基于PLC的倉儲系統(tǒng)設(shè)計

張磊，張玉娟，林嘉成，田政，墨子怡

（無錫城市職業(yè)技術(shù)學院，無錫江蘇，214153）

0 引言

隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模迅速擴張。立體倉庫存儲成了貨物存儲中的主流趨勢。它綜合運用計算機應(yīng)用技術(shù)、物流技術(shù)、通信與管理技術(shù)等，大大提高了工作水平與工作效率。通過設(shè)計立體倉庫存儲系統(tǒng)，物資的儲運效率得到了提高、空間占用率也大大縮減。立體倉儲是貨運的運送樞紐、在物流行業(yè)中占據(jù)著十分重要的地位，也是立體倉庫設(shè)計里十分重要的組成部分。

關(guān)于立體倉庫的研究很多，有關(guān)于立體倉庫分揀系統(tǒng)、自動取料的設(shè)計[1~2]，有根據(jù)控制要求將貨物傳送至不同存儲位置的研究[3]，有基于PLC和伺服電機的立體倉庫的出入庫系統(tǒng)設(shè)計[4~5]，有立體倉庫模型或者虛擬仿真控制系統(tǒng)設(shè)計[6~7]，有以西門子S7-1200PLC為控制核心，以ABB IRB120 型號工業(yè)機器人為執(zhí)行單元，設(shè)計的3 層*2 列的智能倉庫系統(tǒng)[8]，有基于S7-1200PLC的立體倉庫存取電氣控制系統(tǒng)設(shè)計[9~11]。

本文研究了基于三菱PLC和伺服電機、步進電機、變頻器和觸摸屏的倉儲系統(tǒng)設(shè)計，主要包括總體設(shè)計方案、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計幾個部分。

1 總體設(shè)計方案

■1.1 設(shè)計目的

倉儲系統(tǒng)由貨物傳送帶、托盤傳送帶、稱重區(qū)、倉庫區(qū)、機械手、碼料小車和推送氣缸構(gòu)成。

圖1為倉儲系統(tǒng)的俯視圖，入庫之前，先通過稱重區(qū)將貨物進行稱重，并記錄貨物重量。SQ1 檢測到貨物后，通過貨物傳送帶將貨物運送至SQ2 檢測位置，將托盤運送至SQ4 位置。然后通過機械手將貨物放至托盤上。之后碼料小車將貨物與托盤一起運送到指定倉庫區(qū)，通過伺服電機M3 與步進電機M4 的移動，將貨物運送至指定倉位。

圖1 倉儲系統(tǒng)俯視圖

立體倉庫區(qū)的正視圖如圖2 所示，立體倉庫區(qū)共有9個倉位，每個倉位的最大存儲重量為100kg，所以貨物的重量應(yīng)在100kg 以內(nèi)。稱重后，運用模擬量電壓輸出（0-10V）信號進行模擬。碼放貨物的順序同一層為A-B-C 區(qū)。同一列為1-2-3 層。A 區(qū)三層碼放完畢后，進行B 區(qū)三層碼放，最后碼放C 區(qū)。

圖2 立體倉庫區(qū)正視圖

■1.2 設(shè)計方案

如圖所3 所示，按鈕開關(guān)與行程開關(guān)通過從站MR 控制貨物傳送帶電機、托盤傳送帶電機與指示燈，而撥動開關(guān)與限位開關(guān)通過從站MT 控制伺服電機與步進電機。而兩個從站PLC直接的數(shù)據(jù)傳送需要通過主站實現(xiàn)開關(guān)量與數(shù)據(jù)量之間的傳遞，主站PLC連接觸摸屏，即可通過觸摸屏顯示各電機運動狀態(tài)。也可以通過觸摸屏中調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)從而改變電機的運行狀態(tài)與運行速度。

圖3 倉儲系統(tǒng)原理框圖

2 硬件設(shè)計

通電后，觸摸屏組態(tài)界面中顯示調(diào)試模式界面，可以通過模式切換按鈕轉(zhuǎn)入自動運行模式界面。

在調(diào)試模式界面里，可以調(diào)試貨物傳送帶電機、托盤傳送帶電機、伺服電機與雙速電機的運行狀態(tài)。

在自動運行界面中，首先按下SB3 對貨物進行稱重，然后通過貨物傳送帶將貨物運送至檢測點，托盤傳送帶運送至指定位置，機械手把貨物放置在托盤內(nèi)，由伺服電機控制貨物的水平移動，由步進電機控制貨物的豎直移動，當?shù)竭_指定倉位后，通過推送氣缸將貨物推送至倉門，步進電機下降將貨物裝運至倉庫中，之后步進電機回歸至初始位置，推送氣缸縮回，伺服電機回歸至等待位置，直至所有倉庫全部裝滿，自動運行模式完成。

