PLC在立体仓库系统堆垛机控制中的应用
2005/4/30 13:55:00
摘 要 简述SIMATIC S7-300 可编程控制器在自动化立体仓库（AS/RS）系统堆垛机电机闭环无级控制中的具体应用，PLC控制系统的配置及控制方案的选择思路，极大地推动了AS/RS系统控制体系的发展。
Abstract: This paper describes the application of SIMATIC S7-300 PLC which used in the automated storage’s motor control systems.The PLC choice of the compose and the method improve AS/RS control systems.
关键词 可编程控制器 自动化立体仓库（AS/RS） 堆垛机
Keywords: PLC Automated Storage and Retrieval System Stacker Cranes
1 引言
自动化立体仓库（AS/RS）是物料搬运、仓储管理科学中一门综合性的、是由高位托盘货架构成并配以堆垛机或其他自动化传输系统、操作软件的物流系统。它与平库相比，可节约７０％的占地面积和７０％的劳动力。具有很高的空间利用率和出入库能力，能加快货物的出入库存储节奏，减轻劳动强度，提高生产效率；其一次性投入成本也相当高，如我公司的上海印钞厂AS/RS项目仅货架总价就达260多万人民币，其具体构成为DF(P)M-30-1000堆垛机6台，货位数4250个，货架高度约30米，共6个巷道，货物单元规格为1250（L）× 920（W）× 1440（H）、货物单元设计重量1000 kg，生产安装工作周期近4个月。它是我司所做的50多座自动化立体仓库货架(AS/RS )中最高的一座。主要通过监控计算机实现全面协调、监视、控制目的，其主要功能是接收操作指令、检测信号、指挥作业、判断故障、返回信息等。包括监控、管理调度计算机、红外通信器、堆垛机、转轨机、输送设备等。而立体仓库中货物的存储节奏及作业周期主要由巷道堆垛机的工作运行速度决定的，目前我公司选用的堆垛机技术要求主要为：水平运行速度最高达200m/min，起升速度最高达120m/min，货叉伸缩运行最高速度达50m/min等。本文拟就SIMATIC S7-300 可编程控制器在立体仓库（AS/RS）系统堆垛机电机闭环无级控制中的具体应用、控制系统的配置及控制方案的选择思路等进行探讨。
2 概述
目前，自动化立体仓库巷道堆垛机应用的变频调速手段有两种：
1）、当运行控制速度、控制定位精度较低时，一般选用开环有级调速运行模式：即手动设定几个固定的运行频率（如：高速、中速、低速三种运行频率，实际上可根据使用的不同规格或品牌的变频器及配套的变频电机等选择设定不同梯度的运行频率，如美国宝德的某款变频调速系统的有级调速设定可达16级），根据堆垛机的具体运行和控制要求由PLC根据外部环境的输入输出信号进行程序控制切换和设定，如用控制用行程开关、光电接近开关等作为信号输入控制单元等，以达到调速、定位停准的目的；但该变频调速手段的输出偏差或位置控制的误差分布范围大，特别是当自动化立体仓库巷道堆垛机的运行速度较高时，会造成速度转换后的加、减速距离的增加，加、减速平稳性控制难度的增加以及控制单元敏感性下降、故障率上升等，其应用具有很大的应用局限性。
2）、当运行控制速度、控制定位精度较高时，一般选用闭环无级运行控制模式，即：对堆垛机的运行速度、运行位移量或位置定位点实现闭环无级运行控制模式，从而从根本上实现到达目的地址时的制动停准和根据运行距离实现的平稳换速、适时调整变频器的运行控制频率，以实现最佳平稳运行速度的要求，并能缩短作业周期，提高作业效率；该变频调速手段控制精度高，运动控制平稳，具体场合的适应性好，系统运行的可靠性高，易调试，但一次性投资成本较高。主要表现在闭环反馈信号元件的控制精度选择与配置（如：激光测距仪及其接口电路或板卡）、PLC配置上的高端化、上位机控制软件及硬件与PLC的接口电路或板卡等，其软件编程的高端和复杂化以及软件开发调试具有一定的难度等。
