谢国强，王永涛，骆广兵

(青岛星华智能装备有限公司技术质量中心， 山东 青岛 266000)

0 引言

随着市场经济的发展，电子商务的崛起，物流正形成一门新兴产业，而自动化立体仓储是物流系统中不可或缺的部分，得到了广泛的应用。堆垛机作为自动化立体仓储的最核心的物料搬运设备，在高层货架巷道内往复运动，担负着出库、入库、盘库等作业任务，其控制性能，运行速度，定位精度，控制技术都取得了重大突破[1]。

根据评估性能优劣，青岛宝佳设备自动化有限公司开发出一套符合市场需求的双立柱有轨巷道堆垛机，具有很高的强度和刚性。能快速启停，定位精度高，运行平稳等优点[2]，目前运行于宝博生物，具有很高的推广价值。

1 系统组成

1.1 工艺流程

双立柱自动堆垛机的结构分为：立柱系统、行走系统、升降系统、载货台系统、货叉系统、控制系统等。堆垛机被支持在天轨和地轨之间，通过实现x、y、z方向移动，用载货台通过货叉存取物品。完成货物的入库、出库等任务[3]。

1.2 系统组成

（1）立柱系统由立柱、法兰盘、立柱导轨和导向轮组等组成，主要起到固定和支撑作用。

（2）水平行走系统由地轨、天轨、导向轮组、缓冲器、驱动电机、主动行走轮组、被动行走轮组等组成。这种机构的工作方式是由电机带动减速机机构，完成驱动主轮组在地轨上运行，从而实现堆垛机在巷道上的运行。在堆垛机的底座上上横梁两端安装导向轮，运行时可以起到一定的引导方向作用。在底座的前后两端安装防撞装置，以防止意外突发情况对堆垛机造成伤害。

（3）升降系统是由卷筒、钢丝绳、提升电机和变向滑轮等组成。工作原理是将电动机旋转运动经钢丝绳和滑轮机构转变成垂直的提升运动，完成堆垛机的升降动作。该机构增加配重装置，减速能量损耗。采用s曲线是速度控制，减少立柱的晃动和噪声，运行效率也得到了提升。

（4）载货台系统由载货台和导向轮组组成。是货物单元承载装置，通过钢丝绳与升级系统链接，沿立柱上的导轨升降。

（5）货叉系统由上叉、中叉、下叉、驱动电机、链传动组、齿轮齿条传动组等组成。其结构特点能实现双向伸缩。以方便向两侧货架送货取货。伸缩速度设计为8～10 m/min。

（6）电气系统是本文设计的重点，主要包括电力拖动、控制、检测和安全保护等组成。三个主要方向的动力，均采用变频调速控制，从而满足堆垛机高速运行、换速平稳、低速停准的要求。检测系统必须具有货箱位置检测、货物有无探测、自动认址，位置距离检测等功能。控制采用西门子的S7-1200PLC控制器，安全稳定性高。

