摘要：該文介紹了一種以現(xiàn)代企業(yè)自動(dòng)化立體倉庫為模型，組合微縮而成立體倉庫實(shí)訓(xùn)裝置，其由高層貨架、堆垛機(jī)及傳送帶、自動(dòng)控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成，控制系統(tǒng)采用西門子S7-226 CN型PLC和MCGS觸摸屏。貨物出入庫和存取過程全部自動(dòng)化，定位精度高，運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠。

　　關(guān)鍵詞：工程師論文發(fā)表,自動(dòng)化立體倉庫,實(shí)訓(xùn)裝置,PLC控制

　　1 背景及意義

　　隨著當(dāng)今現(xiàn)代化企業(yè)不斷擴(kuò)大和深化生產(chǎn)的規(guī)模，倉庫成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中一個(gè)重要和不可或缺的的環(huán)節(jié)，立體倉庫以其占地面積小、空間利用率高的特點(diǎn)，正在逐步替代陳舊落后的平面?zhèn)}庫。近年來，國內(nèi)外立體倉庫的發(fā)展方向，主要以采用可編程控制器(PLC)與自動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備，以及PC機(jī)遠(yuǎn)程管理的自動(dòng)化立體倉庫為主。但其中存在一個(gè)不容忽視的問題，即當(dāng)前使用的立體倉庫系統(tǒng)通常比較龐大，在研發(fā)立體倉庫的過程中，需要投入大量的人力和財(cái)力，這必然會(huì)給立體倉庫的研制帶來巨大的成本負(fù)擔(dān)。因此通過制作小型的立體倉庫模型，采用可重復(fù)使用的編程系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行編程控制，在模型模擬調(diào)試成功后，再將結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)和研發(fā)中，可以極大的節(jié)約成本、提高效率，同時(shí)多方位的確定出最優(yōu)的立體倉庫制造方案。

　　同時(shí)，為了加強(qiáng)高校實(shí)訓(xùn)室建設(shè)，密切跟蹤時(shí)代的發(fā)展步伐，研制設(shè)計(jì)型、開放型的實(shí)訓(xùn)裝置具有重要意義。目前，國內(nèi)大多院校的自動(dòng)化專業(yè)實(shí)訓(xùn)裝置仍存在一些缺陷和問題。許多現(xiàn)有教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝置和教具，大都是不可拆裝重組或很難拆裝，調(diào)速、隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大多沒有明確的被控對(duì)象;同時(shí)，單一技術(shù)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)裝置，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)中設(shè)計(jì)型實(shí)訓(xùn)的需要。為了進(jìn)一步拓寬知識(shí)面，加深學(xué)生對(duì)自動(dòng)化技術(shù)深層次的認(rèn)識(shí)，瞄準(zhǔn)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域，研制了自動(dòng)化立體倉庫實(shí)訓(xùn)裝置，為學(xué)生將來在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件，并且為其迅速的適應(yīng)此類工作中提供了幫助。

　　2 設(shè)計(jì)方案

　　2.1設(shè)計(jì)思路

　　自動(dòng)化立體倉庫實(shí)訓(xùn)裝置由高層貨架、堆垛機(jī)及傳送帶、自動(dòng)控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成，高層貨架采用開放式結(jié)構(gòu)，整個(gè)倉庫便于拆卸與安裝。搬運(yùn)機(jī)構(gòu)采用穿巷道堆垛機(jī)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。針對(duì)倉庫貨物位置相對(duì)固定的特點(diǎn)，采用了X和Y兩坐標(biāo)定位，把運(yùn)動(dòng)控制形象化，編程思路清晰，同時(shí)也使處理器運(yùn)算量降低;每個(gè)貨位用光電傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)，控制器采用西門子S7-200PLC，通過觸摸屏對(duì)倉庫貨物的存取進(jìn)行控制。

　　2.2 立體倉庫結(jié)構(gòu)

