南疆地区是我国重要的特色农产品加工基地, 由于独特的自然环境, 所产的红枣、核桃、葡萄干、巴旦木等特色果品深受市场喜爱[1,2]。然而, 由于地理位置偏远, 加上交通不便, 使物流问题成为了制约南疆特色农产品产业发展的关键因素[3,4]。仓库的快速存取是反映仓储物流发展的一个重要指标, 由于目前南疆地区仓储物流的落后, 传统的果品仓库存取系统不能满足物流业快速发展的需求。因此, 对传统的果品仓库存取系统进行改进与管理系统的升级, 具有重要的物流运输意义与经济价值。PLC是工业上应用较为广泛的系统, 具有稳定性与快速响应性, 且编程方便, 有利于物流业的控制与管理[5,6,7,8]。

本文以塔里木大学研究生创新基地之一的大漠枣业责任有限公司的仓库存取系统为研究对象, 将自动堆垛机、人机系统、仓储数据库等结合, 设计一种PLC控制的自动存取系统[9,10], 可大大提高仓储系统的快速存取能力, 提高识别精度与可靠性。

通过这几年的发展, 南疆地区特色果品业已实现了自动堆垛机操作、称重等物流作业工序, 但总体而言, 缺少系统的控制, 图1所示为目前的南疆特色干果仓库存取系统, 主要依靠人工与机械的配合, 自动化程度相对较低。选取塔里木大学研究生创新基地之一的大漠枣业责任有限公司的仓库存取系统为改进对象, 采用PLC系统实现与人机系统、上位机之间的数据控制, 实现PLC对现场存取操作系统、自动堆垛机系统、各控制单元的工作实现全程物流系统的自动化作业。

图1 南疆特色干果仓库存取系统Fig.1 Warehouse access system of special dry fruits in South Xinjiang  下载原图

按照红枣加工工艺要求以及生产线的设置情况, 设计仓储自动存取系统立式存取方式, 由机构将对应仓号进行一定倾斜角度实现出库。设计货物为静止状态, 存取货物通过三个自由度的出库机构与进货机构执行。各仓位均设置货物位置传感器, 以测定仓储系统的存货状态。具体的南疆特色干果仓库存取系统主要参数如表1所示。

表1 南疆特色干果仓库存取系统主要参数Table 1 Main parameters for warehouse access system of special dry fruits in South Xinjiang  下载原图

控制系统主要以PLC为核心控制单元, 设计采用西门子PLC-200, CPU 224型的小型PLC系统, 自带数字量I/O点为16组, 模拟量AI/AO点数通过扩展模块增加16组, 以方便进行单独控制[11]。人机界面采用触摸屏界面进行信息的传输与信号的显示。控制主要包括电气控制部份、仓库存取机构控制以及仓位选择控制等。系统的控制示意图如图2所示。

图2 控制系统示意图Fig.2 Schematic diagram of control system  下载原图

系统工作原理是利用PLC作为核心控制元件, 控制步进电机来驱动一个有三自由度的堆垛机在导轨和立柱上做三维运动。以步进电机每转输出的脉冲数为基础, 通过光电传感器进行扫描将信号传送给PLC得出相应的仓位号, 并输出对应仓位的脉冲数, 经过驱动器驱动步进电机按指令的方向转动相应的角度, 进而控制机械传动部件进行准确的定位, 以完成仓库货物的存取功能。

存取电机的电气控制如图3所示。控制电机采用三相交流异步电动机, 根据存取货功率要求, 选取电机功率为2.2 k W, 电机的控制采用DEB200型国产变频器控制, 控制方式为U/f标量控制方式。变频器的S1, S2, S3, S4控制端口作为PLC的控制端口, 通过PLC输出转速命令来实现存取电机的变速控制。变频器自带电气保护功能, 当电机受动故障信号时, 变频器停止输出, 并向PLC发出故障信号。

图3 存取电机电气控制系统Fig.3 Electric motor control access system  下载原图

根据电气控制要求, 设计PLC控制系统如图4所示。PLC对存取电机的控制主要采用D0口输送转速信号, 当PLC的Q0.1输出为高电位时, 传送至变频器DEB200控制端口S1信号为1, 通过与S2, S3, S4组合输出转速信号, 实现对控制系统的调速。模拟量模块主要为显示PLC控制系统的结果、仓位信号等。

