謝國(guó)強(qiáng)，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(chǎng)經(jīng)濟(jì)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(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)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(jī)作為自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)的最核心的物料搬運(yùn)設(shè)備，在高層貨架巷道內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，擔(dān)負(fù)著出庫(kù)、入庫(kù)、盤(pán)庫(kù)等作業(yè)任務(wù)，其控制性能，運(yùn)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(píng)估性能優(yōu)劣，青島寶佳設(shè)備自動(dòng)化有限公司開(kāi)發(fā)出一套符合市場(chǎng)需求的雙立柱有軌巷道堆垛機(jī)，具有很高的強(qiáng)度和剛性。能快速啟停，定位精度高，運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)[2]，目前運(yùn)行于寶博生物，具有很高的推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)組成

1.1 工藝流程

雙立柱自動(dòng)堆垛機(jī)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(tái)系統(tǒng)、貨叉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。堆垛機(jī)被支持在天軌和地軌之間，通過(guò)實(shí)現(xiàn)x、y、z方向移動(dòng)，用載貨臺(tái)通過(guò)貨叉存取物品。完成貨物的入庫(kù)、出庫(kù)等任務(wù)[3]。

1.2 系統(tǒng)組成

（1）立柱系統(tǒng)由立柱、法蘭盤(pán)、立柱導(dǎo)軌和導(dǎo)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(dǎo)向輪組、緩沖器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主動(dòng)行走輪組、被動(dòng)行走輪組等組成。這種機(jī)構(gòu)的工作方式是由電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)機(jī)構(gòu)，完成驅(qū)動(dòng)主輪組在地軌上運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)在巷道上的運(yùn)行。在堆垛機(jī)的底座上上橫梁兩端安裝導(dǎo)向輪，運(yùn)行時(shí)可以起到一定的引導(dǎo)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(duì)堆垛機(jī)造成傷害。

（3）升降系統(tǒng)是由卷筒、鋼絲繩、提升電機(jī)和變向滑輪等組成。工作原理是將電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)鋼絲繩和滑輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成垂直的提升運(yùn)動(dòng)，完成堆垛機(jī)的升降動(dòng)作。該機(jī)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(dòng)和噪聲，運(yùn)行效率也得到了提升。

（4）載貨臺(tái)系統(tǒng)由載貨臺(tái)和導(dǎo)向輪組組成。是貨物單元承載裝置，通過(guò)鋼絲繩與升級(jí)系統(tǒng)鏈接，沿立柱上的導(dǎo)軌升降。

（5）貨叉系統(tǒng)由上叉、中叉、下叉、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鏈傳動(dòng)組、齒輪齒條傳動(dòng)組等組成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能實(shí)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(jì)為8～10 m/min。

（6）電氣系統(tǒng)是本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要包括電力拖動(dòng)、控制、檢測(cè)和安全保護(hù)等組成。三個(gè)主要方向的動(dòng)力，均采用變頻調(diào)速控制，從而滿足堆垛機(jī)高速運(yùn)行、換速平穩(wěn)、低速停準(zhǔn)的要求。檢測(cè)系統(tǒng)必須具有貨箱位置檢測(cè)、貨物有無(wú)探測(cè)、自動(dòng)認(rèn)址，位置距離檢測(cè)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(shí)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(yǔ)言，功能模塊化編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)的升降、行走、伸縮等動(dòng)作，來(lái)完成入庫(kù)、出庫(kù)、盤(pán)庫(kù)等作業(yè)任務(wù)[4]。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(gè)16點(diǎn)輸入模塊SM1221 DC；作為雙立柱自動(dòng)堆垛機(jī)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(yùn)行，并監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，詳細(xì)顯示每一條設(shè)備故障記錄，有利于查詢并解決問(wèn)題。選用西門子的KTP700。

2.1.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

（1）提升電機(jī)功率

提升運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率Pn計(jì)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(dòng)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(dòng)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(shí)速時(shí)需要?jiǎng)恿Γ篜=(W1+W2)v/η=(15 000+5 300)/3×0.63=10.6 kW

為安全起見(jiàn)，選擇標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)功率為11 kW。升降機(jī)構(gòu)選用11 kW 倫茨8 400 top變頻驅(qū)動(dòng)器，11 kW 84 Topline電抗器，深圳貝殼型號(hào)為11 kwBKRXLG3 kW95RJ×3制動(dòng)電阻，電機(jī)為11 kW倫茨減速電機(jī)；

（2）行走電機(jī)功率

行走電動(dòng)機(jī)功率等于達(dá)到額定速度時(shí)的啟動(dòng)加速度的功率和達(dá)到額定速度的功率之和。①加速時(shí)所需功率P1計(jì)算如下：

式中：Ta——加速的扭矩，kgf·m；

N——電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)功率P：P=P1+P2

式中加速時(shí)的扭矩Ta用GD2（負(fù)載慣性矩，kg.m2）來(lái)計(jì)算。但是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，上述公式只作計(jì)算參考，因?yàn)橛?jì)算出的電動(dòng)機(jī)功率偏小。實(shí)際選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)是根據(jù)加速和減速值、轉(zhuǎn)速以及持續(xù)時(shí)間來(lái)確定的。堆垛機(jī)的主要參數(shù)是：堆垛機(jī)自重WD=63 100 N，行走速度v=160 m/min=2.67 m/s，滾動(dòng)阻力系數(shù)μ=0.02。根據(jù)這些主要參數(shù)可以計(jì)算行走電動(dòng)機(jī)功率大小。

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

蝸輪蝸桿動(dòng)力傳遞效率η=0.8，則

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

為了安全起見(jiàn)，按電動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)選擇，采用功率為7.5 kW的電動(dòng)機(jī)為宜。即：LD=7.5(kW)

