李 強(qiáng)

（運(yùn)城學(xué)院機(jī)電工程系，山西運(yùn)城 044000）

在實(shí)施智能制造戰(zhàn)略及打造智慧工廠時(shí)代背景下，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)備受工業(yè)界關(guān)注，對(duì)其需求量和智能化要求越來(lái)越高。因此，對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)的深入研究可以產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效率[1]。物料的質(zhì)量跟蹤和運(yùn)行效率直接影響立體倉(cāng)庫(kù)的性能。一方面，運(yùn)用RFID 技術(shù)對(duì)物料運(yùn)行軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤保證物料的供應(yīng)質(zhì)量；另一方面，設(shè)計(jì)更加可靠、高效、精確的運(yùn)動(dòng)路徑意義重大，可以提高立體倉(cāng)庫(kù)中執(zhí)行設(shè)備的平穩(wěn)性、高效性和精確性[2]。目前，立體倉(cāng)庫(kù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)常采用伺服電機(jī)構(gòu)成堆垛機(jī)，負(fù)責(zé)完成物料的入庫(kù)和出庫(kù)運(yùn)動(dòng)。為此，利用RFID 技術(shù)和堆垛機(jī)，基于西門子S7-1200控制器開發(fā)了一套智能立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)物料的出入庫(kù)智能管理，同時(shí)驅(qū)動(dòng)堆垛機(jī)中的伺服系統(tǒng)精確控制，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)與數(shù)控車床或加工中心的互聯(lián)互通，為后續(xù)實(shí)施智能制造規(guī)劃打下基礎(chǔ)。

1 立體倉(cāng)庫(kù)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

立體倉(cāng)庫(kù)智能控制系統(tǒng)是一個(gè)以堆垛機(jī)為核心的2 區(qū)4 行5 列結(jié)構(gòu)，由立體倉(cāng)庫(kù)機(jī)械和控制系統(tǒng)構(gòu)成。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括堆垛機(jī)、輸送機(jī)、倉(cāng)庫(kù)貨架，如圖1；控制系統(tǒng)由PLC、數(shù)據(jù)采集及執(zhí)行設(shè)備組成。

圖1 立體倉(cāng)庫(kù)的機(jī)械設(shè)計(jì)

堆垛機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由伺服系統(tǒng)和直流電機(jī)構(gòu)成。伺服系統(tǒng)為2 套伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器組成，為堆垛機(jī)的上下和左右運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力；堆垛機(jī)上的伸叉采用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在一臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，從固定庫(kù)位上完成存取動(dòng)作，如圖2。輸送機(jī)采用同步帶減速機(jī)構(gòu)，由兩臺(tái)直流電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，構(gòu)成輸送物料平臺(tái)，完成工裝板的裝運(yùn)。平臺(tái)共2 個(gè)：平臺(tái)1 完成物料工裝板（以下簡(jiǎn)稱物料板）的輸入以及空工裝板（以下簡(jiǎn)稱空板）的輸出操作；平臺(tái)2 完成物料板的輸出以及空板的輸入操作。倉(cāng)庫(kù)貨架的容量是2 區(qū)4 行5 列，總共40 個(gè)庫(kù)位。其中1 區(qū)為物料區(qū)，庫(kù)位號(hào)為1～20，用于存放待加工的機(jī)械物料，三種物料固定擺放在工裝板上，放置于物料區(qū)的庫(kù)位中。2 區(qū)為空板區(qū)，庫(kù)位號(hào)為21 至40，用于存放零件加工后所留下的空板。

圖2 堆垛機(jī)示意圖

電氣控制系統(tǒng)是堆垛機(jī)及輸送帶的中樞，是實(shí)現(xiàn)立體倉(cāng)庫(kù)出入動(dòng)作的核心單元。其硬件系統(tǒng)包括PLC、輸入輸出設(shè)備、RFID 設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備、驅(qū)動(dòng)裝置等組成，一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)和輸送帶的控制操作，另一方面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可方便地讀寫RFID 單元中電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)。除此之外，控制系統(tǒng)還需要控制各種控制開關(guān)、行程開關(guān)、光電開關(guān)和上位機(jī)組態(tài)單元。控制柜元器件布置如圖3。

