基于西門子PLC控制的立體倉庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

馬傳奇

(阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與智能制造學(xué)院,安徽 阜陽 236031)

0 引 言

自動化立體倉庫是多層復(fù)合貨架。它集機(jī)械、電子、自動控制、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和高科技新材料于一體。它具有物品儲存效率高、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)良好的網(wǎng)絡(luò)通信、物流監(jiān)控、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制和大型物料存儲?；谥T多優(yōu)勢,它已應(yīng)用于智能制造、倉儲物流、自動物品配送機(jī)、海運(yùn)、陸運(yùn)和空運(yùn)港口,智能生產(chǎn)裝備等領(lǐng)域[1]。

近年來,立體倉庫得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。到目前為止,中國已經(jīng)設(shè)計(jì)和建造了一些綜合性的立體倉庫,為智能倉儲系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要的科學(xué)儲備[2]。大型立體倉庫的研究需要注入大量資金和人力資源,這將給自動化立體倉庫的研發(fā)帶來極大的障礙,給科研和教研帶來不便[3]。為了解決這個(gè)問題,開發(fā)了一個(gè)小型立體倉庫,可以實(shí)現(xiàn)倉庫控制的仿真調(diào)試和控制系統(tǒng)的研究。在此基礎(chǔ)上,研究更大的立體倉庫可以節(jié)省大量的社會成本,提高科研效率。

1 立體倉庫構(gòu)成

研究的立體倉庫的主要組成MCGS觸摸屏、控制裝置單元、電機(jī)驅(qū)動模塊單元、電機(jī)控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動部分和倉位硬件單元。

使用MCGS觸摸屏人機(jī)界面,可實(shí)現(xiàn)對立體倉庫下達(dá)任務(wù),如把貨品送至指定倉位,MCGS觸摸屏將任務(wù)告知控制裝置單元,控制裝置單元根據(jù)任務(wù)進(jìn)行分析,決定是否進(jìn)行入庫。如要入庫必須先滿足指定的倉位被占用,告知此操作無效。如果指定倉位未被占用,通過電機(jī)控制單元帶動機(jī)械硬件部分去完成入庫。實(shí)現(xiàn)將物品存入。出庫入庫操作能否完成,首先通過程序判斷任務(wù)是否是合理的要求。例如從甲庫移送致乙?guī)?那么甲庫要有貨,乙?guī)煲幢徽加?。設(shè)計(jì)的立體倉庫主要功能如下:

1)將物品從特定位置取出并放在起始位置;

2)將物品從A倉位轉(zhuǎn)移到B倉位;

3)將起始位置的物品送到特定位置存放;

4)將隨機(jī)倉位中的物品取出并送到起始位置;

5)具有空間限制保護(hù),可實(shí)現(xiàn)啟動低速-運(yùn)行中可變速-停止時(shí)低速的功能;

6) 可以對所有倉位進(jìn)行實(shí)時(shí)的物品有無的監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 立體倉庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立體倉庫硬件的設(shè)計(jì),包括倉位的設(shè)計(jì)制作,控制系統(tǒng)的組建,人機(jī)界面組態(tài)設(shè)計(jì)及其與PLC聯(lián)網(wǎng)控制,步進(jìn)電機(jī)控制搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

2.2 模塊單元

2.2.1 倉位設(shè)計(jì)

倉位是立體倉庫的主要存儲單元,倉位號碼編排每排3個(gè),四排共12個(gè)。限位傳感器裝設(shè)在倉位上,可以將檢測信息直接發(fā)送給PLC控制器,PLC通過它們可以判斷每一個(gè)倉位上是否有貨。為立體倉庫出入庫動作做前期的準(zhǔn)備工作。

2.2.2 可編程控制器

西門子226 PLC晶體管可以實(shí)現(xiàn)最高頻率可達(dá)20kHz脈沖輸出功能(并且是兩路同時(shí)輸出),相互獨(dú)立,互不干擾可實(shí)現(xiàn)兩臺步進(jìn)電機(jī)的控制?？梢皂樌瓿刹竭M(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中經(jīng)過啟動、運(yùn)行(可調(diào)速)和制動的控制。

2.2.3 操控臺

操控臺是由兩部分組成,控制面板電路和繼電器電路。在立體倉庫倉位前方的操控臺上設(shè)置有按鈕、存取功能選擇開關(guān)、倉位數(shù)字顯示、數(shù)字鍵盤等。操作人員撥動具有功能選擇的開關(guān),并選擇功能表中的功能,按動操控臺上的鍵盤即可完成控制發(fā)送指令,這一信號將被送到可編程控制器中,根據(jù)事先編好的梯形圖,PLC進(jìn)行判斷,如響應(yīng)則輸出信號,這時(shí)操控臺的電路就會收到控制信號。繼電器去驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)物品的出入庫控制。電機(jī)出入庫的的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)能顯示“送”、“取”、“系統(tǒng)就緒”,過程能夠?qū)崿F(xiàn)一一對應(yīng)[4]。同時(shí)當(dāng)前的倉位號碼能用操控臺面板上的兩個(gè)數(shù)碼管顯示出來[5]。

