朱 建 軍

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 132022)

立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)

朱 建 軍

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 132022)

針對(duì)高校實(shí)踐教學(xué)要求并結(jié)合自動(dòng)化類專業(yè)的特點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種模擬生產(chǎn)實(shí)際的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)裝置。詳細(xì)地介紹了裝置的總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、下位機(jī)程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)。本裝置采用西門子S7-300PLC作為控制系統(tǒng)，并用WinCC組態(tài)軟件開發(fā)了監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)裝置的就地手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制等操作模式。在實(shí)際學(xué)生實(shí)訓(xùn)中，該裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的形象化，拉近了課堂與生產(chǎn)實(shí)踐的距離，為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、分析解決問題的能力提供了一個(gè)很好的實(shí)踐平臺(tái)。

立體倉(cāng)庫(kù)； 實(shí)訓(xùn)裝置； 實(shí)踐教學(xué)

0 引 言

立體倉(cāng)庫(kù)是一種集貯存、管理于一體，在沒有人工干預(yù)的情況下自動(dòng)完成貨物存取操作的控制系統(tǒng)，具有占地面積小、省時(shí)、省力、高效等特點(diǎn)。在高危險(xiǎn)環(huán)境中工作時(shí)，可以通過人機(jī)界面遠(yuǎn)程控制貨物的存取工作，保證工作人員的安全。人機(jī)界面還可以監(jiān)控貨物存取過程，并可以記錄查詢存取情況，方便工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[1-4]。

為滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的需要，為此設(shè)計(jì)開發(fā)了立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備。

1 立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)主要由控制系統(tǒng)、立體貨架、碼垛機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)和電氣柜等設(shè)備構(gòu)成[5-6]，如圖1所示。

(1) 控制系統(tǒng)。采用西門子S7-300系列CPU314C-2PN/DP作為控制核心，它屬于緊湊型CPU，集成了24路DI、16路DO、5路AI和2路AO，其中4通道DO可以產(chǎn)生脈寬調(diào)制為2.5 kHz的脈沖輸出，可以用來(lái)完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制。

圖1 自動(dòng)化體力倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)設(shè)備

(2) 立體貨架。用來(lái)存放貨物的設(shè)備，是立體倉(cāng)庫(kù)的主體。設(shè)備設(shè)計(jì)材料選用20×20的鋁型材，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)可方便用戶靈活調(diào)整。本設(shè)計(jì)巷道數(shù)1個(gè)，9個(gè)貨位，分為1棟3列3層。

(3) 碼垛機(jī)。碼垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中最重要的傳動(dòng)設(shè)備，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心組成部分。其工作過程要保證：運(yùn)行安全可靠、貨物存取精確、操作快捷方便。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)碼垛機(jī)由控制水平行走的X軸行走機(jī)構(gòu)、控制升降的Z軸行走機(jī)構(gòu)和控制載貨平臺(tái)伸縮的Y軸行走機(jī)構(gòu)。其機(jī)械部分采用金屬鋼軌、光軸、絲杠等機(jī)械元件組成[7-8]。同時(shí)為了防止水平和垂直方向出現(xiàn)越限問題，在水平和垂直方向的兩端安裝了限位行程開關(guān)，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

(4) 監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)通過觸摸屏和WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)的采集、顯示和對(duì)設(shè)備的就地和遠(yuǎn)程控制。

(5) 電氣柜。電氣柜由開關(guān)電源、顯示運(yùn)行狀態(tài)的指示燈、負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)操作的操作按鈕和接線端子排等組成。

2 立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)硬件設(shè)備及控制流程

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)硬件主要由PLC、觸摸屏、計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)組成，其PLC外部接線圖如圖2所示。

2.2 碼垛機(jī)驅(qū)動(dòng)部件和檢測(cè)元件

為實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)準(zhǔn)確定位，保證準(zhǔn)確完成貨物的入庫(kù)和出庫(kù)，選用了步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。

本設(shè)計(jì)X、Z軸方向的運(yùn)動(dòng)精確控制，采用了2線6相57步步進(jìn)電機(jī)和109S-48-4.5 32細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3所示[9-10]。

在Y軸方向采用直流電機(jī)，選用L298N驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制電機(jī)。需要注意的是PLC的輸出信號(hào)是24 V，而L298N驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)是5 V，需要通過中間繼電器實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，L298N模塊驅(qū)動(dòng)電路原理見圖4。

為了保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)中采用了接近開關(guān)作為位置限位和貨物位置的檢測(cè)元件。選擇接近開關(guān)的型號(hào)不同，它與PLC的接線方式也不同，本設(shè)計(jì)中采用的是NPN型金屬接近開關(guān)，接線方式為三線制，接線原理圖如圖5所示。

圖2 PLC外部接線圖

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

圖4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.3 立體倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制流程

