基于PLC和MCGS的立体仓库控制系统设计

刘兴祥

(闽西职业技术学院，福建龙岩364021)

0 引言

随着社会经济的发展，土地价格越来越高。企业物流仓储成本也越来越高。立体仓库能够用有限的土地实现存储向纵向空间发展，有效地节省仓库占地面积，提高土地的空间使用率。同时，自动化立体仓库还能减少人工分拣差错,减轻员工劳动强度,提高仓储管理智能化水平。自动化立体仓库虽在现代物流企业中表现出很强的优势，但是目前我国自动化立体仓库的数量跟发达国家相比仍然不多，总体建设水平仍有一定的差距。随着存储复杂程度与控制精度要求的提高，如何更好地发挥自动化立体仓库的优势，完善仓储调度的可视化管理，确保立体仓库系统的安全稳定和精准快捷，成为立体仓库研究的新课题。本文以3区5层共15个仓位的立体仓库模型为例，应用三菱FX3U可编程控制器及北京昆仑通态MCGS组态软件，采用变频调速的方式传送货物，实现货物存取的自动化和可视化，希望能为自动化立体仓储系统改造和设计提供一些参考。

1 控制系统概述

1.1 系统组成

立体仓库系统主要由称重区、托盘传送带、货物传送带、机械手、码料小车、码料小车运行巷道和高层货架仓库区组成，如图1所示。称重区用称重传感器对货物质量进行检测并反馈给人机界面。托盘传送带由三相异步电动机进行单向正转控制。货物传送带由三相异步电动机变频驱动。机械手由电磁阀气动装置控制，通过伸缩、夹紧和松开等动作对货物料进行定位和打包。码料小车采用伺服电机控制左右位移(X轴方向)、步进电机控制上下位移(Y轴方向)、直流电机控制伸缩叉料(Z轴方向)，以此实现三维空间中的精准存取定位。

图1 立体仓库系统示意图

1.2 控制要求

通电后系统先进行自检，码料小车回原点进入启动准备状态。用传感器SQ3检测该位置是否有托盘，若无托盘，则托盘传送带电机启动，将托盘送至传感器SQ3位置。当传感器SQ1检测到无货物时，触摸屏报警，提示放入货物；当检测到有货物时，称重传感器工作并在组态中显示当前货物质量，然后经过货物传送带将货物运送至SQ2位置[1]。货物传送带速度根据货物质量进行变频调速，货物质量一般为0～100 kg，称重传感器将货物质量信号转换成0～10 V电压信号，对应的变频驱动器运行频率为0～50 Hz。货物到达传感器SQ2位置后，机械手将货物打包放入托盘。其工作过程是：机械手臂1先伸出，将SQ2处的货物推入SQ3位置的托盘，再通过机械手臂2压紧货物并对货物进行定位后松开，最后机械手臂1缩回，完成整个动作。货物打包完后，码料小车开始工作。立体仓库共有15个存储位置，每个存储位置最多可存放100 kg的货物，存放货物时按照1A—1B—1C—2A—2B—2C—3A……的顺序进行。例如：第一个货物50 kg，将其放入1A仓位，第二个货物若小于50 kg，则还将其放入1A位置，若大于50 kg，则放入1B位置，以此类推。在整个运行过程中，MCGS触摸屏作为上位机可对PLC控制的下位机的运行情况进行实时监控。

2 控制系统硬件设计

2.1 硬件的总体结构

立体仓库系统模型采用北京昆仑通态MCGS触摸屏TPC7062TI作为上位机，带有高速脉冲输出的三菱PLC(16点输入，16点输出)和三菱模拟量模块FX3U-3A-ADP(2个通道输入，1个通道输出)作为下位机。控制终端的有5台电机：台达伺服电机、步科步进电机、直流正反转叉货电机和2台三相异步电机。2台三相异步电机分别采用单向运行控制和三菱E740变频器模拟量变频控制。机械手精准定位货物并将货物和托盘整体打包。下位机能实时采集各类传感器的开关量信号和模拟量信号，并反馈到人机界面触摸屏上。