■2.1 可編程控制器I/O 端口分配

表1為倉儲系統(tǒng)的I/O 分配表。

表1 倉儲系統(tǒng)I/O分配表

表2 系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)表

FX3U-48MR：X1 為啟動，X2 為停止。X3 為模式切換，按SB3 可以使調(diào)試模式切換成自動模式，X11 與X13 為傳送信號，X12 與X14 為貨物運送到位信號，Y2 為點動電機，Y3，Y4 為調(diào)試模式指示燈。Y5 為系統(tǒng)停止指示燈，Y6 為系統(tǒng)運行指示燈，Y7 為入庫燈。Y10-Y12 為貨物傳送帶電機運行速度，Y13-Y14 為貨物傳送帶電機的運行方向。

FX3U-48MT：X1 為緊急停止，當X1 撥到右側(cè)時，以自動模式運行，當撥到左側(cè)時，自動模式緊急停止。X11-X13 用于控制伺服電機移動至指定倉位。X14-X15 為極限位，是為了防止電機損壞以及開關(guān)失靈。Y0 為步進電機的運行脈沖信號，Y2 為步進電機的運行方向。Y1 為伺服電機的運行脈沖信號，Y3 為伺服電機的運行方向。

■2.2 硬件接線圖

2.2.1 主電路接線圖

主電路連線圖如圖4 所示。通過三相電源供電。GND與COM 連接，V+與24V 連接。Y0 為步進電機運行的脈沖信號，Y1 與DIR 連接控制步進正反轉(zhuǎn)運行方向。伺服電機SQ14，SQ15 為極限開關(guān)，為了保護電機，當出現(xiàn)失誤操作或者限位開關(guān)失靈時，觸碰到SQ14 或SQ15 位置則緊急停止伺服運轉(zhuǎn)。M3 為雙速電機，KM1 與KM2 均接通時雙速電機高速運行，KM3 接通時，雙速電機低速運行。M4 為變頻器，由電壓模擬量輸入控制，實行低、中、高三段速運行。

圖4 主電路接線圖

2.2.2 控制電路接線圖

圖5為控制電路接線圖，F(xiàn)X3U-48MR 系列、FX3U-48MT 系列以及Q00U 系列三個PLC，通過CC-Link 相互傳送信號，相互聯(lián)系。CC-Link 使主站PLC與兩個從站PLC之間的開關(guān)量和數(shù)據(jù)量得以傳輸。主站與觸摸屏HMI 相連，可以通過觸摸屏檢測PLC的運行狀態(tài)。FX3U-48MR 系列PLC，負責HL 信號指示燈的亮滅情況，并控制變頻器與雙速電機的運轉(zhuǎn)和SQ 檢測開關(guān)。FX3U-48MT 系列的PLC負責控制SQ 系列的限位開關(guān)以及SA1 撥動開關(guān)，以及伺服電機與步進電機的運行。

圖5 控制電路連線圖

2.2.3 參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)定

雙速電機調(diào)節(jié)速度繼電器，調(diào)節(jié)穩(wěn)定電流為0.35A，可以保護雙速電機，防止損壞。變頻器P79 數(shù)據(jù)先從0 調(diào)至3，目的是調(diào)節(jié)變頻器速度、加減速時間等參數(shù)。參數(shù)調(diào)節(jié)完成后再將P79 調(diào)至2，使變頻器處于外部模式。CC-Link撥碼盤的主要作用是有利于軟件數(shù)據(jù)更好傳輸。伺服電機需要頻率為1600，計算公式為160000/（P1-44/P1-45），所以P1-44 為100，步進電機細分設(shè)定表格中，當DIP1 為ON，DIP2 與DIP3 為OFF 時，頻率為1000。

3 軟件設(shè)計

■3.1 調(diào)試模式流程圖

圖6為調(diào)試模式流程圖。當進入調(diào)試模式后通過點擊選擇調(diào)試按鈕可以進行各電機的調(diào)試選擇。

圖6 調(diào)試模式流程圖

當選擇調(diào)試貨物傳送帶電機時，第一次啟動按鈕SB1，變頻器將以15Hz 運行， 等待第二次按下啟動按鈕。第二次按下啟動按鈕SB1，變頻器將以30Hz 運行，第三次按下啟動按鈕后，變頻器將以45Hz 運行。直到按下停止按鈕SB2，調(diào)試結(jié)束。

當選擇調(diào)試托盤傳送帶電機時，按下啟動按鈕SB1，電機將運行3s，3s 后電機停止，停止2s 后再次循環(huán)運行。當按下停止按鈕SB2 后，托盤傳送帶電機調(diào)試結(jié)束

