基于三菱PLC的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

浦玉香， 吳小花

(蘇州托普信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 昆山 215311)

0 引言

自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)能夠在無(wú)人參與時(shí)自動(dòng)進(jìn)行貨物存取的智能裝置[1,2]。倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的不同所采用的控制方式也不同，單面立體倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，被廣泛地采用[3,4]?？刂葡到y(tǒng)主要是對(duì)搬運(yùn)工具或搬運(yùn)機(jī)械的控制，對(duì)搬運(yùn)機(jī)械的基本要求就是要滿足對(duì)貨物存取的行程要求、動(dòng)力學(xué)要求等。除了搬運(yùn)工具外倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)還包括高層貨架、貨箱、巷道堆垛、輸送機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)等。自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)使得倉(cāng)儲(chǔ)的占地面積減小，同時(shí)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)的利用率大幅提高，減少貨損，并能在特殊環(huán)境下進(jìn)行工作。PLC控制器已廣泛應(yīng)用在了工業(yè)控制領(lǐng)域，根據(jù)不同的控制要求可選擇配置多種外設(shè)模塊[5,6]，如數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、I/O模塊、存儲(chǔ)模塊等。連接交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可完成對(duì)伺服電機(jī)的位移控制，從而完成對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制，根據(jù)需要可配置相應(yīng)的行星減速器達(dá)到減速增扭的作用。

1 倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文針對(duì)單面?zhèn)}儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)。單面?zhèn)}儲(chǔ)結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，可抽象成一張畫(huà)滿方框的紙面，方框代表了一個(gè)又一個(gè)貨物存儲(chǔ)盒，如圖1所示。這種單面結(jié)構(gòu)在許多大型的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中都有采用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，方便人員進(jìn)行貨物查詢和搬運(yùn)工具的存取貨物。

從圖1可以看出此種倉(cāng)儲(chǔ)對(duì)貨物的編號(hào)十分有序，圖中為A、B、C……形式的編號(hào)。同時(shí)，可方便地建立倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)，歐拉坐標(biāo)系統(tǒng)可直接應(yīng)用在該類倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)構(gòu)上，倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)和搬運(yùn)工具的坐標(biāo)系統(tǒng)同步，便于自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)，坐標(biāo)系的X向?yàn)榘徇\(yùn)工具的前進(jìn)和后退向，Y向?yàn)樯仙拖陆迪?，Z向?yàn)榇尕浐统鲐浵颉?/p>

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)的電源部分包括一套從工業(yè)電源到模塊電源的分組，包括了傳感器電源、PLC電源、伺服電源和220 V的電源接口。

圖1 自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器電源與PLC電源獨(dú)立開(kāi)來(lái)的目的是保證傳感器的工作功率，并不占用PLC控制器的功率，這樣就能保證傳感器的數(shù)據(jù)采集正常，預(yù)留220 V電源接口的目的是方便裝配的調(diào)試，連接客戶電腦等。PLC觸摸屏提供了人機(jī)交互渠道，控制按鈕可用作系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止等功能，存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)工作的日志信息、傳感器數(shù)據(jù)信息等，貨物檢測(cè)系統(tǒng)用于定位貨物的編號(hào)，告知PLC貨物的準(zhǔn)確位置信息。伺服系統(tǒng)包括了三個(gè)方向上的伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，作用是實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)工具的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)。

2.1.1 PLC選型

三菱FX2N型PLC是三菱FX系列中的先進(jìn)系列，其對(duì)程序的執(zhí)行更快、擴(kuò)展了更多的通信功能，可靠性高，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。PLC的基本硬件組成主要包括輸入端口、輸出端口、電源、編程裝置、存儲(chǔ)器、擴(kuò)展機(jī)等。設(shè)置系統(tǒng)的“啟動(dòng)”和“停止”按鈕與PLC的輸入端口連接，用于設(shè)備的啟動(dòng)和停止。

2.1.2 限位開(kāi)關(guān)

限位開(kāi)關(guān)包括機(jī)械式限位開(kāi)關(guān)和電磁式限位開(kāi)關(guān)，其中電磁式限位開(kāi)關(guān)為非接觸式的傳感器，如接近開(kāi)關(guān)即可作為限位用傳感器，考慮電磁限位傳感器可能損壞及對(duì)鐵磁器件的位置要求等缺點(diǎn)，選用機(jī)械式限位開(kāi)關(guān)更好，在各個(gè)方向上設(shè)置最大限位和最小限位。機(jī)械限位開(kāi)關(guān)要求有結(jié)構(gòu)觸碰開(kāi)關(guān)并使開(kāi)關(guān)電路閉合導(dǎo)致電路由斷開(kāi)狀態(tài)轉(zhuǎn)為閉合狀態(tài)，PLC讀取電路的電位值，當(dāng)電位為高電平時(shí)表明結(jié)構(gòu)已達(dá)到了限位位置，從而控制驅(qū)動(dòng)器使伺服電機(jī)停止或反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制搬運(yùn)工具在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

