基于S7-1200PLC的雙立柱自動堆垛機控制系統(tǒng)的設(shè)計

謝國強，王永濤，駱廣兵

(青島星華智能裝備有限公司技術(shù)質(zhì)量中心， 山東 青島 266000)

0 引言

隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，電子商務(wù)的崛起，物流正形成一門新興產(chǎn)業(yè)，而自動化立體倉儲是物流系統(tǒng)中不可或缺的部分，得到了廣泛的應(yīng)用。堆垛機作為自動化立體倉儲的最核心的物料搬運設(shè)備，在高層貨架巷道內(nèi)往復(fù)運動，擔負著出庫、入庫、盤庫等作業(yè)任務(wù)，其控制性能，運行速度，定位精度，控制技術(shù)都取得了重大突破[1]。

根據(jù)評估性能優(yōu)劣，青島寶佳設(shè)備自動化有限公司開發(fā)出一套符合市場需求的雙立柱有軌巷道堆垛機，具有很高的強度和剛性。能快速啟停，定位精度高，運行平穩(wěn)等優(yōu)點[2]，目前運行于寶博生物，具有很高的推廣價值。

1 系統(tǒng)組成

1.1 工藝流程

雙立柱自動堆垛機的結(jié)構(gòu)分為：立柱系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、載貨臺系統(tǒng)、貨叉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。堆垛機被支持在天軌和地軌之間，通過實現(xiàn)x、y、z方向移動，用載貨臺通過貨叉存取物品。完成貨物的入庫、出庫等任務(wù)[3]。

1.2 系統(tǒng)組成

（1）立柱系統(tǒng)由立柱、法蘭盤、立柱導軌和導向輪組等組成，主要起到固定和支撐作用。

（2）水平行走系統(tǒng)由地軌、天軌、導向輪組、緩沖器、驅(qū)動電機、主動行走輪組、被動行走輪組等組成。這種機構(gòu)的工作方式是由電機帶動減速機機構(gòu)，完成驅(qū)動主輪組在地軌上運行，從而實現(xiàn)堆垛機在巷道上的運行。在堆垛機的底座上上橫梁兩端安裝導向輪，運行時可以起到一定的引導方向作用。在底座的前后兩端安裝防撞裝置，以防止意外突發(fā)情況對堆垛機造成傷害。

（3）升降系統(tǒng)是由卷筒、鋼絲繩、提升電機和變向滑輪等組成。工作原理是將電動機旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)鋼絲繩和滑輪機構(gòu)轉(zhuǎn)變成垂直的提升運動，完成堆垛機的升降動作。該機構(gòu)增加配重裝置，減速能量損耗。采用s曲線是速度控制，減少立柱的晃動和噪聲，運行效率也得到了提升。

（4）載貨臺系統(tǒng)由載貨臺和導向輪組組成。是貨物單元承載裝置，通過鋼絲繩與升級系統(tǒng)鏈接，沿立柱上的導軌升降。

（5）貨叉系統(tǒng)由上叉、中叉、下叉、驅(qū)動電機、鏈傳動組、齒輪齒條傳動組等組成。其結(jié)構(gòu)特點能實現(xiàn)雙向伸縮。以方便向兩側(cè)貨架送貨取貨。伸縮速度設(shè)計為8～10 m/min。

（6）電氣系統(tǒng)是本文設(shè)計的重點，主要包括電力拖動、控制、檢測和安全保護等組成。三個主要方向的動力，均采用變頻調(diào)速控制，從而滿足堆垛機高速運行、換速平穩(wěn)、低速停準的要求。檢測系統(tǒng)必須具有貨箱位置檢測、貨物有無探測、自動認址，位置距離檢測等功能?？刂撇捎梦鏖T子的S7-1200PLC控制器，安全穩(wěn)定性高。

2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用西門子PLC作為控制器，采用SCL和STL的編程語言，功能模塊化編程，實現(xiàn)對堆垛機的升降、行走、伸縮等動作，來完成入庫、出庫、盤庫等作業(yè)任務(wù)[4]。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 PLC的選型

PLC選用西門子S7-1200的CPU1215 DC/DC/Rly，還需要兩個16點輸入模塊SM1221 DC；作為雙立柱自動堆垛機的控制核心。

2.1.2 觸摸屏的選擇

觸摸屏作為操作和顯示設(shè)備運行，并監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，詳細顯示每一條設(shè)備故障記錄，有利于查詢并解決問題。選用西門子的KTP700。

