南疆地區(qū)研究生創(chuàng)新基地倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孟婷婷 陳超 鄭文軒 程方園

摘 要： 南疆地區(qū)是我國(guó)重要的特色農(nóng)產(chǎn)品加工基地，發(fā)展倉(cāng)庫(kù)物流是南疆特色農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素，倉(cāng)庫(kù)的快速存取是反映倉(cāng)儲(chǔ)物流發(fā)展的一個(gè)重要指標(biāo)，先進(jìn)的控制方法能快速提升物流能力。該文以塔里木大學(xué)研究生創(chuàng)新基地之一的大漠棗業(yè)責(zé)任有限公司的倉(cāng)庫(kù)存取系統(tǒng)為研究對(duì)象，將自動(dòng)堆垛機(jī)、人機(jī)系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)等結(jié)合，設(shè)計(jì)一種PLC控制的自動(dòng)存取系統(tǒng)，可大大提高倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的快速存取能力，提高識(shí)別精度與可靠性。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)出庫(kù)取貨周期作業(yè)平均時(shí)間為28.49 s，在測(cè)試時(shí)，無(wú)識(shí)別錯(cuò)誤情況出現(xiàn)，平均識(shí)別精度為100%;系統(tǒng)進(jìn)行入庫(kù)操作的周期時(shí)間均值為20.51 s，測(cè)試過(guò)程中，操作過(guò)程作業(yè)穩(wěn)定，操作時(shí)間控制較好，具有較好的可靠性與穩(wěn)定性;單臺(tái)系統(tǒng)入庫(kù)能力P1則可計(jì)算為126.3;PLC系統(tǒng)對(duì)倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)的響應(yīng)快速，可靠性較高，能適應(yīng)頻繁的快速倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取作業(yè)。

關(guān)鍵詞： 特色農(nóng)產(chǎn)品; 倉(cāng)儲(chǔ)物流; 南疆地區(qū); PLC控制; 自動(dòng)存取系統(tǒng); 出庫(kù)取貨

中圖分類(lèi)號(hào)： TN108+.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）12?0079?04

Abstract： South Xinjiang area is an important processing base of special agricultural products in China， and developing warehouse logistics is the key factor for the development of special agricultural products industry in South Xinjiang. Quick access to the warehouse is an important index of reflecting the development of warehouse logistics， and the advanced control method can quickly improve the logistic capability. Taking the warehouse access system of Damo Jujube Limited Liability Company which is one of the graduate innovation bases of Tarim University as the research object， a PLC controlled automatic access system is designed by combining the automatic stacking machine， man?machine system， warehouse database and so on， which can greatly improve the fast access ability， recognition precision， and reliability of the warehouse system. A test was carried out. The results show that the average time for delivery pickup cyclic operation of the warehouse automatic access system is 28.49 s， no recognition error occurs， and the average recognition accuracy is 100% during the test; the cycle time mean value for stocking operation of the system is 20.51 s， the operation process is stable， the operation time is well controlled during the test， and the system has good reliability and stability; the stocking capability of a single system P1 is calculated to be 126.3; the PLC system has fast response to the warehouse automatic access system and high reliability， and can adapt to the frequent operations of fast warehouse automatic access.

Keywords： special agricultural product; warehouse logistics; South Xinjiang area; PLC control; automatic access system; delivery pickup

南疆地區(qū)是我國(guó)重要的特色農(nóng)產(chǎn)品加工基地，由于獨(dú)特的自然環(huán)境，所產(chǎn)的紅棗、核桃、葡萄干、巴旦木等特色果品深受市場(chǎng)喜愛(ài)[1?2]。然而，由于地理位置偏遠(yuǎn)，加上交通不便，使物流問(wèn)題成為了制約南疆特色農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素[3?4]。倉(cāng)庫(kù)的快速存取是反映倉(cāng)儲(chǔ)物流發(fā)展的一個(gè)重要指標(biāo)，由于目前南疆地區(qū)倉(cāng)儲(chǔ)物流的落后，傳統(tǒng)的果品倉(cāng)庫(kù)存取系統(tǒng)不能滿(mǎn)足物流業(yè)快速發(fā)展的需求。因此，對(duì)傳統(tǒng)的果品倉(cāng)庫(kù)存取系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與管理系統(tǒng)的升級(jí)，具有重要的物流運(yùn)輸意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。PLC是工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性與快速響應(yīng)性，且編程方便，有利于物流業(yè)的控制與管理[5?8]。

