基于PLC控制技術(shù)的智能穿梭車電路設(shè)計(jì)

畢厚龍，張水旺

（1.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，馬鞍山 243032；2.安徽工業(yè)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，馬鞍山 243032）

0 引言

自動化立體倉庫的出現(xiàn)，能較大程度提高倉庫的利用率，一般都采用一臺堆垛機(jī)工作巷道和兩排貨架的模式，這在某種程度上，降低了倉庫的利用率。隨著信息化技術(shù)、物流裝備智能化的發(fā)展，進(jìn)一步提高倉庫利用率是立體倉庫發(fā)展的必然要求[1]，智能穿梭車（ISB）應(yīng)運(yùn)而生，對于實(shí)現(xiàn)高密度倉庫的自動化存取和管理發(fā)揮著重要的作用。

昆明船舶公司作為我國穿梭車研究較成功的企業(yè)，于2001年和2002年分別了設(shè)計(jì)了雙軌直線型穿梭車和單軌環(huán)形穿梭車，之后太原剛玉物流工程有限公司在2004 年研發(fā)設(shè)計(jì)出多功能穿梭車[2]，經(jīng)歷幾年的實(shí)踐驗(yàn)證，天津萬事達(dá)物流設(shè)備有限公司在2010年研發(fā)設(shè)計(jì)了往復(fù)式穿梭車。為了使這項(xiàng)技術(shù)得到長遠(yuǎn)發(fā)展，學(xué)者們也開始了理論研究，2014年李亞軍等人[3]介紹了出庫穿梭車的自動認(rèn)址技術(shù)，設(shè)計(jì)了出庫穿梭車的控制系統(tǒng)，并給出了在自動運(yùn)行模式下的程序流程圖；張寶等人[4]針對穿梭車定位方法可靠性不高及故常維修效率低下的現(xiàn)狀，提出了一種組合條碼識別與激光測距的穿梭車冗余定位方法。大多數(shù)的穿梭車系統(tǒng)是根據(jù)所應(yīng)用的環(huán)境以及所需要實(shí)現(xiàn)的功能來設(shè)計(jì)的。其中，在密集倉儲系統(tǒng)所使用的往復(fù)式穿梭車是指能夠使貨物在輸送線路上實(shí)現(xiàn)正反向流動，進(jìn)而滿足物料先進(jìn)先出、先進(jìn)后出等多種倉儲作業(yè)模式的自動搬運(yùn)機(jī)器人。往復(fù)式穿梭車的使用可以顯著降低倉庫管理人員的工作強(qiáng)度，提高勞動效率，還能極大提高物流企業(yè)物流倉儲系統(tǒng)的自動化與智能化。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對密集倉儲系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了基于PIC控制技術(shù)的ISB電路。

1 總程序控制流程

密集儲存自動化倉庫中的穿梭車基于托盤下方的軌道，負(fù)載托盤運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)托盤上物品從貨位中的存入與取出。ISB的機(jī)械構(gòu)成包括啟動按鈕、各類傳感器、紅外線接收器、牽引環(huán)、電池盒、升降運(yùn)動裝置和動力傳動系統(tǒng)等[5]。在穿梭車作業(yè)時(shí)各類傳感器包括進(jìn)出貨激光傳感器、前后托盤識別傳感器、前后定位測距傳感器、升降限位傳感器、從動輪轉(zhuǎn)角檢測傳感器和安全防撞傳感器等用以對外圍環(huán)境信息獲取，并實(shí)時(shí)將信息傳送到控制系統(tǒng)中；升降機(jī)構(gòu)通過電機(jī)和傳動系統(tǒng)驅(qū)動曲柄連桿機(jī)構(gòu)和四桿機(jī)構(gòu)，完成承載貨臺上下移動操作，當(dāng)光電感應(yīng)器感應(yīng)到小車運(yùn)行到貨物正下方時(shí)，會將信號傳給PLC，PLC驅(qū)動升降電機(jī)正轉(zhuǎn)，完成貨物的抬升操作，當(dāng)小車運(yùn)行到目的地后電機(jī)反轉(zhuǎn)，完成卸貨作業(yè)。根據(jù)ISB實(shí)際作業(yè)流程，PLC總程序控制流程如圖1所示。

開始任務(wù)時(shí)，ISB首先檢測其電量是否充足，在電量充足的情況下，啟動存貨模式，利用托盤傳感器感知周邊是否存在托盤（如果前面有托盤，則向前運(yùn)行，如果后面有托盤，則向后運(yùn)行），當(dāng)感知到前后都有托盤時(shí)，表示ISB正好處于貨物的底部，托盤自動上升，當(dāng)壓力傳感器感應(yīng)到支撐住貨物的時(shí)候，小車按照設(shè)計(jì)的速度模式啟動，直到存貨目的地卸貨。

2 PLC控制系統(tǒng)功能模塊

參考其他PLC控制系統(tǒng)功能模塊[6]，本文設(shè)計(jì)的ISB控制系統(tǒng)包含以下若干功能模塊：激光測距、光電傳感器、電池、無線傳輸、電機(jī)、狀態(tài)顯示、角速度傳感器等，主要設(shè)備有各類傳感器和行程開關(guān)等，具體如圖2所示?？梢钥闯?，這些模塊需要的電量和電壓不盡相同，因此需要有針對性地設(shè)計(jì)電路，以滿足其正常運(yùn)作。