圖3 柜體布置圖

1.2 系統(tǒng)的控制要求

（1）出入庫(kù)規(guī)則：物料板和空板在入庫(kù)時(shí)，按照庫(kù)位號(hào)遞增的原則來(lái)進(jìn)行。物料入庫(kù)時(shí)，入庫(kù)順序?yàn)?→3→…→16→18→…→20，1 號(hào)庫(kù)位作為1#平臺(tái)的進(jìn)出庫(kù)位，17號(hào)庫(kù)位作為2#平臺(tái)的進(jìn)出庫(kù)位（如圖1）?？瞻迦霂?kù)的順序?yàn)?1→…→40。物料板和空板出庫(kù)時(shí)，同樣以堅(jiān)持庫(kù)位遞增的順序來(lái)出庫(kù)。

（2）庫(kù)位精確定位：確定立體倉(cāng)庫(kù)零點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)，計(jì)算每個(gè)庫(kù)位的精確坐標(biāo)，為伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)提供進(jìn)入庫(kù)信息和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

（3）物料動(dòng)態(tài)追蹤：采用非接觸的方法，動(dòng)態(tài)追蹤物料板和空板的運(yùn)動(dòng)軌跡，保證機(jī)械加工物料的質(zhì)量。

（4）運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示：利用紅綠黃三色燈和上位機(jī)監(jiān)控畫面，兩種方式監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2 控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)硬件種類繁多，其硬件組成及連接關(guān)系如圖4。為了實(shí)現(xiàn)立體倉(cāng)庫(kù)的控制功能，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)硬件進(jìn)行選型并設(shè)計(jì)。

圖4 立體倉(cāng)庫(kù)硬件連接圖

（1）控制器：PLC 控制器為核心硬件，需要通過(guò)網(wǎng)線進(jìn)行上傳和下載數(shù)據(jù)，采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)而控制各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)PLC 由西門子采用西門子緊湊型、模塊化的SIMATIC S7 1200 PLC 組成，可完成簡(jiǎn)單到高級(jí)的邏輯控制、HMI 和通信任務(wù)[3]。CPU 模塊選擇1214C,DC/DC/DC，輸出為晶體管型，反應(yīng)速度快，輸出端可產(chǎn)生4 路100 kHz 高速脈沖，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)2 軸或3 軸定位控制，用于驅(qū)動(dòng)堆垛機(jī)的伺服系統(tǒng)。

（2）伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器：精確的伺服電機(jī)為堆垛機(jī)水平和垂直運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力[4]。采用立合信科技M18-B7512-M110伺服電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩為2.39 N·m，額定功率為0.75 kW，額定電流3 A，所用編碼器為2 500 線的增量式編碼器。垂直運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)配永磁失電制動(dòng)器，制動(dòng)力矩至少2.39 N·m，工作電壓為直流24 V。驅(qū)動(dòng)器采用和伺服電機(jī)配套的合信科技E10-B7512-M110 伺服驅(qū)動(dòng)器。兩種輸入電源，直流電源為24 V、2 A 的輸入，交流電源為220 V、3.5 A 的輸入，輸出3相220 V交流電給伺服電機(jī)供電。

（3）直流電機(jī)：根據(jù)用途和傳動(dòng)方式的不同，結(jié)合維護(hù)的方便性，本系統(tǒng)選用類型相同功率不同的齒輪減速電機(jī)。物料檢測(cè)平臺(tái)輸送機(jī)采用中大力德Z2D15-24GN 的直流電機(jī)，減速器為減速比為50∶1的平行軸減速器。堆垛機(jī)的伸叉電機(jī)選用Z2D10-24GN直流電機(jī)。

（4）RFID 設(shè)備：考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、干擾性大的特點(diǎn)，為了提高工裝板追蹤的準(zhǔn)確性，RFID單元選用易福門射頻識(shí)別系統(tǒng)，主要包括電子標(biāo)簽、RFID 讀寫頭以及RFID 估算單元。電子標(biāo)簽安裝于工裝板底部，與輸送機(jī)上的讀寫頭相對(duì)應(yīng)[5]。估算單元將讀寫頭傳來(lái)的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)通過(guò)Profinet 網(wǎng)絡(luò)與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。根據(jù)本控制系統(tǒng)的功能和要求，得到PLC的I/O地址分配表見表1。

