南疆地区研究生创新基地仓库自动存取系统的设计

孟婷婷 陈超 郑文轩 程方园

摘 要： 南疆地区是我国重要的特色农产品加工基地，发展仓库物流是南疆特色农产品产业发展的关键因素，仓库的快速存取是反映仓储物流发展的一个重要指标，先进的控制方法能快速提升物流能力。该文以塔里木大学研究生创新基地之一的大漠枣业责任有限公司的仓库存取系统为研究对象，将自动堆垛机、人机系统、仓储数据库等结合，设计一种PLC控制的自动存取系统，可大大提高仓储系统的快速存取能力，提高识别精度与可靠性。通过试验测试，结果表明：仓库自动存取系统出库取货周期作业平均时间为28.49 s，在测试时，无识别错误情况出现，平均识别精度为100%;系统进行入库操作的周期时间均值为20.51 s，测试过程中，操作过程作业稳定，操作时间控制较好，具有较好的可靠性与稳定性;单台系统入库能力P1则可计算为126.3;PLC系统对仓库自动存取系统的响应快速，可靠性较高，能适应频繁的快速仓库自动存取作业。

关键词： 特色农产品; 仓储物流; 南疆地区; PLC控制; 自动存取系统; 出库取货

中图分类号： TN108+.4?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）12?0079?04

Abstract： South Xinjiang area is an important processing base of special agricultural products in China， and developing warehouse logistics is the key factor for the development of special agricultural products industry in South Xinjiang. Quick access to the warehouse is an important index of reflecting the development of warehouse logistics， and the advanced control method can quickly improve the logistic capability. Taking the warehouse access system of Damo Jujube Limited Liability Company which is one of the graduate innovation bases of Tarim University as the research object， a PLC controlled automatic access system is designed by combining the automatic stacking machine， man?machine system， warehouse database and so on， which can greatly improve the fast access ability， recognition precision， and reliability of the warehouse system. A test was carried out. The results show that the average time for delivery pickup cyclic operation of the warehouse automatic access system is 28.49 s， no recognition error occurs， and the average recognition accuracy is 100% during the test; the cycle time mean value for stocking operation of the system is 20.51 s， the operation process is stable， the operation time is well controlled during the test， and the system has good reliability and stability; the stocking capability of a single system P1 is calculated to be 126.3; the PLC system has fast response to the warehouse automatic access system and high reliability， and can adapt to the frequent operations of fast warehouse automatic access.

Keywords： special agricultural product; warehouse logistics; South Xinjiang area; PLC control; automatic access system; delivery pickup

南疆地区是我国重要的特色农产品加工基地，由于独特的自然环境，所产的红枣、核桃、葡萄干、巴旦木等特色果品深受市场喜愛[1?2]。然而，由于地理位置偏远，加上交通不便，使物流问题成为了制约南疆特色农产品产业发展的关键因素[3?4]。仓库的快速存取是反映仓储物流发展的一个重要指标，由于目前南疆地区仓储物流的落后，传统的果品仓库存取系统不能满足物流业快速发展的需求。因此，对传统的果品仓库存取系统进行改进与管理系统的升级，具有重要的物流运输意义与经济价值。PLC是工业上应用较为广泛的系统，具有稳定性与快速响应性，且编程方便，有利于物流业的控制与管理[5?8]。

本文以塔里木大学研究生创新基地之一的大漠枣业责任有限公司的仓库存取系统为研究对象，将自动堆垛机、人机系统、仓储数据库等结合，设计一种PLC控制的自动存取系统[9?10]，可大大提高仓储系统的快速存取能力，提高识别精度与可靠性。

1 总体设计思路

1.1 控制思路

通过这几年的发展，南疆地区特色果品业已实现了自动堆垛机操作、称重等物流作业工序，但总体而言，缺少系统的控制，图1所示为目前的南疆特色干果仓库存取系统，主要依靠人工与机械的配合，自动化程度相对较低。选取塔里木大学研究生创新基地之一的大漠枣业责任有限公司的仓库存取系统为改进对象，采用PLC系统实现与人机系统、上位机之间的数据控制，实现PLC对现场存取操作系统、自动堆垛机系统、各控制单元的工作实现全程物流系统的自动化作业。