3 闭环无级控制原理
要实现自动化立体仓库巷道堆垛机的闭环无级控制，必须根据变频器和堆垛机电机的特性，即：在一定载荷下变频器所存在的理想加速和减速特性曲线，或根据不同的品牌和规格的变频器的特性参考资料、所运输载运货物所允许的最大加速度以及现场运行试验的结果、堆垛机电机的负荷特性等进行适时调整。基本控制原理如图一：
基本控制思想为：1）、根据激光测距仪测量反馈的当前速度信号适时调整变频器的输出驱动频率值，从而保证堆垛机能以要求的速度平稳运行；其还表现在必须根据自动化立体仓库库存的具体货物，如货物的重量、重心高度等选择相应的速度控制模式，即初时运动加速度与加速控制时间、平稳运行速度与距离、减速运动加速度与控制时间等，并提供客户一系列的控制规范图表；2）、根据激光测距仪测量反馈当前堆垛机的距离信号及预先设定的控制方案适时调整变频器的输出驱动频率值，使堆垛机先以较高的速度运行到接近目的地址的位置后将速度平稳降到较低的速度下工作，并在目的地址处准确制动停准，必要时可采取机械抱闸系统来辅助快速定位；堆垛机在工作过程中实时采集水平运行、货物升降、货叉伸缩三个方向的数据，并不断地与存放在软件控制数据块里的标准位置参数进行比较和控制决策，从而达到准确定位、快速存储货物、提高作业效率的目的，并与监控系统交换工作信息和库位状态信息等以实现系统的全面动态管理。
4 控制方案
为实现自动化立体仓库巷道堆垛机的闭环无级控制，其闭环无级控制反馈信号根据认址方式上的差异可分为：认址片认址、旋转编码器认址、激光测距仪，一般情况下采用激光测距、测速进行速度反馈的电机闭环变频调速方案是一种比较理想的控制方案，该方案能精确控制电机转矩，低速运行性能好，电机加速特性好，调速范围大，工作性能可靠且动态响应性能好，其重复控制精度可达到1mm以上，但系统开发成本高，影响到实际的推广应用。
随着计算机技术的飞速发展，特别是现场总线技术的日益成熟，立体仓库的控制模式也从采用PLC加PC或PC加控制板卡的方式，发展为软PLC控制模式，同时该系统价格较传统的PLC或板卡控制方式低，且应用灵活，该系统涉及到电气控制原理、数据库以及决策技术、计算机技术等，其核心控制部分为软PLC，与外部周边设备或硬件采用PROFIBUS-DP现场总线，操作界面和各个程序之间的接口利用C++语言编写，备有连接SIMATIC系列元件的整套接口、固有的HMI（人机界面）等，但针对堆垛机电机的高、低速控制应用方案（包括有些特殊控制性能要求而选用伺服驱动系统的堆垛机系列）仍优先选用闭环变频调速控制方案，
PLC与激光测距仪和绝对值旋转编码器的连接采用：DEVICENET连接方式，激光测距仪通过串口连接，用协议宏方式通信，绝对值旋转编码器通过I/O口连接，使用GRY指令，注意考虑和调试好整个系统的响应时间，如DME240激光测距仪具有以下特性参数：测距范围为0.5-240M，通信接口有SSI、Profibus-DP、Interbus-S三种，输出时间只有1ms，分辩率为0.1/1mm，运行速度可达10M/S等。
5 在配送中心模式下的具体应用
一般配送中心的主要作业流程为:
立体仓库中堆垛机的主要工作是完成储存环节的搬运，即：准确地依照上位机给出的出入库地址将货物取出或放入有关货位，并将工作过程的状态信息反馈给监控系统；
选择SIMATIC S7-300系列PLC系统并应用在AS/RS体系中已取得了很大的成功，SIMATIC S7-300为模块化无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展、具有广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SIMATIC S7-300成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。结合堆垛机的工作特性，SIMATIC S7-300是既经济又方便的选择方案。
案例一：某配送中心立体仓库的堆垛机电气控制部分采用西门子S7-300PLC，PLC与监控系统以及各从站之间的通讯采用PROFIBUS-DP现场总线方式；