2.2 主要设备的电气接线

立体仓库系统的设备电气接线如图2。在码料小车运行的各方向均设有限位保护装置。码料小车的直流叉货电机正转时叉臂伸入托盘底槽，反转时叉臂缩回[2]。伺服电机采用ASD-B2-0421-B全数字交流永磁同步伺服驱动器。PLC的高速脉冲输出端Y00和Y01分别接驱动器的/PULSE与/SING端，用来控制伺服电机的转速和方向[3]。步进电机采用步科Kinco3M458驱动器。PLC的高速脉冲输出端Y02和Y03分别接驱动器的PLS+与DIR+端，用来控制步进电机的转速和方向。直流叉货电机采用JS-4D60GN-24直流电动机,三菱PLC输出端Y10和Y11分别控制电机的正反转。

货物传送带电机选用三菱变频器E740驱动控制。PLC输出端Y07接变频器方向信号STF端子，对传送带电机进行单向正转控制。变频器工作频率根据模拟电压信号给定，需把变频器的电压输入端(端子2和5)接模拟量模块FX3U-3A-ADP的电压输出端，称重传感器检测的0～10 V电压信号接入模拟量模块FX3U-3A-ADP的电压输入通道。托盘传送带电机采用三相异步电动机，用CJX2-1201型交流接触器控制，并用PLC输出端Y12控制继电器KA2，进而控制交流接触器线圈，实现弱电控制强电。机械手的动作由PLC输出端Y13、Y14控制。三菱PLC设备的I/O分配见表1。

表1 三菱PLC设备I/O分配

表1(续)

2.3 主要参数设置

立体仓库系统仿真在实验室采用与实际工作情况相同的缩小版，其电机的工作功率和运行位移都一定程度地缩小。码料小车中，伺服电机和步进电机旋转1周都需要1 000个脉冲，伺服电机驱动器恢复出厂设置后，应把电子齿轮比设置为160∶1(即P-44设置为160，P-45设置为1)。步进电机驱动器的步进细分拨码DIP1—DIP3设置为100。变频器进行模拟电压调速控制,调速范围为0～50 Hz，变频器恢复出厂设置后，应将模拟量电压输入选择P73设置为0，加速时间P7设为2 s,减速时间P8设为1 s，最后变频器要设置为外部运行模式，即把P79设为2。托盘传送带的三相异步电动机应根据实际情况考虑过载保护，需要把NR2-25/Z型热过载继电器的整定电流调节为0.25 A。

3 控制系统软件

3.1 主要PLC程序设计

系统控制分为手动调试和自动运行两种模式。手动、自动切换可通过触摸屏按钮或现场手动/自动切换开关SA来实现。手动调试，用户可通过触摸屏自由选择可存放仓位，系统能根据当前货物质量判断哪些仓位不能存放当前货物，并锁定该仓位存放按钮为不可见,避免用户错选仓位，提高系统安全可靠性。在系统预调试阶段，手动调试还可对系统进行单台电机测试。自动运行模式可实现储存全过程自动化。系统能够根据高层货架仓库区当前的剩余存货信息，依次选择仓位进行货物存放(每个仓位存放货物不超过100 kg)，并在人机界面中显示货物运行状况和仓位存货情况。系统根据货物质量选择合适的仓位，以保证每个仓位存储货物最大化。立体仓库系统工作流程如图3所示。

货物传送带和托盘传送带控制程序如图4所示。

PLC输入端X13无信号(即SQ3位置无托盘)时，PLC的Y12有输出，驱动托盘传送带启动，将托盘运送至SQ3位置。PLC输入端X11无信号(即SQ1位置无货物)时，M4有输出，触摸屏组态报警，提示放入货物。放入货物后，称重传感器记录当前货物质量，再将其转换为0～10 V电压信号传给模拟量输入模块D8261，电压信号在此转化为0～4 000的数值量存储在数据存储器D8261中。PLC程序用传送指令(MOV D8261 D10)把D8261数据传给D10存储，供人机界面显示当前货物质量。货物传送带速度根据货物质量进行变频调速，即通过传送指令把D10数据传给D8262来控制变频器运行频率，输出端Y07控制变频器驱动电机运行方向。货物到达SQ2位置后，Y13有输出，电磁阀KA3得电，机械手臂1伸出将SQ2处的货物放入SQ3位置的托盘。光电传感器C1检测到托盘货物后,Y14输出3 s，电磁阀KA4得电3 s，机械手臂2压紧打包货物，完成后机械手臂2松开,Y13停止输出，电磁阀KA3失电，机械手臂1缩回[4]。

