Design and Development of the Intelligent Control System for Three Dimensional Storage

李文強

(中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司， 遼寧 沈陽　110850)

?

智能立體存儲控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

Design and Development of the Intelligent Control System for Three Dimensional Storage

李文強

(中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司， 遼寧 沈陽110850)

摘要：針對板材存儲的占用面積大、存儲效率低、管理庫存不便等問題，提出了一種板材立體存儲方案，并設(shè)計開發(fā)了一套板材存儲自動控制系統(tǒng)。采用可編程邏輯控制器結(jié)合觸摸屏控制方式，實現(xiàn)了自動存取板材、自動修改庫存、實時狀態(tài)監(jiān)控顯示、遠程監(jiān)控等功能?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，存儲系統(tǒng)平移機構(gòu)水平移動定位精度達到0.5 mm，板材存放占用面積減少了60%，存取板材效率提高70%以上，降低了人工勞動強度，大幅提升了自動化程度，驗證了系統(tǒng)可行性和安全穩(wěn)定可靠性，極大地提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：板材存儲立體倉儲可編輯邏輯控制器觸摸屏自動存取自動控制變送器智能化人機界面

Abstract：According to the problems existing in storage of plate material,such as occupying large area,low storage efficiency and inconvenient inventory management,the scheme of three dimensional storage of plate material is proposed,and a set of automatic control system is also designed and developed.By using PLC and touch screen control method,multiple functions including automatic plate material stacking and reclaiming,automatic modification of inventory,real time status monitoring display,and remote monitoring are realized.The results of field application show that the horizontal movement positioning precision of translational mechanism can reach 0.5 mm,meanwhile,this storage system makes the occupying area decrease by 60%,and the efficiency of stacking and reclaiming plate material increase by 70%,in addition,it also lowers the labor strength and significantly enhances the degree of automation,thus verifies the feasibility,safety,stability and reliability of the system,and greatly improves the working sufficiency.

Keywords:Plate storageThree dimensional storagePLCTouch screenAutomatic stacking and reclaimingAutomatic controlTransmitterIntelligenceHuman machine interface

0引言

隨著經(jīng)濟迅速發(fā)展以及各種新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，各種不同性能工程材料的需求越來越廣泛。板材產(chǎn)品由于具有外形扁平、寬厚比大、表面積大等外形特點，可任意剪裁、彎曲、沖壓、焊接制成各種制品構(gòu)件，使用靈活方便，所以成為萬能鋼材，在航空航天、船舶、兵器、汽車制造等行業(yè)均得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。為了滿足企業(yè)大量實際生產(chǎn)需要，必須庫存一定數(shù)量的板材，這給企業(yè)帶來了存儲放置問題。對于物料存儲放置，目前大多采用倉儲設(shè)備。20 世紀(jì)70 年代， 德國亨乃爾及瑞士卡迪斯公司相繼開發(fā)出用于存儲物料的垂直旋轉(zhuǎn)式自動化庫柜。 目前，國外自動化存儲設(shè)備已經(jīng)大量使用，著名的自動化貨柜生產(chǎn)廠家有德國亨乃爾、瑞士卡迪斯、美國 FKI 等公司。國內(nèi)主要生產(chǎn)立體倉儲設(shè)備的廠家有沈飛、昆船、太原剛玉和電子科技等，但板材立體存儲方面的研究和開發(fā)并不多見，且板材立體存儲控制系統(tǒng)方面未見文獻報道[4-6]。目前國內(nèi)大部分企業(yè)的板材存放方式多采取隨意疊放、立式斜放或板材架。這些存儲方式占用了大量存放面積，且在搬運板材過程需要大量的人工;同時在搬運過程中易產(chǎn)生劃傷板材表面甚至引起安全事故發(fā)生,存在工作效率低、人工消耗大等一系列問題。

針對板材存儲諸多問題，在分析梳理總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出一種板材立體存儲方案，設(shè)計開發(fā)一套板材存儲自動控制系統(tǒng)，大大提高了板材存儲自動化程度及工作效率。