2.1.3 存儲(chǔ)器

使用存取器可存儲(chǔ)系統(tǒng)的日志信息、傳感器數(shù)據(jù)信息、系統(tǒng)故障信息等，存儲(chǔ)器選用外部SD卡，使用卡內(nèi)智能控制模塊進(jìn)行FLASH操作控制，根據(jù)需要可選擇不同的存儲(chǔ)卡容量。

2.1.4 貨物檢測(cè)系統(tǒng)

貨物檢測(cè)系統(tǒng)為控制系統(tǒng)的貨物檢測(cè)裝置，單靠使用PLC無(wú)法完成對(duì)貨物的準(zhǔn)確定位，智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)在無(wú)人的條件下能夠完成對(duì)貨物的識(shí)別并通知到PLC，利用PLC的控制作用使搬運(yùn)工具運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)編號(hào)的貨柜。

2.1.5 交流伺服電機(jī)

交流伺服電機(jī)的控制方便，可以很容易地完成變速控制、正反轉(zhuǎn)控制等。交流伺服電機(jī)需要配置對(duì)應(yīng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)器，兩者相互配合可達(dá)到高精度的運(yùn)動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)器主要采用DSP作為控制核心，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜算法運(yùn)算，具有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等故障檢測(cè)和保護(hù)電路。

2.1.6 485總線

RS- 485總線的傳輸距離和穩(wěn)定性均強(qiáng)于RS-232，系統(tǒng)的PLC與計(jì)算機(jī)的連接通過(guò)該總線，用于對(duì)PLC的檢測(cè)和對(duì)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀取。在計(jì)算機(jī)上配置上位機(jī)，方便用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)察。

2.2 PLC引腳配置

PLC的引腳配置如表1所示。

表1 PLC引腳配置

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的整體軟件流程

系統(tǒng)的整體流程如圖3所示。整體流程包括電源、PLC、觸摸屏的初始化，貨物檢測(cè)裝置的準(zhǔn)備。

在正式啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制前進(jìn)行所有硬件的檢測(cè)，當(dāng)所有硬件都正常時(shí)才進(jìn)入位置信息的采集，當(dāng)獲取到了貨物的位置信息后則啟動(dòng)伺服系統(tǒng)，在伺服系統(tǒng)的三個(gè)方向上均進(jìn)行位置到達(dá)的判斷和限位判斷，當(dāng)某個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)達(dá)到條件后停止某個(gè)方向上的伺服系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)仿真

GX Developer是三菱FX2N型PLC的仿真軟件，本文的仿真內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)行仿真、到達(dá)X限位仿真、運(yùn)動(dòng)到指定位置停止仿真。

3.2.1 系統(tǒng)運(yùn)行仿真

如圖4所示，軟元件X000按鈕按下時(shí)輸出繼電器Y000和輔助繼電器M0均為黃色顯示，M0實(shí)現(xiàn)程序的自鎖，程序已正常啟動(dòng)。同理對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行X限位仿真和運(yùn)動(dòng)到指定位置停止仿真，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)能夠完成給定的任務(wù)，設(shè)置的各個(gè)元器件均能正常工作。

圖3 系統(tǒng)整體流程

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行

3.2.2 限位仿真

在取貨狀態(tài)下，Y012顯示為黃色，X上限位時(shí)，X002、Y002顯示黃色。Y上限位時(shí)，Y004、X004顯示黃色。Z上限位時(shí)，X006、Y006顯示黃色，如圖5所示。在存貨狀態(tài)下，Y011顯示為黃色，X、Y、Z到達(dá)上限位時(shí)的仿真結(jié)果如圖6所示。在存貨狀態(tài)下，X上限位時(shí)，X002、Y002顯示黃色，Y下限位時(shí)，X005、Y005顯示為黃色，Z上限位時(shí)，X006、Y006顯示為黃色，如圖7所示。在存貨狀態(tài)下，X、Y、Z同時(shí)到達(dá)上限位和下限位時(shí)的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖5 取貨狀態(tài)限位仿真

圖6 存貨狀態(tài)限位仿真

圖7 Y下限位、XZ上限位仿真

圖8 存貨狀態(tài)XYZ同時(shí)上、下限位

4 結(jié)論

根據(jù)單面?zhèn)}儲(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置倉(cāng)儲(chǔ)和控制系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)，基于三菱PLC設(shè)計(jì)了倉(cāng)儲(chǔ)的控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)電源集分電路將不同設(shè)備的電源進(jìn)行分組，設(shè)計(jì)電源保護(hù)，出故障時(shí)迅速切斷電源。設(shè)置限位開(kāi)關(guān)將工具的運(yùn)動(dòng)限制在一定范圍內(nèi)，使用交流伺服系統(tǒng)提高運(yùn)動(dòng)控制精度。系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)的功能運(yùn)行正常，能夠完成給定的任務(wù)。