基于ＰＬＣ的堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要: 通過對自動(dòng)化立體倉庫中堆垛機(jī)的功能分析，提出完整的堆垛機(jī)控制系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)方案，并涉及到PLC﹑變頻器﹑激光測距儀等設(shè)備的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞: PLC;變頻器;激光測距儀;梯形圖

隨著物流業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)化立體倉庫得到廣泛的推廣。自動(dòng)存取設(shè)備（AS/RS）作為自動(dòng)化立體倉庫的核心功能模塊之一在很大程度上提高了倉庫作業(yè)的自動(dòng)化水平，節(jié)省了人力，尤其是堆垛機(jī)設(shè)備的使用提高了倉庫的作業(yè)效率，增強(qiáng)了作業(yè)的安全性。因此我們對堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其功能進(jìn)行了研究并給出了完整的設(shè)計(jì)方案。

本文將從硬件和軟件兩個(gè)方面著手。硬件方面，對系統(tǒng)的電氣功能圖以及涉及到的設(shè)備給出了相應(yīng)的型號和參數(shù)設(shè)定；軟件方面，在硬件的基礎(chǔ)上給出了PLC梯形圖程序。

一、堆垛機(jī)系統(tǒng)組成及功能介紹

巷道堆垛機(jī)一般由升降機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、貨叉、伸縮機(jī)構(gòu)、機(jī)架以及電氣部分等組成。

自動(dòng)化立體倉庫中的堆垛機(jī)，要求能夠接收上位機(jī)的指令并對指令做出判斷（需要做出的判斷包括運(yùn)行的方式為手動(dòng)還是自動(dòng)，進(jìn)行的是出庫還是入庫，是從哪個(gè)方向等），然后再進(jìn)行動(dòng)作，完成動(dòng)作分為自動(dòng)取貨和存貨。因此，堆垛機(jī)在動(dòng)作之前就要對上位機(jī)給出的位置和自身所處的位置加以比較，然后做出判斷向哪個(gè)方向行走。堆垛機(jī)有水平行走，垂直運(yùn)行和貨叉伸縮三種動(dòng)作。本文主要討論堆垛機(jī)的精確定位以及3種動(dòng)作的準(zhǔn)確控制。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.功能模塊設(shè)計(jì)

水平行走：PLC接到上位機(jī)指令，水平方向激光測距儀給出當(dāng)前位置，PLC做出判斷，控制變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)水平行走設(shè)備運(yùn)行。

垂直升降：PLC接到上位機(jī)指令，垂直方向激光測距儀給出當(dāng)前位置，PLC做出判斷，控制變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)垂直行走設(shè)備運(yùn)行。

貨叉伸縮：由于貨叉運(yùn)行距離較短，所以不需要變頻器的控制，只需PLC控制電機(jī)以恒定的速度運(yùn)行就可以滿足要求。

附屬設(shè)備：設(shè)置多對光電開關(guān)。為了準(zhǔn)確定位和防止出現(xiàn)故障，設(shè)有故障報(bào)警設(shè)備。

2.水平速度模式和運(yùn)行方向的確定

堆垛機(jī)在倉庫貨架間穿行，有時(shí)候目的地址和自身所在位置相距可能較遠(yuǎn)，有時(shí)候可能很近，為了提高效率，我們要求堆垛機(jī)按照距離的遠(yuǎn)近對自身運(yùn)行速度進(jìn)行控制。本文采用PLC發(fā)出多段速度指令控制水平變頻器。垂直方向由于運(yùn)行距離較短沒有采用多段速度。

現(xiàn)代堆垛機(jī)的運(yùn)行速度一般為160～240m/min，最高達(dá)320 m/min；起升速度為40～60m/min左右，最高達(dá)100 m/min。堆垛機(jī)理想速度模式為開始先以最大加速度a起動(dòng)，勻加速到允許的最大值，然后勻速運(yùn)動(dòng)，在接近目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，以同樣的加速度a勻減速，當(dāng)V =0時(shí)，堆垛機(jī)正好位于要存取貨物的位置。理想的速度模式如圖1所示。

但是為保證較高的停止精度，堆垛機(jī)在臨近貨位停機(jī)前又必須以較低的速度(爬行速度)運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此時(shí)運(yùn)行速度為2～4m/min。因此，運(yùn)行機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)均存在一個(gè)調(diào)速問題。為了有效提高作業(yè)效率和停止精度，堆垛機(jī)的水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)和垂直上升機(jī)構(gòu)各用一個(gè)變頻器。

堆垛機(jī)水平運(yùn)行方向的判定：設(shè)堆垛機(jī)初始位置S1，目的位置S2，目的位置與初始位置的差為S，則S=S2-S1，若S為正，對堆垛機(jī)給前進(jìn)指令，若為負(fù)，則給后退指令。

堆垛機(jī)的水平運(yùn)行速度模式的判定：采用三級速度控制，除了工作速度和慢速爬行速度外，中間還插入一檔中速，增加中速可降低減速度，縮短爬行距離和時(shí)間，從而縮短作業(yè)周期。為了設(shè)置的方便，我們將速度轉(zhuǎn)換成變頻器輸出頻率。

