摘要:介紹了采用PLC、紅外無線通訊技術、數(shù)據(jù)庫技術和變頻技術對自動化立體倉庫進行控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計，不斷改進和完善系統(tǒng)功能，使系統(tǒng)運行高效、快速、穩(wěn)定、安全，方便。在倉庫管理、行車運行、電梯控制等相似工業(yè)對象管控中具有一定的推廣應用價值。

 

    關鍵詞：立體倉庫，堆垛機，PLC，控制系統(tǒng)，優(yōu)化設計

 

    研究堆垛機的先進精確控制、倉庫信息系統(tǒng)的綜合應用，在倉儲和制造業(yè)中提高貨物流通效率，減輕工作人員的勞動強度。

 

    1系統(tǒng)構成

 

    1．1系統(tǒng)硬件

 

    堆垛機控制系統(tǒng)主要包括上位機、堆垛機機械結構、變頻器、PLC、電機、通訊、顯示、安全保護裝置和檢測等部分組成。堆垛機控制系統(tǒng)對工作環(huán)境和操控功能的需求，從而實現(xiàn)貨物的自動出／入庫、盤庫等作業(yè)，如圖1所示。

 

    圖1堆垛機自動控制系統(tǒng)

 

    1．2系統(tǒng)功能

 

    自動化立體倉庫可通過設置在堆垛機上的本地觸摸屏和上位監(jiān)控主機實現(xiàn)對堆垛機的手動、自動控制和信息管理等各種功能。

 

    1）堆垛機能將貨物從一處搬到另一處，它由金屬機架、水平行走機構、起升機構、載貨臺、貨叉及電氣控制系統(tǒng)構成，完成貨物進出倉庫和存儲等。

 

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

 

    1BL00－0AA0和6ES7322－1BH01－0AA0。

 

    3）通信模塊：用一對遠紅外通信器完成堆垛機中PLC與監(jiān)控機之間的無線通信，實現(xiàn)與上位機通訊，接受上位機的各種指令，同時把堆垛機的狀態(tài)信號反饋給上位機，使上位機可以實時監(jiān)控和顯示堆垛機的運行狀態(tài)。采用紅外無線通信器與上位機進行通訊優(yōu)勢是干擾小、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，輸送給控制器，從而實現(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，操作人員通過此屏輸入各種指令實現(xiàn)對堆垛機的控制。觸摸屏通過DP口與PLC進行數(shù)據(jù)通訊，顯示系統(tǒng)中任何一個對象的狀態(tài)。②上位機：通過通信模塊實現(xiàn)與上位機的信息發(fā)送和接收。對PLC控制器程序進行編輯、下載及調(diào)試和對整個系統(tǒng)進行監(jiān)視、管理。配有LED液晶顯示和打印機，進行貨物出／入庫管理、盤庫管理、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：采用西門子MM440變頻器，數(shù)字量4段控制方式。執(zhí)行機構主要包括堆垛機在水平方向、升降方向以及貨叉方向的動作，通過采用變頻器的多種速度控制提升電機、水平電機和貨叉電機，使堆垛機高效的運行和平滑的啟停，無抖動發(fā)生，進行高效、精準的存取貨物。

 

    2堆垛機控制系統(tǒng)

 

    自動化立體倉庫可通過上位監(jiān)控計算機實現(xiàn)全面協(xié)調(diào)與監(jiān)控，而堆垛機中的PLC控制器則需根據(jù)上位機聯(lián)機指令，或HMI給定的本地操縱信號，實現(xiàn)對堆垛機的定位控制、調(diào)速控制等。堆垛機控制器要實現(xiàn)操作控制，實現(xiàn)拖動控制（即調(diào)速控制）、定位控制及檢測保護控制。圖2所示為堆垛機自動控制模塊組合。

 

    圖2堆垛機自動控制

 

    156基于PLC在自動化立體倉庫控制系統(tǒng)中的優(yōu)化設計

 

    堆垛機的控制方式有檢查、手動和自動控制和統(tǒng)計4種。

 

    1）“檢查”模式：一個操作按鈕對應一個動作，不受電氣保護限制。

 

    2）“手動”（半自動）模式：是人工用感應開關和操作按鈕控制堆垛機的一個連續(xù)動作,來控制堆垛機運行。手動方式一般用于堆垛機的安裝調(diào)試階段或堆垛機發(fā)生異常時的復位等，可以對堆垛機的走行、升降、伸縮貨叉等單獨進行操作，可以手動定位在3個運行方向上的任一位置。

 

    3）“自動”分單機自動模式和聯(lián)機模式，單機自動模式是在操作屏輸入指令可進行貨位的入出庫操作。聯(lián)機模式是上位機發(fā)出作業(yè)指令，控制堆垛機完成一次作業(yè)。

 

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

 

    2．1堆垛機方向控制

 

    堆垛機運行方向：3臺帶電磁制動的電動機分別驅(qū)動堆垛機3個方向的動作，即：堆垛機走行方向（X方向）行走；升降臺升降方向（Z方向）的上升或下降；貨叉左右方向（Y方向）的伸叉及收叉動作［2］。