本文以塔里木大學(xué)研究生創(chuàng)新基地之一的大漠棗業(yè)責(zé)任有限公司的倉(cāng)庫(kù)存取系統(tǒng)為研究對(duì)象，將自動(dòng)堆垛機(jī)、人機(jī)系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)等結(jié)合，設(shè)計(jì)一種PLC控制的自動(dòng)存取系統(tǒng)[9?10]，可大大提高倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的快速存取能力，提高識(shí)別精度與可靠性。

1 總體設(shè)計(jì)思路

1.1 控制思路

通過(guò)這幾年的發(fā)展，南疆地區(qū)特色果品業(yè)已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)堆垛機(jī)操作、稱(chēng)重等物流作業(yè)工序，但總體而言，缺少系統(tǒng)的控制，圖1所示為目前的南疆特色干果倉(cāng)庫(kù)存取系統(tǒng)，主要依靠人工與機(jī)械的配合，自動(dòng)化程度相對(duì)較低。選取塔里木大學(xué)研究生創(chuàng)新基地之一的大漠棗業(yè)責(zé)任有限公司的倉(cāng)庫(kù)存取系統(tǒng)為改進(jìn)對(duì)象，采用PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與人機(jī)系統(tǒng)、上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)控制，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存取操作系統(tǒng)、自動(dòng)堆垛機(jī)系統(tǒng)、各控制單元的工作實(shí)現(xiàn)全程物流系統(tǒng)的自動(dòng)化作業(yè)。

1.2 系統(tǒng)功能要求與技術(shù)參數(shù)

按照紅棗加工工藝要求以及生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)置情況，設(shè)計(jì)倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)存取系統(tǒng)立式存取方式，由機(jī)構(gòu)將對(duì)應(yīng)倉(cāng)號(hào)進(jìn)行一定傾斜角度實(shí)現(xiàn)出庫(kù)。設(shè)計(jì)貨物為靜止?fàn)顟B(tài)，存取貨物通過(guò)三個(gè)自由度的出庫(kù)機(jī)構(gòu)與進(jìn)貨機(jī)構(gòu)執(zhí)行。各倉(cāng)位均設(shè)置貨物位置傳感器，以測(cè)定倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的存貨狀態(tài)。具體的南疆特色干果倉(cāng)庫(kù)存取系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要以PLC為核心控制單元，設(shè)計(jì)采用西門(mén)子PLC?200，CPU 224型的小型PLC系統(tǒng)，自帶數(shù)字量I/O點(diǎn)為16組，模擬量AI/AO點(diǎn)數(shù)通過(guò)擴(kuò)展模塊增加16組，以方便進(jìn)行單獨(dú)控制[11]。人機(jī)界面采用觸摸屏界面進(jìn)行信息的傳輸與信號(hào)的顯示。控制主要包括電氣控制部份、倉(cāng)庫(kù)存取機(jī)構(gòu)控制以及倉(cāng)位選擇控制等。系統(tǒng)的控制示意圖如圖2所示。

系統(tǒng)工作原理是利用PLC作為核心控制元件，控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)有三自由度的堆垛機(jī)在導(dǎo)軌和立柱上做三維運(yùn)動(dòng)。以步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)光電傳感器進(jìn)行掃描將信號(hào)傳送給PLC得出相應(yīng)的倉(cāng)位號(hào)，并輸出對(duì)應(yīng)倉(cāng)位的脈沖數(shù)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按指令的方向轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，進(jìn)而控制機(jī)械傳動(dòng)部件進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，以完成倉(cāng)庫(kù)貨物的存取功能。