1.2 系统功能要求与技术参数

按照红枣加工工艺要求以及生产线的设置情况，设计仓储自动存取系统立式存取方式，由机构将对应仓号进行一定倾斜角度实现出库。设计货物为静止状态，存取货物通过三个自由度的出库机构与进货机构执行。各仓位均设置货物位置传感器，以测定仓储系统的存货状态。具体的南疆特色干果仓库存取系统主要参数如表1所示。

2 控制系统总体设计

控制系统主要以PLC为核心控制单元，设计采用西门子PLC?200，CPU 224型的小型PLC系统，自带数字量I/O点为16组，模拟量AI/AO点数通过扩展模块增加16组，以方便进行单独控制[11]。人机界面采用触摸屏界面进行信息的传输与信号的显示。控制主要包括电气控制部份、仓库存取机构控制以及仓位选择控制等。系统的控制示意图如图2所示。

系统工作原理是利用PLC作为核心控制元件，控制步进电机来驱动一个有三自由度的堆垛机在导轨和立柱上做三维运动。以步进电机每转输出的脉冲数为基础，通过光电传感器进行扫描将信号传送给PLC得出相应的仓位号，并输出对应仓位的脉冲数，经过驱动器驱动步进电机按指令的方向转动相应的角度，进而控制机械传动部件进行准确的定位，以完成仓库货物的存取功能。

2.1 存取电机的电气控制

存取电机的电气控制如图3所示。控制电机采用三相交流异步电动机，根据存取货功率要求，选取电机功率为2.2 kW，电机的控制采用DEB200型国产变频器控制，控制方式为U/f标量控制方式。变频器的S1，S2，S3，S4控制端口作为PLC的控制端口，通过PLC输出转速命令来实现存取电机的变速控制。变频器自带电气保护功能，当电机受动故障信号时，变频器停止输出，并向PLC发出故障信号。

2.2 PLC控制系统的设计

根据电气控制要求，设计PLC控制系统如图4所示。PLC对存取电机的控制主要采用D0口输送转速信号，当PLC的Q0.1输出为高电位时，传送至变频器DEB200控制端口S1信号为1，通过与S2，S3，S4组合输出转速信号，实现对控制系统的调速。模拟量模块主要为显示PLC控制系统的结果、仓位信号等。

3 软件系统的设计

系统软件采用STEP7?MicroWIN小型PLC 控制软件，与其他软件相比较，STEP7?MicroWIN具有较快的响应性与灵活性。软件系统采用模块化编程，主要分为存取电机控制模块与传感器电路检测模块，其中，传感器检测模块主要测定仓位数据，具体如图5所示。实际工作时，PLC程序先进行扫描工作，查找目标仓位，当显示需存取操作时，执行相应的存取货操作模块数据，启动存取电机，实现精准定位。

4 测试试验与结果分析

仓储系统主要包括对机械系统、PLC硬件系统以及软件系统进行测试试验。主要测试立式存取速度、仓位信号的响应、货号检测的准确性测试。每个货号均通过光电检测传感器感应，需要测试传感器的响应速度。

4.1 测试材料与方法

测试试验为大漠枣业责任有限公司新疆存取仓储系统，主要操作对象为红枣集中箱货品。试验前，先对仓储软件操作系统进行仿真调试。待软件系统完成后进行硬件电路的通电测试，再进行仓储系统存取操作系统。测试时主要测试仓位号码识别精度、出入库存取货系统的作业时间周期，以评价系统的快速响应与控制精度。

4.2 快速响应时间评价

主要通过入库操作周期、出库取货周期来综合计算。

1） 入库存货周期[Tm]