图4 PLC控制系统Fig.4 PLC control system  下载原图

系统软件采用STEP7-Micro WIN小型PLC控制软件, 与其他软件相比较, STEP7-Micro WIN具有较快的响应性与灵活性。软件系统采用模块化编程, 主要分为存取电机控制模块与传感器电路检测模块, 其中, 传感器检测模块主要测定仓位数据, 具体如图5所示。实际工作时, PLC程序先进行扫描工作, 查找目标仓位, 当显示需存取操作时, 执行相应的存取货操作模块数据, 启动存取电机, 实现精准定位。

图5 软件控制流程图Fig.5 Flow chart of software control  下载原图

仓储系统主要包括对机械系统、PLC硬件系统以及软件系统进行测试试验。主要测试立式存取速度、仓位信号的响应、货号检测的准确性测试。每个货号均通过光电检测传感器感应, 需要测试传感器的响应速度。

测试试验为大漠枣业责任有限公司新疆存取仓储系统, 主要操作对象为红枣集中箱货品。试验前, 先对仓储软件操作系统进行仿真调试。待软件系统完成后进行硬件电路的通电测试, 再进行仓储系统存取操作系统。测试时主要测试仓位号码识别精度、出入库存取货系统的作业时间周期, 以评价系统的快速响应与控制精度。

主要通过入库操作周期、出库取货周期来综合计算。

1) 入库存货周期Tm

入库存货周期Tm可由式 (1) 进行测算:

式中:Tp1为系统识别并选择空仓位的响应时间;Tp2为系统进行入库操作的周期时间;Tp3为系统进行确认进行待准备的处理时间;Ta为作业的附加时间。

2) 出库取货周期Tn

出库取货周期Tn可由式 (2) 进行测算:

式中:Tq1为系统识别并选择取货仓位的响应时间;Tq2为系统进行出库操作的周期时间;Tq3为系统进行确认进行待准备的处理时间;Tb为作业的附加时间。

单台系统入库能力P1按式 (3) 进行计算 (单位:次/h) :

单台系统出库能力P2按式 (4) 进行计算 (单位:次/h) :

单台系统入库与出库测试试验结果如表2及表3所示。表2结果表明, 仓库自动存取系统入库存货周期作业平均时间为28.54 s, 在测试时, 仅出现一次识别错误, 平均识别精度为99.99%;系统进行入库操作的周期时间均值为18.51 s, 表明操作过程作业稳定, 操作时间控制较好, 具有较好的可靠性与稳定性, 单台系统入库能力P1则可计算为126.1次/h。表3结果表明, 仓库自动存取系统出库取货周期作业平均时间为28.49 s, 在测试时, 无识别错误情况出现, 平均识别精度为100%;系统进行出库操作的周期时间均值为20.51 s, 测试过程中, 操作过程作业稳定, 操作时间控制较好, 具有较好的可靠性与稳定性, 单台系统入库能力P1则可计算为126.3次/h。

表2 仓库自动存取系统入库存货测试结果Table 2 Inventory test results of warehouse automatic access system  下载原图

表3 仓库自动存取系统出库取货测试结果Table 3 Delivery test results of warehouse automatic access system  下载原图

本文以PLC系统为控制核心, 设计了研究生创新基地仓库自动存取系统, 实现了对红枣货品的快速存取操作, 通过测试试验, 结果表明:

1) PLC系统对仓库自动存取系统的响应快速, 可靠性较高, 能适应频繁的快速仓库自动存取作业。

2) 仓库自动存取系统入库存货周期作业平均时间为28.54 s, 在测试时, 平均识别精度为99.99%。

3) 仓库自动存取系统出库取货周期作业平均时间为28.49 s, 在测试时, 无识别错误情况出现, 平均识别精度为100%;系统进行出库操作的周期时间均值为20.51 s, 测试过程中, 操作过程作业稳定, 操作时间控制较好, 具有较好的可靠性与稳定性, 单台系统入库能力P1则可计算为126.3。