基于PLC的倉儲系統設計

張磊，張玉娟，林嘉成，田政，墨子怡

（無錫城市職業技術學院，無錫江蘇，214153）

0 引言

隨著現代化的發展，生產規模迅速擴張。立體倉庫存儲成了貨物存儲中的主流趨勢。它綜合運用計算機應用技術、物流技術、通信與管理技術等，大大提高了工作水平與工作效率。通過設計立體倉庫存儲系統，物資的儲運效率得到了提高、空間占用率也大大縮減。立體倉儲是貨運的運送樞紐、在物流行業中占據著十分重要的地位，也是立體倉庫設計里十分重要的組成部分。

關于立體倉庫的研究很多，有關于立體倉庫分揀系統、自動取料的設計[1~2]，有根據控制要求將貨物傳送至不同存儲位置的研究[3]，有基于PLC和伺服電機的立體倉庫的出入庫系統設計[4~5]，有立體倉庫模型或者虛擬仿真控制系統設計[6~7]，有以西門子S7-1200PLC為控制核心，以ABB IRB120 型號工業機器人為執行單元，設計的3 層*2 列的智能倉庫系統[8]，有基于S7-1200PLC的立體倉庫存取電氣控制系統設計[9~11]。

本文研究了基于三菱PLC和伺服電機、步進電機、變頻器和觸摸屏的倉儲系統設計，主要包括總體設計方案、硬件設計和軟件設計幾個部分。

1 總體設計方案

■1.1 設計目的

倉儲系統由貨物傳送帶、托盤傳送帶、稱重區、倉庫區、機械手、碼料小車和推送氣缸構成。

圖1為倉儲系統的俯視圖，入庫之前，先通過稱重區將貨物進行稱重，并記錄貨物重量。SQ1 檢測到貨物后，通過貨物傳送帶將貨物運送至SQ2 檢測位置，將托盤運送至SQ4 位置。然后通過機械手將貨物放至托盤上。之后碼料小車將貨物與托盤一起運送到指定倉庫區，通過伺服電機M3 與步進電機M4 的移動，將貨物運送至指定倉位。

圖1 倉儲系統俯視圖

立體倉庫區的正視圖如圖2 所示，立體倉庫區共有9個倉位，每個倉位的最大存儲重量為100kg，所以貨物的重量應在100kg 以內。稱重后，運用模擬量電壓輸出（0-10V）信號進行模擬。碼放貨物的順序同一層為A-B-C 區。同一列為1-2-3 層。A 區三層碼放完畢后，進行B 區三層碼放，最后碼放C 區。

圖2 立體倉庫區正視圖

■1.2 設計方案

如圖所3 所示，按鈕開關與行程開關通過從站MR 控制貨物傳送帶電機、托盤傳送帶電機與指示燈，而撥動開關與限位開關通過從站MT 控制伺服電機與步進電機。而兩個從站PLC直接的數據傳送需要通過主站實現開關量與數據量之間的傳遞，主站PLC連接觸摸屏，即可通過觸摸屏顯示各電機運動狀態。也可以通過觸摸屏中調節數據從而改變電機的運行狀態與運行速度。

圖3 倉儲系統原理框圖

2 硬件設計

通電后，觸摸屏組態界面中顯示調試模式界面，可以通過模式切換按鈕轉入自動運行模式界面。

在調試模式界面里，可以調試貨物傳送帶電機、托盤傳送帶電機、伺服電機與雙速電機的運行狀態。

在自動運行界面中，首先按下SB3 對貨物進行稱重，然后通過貨物傳送帶將貨物運送至檢測點，托盤傳送帶運送至指定位置，機械手把貨物放置在托盤內，由伺服電機控制貨物的水平移動，由步進電機控制貨物的豎直移動，當到達指定倉位后，通過推送氣缸將貨物推送至倉門，步進電機下降將貨物裝運至倉庫中，之后步進電機回歸至初始位置，推送氣缸縮回，伺服電機回歸至等待位置，直至所有倉庫全部裝滿，自動運行模式完成。

