正泰集團的自動化立體倉庫定位存儲系統研究

■江西外語外貿職業學院 毛卓琳 徐 睿

自動化立體倉庫作為新型的物流倉儲方式，在當今物流產業發展中發揮著重要的作用。而在貨物入庫過程中，對物資的精準定位是關鍵的一環。步進電機控制技術是通過脈沖轉換的方式，將電轉換為直線運動或是角的位置移動。若沒有超載，由脈沖信號的頻率和脈沖數決定電機的轉速和停止位置，所以在需要精密控制時，多采用步進電機控制技術。自動化立體倉庫能夠實現在接收到物資時，按照物資信息自動入庫并將其存儲到指定位置。

正泰集團是國內著名的低壓電器銷售企業，該公司的產品約有150個系列、5000多個品種，還擁有相關的零部件及原材料的供應體系。正泰集團的自動化立體倉庫是該公司物流系統中的重要組成部分，其占地面積約為1700km2，高度約為18m，其貨架約為8排4巷道。因為該公司倉庫的規模較大，且要求快速、準確地儲存多種不同型號的低壓電器成品，但現有的倉庫管理系統不能滿足要求。鑒于此，本文基于步進電機控制技術和可編程邏輯控制技術，以自動化立體倉庫為研究對象，為正泰集團公司設計了一套自動化立體倉庫定位存儲系統，實現了立體化倉庫存儲系統中的定位控制。

1 自動化立體倉庫定位存儲系統的總體設計

1.1 系統結構設計

自動化立體倉庫定位存儲系統的組成有可編程邏輯控制（即P ro g ram m ab le Logic Controller，即PLC）模塊、步進驅動模塊，絲桿驅動模塊、工件推出模塊、自動化立體倉庫和氣源處理組件等。其結構示意圖如圖1所示。

1.2 精準定位原理

可編程邏輯控制模塊發出脈沖指令，步進電機就轉動相應的步距角度，同時Z軸步進電機帶動Z軸絲桿做上下的直線運動，或者是由X軸帶動X軸絲桿做左右的直線運動。這時，在載物臺上就可以實現上、下、左、右運動。因此，若能夠控制步進電機的脈沖數量就可以控制載物臺在X軸和Z軸上的移動距離，從而實現精準定位，達到將物資放在自動化立體倉庫指定位置的目的。具體來說，平移距離為步距角度、脈沖數量以及螺距三者的積。

圖1 自動化立體倉庫定位存儲控制系統結構示意圖

2 自動化立體倉庫定位存儲系統的硬件設計

2.1 可編程邏輯控制模塊

正泰集團公司使用西門子S7-200系列的CPU 224 CN作為自動化立體倉庫定位存儲系統的控制器，其有14個輸入點和10個輸出點，共計24個I/O點。該控制器的脈沖輸出功能較快，體積較小，功能強，同時可以驅動步進電機的運動。正泰集團自動化立體倉庫定位存儲系統的硬件控制接線圖如圖2所示。

2.2 步進驅動模塊

步進電機和步進驅動器共同組成了步進驅動模塊，而為了能夠更好地控制X軸和Z軸的絲桿運動，自動化立體倉庫定位存儲系統有兩套步進驅動模塊。在可編程邏輯控制模塊發出脈沖信號和方向電平信號后，由步進驅動器接受該組信號，并將其信號準換為可以驅動步進電機的信號。方向電平信號則可以控制步進電機的旋轉方向，脈沖信號的頻率控制步進電機的旋轉速度，而脈沖信號的數量控制步進電機的旋轉角度。

正泰集團的步進電機采用四項步進電機，驅動器采用細分型步進電機的驅動器。該驅動器具有較高的運轉精度，且振動較小、雜訊低、抗干擾等特點。此外，在靜止的情況下，由于電流會自動減半，所以電源有保護功能。該步進電機的步距角度是2o，具體來說，若步進電機轉動一周就需要180個脈沖。但是通過設置細分可移速度，最高可達11520個脈沖。可以通過撥動開關設定步進驅動器的細分設定，具體可將開關設為SW 1、SW 2和SW 3，其中設SW 1為開、SW 2為關、SW 3為開，具體見表1。如果步進電機轉一周需要600個脈沖，即其細分設置是每圈600步數，而其步距角為600×0.6=3600。