2 控制系统实现

本系统采用西门子PLC作为控制器，采用SCL和STL的编程语言，功能模块化编程，实现对堆垛机的升降、行走、伸缩等动作，来完成入库、出库、盘库等作业任务[4]。

2.1 控制系统硬件设计

2.1.1 PLC的选型

PLC选用西门子S7-1200的CPU1215 DC/DC/Rly，还需要两个16点输入模块SM1221 DC；作为双立柱自动堆垛机的控制核心。

2.1.2 触摸屏的选择

触摸屏作为操作和显示设备运行，并监控设备运行状态，详细显示每一条设备故障记录，有利于查询并解决问题。选用西门子的KTP700。

2.1.3 驱动电机选型

（1）提升电机功率

提升运动电动机功率Pn计算式如下：Pn=LvL/6 120y

式中：L——提升重量，kgf；

vL——提升速度，m/min；

y——提升装置效率。

其中货叉可动部分W1=5 300 N。

载重：W2=15 000 N

升降速度：v=20m/min=1/3 m/s

传动效率：η=0.7×0.9=0.63

其中，蜗轮蜗杆效率为0.7，链条效率为0.9。

最高时速时需要动力：P=(W1+W2)v/η=(15 000+5 300)/3×0.63=10.6 kW

为安全起见，选择标准电动机功率为11 kW。升降机构选用11 kW 伦茨8 400 top变频驱动器，11 kW 84 Topline电抗器，深圳贝壳型号为11 kwBKRXLG3 kW95RJ×3制动电阻，电机为11 kW伦茨减速电机；

（2）行走电机功率

行走电动机功率等于达到额定速度时的启动加速度的功率和达到额定速度的功率之和。①加速时所需功率P1计算如下：

式中：Ta——加速的扭矩，kgf·m；

N——电动机转速，r/min；

y1——行走装置效率。

② 额定速度的功率P2：

式中：Wr——行走阻力，kgf；

v——行走速度，m/min。

电动机功率P：P=P1+P2

式中加速时的扭矩Ta用GD2（负载惯性矩，kg.m2）来计算。但是，在实际应用时，上述公式只作计算参考，因为计算出的电动机功率偏小。实际选择电动机时是根据加速和减速值、转速以及持续时间来确定的。堆垛机的主要参数是：堆垛机自重WD=63 100 N，行走速度v=160 m/min=2.67 m/s，滚动阻力系数μ=0.02。根据这些主要参数可以计算行走电动机功率大小。

计算步骤如下：RD=(WD+W2)μ=(63 100+15 000)×0.02=1 562(N)

蜗轮蜗杆动力传递效率η=0.8，则

最 高 时 速 的 动 力：PD=RDv/η=(1 562×2.67)/0.8=5.21 (kW)

为了安全起见，按电动机标准选择，采用功率为7.5 kW的电动机为宜。即：LD=7.5(kW)

水平行走机构选用7.5 kW的伦茨8 400 top变频驱动器，7.5 kW 伦茨84 Topline电抗器，深圳贝壳型号为7.5 kwBKRXLG3kW95RJx3制动电阻，电机为7.5 kW伦茨减速电机;

（3）货叉电机功率

设行走速度：v=21 m/min=0.35 m/s

滚动摩擦系数为0.03，则行走阻力：R=(W′+W2)μ=(5 300+15 000)×0.03=609(N)

动力传动效率：η=0.9×0.9=0.81

两个0.9分别为齿轮减速电动机和链条的效率。

最 高 时 速 需 要 动 力：P=Rv/η=609×0.35/0.81=0.26(kW)

按电动机标准，选择功率为1.1 kW的货叉电动机更安全。

货叉机构选用1.1 kW 伦茨变频器，1.1 kW的伦茨减速电机。

2.1.4 配套传感器

无线通信采用劳易测的型号为DDLS 508 40.3L红外通讯传感器；行走和升降的测距定位采用劳易测的型号为AMS 348i 120 SSⅠ和AMS 348i 40 SSⅠ的激光测距仪；用于检测货物的偏离、有无等的光电传感器采用劳易测漫反射型光电传感器型号为

HT46C/4P-M12。

2.1.5 硬件网络

本系统选用三个变频器驱动器，两个激光测距仪，一个触摸屏，一个旋转编码器，均通过PROFⅠNET总线通讯；其网络拓扑如图1所示。

2.2 IO变量定义

该双立柱自动堆垛机控制系统中共使用28个点输入、7个点输出，具体Ⅰ/O分配如表2所示[5]。

表2 堆垛机输入输出点

3 控制系统软件设计

基于S7-1200PLC的双立柱自动堆垛机控制系统在西门子博图V15的编程环境下开发，主要由主程序、初始程序、报警程序、手动程序、自动程序、通讯程序、输入输出程序等。自动程序中包括入库程序、出库程序、倒库程序等[6]。如图3所示。

