基于PLC和MCGS的立體倉庫控制系統(tǒng)設(shè)計

劉興祥

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建龍巖364021)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地價格越來越高。企業(yè)物流倉儲成本也越來越高。立體倉庫能夠用有限的土地實現(xiàn)存儲向縱向空間發(fā)展，有效地節(jié)省倉庫占地面積，提高土地的空間使用率。同時，自動化立體倉庫還能減少人工分揀差錯,減輕員工勞動強(qiáng)度,提高倉儲管理智能化水平。自動化立體倉庫雖在現(xiàn)代物流企業(yè)中表現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)勢，但是目前我國自動化立體倉庫的數(shù)量跟發(fā)達(dá)國家相比仍然不多，總體建設(shè)水平仍有一定的差距。隨著存儲復(fù)雜程度與控制精度要求的提高，如何更好地發(fā)揮自動化立體倉庫的優(yōu)勢，完善倉儲調(diào)度的可視化管理，確保立體倉庫系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和精準(zhǔn)快捷，成為立體倉庫研究的新課題。本文以3區(qū)5層共15個倉位的立體倉庫模型為例，應(yīng)用三菱FX3U可編程控制器及北京昆侖通態(tài)MCGS組態(tài)軟件，采用變頻調(diào)速的方式傳送貨物，實現(xiàn)貨物存取的自動化和可視化，希望能為自動化立體倉儲系統(tǒng)改造和設(shè)計提供一些參考。

1 控制系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

立體倉庫系統(tǒng)主要由稱重區(qū)、托盤傳送帶、貨物傳送帶、機(jī)械手、碼料小車、碼料小車運(yùn)行巷道和高層貨架倉庫區(qū)組成，如圖1所示。稱重區(qū)用稱重傳感器對貨物質(zhì)量進(jìn)行檢測并反饋給人機(jī)界面。托盤傳送帶由三相異步電動機(jī)進(jìn)行單向正轉(zhuǎn)控制。貨物傳送帶由三相異步電動機(jī)變頻驅(qū)動。機(jī)械手由電磁閥氣動裝置控制，通過伸縮、夾緊和松開等動作對貨物料進(jìn)行定位和打包。碼料小車采用伺服電機(jī)控制左右位移(X軸方向)、步進(jìn)電機(jī)控制上下位移(Y軸方向)、直流電機(jī)控制伸縮叉料(Z軸方向)，以此實現(xiàn)三維空間中的精準(zhǔn)存取定位。

圖1 立體倉庫系統(tǒng)示意圖

1.2 控制要求

通電后系統(tǒng)先進(jìn)行自檢，碼料小車回原點進(jìn)入啟動準(zhǔn)備狀態(tài)。用傳感器SQ3檢測該位置是否有托盤，若無托盤，則托盤傳送帶電機(jī)啟動，將托盤送至傳感器SQ3位置。當(dāng)傳感器SQ1檢測到無貨物時，觸摸屏報警，提示放入貨物；當(dāng)檢測到有貨物時，稱重傳感器工作并在組態(tài)中顯示當(dāng)前貨物質(zhì)量，然后經(jīng)過貨物傳送帶將貨物運(yùn)送至SQ2位置[1]。貨物傳送帶速度根據(jù)貨物質(zhì)量進(jìn)行變頻調(diào)速，貨物質(zhì)量一般為0～100 kg，稱重傳感器將貨物質(zhì)量信號轉(zhuǎn)換成0～10 V電壓信號，對應(yīng)的變頻驅(qū)動器運(yùn)行頻率為0～50 Hz。貨物到達(dá)傳感器SQ2位置后，機(jī)械手將貨物打包放入托盤。其工作過程是：機(jī)械手臂1先伸出，將SQ2處的貨物推入SQ3位置的托盤，再通過機(jī)械手臂2壓緊貨物并對貨物進(jìn)行定位后松開，最后機(jī)械手臂1縮回，完成整個動作。貨物打包完后，碼料小車開始工作。立體倉庫共有15個存儲位置，每個存儲位置最多可存放100 kg的貨物，存放貨物時按照1A—1B—1C—2A—2B—2C—3A……的順序進(jìn)行。例如：第一個貨物50 kg，將其放入1A倉位，第二個貨物若小于50 kg，則還將其放入1A位置，若大于50 kg，則放入1B位置，以此類推。在整個運(yùn)行過程中，MCGS觸摸屏作為上位機(jī)可對PLC控制的下位機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行實時監(jiān)控。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件的總體結(jié)構(gòu)