圖2 自動化立體倉庫定位存儲系統硬件控制接線圖

促使步進電機轉動的組件是聯軸器，而聯軸器能夠直接帶動螺旋絲桿的轉動，其螺距為4mm。這就表示假如步進電機轉動一周，則載物臺位會移動4mm。這樣，倉庫管理人員要把物資送到自動化立體倉庫中的指定位置時，就可以通過控制載物臺在X軸、Z軸的移動而實現物資的轉移。

如表2，可以通過撥動開關設定步進驅動器的輸出電流設定，具體可將開關設為SW 4、SW 5和SW 6，其中設SW 4為關、SW 5為開、SW 6為關，其輸出電流是1.47A。

表1 步進電機驅動器細分設定表

表2 步進電動機驅動器的輸出電流設定表

2.3 絲桿驅動模塊

步進電機輸出的是旋轉運動，而在絲桿驅動模塊能夠實現將其轉變為直線的反復運動。因為需要兩個絲桿驅動模塊同時運作，那么在安裝這兩個絲桿驅動模塊時，它們可以成直角垂直安裝，進而形成XZ軸的平面運動系統。為了能夠提供位置的參考點并校正其他運動的位置，可以同時在這兩個絲桿驅動模塊都設定一個0點。此外，在絲桿驅動模塊的極限位置上設置保護開關，這不僅可以預防該模塊的過沖情況，還能夠預防機械物理損傷。

2.4 工件推出模塊

工件推出模塊的執行機構是氣動控制系統，其磁感應式接近開關是1B1和1B2，雙作用氣缸為1A，兩位五通電磁換向閥控制雙作用氣缸運動是用1Y 1表示。因此，自動化立體倉庫定位存儲系統的氣動控制原理如圖3所示。

3 自動化立體倉庫定位存儲系統的軟件設計

3.1 I/O分配

自動化立體倉庫定位存儲系統的可編程邏輯控制模塊的I/O口分配表見表3。

3.2 程序設計

自動化立體倉庫定位存儲系統的軟件設計的組成有主程序、Q 0.1控 制 Z軸電機輸出脈沖子程序以及Q 0.0控 制 X軸電機輸出脈沖子程序等。

設計軟件系統的主程序時，首先要檢測絲桿的運動方向，然后輸入脈沖串值，再之后調用Q 0.1和Q 0.0輸出脈沖子程序，這時就可以對是否完成脈沖串輸出進行判斷，最后可以判斷定位的完成情況。其主程序流程如圖4所示。

圖3 自動化立體倉庫定位存儲系統氣動控制原理圖

S7-200 CPU會 提 供 Q 0.1和Q 0.0這兩個高速脈沖輸出點，并利用可編程邏輯控制模塊控制脈沖的頻率和個數，之后利用脈沖輸出指令，并采用PTO編程在Q 0.1和Q 0.0這兩個高速脈沖串的輸出，進而促使步進電機運動。

表3 自動化立體倉庫定位存儲系統I/O端口分配表

圖4 主程序流程圖

表4 多段操作包絡表設置

PTO編程的具體過程如下：首先設置其控制字，輸入周期值和脈沖串計數值，然后連接中斷事件、服務程序等，這時允許中斷，最后執行該指令，實現PTO的編程。在設置控制字時，允許其多段操作。而設置多段操作包絡表可以控制脈沖輸出串，具體見表4。

圖5 Q0.0（控制X軸）輸出脈沖子程序流程圖

圖6 Q0.1（控制Z軸）輸出脈沖子程序流程圖

Q 0.0輸出脈沖串可以控制X軸步進電機運動，其子程序的脈沖流程圖如圖5所示。Q 0.1輸出脈沖串可以控制Z軸步進電機運動，其子程序的脈沖流程如圖6所示。

4 結論

正泰集團的具體實踐，表明本文所研究設計的系統較為穩定流暢，運行效果較好，實際運用價值較高。雖然本文的主要研究對象為正泰集團的自動化立體倉庫，但是該系統的原理和方法能夠擴展到其他產品制造領域，如機械、化工、印刷、牛奶等，以及物流配送領域，如機場貨運、地鐵、港口、航天航空等，還能應用到后勤、裝備等軍事領域。在自動化立體倉庫中運用該定位存儲系統不僅能夠在很大程度上減少出錯率，提高物資入庫的準確性，還能極大地提高存取效率和工作效率，其應用前景廣闊。