【正文】 入庫方式、存儲(chǔ)策略及貨位分配原則 ： 根 據(jù)自動(dòng)化立體倉庫中存放貨品的特點(diǎn)，提出了采用分類隨機(jī)存儲(chǔ)和定位存儲(chǔ)相結(jié)合的貨品存儲(chǔ)策略。已經(jīng)廣泛用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的支柱產(chǎn)品。 PLC 是集自動(dòng)控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置，已 躍居工業(yè)自動(dòng)化三大支柱（ PLC、 ROBOT、 CAD/CAM）的首位。但由于 PC 容易與個(gè)人計(jì)算機(jī)（ Programmable Computer）相混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用 PLC 作為可編程控制器的縮寫。在我國，自動(dòng)化倉庫應(yīng)用的行業(yè)主要有機(jī)械、冶金、化工、航空航天、電子、醫(yī)藥、食品加工、煙草、印刷、配送中心、機(jī)場、港口等。 我國對(duì)立體倉庫及其物料搬運(yùn)設(shè)備的研制開始并不晚， 1963 年研制成第一臺(tái)橋式堆垛起重機(jī)（機(jī)械部北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所）， 1973 年開始研制我國第一座有計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化立體倉庫（高 15 米，機(jī)械部起重所負(fù)責(zé)），該庫 1980 年 投入運(yùn)行。 立體倉庫的產(chǎn)生和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)之后生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。 本系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試與設(shè)備的運(yùn)行，各部分功能正常 。研究了整個(gè)控制 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與控制原理，進(jìn)行 了總休功能設(shè)計(jì)重點(diǎn)設(shè)計(jì)了 PLC 控制的程序模塊，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)單元的單動(dòng)控制與聯(lián)動(dòng)的順序控制。 在管理系統(tǒng)中，根據(jù)自動(dòng)化立體倉庫中存放貨品的特點(diǎn)，提出了采用分類隨機(jī)存儲(chǔ)和定位存儲(chǔ)相結(jié)合的貨品存儲(chǔ)策略。 1 基于 西門子 S7 一 200PLC 的立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要 自動(dòng)化立體倉庫集存儲(chǔ)、搬運(yùn)、輸送、分發(fā)一體，作為工業(yè)物流與計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) (CIMS)的一部分，代表了當(dāng)今物流發(fā)展的趨勢。按照貨品出入庫頻度進(jìn)行貨位存儲(chǔ)區(qū)域劃分，提高了貨位和存儲(chǔ)區(qū)域的利用率。同時(shí)通過PROFIBUS— DP 現(xiàn)場總線網(wǎng)實(shí)現(xiàn) 三 臺(tái) PLC 的連接以及與監(jiān)控系統(tǒng)的通信，接收出入庫指令，完成相應(yīng)的出入庫操作 。系統(tǒng) =級(jí)分層之間實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的通信，靈活的貨品存儲(chǔ)策略與貨位的自動(dòng)均勻分配克服了傳統(tǒng)立體倉庫的許 多不足，提高了倉庫貨位利用率和出入庫效率，達(dá)到了預(yù)期的效果，不僅保持了系統(tǒng)的靈活性與可靠性，而且提高了整個(gè)倉儲(chǔ)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平與工作效率。 50 年代初，美國出現(xiàn)了采用橋式堆垛起重機(jī)的立體倉庫； 50 年代末 60 年代初出現(xiàn)了司機(jī)操作 的巷道式堆垛起重機(jī)立體倉庫； 1963 年美國率先在高架倉庫中采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，建立了第一座計(jì)算機(jī)控制立體倉庫。到目前為止，我國自動(dòng)化立體倉庫數(shù)量已超過 200 座。 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制出世界第一臺(tái)可編程控制器，并成功地應(yīng)用在美國（ GM）的生產(chǎn)線上。 1985 年國際電工委員會(huì)（ IEC）對(duì) PLC 的定 義如下： 可編程控制器是一種進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制器，它采用了可以編程的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)算和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破鳎喎Q PLC。