立體倉庫系統(tǒng)模型采用北京昆侖通態(tài)MCGS觸摸屏TPC7062TI作為上位機(jī)，帶有高速脈沖輸出的三菱PLC(16點輸入，16點輸出)和三菱模擬量模塊FX3U-3A-ADP(2個通道輸入，1個通道輸出)作為下位機(jī)。控制終端的有5臺電機(jī)：臺達(dá)伺服電機(jī)、步科步進(jìn)電機(jī)、直流正反轉(zhuǎn)叉貨電機(jī)和2臺三相異步電機(jī)。2臺三相異步電機(jī)分別采用單向運(yùn)行控制和三菱E740變頻器模擬量變頻控制。機(jī)械手精準(zhǔn)定位貨物并將貨物和托盤整體打包。下位機(jī)能實時采集各類傳感器的開關(guān)量信號和模擬量信號，并反饋到人機(jī)界面觸摸屏上。

2.2 主要設(shè)備的電氣接線

立體倉庫系統(tǒng)的設(shè)備電氣接線如圖2。在碼料小車運(yùn)行的各方向均設(shè)有限位保護(hù)裝置。碼料小車的直流叉貨電機(jī)正轉(zhuǎn)時叉臂伸入托盤底槽，反轉(zhuǎn)時叉臂縮回[2]。伺服電機(jī)采用ASD-B2-0421-B全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動器。PLC的高速脈沖輸出端Y00和Y01分別接驅(qū)動器的/PULSE與/SING端，用來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向[3]。步進(jìn)電機(jī)采用步科Kinco3M458驅(qū)動器。PLC的高速脈沖輸出端Y02和Y03分別接驅(qū)動器的PLS+與DIR+端，用來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。直流叉貨電機(jī)采用JS-4D60GN-24直流電動機(jī),三菱PLC輸出端Y10和Y11分別控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

貨物傳送帶電機(jī)選用三菱變頻器E740驅(qū)動控制。PLC輸出端Y07接變頻器方向信號STF端子，對傳送帶電機(jī)進(jìn)行單向正轉(zhuǎn)控制。變頻器工作頻率根據(jù)模擬電壓信號給定，需把變頻器的電壓輸入端(端子2和5)接模擬量模塊FX3U-3A-ADP的電壓輸出端，稱重傳感器檢測的0～10 V電壓信號接入模擬量模塊FX3U-3A-ADP的電壓輸入通道。托盤傳送帶電機(jī)采用三相異步電動機(jī)，用CJX2-1201型交流接觸器控制，并用PLC輸出端Y12控制繼電器KA2，進(jìn)而控制交流接觸器線圈，實現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電。機(jī)械手的動作由PLC輸出端Y13、Y14控制。三菱PLC設(shè)備的I/O分配見表1。

表1 三菱PLC設(shè)備I/O分配

表1(續(xù))

2.3 主要參數(shù)設(shè)置

立體倉庫系統(tǒng)仿真在實驗室采用與實際工作情況相同的縮小版，其電機(jī)的工作功率和運(yùn)行位移都一定程度地縮小。碼料小車中，伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1周都需要1 000個脈沖，伺服電機(jī)驅(qū)動器恢復(fù)出廠設(shè)置后，應(yīng)把電子齒輪比設(shè)置為160∶1(即P-44設(shè)置為160，P-45設(shè)置為1)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的步進(jìn)細(xì)分撥碼DIP1—DIP3設(shè)置為100。變頻器進(jìn)行模擬電壓調(diào)速控制,調(diào)速范圍為0～50 Hz，變頻器恢復(fù)出廠設(shè)置后，應(yīng)將模擬量電壓輸入選擇P73設(shè)置為0，加速時間P7設(shè)為2 s,減速時間P8設(shè)為1 s，最后變頻器要設(shè)置為外部運(yùn)行模式，即把P79設(shè)為2。托盤傳送帶的三相異步電動機(jī)應(yīng)根據(jù)實際情況考慮過載保護(hù)，需要把NR2-25/Z型熱過載繼電器的整定電流調(diào)節(jié)為0.25 A。