硬件：1）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU313C-2DP一块，2）、SIEMENS SIMATIC S7-300 16bit24V数字量输入模块二块，3）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CP342-5一块，4）、SIEMENS SIMATIC S7-300 ET200M一块，5）、SIEMENS SIMATIC S7-300FM350计数模块一块，6）、SIEMENS SIMATIC S7-300 PS3075A电源模块二块，7）、从站可根据系统设计和要求合理选择多组，一组从站（一套堆垛机，实现一个巷道的控制），包括三台变频器及变频电机、两台激光测距仪（控制重复精度为1mm，测距范围在240M左右，选择德国SICK的相关型号）、一个ET200M等。
软件：该系统软件的开发环境为SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 V5.1编程软件，采用STL方式编程，可实现堆垛机的手动、自动、整线联机等基本功能。结合具体的上位机的仓库管理软件或资源管理系统ERP等，配置相应的接口电路与系统可实现立体仓库的高效动态管理。
具体应用：在软件系统设置具体的堆垛机工作模式时一般依据下列可能选择，在设备调试、库房库位盘点或故障处理时使用手动工作模式；单独控制和使用堆垛机，不需要周边设备（如：管理机、输送机等）参与工作时选用自动工作模式；通常采用整线联机工作模式，以确保立体仓库中的作业情况、库存量动态变化情况等能准确反映到企业的管理系统中。
6 结论
采用激光测距、测速进行速度反馈的电机闭环变频调速方案是一种比较理想的堆垛机控制方案，基本能满足AS/RS立体仓库系统对各巷道堆垛机的控制要求，实现货物存储过程的快速平稳的作业，提高作业效率和控制质量。
参考文献：
1、 周奇才，《自动化仓库主要运行参数的优化确定》，《上海铁道大学学报》1999(12)
2、 满永奎 吴成东 《通用变频器及其应用》 机械工业出版社 1995年8月
Abstract: This paper describes the application of SIMATIC S7-300 PLC which used in the automated storage’s motor control systems.The PLC choice of the compose and the method improve AS/RS control systems.
关键词 可编程控制器 自动化立体仓库（AS/RS） 堆垛机
Keywords: PLC Automated Storage and Retrieval System Stacker Cranes
1 引言
自动化立体仓库（AS/RS）是物料搬运、仓储管理科学中一门综合性的、是由高位托盘货架构成并配以堆垛机或其他自动化传输系统、操作软件的物流系统。它与平库相比，可节约７０％的占地面积和７０％的劳动力。具有很高的空间利用率和出入库能力，能加快货物的出入库存储节奏，减轻劳动强度，提高生产效率；其一次性投入成本也相当高，如我公司的上海印钞厂AS/RS项目仅货架总价就达260多万人民币，其具体构成为DF(P)M-30-1000堆垛机6台，货位数4250个，货架高度约30米，共6个巷道，货物单元规格为1250（L）× 920（W）× 1440（H）、货物单元设计重量1000 kg，生产安装工作周期近4个月。它是我司所做的50多座自动化立体仓库货架(AS/RS )中最高的一座。主要通过监控计算机实现全面协调、监视、控制目的，其主要功能是接收操作指令、检测信号、指挥作业、判断故障、返回信息等。包括监控、管理调度计算机、红外通信器、堆垛机、转轨机、输送设备等。而立体仓库中货物的存储节奏及作业周期主要由巷道堆垛机的工作运行速度决定的，目前我公司选用的堆垛机技术要求主要为：水平运行速度最高达200m/min，起升速度最高达120m/min，货叉伸缩运行最高速度达50m/min等。本文拟就SIMATIC S7-300 可编程控制器在立体仓库（AS/RS）系统堆垛机电机闭环无级控制中的具体应用、控制系统的配置及控制方案的选择思路等进行探讨。
