基于工业控制网络的立体仓库堆垛机PLC控制系统设计.pdf

第 1期 2 0 1 5年 1月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c hi n e To o l Aut o ma t i c M a n u f a c t u r i ng Te c h n i q u e NO． 1 J a n ．2 0 1 5 文章编 号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 5 0 1 0 0 9 3 0 4 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． mm t a mt ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 2 6 基于工业控制网络的立体仓库堆垛机 P L C控制系统设计 水 刘 鲁， 常晓玲 广东轻工职业技术学院 机 电系， 广州 5 1 0 3 0 0 摘要 作为一种多功能、 大规模、 高利 用率的物资配运 中心， 自动化立体仓库在现代物流管理 系统 中 起着重要作 用。该设计采用具有 高抗干扰能力的 P L C和触摸屏构成立体仓库堆垛机的控制从站 ， 接 入工业控制 网络， 配合上位机的指令 ， 完成立体仓库的 自动控制。本文在介绍控制 系统的总体结构、 运行模式的基础上 ， 重点论述从站 P L C的控制程序结构和触摸屏画面的设计方法。 关键词 立体仓库 ； 主站 ； 从站 ； 触摸屏 中图分类号 T H 2 4 6 T G 6 8 文献标识码 A Th e PLC Co nt r o l S y s t e m De s i g n o f t he AS St a c k e r Cr a ne Ba s e d o n t h e I nd u s t r i a l Co nt r o i Ne t wo r ks L I U L u，CHANG Xi a o - l i n g D e p a r t m e n t o f E l e c t r o m e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， G u a n g d o n g I n d u s t r y T e c h n i c a l C o l l e g e ，G u a n g z h o u 5 1 0 3 0 0， C h i n a Abs t r a c t As a mu l ti f u n c t i o n a l ，l a r g e s c a l e，h i g h u t i l i z a t i o n ma t e ria l d i s t rib u t i o n c e n t e r s ，a u t o ma t i c ware h o u s e p l a ys a n i mpo r t a n t r o l e i n mo d e m l o g i s t i c s ma n a g e me n t s y s t e m．I n t h i s d e s i g n，t h e h i g h a n t i i n t e r f e r - e n c e P LCs a n d t o u c h s c r e e n s a r e a p p l i e d t o c o n s t i t u t e t h e s l a v e c o n t r o l s t a t i o ns o f t he ware h o u s e s t a c k e r c r a n e s ． Th e s l a v e c o n t r o l s t a t i o n s a r e c o n n e c t e d t o t h e i n d us t r i a l c o n t r o l n e t wo r ks ；the y c a n b e u s e d t o a c c o mp l i s h t h e a u t o ma t i c c o n t r o l o f t h e ware h o u s e，a c c o r d i n g t o the c o mma n ds f r o m t h e h o s t c o mp u t e r ．Th i s p a p e r f o c u s e s o n t h e P LC p r o g r a m s t r u c t u r e o f t h e s l a v e s t a t i o ns ，f o c u s e s o n t h e f r a me s d e s i g n o f t he t o u c h s c r e e ns ，b a s e d o n the p r e s e n t a t i o n o f the o v e r a l l s t r u c t u r e o f t h e c o n t r o l s y s t e m a n d o p e r a ti o n mo d e s ． Ke y wo r d sAS ／RS；ma s t e r s t a t i o n； s l a v e s t a t i o n；t o u c h s c r e e n O 引言 自动化立体仓库是由立体货架 、 有轨巷道堆垛机 、 出入库托盘输送机系统、 条码 阅读 系统、 通讯系统 、 计 算机监控系统、 控制系统 、 管理系统以及其他辅助设备 如电线 电缆桥架配电柜、 托盘 、 调节平 台、 钢结构平 台等 组成的复杂 自动化系统 ， 能按照拟定的入库单／ 出库单 ， 自动地把货物从入 口处搬运到 目的货位或从 指定货位把物件搬运到出口处 ， 既节省劳动力又大大 提高物流效率 ， 在现代化的大型物流仓库 中逐渐获得 越来越多的应用。