3 控制系統(tǒng)軟件

3.1 主要PLC程序設(shè)計

系統(tǒng)控制分為手動調(diào)試和自動運(yùn)行兩種模式。手動、自動切換可通過觸摸屏按鈕或現(xiàn)場手動/自動切換開關(guān)SA來實現(xiàn)。手動調(diào)試，用戶可通過觸摸屏自由選擇可存放倉位，系統(tǒng)能根據(jù)當(dāng)前貨物質(zhì)量判斷哪些倉位不能存放當(dāng)前貨物，并鎖定該倉位存放按鈕為不可見,避免用戶錯選倉位，提高系統(tǒng)安全可靠性。在系統(tǒng)預(yù)調(diào)試階段，手動調(diào)試還可對系統(tǒng)進(jìn)行單臺電機(jī)測試。自動運(yùn)行模式可實現(xiàn)儲存全過程自動化。系統(tǒng)能夠根據(jù)高層貨架倉庫區(qū)當(dāng)前的剩余存貨信息，依次選擇倉位進(jìn)行貨物存放(每個倉位存放貨物不超過100 kg)，并在人機(jī)界面中顯示貨物運(yùn)行狀況和倉位存貨情況。系統(tǒng)根據(jù)貨物質(zhì)量選擇合適的倉位，以保證每個倉位存儲貨物最大化。立體倉庫系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

貨物傳送帶和托盤傳送帶控制程序如圖4所示。

PLC輸入端X13無信號(即SQ3位置無托盤)時，PLC的Y12有輸出，驅(qū)動托盤傳送帶啟動，將托盤運(yùn)送至SQ3位置。PLC輸入端X11無信號(即SQ1位置無貨物)時，M4有輸出，觸摸屏組態(tài)報警，提示放入貨物。放入貨物后，稱重傳感器記錄當(dāng)前貨物質(zhì)量，再將其轉(zhuǎn)換為0～10 V電壓信號傳給模擬量輸入模塊D8261，電壓信號在此轉(zhuǎn)化為0～4 000的數(shù)值量存儲在數(shù)據(jù)存儲器D8261中。PLC程序用傳送指令(MOV D8261 D10)把D8261數(shù)據(jù)傳給D10存儲，供人機(jī)界面顯示當(dāng)前貨物質(zhì)量。貨物傳送帶速度根據(jù)貨物質(zhì)量進(jìn)行變頻調(diào)速，即通過傳送指令把D10數(shù)據(jù)傳給D8262來控制變頻器運(yùn)行頻率，輸出端Y07控制變頻器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行方向。貨物到達(dá)SQ2位置后，Y13有輸出，電磁閥KA3得電，機(jī)械手臂1伸出將SQ2處的貨物放入SQ3位置的托盤。光電傳感器C1檢測到托盤貨物后,Y14輸出3 s，電磁閥KA4得電3 s，機(jī)械手臂2壓緊打包貨物，完成后機(jī)械手臂2松開,Y13停止輸出，電磁閥KA3失電，機(jī)械手臂1縮回[4]。

圖3 立體倉庫系統(tǒng)工作流程圖

圖4 傳送帶控制程序

碼料小車選擇存放倉位首先用加法指令(ADD D11 D10 D111)把每個倉位的已有貨物質(zhì)量都加上當(dāng)前貨物質(zhì)量;然后，用區(qū)間比較指令(ZCP K1 K4000 D111 M110)判斷貨物總質(zhì)量是否在100 kg范圍內(nèi);最后，用矩陣判斷方法選擇該貨物可存放的倉位。貨物送達(dá)相應(yīng)倉位存貨后，對該倉位貨物質(zhì)量進(jìn)行累計(如MOV D111 D11)并反饋給人機(jī)界面。

在同一倉位放置多個貨物時，為避開已有貨物，碼料小車步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，將貨物上移至該倉位最高點，然后碼料小車直流叉料電機(jī)正轉(zhuǎn)，叉臂伸出，接著碼料小車步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，將貨物下移至觸碰障礙物后停止，這時直流叉料電機(jī)反轉(zhuǎn)，叉臂縮回、疊放貨物。這里障礙物可以是已有貨物或是倉位貨架。在實際應(yīng)用中，還應(yīng)加光電傳感器檢測每一倉位貨物是否超過倉位體積，超體積情況下系統(tǒng)應(yīng)保證體積優(yōu)先，質(zhì)量次之的原則進(jìn)行倉位選擇判斷，并且可以在觸摸屏中顯示某某倉位已滿的報警提醒，此時可以依次往后一個倉位存貨，直至所有倉位存滿。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)置