　　該立體倉庫是企業(yè)實(shí)際立體倉庫的縮小模型，其高層貨架采用鋁合金材料，設(shè)計(jì)為兩排三層共24個(gè)貨位，由漫射式光電開關(guān)進(jìn)行貨位的檢測(cè);巷道堆垛起重機(jī)穿行于貨架之間的巷道中，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、上升、下降、伸出等動(dòng)作，完成存、取貨物的工作。鑒于空間的限制，以及重量、強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性的要求，采用的立方體框架結(jié)構(gòu)不僅可以節(jié)省材料，有利于減輕重量，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，便于今后結(jié)構(gòu)的調(diào)整和擴(kuò)展。立體倉庫的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。倉庫和控制柜配置了帶剎車的靜音萬向腳輪，方便移動(dòng)和固定，便于開展教學(xué)和實(shí)訓(xùn)。

　　2.3 堆垛機(jī)和入(出)庫傳送系統(tǒng)

　　堆垛機(jī)的行走機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)采用滾珠絲桿和導(dǎo)軌組合，分別由兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)高度和水平方向的精確定位。堆垛機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)盤上，用標(biāo)準(zhǔn)的齒輪傳遞電機(jī)的傳動(dòng)力。在轉(zhuǎn)盤上安裝了接近開關(guān)進(jìn)行位置檢測(cè)。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)一是為了旋轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)變成相對(duì)一體，二是能夠承載提取貨物載荷，三是可拆卸和安裝。

　　堆垛機(jī)上存取貨物的貨叉，考慮到插取物品時(shí)的穩(wěn)定性因素、物料的規(guī)則性和物料位置的相對(duì)穩(wěn)定，立體倉庫的中間巷道空間比較有限，采用了小型單作用汽缸作為動(dòng)力推動(dòng)貨叉，通過用磁性開關(guān)檢測(cè)汽缸的伸出和縮回是否到位，控制精確，運(yùn)行穩(wěn)定，并且負(fù)載能力較強(qiáng)。

　　入(出)庫傳送系統(tǒng)采用皮帶式傳送結(jié)構(gòu)，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng);在倉庫入口有抬桿式庫門，通過直流減速電機(jī)控制。貨物的檢測(cè)由光電開關(guān)完成。

　　2.4 控制系統(tǒng)

　　微型自動(dòng)化立體倉庫的控制器采用德國西門子的S7-226 CN型PLC。這種型號(hào)的PLC在實(shí)時(shí)模式下具有運(yùn)算速度快，通訊功能強(qiáng)大，并且硬件和軟件操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊小巧，能夠滿足立體倉庫的控制要求。

　　通過各個(gè)部位安裝的光電開關(guān)、金屬接近開關(guān)、限位開關(guān)等傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)倉庫的存儲(chǔ)情況和機(jī)械運(yùn)行情況，通過PLC輸出的多路PWM信號(hào)對(duì)各個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。存料工作過程如下：操作觸摸屏，選擇存料倉位，放置貨物到傳送帶左端，傳感器檢測(cè)到有貨物，啟動(dòng)傳送帶電機(jī)，當(dāng)入口處傳感器檢測(cè)到貨物到達(dá)后，停止傳送帶電機(jī)，啟動(dòng)檔桿電機(jī)，檔桿抬起，堆垛機(jī)推出叉手取起物料，按照設(shè)定的速度 ，運(yùn)動(dòng)到指定的倉位，旋轉(zhuǎn)放料，回轉(zhuǎn)復(fù)位，返回起點(diǎn)完成存料。取料工作過程：堆垛機(jī)接受到來自觸摸屏選位和確定指令后，從原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到指定的倉位，旋轉(zhuǎn)取物料，回轉(zhuǎn)到位，首先Y軸方向下降到指定高度，然后水平方向運(yùn)動(dòng)，把物料送到傳送帶，經(jīng)過傳送帶把物料傳送到起點(diǎn)。

　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。堆垛機(jī)的行走機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)使用LC57HS5425型步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)模塊為LC2054DA。

