基于PLC的立体仓库自动取料机构设计

陈红琴

（扬州高等职业技术学校 江苏 扬州 225000）

0 引言

立体仓库是指采用由下而上建立的高度货架储存货物，由自动控制系统控制仓库中的取料机构进行货物入、出库工作的一种自动化仓库，该仓库可以利用其极高的占地面积使用率对货物进行有效存储。立体仓库的使用范围广泛，可用于各大物流公司、航天、食物加工、药物生产等行业。

1 自动取料机构的研究意义及现状

为支持现代物流企业的持续高速发展，提升运作效率，提升仓库物流处理能力，研发立体仓库的自动取料机构意义重大。立体仓库的自动取料机构设计好坏与否很大程度取决于取料堆垛机、传送带等装置精确控制，货物入库、出库精准控制，工作过程安全可靠等。

立体仓库产生于第二次世界大战之后。20世纪50年代，美国建立了一个桥式立体仓库。19世纪中期，日本已经开始着手建造立体仓库，并且发展速度越来越快。各国之间的发展方向各有不同，美国注重于更高更精确的取料系统，日本专注于实用方面，对于成本方面的控制更苛刻，着力于发展绿色物流。

20世纪初，我国开始立体仓库的研究。近几年，诸多高校、企业也开始致力于自动取料机构的研发，例如蒙重宝研究设计的堆垛机[1]，极大地方便了控制电机的工作，降低了能耗，通过在轨道上加装传感器，更加方便控制人员对于堆垛机工作状况的了解与实施改进。

2 立体仓库自动取料机构总体设计概述

2.1 立体仓库概述

立体仓库由货架、堆垛机、传送带、PLC控制系统等部件组成，它不需要人工直接干预，通过自动取料机构完成取料送料的基本物流工作[2]。立体仓库中的自动取料机构是最为重要的工作系统，负责货物出库、货物入库、货物分拣等工作。自动取料机构由PLC控制驱动，由取料机械手负责运行，是立体仓库自动取料机构中最重要的一环，它直接影响了该仓库的整体效率。

PLC控制系统的加入，可以对仓库的工作状态进行实时控制，对货物情况进行管理[3]，提高企业的运作效率，减少工人劳动，节约企业资金，进行科学有效的管理。

2.2 立体仓库的种类

按照货架结构类型分，目前国内市场的立体仓库可分为以下几种。

2.2.1 货格式立体仓库

货格式立体仓库（图1）是最普遍的一种立体仓库，货架仓库有较多的空间，货架通道宽敞，堆垛机可以在货架之间来回穿梭，进行存货取货的作业。适合于大型物流企业，自动化控制较为困难，技术要求高。

2.2.2 贯通式立体仓库

贯通式立体仓库（图2）是一个结构较为整体的仓库，在每个架子的底部安装滑轨和滚轮，货物单元可以自动沿着坡道的高端移动到其下方的低端。适用于平台提货仓库，提货端在平台上，有利于提高装车速度，减少装车距离。

2.2.3 柜式立体仓库

柜式立体仓库由柜式货架、柜式通道与自动取料机构等组成。柜式立体仓库的主要特点是小型化、轻巧和智能。它适用于存储贵重物品等。

2.2.4 条式立体仓库

条式立体仓库使用较少，该立体仓库主要用于存放条形状的货物，货架之间不封闭，由叉车负责将货物放入或取出。适合专门化的企业进行特定存储。

2.3 立体仓库取料机构

仓库的取料机构（图3）总体上分为3大方面。

（1）物料存储系统：负责对立体仓库中进出的货物，原料进行储存。由于其直接影响到存储的货物质量，物料存储系统必须配备相应的存储设施。例如，存储精密材料的立体仓库需配备恒温设施，保证室内温度，防湿防潮。存储较为危险的货物的仓库需配备通风装置及精密机械手，防止搬运时损害货物等。

（2）物料传送系统：负责在货架之间运输货物，其分为堆垛机械手与传送装置，堆垛机械手负责精准的将货物搬到传送装置上。传送系统应满足适用性强、工作安全稳定、运输能力大等要求。

（3）物流控制与管理系统：立体仓库自动化与否的核心所在，分为分拣装置与人机接口界面。分拣装置能连续不断地大批量分拣商品，适应性强，可以实现无人化。人机接口界面是立体仓库唯一需要人工干预的部分，操作人员通过PLC自动控制系统对整个仓库进行传输控制。通过人机交互，使整个立体仓库稳定运行。在自动取料机构出现故障时，人机交互界面会告知人工仓库发生故障，请求人工介入，修正错误。