堆垛機(jī)水平運(yùn)行速度的判定:假設(shè)運(yùn)行過程中距目的位置的距離為S，則當(dāng)S<2m，則堆垛機(jī)以低速運(yùn)行，設(shè)為5HZ；若2m4m，則堆垛機(jī)以高速運(yùn)行，設(shè)為40HZ。另外還設(shè)有一爬行速度2HZ，速度V和方向D的控制算法如下:

堆垛機(jī)的水平運(yùn)行速度曲線圖如圖２所示。

3. 圖3為堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)功能模塊。

4.電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PLC的輸入輸出

PLC輸入包括數(shù)字量的輸入和模擬量的輸入。光電開關(guān)等為數(shù)字量的輸入，而激光測距儀為模擬量的輸人，所以采用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后輸入到PLC。數(shù)字量輸入包括操作方式（手動(dòng)，單周運(yùn)行，自動(dòng)循環(huán)）、變頻器的故障反饋、故障檢測。

PLC的輸出包括水平變頻器（水平變頻器正轉(zhuǎn)，水平變頻器反轉(zhuǎn)，多段速度速度1，多段速度速度2，多段速度速度3，水平點(diǎn)動(dòng)），垂直變頻（垂直變頻器正轉(zhuǎn)，垂直變頻器反轉(zhuǎn)，垂直速度，垂直點(diǎn)動(dòng)），貨叉（貨叉左伸，貨叉右伸）。

為滿足上述輸入輸出端子數(shù)，我們選用PLC的CPU型號為西門子公司的CPU226（24輸入/16輸出），選用的輸入輸出擴(kuò)展模塊為：EM223（16輸入/16輸出），EM221 （8輸入），EM231（4輸入）。

三、軟件的設(shè)計(jì)

程序的流程如下圖

程序說明：

首先確定運(yùn)行方式是手動(dòng)還是自動(dòng)。在手動(dòng)方式下的操作指令有: 手動(dòng)前進(jìn)，手動(dòng)后退，手動(dòng)上升，手動(dòng)下降，貨叉左伸和貨叉右伸。由于手動(dòng)方式主要用于調(diào)試和維修，因此省略了故障分析處理。

自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，先將水平和垂直傳感器的位置數(shù)據(jù)取出，同時(shí)取得上位機(jī)的作業(yè)方式、目的地址，然后動(dòng)作。作業(yè)方式有四種：東進(jìn)、東出、西進(jìn)、西出，不管是東出還是西出，它們的動(dòng)作順序都差不多（入庫行走→取貨→出庫行走→卸貨）。同樣?xùn)|入和西入也很相似（出庫行走→取貨→入庫行走→卸貨）。所以我們假設(shè)以出庫操作順序進(jìn)行編程。

首先是入庫行走。在入庫行走過程中除水平運(yùn)動(dòng)外，垂直方向也要能準(zhǔn)確定位到目的層。水平方向先比較堆垛機(jī)現(xiàn)在的位置和目的位置距離反光板的距離，如果堆垛機(jī)現(xiàn)在的位置遠(yuǎn)，則應(yīng)向反光板方向行走，向水平變頻器輸出正轉(zhuǎn)信號；相反，則向水平變頻器輸出反轉(zhuǎn)信號。垂直方向以同樣原理進(jìn)行方向設(shè)定。除方向設(shè)定外還需進(jìn)行速度設(shè)定，此控制系統(tǒng)中水平方向有三種速度可以選擇。停車后，如果到達(dá)目的地址則啟動(dòng)下一段程序。

其次是取貨操作。由于我們事先已經(jīng)將升降臺(tái)下降了一點(diǎn)，所以貨叉可以直接伸入貨架托盤。不過在此之前要檢測貨架是否有貨，再根據(jù)排號決定貨叉左伸或右伸。出庫操作也要根據(jù)上位機(jī)的出庫指令向東或向西行走，同樣每個(gè)動(dòng)作前也要進(jìn)行鏈條、變頻器等故障檢測。

最后進(jìn)行卸貨操作。它和取貨有很多相似之處，但又不大一樣。為了能將托盤順利的送到輸送機(jī)上方，需要先將堆垛機(jī)的升降臺(tái)略微向上抬升一小段距離，提升到位后根據(jù)設(shè)定的北邊輸送機(jī)出貨的條件，使貨叉電機(jī)正轉(zhuǎn)。貨叉到位后再將升降臺(tái)向下運(yùn)行一段距離，使托盤落到輸送機(jī)上，完成后即可進(jìn)行收回貨叉操作。確保貨叉已收回時(shí)，整個(gè)任務(wù)就完成了。

如果是入庫操作，由于和出庫行走程序很相似，所以只要在東邊出庫和西邊出庫運(yùn)行方式開關(guān)下并聯(lián)一個(gè)東邊入庫和西邊出庫開關(guān)就可以了。因?yàn)閮H位置數(shù)據(jù)不同，動(dòng)作及順序均一樣，所以在此不再贅述。

到這里，整個(gè)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)基本上能滿足實(shí)際生產(chǎn)中自動(dòng)存取的要求，并且有一定的安全保障，完全可以運(yùn)用到自動(dòng)化立體倉庫中去。

參考文獻(xiàn) :

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。