1板材立體存儲機構(gòu)及工作原理

板材立體存儲機構(gòu)如圖1所示，包括4個部分，主體機構(gòu)、升降機構(gòu)、平移機構(gòu)、出入庫小車。其中主體架構(gòu)包括由4根立柱組成的整體的框架立體空間結(jié)構(gòu)、置于立柱頂部的懸臂梁、用于安裝升降電機的電機梁、將4個立柱連接在一起的圍梁等。主體機構(gòu)成為整個立體存儲設(shè)備的重要組成部分。升降機構(gòu)包括升降電機、減速機、換向器、鏈條、鏈輪等，其中，升降電機連接減速機和鏈輪，鏈輪連接鏈條。升降機構(gòu)由鏈條固定連接，使升降機構(gòu)在升降電機的驅(qū)動下做上升或下降運動。平移機構(gòu)包括左右兩側(cè)的直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、伺服電機、機械手，其中，伺服電機連接滾珠絲杠，滾珠絲杠帶動平移機構(gòu)上的機械手運動。在伺服電機驅(qū)動下，平移機構(gòu)作水平運動。出入庫小車包括小車電機、減速機、稱重器、自動定位、底盤、鏈輪、鏈條等。出入庫小車放置在地面上，在小車馬達驅(qū)動下沿著地面鋪設(shè)的軌道上行走，將板材送入庫和從庫中取出，實現(xiàn)板材運送。本系統(tǒng)設(shè)計的板材存儲機構(gòu)左右兩側(cè)分別有19個貨位，共有38個貨位，其中每個貨位最大承載量為2 t,最大存儲量60 t。

圖1　板材立體存儲機構(gòu)簡圖

板材立體存儲工作原理如下。板材存儲過程分為送板材和取板材。送板材流程為：帶板材的托盤由外部叉車送到立體存儲系統(tǒng)的出入庫小車上,通過系統(tǒng)自動定位、自動稱重后,由出入庫小車將板材自動送入到板材立體存儲庫內(nèi)；升降機構(gòu)將板材從出入庫小車上取下，由升降電機經(jīng)過減速及換向后，通過兩根鏈條牽引升降臺完成同步上升到達指定層，然后通過平移機構(gòu)滾珠絲桿拖動升將臺上的機械手沿著直線導(dǎo)軌進行往復(fù)直線運動；升降機構(gòu)將升降臺連同板材一起提升尋址，到位后由機械手將板材移送到指定貨位上，完成送板材過程。取板材流程與送板材流程動作相反，首先機械手按照操作人員指令自動尋找相應(yīng)貨層，到指定的位置后，機械手移入貨位，將板材從貨架上取出，升降臺攜板材返回；然后由機械手將板材放到出入庫小車上，出入庫小車退出庫板材存儲庫，完成取板材的流程。

2控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1硬件平臺

板材立體存儲設(shè)備以可編程邏輯控制器作為控制核心，結(jié)合觸摸屏，輔以伺服驅(qū)動和變頻控制以及傳感檢測、通信等，形成檢測與控制于一體的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

可編程邏輯控制器作為系統(tǒng)核心處理單元，對輸入信號進行采集和邏輯分析處理，并控制相應(yīng)的執(zhí)行器件。根據(jù)輸入輸出點數(shù)、存儲容量、維護方便性、備件通用性和擴展性的需求，系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC作為主模塊，同時系統(tǒng)擴展了4個輸入輸出模塊，實現(xiàn)控制系統(tǒng)控制的功能。

觸摸屏已成為最佳人機對話工具，系統(tǒng)采用臺達DOP系列10英寸(1英寸=25.4 mm)觸摸屏。操作者通過觸摸屏進行系統(tǒng)參數(shù)預(yù)設(shè)和調(diào)整板材存取輸入，實現(xiàn)運行狀態(tài)實時顯示和報警指示，便于操作人員使用。

為了便于物料存儲數(shù)據(jù)中心對工廠各個部位的板材存儲設(shè)備進行監(jiān)控，系統(tǒng)選用了具有通信功能的Profibus-DP通信模塊[7-8]，使該控制系統(tǒng)與遠程控制系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)遠程監(jiān)視和控制。對板材存儲的數(shù)據(jù)進行有效匯總、統(tǒng)計，實現(xiàn)對各個板材存儲設(shè)備狀況的實時記錄。

