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      基于組態王和PLC小型立體倉庫的設計研究

        信息來源:   發布時間:2021-09-13  點擊數:

      小型立體倉庫能夠在自動控制的狀態下,完成存儲、出庫、統計等一系列倉儲活動,將倉儲物流與計算機、網絡及自動控制系統相結合,帶來一種更加高效的管理方式。立體倉庫的出入庫能力較強,能夠明顯提高倉儲空間利用率,進而節約倉儲成本,防止資金積壓。如上功能的實現需要建立在高質量控制系統的基礎上,因此有必要將組態王和可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)融入其中,優化小型立體倉庫設計。

      1 基于組態王的小型立體倉庫設計

      1.1 模擬功能

      設計方案以組態王為組態軟件,在此環境下完成對上位機的設計。選用該軟件的主要原因是系統界面為全中文、人機交互性優良、操作過程簡單、各項控制參數的修改和調整相對靈活。通過觀察參數調整后系統變動曲線即可找出其變化趨勢,有利于控制系統設計實驗的開展。

      利用組態王軟件對小型立體倉庫的原理及工作流程進行設計。系統包括以下元件:(1)操作按鍵。帶有英文字母標識的按鍵對應倉庫巷道,用于控制堆垛機的運行路線。帶有數字標識的按鍵對應貨架層數,用于控制升降臺的運行路線。另有啟??刂瓢粹o,控制整個系統的開閉。(2)電動機。系統中包括3臺電動機,分別用于堆垛機、傳送帶和升降臺的控制??衫每刂瓢粹o調整電動機的運行狀態,使堆垛機、傳送帶和升降臺相互配合,將貨物運送至指定位置。(3)堆垛機。堆垛機是小型立體倉庫中的關鍵設備,具備手動控制、自動控制和半自動控制功能,負責貨物的平面運輸,其結構主要包括機架、提升構件、移動構件、貨叉、控制系統、載物臺等[1]。堆垛機選型是立體倉庫設計的重點工作,常見的堆垛機形式包括雙軌巷道式、單立柱式、單軌巷道式等,需結合倉儲特點進行選擇。在參數設定上,結合倉儲流量,推算堆垛機的理論運行速度和提升速度。(4)傳送系統。傳送系統負責貨物位置移動,小型立體倉庫的傳送系統包括升降臺、提升機、鏈條輸送機等,同樣需依照倉儲流量設定速度參數。(5)貨架。貨架設計在一定程度上決定了倉庫空間的可利用率,自動化倉庫常用橫梁式貨架和框架式貨架,一般需根據倉儲貨物的外觀、尺寸及質量進行選擇。

      在本研究的設計中,傳動系統包括堆垛機、傳送帶和升降臺,由相應電動機控制。傳送帶帶動升降臺進行水平移動,升降臺再將貨物運送至相應的垂直高度,并選用框架式貨架,利用托盤將貨物運送到指定位置。

      1.2 監控功能

      1.2.1 框架設計

      小型立體倉庫組態界面被分為兩個區域,即按鍵區和顯示區考慮到人機交互的便捷性,將按鍵區設計在顯示區下方。按鍵區除對應巷道及庫位的按鈕及啟停按鍵外,還設有各類指示燈,包括運行指示、空閑指示、報警指示燈。指示燈設計可結合小型立體倉庫的倉儲物流需求進行,若倉庫功能較為簡單且倉儲活動密度較低,可選擇忽略[2]。界面提供上下、左右、前后動作操控,可對運輸系統設備進行控制。

      報警指示燈給出報警提示,當小型立體倉庫的倉儲活動發生問題或系統中設備出現異常時,提示現場操作人員對故障點及異常點進行檢查并處理,以免給倉庫造成額外損失。本設計方案添加了開關量報警模塊,當系統發生相應問題時,自動給出報警提示和相關信息,可在交互界面觀察到報警指示燈閃爍并有提示窗口彈出。此時,系統數據庫自動記錄報警時的狀態數據,若具體參數已達到事先設定的臨界值,自動作出停機處理,對組態進行保護。

      1.2.2 具體應用

      對組態王監控功能的使用方法進行介紹。首先,新建小型立體倉庫工程,新建設計界面并進入開發系統,使用各類工具繪制小型立體倉庫的組態結構。其次,進入數據庫詞典,編輯變量,如A存、A取、1存、1取等。變量需對應小型立體倉庫設計要求,并設置初始坐標。再次,進行畫面設計,選取所需圖形,并與變量相連。例如在界面點擊貨物圖標,自動彈出圖形連接對話框,選取所需變量并確認,完成連接操作。最后,編輯命令語言。命令語言編輯是組態模擬的關鍵步驟,在命令語言對話框中建立事件命令。本方案命令語言描述為以下流程:點擊巷道及庫位案件,升降臺達到指定位置,提升完成取貨任務。將貨物移動至傳送帶并回到初始位置。點擊存貨按鍵和啟動按鍵,傳送帶和升降臺水平移動,到達指定位置后將貨物提升至存放點。

      1.3 數據庫搭建

      數據庫也是組態王軟件的核心結構之一,通過數據庫將上位機及下位機相連,實現組態王與PLC系統的配合與聯動。小型立體倉庫現場工況以視頻形式呈現在監視屏中,在操作人員通過計算機系統下達具體動作指令后,指令信息必須在最短的時間內傳輸至倉儲現場,以上過程均需要依托功能優良的數據庫系統。數據庫的搭建核心工作為對數據變量的定義,包括數據量的名稱、型號、初始值和限定范圍等。

