小型自動化立體倉庫控制系統硬件設計

許加鑫，壯而行，陳浩云

（無錫職業技術學院控制技術學院，無錫 214121）

1 引言

自動化立體倉庫也稱自動化存取系統AS/RS（Automatic Storage& Retrieval System），是在不直接進行人工參與的情況下自動地存儲和取出貨物的系統。自動化立體倉庫采用高層倉庫貨架存儲貨物，用專門的倉儲搬運機械設備進行貨物出入庫作業。用可編程控制器PLC控制的自動化立體倉庫實現了物流機械和計算機技術的完美結合，推動了倉儲技術的全面自動化。

一般來說，一個自動化立體倉庫主要由如下設備組成：

（1）高層貨架：高層貨架主要是由鋼或鋼筋混凝土等材料構造成的層式儲物架，它是立體倉庫的主體建筑物。

（2）托盤（貨箱）：方便貨叉取放貨物的專用托板、貨箱。

（3）巷道堆垛：把貨物存入某倉位或將某倉位的貨物取出專用的起重設備。

（4）輸送機系統：可按照規定的路線連續或間歇地可進行水平、傾斜和垂直輸送的搬運機械，因其輸送能力大，運輸距離長，采用多部分附件組合工作，因此稱為輸送機系統。

（5）自動化控制系統：立體倉庫中各模塊的控制系統。

使用自動化立體倉庫能夠產生巨大的社會效益和經濟效益，這主要體現在以下方面：

（1）倉庫的面積和利用率大幅度提高，建設用地大幅減少。

（2）能提高倉庫作業水平，有效利用倉庫的儲存能力，提高周轉速度，減少庫存和庫存費用。

（3）由于自動化和機械化作業，減少了貨損和貨差。

（4）能適應特殊環境下的工作條件。

本文根據實際需求，針對一以PLC控制系統為基礎的，由堆垛機、貨叉以及電磁制動電機和其他硬件軟件系統組成的小型自動化立體倉庫，完成硬件選型與設計。

2 倉庫系統結構設計

通過對系統所需功能的具體分析，一個自動化立體倉庫需完成以下功能：

（1）將貨物自動送至某一指定倉位；

（2）將貨物自動從某一指定倉位取出；

（3）把貨物從0倉位送到目標倉位；

（4）將某一倉位的貨物送至0倉位；

（5）調換儲貨倉位；

（6）檢測倉庫的庫存情況；

（7）意外事故發生時可急停；

要實現上述功能，立體倉庫需具備如下模塊：控制面板、PLC程序控制器、高層貨架、堆垛機設備、電源模塊以及光電傳感器等。

系統存取功能實現的簡要流程為：倉庫工作人員通過控制面板輸入功能命令，功能命令連同光電傳感器對倉位信息的檢測狀態將同時輸入到PLC控制器，PLC綜合分析處理信息并給出輸出作用于機械設備，完成入倉或出倉任務。根據上問所述，立體倉庫中各模塊的相互關系如下圖所示：

圖1 立體倉庫的結構

3 倉庫系統硬件設計

根據上文所述倉庫系統結構，本節對各電氣硬件進行選型與設計。

3.1 控制面板

控制面板是立體倉庫系統中面向操作人員的交互界面。按照系統功能要求，面板布置如圖2所示。其中，啟動按鈕為綠色，停止按鈕為紅色，數碼管顯示倉位號，鍵盤上的相關數字和功能按鈕輸入PLC，指示燈顯示不同的運行狀態。系統運行時，操作人員通過相應的按鈕給出不同的命令，PLC控制器接收后根據信號指令和貨倉的實際情況進行綜合判斷，將相應信號輸出給執行機構，執行機構再予以響應，從而完成貨物及進出倉工作。控制面板示意圖如圖2所示：

為了提高系統集成度，降低接線的復雜度，方便對人機界面進行修改，本系統選擇MCGS觸摸屏實現該控制面板，同時急停、復位按鈕仍然采用實體按鍵，以提高系統應對緊急情況時的可靠性。

圖2 控制面板示意圖

3.2 高層貨架

目前的自動化立體倉庫中大多采用高層貨架進行貨物的存取工作。高層貨架由若干排貨架組成，貨架中留有巷道，貨架由若干層組成，這樣一來每個貨架被分成若干個小倉位作為貨物存取的單元，每個單元中使用一個貨箱或托盤裝載貨物，以提高存儲效率。本系統設計中，采用3*3+1的高層貨架，貨架倉位由0號開始，0號倉位中裝有限位保護開關作為堆垛機的起始倉位，不存放貨物。高層貨架的簡要說明圖如下：

