张怀宇，王强，胡蓉

（宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644003）

0 引 言

近年来高职院校工业机器人应用赛项中常涉及立体仓库码垛机控制，结合相关赛项与自动化立体仓库实训平台，本项目完成了码垛机的电气控制系统设计，配合自动化生产线AGV 小车，控制码垛机行进与动作，通过触摸屏显示仓位信息与控制自动取货，且能完成码垛机的精确定位。

1 立体仓库码垛机总体构成

1.1 立体仓库构成

如图1所示，立体仓库系统主要由码垛机、立体仓库和基础底板构成。其中码垛机是系统核心部分与执行部件，由电气设备、机械架、货叉机构、升降机构和水平行机构五大部分构成，可实现货品出入库。码垛机X、Y、Z 轴分别实现码垛机水平行进、货叉伸缩与货叉升降。在X、Z 轴运行机构上分别装有三个接近式传感器和两个行程开关，用来检测对应轴运行位置和码垛机的限位装置；Z 轴运行机构上，装有两个行程开关，检测减速运行。Y 轴装有三个传感器，其中一个检测缩回到位，一个检测仓库侧取放工件伸出到位，另一个检测AGV 侧取放工件伸出到位。X 轴与Z 轴驱动电机具备刹车装置，同时其行进中具备防撞装置，确保设备安全运行。

图1 立体仓库总体构成

立体仓库由横梁与立柱架体组装而成，各架体可模块化安装。仓库总长约2 800 mm，高度约1 900 mm，共设计有4 行7 列共28 个仓位，每个仓位均有微动开关和定位装置，分别用来检测仓位状态和进行托盘的精准定位。

基础底板则由钢板与型材组装而成，立体仓库与码垛机均安装于基础底板。基础底板上安装有两只对射式传感器，其中1 只为发射端，另1 只为接收端。在AGV 小车侧对应安装接收端和发射端，以实现AGV 小车与码垛机的信号交互。

本系统中码垛机根据需求完成货品预取，等待AGV 小车对接，两者之间通过两对对射光电开关联系。码垛机允许AGV 小车对接，那么接通本侧光电开关，AGV 小车运动至对接位置，两者完成对接后，接通AGV 小车侧的光电开关，告知码垛机上料。

1.2 AGV 小车控制系统

AGV 小车控制系统由上部输送装置与下部车架构成，中间抽屉内部装有电气控制板。其中下部车架由驱动轮、电机、电池与框架等部件构成，由两个电机带动驱动轮控制小车沿磁导运动，四个辅助万向轮支撑AGV，能在动载或者静载中水平360 度旋转。上部输送装置由皮带传动，完成与输送带对接，上有三个货位，其托盘输入和输出端各有一个记录小车输送带上托盘个数的传感器。输送带前端有电磁阀控制的阻挡机构，机身装有7 寸HMI 及一个三色塔灯。PLC 为AGV 小车控制系统控制器，可与无线路由器搭配，进而与流水线及码垛机进行无线通信。

1.3 电气控制系统构成

基于PLC PROFINET通信的码垛机电气控制系统设计，主要由PLC、传感器、变频器组、电机组、AGV 和HMI 构成，系统框图如图2所示。

图2 电气控制系统结构图

2 立体仓库码垛机电气控制系统硬件设计

2.1 硬件选型

2.1.1 PLC 选型

本系统PLC 选用西门子S7-1200 系列CPU1215C，有两个PROFINET 接口。在本系统中扩展了两个16 位和一个8位的输入模块，如图3所示。

图3 S7-1200 及模块扩展

2.1.2 变频器选型

在本设计中，码垛机中的三个变频器是SINAMICS G120 CU240E-2 PN 模块化变频器，主要由变频器控制单元-6SL3244-0BB12-1FA0、变频器操作面板-6SL3255-0AA00-4CA1、变频器功率单元-6SL3224-0BE15-5UA0 这三部分组成。变频器1 控制码垛机X 轴电机左右移动，变频器2 控制码垛机Z 轴电机上下移动，变频器3 控制码垛机Y轴电机正前后移动。

2.1.3 传感器选型

根据前述要求，本电气控制系统中使用的主要传感器类型及型号，如表1所示。

表1 传感器类型及型号

2.2 硬件组网

PLC 分别通过对3 个变频器的控制，实现码垛机三个运行机构控制，由硬件连接与软件配置组合实现通信控制的连接。本系统硬件组网如图4所示。其中选用的PLC 西门子S7-1200 与 G120 变频器均有两个PN 通讯口，网络连接顺畅，系统配有一个交换机便于扩展。