3.1 功能设计

（1）运动控制功能

PLC控制变频器驱动相应的电机来执行堆垛机实现水平方向的行走动作，垂直方向的升降动作，和载货台上袋货叉左右伸出缩回的动作等功能。

（2）位置控制功能

为了保证能准确地存取物料，控制系统就需要具备自动寻址定位功能，取货、放货等作业流程才能顺利进行。位置控制是指堆垛机运行时能够精确的定位，本系统采用激光定位传感器和旋转编码器检测位置，通过PLC控制变频器动作，形成一个双闭环的位置控制。如图4所示。堆垛机的定位包括：在X轴上的水平运行定位，在Y轴上的垂直升降定位。货叉上的左 右伸缩定位，主要靠到位信号检测定位[7]。

（3）速度控制功能

本文采用7段速的S型曲线代替传递的多段曲线调速的方法。堆垛机的运行从启动到停止可分为加速过程、匀速过程和减速过程三个过程，其中加速过程和减速过程的响应快慢是最关键的，其性能优劣决定了堆垛机作业频率的高低和运行的平稳，从而对自动化立体仓库的工作效率有着很大的影响。速度控制和位置控制紧密相连，堆垛机高速运行中，快到达目标位置时，堆垛机要进行减速制动，但堆垛机存在运动惯性，所以，为了可以精准的停在指定货位，堆垛机必须提早进行减速，加以缓冲释放惯性。堆垛机系统在水平方向、垂直方向、左右方向的三维立体控制中，水平运动控制是难点，因为运行轨迹长而且运行速度大；垂直运动相比来说稍简单，高度低而且速度小；货叉左右运动更为简单，只有高速和低速两个模式[8]。

（4）数据通讯功能

本文PLC通过PN总线，和三个变频器，2个激光测距传感器，1个触摸屏等通讯。PROFⅠNET通讯总线具有抗干扰能力强，适应严酷的工业生产环境。并具有快速的网络故障定位与诊断。数据传输速度高、传输距离远，具有10-100 M/bits的自适应传输率。兼容性好，适合于解决控制系统中不能厂商设备的兼容和互操作等问题。

（5）安全联锁保护功能

本控制系统具有行走运行超限、起升超限、货叉超限等安全保护功能。电机控制的跳闸检测保护功能，电机堵转，断线检测功能。电机端使用安全抱闸，避免高速是因电机扭矩输出不够而导致的跌落事故。还有货位有无货物检测功能，X轴和Y轴运动的互锁保护功能等。这些都是为了保护人、货和设备的安全而设计的功能。

3.2 工艺自动化流程

（1）入库作业流程

在自动模式下，堆垛机收到入库指令，先到达指定的取货货位，软后检测有无货物，确定货物存在，货叉伸出，微升又缩回，完成取货任务，然后堆垛机行走并升降到指定的入库位置，先检查货位有无货，确定无货后，货叉伸出，微降，缩回完成放货任务，最后回到原点。整个作业流程如图5所示。

（2）出库作业流程

在自动模式下，堆垛机收到出库指令，先到达指定的出货货位，软后检测有无货物，确定货物存在，货叉伸出，微升又缩回，完成出货任务，然后堆垛机行走并升降到指定的出库位置，先检查货位有无货，确定无货后，货叉伸出，微降，缩回完成放货任务，最后回到原点。整个作业流程如图6所示。

3 结束语

本文介绍的基于S7-1200PLC的双立柱自动堆垛机控制系统应用博图软件编写了PLC程序，功能模块化的编程，编程简化，缩短了扫描周期，提高了系统的执行效率。采用曲线的速度闭环控制，提高了运行的的稳定性；采用精确的位置环的闭环控制，提高了定位精度；已经成功的用于宝博生物科技的自动化立体仓库中，目前运行良好，具有很好的推广价值。