摘　要 簡述SIMATIC S7-300 可編程控制器在自動化立體倉庫（AS/RS）系統(tǒng)堆垛機電機閉環(huán)無級控制中的具體應(yīng)用，PLC控制系統(tǒng)的配置及控制方案的選擇思路，極大地推動了AS/RS系統(tǒng)控制體系的發(fā)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.
關(guān)鍵詞 可編程控制器 自動化立體倉庫（AS/RS） 堆垛機
Keywords: PLC Automated Storage and Retrieval System Stacker Cranes

1 引言

自動化立體倉庫（AS/RS）是物料搬運、倉儲管理科學(xué)中一門綜合性的、是由高位托盤貨架構(gòu)成并配以堆垛機或其他自動化傳輸系統(tǒng)、操作軟件的物流系統(tǒng)。它與平庫相比，可節(jié)約７０％的占地面積和７０％的勞動力。具有很高的空間利用率和出入庫能力，能加快貨物的出入庫存儲節(jié)奏，減輕勞動強度，提高生產(chǎn)效率；其一次性投入成本也相當(dāng)高，如我公司的上海印鈔廠AS/RS項目僅貨架總價就達(dá)260多萬人民幣，其具體構(gòu)成為DF(P)M-30-1000堆垛機6臺，貨位數(shù)4250個，貨架高度約30米，共6個巷道，貨物單元規(guī)格為1250（L）× 920（W）× 1440（H）、貨物單元設(shè)計重量1000 kg，生產(chǎn)安裝工作周期近4個月。它是我司所做的50多座自動化立體倉庫貨架(AS/RS )中最高的一座。主要通過監(jiān)控計算機實現(xiàn)全面協(xié)調(diào)、監(jiān)視、控制目的，其主要功能是接收操作指令、檢測信號、指揮作業(yè)、判斷故障、返回信息等。包括監(jiān)控、管理調(diào)度計算機、紅外通信器、堆垛機、轉(zhuǎn)軌機、輸送設(shè)備等。而立體倉庫中貨物的存儲節(jié)奏及作業(yè)周期主要由巷道堆垛機的工作運行速度決定的，目前我公司選用的堆垛機技術(shù)要求主要為：水平運行速度最高達(dá)200m/min，起升速度最高達(dá)120m/min，貨叉伸縮運行最高速度達(dá)50m/min等。本文擬就SIMATIC S7-300 可編程控制器在立體倉庫（AS/RS）系統(tǒng)堆垛機電機閉環(huán)無級控制中的具體應(yīng)用、控制系統(tǒng)的配置及控制方案的選擇思路等進(jìn)行探討。

2 概述

目前，自動化立體倉庫巷道堆垛機應(yīng)用的變頻調(diào)速手段有兩種：

1）、當(dāng)運行控制速度、控制定位精度較低時，一般選用開環(huán)有級調(diào)速運行模式：即手動設(shè)定幾個固定的運行頻率（如：高速、中速、低速三種運行頻率，實際上可根據(jù)使用的不同規(guī)格或品牌的變頻器及配套的變頻電機等選擇設(shè)定不同梯度的運行頻率，如美國寶德的某款變頻調(diào)速系統(tǒng)的有級調(diào)速設(shè)定可達(dá)16級），根據(jù)堆垛機的具體運行和控制要求由PLC根據(jù)外部環(huán)境的輸入輸出信號進(jìn)行程序控制切換和設(shè)定，如用控制用行程開關(guān)、光電接近開關(guān)等作為信號輸入控制單元等，以達(dá)到調(diào)速、定位停準(zhǔn)的目的；但該變頻調(diào)速手段的輸出偏差或位置控制的誤差分布范圍大，特別是當(dāng)自動化立體倉庫巷道堆垛機的運行速度較高時，會造成速度轉(zhuǎn)換后的加、減速距離的增加，加、減速平穩(wěn)性控制難度的增加以及控制單元敏感性下降、故障率上升等，其應(yīng)用具有很大的應(yīng)用局限性。