现代物流系统在技术手段上， 采用 了先进的控制技术 、 总线技术和信息技术， 能高效率地 实现多种设备的协调动作 ， 迅速完成货物 自动有序 的 出入库作业 。 在 自动化立体仓库 的管理与控制系统 中， 巷道堆 垛机的控制是 自动出、 入库调度的关键部分。本论文 根据物流仓储系统的项 目需求， 基于工业控制网络 ， 研 究立体仓库巷道堆垛机的 自动控制系统 ， 在介绍三级 工业控制 网络构架 的基础上 ， 重点 阐述 了触摸 屏一 P L C从站控制系统的硬件结构和软件流程 ， 实现了堆 垛机从站 自动接受上位机调度命令， 自动实现出、 入库 作业 的自动化过程， 并利用触摸屏监控画面完成了实 时作业动作的全程监控。 1 系统设计 1 ． 1 硬 件 设计 本立体仓库共有四排巷道。每排巷道设有一个 1 0列、 5层货架 ， 共 5 0个货位。整个立体仓库共有 2 0 0 个货位。控制系统 由工业控制计算机、 三菱 Q系列 P L C和远程 F X 2 N系列 P L C组成， 图 1为控制系统框 图。控制系统的上位机采用研华 I P C - 6 1 0 H工业控制 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 2 2 修回 日期 2 0 1 4 0 51 8 基金项目 2 0 1 2年广东省科技计划课题 基于供应链管理的百货行业顾客购物行为特征分析模型研究 2 0 1 1 B 0 1 0 2 0 0 0 5 6 作者简介 刘鲁 1 9 7 9 一 ， 女， 湖北钟祥人 ， 广东轻工职业技术学院讲师 ， 工学硕士， 研究方向为 自动控制系统， Em a i l l i u l u g z 1 2 6 ． c o m。 9 4 组合机床与自动化加工技术 第 1期 计算机 ， 完成货物管理与统计 、 仓位监测 、 入库和出 库命令发送与信息反馈等工作。控制系统的主站以三 菱 Q O 2 C P U A 作 为 核 心 ， 与 扩 展 主 站 通 信 模 块 A J 6 1 Q B T 1 1 、 以太网接 口模块 A J 7 1 Q E 7 1 、 故 障监控模 块 A S R A F和电源 A 6 2 R P共 同组成 。上位机通过 以太网卡接人以太网 ， 与主站组成工业以太网进行 通信。从站由三菱 F X 2 N - 4 8 MR、 从站通信模块 F X 2 N - 3 2 C C L和触摸屏 H I T E C H 3 2 6 1 ． T r r 组 成 。主 站与从 站 通过通信模块组成 C C L I N K开放式现场总线进行通 信 。主站主要完成 C C ． L I N K网络通信 ， 与上位机 网络通信， 系统故障监控等工作 。从站 P L C完成控制 入库和出库堆垛机指定位置行走 ， 货物夹取 、 放置和与 主站进行通信等工作。触摸屏完成人库 、 出库堆垛机 的运行情况实时监控的工作， 并在 自动和手动运行模 式下作为命令输入界面使用。 ⋯太网 手 动 及 限 位 开 关 输 入 光 电 开 关 输 入 触 摸 屏 可 编 程 控 制 器 图 1 控制系统框图 正 转 1 STF 垦 箜 【 s T R走 行 电 机 I R L 变 频 器 堕 垦 垄 堑 l R M 堕垦堡量 R H 正转 反转 速度选择 1 速度选择 2 速度选择 3 伸出 收回 S T F 提升电机 s T R变频器 RL RM RH 货叉控制 图 2从 站 P LC 控制 系统 示意 图 系统设 置 四个从 站 ， 每排 巷道 由一 个从 站 进行 控 制 ， 每个从站的基本任务是用 P L C控制该巷道 内的入 库堆垛机和出库堆垛机。入库堆垛机和出库堆垛机的 原位分别位于巷道的两端。每台堆垛机设置有走行 电 机 、 提升电机。两台电机采用三菱 F R A 5 4 0 1 5 K变频 器进行驱动 ， 完成调速和制动动作， 确保堆垛机高效 运 行 、 平滑起停 。走 行 电机 和提 升 电机均 可实 现 多档 速 度可调 。图 2为从 站 P L C控制系统示 意 图。 1 ． 2 编址 方式 和寻 址方 法 各个巷道中， 每个货架的货位编址方法是以垂直 方向为行地址， 最底层为第 1行 ， 逐层递增行号； 以水 平方向为列地址， 靠近入库平台位的为第 1列， 逐列递 增列号 。 从站 P L C对 货位 的认 址 采用 相 对认 址 方 式 。在 每个货位的前立柱上安装有走行认址片 ， 在堆垛机 的 立柱上安 装起升认址 片 ， 堆垛机上安装有 列寻址 、 行寻 址两个光电开关。