2.2.4 驅(qū)動器與步進(jìn)電機(jī)

立體倉庫的電機(jī)驅(qū)動部分有電機(jī)和驅(qū)動器組成,驅(qū)動器接受到PLC控制信號后,控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)在水平和垂直方向上移動,帶動傳送單元將物品送到對應(yīng)位置。

2.2.5 傳送絲桿

傳送絲桿由水平絲桿和垂直絲桿兩部分組成。由步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)使螺母移動,實(shí)現(xiàn)物品搬運(yùn)的精確控制。

2.2.6 直流電動機(jī)

直流電動機(jī)的輸入電壓為二十四伏,在電機(jī)帶動傳送桿移動的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對物品的出入庫控制。

2.2.7 直流電源模塊

直流電源模塊參數(shù):

輸入電壓范圍(交流):110V～220V;

輸入頻率(交流):50Hz ;

輸出電壓(直流):24V

最大輸出功率:150W。

3 立體倉庫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 立體倉庫I/O分配

程序編程前定義輸入輸出端子。根據(jù)立體倉庫系統(tǒng)要求,I/O 分配表如表1所示:

輸入接口PLC單元板端注釋I0.0DO矩陣掃描的第1列I0.1D1矩陣掃描的第2列I0.2D2矩陣掃描的第3列I0.3D3矩陣掃描的第4列I0.4D4矩陣掃描的第5列I0.5D5矩陣掃描的第6列I0.6D6矩陣掃描的第7列I0.7D7矩陣掃描的第8列I1.0SQ5Z軸原點(diǎn)I1.1SQ6z軸限位I1.2SN檢測送貨臺上是否有貨物I1.3SW0手動控制開關(guān)I1.4SQ2X軸限位I1.5SQ1X軸原點(diǎn)I1.6SQ4Y軸限位I1.7SQ3Y軸原點(diǎn)輸出接口PLC單元板端注釋Q0.0X軸-CP平移步進(jìn)脈沖輸出信號Q0.1Y軸-CP升降步進(jìn)脈沖輸出信號Q0.2X軸-DIR平移步進(jìn)方向輸出信號Q0.3Y軸-DIR升降步進(jìn)方向輸出信號Q0.4H0矩陣掃描第1行Q0.5H1矩陣掃描第2行Q0.6H2矩陣掃描第3行Q0.7H3矩陣掃描第4行Q1.1Z軸-F送貨臺伸出Q1.2Z軸-R送貨臺回縮Q1.4B00數(shù)碼顯示區(qū)第0位Q1.5B01數(shù)碼顯示區(qū)第1位Q1.6B02數(shù)碼顯示區(qū)第2位Q1.7B03數(shù)碼顯示區(qū)第3位

3.2 PLC程序的設(shè)計(jì)

控制程序是整個(gè)系統(tǒng)工作的核心,程序編寫可以使用步指令,根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況設(shè)計(jì)立體倉庫的程序流程圖如圖1所示。

系統(tǒng)上電后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,X,Y,Z三軸分別復(fù)位回原點(diǎn),之后系統(tǒng)進(jìn)行延時(shí),延時(shí)時(shí)間為8秒鐘,8秒后操作臺上有倉庫按鍵被按下,系統(tǒng)通過鍵盤的矩陣掃描技術(shù),能夠判斷出你所按下的按鍵,獲得要操作的倉位號。依據(jù)控制要求要輸入控制命令,即是存貨還是取貨,系統(tǒng)同樣是用矩陣掃描技術(shù)獲取這一命令鍵,當(dāng)PLC運(yùn)行到此就可以判斷是進(jìn)入送貨程序還是取貨程序,在調(diào)用對應(yīng)的程序完成操作。當(dāng)程序執(zhí)行完畢后,系統(tǒng)自動進(jìn)入循環(huán)過程。

