摘要:介紹了采用PLC、紅外無(wú)線通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和變頻技術(shù)對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不斷改進(jìn)和完善系統(tǒng)功能，使系統(tǒng)運(yùn)行高效、快速、穩(wěn)定、安全，方便。在倉(cāng)庫(kù)管理、行車(chē)運(yùn)行、電梯控制等相似工業(yè)對(duì)象管控中具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

 

    關(guān)鍵詞：立體倉(cāng)庫(kù)，堆垛機(jī)，PLC，控制系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)

 

    研究堆垛機(jī)的先進(jìn)精確控制、倉(cāng)庫(kù)信息系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，在倉(cāng)儲(chǔ)和制造業(yè)中提高貨物流通效率，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

 

    1系統(tǒng)構(gòu)成

 

    1．1系統(tǒng)硬件

 

    堆垛機(jī)控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、堆垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、變頻器、PLC、電機(jī)、通訊、顯示、安全保護(hù)裝置和檢測(cè)等部分組成。堆垛機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境和操控功能的需求，從而實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)出／入庫(kù)、盤(pán)庫(kù)等作業(yè)，如圖1所示。

 

    圖1堆垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

 

    1．2系統(tǒng)功能

 

    自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)可通過(guò)設(shè)置在堆垛機(jī)上的本地觸摸屏和上位監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)的手動(dòng)、自動(dòng)控制和信息管理等各種功能。

 

    1）堆垛機(jī)能將貨物從一處搬到另一處，它由金屬機(jī)架、水平行走機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、載貨臺(tái)、貨叉及電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成，完成貨物進(jìn)出倉(cāng)庫(kù)和存儲(chǔ)等。

 

    2）PLC及IO模塊：PLC完成對(duì)堆垛機(jī)的直接控制和狀態(tài)記錄，堆垛機(jī)控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門(mén)子公司S7－300，型號(hào)為CPU315－2DP［1］。集中式數(shù)字量IO模塊，型號(hào)為6ES7321－

 

    1BL00－0AA0和6ES7322－1BH01－0AA0。

 

    3）通信模塊：用一對(duì)遠(yuǎn)紅外通信器完成堆垛機(jī)中PLC與監(jiān)控機(jī)之間的無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊，接受上位機(jī)的各種指令，同時(shí)把堆垛機(jī)的狀態(tài)信號(hào)反饋給上位機(jī)，使上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示堆垛機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。采用紅外無(wú)線通信器與上位機(jī)進(jìn)行通訊優(yōu)勢(shì)是干擾小、通訊距離適中（50m）、成本低。

 

    4）傳感器：主要用于采集速度、位置信號(hào)，輸送給控制器，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速、就位功能等。

 

    5）顯示與操作。①采用OP2606英寸文本輸入屏，操作人員通過(guò)此屏輸入各種指令實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)的控制。觸摸屏通過(guò)DP口與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，顯示系統(tǒng)中任何一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)。②上位機(jī)：通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信息發(fā)送和接收。對(duì)PLC控制器程序進(jìn)行編輯、下載及調(diào)試和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、管理。配有LED液晶顯示和打印機(jī)，進(jìn)行貨物出／入庫(kù)管理、盤(pán)庫(kù)管理、查詢、打印及顯示等管理功能，它包括在線和離線管理。

 

    6）變頻器：采用西門(mén)子MM440變頻器，數(shù)字量4段控制方式。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括堆垛機(jī)在水平方向、升降方向以及貨叉方向的動(dòng)作，通過(guò)采用變頻器的多種速度控制提升電機(jī)、水平電機(jī)和貨叉電機(jī)，使堆垛機(jī)高效的運(yùn)行和平滑的啟停，無(wú)抖動(dòng)發(fā)生，進(jìn)行高效、精準(zhǔn)的存取貨物。

 

    2堆垛機(jī)控制系統(tǒng)

 

    自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)可通過(guò)上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全面協(xié)調(diào)與監(jiān)控，而堆垛機(jī)中的PLC控制器則需根據(jù)上位機(jī)聯(lián)機(jī)指令，或HMI給定的本地操縱信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)的定位控制、調(diào)速控制等。堆垛機(jī)控制器要實(shí)現(xiàn)操作控制，實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)控制（即調(diào)速控制）、定位控制及檢測(cè)保護(hù)控制。圖2所示為堆垛機(jī)自動(dòng)控制模塊組合。

 

    圖2堆垛機(jī)自動(dòng)控制

 

    156基于PLC在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)

 

    堆垛機(jī)的控制方式有檢查、手動(dòng)和自動(dòng)控制和統(tǒng)計(jì)4種。

 

