基于PLC在自动化立体仓库控制系统中的优化设计

    摘要:介绍了采用PLC、红外无线通讯技术、数据库技术和变频技术对自动化立体仓库进行控制系统的优化设计，不断改进和完善系统功能，使系统运行高效、快速、稳定、安全，方便。在仓库管理、行车运行、电梯控制等相似工业对象管控中具有一定的推广应用价值。

 

    关键词：立体仓库，堆垛机，PLC，控制系统，优化设计

 

    研究堆垛机的先进精确控制、仓库信息系统的综合应用，在仓储和制造业中提高货物流通效率，减轻工作人员的劳动强度。

 

    1系统构成

 

    1．1系统硬件

 

    堆垛机控制系统主要包括上位机、堆垛机机械结构、变频器、PLC、电机、通讯、显示、安全保护装置和检测等部分组成。堆垛机控制系统对工作环境和操控功能的需求，从而实现货物的自动出／入库、盘库等作业，如图1所示。

 

    图1堆垛机自动控制系统

 

    1．2系统功能

 

    自动化立体仓库可通过设置在堆垛机上的本地触摸屏和上位监控主机实现对堆垛机的手动、自动控制和信息管理等各种功能。

 

    1）堆垛机能将货物从一处搬到另一处，它由金属机架、水平行走机构、起升机构、载货台、货叉及电气控制系统构成，完成货物进出仓库和存储等。

 

    2）PLC及IO模块：PLC完成对堆垛机的直接控制和状态记录，堆垛机控制系统采用德国西门子公司S7－300，型号为CPU315－2DP［1］。集中式数字量IO模块，型号为6ES7321－

 

    1BL00－0AA0和6ES7322－1BH01－0AA0。

 

    3）通信模块：用一对远红外通信器完成堆垛机中PLC与监控机之间的无线通信，实现与上位机通讯，接受上位机的各种指令，同时把堆垛机的状态信号反馈给上位机，使上位机可以实时监控和显示堆垛机的运行状态。采用红外无线通信器与上位机进行通讯优势是干扰小、通讯距离适中（50m）、成本低。

 

    4）传感器：主要用于采集速度、位置信号，输送给控制器，从而实现调速、就位功能等。

 

    5）显示与操作。①采用OP2606英寸文本输入屏，操作人员通过此屏输入各种指令实现对堆垛机的控制。触摸屏通过DP口与PLC进行数据通讯，显示系统中任何一个对象的状态。②上位机：通过通信模块实现与上位机的信息发送和接收。对PLC控制器程序进行编辑、下载及调试和对整个系统进行监视、管理。配有LED液晶显示和打印机，进行货物出／入库管理、盘库管理、查询、打印及显示等管理功能，它包括在线和离线管理。

 

    6）变频器：采用西门子MM440变频器，数字量4段控制方式。执行机构主要包括堆垛机在水平方向、升降方向以及货叉方向的动作，通过采用变频器的多种速度控制提升电机、水平电机和货叉电机，使堆垛机高效的运行和平滑的启停，无抖动发生，进行高效、精准的存取货物。

 

    2堆垛机控制系统

 

    自动化立体仓库可通过上位监控计算机实现全面协调与监控，而堆垛机中的PLC控制器则需根据上位机联机指令，或HMI给定的本地操纵信号，实现对堆垛机的定位控制、调速控制等。堆垛机控制器要实现操作控制，实现拖动控制（即调速控制）、定位控制及检测保护控制。图2所示为堆垛机自动控制模块组合。

 

    图2堆垛机自动控制

 

    156基于PLC在自动化立体仓库控制系统中的优化设计

 

    堆垛机的控制方式有检查、手动和自动控制和统计4种。

 

    1）“检查”模式：一个操作按钮对应一个动作，不受电气保护限制。

 

    2）“手动”（半自动）模式：是人工用感应开关和操作按钮控制堆垛机的一个连续动作,来控制堆垛机运行。手动方式一般用于堆垛机的安装调试阶段或堆垛机发生异常时的复位等，可以对堆垛机的走行、升降、伸缩货叉等单独进行操作，可以手动定位在3个运行方向上的任一位置。

 

    3）“自动”分单机自动模式和联机模式，单机自动模式是在操作屏输入指令可进行货位的入出库操作。联机模式是上位机发出作业指令，控制堆垛机完成一次作业。

 

    4）统计：以表格的形式罗列库存品名、数量等信息，以供管理者查询。

 

    2．1堆垛机方向控制

 

    堆垛机运行方向：3台带电磁制动的电动机分别驱动堆垛机3个方向的动作，即：堆垛机走行方向（X方向）行走；升降台升降方向（Z方向）的上升或下降；货叉左右方向（Y方向）的伸叉及收叉动作［2］。

 