當選擇調(diào)試伺服電機時，先在觸摸屏中設(shè)定伺服電機的速度，并且手動將伺服小車移動至SQ11 處，按下啟動按鈕SB1，伺服電機先向右運行2cm，之后伺服電機停止2s，2s 后電機向左運行至SQ12 處，當SQ12 檢測到信號后，電機停止2s，2s 后電機再次向左運行至SQ13 處。當?shù)竭_SQ13 處時，在觸摸屏上重新設(shè)定伺服電機運行速度。再次按下啟動按鈕，電機將向右運行至SQ11 處，當SQ11 處檢測到小車信號后，電機停止運行，調(diào)試完成。

當選擇調(diào)試步進電機時，首先在觸摸屏中設(shè)定步進電機的速度，按下啟動按鈕SB1，步進電機先正轉(zhuǎn)5s，運行5s 后，電機停止2s，之后電機再反轉(zhuǎn)5s，5s 后再次停止2s。2s后循環(huán)執(zhí)行，再次運行5s。直到按下SB2 停止開關(guān)后，電機停止循環(huán)運行，調(diào)試完成。

■3.2 自動運行模式流程圖

圖7為自動運行模式流程圖。當調(diào)試模式完成后，按下SB3 按鈕，進入自動運行模式。自動運行模式由貨物傳送帶電機、托盤傳送帶電機、伺服電機、推送氣缸以及步進電機構(gòu)成

圖7 自動運行模式流程圖

首先進行初始化操作，各電機處于停止運行狀態(tài)，并且伺服電機在SQ11 位置。初始化完成后，初始化完成指示燈閃爍。之后按下SB4 按鈕，進行貨物的稱重。在觸摸屏中會顯示當前貨物重量。將貨物放置貨物傳送帶上，之后按下SQ1 運送貨物。當貨物質(zhì)量小于等于20kg 時，貨物傳送帶電機以45Hz 運行。當貨物質(zhì)量大于20kg，小于等于60kg時，貨物傳送帶電機以30Hz 運行。當貨物質(zhì)量大于60kg 時，貨物傳送帶電機以15Hz 運行。貨物傳送帶電機運行到位后，對應(yīng)檢測信號會給出提示，按下SQ2，傳送帶電機停止運行。之后按下SQ3，托盤傳送帶運送托盤，托盤傳送帶電機運送到指定位置后按下SQ4，托盤傳送帶電機停止運行。

當貨物與托盤都到達指定位置后，機械手將貨物運送到托盤上。之后碼料小車向右運行2cm 后等待2s 進行貨物裝載。小車向左行駛至對應(yīng)倉位后，步進電機上升到指定層數(shù)。若電機上升一層，則正轉(zhuǎn)5 圈，上升兩層，正轉(zhuǎn)10 圈，依此類推。之后推送氣缸工作3s，將貨物推送到指定倉位后。放下貨物后，推送氣缸縮回。之后小車行駛至SQ11位置，放貨過程完成。當九個倉位都放滿貨物后，運行完成。當運行過程中出現(xiàn)緊急狀況停止時，將撥動開關(guān)撥到左側(cè)，會保留所有的記錄。按下啟動按鈕，則系統(tǒng)重新開始初始化運行。

■3.3 模式切換流程圖

圖8為模式切換流程圖。模式切換是指調(diào)試模式與自動運行模式的切換。

圖8 模式切換流程圖

調(diào)試模式界面下，先進行貨物傳送帶電機的調(diào)試，再次進行托盤傳送帶電機的調(diào)試，接著是伺服電機的調(diào)試，最后為步進電機的調(diào)試。當沒有按下SB3 按鈕時則以上述調(diào)試電機順序循環(huán)調(diào)試。當按下SB3后，系統(tǒng)界面從調(diào)試界面進入到自動運行界面。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于三菱PLC、步進電機、伺服電機、變頻器以及觸摸屏的立體倉儲系統(tǒng)，它可以利用傳送帶將稱重好的貨物傳送至指定地點，通過機械手將貨物放置在托盤上，最后通過步進電機和伺服電機一起將貨物與托盤運送到倉庫區(qū)指定存儲位置。它由稱重區(qū)、貨物傳送帶、碼料小車、托盤傳送帶、機械手與倉庫區(qū)組成。本文主要介紹了總體設(shè)計方案、系統(tǒng)的主電路連線圖、控制電路連線圖，調(diào)試模式流程圖、自動運行模式流程圖、模式切換流程圖等。系統(tǒng)設(shè)計簡單，與傳統(tǒng)倉庫相比更實用、更經(jīng)濟、更準確，能夠充分利用空間，有利于提高倉儲效率。