正泰集团的自动化立体仓库定位存储系统研究

■江西外语外贸职业学院 毛卓琳 徐 睿

自动化立体仓库作为新型的物流仓储方式，在当今物流产业发展中发挥着重要的作用。而在货物入库过程中，对物资的精准定位是关键的一环。步进电机控制技术是通过脉冲转换的方式，将电转换为直线运动或是角的位置移动。若没有超载，由脉冲信号的频率和脉冲数决定电机的转速和停止位置，所以在需要精密控制时，多采用步进电机控制技术。自动化立体仓库能够实现在接收到物资时，按照物资信息自动入库并将其存储到指定位置。

正泰集团是国内著名的低压电器销售企业，该公司的产品约有150个系列、5000多个品种，还拥有相关的零部件及原材料的供应体系。正泰集团的自动化立体仓库是该公司物流系统中的重要组成部分，其占地面积约为1700km2，高度约为18m，其货架约为8排4巷道。因为该公司仓库的规模较大，且要求快速、准确地储存多种不同型号的低压电器成品，但现有的仓库管理系统不能满足要求。鉴于此，本文基于步进电机控制技术和可编程逻辑控制技术，以自动化立体仓库为研究对象，为正泰集团公司设计了一套自动化立体仓库定位存储系统，实现了立体化仓库存储系统中的定位控制。

1 自动化立体仓库定位存储系统的总体设计

1.1 系统结构设计

自动化立体仓库定位存储系统的组成有可编程逻辑控制（即P ro g ram m ab le Logic Controller，即PLC）模块、步进驱动模块，丝杆驱动模块、工件推出模块、自动化立体仓库和气源处理组件等。其结构示意图如图1所示。

1.2 精准定位原理

可编程逻辑控制模块发出脉冲指令，步进电机就转动相应的步距角度，同时Z轴步进电机带动Z轴丝杆做上下的直线运动，或者是由X轴带动X轴丝杆做左右的直线运动。这时，在载物台上就可以实现上、下、左、右运动。因此，若能够控制步进电机的脉冲数量就可以控制载物台在X轴和Z轴上的移动距离，从而实现精准定位，达到将物资放在自动化立体仓库指定位置的目的。具体来说，平移距离为步距角度、脉冲数量以及螺距三者的积。

图1 自动化立体仓库定位存储控制系统结构示意图

2 自动化立体仓库定位存储系统的硬件设计

2.1 可编程逻辑控制模块

正泰集团公司使用西门子S7-200系列的CPU 224 CN作为自动化立体仓库定位存储系统的控制器，其有14个输入点和10个输出点，共计24个I/O点。该控制器的脉冲输出功能较快，体积较小，功能强，同时可以驱动步进电机的运动。正泰集团自动化立体仓库定位存储系统的硬件控制接线图如图2所示。

2.2 步进驱动模块

步进电机和步进驱动器共同组成了步进驱动模块，而为了能够更好地控制X轴和Z轴的丝杆运动，自动化立体仓库定位存储系统有两套步进驱动模块。在可编程逻辑控制模块发出脉冲信号和方向电平信号后，由步进驱动器接受该组信号，并将其信号准换为可以驱动步进电机的信号。方向电平信号则可以控制步进电机的旋转方向，脉冲信号的频率控制步进电机的旋转速度，而脉冲信号的数量控制步进电机的旋转角度。

正泰集团的步进电机采用四项步进电机，驱动器采用细分型步进电机的驱动器。该驱动器具有较高的运转精度，且振动较小、杂讯低、抗干扰等特点。此外，在静止的情况下，由于电流会自动减半，所以电源有保护功能。该步进电机的步距角度是2o，具体来说，若步进电机转动一周就需要180个脉冲。但是通过设置细分可移速度，最高可达11520个脉冲。可以通过拨动开关设定步进驱动器的细分设定，具体可将开关设为SW 1、SW 2和SW 3，其中设SW 1为开、SW 2为关、SW 3为开，具体见表1。如果步进电机转一周需要600个脉冲，即其细分设置是每圈600步数，而其步距角为600×0.6=3600。