圖1 立體倉庫控制系統(tǒng)程序控制流程圖

在進(jìn)行取貨前,系統(tǒng)進(jìn)行位置判定,機(jī)械位置復(fù)位,通過控制X軸、Y軸步進(jìn)電機(jī)使傳送平臺到達(dá)預(yù)定的倉位,然后進(jìn)行物品出庫控制。首先控制傳送平臺前伸,稍稍抬起后縮回,將物品運(yùn)送至初始位,控制平臺前伸,向下輕放物品,機(jī)械再次進(jìn)入復(fù)位,取貨結(jié)束。送貨程序與取貨程序是一個(gè)相反過程。在送貨前,系統(tǒng)同樣進(jìn)行位置判定,機(jī)械位置復(fù)位,通過控制X軸、Y軸步進(jìn)電機(jī)使傳送平臺到達(dá)倉位前面,稍稍抬起后伸出,將物品運(yùn)送至目標(biāo)倉位,控制平臺前伸,向下輕放物品后,機(jī)械進(jìn)入復(fù)位,送貨結(jié)束。

3.3 觸摸屏程序的設(shè)計(jì)

使用數(shù)據(jù)線與TPC7062KS 觸摸屏連接,創(chuàng)建工程,選擇觸摸屏的類型,命名工程名稱為“基于西門子PLC控制的立體倉庫”。根據(jù)控制需要,定義數(shù)據(jù)對象,所有的數(shù)據(jù)對象如表2,變量定義后,在窗口中設(shè)計(jì)畫面,組態(tài)畫面中進(jìn)行變量連接起來?？梢酝ㄟ^觸摸屏操作并監(jiān)控倉庫的運(yùn)行狀態(tài)。

表2 觸摸屏組態(tài)畫面連接變量表

3.4 鍵盤按鍵控制程序設(shè)計(jì)

利用矩陣掃描,當(dāng)按下矩陣鍵盤K1～K3時(shí),對應(yīng)數(shù)碼的管顯示1～3,按下矩陣鍵盤K5～K7,對應(yīng)的數(shù)碼管顯示4～6,按下矩陣鍵盤K9～K11,對應(yīng)數(shù)碼的管顯示7～9,按下矩陣鍵盤K13～K15,對應(yīng)的數(shù)碼管顯示10～12,按下K4鍵,清零。如圖2所示。

圖2 矩陣鍵盤

矩陣掃描技術(shù)就是要求通描H0至H3高電平端口進(jìn)行狀態(tài)判斷。按下K5,H1觸發(fā)時(shí),X4輸入信號有效,這樣就可以進(jìn)行判是哪一個(gè)按鍵。

4 系統(tǒng)調(diào)試

X軸單元調(diào)試。OPT接0V,CP外100～800Hz方波信號(信號0V與QSPLC-CK1-02面板0V共接),同時(shí)DIR接出一根線,用于控制X軸方向,DIR接0V時(shí),軸上滑塊向右移,DIR接24V時(shí),軸上滑塊向左移,FREE接24V,可控制步進(jìn)電機(jī)停止。Y軸單元調(diào)試相似。Z軸單元調(diào)試,Z軸COM接0V,F接24V,QSPLC-CK1-01線路板上LED2燈亮,同時(shí)Z軸上的滑塊向前移動,R接24V,LED3燈亮,同時(shí)Z軸上的滑塊向后移動。如果滑動方向相反,需調(diào)換Z軸上的電機(jī)線。數(shù)碼管單元調(diào)試,初始數(shù)碼管顯示0,COM接0V,分別在B00～B03端接入24V,數(shù)碼管上分別對應(yīng)顯示,1,2,4,8,可通過組合接法顯示出0～12數(shù)字。庫位單元測試。將H0～H3全部接入24V,在D0～D3端分別單獨(dú)和24V串接5.1k電阻,D0代表倉庫第1列(送料臺),也就是0號倉位,D1代表倉庫第2列的1,4,7,10號倉位,D2代表倉庫第3列的2,5,8,11號倉位,D3代表倉庫第4列的3,6,9,12號倉位。按下第1列行程按鈕,D0由24V變?yōu)?V,按下第2列行程按鈕,D1由24V變?yōu)?V,按下第3列行程按鈕,D2由24V變?yōu)?V,按下第4列行程按鈕,D3由24V變?yōu)?V。

下載PLC程序,把物品放置在第一列位置(進(jìn)料口),接通電源,將SW0撥至“開”位置,PLC自動執(zhí)行回歸原點(diǎn)程序,鍵盤區(qū)選擇相應(yīng)倉位號,再按“存”鍵,程序?qū)⒆詣尤×喜⑺椭料鄬?yīng)的倉位,取出物品方法類同。

5 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了基于西門子PLC的立體倉庫系統(tǒng),使用MCGS對立體倉庫進(jìn)行出入庫運(yùn)行監(jiān)控,系統(tǒng)中使用步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)驅(qū)動,完成立體倉庫的硬件搭建和軟件設(shè)計(jì),對立體倉庫模型進(jìn)行調(diào)試,實(shí)現(xiàn)立體倉庫的存取控制,達(dá)到預(yù)期的立體倉庫設(shè)計(jì)目標(biāo),系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。