2）、當(dāng)運行控制速度、控制定位精度較高時，一般選用閉環(huán)無級運行控制模式，即：對堆垛機的運行速度、運行位移量或位置定位點實現(xiàn)閉環(huán)無級運行控制模式，從而從根本上實現(xiàn)到達(dá)目的地址時的制動停準(zhǔn)和根據(jù)運行距離實現(xiàn)的平穩(wěn)換速、適時調(diào)整變頻器的運行控制頻率，以實現(xiàn)最佳平穩(wěn)運行速度的要求，并能縮短作業(yè)周期，提高作業(yè)效率；該變頻調(diào)速手段控制精度高，運動控制平穩(wěn)，具體場合的適應(yīng)性好，系統(tǒng)運行的可靠性高，易調(diào)試，但一次性投資成本較高。主要表現(xiàn)在閉環(huán)反饋信號元件的控制精度選擇與配置（如：激光測距儀及其接口電路或板卡）、PLC配置上的高端化、上位機控制軟件及硬件與PLC的接口電路或板卡等，其軟件編程的高端和復(fù)雜化以及軟件開發(fā)調(diào)試具有一定的難度等。

3 閉環(huán)無級控制原理

要實現(xiàn)自動化立體倉庫巷道堆垛機的閉環(huán)無級控制，必須根據(jù)變頻器和堆垛機電機的特性，即：在一定載荷下變頻器所存在的理想加速和減速特性曲線，或根據(jù)不同的品牌和規(guī)格的變頻器的特性參考資料、所運輸載運貨物所允許的最大加速度以及現(xiàn)場運行試驗的結(jié)果、堆垛機電機的負(fù)荷特性等進(jìn)行適時調(diào)整?；究刂圃砣鐖D一：



基本控制思想為：1）、根據(jù)激光測距儀測量反饋的當(dāng)前速度信號適時調(diào)整變頻器的輸出驅(qū)動頻率值，從而保證堆垛機能以要求的速度平穩(wěn)運行；其還表現(xiàn)在必須根據(jù)自動化立體倉庫庫存的具體貨物，如貨物的重量、重心高度等選擇相應(yīng)的速度控制模式，即初時運動加速度與加速控制時間、平穩(wěn)運行速度與距離、減速運動加速度與控制時間等，并提供客戶一系列的控制規(guī)范圖表；2）、根據(jù)激光測距儀測量反饋當(dāng)前堆垛機的距離信號及預(yù)先設(shè)定的控制方案適時調(diào)整變頻器的輸出驅(qū)動頻率值，使堆垛機先以較高的速度運行到接近目的地址的位置后將速度平穩(wěn)降到較低的速度下工作，并在目的地址處準(zhǔn)確制動停準(zhǔn)，必要時可采取機械抱閘系統(tǒng)來輔助快速定位；堆垛機在工作過程中實時采集水平運行、貨物升降、貨叉伸縮三個方向的數(shù)據(jù)，并不斷地與存放在軟件控制數(shù)據(jù)塊里的標(biāo)準(zhǔn)位置參數(shù)進(jìn)行比較和控制決策，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位、快速存儲貨物、提高作業(yè)效率的目的，并與監(jiān)控系統(tǒng)交換工作信息和庫位狀態(tài)信息等以實現(xiàn)系統(tǒng)的全面動態(tài)管理。

4 控制方案

為實現(xiàn)自動化立體倉庫巷道堆垛機的閉環(huán)無級控制，其閉環(huán)無級控制反饋信號根據(jù)認(rèn)址方式上的差異可分為：認(rèn)址片認(rèn)址、旋轉(zhuǎn)編碼器認(rèn)址、激光測距儀，一般情況下采用激光測距、測速進(jìn)行速度反饋的電機閉環(huán)變頻調(diào)速方案是一種比較理想的控制方案，該方案能精確控制電機轉(zhuǎn)矩，低速運行性能好，電機加速特性好，調(diào)速范圍大，工作性能可靠且動態(tài)響應(yīng)性能好，其重復(fù)控制精度可達(dá)到1mm以上，但系統(tǒng)開發(fā)成本高，影響到實際的推廣應(yīng)用。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是現(xiàn)場總線技術(shù)的日益成熟，立體倉庫的控制模式也從采用PLC加PC或PC加控制板卡的方式，發(fā)展為軟PLC控制模式，同時該系統(tǒng)價格較傳統(tǒng)的PLC或板卡控制方式低，且應(yīng)用靈活，該系統(tǒng)涉及到電氣控制原理、數(shù)據(jù)庫以及決策技術(shù)、計算機技術(shù)等，其核心控制部分為軟PLC，與外部周邊設(shè)備或硬件采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，操作界面和各個程序之間的接口利用C++語言編寫，備有連接SIMATIC系列元件的整套接口、固有的HMI（人機界面）等，但針對堆垛機電機的高、低速控制應(yīng)用方案（包括有些特殊控制性能要求而選用伺服驅(qū)動系統(tǒng)的堆垛機系列）仍優(yōu)先選用閉環(huán)變頻調(diào)速控制方案，
PLC與激光測距儀和絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器的連接采用：DEVICENET連接方式，激光測距儀通過串口連接，用協(xié)議宏方式通信，絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器通過I/O口連接，使用GRY指令，注意考慮和調(diào)試好整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間，如DME240激光測距儀具有以下特性參數(shù)：測距范圍為0.5-240M，通信接口有SSI、Profibus-DP、Interbus-S三種，輸出時間只有1ms，分辯率為0.1/1mm，運行速度可達(dá)10M/S等。

