廖雄燕

摘要：該文介紹了一種以現(xiàn)代企業(yè)自動化立體倉庫為模型，組合微縮而成立體倉庫實訓裝置，其由高層貨架、堆垛機及傳送帶、自動控制系統(tǒng)等部分構成，控制系統(tǒng)采用西門子S7-226 CN型PLC和MCGS觸摸屏。貨物出入庫和存取過程全部自動化，定位精度高，運行平穩(wěn)、工作可靠。

關鍵詞：自動化立體倉庫；實訓裝置；PLC控制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）34-8313-02

1 背景及意義

隨著當今現(xiàn)代化企業(yè)不斷擴大和深化生產(chǎn)的規(guī)模，倉庫成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中一個重要和不可或缺的的環(huán)節(jié)，立體倉庫以其占地面積小、空間利用率高的特點，正在逐步替代陳舊落后的平面?zhèn)}庫。近年來，國內外立體倉庫的發(fā)展方向，主要以采用可編程控制器（PLC）與自動搬運設備，以及PC機遠程管理的自動化立體倉庫為主。但其中存在一個不容忽視的問題，即當前使用的立體倉庫系統(tǒng)通常比較龐大，在研發(fā)立體倉庫的過程中，需要投入大量的人力和財力，這必然會給立體倉庫的研制帶來巨大的成本負擔。因此通過制作小型的立體倉庫模型，采用可重復使用的編程系統(tǒng)對其進行編程控制，在模型模擬調試成功后，再將結果應用到實際的生產(chǎn)和研發(fā)中，可以極大的節(jié)約成本、提高效率，同時多方位的確定出最優(yōu)的立體倉庫制造方案。

同時，為了加強高校實訓室建設，密切跟蹤時代的發(fā)展步伐，研制設計型、開放型的實訓裝置具有重要意義。目前，國內大多院校的自動化專業(yè)實訓裝置仍存在一些缺陷和問題。許多現(xiàn)有教學實訓裝置和教具，大都是不可拆裝重組或很難拆裝，調速、隨動系統(tǒng)實驗大多沒有明確的被控對象；同時，單一技術的驗證型實驗裝置，已遠遠不能滿足教學中設計型實訓的需要。為了進一步拓寬知識面，加深學生對自動化技術深層次的認識，瞄準自動化技術應用的新領域，研制了自動化立體倉庫實訓裝置，為學生將來在相關領域進行自動控制系統(tǒng)的創(chuàng)新性設計創(chuàng)造了條件，并且為其迅速的適應此類工作中提供了幫助。

2 設計方案

2.1設計思路

自動化立體倉庫實訓裝置由高層貨架、堆垛機及傳送帶、自動控制系統(tǒng)等部分構成，高層貨架采用開放式結構，整個倉庫便于拆卸與安裝。搬運機構采用穿巷道堆垛機，采用步進電機驅動。針對倉庫貨物位置相對固定的特點，采用了X和Y兩坐標定位，把運動控制形象化，編程思路清晰，同時也使處理器運算量降低；每個貨位用光電傳感器實時檢測，控制器采用西門子S7-200PLC，通過觸摸屏對倉庫貨物的存取進行控制。

2.2 立體倉庫結構

該立體倉庫是企業(yè)實際立體倉庫的縮小模型，其高層貨架采用鋁合金材料，設計為兩排三層共24個貨位，由漫射式光電開關進行貨位的檢測；巷道堆垛起重機穿行于貨架之間的巷道中，經(jīng)過旋轉、上升、下降、伸出等動作，完成存、取貨物的工作。鑒于空間的限制，以及重量、強度、經(jīng)濟性的要求，采用的立方體框架結構不僅可以節(jié)省材料，有利于減輕重量，而且設計簡單、容易實現(xiàn)，便于今后結構的調整和擴展。立體倉庫的結構示意圖如圖1所示。倉庫和控制柜配置了帶剎車的靜音萬向腳輪，方便移動和固定，便于開展教學和實訓。

2.3 堆垛機和入（出）庫傳送系統(tǒng)

堆垛機的行走機構和升降機構采用滾珠絲桿和導軌組合，分別由兩臺步進電機驅動，可實現(xiàn)高度和水平方向的精確定位。堆垛機的旋轉機構由直流減速電機驅動，電機安裝在轉盤上，用標準的齒輪傳遞電機的傳動力。在轉盤上安裝了接近開關進行位置檢測。轉動機構的設計一是為了旋轉臺的驅動電機變成相對一體，二是能夠承載提取貨物載荷，三是可拆卸和安裝。

