基于PLC控制技术的智能穿梭车电路设计

毕厚龙，张水旺

（1.马鞍山职业技术学院，马鞍山 243032；2.安徽工业大学 管理科学与工程学院，马鞍山 243032）

0 引言

自动化立体仓库的出现，能较大程度提高仓库的利用率，一般都采用一台堆垛机工作巷道和两排货架的模式，这在某种程度上，降低了仓库的利用率。随着信息化技术、物流装备智能化的发展，进一步提高仓库利用率是立体仓库发展的必然要求[1]，智能穿梭车（ISB）应运而生，对于实现高密度仓库的自动化存取和管理发挥着重要的作用。

昆明船舶公司作为我国穿梭车研究较成功的企业，于2001年和2002年分别了设计了双轨直线型穿梭车和单轨环形穿梭车，之后太原刚玉物流工程有限公司在2004 年研发设计出多功能穿梭车[2]，经历几年的实践验证，天津万事达物流设备有限公司在2010年研发设计了往复式穿梭车。为了使这项技术得到长远发展，学者们也开始了理论研究，2014年李亚军等人[3]介绍了出库穿梭车的自动认址技术，设计了出库穿梭车的控制系统，并给出了在自动运行模式下的程序流程图；张宝等人[4]针对穿梭车定位方法可靠性不高及故常维修效率低下的现状，提出了一种组合条码识别与激光测距的穿梭车冗余定位方法。大多数的穿梭车系统是根据所应用的环境以及所需要实现的功能来设计的。其中，在密集仓储系统所使用的往复式穿梭车是指能够使货物在输送线路上实现正反向流动，进而满足物料先进先出、先进后出等多种仓储作业模式的自动搬运机器人。往复式穿梭车的使用可以显著降低仓库管理人员的工作强度，提高劳动效率，还能极大提高物流企业物流仓储系统的自动化与智能化。本文在前人研究的基础上，针对密集仓储系统的需求，设计了基于PIC控制技术的ISB电路。

1 总程序控制流程

密集储存自动化仓库中的穿梭车基于托盘下方的轨道，负载托盘运行，实现托盘上物品从货位中的存入与取出。ISB的机械构成包括启动按钮、各类传感器、红外线接收器、牵引环、电池盒、升降运动装置和动力传动系统等[5]。在穿梭车作业时各类传感器包括进出货激光传感器、前后托盘识别传感器、前后定位测距传感器、升降限位传感器、从动轮转角检测传感器和安全防撞传感器等用以对外围环境信息获取，并实时将信息传送到控制系统中；升降机构通过电机和传动系统驱动曲柄连杆机构和四杆机构，完成承载货台上下移动操作，当光电感应器感应到小车运行到货物正下方时，会将信号传给PLC，PLC驱动升降电机正转，完成货物的抬升操作，当小车运行到目的地后电机反转，完成卸货作业。根据ISB实际作业流程，PLC总程序控制流程如图1所示。

开始任务时，ISB首先检测其电量是否充足，在电量充足的情况下，启动存货模式，利用托盘传感器感知周边是否存在托盘（如果前面有托盘，则向前运行，如果后面有托盘，则向后运行），当感知到前后都有托盘时，表示ISB正好处于货物的底部，托盘自动上升，当压力传感器感应到支撑住货物的时候，小车按照设计的速度模式启动，直到存货目的地卸货。

2 PLC控制系统功能模块

参考其他PLC控制系统功能模块[6]，本文设计的ISB控制系统包含以下若干功能模块：激光测距、光电传感器、电池、无线传输、电机、状态显示、角速度传感器等，主要设备有各类传感器和行程开关等，具体如图2所示。可以看出，这些模块需要的电量和电压不尽相同，因此需要有针对性地设计电路，以满足其正常运作。

图1 PLC总程序控制流程图

图2 智能穿梭车PLC控制系统功能模块示意图

3 智能穿梭车电路设计

3.1 电机选型

在伺服电机的选型时，主要考虑惯量、功率和转矩之间的匹配，负载惯量比值越小，电机的控制力越强[7]。设电机的最高转速为nmax，D为穿梭车行走轮直径，vmax为最大直线运行速度（单位为m/min），µ为控制系统的传动比，则有：

3.2 电源模块设计

从前文可以看出，ISB模块多，而且不同模块需要的电压不一样，比如PLC、光电传感器、继电器等需要24V稳压，而驱动器控制信号电源和红外线接收器只需要5V稳压，它们所需要的不同的电压，都可以由24V的可充电电池组提供电源，为此，设计时，必须了解各个功能模块对电压的需求，通过电路转换为所需要的5V和24V的电压。基于此，本文设计降压稳压电路如图3所示[8,9]。