当堆垛机左右运动时， 列寻址光电 开关将接收到来 自走行认址片的反光信号， 并将该序 列信号输入 P L C， 由 P L C程序控制对列地址进行 1 或者 一1 操作 ； 当堆垛机上下运动时 ， 行寻址光电开关 将接收到来 自起升认址片的反光信号， 并将该序列信 号输入 P L C， 由P L C程序控制对行地址进行 1或者 一 1 操作 ； 在堆垛机的原点位置， 限位开关动作， 列 地址和行地址清零 ， 完成校正。为了运行安全 ， 系统在 堆 垛机水平 和垂 直运 行 的极 限位 置 均安 装 有 限 位 开 关， 在货台上安装有货物到达开关 、 货位检测开关 ， 货 又的伸出与收回也设置有到位检测开关。 2 运行模式与程序设计 系统 具 有 三 种 运 行 模 式 联 机 运 行 模 式 、 自动 人库＼ 出库运行模式和手动人库＼ 出库模式。 在联机运行模式下 ， 从站 P L C根据上位机发来 的 命令确定 目的货位和运行速度， 自动完成入库或者 出 库的操作 ， 并在运送结束后反馈信息给上位机。 自动入库＼ 出库模式下 ， 操作者需要在触摸屏上输 入 目标行号 、 目标列号 和运行速度 ， 系统 自动完成 入库 和出库过程。这种模式 主要在从站 P L C机处于单机 模式下使用。其工作过程与联机入库 ＼ 出库模式大致 相 同。 手动入库＼ 出库模式可 以实现货叉在允许 的位置 上的独立伸缩动作和抓物放物动作 ， 也可以实现码垛 机列运动和行运动。每个动作都有单独的控制按键 ， 操作者通过触摸屏控制垛机完成单个动作。 2 ． 1 从站 P L C程序设计 从站 P L C程序包括了 1 个主程序和 6个子程序。 主程序完成初始化、 触摸屏翻页， 堆垛机当前位置显 示、 输出控制和变频器速度控制 、 与主站通信等功能。 子程序分别包括了联机入库 ＼ 出库子程序、 自动入库 ＼ 出库子程序和手动人库 ＼ 出库子程序。子程序各 自完 成对应控制 过程 ， 实现 主程 序流程 。 主程序流程如图 3所示。系统首先进行初始化 ， 并对系统各个部分的故障和急停按钮进行询问， 若有 故障则进行报警和处理。只要堆垛机空闲， 即可接受 上位机的命令进入联机 出库或入库操作 ， 也可 以通过 触摸屏初始画面上的模式选择按钮 ， 单独进入 自动入 库 、 自动出库模式或手动入库 、 手动出库模式。触摸屏 的运 行模式选择 画面如 图 8所示 。 ⅦⅥ Ⅲm Ⅵ 2 0 1 5年 1月 刘 鲁， 等 基于工业控制网络的立体仓库堆垛机 P L C控制系统设计 9 5 开始 初始化 V ～ 故障及报警处理 ～ Y 叫 调用自动入库子程序 卫 塑 旦旦 些 壁王 堡壁 丽 霸 孑丽 用 手动 出库子程序 图 3主程 序 流 程 图 2 ． 2 联机运行程序设计 当上位机需要 进入联机运行 时， 首先询 问从站 P L C是否处于“ 空闲” 状态。如果 “ 空闲” ， 上位机首先 将从站 P L C的 M 7置位 ， 使从站进入联机状态； 再将信 息字送人此 P L C的数据存储器 D 2 0 0中。信息字的位 定义说明如图4所示 。 图 4信息宇 D 2 0 0位定义说明 进入联机状态后 ， 从站 P L C首先检测 D 2 0 0的最 高位 B 1 5 。如果 B 1 5 0 ， 则调用联机入库子程序 P 2 ， 如图 5所示。触摸屏画面转到联机入库运行画面 即 D O 2 。如果 B 1 51 ， 则调用联机出库子程序 P 1 ， 触 摸屏画面转到联机出库运行画面 即 D O 7 。 图 5 联机入库出库程序行 进人子程序后 ， P L C首先对信息字进行分析 ， 将 目 标行 、 目标列和给定速度分别送人对应的数据存储器 中。以联机入库为例 ， 信息字分析程序行如图 6所示 ， B 3～B 0为 目标列 号信息 ， 送人 数据存储 器 D 5中； B 7～B 4 为 目标行号的信息 ， 送入数据存储器 D 4中； B 1 0～B 8 为给定速度的信息送人数据存储器 D 6中。 H0F0 I M D4 K4 HOF D5 H7 0 o I3 6 图 6联 机入 库 信 息字 分 析程 序 行 联机入库子程序流程如图7 所示。当信息字分 析完成后 ， 系统首先检测堆垛机是否处于原位 ， 当堆垛 机处于原位 ， 且取货位有货 、 货位正常， 堆垛机立即运 行至取货台， 伸出货叉 ， 抓取货物 ， 收回货又 ， 堆垛机水 平运行到指定列 ， 再上升到指定行。到达 目的货位后 ， 伸出货叉 ， 松叉放物， 收回货叉， 当货物放到正确的货 位后 ， 堆垛机运行回原位。P L C向上位机发 出信息字 ， 上位机 内的管理 系统将 该货位 的 当前 状态修 改成 “ 1 ” 。从站 P L C将数据存储器 D 2 0 0清零 ， 堆垛机可以 接收新命令。当上位机需要退出联机模式时 ， 发出命 令将从站 P L C的联机信号清零 。 自动人库＼ 出库模式 的工作过程与联机模式的工 作过程相似。 图 7联机 入 厍 子 程序 流程 图 2 ． 3 触摸屏画面设计 根据系统运行的需求 ， 本系统开发了七个触摸屏 画面 ， 包括 1个运行模式选择画面和 6个对应模式下 的运行画面。图 8为运行模式选择控制 画面， 图 9为 单机模式下的出库机运行控制画面。 以单机模式下的出库机运行控制画面设计为例 ， 画面的上半部分用于运行位置显示 左上部分为堆垛 机所在货架具体位置显示和运动方 向显示 ， 右上部分