■2.1 可編程控制器I/O 端口分配

表1為倉儲系統的I/O 分配表。

表1 倉儲系統I/O分配表

表2 系統參數調節表

FX3U-48MR：X1 為啟動，X2 為停止。X3 為模式切換，按SB3 可以使調試模式切換成自動模式，X11 與X13 為傳送信號，X12 與X14 為貨物運送到位信號，Y2 為點動電機，Y3，Y4 為調試模式指示燈。Y5 為系統停止指示燈，Y6 為系統運行指示燈，Y7 為入庫燈。Y10-Y12 為貨物傳送帶電機運行速度，Y13-Y14 為貨物傳送帶電機的運行方向。

FX3U-48MT：X1 為緊急停止，當X1 撥到右側時，以自動模式運行，當撥到左側時，自動模式緊急停止。X11-X13 用于控制伺服電機移動至指定倉位。X14-X15 為極限位，是為了防止電機損壞以及開關失靈。Y0 為步進電機的運行脈沖信號，Y2 為步進電機的運行方向。Y1 為伺服電機的運行脈沖信號，Y3 為伺服電機的運行方向。

■2.2 硬件接線圖

2.2.1 主電路接線圖

主電路連線圖如圖4 所示。通過三相電源供電。GND與COM 連接，V+與24V 連接。Y0 為步進電機運行的脈沖信號，Y1 與DIR 連接控制步進正反轉運行方向。伺服電機SQ14，SQ15 為極限開關，為了保護電機，當出現失誤操作或者限位開關失靈時，觸碰到SQ14 或SQ15 位置則緊急停止伺服運轉。M3 為雙速電機，KM1 與KM2 均接通時雙速電機高速運行，KM3 接通時，雙速電機低速運行。M4 為變頻器，由電壓模擬量輸入控制，實行低、中、高三段速運行。

圖4 主電路接線圖

2.2.2 控制電路接線圖

圖5為控制電路接線圖，FX3U-48MR 系列、FX3U-48MT 系列以及Q00U 系列三個PLC，通過CC-Link 相互傳送信號，相互聯系。CC-Link 使主站PLC與兩個從站PLC之間的開關量和數據量得以傳輸。主站與觸摸屏HMI 相連，可以通過觸摸屏檢測PLC的運行狀態。FX3U-48MR 系列PLC，負責HL 信號指示燈的亮滅情況，并控制變頻器與雙速電機的運轉和SQ 檢測開關。FX3U-48MT 系列的PLC負責控制SQ 系列的限位開關以及SA1 撥動開關，以及伺服電機與步進電機的運行。

圖5 控制電路連線圖

2.2.3 參數調節設定

雙速電機調節速度繼電器，調節穩定電流為0.35A，可以保護雙速電機，防止損壞。變頻器P79 數據先從0 調至3，目的是調節變頻器速度、加減速時間等參數。參數調節完成后再將P79 調至2，使變頻器處于外部模式。CC-Link撥碼盤的主要作用是有利于軟件數據更好傳輸。伺服電機需要頻率為1600，計算公式為160000/（P1-44/P1-45），所以P1-44 為100，步進電機細分設定表格中，當DIP1 為ON，DIP2 與DIP3 為OFF 時，頻率為1000。

3 軟件設計

■3.1 調試模式流程圖

圖6為調試模式流程圖。當進入調試模式后通過點擊選擇調試按鈕可以進行各電機的調試選擇。

圖6 調試模式流程圖

當選擇調試貨物傳送帶電機時，第一次啟動按鈕SB1，變頻器將以15Hz 運行， 等待第二次按下啟動按鈕。第二次按下啟動按鈕SB1，變頻器將以30Hz 運行，第三次按下啟動按鈕后，變頻器將以45Hz 運行。直到按下停止按鈕SB2，調試結束。