4.4 试验结果

单台系统入库与出库测试试验结果如表2及表3所示。表2结果表明，仓库自动存取系统入库存货周期作业平均时间为28.54 s，在测试时，仅出现一次识别错误，平均识别精度为99.99%;系统进行入库操作的周期时间均值为18.51 s，表明操作過程作业稳定，操作时间控制较好，具有较好的可靠性与稳定性，单台系统入库能力[P1]则可计算为126.1 次/h。表3结果表明，仓库自动存取系统出库取货周期作业平均时间为28.49 s，在测试时，无识别错误情况出现，平均识别精度为100%;系统进行出库操作的周期时间均值为20.51 s，测试过程中，操作过程作业稳定，操作时间控制较好，具有较好的可靠性与稳定性，单台系统入库能力[P1]则可计算为126.3 次/h。

5 结 论

本文以PLC系统为控制核心，设计了研究生创新基地仓库自动存取系统，实现了对红枣货品的快速存取操作，通过测试试验，结果表明：

1） PLC系统对仓库自动存取系统的响应快速，可靠性较高，能适应频繁的快速仓库自动存取作业。

2） 仓库自动存取系统入库存货周期作业平均时间为28.54 s，在测试时，平均识别精度为99.99%。

3） 仓库自动存取系统出库取货周期作业平均时间为28.49 s，在测试时，无识别错误情况出现，平均识别精度为100%;系统进行出库操作的周期时间均值为20.51 s，测试过程中，操作过程作业稳定，操作时间控制较好，具有较好的可靠性与稳定性，单台系统入库能力P1则可计算为126.3。

参考文献

[1] 廖肇羽.建立新疆南疆战略稳定支点城市之探[J].石河子大学学报（哲学社会科学版），2015，29（5）：9?13.

LIAO Zhaoyu. Building pivot cities of strategic stability in South Xinjiang [J]. Journal of Shihezi University （Philosophy and social sciences）， 2015， 29（5）： 9?13.

[2] 蔡倩.南疆特色果品物流配送模式研究[D].阿拉尔：塔里木大学，2014.

CAI Qian. Study of logistics distribution mode of characteristic fruits in South Xinjiang [D]. Alar： Tarim University， 2014.

[3] 刘运超，余国新，闫艳燕.新疆红枣产业发展现状与对策研究[J].北方园艺，2013（18）：165?169.

LIU Yunchao， YU Guoxin， YAN Yanyan. Study on the development status and countermeaure of Xinjiang jujube industry [J]. Northern horticulture， 2013（18）： 165?169.

[4] LU B， HU C， WANG X， et al. Compressive mechanical properties test and finite element analysis of winter jujube during crisp ripe period in South Xinjiang， China [J]. International agricultural engineering journal， 2016， 25（4）： 117?129.

[5] LI J W， FAN L P， DING S D， et al. Nutritional composition of five cultivars of Chinese jujube [J]. Food chemistry， 2007， 103（2）： 454?460.

[6] ABEDI G， AHMADI E. Design and evaluation a pendulum device to study postharvest mechanical damage in fruits： bruise modeling of red delicious apple [J]. Australian journal of crop science， 2013， 7（7）： 962?968.

[7] POLAT R， AKTAS T， IKINCI A. Selected mechanical properties and bruise susceptibility of nectarine fruit [J]. International journal of food properties， 2011， 15（6）： 1369?1380.

[8] XIANG R， JIANG H， YING Y. Recognition of clustered tomatoes based on binocular stereo vision [J]. Computers and electronics in agriculture， 2014， 106： 75?90.

[9] PATEL M K， SAHOO H K， NAYAK M K， et al. Plausibility of variable coverage high range spraying： experimental studies of an externally air?assisted electrostatic nozzle [J]. Computers and electronics in agriculture， 2016， 127： 641?651.

[10] 苏晓峰，史启程，刘金颂，等.基于PLC的工业自动化立体仓库控制系统设计[J].自动化与仪器仪表，2016（3）：119?121.

SU Xiaofeng， SHI Qicheng， LIU Jinsong， et al. Design of PLC based industrial automation stereoscopic warehouse control system [J]. Automation & instrumentation， 2016（3）： 119?121.

[11] 黄学飞.中小型自动化立体仓库的智能管理控制系统研制[D].杭州：浙江大学，2007.

HUANG Xuefei. Intelligent management and control system for small and medium?sized automated stereoscopic warehouse [D]. Hangzhou： Zhejiang University， 2007.