自动化立体仓库实训装置的设计与实现

廖雄燕

摘要：该文介绍了一种以现代企业自动化立体仓库为模型，组合微缩而成立体仓库实训装置，其由高层货架、堆垛机及传送带、自动控制系统等部分构成，控制系统采用西门子S7-226 CN型PLC和MCGS触摸屏。货物出入库和存取过程全部自动化，定位精度高，运行平稳、工作可靠。

关键词：自动化立体仓库；实训装置；PLC控制

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）34-8313-02

1 背景及意义

随着当今现代化企业不断扩大和深化生产的规模，仓库成为生产物流系统中一个重要和不可或缺的的环节，立体仓库以其占地面积小、空间利用率高的特点，正在逐步替代陈旧落后的平面仓库。近年来，国内外立体仓库的发展方向，主要以采用可编程控制器（PLC）与自动搬运设备，以及PC机远程管理的自动化立体仓库为主。但其中存在一个不容忽视的问题，即当前使用的立体仓库系统通常比较庞大，在研发立体仓库的过程中，需要投入大量的人力和财力，这必然会给立体仓库的研制带来巨大的成本负担。因此通过制作小型的立体仓库模型，采用可重复使用的编程系统对其进行编程控制，在模型模拟调试成功后，再将结果应用到实际的生产和研发中，可以极大的节约成本、提高效率，同时多方位的确定出最优的立体仓库制造方案。

同时，为了加强高校实训室建设，密切跟踪时代的发展步伐，研制设计型、开放型的实训装置具有重要意义。目前，国内大多院校的自动化专业实训装置仍存在一些缺陷和问题。许多现有教学实训装置和教具，大都是不可拆装重组或很难拆装，调速、随动系统实验大多没有明确的被控对象；同时，单一技术的验证型实验装置，已远远不能满足教学中设计型实训的需要。为了进一步拓宽知识面，加深学生对自动化技术深层次的认识，瞄准自动化技术应用的新领域，研制了自动化立体仓库实训装置，为学生将来在相关领域进行自动控制系统的创新性设计创造了条件，并且为其迅速的适应此类工作中提供了帮助。

2 设计方案

2.1设计思路

自动化立体仓库实训装置由高层货架、堆垛机及传送带、自动控制系统等部分构成，高层货架采用开放式结构，整个仓库便于拆卸与安装。搬运机构采用穿巷道堆垛机，采用步进电机驱动。针对仓库货物位置相对固定的特点，采用了X和Y两坐标定位，把运动控制形象化，编程思路清晰，同时也使处理器运算量降低；每个货位用光电传感器实时检测，控制器采用西门子S7-200PLC，通过触摸屏对仓库货物的存取进行控制。

2.2 立体仓库结构

该立体仓库是企业实际立体仓库的缩小模型，其高层货架采用铝合金材料，设计为两排三层共24个货位，由漫射式光电开关进行货位的检测；巷道堆垛起重机穿行于货架之间的巷道中，经过旋转、上升、下降、伸出等动作，完成存、取货物的工作。鉴于空间的限制，以及重量、强度、经济性的要求，采用的立方体框架结构不仅可以节省材料，有利于减轻重量，而且设计简单、容易实现，便于今后结构的调整和扩展。立体仓库的结构示意图如图1所示。仓库和控制柜配置了带刹车的静音万向脚轮，方便移动和固定，便于开展教学和实训。

2.3 堆垛机和入（出）库传送系统

堆垛机的行走机构和升降机构采用滚珠丝杆和导轨组合，分别由两台步进电机驱动，可实现高度和水平方向的精确定位。堆垛机的旋转机构由直流减速电机驱动，电机安装在转盘上，用标准的齿轮传递电机的传动力。在转盘上安装了接近开关进行位置检测。转动机构的设计一是为了旋转台的驱动电机变成相对一体，二是能够承载提取货物载荷，三是可拆卸和安装。

堆垛机上存取货物的货叉，考虑到插取物品时的稳定性因素、物料的规则性和物料位置的相对稳定，立体仓库的中间巷道空间比较有限，采用了小型单作用汽缸作为动力推动货叉，通过用磁性开关检测汽缸的伸出和缩回是否到位，控制精确，运行稳定，并且负载能力较强。

入（出）库传送系统采用皮带式传送结构，由直流电机驱动；在仓库入口有抬杆式库门，通过直流减速电机控制。货物的检测由光电开关完成。

2.4 控制系统

微型自动化立体仓库的控制器采用德国西门子的S7-226 CN型PLC。这种型号的PLC在实时模式下具有运算速度快，通讯功能强大，并且硬件和软件操作简便的特点，同时结构紧凑小巧，能够满足立体仓库的控制要求。

