讀博士研究生，工程師；主要從事技術(shù)創(chuàng)新研究及管理工作。