基于自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的研究

劉輝 張冰

（1.無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇省無(wú)錫市 214028 2.江蘇集云信息科技有限公司 江蘇省無(wú)錫市 214028）

基于自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的研究

劉輝1張冰2

（1.無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇省無(wú)錫市 214028 2.江蘇集云信息科技有限公司 江蘇省無(wú)錫市 214028）

設(shè)計(jì)了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的簡(jiǎn)易模型，系統(tǒng)的分析了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的構(gòu)成，控制方式以及工作流程，完成了堆垛機(jī)工控系統(tǒng)的硬件與通信部分的PLC設(shè)計(jì)，通過(guò)程序的實(shí)例運(yùn)行，堆垛機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)；堆垛機(jī)；PLC

1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)是指在不直接進(jìn)行人工干預(yù)的情況下，運(yùn)輸設(shè)備能自動(dòng)地存儲(chǔ)和取出貨物的系統(tǒng)[1]。一般由貨架、巷道式堆垛機(jī)、出/入庫(kù)臺(tái)、輸送系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)管理和控制系統(tǒng)等部分組成。作為機(jī)械和電氣，強(qiáng)電和弱電相結(jié)合的產(chǎn)物。它通過(guò)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)高效的管理貨物的出/入庫(kù)信息，然后將信息已指令的形式作用于控制系統(tǒng)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，最終把信息反饋給倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)[2]。立體倉(cāng)庫(kù)的控制對(duì)象是堆垛機(jī)、出入庫(kù)臺(tái)、輸送系統(tǒng)等硬件設(shè)備。

堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中的主要的運(yùn)輸設(shè)備，它的主要用途是在高層貨架的巷道內(nèi)來(lái)回穿梭運(yùn)行，將位于巷道口的貨物存入貨格，或者是取出貨格內(nèi)的貨物送到巷道口[2]。它的可靠性、平穩(wěn)性與工作效率等對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)起著非常重要的作用。

2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)模型

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)能實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)存取，主要是通過(guò)堆垛機(jī)作業(yè)完成的，而如何使堆垛機(jī)準(zhǔn)確運(yùn)行和提高存取效率，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確可靠的認(rèn)址與定位。我們采用編碼的方式將貨架上的每個(gè)貨位用貨位號(hào)表示為（Xi，Yi，Zi），即（排，列，層）。編碼可以使堆垛機(jī)自動(dòng)找到被指定到達(dá)的位置，同時(shí)停準(zhǔn)位置不會(huì)超過(guò)規(guī)定的精度[1]。

為了對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的堆垛機(jī)部分作進(jìn)一步的研究，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易模型如圖1所示。倉(cāng)庫(kù)模型只設(shè)置一排貨架，它的整機(jī)結(jié)構(gòu)由起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、貨叉、伸縮機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成。鑒于認(rèn)址和定位要求，將堆垛機(jī)設(shè)計(jì)成一個(gè)三自由度系統(tǒng)。通過(guò)同步齒形帶實(shí)現(xiàn)X軸水平方向運(yùn)動(dòng)；由絲杠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)Y軸垂直方向運(yùn)動(dòng)；貨叉的伸縮通過(guò)行程開(kāi)關(guān)控制，X方向和Y方向的支承通過(guò)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)。

3 堆垛機(jī)控制方式以及工作流程

在此試驗(yàn)中，堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方式主要有手動(dòng)和聯(lián)機(jī)自動(dòng)兩種，手動(dòng)控制通過(guò)手柄可以單獨(dú)操作堆垛機(jī)的行走、升降和伸縮貨叉等，不需要通過(guò)地面控制臺(tái)；聯(lián)機(jī)自動(dòng)控制用于正常運(yùn)行的堆垛機(jī)，此時(shí)的堆垛機(jī)可以經(jīng)過(guò)無(wú)線通訊設(shè)備接收倉(cāng)庫(kù)管理計(jì)算機(jī)的指令，同時(shí)可以向上位機(jī)反饋堆垛機(jī)的當(dāng)前的工作狀態(tài)。

圖1 立體倉(cāng)庫(kù)模型結(jié)構(gòu)圖

堆垛機(jī)的工作流程主要有送貨到貨架和從貨架上取貨兩種。送貨到貨臺(tái)時(shí)，貨叉伸出到位以后，載貨臺(tái)微降，使托盤(pán)放置到載貨臺(tái)上，然后在貨叉距離托盤(pán)一定的距離后收叉，這樣就完成了向載貨臺(tái)送貨的作業(yè)[1]。之后需要檢查是否有取貨的命令，這時(shí)先要判斷堆垛機(jī)是空載還是負(fù)載到達(dá)取出列，若是負(fù)載到達(dá)取列，堆垛機(jī)就要先把貨物存儲(chǔ)到貨架，然后運(yùn)行到待取貨物的貨格，執(zhí)行取出命令；若是空載到達(dá)，表示無(wú)貨物要存儲(chǔ)，即無(wú)兩個(gè)貨格之間的運(yùn)行。若一個(gè)存儲(chǔ)/取出命令下達(dá)時(shí)，堆垛機(jī)處于空閑狀態(tài)，它就會(huì)被指派到存儲(chǔ)列/取出列去揀取貨物[5]。堆垛機(jī)存取貨物的流程圖如圖2所示。

圖2 堆垛機(jī)取/送貨作業(yè)工作流程圖

4 堆垛機(jī)工控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 堆垛機(jī)工控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