2.4 PLC自动化控制简介

PLC控制系统（图4），全称为可编程逻辑编辑器，是一种专业化的数字电子装置，其内部有数字控制器，用于取料机构的自动化控制[4]。可编程控制器由计算机、输入输出接口、数字装置、模拟转换元件等部分组成。

PLC控制系统主要使用单片机进行运作，它们具有很高的集成度，并具有相应的保护电路和自诊断功能，从而提高了系统的可靠性。与计算机系统相比，PLC的安装既不需要专用的计算机室，也不需要严格的屏蔽措施。使用时，只需将检测设备正确连接到执行器和PLC的I/O接口端子，即可正常工作。

2.5 自动取料机构使用PLC进行控制的优势

本文选择PLC控制系统进行控制，相较于其他控制系统，PLC控制系统成本较低，稳定性高，工作也较为可靠。PLC编程的程序与图形易于掌握，即使是没有计算机专业知识的人也能在一段时间的培训后轻松掌握。

在立体仓库中，需要一个稳定可靠的控制系统操控堆垛机、机械手等运货设施，PLC自动控制系统作为一种专门为工业化设计的控制系统，非常符合立体仓库的要求。本文以PLC控制的自动取料机构为主题，以PLC控制取料机械手、堆垛机等工作机构完成货物的拿取为内容，构成一套完善的立体仓库自动取料机构。

3 自动取料机构设计方案

3.1 总体设计方案

本文设计的自动取料机构系统有5台堆垛机负责运行，取料机械手进行具体的取料工作。系统为二级框架结构，PLC控制系统由水平与垂直控制两种，监控系统进行辅助工作，整个控制系统无需人工干预，堆垛机可在水平或垂直的方向上对仓库中的货物进行自动化控制管理。堆垛机将货物堆放好后，由取料机械手进行取料，以达成自动运输货物的功能。

3.2 堆垛机系统自动控制方案

本文的自动取料机构中，堆垛机采用3种方法进行工作，手动控制、单机自动化控制及联机自动化控制。在立体仓库正常运行的情况下，只需工人在计算机面板前进行人机交互，向PLC控制系统发出指令，自动取料机构便会按照工人的指令做出相应动作。手动控制是为了防止取料机构出现问题，如断电、机器损坏等故障，由人工转换为手动控制进行操作。

（1）手动控制。在发生意外情况，机器不能自动运行时，以人工的方式通过开关控制堆垛机升降。手动控制可以解决绝大多数的故障，是堆垛机系统中的一道保障。

（2）单机化自动控制。堆垛机用计算机触摸板进行控制，该系统根据工人给出的指令，自动进行产品的出库入库工作。需要对现有指令进行改动时，才需要人工干预。计算机触摸板上可以实时显示该仓库的情况、货物种类、位置及其入出库时间并对每件货物进行查询。

（3）联机式自动化控制。该种控制方法将命令与网络连接，传输到PLC系统中，堆垛机接受指令，进行实时处理，监控机构对其工作进行实时监控，与网络连接，查看其工作是否正常，是否需要人工干涉等。

3.3 监控系统设计方案

监控系统（图5）的主要功能是对仓库中设备的实时位置进行监控，获取堆垛机、传送带等工作装置在运输货物时的位置。当有装置出现故障，监控系统就会报警处理，告知工作人员取料机构出现故障，让人工进行故障排查。

主监控机构由一台计算机为主体，联网到仓库各个堆垛机系统上，实时对堆垛机的工作情况进行监控。其工作方式可由工作人员根据情况自行选择。主监控系统的计算机配置有较高的需求，以支撑仓库庞大的系统。

主要功能：监控该立体仓库中的取料系统，传输信号给客户服务器，提供仓库的实时状态，查询货架中商品的实时信息。

客户端监控系统配备计算机，关联到主监控系统上，配备打印机、摄像头、红外线扫描仪等设备。客户端监控系统的计算机需要与主监控系统相互配对。

主要功能：接受来自监控机构服务器端传输来的信息，供工作人员实时查阅，统计商品在仓库中的情况，发出出库、入库指令，操控堆垛机工作，由打印机打印出商品单据，扫描仪扫描商品确定货物种类，摄像头监控仓库整体情况，进行通信。