與繼電 —— 接觸器系統(tǒng)相比更可靠；占位空間比繼電 —— 接觸器系統(tǒng) ?。粌r(jià)格上能與繼電 —— 接觸器系統(tǒng)競爭；易于在現(xiàn)場變更程序；便于使用、維護(hù)、維修；能直接推動(dòng)電磁閥、接觸器與之 相當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央執(zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。結(jié)合電子標(biāo)簽技術(shù)，根據(jù)貨品出入庫頻度劃分貨品的大致存儲(chǔ)區(qū)域 ： 在此基礎(chǔ)上，使用貨位自動(dòng)均勻分配算法實(shí)現(xiàn)貨位的均勻分配與貨品的就近出入庫 。最后迸行 PLC 程序的編寫，局部調(diào)通之后再將三個(gè)部 分整合在一起進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)三個(gè)單元的順序控制。 自動(dòng)化立體倉 庫可以產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 2． 自動(dòng)化立體倉庫的概述 自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng) (Autoamted Sotrage And Retireval System,AS/RS)是在 不直接進(jìn)行人工處理的情況下能自動(dòng)存儲(chǔ)和取出 物料的系統(tǒng)，它的主體是自動(dòng)化立體倉庫。目前主要有焊接式和組合式貨架兩種基本形式。 輸送機(jī)系統(tǒng)：立體倉庫的主要外圍設(shè)備，負(fù)責(zé)將貨物運(yùn)送到堆垛機(jī)或從堆垛機(jī)將貨物移走。 自動(dòng)控制系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)各設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)。目前典型的自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)均采用大型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（如 ORACLE， SYBASE 等）構(gòu)筑典型的客戶機(jī) /服務(wù)器體系，可以與其他系統(tǒng)（如 ERP 系統(tǒng)等）聯(lián)網(wǎng)或集成。 2. 按貨架形式分類 （ 1）單元貨格式貨架倉庫。在大多數(shù)情況下，每個(gè)貨格存放一個(gè)貨物單元 (一個(gè)托盤或一個(gè)貨箱 )。在單元式貨架倉庫中，巷道占去了 1/3 左右的倉庫面積，為了進(jìn)一步提高倉庫面積利用率，可以取消位于各排貨架之間的巷道，將貨架合并在一起 ，使同一層、同一列的貨物互相貫通，形成能依次存放許多貨物單元的通道。需要提取貨物時(shí)，操作人員只需要在操作臺(tái)上發(fā)出出庫指令，相應(yīng)的一組貨架便開始運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)有該貨物的貨柜來到揀選口時(shí)，貨架便停止運(yùn)轉(zhuǎn)，操作人員就可以從貨柜中揀選貨物。 3. 按照作業(yè)方式分類 按作業(yè)方式可以分為單元貨架式、移動(dòng)貨架式和揀選貨架式三種立體倉庫。平時(shí)貨架可以合攏，只留一條作業(yè)巷道，從而減少倉庫面積，提高空間的利用率。 4. 按照自動(dòng)化倉庫的作用可以將其分為生產(chǎn)性倉庫和流通性倉庫兩種。 范圍廣 無所不在的電力網(wǎng)絡(luò)也是這種技術(shù)的優(yōu)勢。 高速 利用電力線上網(wǎng)能夠提供高速傳輸。 結(jié)構(gòu)靈活 通過 PLC 技術(shù)實(shí)現(xiàn) Inter 接入，可以靈活擴(kuò)展接入端口數(shù)量，使資源保持較高的利用率。 1963 年，北京起重運(yùn)輸機(jī)研究所設(shè)計(jì)了第一臺(tái) 橋式堆垛機(jī)，并由大連起重機(jī)廠完成試制。我國目前己經(jīng)建成數(shù)百座各種類型的自動(dòng)化倉庫，多數(shù)是中小型自動(dòng)倉庫。近些年我國自動(dòng)化倉庫技術(shù)發(fā)展很快，己實(shí)現(xiàn)了與其它信息決策系統(tǒng)的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。 2. 智能技術(shù)將會(huì)獲得應(yīng)用。國外已經(jīng)開始出現(xiàn)一批可拆卸的或移動(dòng)式的倉庫結(jié)構(gòu)。同時(shí)設(shè)定管理級(jí)與監(jiān)控級(jí)位于同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，因此不需要進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，現(xiàn)場 PC 一 PLC 之間通信距離較短時(shí) ，采用簡單的 PC 用 PI 電纜來進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連結(jié)，三臺(tái) PLC 之間采用現(xiàn)場總線 PROFIBUS 一 DP 網(wǎng)組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與實(shí)時(shí)控制。 