南疆地區(qū)干果類(lèi)小型倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂昕聰　李傳峰　梁鑫　郭小康

摘 要： 針對(duì)當(dāng)前新疆南疆地區(qū)干果類(lèi)倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化程度不高、空間利用率低和勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的干果類(lèi)倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)控制存取系統(tǒng)。用光電傳感器檢測(cè)待存取倉(cāng)位貨物，以PLC為系統(tǒng)控制核心元件，并做出相應(yīng)處理，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)堆垛機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)存取。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)操作過(guò)程作業(yè)穩(wěn)定，識(shí)別精度較高，操作時(shí)間控制較好，具有較好的可靠性與穩(wěn)定性，單臺(tái)系統(tǒng)入庫(kù)能力P1為126.1次/h，單臺(tái)系統(tǒng)出庫(kù)能力P2為126.3 次/h。

關(guān)鍵詞： 自動(dòng)存取系統(tǒng)； PLC； 步進(jìn)電機(jī)； 倉(cāng)庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）16?0072?04

Abstract： Aiming at the problems of low?level automation， low space utilization rate， great labor intensity and so on of dry fruit storehouse in Southern Xinjiang， a kind of automatic storing and retrieving system based on PLC for dry fruit warehouse was designed. Some photoelectric sensors are used in the warehouse to detect the awaiting goods. The PLC is taken as the system′s control core for controlling the stepping motor to drive the stacker to make corresponding treatment， that is， the stackers could send or fetch the goods automatically by a stepping motor under PLC′s control. The testing results show that the system has stable performance and strong practicality. A single system′s storage capacity P1 is 126.1 times/h， and its delivery of cargo from storage P2 is 126.3 times/h.

Keywords： automatic storing and retrieving system； PLC； stepping motor； storehouse

新疆作為一個(gè)以農(nóng)業(yè)為基本經(jīng)濟(jì)框架的省份，農(nóng)業(yè)產(chǎn)品資源和氣候資源非常豐富，區(qū)位優(yōu)勢(shì)得天獨(dú)厚，具有發(fā)展特色農(nóng)業(yè)的有利條件。新疆南疆地區(qū)常年降雨量少、氣候干燥、日照時(shí)間長(zhǎng)、晝夜溫差大，產(chǎn)出的的瓜果異常香甜，促進(jìn)了紅棗、核桃、葡萄干、杏干等內(nèi)地消費(fèi)者家喻戶(hù)曉、耳熟能詳?shù)奶厣晒?lèi)農(nóng)產(chǎn)品的形成[1]。

近些年，隨著新疆南疆地區(qū)干果業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大與發(fā)展，傳統(tǒng)干果類(lèi)倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化程度不高、空間利用低和勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題呈現(xiàn)出來(lái)。因此，利用PLC具有最優(yōu)化的邏輯判斷能力的控制程序，設(shè)計(jì)了干果業(yè)倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)，使倉(cāng)庫(kù)最合理地運(yùn)行，為南疆干果類(lèi)倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行的生產(chǎn)帶來(lái)更大的便利和經(jīng)濟(jì)效益[2?4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

目前，南疆地區(qū)干果業(yè)的倉(cāng)庫(kù)稱(chēng)重、存取等工序基本上靠人工完成，嚴(yán)重影響了工作效率、空間利用率和干果存取質(zhì)量，圖1為南疆一師12團(tuán)和順棗業(yè)公司倉(cāng)庫(kù)實(shí)際情況。因此，采用先進(jìn)的PLC控制器控制針對(duì)南疆地區(qū)干果業(yè)設(shè)計(jì)一個(gè)物流倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)PLC程序的設(shè)計(jì)，能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置滿(mǎn)足控制要求，并能通過(guò)步進(jìn)電機(jī)、堆垛機(jī)和運(yùn)動(dòng)機(jī)械裝置等系統(tǒng)的工作對(duì)倉(cāng)庫(kù)貨物進(jìn)行準(zhǔn)確的自動(dòng)存取。

1.2 系統(tǒng)功能要求與技術(shù)參數(shù)

根據(jù)南疆一師12團(tuán)和順棗業(yè)公司對(duì)儲(chǔ)藏紅棗倉(cāng)庫(kù)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)本倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足以下功能：巷道堆垛機(jī)（機(jī)械手）應(yīng)具有三個(gè)自由度，即水平運(yùn)動(dòng)，上下運(yùn)動(dòng)，前后運(yùn)動(dòng)；通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)；堆垛機(jī)水平運(yùn)動(dòng)和上下運(yùn)動(dòng)時(shí)必須設(shè)有限位保護(hù)開(kāi)關(guān)；倉(cāng)庫(kù)倉(cāng)位必須安裝檢測(cè)裝置（檢測(cè)傳感器），判斷倉(cāng)位是否存有貨物；整個(gè)自動(dòng)存取系統(tǒng)控制必須設(shè)置急停按鈕（開(kāi)關(guān)），以防意外情況的發(fā)生。

倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)主要由人機(jī)接口界面、電氣控制裝置、驅(qū)動(dòng)電路模塊、步進(jìn)電機(jī)、巷道堆垛機(jī)、機(jī)械手和倉(cāng)位模塊構(gòu)成，其主體結(jié)構(gòu)包括：水平軌道、立柱、倉(cāng)位庫(kù)體、運(yùn)動(dòng)機(jī)械及電氣控制等部分，如圖2 所示。

系統(tǒng)工作原理是利用PLC作為核心控制元件，控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)有三自由度的堆垛機(jī)在導(dǎo)軌和立柱上做三維運(yùn)動(dòng)。以步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)光電傳感器進(jìn)行掃描將信號(hào)傳送給PLC得出相應(yīng)的倉(cāng)位號(hào)，并輸出對(duì)應(yīng)倉(cāng)位的脈沖數(shù)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按指令的方向轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，進(jìn)而控制機(jī)械傳動(dòng)部件進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，以完成倉(cāng)庫(kù)貨物的存取功能。

2 系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)

通過(guò)參考自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的一般結(jié)構(gòu)形態(tài)[5]，倉(cāng)位采用N×M的結(jié)構(gòu)，考慮各模塊的功能和要求，合理排列各個(gè)部件之間的位置，每個(gè)倉(cāng)位上都設(shè)置了檢測(cè)傳感器；倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)采用一個(gè)控制臺(tái)，操作人員通過(guò)人機(jī)接口界面操控立體倉(cāng)庫(kù)的控制面板；控制器采用西門(mén)子生產(chǎn)的S7?300系列PLC；電機(jī)制動(dòng)裝置采用了兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)；驅(qū)動(dòng)裝置是給步進(jìn)電機(jī)配以相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路模塊。endprint

2.1 PLC控制器

根據(jù)系統(tǒng)的工作流程特點(diǎn)和倉(cāng)庫(kù)應(yīng)用要求，選用德國(guó)西門(mén)子S7?300系列PLC，其型號(hào)為S7?300 CPU313。該P(yáng)LC的各種模塊能很好地滿(mǎn)足和適應(yīng)倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取控制任務(wù)，編程軟件和組態(tài)軟件齊全、組網(wǎng)方便、擴(kuò)展性能良好[2]。能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立控制步進(jìn)電機(jī)，可用于三個(gè)方向的位置控制。其中，外部輸入元件有：傳感檢測(cè)元件、按鈕、存、取、急停、限位開(kāi)關(guān)和超限位保護(hù)等；輸出有步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、動(dòng)作指示、錯(cuò)誤報(bào)警等要求?？梢赃_(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)和堆垛機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制，讓其實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的位置定位，另外它還具有時(shí)序邏輯控制等功能。圖3為PLC電氣框圖。

2.2 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)主要任務(wù)是按照運(yùn)動(dòng)要求來(lái)驅(qū)動(dòng)堆垛機(jī)的動(dòng)作，根據(jù)系統(tǒng)要求，選用型號(hào)為 42BYGH101二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)。其主要特點(diǎn)是具有反復(fù)起動(dòng)和運(yùn)行頻率較高、轉(zhuǎn)矩定位和體積小等優(yōu)點(diǎn)。其絕緣電阻為DC 500 V 150 mΩ MIN，工作溫度范圍為-15～50 ℃。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用型號(hào)為SH?2H068步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，主要包括電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分等。其能夠根據(jù)系統(tǒng)指令按對(duì)應(yīng)的運(yùn)行邏輯關(guān)系分配脈沖信號(hào)，然后通過(guò)功率放大器將信號(hào)加到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，使步進(jìn)電機(jī)能按相應(yīng)的方式運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制和定位控制。

2.3 傳感器

傳感器采用日本歐姆龍公司生產(chǎn)的光電反射型接插件式傳感器作貨物檢測(cè)，其型號(hào)為EE?SPY40，電源電壓為DC 5～24 V，具有能抗周?chē)鈦?lái)光干擾性強(qiáng)和調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 電源模塊