立體倉庫模型系統(tǒng)的上位機(jī)采用MCGS組態(tài)軟件，用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)監(jiān)控[5]。

MCGS與三菱FX系列通信設(shè)置見圖5。首先，在MCGS的設(shè)備窗口，添加通用串口父設(shè)備和三菱FX系列編程口。然后設(shè)置串口設(shè)備屬性：最小采集周期10 ms、串口號0—COM1、波特率9 600、數(shù)據(jù)位0—7位、停止位0—1位、偶校驗等。接著在三菱FX系列編程口的設(shè)備編輯窗口，修改設(shè)備內(nèi)部屬性，并增加所需的設(shè)備通道和連接相應(yīng)變量。最后，參考圖6制作用戶窗口，完成相關(guān)數(shù)據(jù)對象的連接。

3.3 系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行

首先檢測各傳感器信號是否接入PLC相應(yīng)輸入端并反饋給上位機(jī)，確保上位機(jī)與下位機(jī)通信正常。然后對電機(jī)逐一進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整。現(xiàn)場調(diào)試無誤后方可進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試運(yùn)行。

圖6是倉庫模型MCGS聯(lián)機(jī)調(diào)試界面。這是一款運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單、監(jiān)控效果良好的人機(jī)交互界面，方便用戶直觀地看出當(dāng)前倉庫貨架的使用情況及碼料小車在X軸和Y軸的位置。從圖中可以看出，SQ1處有貨物，稱重區(qū)顯示當(dāng)前該貨物質(zhì)量為51.93 kg，SQ3處有托盤，當(dāng)前處于手動模式并且只有在2C區(qū)以后才能存放當(dāng)前貨物。手動模式下需先選擇存放位置,然后按下啟動按鈕，系統(tǒng)才能工作。貨物傳送帶啟動，將貨物送至SQ2處停止，貨物傳送帶變頻器驅(qū)動運(yùn)行頻率約為25.96 Hz。然后機(jī)械手工作將貨物打包放入托盤。接著碼料小車取貨，過程是直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，叉臂伸出到托盤底部，隨后步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，貨物連同托盤上移10 cm，然后直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，叉臂縮回，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，貨物連同托盤下移10 cm，回初始點，完成取貨。碼料小車根據(jù)所選倉位(如選3C區(qū))，右移至傳感器SQ15位置處，然后上移至3層最高處。碼料小車進(jìn)行存貨，存貨過程是直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，將托盤與貨物伸出，隨后步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，貨物連同托盤下移觸碰到倉位貨架，Z軸底部限位開關(guān)SQ0動作，接著直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，叉臂縮回，完成存貨，并顯示該倉位貨物質(zhì)量變化情況(即3C區(qū)貨物質(zhì)量為51.93 kg)。最后，碼料小車返回原點，等待下一個貨物存放。若在自動模式下，只需按下啟動按鈕，系統(tǒng)就會自動根據(jù)矩陣計算程序判斷當(dāng)前貨物應(yīng)存放倉位(當(dāng)前該貨物質(zhì)量為51.93 kg，則應(yīng)存放在2C區(qū))，堆垛碼料小車存取貨物過程與手動模式相同，完成存貨后，2C區(qū)貨物質(zhì)量將為91.77 kg(即39.84 kg+51.93 kg)。如果SQ1處有新貨物，系統(tǒng)將繼續(xù)自動運(yùn)行存取貨物。

圖5 MCGS與三菱FX系列通信設(shè)置

圖6 立體倉庫系統(tǒng)MCGS調(diào)試界面

4 結(jié)語

系統(tǒng)模擬運(yùn)行表明，基于PLC和MCGS的立體倉庫控制系統(tǒng)，原理簡單，定位準(zhǔn)確，性能可靠，控制方便。該設(shè)計取代了原先用三菱Q與FX系列組網(wǎng)的立體倉庫系統(tǒng)，大大節(jié)約了設(shè)計和制造成本。系統(tǒng)在倉位選擇程序設(shè)計上可以進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)比較和矩陣計算，很好地優(yōu)化了立體倉庫存儲能力，最大限度地利用了每一個倉位。該系統(tǒng)還運(yùn)用了MCGS上位機(jī)觸摸屏，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)控制過程的可視化和智能化，大大改善了員工的工作環(huán)境，降低了員工的勞動強(qiáng)度。