许加鑫，壮而行，陈浩云

（无锡职业技术学院控制技术学院，无锡 214121）

1 引言

自动化立体仓库也称自动化存取系统AS/RS（Automatic Storage& Retrieval System），是在不直接进行人工参与的情况下自动地存储和取出货物的系统。自动化立体仓库采用高层仓库货架存储货物，用专门的仓储搬运机械设备进行货物出入库作业。用可编程控制器PLC控制的自动化立体仓库实现了物流机械和计算机技术的完美结合，推动了仓储技术的全面自动化。

一般来说，一个自动化立体仓库主要由如下设备组成：

（1）高层货架：高层货架主要是由钢或钢筋混凝土等材料构造成的层式储物架，它是立体仓库的主体建筑物。

（2）托盘（货箱）：方便货叉取放货物的专用托板、货箱。

（3）巷道堆垛：把货物存入某仓位或将某仓位的货物取出专用的起重设备。

（4）输送机系统：可按照规定的路线连续或间歇地可进行水平、倾斜和垂直输送的搬运机械，因其输送能力大，运输距离长，采用多部分附件组合工作，因此称为输送机系统。

（5）自动化控制系统：立体仓库中各模块的控制系统。

使用自动化立体仓库能够产生巨大的社会效益和经济效益，这主要体现在以下方面：

（1）仓库的面积和利用率大幅度提高，建设用地大幅减少。

（2）能提高仓库作业水平，有效利用仓库的储存能力，提高周转速度，减少库存和库存费用。

（3）由于自动化和机械化作业，减少了货损和货差。

（4）能适应特殊环境下的工作条件。

本文根据实际需求，针对一以PLC控制系统为基础的，由堆垛机、货叉以及电磁制动电机和其他硬件软件系统组成的小型自动化立体仓库，完成硬件选型与设计。

2 仓库系统结构设计

通过对系统所需功能的具体分析，一个自动化立体仓库需完成以下功能：

（1）将货物自动送至某一指定仓位；

（2）将货物自动从某一指定仓位取出；

（3）把货物从0仓位送到目标仓位；

（4）将某一仓位的货物送至0仓位；

（5）调换储货仓位；

（6）检测仓库的库存情况；

（7）意外事故发生时可急停；

要实现上述功能，立体仓库需具备如下模块：控制面板、PLC程序控制器、高层货架、堆垛机设备、电源模块以及光电传感器等。

系统存取功能实现的简要流程为：仓库工作人员通过控制面板输入功能命令，功能命令连同光电传感器对仓位信息的检测状态将同时输入到PLC控制器，PLC综合分析处理信息并给出输出作用于机械设备，完成入仓或出仓任务。根据上问所述，立体仓库中各模块的相互关系如下图所示：

图1 立体仓库的结构

3 仓库系统硬件设计

根据上文所述仓库系统结构，本节对各电气硬件进行选型与设计。

3.1 控制面板

控制面板是立体仓库系统中面向操作人员的交互界面。按照系统功能要求，面板布置如图2所示。其中，启动按钮为绿色，停止按钮为红色，数码管显示仓位号，键盘上的相关数字和功能按钮输入PLC，指示灯显示不同的运行状态。系统运行时，操作人员通过相应的按钮给出不同的命令，PLC控制器接收后根据信号指令和货仓的实际情况进行综合判断，将相应信号输出给执行机构，执行机构再予以响应，从而完成货物及进出仓工作。控制面板示意图如图2所示：

为了提高系统集成度，降低接线的复杂度，方便对人机界面进行修改，本系统选择MCGS触摸屏实现该控制面板，同时急停、复位按钮仍然采用实体按键，以提高系统应对紧急情况时的可靠性。

图2 控制面板示意图

3.2 高层货架

目前的自动化立体仓库中大多采用高层货架进行货物的存取工作。高层货架由若干排货架组成，货架中留有巷道，货架由若干层组成，这样一来每个货架被分成若干个小仓位作为货物存取的单元，每个单元中使用一个货箱或托盘装载货物，以提高存储效率。本系统设计中，采用3*3+1的高层货架，货架仓位由0号开始，0号仓位中装有限位保护开关作为堆垛机的起始仓位，不存放货物。高层货架的简要说明图如下：