圖1 PLC總程序控制流程圖

圖2 智能穿梭車PLC控制系統(tǒng)功能模塊示意圖

3 智能穿梭車電路設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)選型

在伺服電機(jī)的選型時(shí)，主要考慮慣量、功率和轉(zhuǎn)矩之間的匹配，負(fù)載慣量比值越小，電機(jī)的控制力越強(qiáng)[7]。設(shè)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為nmax，D為穿梭車行走輪直徑，vmax為最大直線運(yùn)行速度（單位為m/min），μ為控制系統(tǒng)的傳動比，則有：

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

從前文可以看出，ISB模塊多，而且不同模塊需要的電壓不一樣，比如PLC、光電傳感器、繼電器等需要24V穩(wěn)壓，而驅(qū)動器控制信號電源和紅外線接收器只需要5V穩(wěn)壓，它們所需要的不同的電壓，都可以由24V的可充電電池組提供電源，為此，設(shè)計(jì)時(shí)，必須了解各個(gè)功能模塊對電壓的需求，通過電路轉(zhuǎn)換為所需要的5V和24V的電壓?；诖?，本文設(shè)計(jì)降壓穩(wěn)壓電路如圖3所示[8,9]。

在該電路中，運(yùn)用了大的直流三端穩(wěn)壓，主要的各項(xiàng)電阻元件進(jìn)行，而C1C2C3主要進(jìn)行一定程度范圍內(nèi)的穩(wěn)壓與濾波的作用，電路主要利用三端穩(wěn)壓芯片把輸入大于5V的直流電壓保證得出穩(wěn)恒的直流5V電壓的供給。

圖3 降壓穩(wěn)壓電路基本圖

3.3 電量檢測設(shè)計(jì)

前文已述及，ISB的不同部件所需要的電壓不一樣，因此為了保證系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，必須實(shí)時(shí)檢測電壓。電壓檢測流程如圖4所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)作電壓采集，通過A/D轉(zhuǎn)換，給控制系統(tǒng)的電壓V賦值，如果一開始設(shè)置的Vset1>V，則提示燈亮，電池需要充電；充電過程中，再次檢測電壓值，如果Vset2>V，則報(bào)警，電量充滿，結(jié)束運(yùn)行。通過實(shí)時(shí)自動檢測電壓，可以防止ISB在作業(yè)過程中因?yàn)槿彪姸鵁o法工作的情況。

基于此，本文設(shè)計(jì)了電量檢測電路，如圖5所示。該電路是進(jìn)行電池電量的檢測電路圖，通過A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行電池電壓值的對比，該電路環(huán)節(jié)中的典型阻容耦合，完成電壓值的濾波與穩(wěn)定應(yīng)用，其中R3實(shí)現(xiàn)了電阻應(yīng)用時(shí)的可調(diào)性能。

3.4 編碼器接口電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)時(shí)，為了保障運(yùn)輸貨物的安全性，ISB的運(yùn)行速度必須先慢慢加速，然后維持勻速，最后又慢慢減速至停止，這就要求在整個(gè)運(yùn)行過程中，要實(shí)時(shí)檢測ISB的運(yùn)行速度。此處把電機(jī)轉(zhuǎn)速表示為PLC可識別的脈沖信號，從而計(jì)算脈沖數(shù)[10]。

圖4 電壓檢測流圖

圖5 電量檢測電路圖

ISB在運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速、線速度、位移、轉(zhuǎn)角位移等都需要實(shí)時(shí)自動采集，而這些工作都可以由編碼器來完成，這些信息被碼盤轉(zhuǎn)換成亮暗光信號后，再由各種光電器件的光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號輸出。其中，位移信息用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器來檢測，ISB的轉(zhuǎn)角則通過對光電編碼器的輸出脈沖計(jì)數(shù)來測量，可見，穿梭車的位移和轉(zhuǎn)角成正比例關(guān)系[11]。此處，設(shè)計(jì)編碼器接口電路如圖6所示。該電路中SN75175芯片工作電壓于5.0V，共模輸入阻抗大于12kΩ，差動輸入電壓+25V～-25V幅值范圍，采用三態(tài)輸出。電路藍(lán)色標(biāo)注矩形為外部插件。其中a-a、b-b是外來的兩路信號，通過SN75175把信號送到內(nèi)部電路中。

圖6 編碼器接口電路圖

4 結(jié)束語

針對ISB在高密集倉庫中使用越來越頻繁，本文在分析了控制流程的基礎(chǔ)上，分析了ISB的功能模塊，并就不同模塊，設(shè)計(jì)了需要的電路，為ISB的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。但目前只停留在電路設(shè)計(jì)，下一步打算研究ISB的運(yùn)行速度是如何控制，并且在完成PID算法之后，考慮上位機(jī)、下位機(jī)的情況下，開發(fā)ISB，提高ISB的運(yùn)行可靠性，推動現(xiàn)代倉儲、現(xiàn)代物流業(yè)的發(fā)展。

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