    控制系统采用光电检测技术，提高了系统的可靠性和反应速度。货叉位置、机电故障检测、水平及垂直终点附近的限速及停车检测等，以保证堆垛机作业的正常运行中具有水平和垂直方向的认址检测、左右的货位探测、货物不正的检测以及载货台占位(空位情况的检测)。升降电机采用一只电子过载继电器进行保护。

 

    2．2堆垛机定位控制

 

    堆垛机是以货架为目标进行作业，必须检测行走方向及升降方向。堆垛机采用两对光电开关来定位，如图3所示。

 

    图3光电开关定位示意图

 

    如在快速运行中，当运行到距目的地址差2～3个货位时，由快速均匀减速到中速向前运行，计数到位后再由中速均匀减速到慢速运行，当后面的光电开关被挡光后刹车定位。控制系统采用相对认址的定位方式，两对光电传感器用作走行记数及走行方向堆垛机的定位信号（如图2所示）。向前走行时程序检测到的两对传感器信号的变化规律为00→01→11→10→00，向后走行时的规律为00→10→11→01→00，每完成一个循环说明堆垛机走行经过一个货位。

 

    采用西门子变频器用于电机控制及调速。目前变频器制动起始频率、制动电压的等级和制动时间的长短都可以进行人为设定，采用变频调速进行多步速度控制，改善系统运行特性，使用起来很方便。由于堆垛机本身及货物的惯性较大，为保证升降及走行的平稳，采用多级速度控制。起动时PLC设定变频器为高速运行，距离目的货位4～6m时设定为中速运行，距离目的货位1～2m时切换到低速运行，接近目的货位时自动切换为对应速度运行，对正货位后走行停止。

 

    行走路径的优化设计。程序中设置当前走行位置计数器、走行目的位置寄存器（人机界面上输入的目的货位排、列、层的数值存入该寄存器）及列差和层差计数器，同时程序采用事先优化设计的行走路径，根据列差或层差来判断堆垛机的走行方向，堆垛机走行返回原点时当前走行位置计数器为零。

 

    升降方向的记数及定位。采用三对光电传感器用作升降记数及升降方向堆垛机的定位信号，升降方向每个货位有三个对位点（上位置、中位置及下位置）。由于升降方向的运行速度较低，升降速度分为两级（高速及低速）。

 

    3控制系统的软件设计

 

    控制系统的软件设计根据堆垛机运行特点，采用模块化设计方案。过载保护、限位保护、联锁及互锁等系统的基本功能由主程序完成［3］。其它如下子程序：报警子程序、走行控制子程序、升降控制子程序、取货子程序、卸货子程序、对准调整子程序、联机自动控制子程序、单机自动控制子程序、叉行控制子程序、通信子程序和数据库统计等。

 

    堆垛机的主体功能程序是通过接受上位机的指令后,进行合法分析后不断的调用以上子程序,实现各种不同的功能。主体程序流程图见图4。

 

    图4主程序流程图

 

    1）堆垛机执行自动入库作业：堆垛机待机状态（初始条件）为位于巷道两端口，升降载货台位于“1层”，堆垛机货叉位于中位且其上无货物，限位开关位置没有超限，列位置已对准及升降在低位。若巷道入库口有托盘，则堆垛机向入库口伸叉，伸叉到位后货叉向上托起，托到货物升降台到达“上位置”后堆垛机收叉，带着货物的货叉回到货叉“居中”位置后，货叉停止；载着货物的升降台向目的货位“移动”，到达目的货位之后检测目的货位是否有货，如无货堆垛机向入库货位伸叉，伸叉到位后货叉落下将货物放到货位上，货叉下落到“下位置”时空货叉回到货叉“居中”位置之后货叉停止；卸下货物的空堆垛机“自检”通过后进入“待机”状态，准备下一次作业。上述作业过程运行中发生异常时，自动调用“报警子程序”发出声光报警同时停止设备运行。

 

    2）自动出库过程与前述过程相反。

 

    3）堆垛机拣选作业路径优化：运用了动态规划、模糊控制和遗传等算法进行路径优化,求出堆垛机拣选作业路径的最优解，保证堆垛机在进行货物存取的过程中能够使存取过程快速化，准确化，提高立体仓库本身的工作效率和准确性。

 

    4）极限位置保护：水平行走、载货台升降及货叉伸缩均设有相应的限位保护开关，以保证堆垛机的运行安全。

 

    参考文献

 

    ［1］西门子公司．SIMATICS7－300可编程序控制器系统手册［K］，2002

    ［2］郭润夏．PLC在立体仓库自动控制系统中的应用［J］．广东自动与信息工程，2005，26（4）：15－17

    ［3］乔玉晶，吕宁．立体仓库巷道堆垛机控制系统设计［J］．自动化技术与应用，2004（11）：44－46［收稿日期：2013．8．9］

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