通过各个部位安装的光电开关、金属接近开关、限位开关等传感器，实时检测仓库的存储情况和机械运行情况，通过PLC输出的多路PWM信号对各个电机进行控制。控制系统工作流程图如图2所示。存料工作过程如下：操作触摸屏，选择存料仓位，放置货物到传送带左端，传感器检测到有货物，启动传送带电机，当入口处传感器检测到货物到达后，停止传送带电机，启动档杆电机，档杆抬起，堆垛机推出叉手取起物料，按照设定的速度 ，运动到指定的仓位，旋转放料，回转复位，返回起点完成存料。取料工作过程：堆垛机接受到来自触摸屏选位和确定指令后，从原点运动到指定的仓位，旋转取物料，回转到位，首先Y轴方向下降到指定高度，然后水平方向运动，把物料送到传送带，经过传送带把物料传送到起点。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。堆垛机的行走机构和升降机构使用LC57HS5425型步进电机，其驱动模块为LC2054DA。

2.5 操作界面

仓库的操作面板采用MCGS嵌入式一体化触摸屏。MCGS（Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统）是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，具有功能完善、可视性好、可维护性强的突出特点。其与S7-226 CN型PLC结合，组态开发的人机界面，具有操作简便、界面友好等优点。主界面如图3所示。在此界面中，不但能够显示立体仓库的工作状态，控制货物的存取操作，而且可以实时监控堆垛机的运动速度、位置坐标和路线。endprint

我们还开发了仓位选择界面，如图4所示。立体仓库里相应仓位有货物，对应编号的仓位指示灯显示为红色；相应仓位无货物，则对应编号的仓位指示灯显示为绿色。当“运行状态”为绿色时，按下取料按钮，屏幕出现“取料选择”，选择红色灯下方的仓位号，左上方提示选择仓位，确定后堆垛机构和传送带依次运动，完成取料工作，货物通过传送带送走，对应仓位指示灯变为绿色；按下存料按钮，屏幕提示“存料选择”，选择绿色指示灯下方的仓位号，左上方提示选择的仓位，确认后，将货物放到传送带起点，运动机构运动，完成存料，对应仓位指示灯变为红色。当在取料或存料时，通过“取存料复位”按钮，可以从新选择存料或取料。当选错仓位号时，按下从新选位按钮，重新按下仓位号，左上方显示正确的仓位号。另外我们还可以设计手动操作界面和操作说明界面，使面板的操作更加丰富和完善。

3 性能分析和创新点

1） 仓库作业全部实现机械化和自动化，货物存取快捷、便利、准确，物料出入无障碍。

2） 良好的人机界面，信息显示清楚，多种操作方式可选，操作简便。

3） 立体仓库整体结构采用开放的积木式结构，货架、机械机构和控制部分均便于拆卸和重新设计安装，不仅方便教师的教学和学生的实训，满足理论与实训一体化教学的需要，而且为今后的升级和改造提供了良好的基础。

4） 采用传感器进行实时监测，组态屏幕动态显示仓库货物存放情况、堆垛机位置和相关运行数据，提高了信息的实时性和控制的准确性。

5） 主要采用24伏低电压控制，安全可靠，噪音低，环保节能。

微型自动化立体仓库可以开展机械基础、机械结构设计、机械拆装、PLC和触摸屏的编程应用、运动控制、物流管理等课程理论与实训一体化教学。学生通过在设备上的学习和训练，了解自动化立体仓库结构及其控制方法，为今后从事相关设备设计、安装、调试打下扎实的基础。同时，在该设备的设计中，我们在传感器的应用、位置随动系统的控制算法、立体仓库优化调度管理、以及程序设计等方面，都预留了很大的创新空间，每位同学都可以根据自己的想法，设计出不同的控制界面及优化调度方案， 充分发挥学生的潜力和创造性。该实训设备由于外形美观、结构合理、新颖实用，荣获第六届全国大学生机械创新设计大赛广西赛区一等奖。

参考文献：

[1] 傅桂荣，苏红娟，俞春辉.自动立体仓库实验装置的研制[J].实验室研究与探索，2004（9）.

[2] 薛明.浅析自动化立体仓库的应用及发展[J].物流技术：装备版，2014（1）.

[3] 王煜东.传感器及应用[M].北京：机械工业大学出版社，2005.

[4] 姚立波.工业控制技术及应用[M].天津：天津大学出版社，2009.endprint

我们还开发了仓位选择界面，如图4所示。立体仓库里相应仓位有货物，对应编号的仓位指示灯显示为红色；相应仓位无货物，则对应编号的仓位指示灯显示为绿色。当“运行状态”为绿色时，按下取料按钮，屏幕出现“取料选择”，选择红色灯下方的仓位号，左上方提示选择仓位，确定后堆垛机构和传送带依次运动，完成取料工作，货物通过传送带送走，对应仓位指示灯变为绿色；按下存料按钮，屏幕提示“存料选择”，选择绿色指示灯下方的仓位号，左上方提示选择的仓位，确认后，将货物放到传送带起点，运动机构运动，完成存料，对应仓位指示灯变为红色。当在取料或存料时，通过“取存料复位”按钮，可以从新选择存料或取料。当选错仓位号时，按下从新选位按钮，重新按下仓位号，左上方显示正确的仓位号。另外我们还可以设计手动操作界面和操作说明界面，使面板的操作更加丰富和完善。