图2 自动化立体仓库定位存储系统硬件控制接线图

促使步进电机转动的组件是联轴器，而联轴器能够直接带动螺旋丝杆的转动，其螺距为4mm。这就表示假如步进电机转动一周，则载物台位会移动4mm。这样，仓库管理人员要把物资送到自动化立体仓库中的指定位置时，就可以通过控制载物台在X轴、Z轴的移动而实现物资的转移。

如表2，可以通过拨动开关设定步进驱动器的输出电流设定，具体可将开关设为SW 4、SW 5和SW 6，其中设SW 4为关、SW 5为开、SW 6为关，其输出电流是1.47A。

表1 步进电机驱动器细分设定表

表2 步进电动机驱动器的输出电流设定表

2.3 丝杆驱动模块

步进电机输出的是旋转运动，而在丝杆驱动模块能够实现将其转变为直线的反复运动。因为需要两个丝杆驱动模块同时运作，那么在安装这两个丝杆驱动模块时，它们可以成直角垂直安装，进而形成XZ轴的平面运动系统。为了能够提供位置的参考点并校正其他运动的位置，可以同时在这两个丝杆驱动模块都设定一个0点。此外，在丝杆驱动模块的极限位置上设置保护开关，这不仅可以预防该模块的过冲情况，还能够预防机械物理损伤。

2.4 工件推出模块

工件推出模块的执行机构是气动控制系统，其磁感应式接近开关是1B1和1B2，双作用气缸为1A，两位五通电磁换向阀控制双作用气缸运动是用1Y 1表示。因此，自动化立体仓库定位存储系统的气动控制原理如图3所示。

3 自动化立体仓库定位存储系统的软件设计

3.1 I/O分配

自动化立体仓库定位存储系统的可编程逻辑控制模块的I/O口分配表见表3。

3.2 程序设计

自动化立体仓库定位存储系统的软件设计的组成有主程序、Q 0.1控 制 Z轴电机输出脉冲子程序以及Q 0.0控 制 X轴电机输出脉冲子程序等。

设计软件系统的主程序时，首先要检测丝杆的运动方向，然后输入脉冲串值，再之后调用Q 0.1和Q 0.0输出脉冲子程序，这时就可以对是否完成脉冲串输出进行判断，最后可以判断定位的完成情况。其主程序流程如图4所示。

图3 自动化立体仓库定位存储系统气动控制原理图

S7-200 CPU会 提 供 Q 0.1和Q 0.0这两个高速脉冲输出点，并利用可编程逻辑控制模块控制脉冲的频率和个数，之后利用脉冲输出指令，并采用PTO编程在Q 0.1和Q 0.0这两个高速脉冲串的输出，进而促使步进电机运动。

表3 自动化立体仓库定位存储系统I/O端口分配表

图4 主程序流程图

表4 多段操作包络表设置

PTO编程的具体过程如下：首先设置其控制字，输入周期值和脉冲串计数值，然后连接中断事件、服务程序等，这时允许中断，最后执行该指令，实现PTO的编程。在设置控制字时，允许其多段操作。而设置多段操作包络表可以控制脉冲输出串，具体见表4。

图5 Q0.0（控制X轴）输出脉冲子程序流程图

图6 Q0.1（控制Z轴）输出脉冲子程序流程图

Q 0.0输出脉冲串可以控制X轴步进电机运动，其子程序的脉冲流程图如图5所示。Q 0.1输出脉冲串可以控制Z轴步进电机运动，其子程序的脉冲流程如图6所示。

4 结论

正泰集团的具体实践，表明本文所研究设计的系统较为稳定流畅，运行效果较好，实际运用价值较高。虽然本文的主要研究对象为正泰集团的自动化立体仓库，但是该系统的原理和方法能够扩展到其他产品制造领域，如机械、化工、印刷、牛奶等，以及物流配送领域，如机场货运、地铁、港口、航天航空等，还能应用到后勤、装备等军事领域。在自动化立体仓库中运用该定位存储系统不仅能够在很大程度上减少出错率，提高物资入库的准确性，还能极大地提高存取效率和工作效率，其应用前景广阔。