水平行走機(jī)構(gòu)選用7.5 kW的倫茨8 400 top變頻驅(qū)動(dòng)器，7.5 kW 倫茨84 Topline電抗器，深圳貝殼型號(hào)為7.5 kwBKRXLG3kW95RJx3制動(dòng)電阻，電機(jī)為7.5 kW倫茨減速電機(jī);

（3）貨叉電機(jī)功率

設(shè)行走速度：v=21 m/min=0.35 m/s

滾動(dòng)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(dòng)力傳動(dòng)效率：η=0.9×0.9=0.81

兩個(gè)0.9分別為齒輪減速電動(dòng)機(jī)和鏈條的效率。

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

按電動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，選擇功率為1.1 kW的貨叉電動(dòng)機(jī)更安全。

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

2.1.4 配套傳感器

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

HT46C/4P-M12。

2.1.5 硬件網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)選用三個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)器，兩個(gè)激光測(cè)距儀，一個(gè)觸摸屏，一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，均通過(guò)PROFⅠNET總線通訊；其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

2.2 IO變量定義

該雙立柱自動(dòng)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中共使用28個(gè)點(diǎn)輸入、7個(gè)點(diǎn)輸出，具體Ⅰ/O分配如表2所示[5]。

表2 堆垛機(jī)輸入輸出點(diǎn)

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

3.1 功能設(shè)計(jì)

（1）運(yùn)動(dòng)控制功能

PLC控制變頻器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)來(lái)執(zhí)行堆垛機(jī)實(shí)現(xiàn)水平方向的行走動(dòng)作，垂直方向的升降動(dòng)作，和載貨臺(tái)上袋貨叉左右伸出縮回的動(dòng)作等功能。

（2）位置控制功能

為了保證能準(zhǔn)確地存取物料，控制系統(tǒng)就需要具備自動(dòng)尋址定位功能，取貨、放貨等作業(yè)流程才能順利進(jìn)行。位置控制是指堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)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(cè)位置，通過(guò)PLC控制變頻器動(dòng)作，形成一個(gè)雙閉環(huán)的位置控制。如圖4所示。堆垛機(jī)的定位包括：在X軸上的水平運(yùn)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(hào)檢測(cè)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(jī)的運(yùn)行從啟動(dòng)到停止可分為加速過(guò)程、勻速過(guò)程和減速過(guò)程三個(gè)過(guò)程，其中加速過(guò)程和減速過(guò)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(jī)作業(yè)頻率的高低和運(yùn)行的平穩(wěn)，從而對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)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(jī)高速運(yùn)行中，快到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，堆垛機(jī)要進(jìn)行減速制動(dòng)，但堆垛機(jī)存在運(yùn)動(dòng)慣性，所以，為了可以精準(zhǔn)的停在指定貨位，堆垛機(jī)必須提早進(jìn)行減速，加以緩沖釋放慣性。堆垛機(jī)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(yùn)動(dòng)控制是難點(diǎn)，因?yàn)檫\(yùn)行軌跡長(zhǎng)而且運(yùn)行速度大；垂直運(yùn)動(dòng)相比來(lái)說(shuō)稍簡(jiǎn)單，高度低而且速度??；貨叉左右運(yùn)動(dòng)更為簡(jiǎn)單，只有高速和低速兩個(gè)模式[8]。

（4）數(shù)據(jù)通訊功能

本文PLC通過(guò)PN總線，和三個(gè)變頻器，2個(gè)激光測(cè)距傳感器，1個(gè)觸摸屏等通訊。PROFⅠNET通訊總線具有抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)嚴(yán)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(yuǎn)，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(wèn)題。

（5）安全聯(lián)鎖保護(hù)功能

本控制系統(tǒng)具有行走運(yùn)行超限、起升超限、貨叉超限等安全保護(hù)功能。電機(jī)控制的跳閘檢測(cè)保護(hù)功能，電機(jī)堵轉(zhuǎn)，斷線檢測(cè)功能。電機(jī)端使用安全抱閘，避免高速是因電機(jī)扭矩輸出不夠而導(dǎo)致的跌落事故。還有貨位有無(wú)貨物檢測(cè)功能，X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)的互鎖保護(hù)功能等。這些都是為了保護(hù)人、貨和設(shè)備的安全而設(shè)計(jì)的功能。

3.2 工藝自動(dòng)化流程

（1）入庫(kù)作業(yè)流程

在自動(dòng)模式下，堆垛機(jī)收到入庫(kù)指令，先到達(dá)指定的取貨貨位，軟后檢測(cè)有無(wú)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(jī)行走并升降到指定的入庫(kù)位置，先檢查貨位有無(wú)貨，確定無(wú)貨后，貨叉伸出，微降，縮回完成放貨任務(wù)，最后回到原點(diǎn)。整個(gè)作業(yè)流程如圖5所示。

（2）出庫(kù)作業(yè)流程

在自動(dòng)模式下，堆垛機(jī)收到出庫(kù)指令，先到達(dá)指定的出貨貨位，軟后檢測(cè)有無(wú)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(jī)行走并升降到指定的出庫(kù)位置，先檢查貨位有無(wú)貨，確定無(wú)貨后，貨叉伸出，微降，縮回完成放貨任務(wù)，最后回到原點(diǎn)。整個(gè)作業(yè)流程如圖6所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的基于S7-1200PLC的雙立柱自動(dòng)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用博圖軟件編寫(xiě)了PLC程序，功能模塊化的編程，編程簡(jiǎn)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(yùn)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(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中，目前運(yùn)行良好，具有很好的推廣價(jià)值。