2 概述
目前，自动化立体仓库巷道堆垛机应用的变频调速手段有两种：
1）、当运行控制速度、控制定位精度较低时，一般选用开环有级调速运行模式：即手动设定几个固定的运行频率（如：高速、中速、低速三种运行频率，实际上可根据使用的不同规格或品牌的变频器及配套的变频电机等选择设定不同梯度的运行频率，如美国宝德的某款变频调速系统的有级调速设定可达16级），根据堆垛机的具体运行和控制要求由PLC根据外部环境的输入输出信号进行程序控制切换和设定，如用控制用行程开关、光电接近开关等作为信号输入控制单元等，以达到调速、定位停准的目的；但该变频调速手段的输出偏差或位置控制的误差分布范围大，特别是当自动化立体仓库巷道堆垛机的运行速度较高时，会造成速度转换后的加、减速距离的增加，加、减速平稳性控制难度的增加以及控制单元敏感性下降、故障率上升等，其应用具有很大的应用局限性。
2）、当运行控制速度、控制定位精度较高时，一般选用闭环无级运行控制模式，即：对堆垛机的运行速度、运行位移量或位置定位点实现闭环无级运行控制模式，从而从根本上实现到达目的地址时的制动停准和根据运行距离实现的平稳换速、适时调整变频器的运行控制频率，以实现最佳平稳运行速度的要求，并能缩短作业周期，提高作业效率；该变频调速手段控制精度高，运动控制平稳，具体场合的适应性好，系统运行的可靠性高，易调试，但一次性投资成本较高。主要表现在闭环反馈信号元件的控制精度选择与配置（如：激光测距仪及其接口电路或板卡）、PLC配置上的高端化、上位机控制软件及硬件与PLC的接口电路或板卡等，其软件编程的高端和复杂化以及软件开发调试具有一定的难度等。
3 闭环无级控制原理
要实现自动化立体仓库巷道堆垛机的闭环无级控制，必须根据变频器和堆垛机电机的特性，即：在一定载荷下变频器所存在的理想加速和减速特性曲线，或根据不同的品牌和规格的变频器的特性参考资料、所运输载运货物所允许的最大加速度以及现场运行试验的结果、堆垛机电机的负荷特性等进行适时调整。基本控制原理如图一：
基本控制思想为：1）、根据激光测距仪测量反馈的当前速度信号适时调整变频器的输出驱动频率值，从而保证堆垛机能以要求的速度平稳运行；其还表现在必须根据自动化立体仓库库存的具体货物，如货物的重量、重心高度等选择相应的速度控制模式，即初时运动加速度与加速控制时间、平稳运行速度与距离、减速运动加速度与控制时间等，并提供客户一系列的控制规范图表；2）、根据激光测距仪测量反馈当前堆垛机的距离信号及预先设定的控制方案适时调整变频器的输出驱动频率值，使堆垛机先以较高的速度运行到接近目的地址的位置后将速度平稳降到较低的速度下工作，并在目的地址处准确制动停准，必要时可采取机械抱闸系统来辅助快速定位；堆垛机在工作过程中实时采集水平运行、货物升降、货叉伸缩三个方向的数据，并不断地与存放在软件控制数据块里的标准位置参数进行比较和控制决策，从而达到准确定位、快速存储货物、提高作业效率的目的，并与监控系统交换工作信息和库位状态信息等以实现系统的全面动态管理。
4 控制方案
为实现自动化立体仓库巷道堆垛机的闭环无级控制，其闭环无级控制反馈信号根据认址方式上的差异可分为：认址片认址、旋转编码器认址、激光测距仪，一般情况下采用激光测距、测速进行速度反馈的电机闭环变频调速方案是一种比较理想的控制方案，该方案能精确控制电机转矩，低速运行性能好，电机加速特性好，调速范围大，工作性能可靠且动态响应性能好，其重复控制精度可达到1mm以上，但系统开发成本高，影响到实际的推广应用。
随着计算机技术的飞速发展，特别是现场总线技术的日益成熟，立体仓库的控制模式也从采用PLC加PC或PC加控制板卡的方式，发展为软PLC控制模式，同时该系统价格较传统的PLC或板卡控制方式低，且应用灵活，该系统涉及到电气控制原理、数据库以及决策技术、计算机技术等，其核心控制部分为软PLC，与外部周边设备或硬件采用PROFIBUS-DP现场总线，操作界面和各个程序之间的接口利用C++语言编写，备有连接SIMATIC系列元件的整套接口、固有的HMI（人机界面）等，但针对堆垛机电机的高、低速控制应用方案（包括有些特殊控制性能要求而选用伺服驱动系统的堆垛机系列）仍优先选用闭环变频调速控制方案，