 

    控制系統(tǒng)采用光電檢測技術，提高了系統(tǒng)的可靠性和反應速度。貨叉位置、機電故障檢測、水平及垂直終點附近的限速及停車檢測等，以保證堆垛機作業(yè)的正常運行中具有水平和垂直方向的認址檢測、左右的貨位探測、貨物不正的檢測以及載貨臺占位(空位情況的檢測)。升降電機采用一只電子過載繼電器進行保護。

 

    2．2堆垛機定位控制

 

    堆垛機是以貨架為目標進行作業(yè)，必須檢測行走方向及升降方向。堆垛機采用兩對光電開關來定位，如圖3所示。

 

    圖3光電開關定位示意圖

 

    如在快速運行中，當運行到距目的地址差2～3個貨位時，由快速均勻減速到中速向前運行，計數(shù)到位后再由中速均勻減速到慢速運行，當后面的光電開關被擋光后剎車定位�？刂葡到y(tǒng)采用相對認址的定位方式，兩對光電傳感器用作走行記數(shù)及走行方向堆垛機的定位信號（如圖2所示）。向前走行時程序檢測到的兩對傳感器信號的變化規(guī)律為00→01→11→10→00，向后走行時的規(guī)律為00→10→11→01→00，每完成一個循環(huán)說明堆垛機走行經(jīng)過一個貨位。

 

    采用西門子變頻器用于電機控制及調(diào)速。目前變頻器制動起始頻率、制動電壓的等級和制動時間的長短都可以進行人為設定，采用變頻調(diào)速進行多步速度控制，改善系統(tǒng)運行特性，使用起來很方便。由于堆垛機本身及貨物的慣性較大，為保證升降及走行的平穩(wěn)，采用多級速度控制。起動時PLC設定變頻器為高速運行，距離目的貨位4～6m時設定為中速運行，距離目的貨位1～2m時切換到低速運行，接近目的貨位時自動切換為對應速度運行，對正貨位后走行停止。

 

    行走路徑的優(yōu)化設計。程序中設置當前走行位置計數(shù)器、走行目的位置寄存器（人機界面上輸入的目的貨位排、列、層的數(shù)值存入該寄存器）及列差和層差計數(shù)器，同時程序采用事先優(yōu)化設計的行走路徑，根據(jù)列差或?qū)硬顏砼袛喽讯鈾C的走行方向，堆垛機走行返回原點時當前走行位置計數(shù)器為零。

 

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

 

    3控制系統(tǒng)的軟件設計

 

    控制系統(tǒng)的軟件設計根據(jù)堆垛機運行特點，采用模塊化設計方案。過載保護、限位保護、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、對準調(diào)整子程序、聯(lián)機自動控制子程序、單機自動控制子程序、叉行控制子程序、通信子程序和數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計等。

 

    堆垛機的主體功能程序是通過接受上位機的指令后,進行合法分析后不斷的調(diào)用以上子程序,實現(xiàn)各種不同的功能。主體程序流程圖見圖4。

 

    圖4主程序流程圖

 

    1）堆垛機執(zhí)行自動入庫作業(yè)：堆垛機待機狀態(tài)（初始條件）為位于巷道兩端口，升降載貨臺位于“1層”，堆垛機貨叉位于中位且其上無貨物，限位開關位置沒有超限，列位置已對準及升降在低位。若巷道入庫口有托盤，則堆垛機向入庫口伸叉，伸叉到位后貨叉向上托起，托到貨物升降臺到達“上位置”后堆垛機收叉，帶著貨物的貨叉回到貨叉“居中”位置后，貨叉停止；載著貨物的升降臺向目的貨位“移動”，到達目的貨位之后檢測目的貨位是否有貨，如無貨堆垛機向入庫貨位伸叉，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“自檢”通過后進入“待機”狀態(tài)，準備下一次作業(yè)。上述作業(yè)過程運行中發(fā)生異常時，自動調(diào)用“報警子程序”發(fā)出聲光報警同時停止設備運行。

 

    2）自動出庫過程與前述過程相反。

 

    3）堆垛機揀選作業(yè)路徑優(yōu)化：運用了動態(tài)規(guī)劃、模糊控制和遺傳等算法進行路徑優(yōu)化,求出堆垛機揀選作業(yè)路徑的最優(yōu)解，保證堆垛機在進行貨物存取的過程中能夠使存取過程快速化，準確化，提高立體倉庫本身的工作效率和準確性。

 

    4）極限位置保護：水平行走、載貨臺升降及貨叉伸縮均設有相應的限位保護開關，以保證堆垛機的運行安全。

 

    參考文獻

 

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

    ［2］郭潤夏．PLC在立體倉庫自動控制系統(tǒng)中的應用［J］．廣東自動與信息工程，2005，26（4）：15－17

    ［3］喬玉晶，呂寧．立體倉庫巷道堆垛機控制系統(tǒng)設計［J］．自動化技術與應用，2004（11）：44－46［收稿日期：2013．8．9］

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