3.4 取料机械手设计方案

机械手能模仿人类的手臂动作，受人为控制的进行一些设定好的操作，取料机械手是整个取料机构的核心装置，用于夹取货物，将其运至指定区域。

要使机械手以任意姿态到达空间中的任何一个点，机械手需要6个自由度，其中位置自由度3个，姿态自由度3个。根据控制要求和该立体仓库的上下料工艺可知，机械手需3个位置自由度和1个姿态自由度方可成功抓取货物。通过3个位置自由，机械手可达到其工作范围内的任意位置。通过1个姿态自由度，机械手可以调整抓取货物时的姿态。因此，机械手应有4个轴，4个自由度，分别是X轴、Y轴、Z轴和RZ轴。RZ轴装在机械手Z轴的末端，它可绕Z轴旋转。在X方向上，机械手可以进行水平方向的左右移动；在Y方向上，机械手可以进行水平方向的前后移动；在Z方向上，机械手可以进行竖直方向的上下移动；在RZ方向上，机械手可以绕着Z轴顺时针旋转或逆时针旋转。该结构设计可以使取料机械手在工作范围内自由调整角度，抓取货物，能够完成升降旋转等一系列高自由度的动作，实现了一定范围内的夹持控制功能。

3.5 取料机械手PLC控制系统设计方案

PLC对于取料机械手的主要控制对象是3个伺服电机和1个步进电机，控制方式是高速脉冲输出，因此，PLC应具有4路高速脉冲输出功能。

CPlH-Y20DT-D型PLC的编程软件为CX-Programmer。CX-Programmer支持功能块的编写，功能块里面的程序可以是梯形图语言，也可以是结构化文本（ST）语言，采用结构化文本编程，可使程序长度明显减少[5]。

由PLC控制系统控制的仓库货架轨迹简单，多为平行的直向线，计算机只需要进行简单的控制运算，因此PLC在控制取料机械手运作这方面的程序系统较为简单，更易实现自动化控制，其控制示意图见图6。

PLC控制系统对于机械手的控制有以下几点。

（1）设置工作指令。PLC可通过程序向机械手下达工作指令，告知机械手应该入库还是出库，何种货物该运往何种货架，确定机械手的轨迹路线，保存存储的货物，将货物运至传送带。

（2）机械手工作速度控制。为了让机械手在工作阶段更加安全稳定，速度控制也是重要的一环。根据位置定位算法，检测出机械手的当前位置，视情况予以降速。通过这种方法，可以提高机械手的精准度，以防在机械手工作时发生错位脱离等意外情况。

（3）定位精度检测控制。机械手在工作时到达系统指定位置以后，精度检测装置会对定位的误差进行分析，超出规定的误差范围后，机械手会取消本次取料工作，进行下一次定位。检测定位精度是重要的一环，定位不准的话，可能会导致机械手在取料时产生偏差，从而引起错误。

（4）安全控制。安全也是立体仓库的重要环节。整个自动取料机构：升降台、堆垛机、传送带、机械手等都配备安全保护装置，机械手配有防松装置，防止工作时发生意外事故。

（5）故障控制。工作时，取料机构如出现故障，报警装置便会介入控制，终止工作，由终端PLC控制系统转告到客户PLC系统上，告知在场的工作人员仓库发生了故障，由人工接手检查系统问题，进行维修处理。

3.6 机构正常工作状态

系统正常运行的情况下，运行信号从计算机面板发出。PLC接收到系统发来的启动信号时，进入工作状态。当系统发出故障信号时，PLC取消运行状态。

系统进入工作状态后，供料系统负责将商品推到传送带。传送带负责将货物带到程序指定的位置。若已无货物需要输送，则向系统下达停止指令。

传送带上有货物需要运输时，传送带输送程序启动，将货物运送到传送带末端，货物到达指定位置时传送带停止工作。商品被取料机械手拿走以后，系统向传送带发出指令，传送带开始输送下一件货物。

堆垛机将传送带输送过来的货物搬到检测区，经检测后，取料机械手再将货物搬运到货架，按货物种类分配放置到相对应的位置。商品入库后向系统发出入库完成信号。商品放入指定位置后，指示灯亮起，代表该位置已放入货物，可以进行下一件货物的存放。

4 结语

本文概述了自动取料机构的堆垛机控制系统、监控系统、PLC控制系统与取料机械手，设计了一个由PLC进行控制的自动取料机构，并对其工作过程进行了预估。根据设计要求，确定了取料机械手的自由度；根据控制对象，确定使用CPlH-Y20DT-D型PLC作为取料机械手的控制器。同时，介绍了PLC控制系统对于取料机械手的控制作用，通过该种方法可使取料机械手稳定工作，减少故障。本设计中的自动取料机构在很多地方仍然存在较大的局限，相关系统、程序和设施等，在以后的工作中会进行及时改进。