自动化立体仓库是一种先进的仓库存储技术, 这一技术又被叫做自动存储/检索系统 (Automated Storage&Retrieval System, AS/RS) 。该系统的主要标志就是采用高层的货架存储货物, 主要由机械系统、电气系统、控制系统、存储系统、输送系统等组成。其中存储系统主要由堆垛机和高层货架构成;控制系统主要由PLC构成, 也有单片机控制或DCS集散控制。本文主要针对这两部分展开设计和研究。

堆垛机是立体仓库的核心。其主要由运行机构、货叉、载货台、起升机构、机架、控制柜等硬件组成。堆垛机控制功能要求一般有 (1) 三维运动控制, 也就是堆垛机在水平、垂直、左右三个方向的运行并保持一定运行速度; (2) 位置控制, 控制堆垛机精确定位、取货、存货; (3) 报警及安全保护控制, 堆垛机发生故障时及时诊断并报警, 并对机械、电气装置进行动作的保护; (4) 通讯系统控制, 一般采用无线通讯方式与上位机和其他设备进行通讯, 本次设计采用了远红外的通讯装置和PROFIBUS-DP现场总线来实现。

堆垛机在进行自动入库作业的时候, 堆垛机载货台货叉朝着货物的方向伸叉, 伸叉到位后, 货叉朝上抬起, 之后将货叉托着货物放回原来的货叉中位, 货叉停止作业, 之后将货物运送到指定的货位中, 检查目标货位中是否放置了货物, 如果没有货物, 堆垛机就向入库目标货位伸叉, 伸叉到位后, 将货叉向下降, 之后再把货叉放回货叉中位, 货叉停止作业, 堆垛机返回到原本的入库口位置, 等待新一轮的作业指令。出库作业顺序同入库作业的工作顺序大致相同。

手动方式。利用堆垛机的转换开关和按钮可以控制堆垛机水平运动同时还可以控制货叉的伸缩。在完成某些操作的时候必须要用手动来完成, 出现故障的时候, 警报系统就会发出警示的声音。并第一时间解除保护控制的设置。在安装、调试以及排除故障的时候通常会选择手动的方式。

单机自动。采用人机界面能够有效地控制堆垛机, 控制系统依照用户输入的参数, 安排自动送货上门。在使用界面操作的时候, 必须要设置单送以及单取的功能。

联机自动。计算机管理系统通过现场总线发送作业命令给堆垛机, 协调堆垛机运行, 完成各项功能, 实现现场作业完全自动化。

定位控制。为了能够更加方便的进行货物的存取工作, 堆垛机一定要放在指定的位置, 如果定位出现偏差也要控制在一定的范围之内。

速度控制。为了能够用最短的时间做更多的工作, 避免在工作过程中给堆垛机造成太大的冲击影响, 因此我们要尽可能的使每一个动作更加精准, 每一次操作都要按照要求来完成。设置合适的行走速度以及升降速度, 这两项数据的设置是非常重要的。

货叉控制。为了让货物可以比较精准的放入货位以及取出货物, 我们必须要准确的设置各种参数。货叉的速度分为高速和低速两个档位。如果货物比较轻而且不容易倾倒的时候, 我们就可以选择高速挡位。

信息接收。计算机在发送指令之前, 必须要清楚设备的各个部分是否处于正常状态。因为堆垛机大部分时间都是高速运转的状态, 在搬运物品的时候, 一定要做好货物监控工作, 确保机械一直保持良好的工作状态。测试传感器和堆垛机是否保持工作状态, 信息接收系统是否可靠性, 是计算机系统是否发挥出作用的重要评判指标。

安全保护。巷道堆垛机在自动化立体仓库中起到至关重要的作用。作业之前必须保证系统处于无故障状态, 作业过程中必须保证各器件处于正常的工况下, 避免因过热、过载而损坏。

图1 系统总体结构图  下载原图

图2 S7-300系列PLC插槽地址  下载原图

图3 位置控制结构图  下载原图

本次设计采用西门子SIMATIC S7-300系列PLC, 配合变频调速系统对堆垛机进行控制。系统总体结构图如图1。

表1 PLC输入输出I/O分配表  下载原图

S7-300系列PLC采用模块化设计, 各单独模块之前可以采取广泛的组合用于扩展。PLC系统基本组成如下:

(1) 中央处理单元 (CPU) 。各种CPU有各种不同的性能, 例如, 有的CPU上集成有输入/输出点, 有的CPU上集成有?PROFIBUS-DP通讯接口等。 (2) 信号模块 (SM) 。用于数字量和模拟量输入/输出。 (3) 通讯处理器 (CP) 。用于连接网络和点对点连接。 (4) 功能模块 (FM) 。用于高速计数, 定位操作 (开环或闭环定位) 和闭环控制。 (5) 负载电源模块 (PS) 。用于将?SIMATIC?S7-300连接到120/230伏交流电源, 或24/48/60/110伏直流电源。 (6) 接口模块 (IM) 。用于多机架配置时连接主机架 (CR) 和扩展机架 (ER) 。S7-300系列PLC插槽地址如图2。导轨上最多有11个模块, 前三个模块即电源模块、cpu模块、接口模块IM位置是固定的。其他可自由安排位置。

CPU 313C是一种紧凑型CPU, 用于对处理能力和响应速度有很高要求的场合。集成的数字量和模拟量输入和输出可与过程信号直接连接。CPU 313C内置输入/输出, 24个数字量输入 (所有输入可以用作报警处理) 和16个数字量输出以及4个模拟量输入和2个模拟量输出, 用于测量电流/电压信号;以及1个附加输入用于测量温度。根据控制点位设计要求, 本次选择313C型CPU, SM模块选择2个SM321型16点位数字量输入模块, 1个SM322型8点位数字量输出模块, 1个SM331型8点位模拟量输入模块, 1个SM332型8点位模拟量输出模块。PLC输入输出I/O分配如表1。

堆垛机的位置控制包括水平行走机构、垂直起升机构、货叉伸缩机构, 只有这三个机构有机结合才能完成存取货的任务。因此设计的关键, 在于可靠的认址和精准的定位。为了保证堆垛机安全高效运行, 还要对这三个机构的运行速度进行控制。位置的控制由PLC、调速系统、编码器、认址器、认址片组成, 实现闭环控制。位置控制设计的方框图如图3。

认址方式主要由绝对认址、相对认址、编码器定位、激光测距定位等, 这几种方式性能各有优劣, 应该综合考虑。本次设计采取水平方向激光定位, 垂直方向和货叉伸缩则采取绝对编码定位。水平方向, 在堆垛机上安装激光测距传感器, 反射片安装在巷道前端。通过两者之间不能有任何异物遮挡激光束, 否则将影响定位的安全准确性。垂直方向, 通过齿形带、旋转编码器绝对认址来实施;货叉伸缩则由绝对旋转编码器检测来实现。三个方向使用同一个固定的参照点来实现同步。控制单元据此知道堆垛机在任何时候的准确位置。

为保证堆垛机安全高效运行, 必须对其交流电机进行速度控制, 采用闭环变频调速控制, 也就是通过改变变频器的输出频率实现对交流电动机的调速控制。西门子MM440变频器性能稳定、可靠, 得到了广泛的应用, 但是在实际使用过程中发现, MM440接口过多, 容易松动, 对于堆垛机的稳定运行带来不良后果。因此本设计根据综合考虑选择西门子SS120高性能变频器, SS120型变频器集V/F控制、矢量控制、伺服控制为一体的多轴驱动系统, 具有模块化的设计, 各模块之间通过高速驱动接口DRIVE-CLIQ相连, 可以实现高性能的应用。调速系统结构方框图如图4。

图4 速度控制结构图  下载原图

载货台设计安装货架虚实检测器, 以确认货架货位是否有货, 避免双重入库。当发现货位有货时, 停止送货并报警。堆垛机上所有电机, 安装过热、过载保护器。堆垛机设有紧急极限开关, 包括运行、升降方向的限位开关, 当载货台超过货架最高层或最底层一定距离时, 限位开关触发, 堆垛机强制制动, 紧急停止。堆垛机运行时, 设有安全互锁机构, 如遇到货叉正在动作, 货叉没有中位, 水平和垂直方向运动将被锁定;当堆垛机行走或升降时, 货叉运行将被锁定。另外, 当堆垛机发生故障时, 进行声光报警。

新的行业形势下自动化仓储设备建设已经逐渐成为行业未来的发展方向, 相比于传统的仓储系统, 自动化的仓储系统有效率高节省管理开支等优势, 同时自动化仓储可以更加高效的利用仓储空间, 同时可以建立大规模的仓储集群, 利用自动化技术提升仓储的管理运作效率, 提升货物的入库查找出库的效率, 同时借助强大的检索系统可以实时管理动态的仓储信息为企业提供实时的仓储管理信息, 提升企业总体的运作效率。这对企业的发展而言至关重要, 而对于传统的仓储业来说这种变革将极大的改变仓储行业的行业形态, 推动相关产业的升级和改造。而堆垛机是自动化仓储管理中最重要的设备, 需要结合计算机软件进行系统的设计和研发, 做到软件与硬件的结合。