    1）“檢查”模式：一個(gè)操作按鈕對(duì)應(yīng)一個(gè)動(dòng)作，不受電氣保護(hù)限制。

 

    2）“手動(dòng)”（半自動(dòng)）模式：是人工用感應(yīng)開(kāi)關(guān)和操作按鈕控制堆垛機(jī)的一個(gè)連續(xù)動(dòng)作,來(lái)控制堆垛機(jī)運(yùn)行。手動(dòng)方式一般用于堆垛機(jī)的安裝調(diào)試階段或堆垛機(jī)發(fā)生異常時(shí)的復(fù)位等，可以對(duì)堆垛機(jī)的走行、升降、伸縮貨叉等單獨(dú)進(jìn)行操作，可以手動(dòng)定位在3個(gè)運(yùn)行方向上的任一位置。

 

    3）“自動(dòng)”分單機(jī)自動(dòng)模式和聯(lián)機(jī)模式，單機(jī)自動(dòng)模式是在操作屏輸入指令可進(jìn)行貨位的入出庫(kù)操作。聯(lián)機(jī)模式是上位機(jī)發(fā)出作業(yè)指令，控制堆垛機(jī)完成一次作業(yè)。

 

    4）統(tǒng)計(jì)：以表格的形式羅列庫(kù)存品名、數(shù)量等信息，以供管理者查詢。

 

    2．1堆垛機(jī)方向控制

 

    堆垛機(jī)運(yùn)行方向：3臺(tái)帶電磁制動(dòng)的電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)堆垛機(jī)3個(gè)方向的動(dòng)作，即：堆垛機(jī)走行方向（X方向）行走；升降臺(tái)升降方向（Z方向）的上升或下降；貨叉左右方向（Y方向）的伸叉及收叉動(dòng)作［2］。

 

    控制系統(tǒng)采用光電檢測(cè)技術(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性和反應(yīng)速度。貨叉位置、機(jī)電故障檢測(cè)、水平及垂直終點(diǎn)附近的限速及停車(chē)檢測(cè)等，以保證堆垛機(jī)作業(yè)的正常運(yùn)行中具有水平和垂直方向的認(rèn)址檢測(cè)、左右的貨位探測(cè)、貨物不正的檢測(cè)以及載貨臺(tái)占位(空位情況的檢測(cè))。升降電機(jī)采用一只電子過(guò)載繼電器進(jìn)行保護(hù)。

 

    2．2堆垛機(jī)定位控制

 

    堆垛機(jī)是以貨架為目標(biāo)進(jìn)行作業(yè)，必須檢測(cè)行走方向及升降方向。堆垛機(jī)采用兩對(duì)光電開(kāi)關(guān)來(lái)定位，如圖3所示。

 

    圖3光電開(kāi)關(guān)定位示意圖

 

    如在快速運(yùn)行中，當(dāng)運(yùn)行到距目的地址差2～3個(gè)貨位時(shí)，由快速均勻減速到中速向前運(yùn)行，計(jì)數(shù)到位后再由中速均勻減速到慢速運(yùn)行，當(dāng)后面的光電開(kāi)關(guān)被擋光后剎車(chē)定位。控制系統(tǒng)采用相對(duì)認(rèn)址的定位方式，兩對(duì)光電傳感器用作走行記數(shù)及走行方向堆垛機(jī)的定位信號(hào)（如圖2所示）。向前走行時(shí)程序檢測(cè)到的兩對(duì)傳感器信號(hào)的變化規(guī)律為00→01→11→10→00，向后走行時(shí)的規(guī)律為00→10→11→01→00，每完成一個(gè)循環(huán)說(shuō)明堆垛機(jī)走行經(jīng)過(guò)一個(gè)貨位。

 

    采用西門(mén)子變頻器用于電機(jī)控制及調(diào)速。目前變頻器制動(dòng)起始頻率、制動(dòng)電壓的等級(jí)和制動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短都可以進(jìn)行人為設(shè)定，采用變頻調(diào)速進(jìn)行多步速度控制，改善系統(tǒng)運(yùn)行特性，使用起來(lái)很方便。由于堆垛機(jī)本身及貨物的慣性較大，為保證升降及走行的平穩(wěn)，采用多級(jí)速度控制。起動(dòng)時(shí)PLC設(shè)定變頻器為高速運(yùn)行，距離目的貨位4～6m時(shí)設(shè)定為中速運(yùn)行，距離目的貨位1～2m時(shí)切換到低速運(yùn)行，接近目的貨位時(shí)自動(dòng)切換為對(duì)應(yīng)速度運(yùn)行，對(duì)正貨位后走行停止。

 