图4 硬件总体组网设计

3 立体仓库码垛机电气控制系统软件设计

3.1 系统I/O 分配

根据本设计控制功能要求，可得出系统I/O 接口分配情况，如表2所示。

表2 系统I/O 分配表

I1.0 Z 轴最大限位I4.7仓位托盘监测信号SQ16 I1.1 Z 轴上位传感器I5.0仓位托盘监测信号SQ17 I1.2 Z 轴中间传感器I5.1仓位托盘监测信号SQ18 I1.3 Z 轴下位传感器I5.2仓位托盘监测信号SQ19 I1.4 Z 轴最小限位I5.3仓位托盘监测信号SQ20 I1.5 X 轴最小限位I5.4仓位托盘监测信号SQ21 I2.0 X 轴左位传感器I5.5仓位托盘监测信号SQ22 I2.1 X 轴中间位传感器I5.6仓位托盘监测信号SQ23 I2.2 X 轴右位传感器I5.7仓位托盘监测信号SQ24 I2.3 X 轴最大限位I6.0仓位托盘监测信号SQ25 I3.0 仓位托盘监测信号SQ1 I6.1仓位托盘监测信号SQ26 I3.1 仓位托盘监测信号SQ2 I6.2仓位托盘监测信号SQ27 I3.2 仓位托盘监测信号SQ3 I6.3仓位托盘监测信号SQ28 I3.3 仓位托盘监测信号SQ4 I6.4 AGV 小车到达码垛机信号I3.4 仓位托盘监测信号SQ5 Q1.1 启动AGV 小车离开码垛机I3.5 仓位托盘监测信号SQ6 Q0.3起动继电器I3.6 仓位托盘监测信号SQ7 Q0.4停止继电器I3.7 仓位托盘监测信号SQ8 Q0.5超限接触继电器I4.0 仓位托盘监测信号SQ9

3.2 码垛机控制流程

3.2.1 码垛机控制总体流程

由PLC 控制，码垛机运行至相应库位，将货物取出并送到AGV 上完成取货。若码垛机货叉上有货物，在触摸屏点击对应库位，码垛机便将货物放置到对应库位，同时回到原点位置完成入库。为保证系统、设备和操作人员的安全，手动运行模式和自动运行模式不能同时运行，两者为互锁关系，码垛机控制总体流程如图5所示。

图5 码垛机控制流程图

3.2.2 出入库控制流程

码垛机启动后首先完成初始化操作，判断码垛机是否处于异常状态。若异常则报警，正常则码垛机处于“待命”。当系统收到来自触摸屏的入库或出库命令，便完成对应操作。

用自动出库流程说明码垛机运行流程。在自动运行模式下，首先进行出库复位，其次在触摸屏上选择相应库位并发出出库命令后，系统开始自检，首先检查3 个轴的码垛机是否都在原点位置，如不在原点，让3 个轴的码垛机先回原点位置。再检查货叉和选择的库位上是否有货物，若货叉有货物，则系统报警；若无货物，则程序继续运行，若对应库位无货物，则系统报警；若有货物，则程序继续运行。系统依靠行列定位片与光电传感器进行寻址定位，当码垛机当前行结果等于目标行结果、当前列结果等于目标列结果时，此时码垛机已运动置选择库位。接着码垛机在目标位置开始取货，当货叉取出货物后，再次借助行列定位片与光电传感器进行位置判断返回原点。其次判断AGV 小车是个否到达预定位置，若到达则码垛机将货物放在AGV 小车上，若未到达则继续等待小车。最后当货物放到AGV 小车动作结束后启动小车离开码垛机，接着判断选择出库数量是否为零，若不为零则继续出货，若等于零则停止出货，其流程如图6所示。入库流程与出库流程相反，如图7所示。

图6 码垛机出库流程图

图7 入库程序流程图

4 实验调试

4.1 主界面设计

立体仓库触摸屏主界面设计主要包括设备状态、码垛机位置与运行模式选择，如图8所示。设备状态显示立体仓库系统当前所处状态，码垛机位置显示码垛机当前所在位置，运行模式可选自动模式或手动模式。

图8 立体仓库触摸屏主界面设计

4.2 立体仓库仓位画面设计

“仓位画面”可以观测到当前立体仓库状态，有工件的仓位将显示绿色，如图9所示，其操作过程如下。（1）在“工位信息”栏的绿色高亮仓位中，选择所需工件出库顺序。（2）设置好待出库工件顺序以后，按下“出库启动”按钮，码垛机按设定的出库顺序将工件出库。（3）向目标仓位行进时，速度由高速—中速—低速—停止。（4）需入库时，则选择入库仓位，码垛机先取出AGV 小车送来的货物，再送到指定的入库仓位。

图9 仓位画面

4.3 出库位置计算控制运行调试

以出库位置计算为例说明出库运行调试，开始出库时“开始出库”常闭按钮断开，不执行“入库位置计算”子程序。反之入库时同理，如图10 所示。

图10 出入库位置计算主程序

当X 轴往正向左移时，传感器检测顺序为左位—中位—右位，每检测一轮则加1；当X 轴往反向右移时，传感器检测顺序为右位—中位—左位，而每检测一轮则减1，这样完成列计数，如图11 所示。

图11 列位置计算子程序

当Z 轴往正向上移时，传感器检测顺序为上位—中位—下位，每检测一轮则加1；当Z 轴往反向下移动时，传感器检测顺序为下位—中位—上位，而每检测一轮则减1，这样完成行计数，如图12 所示。

图12 行位置计算子程序

5 结 论

以高职院校工业机器人技术应用赛项为背景，本设计结合自动化立体仓库实训平台，以西门子 S7-1200 PLC 为系统核心，利用变频器与三相异步电机配合拖动码垛机的三个轴，同时借助传感器和定位片，完成相应电气控制系统硬件配置与软件设计，实现码垛机的精确定位与实时监控。经系统操作测试，本系统可实现目标物料的自动码垛，能完成码垛机的精确定位，具有较高的响应速度。