2.1.3 驅(qū)動電機選型

（1）提升電機功率

提升運動電動機功率Pn計算式如下：Pn=LvL/6 120y

式中：L——提升重量，kgf；

vL——提升速度，m/min；

y——提升裝置效率。

其中貨叉可動部分W1=5 300 N。

載重：W2=15 000 N

升降速度：v=20m/min=1/3 m/s

傳動效率：η=0.7×0.9=0.63

其中，蝸輪蝸桿效率為0.7，鏈條效率為0.9。

最高時速時需要動力：P=(W1+W2)v/η=(15 000+5 300)/3×0.63=10.6 kW

為安全起見，選擇標準電動機功率為11 kW。升降機構(gòu)選用11 kW 倫茨8 400 top變頻驅(qū)動器，11 kW 84 Topline電抗器，深圳貝殼型號為11 kwBKRXLG3 kW95RJ×3制動電阻，電機為11 kW倫茨減速電機；

（2）行走電機功率

行走電動機功率等于達到額定速度時的啟動加速度的功率和達到額定速度的功率之和。①加速時所需功率P1計算如下：

式中：Ta——加速的扭矩，kgf·m；

N——電動機轉(zhuǎn)速，r/min；

y1——行走裝置效率。

② 額定速度的功率P2：

式中：Wr——行走阻力，kgf；

v——行走速度，m/min。

電動機功率P：P=P1+P2

式中加速時的扭矩Ta用GD2（負載慣性矩，kg.m2）來計算。但是，在實際應(yīng)用時，上述公式只作計算參考，因為計算出的電動機功率偏小。實際選擇電動機時是根據(jù)加速和減速值、轉(zhuǎn)速以及持續(xù)時間來確定的。堆垛機的主要參數(shù)是：堆垛機自重WD=63 100 N，行走速度v=160 m/min=2.67 m/s，滾動阻力系數(shù)μ=0.02。根據(jù)這些主要參數(shù)可以計算行走電動機功率大小。

計算步驟如下：RD=(WD+W2)μ=(63 100+15 000)×0.02=1 562(N)

蝸輪蝸桿動力傳遞效率η=0.8，則

最 高 時 速 的 動 力：PD=RDv/η=(1 562×2.67)/0.8=5.21 (kW)

為了安全起見，按電動機標準選擇，采用功率為7.5 kW的電動機為宜。即：LD=7.5(kW)

水平行走機構(gòu)選用7.5 kW的倫茨8 400 top變頻驅(qū)動器，7.5 kW 倫茨84 Topline電抗器，深圳貝殼型號為7.5 kwBKRXLG3kW95RJx3制動電阻，電機為7.5 kW倫茨減速電機;

（3）貨叉電機功率

設(shè)行走速度：v=21 m/min=0.35 m/s

滾動摩擦系數(shù)為0.03，則行走阻力：R=(W′+W2)μ=(5 300+15 000)×0.03=609(N)

動力傳動效率：η=0.9×0.9=0.81

兩個0.9分別為齒輪減速電動機和鏈條的效率。

最 高 時 速 需 要 動 力：P=Rv/η=609×0.35/0.81=0.26(kW)

按電動機標準，選擇功率為1.1 kW的貨叉電動機更安全。

貨叉機構(gòu)選用1.1 kW 倫茨變頻器，1.1 kW的倫茨減速電機。

2.1.4 配套傳感器

無線通信采用勞易測的型號為DDLS 508 40.3L紅外通訊傳感器；行走和升降的測距定位采用勞易測的型號為AMS 348i 120 SSⅠ和AMS 348i 40 SSⅠ的激光測距儀；用于檢測貨物的偏離、有無等的光電傳感器采用勞易測漫反射型光電傳感器型號為

HT46C/4P-M12。

2.1.5 硬件網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)選用三個變頻器驅(qū)動器，兩個激光測距儀，一個觸摸屏，一個旋轉(zhuǎn)編碼器，均通過PROFⅠNET總線通訊；其網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。

2.2 IO變量定義

該雙立柱自動堆垛機控制系統(tǒng)中共使用28個點輸入、7個點輸出，具體Ⅰ/O分配如表2所示[5]。

表2 堆垛機輸入輸出點

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于S7-1200PLC的雙立柱自動堆垛機控制系統(tǒng)在西門子博圖V15的編程環(huán)境下開發(fā)，主要由主程序、初始程序、報警程序、手動程序、自動程序、通訊程序、輸入輸出程序等。自動程序中包括入庫程序、出庫程序、倒庫程序等[6]。如圖3所示。