2.1 存取電機(jī)的電氣控制

存取電機(jī)的電氣控制如圖3所示?？刂齐姍C(jī)采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)存取貨功率要求，選取電機(jī)功率為2.2 kW，電機(jī)的控制采用DEB200型國(guó)產(chǎn)變頻器控制，控制方式為U/f標(biāo)量控制方式。變頻器的S1，S2，S3，S4控制端口作為PLC的控制端口，通過(guò)PLC輸出轉(zhuǎn)速命令來(lái)實(shí)現(xiàn)存取電機(jī)的變速控制。變頻器自帶電氣保護(hù)功能，當(dāng)電機(jī)受動(dòng)故障信號(hào)時(shí)，變頻器停止輸出，并向PLC發(fā)出故障信號(hào)。

2.2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)電氣控制要求，設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)如圖4所示。PLC對(duì)存取電機(jī)的控制主要采用D0口輸送轉(zhuǎn)速信號(hào)，當(dāng)PLC的Q0.1輸出為高電位時(shí)，傳送至變頻器DEB200控制端口S1信號(hào)為1，通過(guò)與S2，S3，S4組合輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)速。模擬量模塊主要為顯示PLC控制系統(tǒng)的結(jié)果、倉(cāng)位信號(hào)等。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用STEP7?MicroWIN小型PLC 控制軟件，與其他軟件相比較，STEP7?MicroWIN具有較快的響應(yīng)性與靈活性。軟件系統(tǒng)采用模塊化編程，主要分為存取電機(jī)控制模塊與傳感器電路檢測(cè)模塊，其中，傳感器檢測(cè)模塊主要測(cè)定倉(cāng)位數(shù)據(jù)，具體如圖5所示。實(shí)際工作時(shí)，PLC程序先進(jìn)行掃描工作，查找目標(biāo)倉(cāng)位，當(dāng)顯示需存取操作時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的存取貨操作模塊數(shù)據(jù)，啟動(dòng)存取電機(jī)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

4 測(cè)試試驗(yàn)與結(jié)果分析

倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)主要包括對(duì)機(jī)械系統(tǒng)、PLC硬件系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。主要測(cè)試立式存取速度、倉(cāng)位信號(hào)的響應(yīng)、貨號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性測(cè)試。每個(gè)貨號(hào)均通過(guò)光電檢測(cè)傳感器感應(yīng)，需要測(cè)試傳感器的響應(yīng)速度。

4.1 測(cè)試材料與方法

測(cè)試試驗(yàn)為大漠棗業(yè)責(zé)任有限公司新疆存取倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，主要操作對(duì)象為紅棗集中箱貨品。試驗(yàn)前，先對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)軟件操作系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。待軟件系統(tǒng)完成后進(jìn)行硬件電路的通電測(cè)試，再進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)存取操作系統(tǒng)。測(cè)試時(shí)主要測(cè)試倉(cāng)位號(hào)碼識(shí)別精度、出入庫(kù)存取貨系統(tǒng)的作業(yè)時(shí)間周期，以評(píng)價(jià)系統(tǒng)的快速響應(yīng)與控制精度。

4.2 快速響應(yīng)時(shí)間評(píng)價(jià)

主要通過(guò)入庫(kù)操作周期、出庫(kù)取貨周期來(lái)綜合計(jì)算。

1） 入庫(kù)存貨周期[Tm]

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

單臺(tái)系統(tǒng)入庫(kù)與出庫(kù)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果如表2及表3所示。表2結(jié)果表明，倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)入庫(kù)存貨周期作業(yè)平均時(shí)間為28.54 s，在測(cè)試時(shí)，僅出現(xiàn)一次識(shí)別錯(cuò)誤，平均識(shí)別精度為99.99%;系統(tǒng)進(jìn)行入庫(kù)操作的周期時(shí)間均值為18.51 s，表明操作過(guò)程作業(yè)穩(wěn)定，操作時(shí)間控制較好，具有較好的可靠性與穩(wěn)定性，單臺(tái)系統(tǒng)入庫(kù)能力[P1]則可計(jì)算為126.1 次/h。表3結(jié)果表明，倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)出庫(kù)取貨周期作業(yè)平均時(shí)間為28.49 s，在測(cè)試時(shí)，無(wú)識(shí)別錯(cuò)誤情況出現(xiàn)，平均識(shí)別精度為100%;系統(tǒng)進(jìn)行出庫(kù)操作的周期時(shí)間均值為20.51 s，測(cè)試過(guò)程中，操作過(guò)程作業(yè)穩(wěn)定，操作時(shí)間控制較好，具有較好的可靠性與穩(wěn)定性，單臺(tái)系統(tǒng)入庫(kù)能力[P1]則可計(jì)算為126.3 次/h。