表1 立體倉(cāng)庫(kù)I/O 地址分配表

（5）PLC 模塊：包括CPU 模塊和數(shù)字量擴(kuò)展模塊，如圖5。CPU 為西門子1214C，直流24 V 供電，板載14個(gè)輸入和10路脈沖輸出。其中9路輸入分別用來(lái)檢測(cè)伺服系統(tǒng)X 軸、Z 軸以及伸叉的左限位、零位和右限位。4 路外接操作按鈕，急停、啟動(dòng)、停止和手自動(dòng)選擇。4 路輸出(Q0.0～0.3)分別為伺服驅(qū)動(dòng)器提供控制脈沖和方向，其余輸出口為伸叉電機(jī)和立體倉(cāng)庫(kù)操作的控制輸出。數(shù)字?jǐn)U展模塊為SM1223，共8 個(gè)數(shù)字量輸入和8 個(gè)數(shù)字量輸出。其中，輸入信號(hào)為庫(kù)位及平臺(tái)物料檢測(cè)，同時(shí)接收伺服驅(qū)動(dòng)器傳來(lái)的反饋信號(hào)。3 個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)綠黃紅三色燈，其信號(hào)指示系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：綠燈表示系統(tǒng)無(wú)故障并正在運(yùn)行；黃燈表示系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)；紅燈亮系統(tǒng)故障，無(wú)法運(yùn)行。

圖5 PLC硬件接線圖

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

立體倉(cāng)庫(kù)程序流程設(shè)計(jì)是以物料出入庫(kù)作業(yè)流程為基礎(chǔ)。根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，共設(shè)計(jì)1個(gè)主程序和5 個(gè)子程序。主程序放在組織塊OB 中，讀寫RFID單元數(shù)據(jù)及調(diào)用子程序以完成物料追蹤及輸出控制功能。5 個(gè)子程序在功能FC 和功能塊FB 中，分別是立庫(kù)回零、出入庫(kù)平臺(tái)程序，庫(kù)位信息處理程序，堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)程序以及伺服運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序[6]，相互調(diào)用，共同完成立體倉(cāng)庫(kù)的物料入庫(kù)、物料出庫(kù)、空板入庫(kù)和空板出庫(kù)功能。物料的出入庫(kù)要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，主要是控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)PLC 對(duì)伺服電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。將40個(gè)倉(cāng)庫(kù)的實(shí)際距離作為其坐標(biāo)，如圖6。在PLC 軟件的工藝對(duì)象中，設(shè)置X 軸電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要10 000 個(gè)脈沖，電機(jī)移動(dòng)20 mm；Z 軸電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要10 000 個(gè)脈沖，電機(jī)移動(dòng)17.5 mm；允許電機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)。PLC 根據(jù)庫(kù)位的實(shí)際坐標(biāo)位置發(fā)出對(duì)應(yīng)的脈沖輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確定位。

圖6 立體倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位分布圖

控制系統(tǒng)的流程如圖7。PLC 上電后，數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化操作。如果系統(tǒng)存在故障，則紅色指示燈亮，此時(shí)立體倉(cāng)庫(kù)為故障狀態(tài)，不執(zhí)行任何操作。按下啟動(dòng)按鈕，主程序開始調(diào)用各子程序，完成伺服系統(tǒng)檢查和立庫(kù)回零操作。黃色指示燈亮，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，可以自動(dòng)完成物料板入庫(kù)、物料板出庫(kù)、空板入庫(kù)和空板出庫(kù)操作。

圖7 立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)流程圖

（1）物料板入庫(kù)指令：上位機(jī)輸入有效訂單號(hào)并下此指令，1#物料平臺(tái)進(jìn)行物料檢測(cè)，確認(rèn)有料后再將訂單號(hào)寫入電子便簽。啟動(dòng)輸送機(jī)，將物料板送入1號(hào)庫(kù)，1號(hào)庫(kù)位的光電開關(guān)檢測(cè)到物料后，庫(kù)位信息處理程序完成庫(kù)位選擇并記憶，給出物料入庫(kù)庫(kù)位號(hào)，堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)程序完成物料板的出庫(kù)和入庫(kù)操作。入庫(kù)完成后，系統(tǒng)原地處于待機(jī)狀態(tài)。