圖3 高層貨架示意圖

3.3 堆垛機設備

堆垛機設備是立體倉庫中從貨架中存取貨物的專用設備，主要由電機、立柱、貨叉以及各種導軌等組成，按照不同的功能要求，可分成不同的種類。根據本次自動化立體倉庫系統中功能要求，采用單立柱、直線運動型堆垛機作為主要的倉儲設備。

在選定堆垛機的結構以后需要分別選擇行走機構、升降機構和貨叉伸縮機構的驅動電機。

在此系統中，行走機構、升降機構和貨叉伸縮機構均選擇電磁制動電機。電磁制動電機的制動器安裝在電機非軸伸端的端蓋上。當制動電動機接入電源，制動器也同時工作。此時由于電磁吸力作用，電磁鐵會吸引銜鐵并壓縮彈簧使得制動盤脫開，電動機開始運轉。當電源斷開時，制動器電磁鐵失去吸力，彈簧推動銜鐵壓緊制動盤，致使電動機停止運轉。電磁制動電機有著精確的控制能力，符合需要準確定位的立體倉庫的要求。綜合考慮負載轉矩、額定轉矩、運行頻率及其他參數后，本系統選擇型號為9BDG-200WH的電磁制動電機。該電機的相關參數如表1所示，為了能驅動這三臺電磁制動電機，選用西門子變頻器G120作為驅動器，電機、變頻器和PLC之間采用現場總線方式通訊。

表1 9BDG-200WH電磁制動電機參數

3.4 光電傳感器

在自動化立體倉庫的構建過程中，為了使貨物檢測信號能準確及時的傳達給PLC控制器，高層貨架上的每一個倉位都需采用一個光電傳感器，這樣，當倉庫正常工作時，光電傳感器就會將本倉位的儲貨情況按需傳遞給PLC控制器。

光電元件是光電傳感器的核心部件，光電傳感器在工作時，首先將待測量轉化成光信號的變化，接著，利用光電效應將光信號轉化成電信號。一般情況下，光電傳感器由如下三個部分組成：

（1）發送器：能將光束發射到目標物上，被發射光束的光源一般是半導體光源，如發光二極管、紅外發射二極管等。光束或以一定頻率發射。

（2）接收器：接收器的前面會安裝如光圈和透鏡等光學元件，能有效接收光信號。

（3）檢測電路：檢測電路位于接收器的后面，它能將有效信號濾出并輸送到后級電路中。

在本文設計的自動化立體倉庫系統的構建過程中，選用日本歐姆龍型號為EE-SPW321對射型光電傳感器。

3.5 電源模塊

在本課題自動化立體倉庫的構建過程中，需要提供電源的設備主要要求如下：

表3 供電設備表

根據上表對需要供電設備的描述，電源模塊應能提供低壓直流電源，而我國普遍使用的工廠動力電是三相380V和單相220V，為了得到系統需要的弱電控制電壓，本文選用了開關電源提供所需的DC24V電壓。

3.6 可編程控制器PLC 選型與I/O分配

可編程序控制器PLC是在工業自動化領域中應用最為廣泛的一種設備。目前，市面上各企業生產制造的自動化立體倉庫中，堆垛機的核心控制單元大都采用PLC控制系統，由于PLC的品牌型號眾多，因此需要從輸入輸出點數、存儲器容量、控制能力和經濟性等方面綜合考慮。在本系統中，綜合上文所述系統控制要求，得到自動化立體倉庫系統輸入點數是16，輸出點數是2，同時希望所選PLC能比較方便地控制變頻器和觸摸屏，因此，選擇晶體管輸出型西門子系列PLC，型號為S7-1200（1215C），配合擴展模塊C可拓展為輸入點數為32，輸出點數為32，十分適合系統控制要求。

根據本文對自動化立體倉庫的控制要求，可得出下表所示的I/O口分配表：

表4 PLC I/O端口分配

4 結束語

本文首先介紹了自動化立體倉庫系統中的硬件構成，分別是：高層貨架、堆垛機設備、光電傳感器和電源模塊，對于各硬件的選型與設計進行了詳細的分析，并且根據系統要求，給出了PLC的I/O端口的分配表，為進一步進行倉庫控制系統軟件設計打下基礎。