3 性能分析和创新点

1） 仓库作业全部实现机械化和自动化，货物存取快捷、便利、准确，物料出入无障碍。

2） 良好的人机界面，信息显示清楚，多种操作方式可选，操作简便。

3） 立体仓库整体结构采用开放的积木式结构，货架、机械机构和控制部分均便于拆卸和重新设计安装，不仅方便教师的教学和学生的实训，满足理论与实训一体化教学的需要，而且为今后的升级和改造提供了良好的基础。

4） 采用传感器进行实时监测，组态屏幕动态显示仓库货物存放情况、堆垛机位置和相关运行数据，提高了信息的实时性和控制的准确性。

5） 主要采用24伏低电压控制，安全可靠，噪音低，环保节能。

微型自动化立体仓库可以开展机械基础、机械结构设计、机械拆装、PLC和触摸屏的编程应用、运动控制、物流管理等课程理论与实训一体化教学。学生通过在设备上的学习和训练，了解自动化立体仓库结构及其控制方法，为今后从事相关设备设计、安装、调试打下扎实的基础。同时，在该设备的设计中，我们在传感器的应用、位置随动系统的控制算法、立体仓库优化调度管理、以及程序设计等方面，都预留了很大的创新空间，每位同学都可以根据自己的想法，设计出不同的控制界面及优化调度方案， 充分发挥学生的潜力和创造性。该实训设备由于外形美观、结构合理、新颖实用，荣获第六届全国大学生机械创新设计大赛广西赛区一等奖。

参考文献：

[1] 傅桂荣，苏红娟，俞春辉.自动立体仓库实验装置的研制[J].实验室研究与探索，2004（9）.

[2] 薛明.浅析自动化立体仓库的应用及发展[J].物流技术：装备版，2014（1）.

[3] 王煜东.传感器及应用[M].北京：机械工业大学出版社，2005.

[4] 姚立波.工业控制技术及应用[M].天津：天津大学出版社，2009.endprint

我们还开发了仓位选择界面，如图4所示。立体仓库里相应仓位有货物，对应编号的仓位指示灯显示为红色；相应仓位无货物，则对应编号的仓位指示灯显示为绿色。当“运行状态”为绿色时，按下取料按钮，屏幕出现“取料选择”，选择红色灯下方的仓位号，左上方提示选择仓位，确定后堆垛机构和传送带依次运动，完成取料工作，货物通过传送带送走，对应仓位指示灯变为绿色；按下存料按钮，屏幕提示“存料选择”，选择绿色指示灯下方的仓位号，左上方提示选择的仓位，确认后，将货物放到传送带起点，运动机构运动，完成存料，对应仓位指示灯变为红色。当在取料或存料时，通过“取存料复位”按钮，可以从新选择存料或取料。当选错仓位号时，按下从新选位按钮，重新按下仓位号，左上方显示正确的仓位号。另外我们还可以设计手动操作界面和操作说明界面，使面板的操作更加丰富和完善。

3 性能分析和创新点

1） 仓库作业全部实现机械化和自动化，货物存取快捷、便利、准确，物料出入无障碍。

2） 良好的人机界面，信息显示清楚，多种操作方式可选，操作简便。

3） 立体仓库整体结构采用开放的积木式结构，货架、机械机构和控制部分均便于拆卸和重新设计安装，不仅方便教师的教学和学生的实训，满足理论与实训一体化教学的需要，而且为今后的升级和改造提供了良好的基础。

4） 采用传感器进行实时监测，组态屏幕动态显示仓库货物存放情况、堆垛机位置和相关运行数据，提高了信息的实时性和控制的准确性。

5） 主要采用24伏低电压控制，安全可靠，噪音低，环保节能。

微型自动化立体仓库可以开展机械基础、机械结构设计、机械拆装、PLC和触摸屏的编程应用、运动控制、物流管理等课程理论与实训一体化教学。学生通过在设备上的学习和训练，了解自动化立体仓库结构及其控制方法，为今后从事相关设备设计、安装、调试打下扎实的基础。同时，在该设备的设计中，我们在传感器的应用、位置随动系统的控制算法、立体仓库优化调度管理、以及程序设计等方面，都预留了很大的创新空间，每位同学都可以根据自己的想法，设计出不同的控制界面及优化调度方案， 充分发挥学生的潜力和创造性。该实训设备由于外形美观、结构合理、新颖实用，荣获第六届全国大学生机械创新设计大赛广西赛区一等奖。

参考文献：

[1] 傅桂荣，苏红娟，俞春辉.自动立体仓库实验装置的研制[J].实验室研究与探索，2004（9）.

[2] 薛明.浅析自动化立体仓库的应用及发展[J].物流技术：装备版，2014（1）.

[3] 王煜东.传感器及应用[M].北京：机械工业大学出版社，2005.

[4] 姚立波.工业控制技术及应用[M].天津：天津大学出版社，2009.endprint