立體智能倉庫控制設計研究

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摘要：系統以西門子PLC為基礎，研究了基于PLC和伺服電機的立體倉庫的出入庫系統。以S7-1500SMART和ET200SP作為核心控制器，利用伺服電機實現絲桿上、下、左、右移動，采用變頻器對物料進行運輸，PLC通過控制電磁閥的通斷來控制每一個氣缸的運動，依次控制每個氣缸的動作順序。采用多個工藝模塊組合模擬現實工藝，產品底座運輸至指定地方等待裝料完畢后再進行入庫。

關鍵詞：立體智能倉庫；PLC；伺服驅動；變頻驅動

自動化智能立體倉庫又可以稱作自動存儲倉庫，它通常是指兩層以上高的貨架，通過運用自動化設備進行統一的操作，將貨物進行進出倉庫處理，不需要進行人工搬運即可完成，這樣的倉庫不僅僅具有原先傳統倉庫的功能，同時還有分類、理貨等新的功能，提高空間使用率，也可以方便取貨，提高工作的效率[1]。

1系統總體設計

本立體智能倉庫系統主要由3個獨立的工作站組成，分別為輸送物料工作站、物料分揀工作站、成品入庫工作站。當井式送料機構檢測到存在物料底座時，S7-1500PLC控制推料氣缸將物料底座推至變頻器控制的傳送帶上，開始輸送物料底座，待阻擋氣缸上的物料底座檢測傳感器檢測到物料底座時，輸出信號使傳送帶停止運行，等待物料放至物料底座上后傳送帶再次啟動運行，擋板上的光纖傳感器檢測到信號時將傳送帶停止運行，等待物料放至物料底座上后傳送帶再次啟動運行，開始輸送成品物料，當傳送帶末端的傳感器檢測到成品物料到位信號時傳送帶停止運行，完成物料底座的輸送和物料分揀工作。此時由步進驅動控制的Y軸絲桿與伺服驅動控制的Z軸絲桿分別運動到取件位置，到達取件位置后，絲桿上的伸縮氣缸伸出到位后夾緊物料，待物料夾緊后絲桿移動到安全位置，到達安全位置后絲桿上的伸縮氣缸縮回，伸縮氣缸縮回到位后絲桿運動到倉庫指定位置進行入庫放料，成品入庫工藝完成，完成智能倉儲工藝。

2系統硬件設計

本系統是由井式送料機構、G120變頻器輸送裝置以及各個氣缸組成的輸送物料工作站；由分度盤裝載物料通過PLC指令進行內部運算實現物料分揀從而形成的物料分揀工作站；由伺服控制裝置和幾個雙控氣缸以及模擬倉庫倉儲區組成成品入庫工作站。本系統以SIMATICS7-1500PLC為主控，ET200SP為輔助控制，通過Profinet通訊實現對變頻器、伺服驅動裝置、雙控氣缸的控制，以各種傳感器進行信息反饋，實現對系統的環境信息采集，進而完善立體智能倉庫各個功能?？删幊踢壿嬁刂破魇且环N專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統。它采用一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程[2]?？删幊踢壿嬁刂破骰窘Y構主要有CPU、電源、儲存器和輸入輸出接口電路等組成。中央處理器單元一般由控制器、運算器和寄存器組成。SIMATICET200SP是分布式I/O系統，配有CPU，可進行智能預處理，以減輕上一級控制器的負荷壓力。而且其CPU也可用作單獨的設備。使用故障安全CPU，可以實現安全工程應用。安全程序的組態和編程方式與標準CPU相同。提供有種類豐富的I/O模塊，進一步完善了該產品線。觸摸屏（TouchPanel）又稱為“觸控屏”“觸控面板”，是一種可接收觸頭等輸入訊號的感應式液晶顯示裝置，它是由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成。當接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統可根據預先編程的程式驅動各種連結裝置，可用以取代機械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果[3]。

2.1輸送物料工作站

該工作站主要實現底座物料的定向送料，如圖1所示。通過SIMATICS7-1500PLC指令控制，當光纖傳感器檢測到料倉中存在方形物料底座時，SIMATICS7-1500PLC的輸入端會接收到該信號信息，從而將方形物料底座通過雙控氣缸推送到運輸物料輸送線上等待SIMATICS7-1500PLC控制G120變頻器驅動運輸物料輸送線的傳送帶，對底座物料進行定向傳送，再通過SIMATICS7-1500PLC進行指令控制，完成裝載物料，到達傳送帶末端等待入庫，完成輸送物料工作。變頻器（Variable-frequencyDrive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。西門子G120變頻器是一種包含各種功能單元的模塊化變頻器系統，包括控制單元（CU）、電源模塊（PM），CU在多種可以選擇的操作模式下對PM和連接的電機進行控制和監視。通過控制單元，可與本地控制器以及監視設備進行通訊。電源模塊的功率范圍為0.37～250kW。西門子G120系列變頻器尤其適合用作整個工業與貿易領域內的通用變頻器。