　　2.5 操作界面

　　倉庫的操作面板采用MCGS嵌入式一體化觸摸屏。MCGS(Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，具有功能完善、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。其與S7-226 CN型PLC結(jié)合，組態(tài)開發(fā)的人機(jī)界面，具有操作簡(jiǎn)便、界面友好等優(yōu)點(diǎn)。主界面如圖3所示。在此界面中，不但能夠顯示立體倉庫的工作狀態(tài)，控制貨物的存取操作，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、位置坐標(biāo)和路線。 　　我們還開發(fā)了倉位選擇界面，如圖4所示。立體倉庫里相應(yīng)倉位有貨物，對(duì)應(yīng)編號(hào)的倉位指示燈顯示為紅色;相應(yīng)倉位無貨物，則對(duì)應(yīng)編號(hào)的倉位指示燈顯示為綠色。當(dāng)“運(yùn)行狀態(tài)”為綠色時(shí)，按下取料按鈕，屏幕出現(xiàn)“取料選擇”，選擇紅色燈下方的倉位號(hào)，左上方提示選擇倉位，確定后堆垛機(jī)構(gòu)和傳送帶依次運(yùn)動(dòng)，完成取料工作，貨物通過傳送帶送走，對(duì)應(yīng)倉位指示燈變?yōu)榫G色;按下存料按鈕，屏幕提示“存料選擇”，選擇綠色指示燈下方的倉位號(hào)，左上方提示選擇的倉位，確認(rèn)后，將貨物放到傳送帶起點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，完成存料，對(duì)應(yīng)倉位指示燈變?yōu)榧t色。當(dāng)在取料或存料時(shí)，通過“取存料復(fù)位”按鈕，可以從新選擇存料或取料。當(dāng)選錯(cuò)倉位號(hào)時(shí)，按下從新選位按鈕，重新按下倉位號(hào)，左上方顯示正確的倉位號(hào)。另外我們還可以設(shè)計(jì)手動(dòng)操作界面和操作說明界面，使面板的操作更加豐富和完善。

　　3 性能分析和創(chuàng)新點(diǎn)

　　1) 倉庫作業(yè)全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，貨物存取快捷、便利、準(zhǔn)確，物料出入無障礙。

　　2) 良好的人機(jī)界面，信息顯示清楚，多種操作方式可選，操作簡(jiǎn)便。

　　3) 立體倉庫整體結(jié)構(gòu)采用開放的積木式結(jié)構(gòu)，貨架、機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制部分均便于拆卸和重新設(shè)計(jì)安裝，不僅方便教師的教學(xué)和學(xué)生的實(shí)訓(xùn)，滿足理論與實(shí)訓(xùn)一體化教學(xué)的需要，而且為今后的升級(jí)和改造提供了良好的基礎(chǔ)。

　　4) 采用傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，組態(tài)屏幕動(dòng)態(tài)顯示倉庫貨物存放情況、堆垛機(jī)位置和相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，提高了信息的實(shí)時(shí)性和控制的準(zhǔn)確性。

　　5) 主要采用24伏低電壓控制，安全可靠，噪音低，環(huán)保節(jié)能。

　　微型自動(dòng)化立體倉庫可以開展機(jī)械基礎(chǔ)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械拆裝、PLC和觸摸屏的編程應(yīng)用、運(yùn)動(dòng)控制、物流管理等課程理論與實(shí)訓(xùn)一體化教學(xué)。學(xué)生通過在設(shè)備上的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，了解自動(dòng)化立體倉庫結(jié)構(gòu)及其控制方法，為今后從事相關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，在該設(shè)備的設(shè)計(jì)中，我們?cè)趥鞲衅鞯膽?yīng)用、位置隨動(dòng)系統(tǒng)的控制算法、立體倉庫優(yōu)化調(diào)度管理、以及程序設(shè)計(jì)等方面，都預(yù)留了很大的創(chuàng)新空間，每位同學(xué)都可以根據(jù)自己的想法，設(shè)計(jì)出不同的控制界面及優(yōu)化調(diào)度方案， 充分發(fā)揮學(xué)生的潛力和創(chuàng)造性。該實(shí)訓(xùn)設(shè)備由于外形美觀、結(jié)構(gòu)合理、新穎實(shí)用，榮獲第六屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽廣西賽區(qū)一等獎(jiǎng)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 傅桂榮，蘇紅娟，俞春輝.自動(dòng)立體倉庫實(shí)驗(yàn)裝置的研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004(9).

　　[2] 薛明.淺析自動(dòng)化立體倉庫的應(yīng)用及發(fā)展[J].物流技術(shù)：裝備版，2014(1).