朱 建 軍

(吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 132022)

立體倉庫實訓教學設備的設計

朱 建 軍

(吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 132022)

針對高校實踐教學要求并結合自動化類專業(yè)的特點，開發(fā)設計了一種模擬生產(chǎn)實際的自動化立體倉庫實訓裝置。詳細地介紹了裝置的總體結構、硬件設計、下位機程序設計和上位機監(jiān)控組態(tài)設計。本裝置采用西門子S7-300PLC作為控制系統(tǒng)，并用WinCC組態(tài)軟件開發(fā)了監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動化立體倉庫實訓裝置的就地手動控制、遠程手動控制和遠程自動控制等操作模式。在實際學生實訓中，該裝置實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)實踐教學內(nèi)容的形象化，拉近了課堂與生產(chǎn)實踐的距離，為培養(yǎng)學生實踐動手能力、分析解決問題的能力提供了一個很好的實踐平臺。

立體倉庫； 實訓裝置； 實踐教學

0 引 言

立體倉庫是一種集貯存、管理于一體，在沒有人工干預的情況下自動完成貨物存取操作的控制系統(tǒng)，具有占地面積小、省時、省力、高效等特點。在高危險環(huán)境中工作時，可以通過人機界面遠程控制貨物的存取工作，保證工作人員的安全。人機界面還可以監(jiān)控貨物存取過程，并可以記錄查詢存取情況，方便工作人員進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計[1-4]。

為滿足實驗教學、實訓、畢業(yè)設計以及提高學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的需要，為此設計開發(fā)了立體倉庫實訓教學設備。

1 立體倉庫控制系統(tǒng)結構設計

自動化立體倉庫主要由控制系統(tǒng)、立體貨架、碼垛機、監(jiān)控系統(tǒng)和電氣柜等設備構成[5-6]，如圖1所示。

(1) 控制系統(tǒng)。采用西門子S7-300系列CPU314C-2PN/DP作為控制核心，它屬于緊湊型CPU，集成了24路DI、16路DO、5路AI和2路AO，其中4通道DO可以產(chǎn)生脈寬調(diào)制為2.5 kHz的脈沖輸出，可以用來完成對步進電機的驅(qū)動和控制。

圖1 自動化體力倉庫實訓設備

(2) 立體貨架。用來存放貨物的設備，是立體倉庫的主體。設備設計材料選用20×20的鋁型材，結構穩(wěn)定，同時可方便用戶靈活調(diào)整。本設計巷道數(shù)1個，9個貨位，分為1棟3列3層。

(3) 碼垛機。碼垛機是自動化立體倉庫中最重要的傳動設備，是整個控制系統(tǒng)的核心組成部分。其工作過程要保證：運行安全可靠、貨物存取精確、操作快捷方便。本系統(tǒng)設計碼垛機由控制水平行走的X軸行走機構、控制升降的Z軸行走機構和控制載貨平臺伸縮的Y軸行走機構。其機械部分采用金屬鋼軌、光軸、絲杠等機械元件組成[7-8]。同時為了防止水平和垂直方向出現(xiàn)越限問題，在水平和垂直方向的兩端安裝了限位行程開關，保證系統(tǒng)運行可靠。

(4) 監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)通過觸摸屏和WinCC組態(tài)軟件實現(xiàn)現(xiàn)場設備狀態(tài)的采集、顯示和對設備的就地和遠程控制。

(5) 電氣柜。電氣柜由開關電源、顯示運行狀態(tài)的指示燈、負責現(xiàn)場操作的操作按鈕和接線端子排等組成。

2 立體倉庫系統(tǒng)硬件設備及控制流程

2.1 控制系統(tǒng)硬件結構

自動化立體倉庫控制系統(tǒng)硬件主要由PLC、觸摸屏、計算機、驅(qū)動模塊、直流電機和步進電機組成，其PLC外部接線圖如圖2所示。

2.2 碼垛機驅(qū)動部件和檢測元件

為實現(xiàn)碼垛機準確定位，保證準確完成貨物的入庫和出庫，選用了步進電機和直流電機作為驅(qū)動元件。

本設計X、Z軸方向的運動精確控制，采用了2線6相57步步進電機和109S-48-4.5 32細分步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動電路原理如圖3所示[9-10]。

在Y軸方向采用直流電機，選用L298N驅(qū)動模塊來控制電機。需要注意的是PLC的輸出信號是24 V，而L298N驅(qū)動模塊的信號是5 V，需要通過中間繼電器實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，L298N模塊驅(qū)動電路原理見圖4。

為了保證系統(tǒng)可靠運行，設計中采用了接近開關作為位置限位和貨物位置的檢測元件。選擇接近開關的型號不同，它與PLC的接線方式也不同，本設計中采用的是NPN型金屬接近開關，接線方式為三線制，接線原理圖如圖5所示。