图3 高层货架示意图

3.3 堆垛机设备

堆垛机设备是立体仓库中从货架中存取货物的专用设备，主要由电机、立柱、货叉以及各种导轨等组成，按照不同的功能要求，可分成不同的种类。根据本次自动化立体仓库系统中功能要求，采用单立柱、直线运动型堆垛机作为主要的仓储设备。

在选定堆垛机的结构以后需要分别选择行走机构、升降机构和货叉伸缩机构的驱动电机。

在此系统中，行走机构、升降机构和货叉伸缩机构均选择电磁制动电机。电磁制动电机的制动器安装在电机非轴伸端的端盖上。当制动电动机接入电源，制动器也同时工作。此时由于电磁吸力作用，电磁铁会吸引衔铁并压缩弹簧使得制动盘脱开，电动机开始运转。当电源断开时，制动器电磁铁失去吸力，弹簧推动衔铁压紧制动盘，致使电动机停止运转。电磁制动电机有着精确的控制能力，符合需要准确定位的立体仓库的要求。综合考虑负载转矩、额定转矩、运行频率及其他参数后，本系统选择型号为9BDG-200WH的电磁制动电机。该电机的相关参数如表1所示，为了能驱动这三台电磁制动电机，选用西门子变频器G120作为驱动器，电机、变频器和PLC之间采用现场总线方式通讯。

表1 9BDG-200WH电磁制动电机参数

3.4 光电传感器

在自动化立体仓库的构建过程中，为了使货物检测信号能准确及时的传达给PLC控制器，高层货架上的每一个仓位都需采用一个光电传感器，这样，当仓库正常工作时，光电传感器就会将本仓位的储货情况按需传递给PLC控制器。

光电元件是光电传感器的核心部件，光电传感器在工作时，首先将待测量转化成光信号的变化，接着，利用光电效应将光信号转化成电信号。一般情况下，光电传感器由如下三个部分组成：

（1）发送器：能将光束发射到目标物上，被发射光束的光源一般是半导体光源，如发光二极管、红外发射二极管等。光束或以一定频率发射。

（2）接收器：接收器的前面会安装如光圈和透镜等光学元件，能有效接收光信号。

（3）检测电路：检测电路位于接收器的后面，它能将有效信号滤出并输送到后级电路中。

在本文设计的自动化立体仓库系统的构建过程中，选用日本欧姆龙型号为EE-SPW321对射型光电传感器。

3.5 电源模块

在本课题自动化立体仓库的构建过程中，需要提供电源的设备主要要求如下：

表3 供电设备表

根据上表对需要供电设备的描述，电源模块应能提供低压直流电源，而我国普遍使用的工厂动力电是三相380V和单相220V，为了得到系统需要的弱电控制电压，本文选用了开关电源提供所需的DC24V电压。

3.6 可编程控制器PLC 选型与I/O分配

可编程序控制器PLC是在工业自动化领域中应用最为广泛的一种设备。目前，市面上各企业生产制造的自动化立体仓库中，堆垛机的核心控制单元大都采用PLC控制系统，由于PLC的品牌型号众多，因此需要从输入输出点数、存储器容量、控制能力和经济性等方面综合考虑。在本系统中，综合上文所述系统控制要求，得到自动化立体仓库系统输入点数是16，输出点数是2，同时希望所选PLC能比较方便地控制变频器和触摸屏，因此，选择晶体管输出型西门子系列PLC，型号为S7-1200（1215C），配合扩展模块C可拓展为输入点数为32，输出点数为32，十分适合系统控制要求。

根据本文对自动化立体仓库的控制要求，可得出下表所示的I/O口分配表：

表4 PLC I/O端口分配

4 结束语

本文首先介绍了自动化立体仓库系统中的硬件构成，分别是：高层货架、堆垛机设备、光电传感器和电源模块，对于各硬件的选型与设计进行了详细的分析，并且根据系统要求，给出了PLC的I/O端口的分配表，为进一步进行仓库控制系统软件设计打下基础。