根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)選擇合適的 PLC 類型。 立體倉庫整體調(diào)試，在 PLC 軟硬件設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工完成后，就可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題要逐一排除，直至調(diào)試成功。 2. 四自由度機(jī)械手 四自由度機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)型，可實(shí)現(xiàn) X 軸伸縮、 Y 軸升降、底盤旋轉(zhuǎn)、臂、腕旋轉(zhuǎn)功能。 4. 電子標(biāo)簽系統(tǒng) 電子標(biāo)簽系統(tǒng)主要由讀寫器和電子標(biāo)簽組成。讀取距離可達(dá) 5 米，寫入距離為讀取距離的 70%。 6 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是美國 SHAPHON 公司與北京斯達(dá)特機(jī)電科技發(fā)展有限公司 98 年初聯(lián)合推出的 SH系列步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)是 SH 一 2H057M。 PLC 具有高速計(jì)數(shù)以及脈沖輸出的功能，通過特定的指令和特殊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置控制。作為DP 從站， EM27 模塊接收從主站傳來的多種不同的 1/0 配置，向主站發(fā)送和接收不同數(shù)量的數(shù)據(jù)。在變動(dòng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)后，用戶必須重新啟動(dòng) CPU 電源，以便使新的從站地址起作用。然后，該模塊將輸 出數(shù)據(jù)傳送給 S7— 200CPU。三個(gè)部分的自動(dòng)控制采用的可編程控制器均為西門子 57 一 20 系列 PLC。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的按鈕板上有一些轉(zhuǎn)換開關(guān)和按鈕，用于手動(dòng)控制操作。在發(fā)生緊急情況時(shí)，可按下緊停按鈕，用以切斷步進(jìn)電 機(jī)控制模塊的電源。堆垛機(jī)在升降方向共有四個(gè)限位開關(guān) ： 上 /下極限限位開關(guān)、一個(gè)入庫認(rèn)址限位開關(guān)和一個(gè)出庫認(rèn)址限位 開關(guān)，升降的位置靠碰到限位開關(guān)計(jì)數(shù)來完成。CP5611 作 DP 網(wǎng)主站，其余三臺(tái)作 DP 網(wǎng)從站。 采用 PC/PPT 電纜建立個(gè)人計(jì)算機(jī)與 S7－ 200CPU 的連接。在畢業(yè)論文的完成過程中，首先從對(duì)可編程邏輯控制器的學(xué)習(xí)入手，了解和熟悉了整個(gè)系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)和電氣連接圖，完全領(lǐng)會(huì)本系統(tǒng)要完成的任務(wù)，掌握各電氣設(shè)備的工作原理，以便更好地分析和處理工作中出現(xiàn)的問題。同時(shí)要通過 PROFIBUS－ DP 現(xiàn)場總線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)三臺(tái) PLC 之間的數(shù)據(jù)傳遞。 ３ .３ .2 自動(dòng)化立體倉庫控制系統(tǒng)各單元 I/O 點(diǎn)的分配 整個(gè)系統(tǒng)中，輥道控制系統(tǒng)所采用的 PCL 是 S7 一 200 CPU224，該部分系統(tǒng)總共使用了 13 個(gè)輸入點(diǎn)、 9 個(gè)輸出點(diǎn)，具體的 I/O 點(diǎn)分配如表 3－ 表 32 所示。 表 3— 5 堆垛機(jī)輸入元件地址分配表 15 控制元件 符號(hào) 編程地址 控制元件 符號(hào) 編程地址出貨認(rèn)證 認(rèn)址器電路板 堆垛機(jī)運(yùn)行允許 進(jìn)貨認(rèn)證 認(rèn)址器電路板 功能按鈕1 SB6 行走認(rèn)證 認(rèn)址器電路板 手動(dòng)/ 自動(dòng) SA2 伸叉左限 SQ4 伸叉按鈕 SB3 伸叉中限 SQ5 升降按鈕 SB4 伸叉右限 SQ6 行走按鈕 SB5 升降上限 SQ7 機(jī)械手位置1 升降下限 SQ8 機(jī)械手位置2 單動(dòng)/ 聯(lián)動(dòng) SA1 備用 行走左限 SQ9 備用 行走右限 SQ10 緊停 KA1 復(fù)位按鈕 SB1 備用 表 3— 6 堆垛機(jī)輸出元件地址分配表 控制元件 符號(hào) 編程地址 控制元件 符號(hào) 編程地址行走步進(jìn)電機(jī)脈沖 CP 機(jī)械手啟/ 停 升降步進(jìn)電機(jī)脈沖 CP 備用 行走步進(jìn)電機(jī)方向 DIR 聯(lián)動(dòng)指示 HL2 升降步進(jìn)電機(jī)方向 DIR 伸叉中限位 HL3 伸叉向左 KA3 備用 伸叉向右 KA2 堆垛機(jī)動(dòng)作指示 HL4 機(jī)械手送/ 取操作 備用 機(jī)械手左/ 右排操作 備用 自動(dòng)化立體倉庫控制系統(tǒng)各單元 PLC 控制功能模塊設(shè)計(jì) 根據(jù)總體控制系統(tǒng)方案，結(jié)合硬件原理圖、軟件編程、網(wǎng)絡(luò)通信等相關(guān)方面，完成輥道進(jìn) /出貨控制、四自由度機(jī)械手搬運(yùn)貨品控制和堆垛機(jī)運(yùn)送貨品控制的局部調(diào)試。 