電源模塊的主要參數(shù)如下： 輸入交流電壓/頻率為 220 V/50 Hz； 輸出直流電壓/電流為24 V/6.5 A； 最大功率為300 W。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主體部分是 PLC 程序的設(shè)計(jì)[5?6]，整個(gè)系統(tǒng)的核心工作就是控制程序，系統(tǒng)的工作方式和性能的好壞取決于程序的處理方法優(yōu)劣，因此程序的設(shè)計(jì)與功能的實(shí)現(xiàn)在此系統(tǒng)中至關(guān)重要。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要采用梯形圖和高級(jí)語(yǔ)言混編形式，主程序等采用梯形圖[2?3]，部分功能塊采用匯編語(yǔ)言編程編寫(xiě)，使程序具有簡(jiǎn)潔、維護(hù)方便等特點(diǎn)。圖4為系統(tǒng)總體流程圖，圖5為動(dòng)作子程序流程圖。程序設(shè)計(jì)后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真調(diào)試，其結(jié)果表明，倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)能準(zhǔn)確地完成貨物的存取任務(wù)， 且運(yùn)行可靠、靈敏，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，表明該設(shè)計(jì)方案是可行的。

4 倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)的測(cè)試試驗(yàn)

倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)主要包括入庫(kù)存貨以及出庫(kù)取貨兩個(gè)方面的動(dòng)作，入庫(kù)存貨與出庫(kù)取貨時(shí)，均要保證相應(yīng)倉(cāng)位號(hào)的準(zhǔn)確性，測(cè)試試驗(yàn)主要測(cè)試入庫(kù)存貨與出庫(kù)取貨操作時(shí)的準(zhǔn)確性與快速性，主要反映在光電反射型接插件式傳感器快速響應(yīng)的性能。

4.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地點(diǎn)為南疆一師12團(tuán)和順棗業(yè)公司4號(hào)存取倉(cāng)庫(kù)，主要物料為紅棗包裝箱。按照設(shè)計(jì)，試驗(yàn)主要為單一的存取作業(yè)方式，分別測(cè)算操作系統(tǒng)從各個(gè)倉(cāng)位入庫(kù)存貨的時(shí)間周期以及出庫(kù)取貨的時(shí)間周期。試驗(yàn)前，將各倉(cāng)位進(jìn)行空倉(cāng)，先進(jìn)行入庫(kù)存貨操作，再進(jìn)行出庫(kù)取貨操作；試驗(yàn)時(shí)，準(zhǔn)備好測(cè)試用的秒表，結(jié)合系統(tǒng)自計(jì)算時(shí)間綜合測(cè)定單次取樣時(shí)間；試驗(yàn)進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)時(shí)單次操作時(shí)間周期的平均時(shí)間；另外，根據(jù)重復(fù)入庫(kù)存貨與出庫(kù)取貨測(cè)試，統(tǒng)計(jì)操作系統(tǒng)的識(shí)別倉(cāng)位精度。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

單臺(tái)系統(tǒng)入庫(kù)與出庫(kù)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果如表2及表3所示。表2結(jié)果表明，倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)入庫(kù)存貨周期作業(yè)平均時(shí)間為28.54 s，在測(cè)試時(shí)，僅出現(xiàn)一次識(shí)別錯(cuò)誤，平均識(shí)別精度為99.99%；系統(tǒng)進(jìn)行入庫(kù)操作的周期時(shí)間均值為18.51 s，表明操作過(guò)程作業(yè)穩(wěn)定，操作時(shí)間控制較好，具有較好的可靠性與穩(wěn)定性。經(jīng)計(jì)算，單臺(tái)系統(tǒng)入庫(kù)能力P1為126.1次/h。

表2 倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)入庫(kù)存貨測(cè)試結(jié)果

表3結(jié)果表明，倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)出庫(kù)取貨周期作業(yè)平均時(shí)間為28.49 s，在測(cè)試時(shí)，無(wú)識(shí)別錯(cuò)誤情況出現(xiàn)，平均識(shí)別精度為100%；系統(tǒng)進(jìn)行出庫(kù)操作的周期時(shí)間均值為20.51 s，測(cè)試過(guò)程中，操作過(guò)程作業(yè)穩(wěn)定，操作時(shí)間控制較好，具有較好的可靠性與穩(wěn)定性。經(jīng)計(jì)算，單臺(tái)系統(tǒng)出庫(kù)能力P2為126.3次/h。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的干果業(yè)小型倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定，送取貨物定位準(zhǔn)確，安全可靠，為南疆地區(qū)干果業(yè)物流過(guò)程節(jié)省了大量的人力和物力，提高了工作效率和空間利用率，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

表3 倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)出庫(kù)取貨測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試結(jié)果表明，倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)存取系統(tǒng)操作過(guò)程作業(yè)穩(wěn)定，識(shí)別精度較高，操作時(shí)間控制較好，具有較好的可靠性與穩(wěn)定性，單臺(tái)系統(tǒng)入庫(kù)能力P1則可計(jì)算為126.1次/h，單臺(tái)系統(tǒng)出庫(kù)能力P2則可計(jì)算為126.3次/h。

注：本文通訊作者為李傳峰。

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