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基于PLC的自动化立体仓库控制系统设计

2019-05-28 10:48编辑:admin人气:


1 引 言

  随着物流事业的迅猛发展,作为物流系统重要环节的仓库单层存货人工翻找的存储形式已不能满足现实的要求,这时立体化仓库这一概念被提了出来。所谓立体仓库是指采用基层、十几层甚至几十层高的货架存放单元货物,当货物需入库或出库时,用相应的货物搬运设备进行货物进出库操作的仓库。

  目前自动化立体仓库在发达国家已经较为普遍,日本是自动化仓库发展最为迅速、较早数量最多的国家,此外美国、德国等国家也建造了许多自动化仓库。发展至今,自动化仓库在设计、制造、自动化控制等方面的技术已经日趋成熟。我国对立体仓库机器物料搬运设备的研制开始于上个世纪60年代初期。1963年我国成功研制了第一台桥式堆垛起重机,1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库,并与1980年投入运行。到2010年我国的自动化立体仓库已经超过300多座。

  现在的自动化立体仓库工程是一个融合多项技术,跨机电、电气,光学、通信等多学科的科学。一般而言,自动化立体仓库主要有以下几个部分组成:立体货架,有轨巷道堆垛机,出入库托盘输送机系统,尺寸检测条码系统、通信系统、自动控制系统等。采用合理的自动化控制系统加快了运行和处理速度,降低了操作人员的劳动强度,提高了劳动生产率。

2 自动化立体仓库控制系统

  2.1自动化立体仓库控制系统的总体设计

  本控制系统分为三个部分:辊道控制、机械手控制、堆垛机控制,控制器采用两个plc进行控制。1#plc主要用于控制辊道部分和堆垛机部分,2#主要用来对机械手进行控制,两台plc通过cc-link网络联通,实现综合控制。

  在系统中设置了一台上位机,其与1#plc通过rs-232相连,它的作用主要有两个:对两台plc控制器程序进行编辑、下载及调试和对整个系统进行监视、管理。整个系统控制结构图如图1所示。



图1 系统控制结构图

  2.2系统主要器件介绍

  (1)堆垛机

  堆垛机是整个自动化立体仓库的核心,我们可以通过它把货物从一处搬到另一处,它由机架、水平行走机构、提升机器、载货台、货叉及电气控制系统构成。在系统中,我们用四个步进电机控制堆垛机的升降和行走,利用直流电机执行货叉的操作。对于此处的六个步进电机,使用sh-2h057型号的步进电机驱动完成控制功能。

  (2)变频器

  系统的不同机构运行速度并不是一样的,甚至同一机构不同时段运行素的也是不同的,这就要求对机构速度进行调节。目前调速方案中广为流行的一种调速方案是采用变频器调速,因此本系统采用变频器调速。在系统的辊道上安装有三个变频器来控制三个辊道传送带的运转,辊道可以正反两个方向运转,根据进货和出货的需要,进行自由组态。变频器有很高的运行可靠性和功能多样性,可以降低电机运行的噪音,容易实现全面完善的保护功能。本系统采用omron公司的3g3mz系列变频器。

  (3)传感器

  作为信息采集系统的前端单元,传感器在系统中的作用越来越重要,现在已经成为自动化系统的关键部分。本系统中传感器主要用于采集速度、位置信号,输送给控制器,从而实现调速、就位功能。

  (4)控制器

  plc是近年来发展极为迅速、应用极为广泛的工业控制装置。它将自动化技术、计算机控制技术和通信技术融入到继电器控制技术,具有高可靠性、功能全面、编程方便、体积小禾功耗小的优点。plc常用的语言是面向控制的梯形语言,采用与实际电器原理图十分接近的图形编程方式,简单易学,因此,本系统采用plc完成各种控制功能。

3 控制系统的硬件设计

  3.1机械手部分控制

  3.1.1机械手工作原理

  本设计中机械手采用四自由度圆弧坐标型机械手,可实现x轴伸缩、z轴升降、底盘、腕回转肝功能。机械手伸缩、升降、转盘、抓手等动作都是由步进电机驱动器控制的,选择的型号为sh-2h057。步进电机驱动的控制脉冲和输入信号又plc的nc11模块来提供,其原理图如图2所示。



图2 步进电机驱动器与nc11连接图

  图中,驱动器内部有270限流电阻介入负输入端,外部接opto端,opto端为3路信号公共正端,这3路在驱动器内部接成共阳方式。c200-nc11是c200pc用于位置控制的智能单元,其作用在于为步进电机驱动器或伺服电机驱动器提供控制脉冲,从而调节混东部分的位置和速度。



  3.1.2机械手与plc的连接

  机械手采用步进电机控制,需要输出高速脉冲,所以采用晶体管型plc,并且要留有10%~20%的裕量,所以机械手i/o资源配置如图3所示。



图3 机械手与plc外部连接图

  3.2堆垛机的设计

  3.2.1堆垛机和辊道输送控制

  在考虑现场各种实际情况及经济性条件下,通过实验来确定各种运行曲线,这些曲线存储在变频器中,当1#plc得到上位机发出的当前任务目的地址和当前地址时,通过比较要运行的气质距离,用plc对变频器运行区县进行变换,达到调速和停准的目的,进而得到一种比较满意的控制方式。堆垛机调速一般采用半闭环控制,用变频器完成,位移采用开环控制,这种半闭环控制原理如图4所示。



图 4 堆垛机半闭环控制原理图

  堆垛机控制难点在于其运行起止位置不确定和离散性,不同的距离要对应不同的加减速曲线。由于堆垛机本身及货物惯性较大,为保证升降和行走平稳,采用多级速度控制。

  3.2.2 堆垛机辊道输送与plc的连接

  结合堆垛机实现功能,设计堆垛机外部接线与plc的连接如图5所示。



图5 堆垛机与plc外部连接图

4 系统软件设计

  整个系统一个工作循环包括11个阶段:选择仓号位、所选仓号位是否有物品、0号没有物品、选取指令、x轴和y轴步进电机运行至仓库、z轴正转将伸竿取入取货、y轴步进电机抬起、z轴反转将货物带出、x轴和y轴电机运行至零号位、z轴将货物送入仓位、z轴电机运行至0号位,其控制流程图如图6所示。



图6 系统软件控制流程图


5 结论

  在现代高度发展的自动化生产中,仅有加工装配自动化是不够的,还必须有高度自动化的存储系统配合,才能充分发挥自动化生产的高效益。基于plc的自动化立体仓库控制系统具有较高的自动化程度,已成为生产物流建设发展的潮流。自动化仓库与加工过程相连,可以构成柔性加工系统。自动化仓库作为生产物流系统的核心,是生产物流系统实现物流合理化的关键。随着plc技术的发展,自动化立体仓库的实用性和可靠性也会越来越高,控制也将越来越完善。

(来源:未知)

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