基于PLC 的立体仓储控制系统设计★

程 晟

（山西能源学院机电工程系， 山西 晋中 030600）

0 引言

《中国制造2025》的核心是创新驱动发展，主线是两化融合，主攻方向是智能制造[1]。作为智能制造的重要组成部分，柔性制造强调的是满足用工个性化需求的大规模定制。柔性制造是未来工业生产的主导模式，是将自动化生产、信息技术处理和制造加工技术结合起来，利用先进制造技术、计算机信息处理技术适应新时代的生产要求[2-3]。计算机管理的自动化立体仓库，是柔性制造系统必不可少的关键环节，其管理和控制系统结构具有较高的可靠性和稳定性[4]。自动化仓库也称为立体仓库，一般用作工业生产中流水线上的第一步或最后一步，重点解决搬运效率、产品管理等问题。自动化立体仓库是物流系统的集散地，是以高层立体货架为主体，以自动化搬运工具为基础，以计算机技术为主要手段的高效、大容量现代化储运设备[5]。

本文设计的立体仓库的结构是由货架、堆垛机和控制系统三大部分所构成，可以配合小型自动生产线，完成工件的仓储及管理，有良好的经济价值和使用价值。

1 立体仓储的结构设计

立体仓储的结构包括货架、堆垛机两部分。货架结构由12 个货架格（4×3）入货仓库和一个出入库仓位组成。其中出入库仓位中安装有光电开关传感器，以感应货物是否需要出入动作。堆垛机是立体仓储核心操作装置，其速度、精度、稳定度与仓储效率紧密联系。其运动包括两个伺服电机完成堆垛机叉货装置的水平（X 轴）和垂直（Z 轴）的定位运动，以及叉货气动装置完成工件出入库动作。具体结构如图1 所示。

图1 立体仓储样机示意图

为了让堆垛机叉货装置在定位平面运动中实现多点停留、无级调速等功能，选择伺服电机带联轴器，连接滚珠丝杠进行传动，以保证其精度。

下面对机电传动的最主要部件滚珠丝杠选型的计算进行说明。

1.1 丝杠精度的选定

将传动设计精度的要求换算成使用丝杠长度的允许误差，确定精度等级，并根据使用条件及成本因素，选取磨制或轧制滚珠丝杠。

1.2 导程的选定

根据已知初选电机额定转速、负载的最高运行速度以及传动比，确定导程的选型条件。

1.3 丝杠支承方式的选定

丝杠支承方式由工作行程及最大运行速度条件确定。

1.4 丝杠外径的选定

丝杠外径根据轴向游隙要求以及丝杠导程，进行丝杠外径选型。同时满足条件可能有多种组合。要对满足条件的组合分别进行轴向允许载荷、丝杠临界转速计算和校核。轴向允许载荷计算主要根据摩擦力、最大加速惯性力、重力、支承方式效率等因素确定。轴向允许载荷校核是根据不同组合丝杠的直径、导程，计算其实际转速，判断是否在临界转速范围。

1.5 螺母类型的选定

根据不同组合丝杠的直径、导程，选择螺母的型号及其额定载荷。根据其外部载荷条件下的静安全系数，计算最小规格螺母允许的最大轴向载荷。根据往返加速、等速、减速三阶段运动条件，计算平均轴向载荷，分别计算不同组合螺母的额定寿命。

2 堆垛机伺服电机的选型计算

2.1 X 轴伺服电机选型

X 轴伺服电机选型，已知负载质量M；丝杠螺距PB；丝杠直径DB；丝杠质量MB；摩擦系数μ；负载移动速度v；机械效率η；全程位移时间t；加速行驶时间t1；减速行驶时间t3；联轴器质量MC；联轴器直径DC；α为角加速度；i 为传动比；TL为步进电机负载转矩。

2.1.1 计算折算到X 轴伺服电机轴上的负载总惯量

折算到X 轴的负载惯量JW：

X 轴滚珠丝杠的转动惯量JB：

X 轴联轴器的转动惯量JC：

负荷折算的总惯量JL：

2.1.2 X 轴伺服电机转速的计算

X 轴电机所需的转速n：

2.1.3 伺服电机驱动负载所需要的扭矩计算

克服摩擦力所需转矩Tf：

重物加速时所需的转矩TA1：

螺杆加速时所需要转矩TA2：

联轴器加速时所需要转矩TA3：

加速所需的总转矩TA：

计算瞬时的最大扭矩：

加速扭矩Ta：

匀速扭矩Tb：

减速扭矩Tc：

实效扭矩Trms：

2.2 初选伺服电机

初选伺服电机，伺服电机额定扭矩T 满足条件为T＞Tf且T＞Trms，最大扭矩满足条件为Tmax＞Tf+TA。初步确定伺服电机型号，查出伺服电机惯量JM。

计算折算到伺服电机轴的总负载惯量J：

计算伺服电机启动转矩TS：

选定安全系数S，则必需转矩TM：

小惯量伺服电动机适合快速定位，当负荷与电机惯量比＞5 时才考虑使用减速装置。最终决定X 轴选用小惯量伺服电动机，型号是CTSD-M14-B1012-M000，功率100 W，不带抱闸功能。

Z 轴选型计算方法和X 轴基本相同，但要考虑垂直安装时，若突然断电，由于滚珠丝杆无自锁功能，丝杠上的载物台会在重力作用下下滑，故选用带抱闸功能的小惯量伺服电动机，型号为CTSD-M16-B2012-M110，功率200 W。

3 叉货气动装置气压回路的设计

实际仓储工件质量较轻，堆垛机的出入库动作由气缸带动叉货装置完成。叉货气动装置气压回路（见图2）的控制过程是从气源出来的气体经气源三联件后，通过三位五通电磁换向阀来控制叉货装置的运动方向，经过的节流阀控制叉货装置的运动速度，通过感应磁性开关对叉货装置进行前后限位。

图2 叉货装置的气动原理

4 立体仓储控制系统的设计

1）确定采用西门子PLC SIMATIC S7-1200，其设计紧凑、成本低廉。具有脉冲串（PTO）控制接口的驱动，拥有4 路用于带脉冲接口的伺服驱动，无须位置反馈，可以进行连续的PID 控制，脉冲宽度（PWM）输出。

2）根据I/O 口分配表（见表1），需要传感器、开关等输入口18 个，伺服电机、电磁阀等输出口11 个，按照20%的余量考虑，确定CPU1214C 具体型号。

表1 PLC 的I/O 口分配

3）自动化仓库管理系统控制的处理流程，分为主程序控制流程（见图3）和叉货装置动作流程（见图4）。主程序控制流程是利用传感器、开关信号对出入库状态进行判别，通过控制X 轴、Z 轴伺服电机的使能、脉冲、方向信号，对叉货装置的水平和垂直的运动进行控制。叉货装置动作流程是根据出入库要求，对气压杠的伸出、缩回动作进行控制，微调Z 轴，保证工件顺利完成出入库动作。根据流程编写T 形图，最后对系统进行了仿真和调试。

图3 主程序控制流程

图4 叉货装置入库、出库流程

5 结语

自动化立体仓库是柔性制造系统的重要组成部分，研究和开发自动化立体仓库，对于推动柔性制造系统的发展和实用化进程具有重要意义[6]。提高出入库效率和定位精度，利于节省成本，创造经济效益，推动制造业和服务业融合成长。