基于PLC的智能立体仓库控制系统设计.pdf
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1、第39卷第5期2023年10月山西大同大学学报(自然科学版)Journal of Shanxi Datong University(Natural Science Edition)Vol.39 No.5Oct.2023基于PLC的智能立体仓库控制系统设计李强(运城学院 机电工程系,山西运城 044000)摘要:立体仓库系统是智能制造的重要环节。在分析物料出入库作业流程的基础上,设计了以堆垛机为核心的2区4行5列共40个库位的智能立体仓库。该系统以西门子S1200作为主控制器,采用伺服电机实现堆垛机的上下及左右运动,由直流电机控制伸叉完成物料的出入库动作。利用射频识别技术,实现对库位物料的动态追
2、踪。此外,用户可以通过监控画面来控制系统的出入库动作,实时显示系统的立体仓库运行状态和运行时间。实际运行效果表明,该立体仓库极大地缩短了智能制造过程中物料传送时间,减低了物料报废率,提高了系统的智能化水平。关键词:立体仓库;堆垛机;射频识别;可编程逻辑控制器中图分类号:TP23文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1674-0874.2023.05.026在实施智能制造战略及打造智慧工厂时代背景下,自动化立体仓库备受工业界关注,对其需求量和智能化要求越来越高。因此,对立体仓库的深入研究可以产生巨大的社会效益和经济效率1。物料的质量跟踪和运行效率直接影响立体仓库的性能。一方面,运用
3、 RFID 技术对物料运行轨迹进行动态跟踪保证物料的供应质量;另一方面,设计更加可靠、高效、精确的运动路径意义重大,可以提高立体仓库中执行设备的平稳性、高效性和精确性2。目前,立体仓库执行机构常采用伺服电机构成堆垛机,负责完成物料的入库和出库运动。为此,利用 RFID 技术和堆垛机,基于西门子 S7-1200控制器开发了一套智能立体仓库系统,可实现物料的出入库智能管理,同时驱动堆垛机中的伺服系统精确控制,通过工业以太网实现仓库与数控车床或加工中心的互联互通,为后续实施智能制造规划打下基础。1 立体仓库的总体设计1.1 系统结构立体仓库智能控制系统是一个以堆垛机为核心的2区4行5列结构,由立体仓
4、库机械和控制系统构成。机械结构主要包括堆垛机、输送机、仓库货架,如图1;控制系统由PLC、数据采集及执行设备组成。空板库堆垛机物料库2#平台1#平台库位1库位17图1 立体仓库的机械设计堆垛机是整个系统的执行机构,由伺服系统和直流电机构成。伺服系统为 2 套伺服电机及驱动器组成,为堆垛机的上下和左右运动提供动力;堆垛机上的伸叉采用齿轮齿条传动机构,在一台直流电机驱动下,从固定库位上完成存取动作,如图 2。输送机采用同步带减速机构,由两台直流电机来驱动,构成输送物料平台,完成工装板的装运。平台共 2 个:平台 1 完成物料工装板(以下简称物料板)的输入以及空工装板(以下简称空板)的输出操作;平台
5、 2 完成物料板的输出以及空板的输入操作。仓库货架的容量是 2 区 4 行5 列,总共 40 个库位。其中 1 区为物料区,库位号为 1 20,用于存放待加工的机械物料,三种物料固定摆放在工装板上,放置于物料区的库位中。2 区为空板区,库位号为 21 至 40,用于存放零件加工后所留下的空板。收稿日期:2022-04-16基金项目:山西省高等学校科技创新项目2020L0574;运城学院校级科研项目CY-2019023作者简介:李强(1983-),山西芮城人,硕士,讲师,研究方向:电工电子技术及工业自动化技术应用。E-mail:文章编号:1674-0874(2023)05-0116-052023
6、年图2 堆垛机示意图电气控制系统是堆垛机及输送带的中枢,是实现立体仓库出入动作的核心单元。其硬件系统包括PLC、输入输出设备、RFID设备、执行设备、驱动装置等组成,一方面实现对堆垛机和输送带的控制操作,另一方面通过网络可方便地读写RFID单元中电子标签数据。除此之外,控制系统还需要控制各种控制开关、行程开关、光电开关和上位机组态单元。控制柜元器件布置如图3。QF1QF2QF3直流电源CPU1214CRFID单元交换机KA1-KA6伺服驱动器1伺服驱动器2端子排图3 柜体布置图1.2 系统的控制要求(1)出入库规则:物料板和空板在入库时,按照库位号递增的原则来进行。物料入库时,入库顺序为 23