图3 立体仓库系统工作流程图

图4 传送带控制程序

码料小车选择存放仓位首先用加法指令(ADD D11 D10 D111)把每个仓位的已有货物质量都加上当前货物质量;然后，用区间比较指令(ZCP K1 K4000 D111 M110)判断货物总质量是否在100 kg范围内;最后，用矩阵判断方法选择该货物可存放的仓位。货物送达相应仓位存货后，对该仓位货物质量进行累计(如MOV D111 D11)并反馈给人机界面。

在同一仓位放置多个货物时，为避开已有货物，码料小车步进电机正转，将货物上移至该仓位最高点，然后码料小车直流叉料电机正转，叉臂伸出，接着码料小车步进电机反转，将货物下移至触碰障碍物后停止，这时直流叉料电机反转，叉臂缩回、叠放货物。这里障碍物可以是已有货物或是仓位货架。在实际应用中，还应加光电传感器检测每一仓位货物是否超过仓位体积，超体积情况下系统应保证体积优先，质量次之的原则进行仓位选择判断，并且可以在触摸屏中显示某某仓位已满的报警提醒，此时可以依次往后一个仓位存货，直至所有仓位存满。

3.2 上位机软件设置

立体仓库模型系统的上位机采用MCGS组态软件，用于现场数据采集与状态监控[5]。

MCGS与三菱FX系列通信设置见图5。首先，在MCGS的设备窗口，添加通用串口父设备和三菱FX系列编程口。然后设置串口设备属性：最小采集周期10 ms、串口号0—COM1、波特率9 600、数据位0—7位、停止位0—1位、偶校验等。接着在三菱FX系列编程口的设备编辑窗口，修改设备内部属性，并增加所需的设备通道和连接相应变量。最后，参考图6制作用户窗口，完成相关数据对象的连接。

3.3 系统调试运行

首先检测各传感器信号是否接入PLC相应输入端并反馈给上位机，确保上位机与下位机通信正常。然后对电机逐一进行测试，发现问题及时调整。现场调试无误后方可进行系统联机调试运行。

图6是仓库模型MCGS联机调试界面。这是一款运行稳定、操作简单、监控效果良好的人机交互界面，方便用户直观地看出当前仓库货架的使用情况及码料小车在X轴和Y轴的位置。从图中可以看出，SQ1处有货物，称重区显示当前该货物质量为51.93 kg，SQ3处有托盘，当前处于手动模式并且只有在2C区以后才能存放当前货物。手动模式下需先选择存放位置,然后按下启动按钮，系统才能工作。货物传送带启动，将货物送至SQ2处停止，货物传送带变频器驱动运行频率约为25.96 Hz。然后机械手工作将货物打包放入托盘。接着码料小车取货，过程是直流电机正转，叉臂伸出到托盘底部，随后步进电机正转，货物连同托盘上移10 cm，然后直流电机反转，叉臂缩回，步进电机反转，货物连同托盘下移10 cm，回初始点，完成取货。码料小车根据所选仓位(如选3C区)，右移至传感器SQ15位置处，然后上移至3层最高处。码料小车进行存货，存货过程是直流电机正转，将托盘与货物伸出，随后步进电机反转，货物连同托盘下移触碰到仓位货架，Z轴底部限位开关SQ0动作，接着直流电机反转，叉臂缩回，完成存货，并显示该仓位货物质量变化情况(即3C区货物质量为51.93 kg)。最后，码料小车返回原点，等待下一个货物存放。若在自动模式下，只需按下启动按钮，系统就会自动根据矩阵计算程序判断当前货物应存放仓位(当前该货物质量为51.93 kg，则应存放在2C区)，堆垛码料小车存取货物过程与手动模式相同，完成存货后，2C区货物质量将为91.77 kg(即39.84 kg+51.93 kg)。如果SQ1处有新货物，系统将继续自动运行存取货物。

图5 MCGS与三菱FX系列通信设置

图6 立体仓库系统MCGS调试界面

4 结语

系统模拟运行表明，基于PLC和MCGS的立体仓库控制系统，原理简单，定位准确，性能可靠，控制方便。该设计取代了原先用三菱Q与FX系列组网的立体仓库系统，大大节约了设计和制造成本。系统在仓位选择程序设计上可以进行大量的数据比较和矩阵计算，很好地优化了立体仓库存储能力，最大限度地利用了每一个仓位。该系统还运用了MCGS上位机触摸屏，可以进行远程监控，实现控制过程的可视化和智能化，大大改善了员工的工作环境，降低了员工的劳动强度。