稱重系統(tǒng)檢測用于檢測存放板材的整體質(zhì)量,它直接影響該系統(tǒng)安全性。將4個稱重變送器安裝在出入庫小車上,在送料之前進行質(zhì)量檢測,稱重變送器輸出信號經(jīng)多路放大器信號求和,轉(zhuǎn)換成合適的4～20 mA的電流信號。該電流信號傳送到可編程邏輯控制器進行處理，并與系統(tǒng)設(shè)置的最大承重量進行比對分析，判斷是否超重，提高了系統(tǒng)的承載安全可靠性。

系統(tǒng)設(shè)置了多個檢測開關(guān)，其中包括用于出入庫小車初始位置、前進終點位置、有無貨盤、升降臺初始位置、頂點位置、機械手初始位置、左右兩個終點的位置等檢測。在出入庫小車的進出立柱中間安裝一對光電檢測開關(guān)，用于檢測出入庫小車在送板材過程中是否超出了規(guī)定的高度。在升降臺上安裝一個檢測開關(guān)用于貨層的認址檢測。同時在每個層支架上分別安裝檢測片，升降臺上升過程中每經(jīng)過一層,檢測開關(guān)就有一個信號,PLC的增計數(shù)器就計數(shù)一次,用于判斷是否到達指定貨層，實現(xiàn)了認址功能。

在出入庫小車入庫和出庫過程和升降臺上升和下降的運動過程，均需要對運行速度進行調(diào)整，系統(tǒng)采用變頻調(diào)速控制技術(shù)。選用臺達高機能、向量型交流電機驅(qū)動器VFD-VE系列變頻器，通過改變變頻器的頻率實現(xiàn)對小車電機和升降電機的速度調(diào)整。采用高低速度的搭配調(diào)速方式，減少了運送時間，提高了系統(tǒng)的工作效率。

為了保障平移機構(gòu)的運動定位精度，對平移機構(gòu)機械手采用伺服控制。伺服控制技術(shù)是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，通過S7-200高速脈沖輸出口Q0.0或Q0.1輸出脈沖，將該信號發(fā)送給伺服控制器,伺服控制器驅(qū)動伺服電機，通過一定控制算法使兩臺伺服電機同步運動，實現(xiàn)平移機構(gòu)的精確定位。

系統(tǒng)設(shè)計了控制面板和狀態(tài)指示功能。其中，控制面板設(shè)置自動/手動、本地/遠程、急停等操作，狀態(tài)指示設(shè)置電源指示、手動和自動指示、本地和遠程指示、故障指示、運行指示等。操作人員通過控制面板的操作，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制功能，并實時觀測狀態(tài)指示，保障系統(tǒng)安全可靠運行。

2.2軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件包括兩部分：PLC程序和人機界面?？刂葡到y(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，PLC程序利用西門子S7-200 PLC 編程軟件Step7-Micro/WIN V4.0 開發(fā)[9-10]，能夠完成數(shù)據(jù)采集、自動送板材、自動取板材、計算處理、自動存儲庫存記錄、超限報警及遠程監(jiān)控等功能，滿足自動送取板材的要求。PLC程序主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、送板材控制模塊、取板材控制模塊、計算處理模塊、遠程控制模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊和報警管理模塊。PLC 控制流程如圖3所示。

人機界面主要用于設(shè)定系統(tǒng)運行參數(shù)及顯示實時運行狀態(tài)功能。界面由主顯信息畫面、操作畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、故障信息畫面構(gòu)成。主顯信息畫面顯示的內(nèi)容包括電機狀態(tài)、質(zhì)量檢測值、輸入的開關(guān)量、實時庫存記錄以及系統(tǒng)提示信息等。操作畫面包括自動操作、手動操作、維護操作等，實現(xiàn)系統(tǒng)維護自動、手動、維護等操作功能。參數(shù)設(shè)置畫面包括最大承重質(zhì)量、升降臺高低運行速度、機械手運行速度等參數(shù)設(shè)置。故障信息畫面用于提示用戶設(shè)備故障信息和可能原因等，如送入層有貨、取出層無貨、出入庫小車、升降臺超程報警、超重、超高、變頻器故障、伺服故障等信息。