當選擇調試托盤傳送帶電機時，按下啟動按鈕SB1，電機將運行3s，3s 后電機停止，停止2s 后再次循環運行。當按下停止按鈕SB2 后，托盤傳送帶電機調試結束

當選擇調試伺服電機時，先在觸摸屏中設定伺服電機的速度，并且手動將伺服小車移動至SQ11 處，按下啟動按鈕SB1，伺服電機先向右運行2cm，之后伺服電機停止2s，2s 后電機向左運行至SQ12 處，當SQ12 檢測到信號后，電機停止2s，2s 后電機再次向左運行至SQ13 處。當到達SQ13 處時，在觸摸屏上重新設定伺服電機運行速度。再次按下啟動按鈕，電機將向右運行至SQ11 處，當SQ11 處檢測到小車信號后，電機停止運行，調試完成。

當選擇調試步進電機時，首先在觸摸屏中設定步進電機的速度，按下啟動按鈕SB1，步進電機先正轉5s，運行5s 后，電機停止2s，之后電機再反轉5s，5s 后再次停止2s。2s后循環執行，再次運行5s。直到按下SB2 停止開關后，電機停止循環運行，調試完成。

■3.2 自動運行模式流程圖

圖7為自動運行模式流程圖。當調試模式完成后，按下SB3 按鈕，進入自動運行模式。自動運行模式由貨物傳送帶電機、托盤傳送帶電機、伺服電機、推送氣缸以及步進電機構成

圖7 自動運行模式流程圖

首先進行初始化操作，各電機處于停止運行狀態，并且伺服電機在SQ11 位置。初始化完成后，初始化完成指示燈閃爍。之后按下SB4 按鈕，進行貨物的稱重。在觸摸屏中會顯示當前貨物重量。將貨物放置貨物傳送帶上，之后按下SQ1 運送貨物。當貨物質量小于等于20kg 時，貨物傳送帶電機以45Hz 運行。當貨物質量大于20kg，小于等于60kg時，貨物傳送帶電機以30Hz 運行。當貨物質量大于60kg 時，貨物傳送帶電機以15Hz 運行。貨物傳送帶電機運行到位后，對應檢測信號會給出提示，按下SQ2，傳送帶電機停止運行。之后按下SQ3，托盤傳送帶運送托盤，托盤傳送帶電機運送到指定位置后按下SQ4，托盤傳送帶電機停止運行。

當貨物與托盤都到達指定位置后，機械手將貨物運送到托盤上。之后碼料小車向右運行2cm 后等待2s 進行貨物裝載。小車向左行駛至對應倉位后，步進電機上升到指定層數。若電機上升一層，則正轉5 圈，上升兩層，正轉10 圈，依此類推。之后推送氣缸工作3s，將貨物推送到指定倉位后。放下貨物后，推送氣缸縮回。之后小車行駛至SQ11位置，放貨過程完成。當九個倉位都放滿貨物后，運行完成。當運行過程中出現緊急狀況停止時，將撥動開關撥到左側，會保留所有的記錄。按下啟動按鈕，則系統重新開始初始化運行。

■3.3 模式切換流程圖

圖8為模式切換流程圖。模式切換是指調試模式與自動運行模式的切換。

圖8 模式切換流程圖

調試模式界面下，先進行貨物傳送帶電機的調試，再次進行托盤傳送帶電機的調試，接著是伺服電機的調試，最后為步進電機的調試。當沒有按下SB3 按鈕時則以上述調試電機順序循環調試。當按下SB3后，系統界面從調試界面進入到自動運行界面。

4 結束語

本文設計了基于三菱PLC、步進電機、伺服電機、變頻器以及觸摸屏的立體倉儲系統，它可以利用傳送帶將稱重好的貨物傳送至指定地點，通過機械手將貨物放置在托盤上，最后通過步進電機和伺服電機一起將貨物與托盤運送到倉庫區指定存儲位置。它由稱重區、貨物傳送帶、碼料小車、托盤傳送帶、機械手與倉庫區組成。本文主要介紹了總體設計方案、系統的主電路連線圖、控制電路連線圖，調試模式流程圖、自動運行模式流程圖、模式切換流程圖等。系統設計簡單，與傳統倉庫相比更實用、更經濟、更準確，能夠充分利用空間，有利于提高倉儲效率。