5 結(jié) 論

本文以PLC系統(tǒng)為控制核心，設(shè)計(jì)了研究生創(chuàng)新基地倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅棗貨品的快速存取操作，通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果表明：

1） PLC系統(tǒng)對(duì)倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)的響應(yīng)快速，可靠性較高，能適應(yīng)頻繁的快速倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取作業(yè)。

2） 倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)入庫(kù)存貨周期作業(yè)平均時(shí)間為28.54 s，在測(cè)試時(shí)，平均識(shí)別精度為99.99%。

3） 倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)出庫(kù)取貨周期作業(yè)平均時(shí)間為28.49 s，在測(cè)試時(shí)，無(wú)識(shí)別錯(cuò)誤情況出現(xiàn)，平均識(shí)別精度為100%;系統(tǒng)進(jìn)行出庫(kù)操作的周期時(shí)間均值為20.51 s，測(cè)試過(guò)程中，操作過(guò)程作業(yè)穩(wěn)定，操作時(shí)間控制較好，具有較好的可靠性與穩(wěn)定性，單臺(tái)系統(tǒng)入庫(kù)能力P1則可計(jì)算為126.3。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖肇羽.建立新疆南疆戰(zhàn)略穩(wěn)定支點(diǎn)城市之探[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2015，29（5）：9?13.

LIAO Zhaoyu. Building pivot cities of strategic stability in South Xinjiang [J]. Journal of Shihezi University （Philosophy and social sciences）， 2015， 29（5）： 9?13.

[2] 蔡倩.南疆特色果品物流配送模式研究[D].阿拉爾：塔里木大學(xué)，2014.

CAI Qian. Study of logistics distribution mode of characteristic fruits in South Xinjiang [D]. Alar： Tarim University， 2014.

[3] 劉運(yùn)超，余國(guó)新，閆艷燕.新疆紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策研究[J].北方園藝，2013（18）：165?169.

LIU Yunchao， YU Guoxin， YAN Yanyan. Study on the development status and countermeaure of Xinjiang jujube industry [J]. Northern horticulture， 2013（18）： 165?169.

[4] LU B， HU C， WANG X， et al. Compressive mechanical properties test and finite element analysis of winter jujube during crisp ripe period in South Xinjiang， China [J]. International agricultural engineering journal， 2016， 25（4）： 117?129.

[5] LI J W， FAN L P， DING S D， et al. Nutritional composition of five cultivars of Chinese jujube [J]. Food chemistry， 2007， 103（2）： 454?460.

[6] ABEDI G， AHMADI E. Design and evaluation a pendulum device to study postharvest mechanical damage in fruits： bruise modeling of red delicious apple [J]. Australian journal of crop science， 2013， 7（7）： 962?968.

[7] POLAT R， AKTAS T， IKINCI A. Selected mechanical properties and bruise susceptibility of nectarine fruit [J]. International journal of food properties， 2011， 15（6）： 1369?1380.

[8] XIANG R， JIANG H， YING Y. Recognition of clustered tomatoes based on binocular stereo vision [J]. Computers and electronics in agriculture， 2014， 106： 75?90.

[9] PATEL M K， SAHOO H K， NAYAK M K， et al. Plausibility of variable coverage high range spraying： experimental studies of an externally air?assisted electrostatic nozzle [J]. Computers and electronics in agriculture， 2016， 127： 641?651.

[10] 蘇曉峰，史啟程，劉金頌，等.基于PLC的工業(yè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2016（3）：119?121.

SU Xiaofeng， SHI Qicheng， LIU Jinsong， et al. Design of PLC based industrial automation stereoscopic warehouse control system [J]. Automation & instrumentation， 2016（3）： 119?121.

[11] 黃學(xué)飛.中小型自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的智能管理控制系統(tǒng)研制[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

HUANG Xuefei. Intelligent management and control system for small and medium?sized automated stereoscopic warehouse [D]. Hangzhou： Zhejiang University， 2007.