3.1 功能設(shè)計

（1）運動控制功能

PLC控制變頻器驅(qū)動相應(yīng)的電機來執(zhí)行堆垛機實現(xiàn)水平方向的行走動作，垂直方向的升降動作，和載貨臺上袋貨叉左右伸出縮回的動作等功能。

（2）位置控制功能

為了保證能準確地存取物料，控制系統(tǒng)就需要具備自動尋址定位功能，取貨、放貨等作業(yè)流程才能順利進行。位置控制是指堆垛機運行時能夠精確的定位，本系統(tǒng)采用激光定位傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器檢測位置，通過PLC控制變頻器動作，形成一個雙閉環(huán)的位置控制。如圖4所示。堆垛機的定位包括：在X軸上的水平運行定位，在Y軸上的垂直升降定位。貨叉上的左 右伸縮定位，主要靠到位信號檢測定位[7]。

（3）速度控制功能

本文采用7段速的S型曲線代替?zhèn)鬟f的多段曲線調(diào)速的方法。堆垛機的運行從啟動到停止可分為加速過程、勻速過程和減速過程三個過程，其中加速過程和減速過程的響應(yīng)快慢是最關(guān)鍵的，其性能優(yōu)劣決定了堆垛機作業(yè)頻率的高低和運行的平穩(wěn)，從而對自動化立體倉庫的工作效率有著很大的影響。速度控制和位置控制緊密相連，堆垛機高速運行中，快到達目標位置時，堆垛機要進行減速制動，但堆垛機存在運動慣性，所以，為了可以精準的停在指定貨位，堆垛機必須提早進行減速，加以緩沖釋放慣性。堆垛機系統(tǒng)在水平方向、垂直方向、左右方向的三維立體控制中，水平運動控制是難點，因為運行軌跡長而且運行速度大；垂直運動相比來說稍簡單，高度低而且速度?。回洸孀笥疫\動更為簡單，只有高速和低速兩個模式[8]。

（4）數(shù)據(jù)通訊功能

本文PLC通過PN總線，和三個變頻器，2個激光測距傳感器，1個觸摸屏等通訊。PROFⅠNET通訊總線具有抗干擾能力強，適應(yīng)嚴酷的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。并具有快速的網(wǎng)絡(luò)故障定位與診斷。數(shù)據(jù)傳輸速度高、傳輸距離遠，具有10-100 M/bits的自適應(yīng)傳輸率。兼容性好，適合于解決控制系統(tǒng)中不能廠商設(shè)備的兼容和互操作等問題。

（5）安全聯(lián)鎖保護功能

本控制系統(tǒng)具有行走運行超限、起升超限、貨叉超限等安全保護功能。電機控制的跳閘檢測保護功能，電機堵轉(zhuǎn)，斷線檢測功能。電機端使用安全抱閘，避免高速是因電機扭矩輸出不夠而導致的跌落事故。還有貨位有無貨物檢測功能，X軸和Y軸運動的互鎖保護功能等。這些都是為了保護人、貨和設(shè)備的安全而設(shè)計的功能。

3.2 工藝自動化流程

（1）入庫作業(yè)流程

在自動模式下，堆垛機收到入庫指令，先到達指定的取貨貨位，軟后檢測有無貨物，確定貨物存在，貨叉伸出，微升又縮回，完成取貨任務(wù)，然后堆垛機行走并升降到指定的入庫位置，先檢查貨位有無貨，確定無貨后，貨叉伸出，微降，縮回完成放貨任務(wù)，最后回到原點。整個作業(yè)流程如圖5所示。

（2）出庫作業(yè)流程

在自動模式下，堆垛機收到出庫指令，先到達指定的出貨貨位，軟后檢測有無貨物，確定貨物存在，貨叉伸出，微升又縮回，完成出貨任務(wù)，然后堆垛機行走并升降到指定的出庫位置，先檢查貨位有無貨，確定無貨后，貨叉伸出，微降，縮回完成放貨任務(wù)，最后回到原點。整個作業(yè)流程如圖6所示。

3 結(jié)束語

本文介紹的基于S7-1200PLC的雙立柱自動堆垛機控制系統(tǒng)應(yīng)用博圖軟件編寫了PLC程序，功能模塊化的編程，編程簡化，縮短了掃描周期，提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。采用曲線的速度閉環(huán)控制，提高了運行的的穩(wěn)定性；采用精確的位置環(huán)的閉環(huán)控制，提高了定位精度；已經(jīng)成功的用于寶博生物科技的自動化立體倉庫中，目前運行良好，具有很好的推廣價值。