控制系統(tǒng)控制模式包括就地模式、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制模式和遠(yuǎn)程手動(dòng)模式[11]。就地控制模式是在現(xiàn)場(chǎng)通過電氣柜上的按鈕開關(guān)實(shí)現(xiàn)將倉(cāng)庫(kù)貨物送到指定位置或者將某一倉(cāng)庫(kù)的貨物取出。遠(yuǎn)程自動(dòng)控制模式是由PLC判定位置，由PLC直接控制，系統(tǒng)運(yùn)行過程中沒有操作人員的干預(yù)。遠(yuǎn)程手動(dòng)模式是操作員通過觸摸屏或WinCC組態(tài)的人機(jī)接口進(jìn)行存取貨物的操作，其存取操作流程如圖6所示。

圖5 接近開關(guān)接線原理圖

圖6 碼垛機(jī)工作流程圖

3 立體倉(cāng)庫(kù)軟件設(shè)計(jì)

立體車庫(kù)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)PLC程序兩部分，下位機(jī)PLC程序通過STEP7 V5.5實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)人機(jī)接口界面通過WinCC組態(tài)軟件和威綸通觸摸屏實(shí)現(xiàn)。

3.1 下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序開發(fā)設(shè)計(jì)采用模塊化的編程方式，可以按照自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的控制要求將控制任務(wù)分為初始化模塊、主程序塊和碼垛機(jī)工作程序塊。

(1) 初始化模塊。初始化程序?qū)懺贠B100組織塊內(nèi)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)上電后，把預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行初始化。初始化程序在系統(tǒng)上電后只執(zhí)行一次。

(2) 主程序塊。主程序塊寫到OB1組織塊內(nèi)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的各功能塊的調(diào)用。

(3) 碼垛機(jī)工作程序塊。碼垛機(jī)工作程序塊根據(jù)用戶控制指令，確定存取貨物的位置，在PLC程序中計(jì)算出水平運(yùn)動(dòng)的步數(shù)和垂直升降的步數(shù)，通過輸出模塊，控制驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)，從而使堆垛機(jī)將貨物準(zhǔn)確地送到需存取庫(kù)位位置；通過Y軸的光電開關(guān)、限位行程開關(guān)反饋的數(shù)據(jù)，控制直流電機(jī)完成貨物的存取操作[12]。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)

人機(jī)界面開發(fā)采用WinCC實(shí)現(xiàn)，根據(jù)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的控制要求，設(shè)計(jì)了操作員的操作界面、報(bào)警顯示、設(shè)備參數(shù)管理等畫面[13-15]。監(jiān)控主畫面見圖7。

圖7 立體倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控畫面

通過監(jiān)控系統(tǒng)操作畫面使工作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控立體倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)，如方向、位置、倉(cāng)位情況等。當(dāng)立體倉(cāng)庫(kù)在運(yùn)行中出現(xiàn)故障如非正常運(yùn)行、硬件故障等，可以及時(shí)提醒管理人員對(duì)故障進(jìn)行判斷和處理，并將故障信息存檔以便日后分析處理。同時(shí)，通過上位機(jī)可以對(duì)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的貨物存取情況進(jìn)行記錄，方便管理人員對(duì)出入庫(kù)的貨物情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，形成報(bào)表。

4 結(jié) 語(yǔ)

立體倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),涉及了可編程控制技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳感器、系統(tǒng)維護(hù)和故障檢測(cè)技術(shù)和組態(tài)監(jiān)控技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容形象化，拉近了課堂與實(shí)踐的距離，為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、分析解決問題的能力提供了一個(gè)很好的實(shí)踐平臺(tái)。同時(shí)在項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過程中進(jìn)一步提高了教師的實(shí)踐應(yīng)用能力。實(shí)踐證明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，達(dá)到了實(shí)踐教學(xué)的目的和要求，取得了良好的教學(xué)效果。

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·名人名言·

想像力比知識(shí)更重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想像力概括著世界的一切，推動(dòng)著進(jìn)步，并且是知識(shí)進(jìn)化的源泉。

——愛因斯坦

Design of Multi-layered Warehouse Training Device

ZHUJian-jun

(College of Information & Control Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, China)

In order to meet the needs of practical training in colleges and combine the characteristics of the automation, we designed the automated multi-layered warehouse training devices which simulated industrial production practical. Device is described in detail under the general structure, hardware, machine programming and PC monitoring configuration design. This device adopts Siemens S7-300 PLC as the control system, and uses the WinCC configuration software to develop the monitoring system. The device realizes the manual control, remote manual control and remote automatic control and so on. In practical training, the device implements the automation production of teaching content visualization, narrows the distance between the classrooms and production practice. It also provides a good practice platform for cultivating students’ ability to practice and analyze and solve problems.

multi-layered warehouse; training devices; practical teaching

2016-05-11

朱建軍(1973-)，男，吉林公主嶺人，碩士，副教授，研究方向：工業(yè)過程控制及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

Tel.:13596209120; E-mail：zjj099@163.com

TP 273

A

1006-7167(2017)01-0277-03