堆垛機上存取貨物的貨叉，考慮到插取物品時的穩(wěn)定性因素、物料的規(guī)則性和物料位置的相對穩(wěn)定，立體倉庫的中間巷道空間比較有限，采用了小型單作用汽缸作為動力推動貨叉，通過用磁性開關檢測汽缸的伸出和縮回是否到位，控制精確，運行穩(wěn)定，并且負載能力較強。

入（出）庫傳送系統(tǒng)采用皮帶式傳送結構，由直流電機驅動；在倉庫入口有抬桿式庫門，通過直流減速電機控制。貨物的檢測由光電開關完成。

2.4 控制系統(tǒng)

微型自動化立體倉庫的控制器采用德國西門子的S7-226 CN型PLC。這種型號的PLC在實時模式下具有運算速度快，通訊功能強大，并且硬件和軟件操作簡便的特點，同時結構緊湊小巧，能夠滿足立體倉庫的控制要求。

通過各個部位安裝的光電開關、金屬接近開關、限位開關等傳感器，實時檢測倉庫的存儲情況和機械運行情況，通過PLC輸出的多路PWM信號對各個電機進行控制?？刂葡到y(tǒng)工作流程圖如圖2所示。存料工作過程如下：操作觸摸屏，選擇存料倉位，放置貨物到傳送帶左端，傳感器檢測到有貨物，啟動傳送帶電機，當入口處傳感器檢測到貨物到達后，停止傳送帶電機，啟動檔桿電機，檔桿抬起，堆垛機推出叉手取起物料，按照設定的速度 ，運動到指定的倉位，旋轉放料，回轉復位，返回起點完成存料。取料工作過程：堆垛機接受到來自觸摸屏選位和確定指令后，從原點運動到指定的倉位，旋轉取物料，回轉到位，首先Y軸方向下降到指定高度，然后水平方向運動，把物料送到傳送帶，經(jīng)過傳送帶把物料傳送到起點。

步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。堆垛機的行走機構和升降機構使用LC57HS5425型步進電機，其驅動模塊為LC2054DA。

2.5 操作界面

倉庫的操作面板采用MCGS嵌入式一體化觸摸屏。MCGS（Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)）是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，具有功能完善、可視性好、可維護性強的突出特點。其與S7-226 CN型PLC結合，組態(tài)開發(fā)的人機界面，具有操作簡便、界面友好等優(yōu)點。主界面如圖3所示。在此界面中，不但能夠顯示立體倉庫的工作狀態(tài)，控制貨物的存取操作，而且可以實時監(jiān)控堆垛機的運動速度、位置坐標和路線。endprint

我們還開發(fā)了倉位選擇界面，如圖4所示。立體倉庫里相應倉位有貨物，對應編號的倉位指示燈顯示為紅色；相應倉位無貨物，則對應編號的倉位指示燈顯示為綠色。當“運行狀態(tài)”為綠色時，按下取料按鈕，屏幕出現(xiàn)“取料選擇”，選擇紅色燈下方的倉位號，左上方提示選擇倉位，確定后堆垛機構和傳送帶依次運動，完成取料工作，貨物通過傳送帶送走，對應倉位指示燈變?yōu)榫G色；按下存料按鈕，屏幕提示“存料選擇”，選擇綠色指示燈下方的倉位號，左上方提示選擇的倉位，確認后，將貨物放到傳送帶起點，運動機構運動，完成存料，對應倉位指示燈變?yōu)榧t色。當在取料或存料時，通過“取存料復位”按鈕，可以從新選擇存料或取料。當選錯倉位號時，按下從新選位按鈕，重新按下倉位號，左上方顯示正確的倉位號。另外我們還可以設計手動操作界面和操作說明界面，使面板的操作更加豐富和完善。

3 性能分析和創(chuàng)新點

1） 倉庫作業(yè)全部實現(xiàn)機械化和自動化，貨物存取快捷、便利、準確，物料出入無障礙。

2） 良好的人機界面，信息顯示清楚，多種操作方式可選，操作簡便。

3） 立體倉庫整體結構采用開放的積木式結構，貨架、機械機構和控制部分均便于拆卸和重新設計安裝，不僅方便教師的教學和學生的實訓，滿足理論與實訓一體化教學的需要，而且為今后的升級和改造提供了良好的基礎。