圖3　PLC控制流程圖

3實驗驗證

3.1平移機構(gòu)定位精度

以直線導(dǎo)軌的水平中心點兩個立柱的1/2作為平移機構(gòu)的零點，以直線導(dǎo)軌左右兩側(cè)機械擋塊位置作為平移機構(gòu)的終點，從零點到左側(cè)終點和右側(cè)終點位置距離均為2 m。測量時，將平移機構(gòu)從零點開始運動到100 mm的規(guī)定位移，利用激光跟蹤儀對平移機構(gòu)實際運動位移進行測量，得到水平機構(gòu)的定位運動精度為0.5 mm，保障系統(tǒng)的平移機構(gòu)運動精度。

3.2存儲空間和時間

隨機抽取三類板材樣品。一類面積為2 m×1 m、厚度為0.3 mm、質(zhì)量為1.5 t的鋁板，放置在10個貨盤內(nèi)；另一類面積為1 m×1 m、厚度為1 mm、質(zhì)量為1.7 t的鋁板，放置在10個貨盤內(nèi)；最后一類面積為2 m×0.8 m、厚度為0.6 mm、質(zhì)量為1.6 t的板材的鋁板，放置在18個貨盤內(nèi)。一種方法采用板材架存放，另一種采用該系統(tǒng)存放，實驗結(jié)果為：與板材架存放面積相比，立體板材存儲面積直接節(jié)約了60%。實驗中采用人工存放板材時間約為1 h，自動存取板材時間約為15 min，存儲時間大大減少，實現(xiàn)了自動化的存儲。

4結(jié)束語

設(shè)計開發(fā)的控制系統(tǒng)，平移機構(gòu)水平移動定位精度達到0.5 mm，提高了水平定位的精準(zhǔn)性，同時利用板材存儲系統(tǒng)使存放占用面積減少了60%，存取板材效率提高70%以上，降低了人工勞動強度，大幅度提升了自動化程度。

綜合運用人機交互技術(shù)、PLC 技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)和變頻控制技術(shù)、通信技術(shù)，設(shè)計板材立體存儲控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動存取板材、自動修改庫存、實時狀態(tài)監(jiān)控顯示、遠程監(jiān)控等功能。

應(yīng)用該控制系統(tǒng)的板材存儲設(shè)備滿足企業(yè)大量板材存儲向高效快速、高精度、自動化、智能化方向發(fā)展的需要，同時也推動了物料存儲的信息化、數(shù)字化的建設(shè)。

參考文獻

[1] 陳東青.基于PLC與觸摸屏的碼垛工業(yè)機器人操作系統(tǒng)設(shè)計[J].包裝工程,2014,35(23):84-86.

[2] 孟志強,張恒,陳燕東.基于PLC 伺服控制的甘油霧化噴涂系統(tǒng)設(shè)計[J].湖南大學(xué)學(xué)報，2010,37(7):42-46.

[3] 劉魯，常曉玲.基于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的立體倉庫堆垛機PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2015(1) :55-56.

[4] 薛明.淺析自動化立體倉庫的應(yīng)用及發(fā)展[J].物流技術(shù)，2014,36(2)：71-75.

[5] 周金初.自動化立體庫在鈑金件加工中的應(yīng)用[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2015(2)：113-115.

[6] 候榮國，許云理，馮延森,等.基于MCGS組態(tài)軟件的自動化立體倉庫控制系統(tǒng)的開發(fā)[J] .機械設(shè)計與制造，2012,17(1)：77-79.

[7] 黃學(xué)飛，李兆飛.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在自動化立體倉庫的應(yīng)用研究[J].自動化儀表，2013,36(9):66-68.

[8] 龔志遠.基于模型的立體倉庫CC-Link總線控制系統(tǒng)[J].機床與液壓，2013，41(11)：76-79.

[9] 隋陣有.輕松學(xué)會西門子S7 200 PLC[M].北京：中國電力出版社，2013.

[10]孫永吉.自動化立體倉庫高層貨架瞬態(tài)動力學(xué)分析[J].蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2013(1):38-42.

中圖分類號：TH86;TP29

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602009

修改稿收到日期：2015-06-03。

作者李文強(1980-)，男，現(xiàn)為沈陽工業(yè)大學(xué)機械電子工程專業(yè)在讀博士研究生，工程師；主要從事技術(shù)創(chuàng)新研究及管理工作。