PLC 控制程序的編寫，必須按照自動(dòng)線的運(yùn)行要求來編寫。 在 STEP 7— Micro/WIN 編程環(huán)境中作者主要設(shè)計(jì)的程序模塊有 ： 主程序、進(jìn)貨輥道運(yùn)行程序、出貨輥道運(yùn)行程序、初始化程序、 DP 網(wǎng)通信程序。 出貨輥道運(yùn)行程序主要完成從接收機(jī)械手運(yùn)行結(jié)束信號(hào)到貨物出庫完成的過程。 堆垛機(jī)動(dòng)作，調(diào)用子程序 4 WinCC 將堆垛機(jī)運(yùn)行結(jié)束信號(hào)發(fā)送給機(jī)械手 PLC，機(jī)械手動(dòng)作，調(diào)用子程序 5 WinCC 將機(jī)械手運(yùn)行結(jié)束信號(hào)發(fā)送給輥道，出貨輥道動(dòng)作，調(diào)用子程序 1 出庫結(jié)束，將出庫完成報(bào)告返回監(jiān)控系統(tǒng)，等待下一個(gè)出庫操作命令 圖 3— 3自動(dòng)化立體倉庫總體流程圖 17 進(jìn)貨點(diǎn)動(dòng)裝置檢測到貨品后，入庫輥道開始動(dòng)作，當(dāng)輥道上的光電開關(guān)檢測到貨品到達(dá)后，入庫輥道停止運(yùn)行。 子程序 0 和子程序 1 的流程圖，如圖 3— 圖 3— 5 所示 四自由度機(jī)械手控制功能模塊設(shè)計(jì) 圖 3— 6 四自由度機(jī)械手 1. 3 號(hào)輥道貨臺(tái) 2. 2 號(hào)輥道貨臺(tái) 4. 1 號(hào)輥道貨臺(tái) 垛機(jī)貨臺(tái) 初始化 收到 WinCC 發(fā)送來的入庫指令 進(jìn)貨輥道 位是否為 1 進(jìn)貨輥道正轉(zhuǎn) 進(jìn)貨輥道后光電位是否為 1 否 是 否 是 進(jìn)貨輥道停止運(yùn)行 圖 3— 4 子程序 0 流程圖 初始化 收到 WinCC 發(fā)送來的機(jī)械手運(yùn)行結(jié)束指令 出貨輥道前光電位是否為 1 出貨輥道正轉(zhuǎn) 出 貨輥道后光電位是否為 1 否 是 否 是 出貨輥道停止運(yùn)行 圖 3— 5 子程序 1 流程圖 18 機(jī)械手接收入庫 光電傳感器的開關(guān)指令。機(jī)械手具有 5 個(gè)位置 ： 0 號(hào)位 (復(fù)位位置 )、 1 號(hào)位 (對(duì)應(yīng)右排出入庫臺(tái) )、 2 號(hào)位 (對(duì)應(yīng)出貨輥道 )、 3 號(hào)位 (對(duì)應(yīng)進(jìn)貨輥道 )、 4 號(hào)位 (對(duì)應(yīng)左排出入庫臺(tái) )。完成入庫操作后，機(jī)械手自動(dòng)復(fù)位。在 S7 一 200 中，只有輸出繼電器 和 具有高速脈沖輸出功能。機(jī)械手 X 軸方向設(shè)置了三個(gè)限位開關(guān) ： X 軸前限位、 X 軸中限位、 X 軸后限位。使用 作為機(jī)械手 Y 軸移動(dòng)高速脈沖串的輸出端，采用 SMB7 作為高速脈沖輸出的控制字節(jié)。底盤限位計(jì)數(shù)程序段中采用一個(gè)遞增計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，預(yù)設(shè)值為 10。抓手動(dòng)作采用氣泵進(jìn)行控制。 子程序 2 實(shí)現(xiàn)的功能： WinCC 將入庫輥道運(yùn)行結(jié)束信號(hào)傳送給機(jī)械手 PLC，置其源位為 3 號(hào)位。機(jī)械手通過 X 軸前后伸縮和 Y 軸升降以及臂腕動(dòng)作和抓手動(dòng)作，將貨品從左 /右排出入庫臺(tái)傳遞到出庫輥道。運(yùn)行機(jī)構(gòu)與起升機(jī)構(gòu)使堆垛機(jī)到達(dá)指定貨位。在設(shè)計(jì)堆垛機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，首先必須解決堆垛機(jī)的自動(dòng)停位問題，即它必須具備自動(dòng)認(rèn)址及快速精確定位的功能。 其中 X 向坐標(biāo)，對(duì)每一臺(tái)堆垛機(jī)來說只有兩個(gè)位置，所以 我們 可以用貨叉向左或向右運(yùn)動(dòng)來表示，因此只需檢測 Y 坐標(biāo)與 Z 坐標(biāo)即可。 2. 為提高堆垛機(jī)的作業(yè)效率，必須提高其三大機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度 。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此時(shí)運(yùn)行速度約為 3~4 m/min，起升速度約為 2 m/min，因此運(yùn)行機(jī)構(gòu)與起升機(jī)構(gòu)均存在調(diào)速問題 。可以采用軟