4） 采用傳感器進行實時監(jiān)測，組態(tài)屏幕動態(tài)顯示倉庫貨物存放情況、堆垛機位置和相關運行數(shù)據(jù)，提高了信息的實時性和控制的準確性。

5） 主要采用24伏低電壓控制，安全可靠，噪音低，環(huán)保節(jié)能。

微型自動化立體倉庫可以開展機械基礎、機械結構設計、機械拆裝、PLC和觸摸屏的編程應用、運動控制、物流管理等課程理論與實訓一體化教學。學生通過在設備上的學習和訓練，了解自動化立體倉庫結構及其控制方法，為今后從事相關設備設計、安裝、調試打下扎實的基礎。同時，在該設備的設計中，我們在傳感器的應用、位置隨動系統(tǒng)的控制算法、立體倉庫優(yōu)化調度管理、以及程序設計等方面，都預留了很大的創(chuàng)新空間，每位同學都可以根據(jù)自己的想法，設計出不同的控制界面及優(yōu)化調度方案， 充分發(fā)揮學生的潛力和創(chuàng)造性。該實訓設備由于外形美觀、結構合理、新穎實用，榮獲第六屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽廣西賽區(qū)一等獎。

參考文獻：

[1] 傅桂榮，蘇紅娟，俞春輝.自動立體倉庫實驗裝置的研制[J].實驗室研究與探索，2004（9）.

[2] 薛明.淺析自動化立體倉庫的應用及發(fā)展[J].物流技術：裝備版，2014（1）.

[3] 王煜東.傳感器及應用[M].北京：機械工業(yè)大學出版社，2005.

[4] 姚立波.工業(yè)控制技術及應用[M].天津：天津大學出版社，2009.endprint

我們還開發(fā)了倉位選擇界面，如圖4所示。立體倉庫里相應倉位有貨物，對應編號的倉位指示燈顯示為紅色；相應倉位無貨物，則對應編號的倉位指示燈顯示為綠色。當“運行狀態(tài)”為綠色時，按下取料按鈕，屏幕出現(xiàn)“取料選擇”，選擇紅色燈下方的倉位號，左上方提示選擇倉位，確定后堆垛機構和傳送帶依次運動，完成取料工作，貨物通過傳送帶送走，對應倉位指示燈變?yōu)榫G色；按下存料按鈕，屏幕提示“存料選擇”，選擇綠色指示燈下方的倉位號，左上方提示選擇的倉位，確認后，將貨物放到傳送帶起點，運動機構運動，完成存料，對應倉位指示燈變?yōu)榧t色。當在取料或存料時，通過“取存料復位”按鈕，可以從新選擇存料或取料。當選錯倉位號時，按下從新選位按鈕，重新按下倉位號，左上方顯示正確的倉位號。另外我們還可以設計手動操作界面和操作說明界面，使面板的操作更加豐富和完善。

3 性能分析和創(chuàng)新點

1） 倉庫作業(yè)全部實現(xiàn)機械化和自動化，貨物存取快捷、便利、準確，物料出入無障礙。

2） 良好的人機界面，信息顯示清楚，多種操作方式可選，操作簡便。

3） 立體倉庫整體結構采用開放的積木式結構，貨架、機械機構和控制部分均便于拆卸和重新設計安裝，不僅方便教師的教學和學生的實訓，滿足理論與實訓一體化教學的需要，而且為今后的升級和改造提供了良好的基礎。

4） 采用傳感器進行實時監(jiān)測，組態(tài)屏幕動態(tài)顯示倉庫貨物存放情況、堆垛機位置和相關運行數(shù)據(jù)，提高了信息的實時性和控制的準確性。