圖2 PLC外部接線圖

圖3 步進電機驅(qū)動原理圖

圖4 直流電機驅(qū)動電路原理圖

2.3 立體倉庫自動控制系統(tǒng)控制流程

控制系統(tǒng)控制模式包括就地模式、遠程自動控制模式和遠程手動模式[11]。就地控制模式是在現(xiàn)場通過電氣柜上的按鈕開關實現(xiàn)將倉庫貨物送到指定位置或者將某一倉庫的貨物取出。遠程自動控制模式是由PLC判定位置，由PLC直接控制，系統(tǒng)運行過程中沒有操作人員的干預。遠程手動模式是操作員通過觸摸屏或WinCC組態(tài)的人機接口進行存取貨物的操作，其存取操作流程如圖6所示。

圖5 接近開關接線原理圖

圖6 碼垛機工作流程圖

3 立體倉庫軟件設計

立體車庫自動控制系統(tǒng)軟件設計包括上位機監(jiān)控軟件和下位機PLC程序兩部分，下位機PLC程序通過STEP7 V5.5實現(xiàn)，上位機人機接口界面通過WinCC組態(tài)軟件和威綸通觸摸屏實現(xiàn)。

3.1 下位機PLC程序設計

下位機程序開發(fā)設計采用模塊化的編程方式，可以按照自動化立體倉庫的控制要求將控制任務分為初始化模塊、主程序塊和碼垛機工作程序塊。

(1) 初始化模塊。初始化程序?qū)懺贠B100組織塊內(nèi)，負責系統(tǒng)上電后，把預先設定的值進行初始化。初始化程序在系統(tǒng)上電后只執(zhí)行一次。

(2) 主程序塊。主程序塊寫到OB1組織塊內(nèi)，負責整個系統(tǒng)的各功能塊的調(diào)用。

(3) 碼垛機工作程序塊。碼垛機工作程序塊根據(jù)用戶控制指令，確定存取貨物的位置，在PLC程序中計算出水平運動的步數(shù)和垂直升降的步數(shù)，通過輸出模塊，控制驅(qū)動器控制步進電機，從而使堆垛機將貨物準確地送到需存取庫位位置；通過Y軸的光電開關、限位行程開關反饋的數(shù)據(jù)，控制直流電機完成貨物的存取操作[12]。

3.2 上位機監(jiān)控組態(tài)

人機界面開發(fā)采用WinCC實現(xiàn)，根據(jù)自動化立體倉庫的控制要求，設計了操作員的操作界面、報警顯示、設備參數(shù)管理等畫面[13-15]。監(jiān)控主畫面見圖7。

圖7 立體倉庫監(jiān)控畫面

通過監(jiān)控系統(tǒng)操作畫面使工作人員可以實時監(jiān)控立體倉庫的運行狀態(tài)，如方向、位置、倉位情況等。當立體倉庫在運行中出現(xiàn)故障如非正常運行、硬件故障等，可以及時提醒管理人員對故障進行判斷和處理，并將故障信息存檔以便日后分析處理。同時，通過上位機可以對倉庫系統(tǒng)的貨物存取情況進行記錄，方便管理人員對出入庫的貨物情況進行統(tǒng)計，形成報表。

4 結 語

立體倉庫自動控制實訓系統(tǒng)的設計,涉及了可編程控制技術、電機驅(qū)動技術、傳感器、系統(tǒng)維護和故障檢測技術和組態(tài)監(jiān)控技術等，實現(xiàn)了實踐教學內(nèi)容形象化，拉近了課堂與實踐的距離，為培養(yǎng)學生實踐動手能力、分析解決問題的能力提供了一個很好的實踐平臺。同時在項目的實現(xiàn)過程中進一步提高了教師的實踐應用能力。實踐證明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，達到了實踐教學的目的和要求，取得了良好的教學效果。

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·名人名言·

想像力比知識更重要，因為知識是有限的，而想像力概括著世界的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉。

——愛因斯坦

Design of Multi-layered Warehouse Training Device

ZHUJian-jun

(College of Information & Control Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, China)

In order to meet the needs of practical training in colleges and combine the characteristics of the automation, we designed the automated multi-layered warehouse training devices which simulated industrial production practical. Device is described in detail under the general structure, hardware, machine programming and PC monitoring configuration design. This device adopts Siemens S7-300 PLC as the control system, and uses the WinCC configuration software to develop the monitoring system. The device realizes the manual control, remote manual control and remote automatic control and so on. In practical training, the device implements the automation production of teaching content visualization, narrows the distance between the classrooms and production practice. It also provides a good practice platform for cultivating students’ ability to practice and analyze and solve problems.

multi-layered warehouse; training devices; practical teaching

2016-05-11

朱建軍(1973-)，男，吉林公主嶺人，碩士，副教授，研究方向：工業(yè)過程控制及計算機輔助設計。

Tel.:13596209120; E-mail：zjj099@163.com

TP 273

A

1006-7167(2017)01-0277-03