    行走路徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)。程序中設(shè)置當(dāng)前走行位置計(jì)數(shù)器、走行目的位置寄存器（人機(jī)界面上輸入的目的貨位排、列、層的數(shù)值存入該寄存器）及列差和層差計(jì)數(shù)器，同時(shí)程序采用事先優(yōu)化設(shè)計(jì)的行走路徑，根據(jù)列差或?qū)硬顏?lái)判斷堆垛機(jī)的走行方向，堆垛機(jī)走行返回原點(diǎn)時(shí)當(dāng)前走行位置計(jì)數(shù)器為零。

 

    升降方向的記數(shù)及定位。采用三對(duì)光電傳感器用作升降記數(shù)及升降方向堆垛機(jī)的定位信號(hào)，升降方向每個(gè)貨位有三個(gè)對(duì)位點(diǎn)（上位置、中位置及下位置）。由于升降方向的運(yùn)行速度較低，升降速度分為兩級(jí)（高速及低速）。

 

    3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

 

    控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)根據(jù)堆垛機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)方案。過(guò)載保護(hù)、限位保護(hù)、聯(lián)鎖及互鎖等系統(tǒng)的基本功能由主程序完成［3］。其它如下子程序：報(bào)警子程序、走行控制子程序、升降控制子程序、取貨子程序、卸貨子程序、對(duì)準(zhǔn)調(diào)整子程序、聯(lián)機(jī)自動(dòng)控制子程序、單機(jī)自動(dòng)控制子程序、叉行控制子程序、通信子程序和數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)等。

 

    堆垛機(jī)的主體功能程序是通過(guò)接受上位機(jī)的指令后,進(jìn)行合法分析后不斷的調(diào)用以上子程序,實(shí)現(xiàn)各種不同的功能。主體程序流程圖見(jiàn)圖4。

 

    圖4主程序流程圖

 

    1）堆垛機(jī)執(zhí)行自動(dòng)入庫(kù)作業(yè)：堆垛機(jī)待機(jī)狀態(tài)（初始條件）為位于巷道兩端口，升降載貨臺(tái)位于“1層”，堆垛機(jī)貨叉位于中位且其上無(wú)貨物，限位開(kāi)關(guān)位置沒(méi)有超限，列位置已對(duì)準(zhǔn)及升降在低位。若巷道入庫(kù)口有托盤(pán)，則堆垛機(jī)向入庫(kù)口伸叉，伸叉到位后貨叉向上托起，托到貨物升降臺(tái)到達(dá)“上位置”后堆垛機(jī)收叉，帶著貨物的貨叉回到貨叉“居中”位置后，貨叉停止；載著貨物的升降臺(tái)向目的貨位“移動(dòng)”，到達(dá)目的貨位之后檢測(cè)目的貨位是否有貨，如無(wú)貨堆垛機(jī)向入庫(kù)貨位伸叉，伸叉到位后貨叉落下將貨物放到貨位上，貨叉下落到“下位置”時(shí)空貨叉回到貨叉“居中”位置之后貨叉停止；卸下貨物的空堆垛機(jī)“自檢”通過(guò)后進(jìn)入“待機(jī)”狀態(tài)，準(zhǔn)備下一次作業(yè)。上述作業(yè)過(guò)程運(yùn)行中發(fā)生異常時(shí)，自動(dòng)調(diào)用“報(bào)警子程序”發(fā)出聲光報(bào)警同時(shí)停止設(shè)備運(yùn)行。

 

    2）自動(dòng)出庫(kù)過(guò)程與前述過(guò)程相反。

 

    3）堆垛機(jī)揀選作業(yè)路徑優(yōu)化：運(yùn)用了動(dòng)態(tài)規(guī)劃、模糊控制和遺傳等算法進(jìn)行路徑優(yōu)化,求出堆垛機(jī)揀選作業(yè)路徑的最優(yōu)解，保證堆垛機(jī)在進(jìn)行貨物存取的過(guò)程中能夠使存取過(guò)程快速化，準(zhǔn)確化，提高立體倉(cāng)庫(kù)本身的工作效率和準(zhǔn)確性。

 

    4）極限位置保護(hù)：水平行走、載貨臺(tái)升降及貨叉伸縮均設(shè)有相應(yīng)的限位保護(hù)開(kāi)關(guān)，以保證堆垛機(jī)的運(yùn)行安全。

 

    參考文獻(xiàn)

 

    ［1］西門(mén)子公司．SIMATICS7－300可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)［K］，2002

    ［2］郭潤(rùn)夏．PLC在立體倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．廣東自動(dòng)與信息工程，2005，26（4）：15－17

    ［3］喬玉晶，呂寧．立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2004（11）：44－46［收稿日期：2013．8．9］

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