2.2物料分揀工作站

該工作站主要實現物料的分揀，如圖2所示。通過SIMATICS7-1500PLC指令程序進行運算，通過傳感器采集物料信息對物料進行分揀，將指定物料轉動至可抓取位置，再由SIMATICS7-1500PLC控制氣缸對物料進行抓取放置至底座，完成物料分揀工作。步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉是以固定的角度（稱為“步距角”）一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差（精度為100%），所以廣泛應用于各種開環控制。步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動，這種裝置就是步進電機驅動器，它是把控制系統發出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移，或者說，控制系統每發一個脈沖信號，通過驅動器就使步進電機旋轉一步距角。所以步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。控制步進脈沖信號的頻率可以對電機精確調速；控制步進脈沖的個數可以對電機精確定位目的。色標傳感器指的是對各種標簽進行檢測，即使背景顏色有著細微差別的顏色也可以檢測到，處理速度快，自動適應波長，能夠檢測灰度值的細小差別，與標簽和背景的混合顏色無關。色標傳感器常用于檢測特定色標或物體上的斑點，它是通過與非色標區相比較來實現色標檢測，而不是直接測量顏色。色標傳感器實際是一種反向裝置，光源垂直于目標物體安裝，而接收器與物體成銳角方向安裝，讓它只檢測來自目標物體的散射光，從而避免傳感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。白熾燈和單色光源都可用于色標檢測。

2.3成品入庫工作站

該工作站主要實現成品入庫工藝，如圖3所示。當成品物料到傳送帶末端即達取件位置時，由SIMATICS7-1500PLC通過控制邁信伺服驅動器驅動絲桿軸運動到取件位置，再由SIMATICS7-1500PLC控制氣缸進行成品物料抓取，取件完成后控制絲桿軸運動至放料位置進行成品物料存儲，完成智能倉儲工作[4]。伺服驅動器（ServoDrives）又稱為“伺服控制器”“伺服放大器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統的一部分，主要應用于高精度的定位系統。一般是通過位置、速度和力矩3種方式對伺服電機進行控制，實現高精度的傳動系統定位，目前是傳動技術的高端產品。伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。當前交流伺服驅動器設計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。該算法中速度閉環設計合理與否，對于整個伺服控制系統，特別是速度控制性能的發揮起到關鍵作用。具體系統流程如下，當料槽檢測有物料底座時經輸送物料工作站由氣缸推出物料底座且啟動傳送帶運送至物料分揀工作站。此時，色標傳感器對當前物料盤進行物料信息采集分析的結果進行分揀，分揀后同個氣缸將物料放置到當前底座上，再次由輸送物料工作站運輸至傳送帶末端。當傳送帶末端的傳感器檢測到信號時，啟動成品入庫工作站，使伺服控制碼垛機到達指定位置進行取料，再根據物料分揀工作站對當前物料信息的分析結果，分別將黃色物料放置于倉庫第一層，紅色物料放置于第二層，倉格物料放置從左到右依次按1、2、3、4、5的順序進行放置，倉格空缺位置按照該順序進行優先等級排序放置。未放滿整個倉庫時則由輸送物料工作站繼續推出物料底座，重復流程；當放滿共10個物料時停止整個系統運作，流程結束并報警。

4系統應用

該立體智能倉庫系統用于工業倉庫搬運物料及物料分揀實訓臺，通過在實訓臺使用HMI對該倉庫信息進行模擬測試，當確認當前實訓臺處于可運行條件下時，可點擊“流程啟動”啟動流程，可自行決定是否按下“流程循環”按鈕，當按下“流程循環”按鈕時，系統工藝將運行至放滿整個倉庫?？赏ㄟ^HMI中的當前流程步以及流程框可監控當前系統工藝流程運行狀況。并且PLC通過各種倉庫中的傳感器以及物料分揀工作站的色標傳感器進行倉庫庫位的信息采集并在HMI上進行顯示，如圖5所示。

5結語

本文設計的立體智能倉庫，通過SIMATICS7-1500PLC、G120變頻驅動、伺服驅動器、雙控氣缸以及各類傳感器等組裝為一個工業倉庫產線，該立體倉庫可通過PLC的信息采集在HMI上進行倉庫信息的展示以及顯示，從而完成工業應用中物料的搬運、分揀、入庫等工作，為工業生產帶來很大的便利性。實際應用表明該立體智能倉庫具有穩定可靠、定位精確、人機界面友好等特點，并且可通過對SIMATICS7-1500PLC進行軟件編程，從而優化倉庫的功能，提高該立體智能倉庫的功能性。

參考文獻：

［1］盧光云，梁偉鄯.自動化立體倉庫控制系統的設計與研究［J］.現代制造技術與裝備，2018（5）：176-177.

［2］張明波.可編程控制器應用教程［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［3］王鳳杰，付麗娟.組態控制技術［M］.南京：東南大學出版社，2013.

［4］傅婉麗.基于PLC的智能立體倉庫設計［D］.廣州：廣東技術師范學院天河學院，2016．

［5］徐正林，劉昌祺.自動化立體倉庫使用設計手冊［M］.北京：中國財富出版社，2009.

作者：莫慧芳 鄧婉瑩 單位：廣州科技貿易職業學院智能制造學院