      2 下位機設計

      2.1 PLC選型

      2.1.1 電壓設計

      PLC系統的電壓需根據供電系統電壓確定,通常情況下應避免從動力電源直接取電,可使用隔離變壓器將電源系統劃分為動力電源和控制電源兩部分,安裝濾波器,做好抗干擾工作。本研究設計的PLC系統使用24 V直流電壓。

      2.1.2 點數選擇

      點數選擇指的是整個控制系統中所需要的PLC輸入及輸出點數的確定。若為改進方案,可依照事先設計好的數量進行選??;若為首次設計,為確保點數足夠,可適當預留[3]。本次設計通過計算,決定設計輸入點數36個,輸出點數17個。

      2.1.3 觸點類型

      輸出觸點類型一般選取繼電器或晶體管,具體如何選擇需要考慮執行系統電源的電壓大小及功率情況。若系統存在高壓脈沖需求,當輸出控制步進電機或進行系統輔助時,必須選取晶體管。本研究的設計也選擇該類型的輸出觸點。

      2.1.4 PLC選型

      小型立體倉庫中常用的S7類PLC具備體積小、輕便、標準化程度高、通信性能強等優勢。在該類PLC中,因功能、性能上的差異被分為S7-200、S7-300、S7-400等型號。這些型號的PLC自帶高速脈沖輸出端,可較好地配合步進電機的應用。結合小型立體倉庫控制需求,本研究選取S7-200型號PLC。S7-200型號PLC在可擴展性及靈活性上存在優勢,若在實際應用中需要添加輸入/輸出(Input/Output,I/O),利用擴展模塊即可完成,避免了更換機型的麻煩,有利于減少后期升級投入。設計方案中輸入及輸出點共計53個,因此要求PLC的I/O點至少為53個。

      2.2 步進電機選型

      步進電機又稱脈沖電動機,作用是將電脈沖信號轉化為角位移或線位移,且這種轉換不涉及電動機的變換。步進電機的位移量與脈動信號之間呈現正比例關系,且這一關系不受電壓、負載等情況的影響。另外,步進電機每個旋轉周期對應固定的步數,在正常情況下電機出現的誤差不會被積累擴大。此外,步進電機具備優良的控制能力,例如在開環系統中,可對較大范圍內的脈沖頻率進行調整,以控制電機轉速。

      2.2.1 電機選型

      基于組態王及PLC的小型立體倉庫設計中,步進電機的選擇應通過計算找出最佳的步進電機類型,然后再選取適合的型號。小型立體倉庫中使用的步進電機應具備電壓、電流低的特點,并存在定位轉矩,由螺旋結構進行安裝固定。若為首次設計,步進電機應進行2倍預留。綜上,決定選用2相8拍步進電機。該步進電機體積小、運行頻率較高,具體型號為42BYGH1O1,額定轉矩0.44 N·M,總重0.24 kg,以24 V電壓驅動。

      2.2.2 組件選型

      (1)驅動器。選用SH驅動器,其結構包括電源輸入模塊、信號輸入和輸出模塊。微型驅動器的供電電壓一般在24~40 V,本設計的PLC系統要求使用開關式穩壓電源,因此將倉庫電源設計為開關式穩壓電源。驅動器的具體型號為2H057,主體結構為鑄鋁材質,密封性好,適用于小型驅動器。由于驅動器本身未設置風機,需要依靠外殼進行散熱,因此在安裝時,需要將驅動器固定在壁厚較大的金屬機柜上,并在接觸面涂刷硅脂,方便散熱[4]。結合小型立體倉庫的設置地點,可選擇額外安裝風機輔助散熱。(2)微動開關。微動開關設置數量對應小型立體倉庫倉位,當發生貨物運輸活動時,相應的微動開關作出反應。為保證系統穩定性,在X軸左限位及Y軸下限位增設微動開關用作位置保護,避免在倉儲使用過程中因程序問題導致其遭到破壞。(3)傳感器。選用接插件式傳感器,設置變調光,以免外界光對系統造成干擾。傳感器自帶指示燈,以便直觀確認動作。傳感器回路中包括3根接線,分別接入電源正負極及信號輸出,為保證傳感器的靈敏性,檢測距離不應過短。

      2.3 流程設計

      以某貨物存放為例,對PLC控制的倉庫自動化流程設計進行介紹。

      (1)檢測系統對貨物進行檢測,若合格,將貨物運輸至倉庫自動化系統起始點。(2)托盤提取貨物,并設計2~3 s時滯,確定貨物是否存放牢固,結合傳送系統將貨物提升至指定位置。系統檢測貨物達到X、Y方向的限位開關,自動關閉電動機。(3)系統根據倉庫倉儲信息,判斷該位置是否為空閑狀態,若非空閑,再次尋找目標位置;若空閑,則將貨物存放至該地點。(4)放置貨物的過程中同樣設計2~3 s時滯,確保貨物放置平穩后再撤除托盤。(5)Z軸方向氣缸收縮,觸碰到該方向限位開關后,停止運動。(6)X、Y兩方向電動機向原點運動,觸碰到本方向限位開關后停止運動。系統回到初始狀態,準備下一次運輸任務。

      3 結語

      本研究給出一種結合組態王軟件及PLC系統的小型立體倉庫設計方案?;谠撛O計,小型立體倉庫能夠實現遠程控制和實時監管。該控制系統具備性能穩定、擴展靈活、人機交互良好等特點,值得在小型立體倉庫設計中大面積推廣。實際工作中,相關人員應充分分析小型立體倉庫物流倉儲需求,明確流量、密度等信息,對控制系統及相關設備做合理化選型,在滿足良好控制功能的基礎上,提高小型立體倉庫運行經濟性。

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