5） 主要采用24伏低電壓控制，安全可靠，噪音低，環(huán)保節(jié)能。

微型自動化立體倉庫可以開展機械基礎、機械結構設計、機械拆裝、PLC和觸摸屏的編程應用、運動控制、物流管理等課程理論與實訓一體化教學。學生通過在設備上的學習和訓練，了解自動化立體倉庫結構及其控制方法，為今后從事相關設備設計、安裝、調試打下扎實的基礎。同時，在該設備的設計中，我們在傳感器的應用、位置隨動系統(tǒng)的控制算法、立體倉庫優(yōu)化調度管理、以及程序設計等方面，都預留了很大的創(chuàng)新空間，每位同學都可以根據(jù)自己的想法，設計出不同的控制界面及優(yōu)化調度方案， 充分發(fā)揮學生的潛力和創(chuàng)造性。該實訓設備由于外形美觀、結構合理、新穎實用，榮獲第六屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽廣西賽區(qū)一等獎。

參考文獻：

[1] 傅桂榮，蘇紅娟，俞春輝.自動立體倉庫實驗裝置的研制[J].實驗室研究與探索，2004（9）.

[2] 薛明.淺析自動化立體倉庫的應用及發(fā)展[J].物流技術：裝備版，2014（1）.

[3] 王煜東.傳感器及應用[M].北京：機械工業(yè)大學出版社，2005.

[4] 姚立波.工業(yè)控制技術及應用[M].天津：天津大學出版社，2009.endprint

我們還開發(fā)了倉位選擇界面，如圖4所示。立體倉庫里相應倉位有貨物，對應編號的倉位指示燈顯示為紅色；相應倉位無貨物，則對應編號的倉位指示燈顯示為綠色。當“運行狀態(tài)”為綠色時，按下取料按鈕，屏幕出現(xiàn)“取料選擇”，選擇紅色燈下方的倉位號，左上方提示選擇倉位，確定后堆垛機構和傳送帶依次運動，完成取料工作，貨物通過傳送帶送走，對應倉位指示燈變?yōu)榫G色；按下存料按鈕，屏幕提示“存料選擇”，選擇綠色指示燈下方的倉位號，左上方提示選擇的倉位，確認后，將貨物放到傳送帶起點，運動機構運動，完成存料，對應倉位指示燈變?yōu)榧t色。當在取料或存料時，通過“取存料復位”按鈕，可以從新選擇存料或取料。當選錯倉位號時，按下從新選位按鈕，重新按下倉位號，左上方顯示正確的倉位號。另外我們還可以設計手動操作界面和操作說明界面，使面板的操作更加豐富和完善。

3 性能分析和創(chuàng)新點

1） 倉庫作業(yè)全部實現(xiàn)機械化和自動化，貨物存取快捷、便利、準確，物料出入無障礙。

2） 良好的人機界面，信息顯示清楚，多種操作方式可選，操作簡便。

3） 立體倉庫整體結構采用開放的積木式結構，貨架、機械機構和控制部分均便于拆卸和重新設計安裝，不僅方便教師的教學和學生的實訓，滿足理論與實訓一體化教學的需要，而且為今后的升級和改造提供了良好的基礎。

4） 采用傳感器進行實時監(jiān)測，組態(tài)屏幕動態(tài)顯示倉庫貨物存放情況、堆垛機位置和相關運行數(shù)據(jù)，提高了信息的實時性和控制的準確性。

5） 主要采用24伏低電壓控制，安全可靠，噪音低，環(huán)保節(jié)能。

微型自動化立體倉庫可以開展機械基礎、機械結構設計、機械拆裝、PLC和觸摸屏的編程應用、運動控制、物流管理等課程理論與實訓一體化教學。學生通過在設備上的學習和訓練，了解自動化立體倉庫結構及其控制方法，為今后從事相關設備設計、安裝、調試打下扎實的基礎。同時，在該設備的設計中，我們在傳感器的應用、位置隨動系統(tǒng)的控制算法、立體倉庫優(yōu)化調度管理、以及程序設計等方面，都預留了很大的創(chuàng)新空間，每位同學都可以根據(jù)自己的想法，設計出不同的控制界面及優(yōu)化調度方案， 充分發(fā)揮學生的潛力和創(chuàng)造性。該實訓設備由于外形美觀、結構合理、新穎實用，榮獲第六屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽廣西賽區(qū)一等獎。

參考文獻：

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[2] 薛明.淺析自動化立體倉庫的應用及發(fā)展[J].物流技術：裝備版，2014（1）.

[3] 王煜東.傳感器及應用[M].北京：機械工業(yè)大學出版社，2005.

[4] 姚立波.工業(yè)控制技術及應用[M].天津：天津大學出版社，2009.endprint