PLC与激光测距仪和绝对值旋转编码器的连接采用：DEVICENET连接方式，激光测距仪通过串口连接，用协议宏方式通信，绝对值旋转编码器通过I/O口连接，使用GRY指令，注意考虑和调试好整个系统的响应时间，如DME240激光测距仪具有以下特性参数：测距范围为0.5-240M，通信接口有SSI、Profibus-DP、Interbus-S三种，输出时间只有1ms，分辩率为0.1/1mm，运行速度可达10M/S等。
5 在配送中心模式下的具体应用
一般配送中心的主要作业流程为:
立体仓库中堆垛机的主要工作是完成储存环节的搬运，即：准确地依照上位机给出的出入库地址将货物取出或放入有关货位，并将工作过程的状态信息反馈给监控系统；
选择SIMATIC S7-300系列PLC系统并应用在AS/RS体系中已取得了很大的成功，SIMATIC S7-300为模块化无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展、具有广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SIMATIC S7-300成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。结合堆垛机的工作特性，SIMATIC S7-300是既经济又方便的选择方案。
案例一：某配送中心立体仓库的堆垛机电气控制部分采用西门子S7-300PLC，PLC与监控系统以及各从站之间的通讯采用PROFIBUS-DP现场总线方式；
硬件：1）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU313C-2DP一块，2）、SIEMENS SIMATIC S7-300 16bit24V数字量输入模块二块，3）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CP342-5一块，4）、SIEMENS SIMATIC S7-300 ET200M一块，5）、SIEMENS SIMATIC S7-300FM350计数模块一块，6）、SIEMENS SIMATIC S7-300 PS3075A电源模块二块，7）、从站可根据系统设计和要求合理选择多组，一组从站（一套堆垛机，实现一个巷道的控制），包括三台变频器及变频电机、两台激光测距仪（控制重复精度为1mm，测距范围在240M左右，选择德国SICK的相关型号）、一个ET200M等。
软件：该系统软件的开发环境为SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 V5.1编程软件，采用STL方式编程，可实现堆垛机的手动、自动、整线联机等基本功能。结合具体的上位机的仓库管理软件或资源管理系统ERP等，配置相应的接口电路与系统可实现立体仓库的高效动态管理。
具体应用：在软件系统设置具体的堆垛机工作模式时一般依据下列可能选择，在设备调试、库房库位盘点或故障处理时使用手动工作模式；单独控制和使用堆垛机，不需要周边设备（如：管理机、输送机等）参与工作时选用自动工作模式；通常采用整线联机工作模式，以确保立体仓库中的作业情况、库存量动态变化情况等能准确反映到企业的管理系统中。
6 结论
采用激光测距、测速进行速度反馈的电机闭环变频调速方案是一种比较理想的堆垛机控制方案，基本能满足AS/RS立体仓库系统对各巷道堆垛机的控制要求，实现货物存储过程的快速平稳的作业，提高作业效率和控制质量。
参考文献：
1、 周奇才，《自动化仓库主要运行参数的优化确定》，《上海铁道大学学报》1999(12)
2、 满永奎 吴成东 《通用变频器及其应用》 机械工业出版社 1995年8月
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