（2）物料板出庫(kù)指令：上位機(jī)發(fā)送指令后，庫(kù)位信息處理程序計(jì)算出庫(kù)號(hào)，堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)程序控制堆垛機(jī)移動(dòng)至出庫(kù)庫(kù)位，完成物料板的出庫(kù)操作并送至17 號(hào)庫(kù)位完成入庫(kù)。此時(shí)17 號(hào)庫(kù)位的光電開關(guān)檢測(cè)到物料后，便啟動(dòng)2#物料平臺(tái)輸送機(jī)，將物料板送至2#平臺(tái)物料檢測(cè)處，出庫(kù)完成，隨后物料進(jìn)入機(jī)械加工環(huán)節(jié)，物料板變?yōu)榭瞻濉?/p>

（3）空板入庫(kù)指令：上位機(jī)發(fā)送該指令后，2#物料平臺(tái)進(jìn)行物料檢測(cè)，確認(rèn)有料后讀出電子便簽內(nèi)的訂單號(hào)。啟動(dòng)輸送機(jī)，將物料板送入17號(hào)庫(kù)，17號(hào)庫(kù)位檢測(cè)到空板后，庫(kù)位信息處理程序完成庫(kù)位選擇并記憶，給出入庫(kù)庫(kù)位號(hào)，堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)程序完成空板的出庫(kù)和入庫(kù)操作。入庫(kù)完成后，系統(tǒng)原地處于待機(jī)狀態(tài)。

（4）空板出庫(kù)指令：上位機(jī)發(fā)送該指令后，庫(kù)位信息處理程序計(jì)算出庫(kù)號(hào)，堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)程序控制堆垛機(jī)移動(dòng)至出庫(kù)庫(kù)位，完成物料板的出庫(kù)操作并送至1 號(hào)庫(kù)位完成入庫(kù)。此時(shí)1 號(hào)庫(kù)位檢測(cè)到空板后，啟動(dòng)1#物料平臺(tái)輸送機(jī)，將空板送至1#平臺(tái)物料檢測(cè)處，出庫(kù)完成，待空板裝入新的物料后，空板變?yōu)槲锪习?。系統(tǒng)在執(zhí)行上述某種操作時(shí)，系統(tǒng)綠色指示燈亮。

2.3 上位機(jī)監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)

立體倉(cāng)庫(kù)上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控主要用于庫(kù)位信息顯示、運(yùn)動(dòng)參數(shù)顯示以及庫(kù)位操作，如圖8。庫(kù)位信息實(shí)時(shí)顯示物料庫(kù)及空板庫(kù)的使用情況，對(duì)于已用庫(kù)位來(lái)說(shuō)，給出了物料的訂單號(hào)。運(yùn)動(dòng)參數(shù)顯示分別從伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)量及出入庫(kù)流程給出。用戶可以選擇物料入庫(kù)、物料出庫(kù)、空板入庫(kù)和空板出庫(kù)，從而完成相應(yīng)的庫(kù)位操作。立體倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)運(yùn)行、待機(jī)及報(bào)警指示燈進(jìn)行檢測(cè)。操作“追溯管理”，可顯示物料板和空板的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖8 立體倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控主畫面

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，智能化立體倉(cāng)庫(kù)完成了物料板和空板的自動(dòng)出入庫(kù)功能，實(shí)現(xiàn)了物料的動(dòng)態(tài)追蹤功能，降低了物料的報(bào)廢率，達(dá)到了堆垛機(jī)對(duì)40個(gè)庫(kù)位的精確定位，完成了預(yù)期功能。立體倉(cāng)庫(kù)智能控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)清晰，功能可靠，具有智能化、便捷化的特點(diǎn)，可以方便接入工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工系統(tǒng)，為今后智能制造領(lǐng)域提供優(yōu)質(zhì)可靠的物料供應(yīng)。