7、161820,1 号库位作为 1#平台的进出库位,17号库位作为2#平台的进出库位(如图1)。空板入库的顺序为2140。物料板和空板出库时,同样以坚持库位递增的顺序来出库。(2)库位精确定位:确定立体仓库零点,以此为基础,计算每个库位的精确坐标,为伺服电机的运动提供进入库信息和运动参数。(3)物料动态追踪:采用非接触的方法,动态追踪物料板和空板的运动轨迹,保证机械加工物料的质量。(4)运行状态实时显示:利用红绿黄三色灯和上位机监控画面,两种方式监视系统的运行状态。2 控制系统功能的实现2.1 系统的硬件设计立体仓库控制系统硬件种类繁多,其硬件组成及连接关系如图4。为了实现立体仓库的控制功能,对
8、系统的各个硬件进行选型并设计。可编程逻辑控制器PLC交换机上位机估算单元X 轴伺服驱动器Z 轴伺服驱动器X轴伺服电机Z轴伺服电机含制动器伸 叉直流电机2#平台直流电机1#平台直流电机读写头1电子标签读写头2电子标签物料输送机堆垛机RFID单元1#物料检测2#物料检测库位1检测库位17检测伸叉零点检测伸叉左限位开关伸叉右限位开关红灯(报警)黄灯(暂停)绿灯(运行)图4 立体仓库硬件连接图(1)控制器:PLC 控制器为核心硬件,需要通过网线进行上传和下载数据,采集现场数据进而控制各个运动机构。本系统 PLC 由西门子采用西门子紧凑型、模块化的SIMATIC S7 1200 PLC组成,可完成简单到
9、高级的逻辑控制、HMI 和通信任务3。CPU模块选择1214C,DC/DC/DC,输出为晶体管型,反应速度快,输出端可产生 4路 100 kHz高速脉冲,可同时实现2轴或3轴定位控制,用于驱动堆垛机的伺服系统。(2)伺服电机及驱动器:精确的伺服电机为堆垛机水平和垂直运动提供动力4。采用立合信科技M18-B7512-M110伺服电机,其额定转矩为2.39 Nm,额定功率为0.75 kW,额定电流3 A,所用编码器为2500线的增量式编码器。垂直运动的伺服电机配永磁失电制动器,制动力矩至少2.39 Nm,工作电压为直流24 V。驱动器采用和伺服电机配套的合信科技E10-B7512-M110伺服驱动
10、器。两种输入电源,直流电源为24 V、2 A的输入,交流电源为220 V、3.5 A的输入,输出3相220 V交流电给伺服电机供电。(3)直流电机:根据用途和传动方式的不同,结合维护的方便性,本系统选用类型相同功率不同的齿轮减速电机。物料检测平台输送机采用中大力德Z2D15-24GN 的直流电机,减速器为减速比为 50 1的平行轴减速器。堆垛机的伸叉电机选用 Z2D10-24GN直流电机。(4)RFID设备:考虑到工业现场环境恶劣、干扰性大的特点,为了提高工装板追踪的准确性,RFID单元选用易福门射频识别系统,主要包括电子标签、RFID读写头以及RFID估算单元。电子标签安装于李强:基于PLC
11、的智能立体仓库控制系统设计117山西大同大学学报(自然科学版)2023年工装板底部,与输送机上的读写头相对应5。估算单元将读写头传来的电子标签数据通过 Profinet网络与PLC进行数据交换。根据本控制系统的功能和要求,得到PLC的I/O地址分配表见表1。表1 立体仓库I/O地址分配表输入I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4功能X轴左限位X轴零点X轴右限位Z轴上限位Z轴零点Z轴下限位伸叉左限位伸叉零点伸叉右限位急停启动停止手自动输入I1.5I2.0I2.1I2.2I2.3I2.4I2.5I2.6功能1库位检测1#平台物料检测
12、17库位检测2#平台物料检测X轴伺服准备好Z轴伺服准备好X轴报警输出Z轴报警输出输出Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1Q2.2Q2.3Q2.4功能X轴脉冲X轴方向Z轴脉冲Z轴方向伸叉电机左转伸叉电机右转1#平台出料1#平台入料2#平台出料2#平台入料绿灯黄灯红灯(5)PLC 模块:包括 CPU 模块和数字量扩展模块,如图5。CPU为西门子1214C,直流24 V供电,板载14个输入和10路脉冲输出。其中9路输入分别用来检测伺服系统X轴、Z轴以及伸叉的左限位、零位和右限位。4路外接操作按钮,急停、启动、停止和手自动选择。4路输出(Q0.00.3)分别
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