在该电路中，运用了大的直流三端稳压，主要的各项电阻元件进行，而C1C2C3主要进行一定程度范围内的稳压与滤波的作用，电路主要利用三端稳压芯片把输入大于5V的直流电压保证得出稳恒的直流5V电压的供给。

图3 降压稳压电路基本图

3.3 电量检测设计

前文已述及，ISB的不同部件所需要的电压不一样，因此为了保证系统的电压稳定，必须实时检测电压。电压检测流程如图4所示。首先进行系统运作电压采集，通过A/D转换，给控制系统的电压V赋值，如果一开始设置的Vset1>V，则提示灯亮，电池需要充电；充电过程中，再次检测电压值，如果Vset2>V，则报警，电量充满，结束运行。通过实时自动检测电压，可以防止ISB在作业过程中因为缺电而无法工作的情况。

基于此，本文设计了电量检测电路，如图5所示。该电路是进行电池电量的检测电路图，通过A/D转换后，进行电池电压值的对比，该电路环节中的典型阻容耦合，完成电压值的滤波与稳定应用，其中R3实现了电阻应用时的可调性能。

3.4 编码器接口电路设计

在设计时，为了保障运输货物的安全性，ISB的运行速度必须先慢慢加速，然后维持匀速，最后又慢慢减速至停止，这就要求在整个运行过程中，要实时检测ISB的运行速度。此处把电机转速表示为PLC可识别的脉冲信号，从而计算脉冲数[10]。

图4 电压检测流图

图5 电量检测电路图

ISB在运行时的转速、线速度、位移、转角位移等都需要实时自动采集，而这些工作都可以由编码器来完成，这些信息被码盘转换成亮暗光信号后，再由各种光电器件的光电效应转换成电信号输出。其中，位移信息用旋转式光电编码器来检测，ISB的转角则通过对光电编码器的输出脉冲计数来测量，可见，穿梭车的位移和转角成正比例关系[11]。此处，设计编码器接口电路如图6所示。该电路中SN75175芯片工作电压于5.0V，共模输入阻抗大于12kΩ，差动输入电压+25V～-25V幅值范围，采用三态输出。电路蓝色标注矩形为外部插件。其中a-a、b-b是外来的两路信号，通过SN75175把信号送到内部电路中。

图6 编码器接口电路图

4 结束语

针对ISB在高密集仓库中使用越来越频繁，本文在分析了控制流程的基础上，分析了ISB的功能模块，并就不同模块，设计了需要的电路，为ISB的开发奠定了基础。但目前只停留在电路设计，下一步打算研究ISB的运行速度是如何控制，并且在完成PID算法之后，考虑上位机、下位机的情况下，开发ISB，提高ISB的运行可靠性，推动现代仓储、现代物流业的发展。

[1]朱从民,王卫青,俞汉生,等.自动穿梭板的设计及应用[J].物流技术,2007,26(7):96-98.

[2]周晓荔.多功能穿梭车的码盘机设计[J].物流技术与应用,2010,15(5):88-89.

[3]李亚军,刘艳明.基于PLC的物流自动化包装线出库穿梭车的设计[J].制造业自动化,2014(19):96-98.

[4]张宝,杨丰,李学军,等.基于故障树和规则推理的穿梭车故障诊断[J].制造业自动化,2014(19):11-15.

[5]王俊.穿梭车控制系统研究[D].南华大学,2012.

[6]赵利鹏.西门子PLC中功能模块对飞剪的控制[J].中国水运月刊,2016,16(4):109-110.

[7]王军锋,唐宏.伺服电机选型的原则和注意事项[J].装备制造技术,2009(11):129-131.

[8]姜茂仁,刘国栋,杨国为,等.基于PLC和组态王的电源控制系统的设计与实现[J].计算机与现代化,2013(1):130-133.

[9]王玉峰,李富荣,郑喆,等.基于PLC的电源控制器[J].工业仪表与自动化装置,2008(1):72-74.

[10]蒋晶,蒋东方,高航.高可靠性增量式光电编码器接口电路设计[J].测控技术,2009,28(2):1-4.

[11]马永杰,董秀娟,王轲,等.基于FPGA的高精度光电编码器接口电路的设计[J].西北师范大学学报（自然科学版）,2011,47(4):43-47.