堆垛機(jī)工控系統(tǒng)由堆垛機(jī)控制系統(tǒng)、地面控制臺(tái)系統(tǒng)和倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)三部分組成。堆垛機(jī)控制系統(tǒng)主要由保護(hù)功能單元，驅(qū)動(dòng)部分和認(rèn)址定位單元組成。此處堆跺機(jī)采用一臺(tái)S7-200系列的PLCCPU226控制，它的主要作用是用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)處理觸感器等檢測(cè)到的信號(hào)和外部輸入的數(shù)據(jù)；采用西門(mén)子的MM110型矢量控制變頻器來(lái)提高停車定位的精度，選用西門(mén)子800脈沖增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，它用于向PLC提供堆垛機(jī)的位置信號(hào)，同時(shí)向變頻器提供速度信號(hào)，構(gòu)成位置、速度閉環(huán)控制[3]；堆垛機(jī)貨叉的升降、左右伸縮采用機(jī)械互鎖；水平、升降運(yùn)動(dòng)通過(guò)光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行計(jì)數(shù)與定位；采用對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)感應(yīng)堆垛機(jī)的位置；在實(shí)驗(yàn)中電機(jī)采用鼠籠電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)X軸和Y軸方向的驅(qū)動(dòng)。

考慮到堆垛機(jī)的位置不固定，通過(guò)西門(mén)子無(wú)線通信模組DTD433A實(shí)現(xiàn)與地面控制臺(tái)和倉(cāng)庫(kù)管理計(jì)算機(jī)的通信，使用時(shí)只需將PLC的Modbus通信速率與 DTD433A的波特率都設(shè)置為 9600bps，PLC的RS485+連接 DTD433的 RS485_B；PLC的 RS485-連接 DTD433的RS485_A。

堆垛機(jī)工控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

4.2 堆垛機(jī)工控系統(tǒng)程序運(yùn)行范例

倉(cāng)庫(kù)管理機(jī)通過(guò)無(wú)線通信模塊傳達(dá)命令給堆垛機(jī)上的PLC來(lái)完成相應(yīng)的存取貨動(dòng)作，操作完成時(shí)再將堆垛機(jī)的信息與狀態(tài)反饋給上位機(jī)。為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，堆垛機(jī)工控系統(tǒng)的程序使用模塊化的編程方法，然后將各個(gè)子模塊整合為整個(gè)工控系統(tǒng)的程序，最后下載到PLC中。當(dāng)兩種工作方式同時(shí)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)停止輸出，并且指示燈報(bào)警，以此提醒現(xiàn)場(chǎng)的操作人員及時(shí)處理故障問(wèn)題。

圖3 堆垛機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)圖

以聯(lián)機(jī)自動(dòng)控制方式下入庫(kù)作業(yè)為例，說(shuō)明堆垛機(jī)PLC接到地面發(fā)送來(lái)的指令后的工作過(guò)程，具體步驟如下：

（1）當(dāng)堆垛機(jī)在H/P位置時(shí)，檢查載貨臺(tái)上是否有貨，若無(wú)則進(jìn)行下一步；若有則報(bào)警，暫停動(dòng)作，等待處理。

（2）判斷載貨臺(tái)是否在H/P位置，若在H/P位置則進(jìn)入下一步；若否使堆垛機(jī)向H/P位置移動(dòng)，同時(shí)打開(kāi)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，定位完成則進(jìn)入下一步。

（3）檢查入庫(kù)臺(tái)上是否有貨，若有則進(jìn)入下一步；否則入庫(kù)臺(tái)無(wú)貨報(bào)警。

（4）以5m/min向載貨臺(tái)方向伸出叉具，伸叉到位則停止動(dòng)作，進(jìn)入下一步。

（5）載貨臺(tái)慢速上升，判定載貨臺(tái)是否上升到位？若是則進(jìn)入下一步，否則繼續(xù)調(diào)整。

（6）檢查貨物的高度寬度，若正常則進(jìn)入下一步，否則報(bào)警等待處理。

（7）以速度3m/min向載貨臺(tái)中央位置收回叉具，回中央動(dòng)作完成，進(jìn)入下一步，如果在定時(shí)時(shí)間內(nèi)，收叉動(dòng)作未完成，則顯示聲音報(bào)警。

（8）待載貨臺(tái)收回叉具到位后，堆垛機(jī)執(zhí)行升降與水平動(dòng)作，若到達(dá)指定貨位，則進(jìn)入下一步。若否則繼續(xù)調(diào)整。

（9）檢查貨架內(nèi)是否有貨，如有貨則報(bào)警，并讓堆垛機(jī)回H/P位置，等待處理；否則進(jìn)入下一步。

（10）向貨格方向伸叉，同時(shí)檢查載貨臺(tái)上貨物是否有歪斜，如果有貨物歪斜，停止伸出動(dòng)作，并向中央收回叉具；否則繼續(xù)向前動(dòng)作，直到伸叉到位，進(jìn)入下一步。

（11）使載貨臺(tái)慢速下降，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到貨格的下位置，以速度8m/min向載貨臺(tái)中央位置收回叉具。

（12）向地面控制柜發(fā)送“任務(wù)完成”信息，原地待命，準(zhǔn)備接收下一條命令。

5 總結(jié)

隨著科技的不斷進(jìn)步，使得自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)向著信息化，網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展，本文所設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)工控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低和實(shí)驗(yàn)性強(qiáng)的特點(diǎn)，充分說(shuō)明了PLC自動(dòng)控制技術(shù)在立體倉(cāng)庫(kù)中的應(yīng)用，同時(shí)該系統(tǒng)在某個(gè)教學(xué)單位得到了成功的應(yīng)用，實(shí)際中運(yùn)行平穩(wěn)，可操作性強(qiáng)。

[1]尹國(guó)明.自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)試驗(yàn)臺(tái)堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)[D].山東大學(xué)，2006，5.

[2]潘云.基于現(xiàn)代物流的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)研究[D].蘭州大學(xué)，2008，3.

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1004-7344（2016）03-0281-02

2016-1-10