5 在配送中心模式下的具體應(yīng)用

一般配送中心的主要作業(yè)流程為:


立體倉庫中堆垛機的主要工作是完成儲存環(huán)節(jié)的搬運，即：準(zhǔn)確地依照上位機給出的出入庫地址將貨物取出或放入有關(guān)貨位，并將工作過程的狀態(tài)信息反饋給監(jiān)控系統(tǒng)；

選擇SIMATIC S7-300系列PLC系統(tǒng)并應(yīng)用在AS/RS體系中已取得了很大的成功，SIMATIC S7-300為模塊化無風(fēng)扇的設(shè)計，堅固耐用，容易擴展、具有廣泛的通訊能力，容易實現(xiàn)的分布式結(jié)構(gòu)以及用戶友好的操作使SIMATIC S7-300成為中、高檔性能控制領(lǐng)域中首選的理想解決方案。結(jié)合堆垛機的工作特性，SIMATIC S7-300是既經(jīng)濟又方便的選擇方案。

案例一：某配送中心立體倉庫的堆垛機電氣控制部分采用西門子S7-300PLC，PLC與監(jiān)控系統(tǒng)以及各從站之間的通訊采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線方式；

硬件：1）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU313C-2DP一塊，2）、SIEMENS SIMATIC S7-300 16bit24V數(shù)字量輸入模塊二塊，3）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CP342-5一塊，4）、SIEMENS SIMATIC S7-300 ET200M一塊，5）、SIEMENS SIMATIC S7-300FM350計數(shù)模塊一塊，6）、SIEMENS SIMATIC S7-300 PS3075A電源模塊二塊，7）、從站可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計和要求合理選擇多組，一組從站（一套堆垛機，實現(xiàn)一個巷道的控制），包括三臺變頻器及變頻電機、兩臺激光測距儀（控制重復(fù)精度為1mm，測距范圍在240M左右，選擇德國SICK的相關(guān)型號）、一個ET200M等。

軟件：該系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境為SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 V5.1編程軟件，采用STL方式編程，可實現(xiàn)堆垛機的手動、自動、整線聯(lián)機等基本功能。結(jié)合具體的上位機的倉庫管理軟件或資源管理系統(tǒng)ERP等，配置相應(yīng)的接口電路與系統(tǒng)可實現(xiàn)立體倉庫的高效動態(tài)管理。

具體應(yīng)用：在軟件系統(tǒng)設(shè)置具體的堆垛機工作模式時一般依據(jù)下列可能選擇，在設(shè)備調(diào)試、庫房庫位盤點或故障處理時使用手動工作模式；單獨控制和使用堆垛機，不需要周邊設(shè)備（如：管理機、輸送機等）參與工作時選用自動工作模式；通常采用整線聯(lián)機工作模式，以確保立體倉庫中的作業(yè)情況、庫存量動態(tài)變化情況等能準(zhǔn)確反映到企業(yè)的管理系統(tǒng)中。

6 結(jié)論

采用激光測距、測速進(jìn)行速度反饋的電機閉環(huán)變頻調(diào)速方案是一種比較理想的堆垛機控制方案，基本能滿足AS/RS立體倉庫系統(tǒng)對各巷道堆垛機的控制要求，實現(xiàn)貨物存儲過程的快速平穩(wěn)的作業(yè)，提高作業(yè)效率和控制質(zhì)量。


參考文獻(xiàn)：

1、 周奇才，《自動化倉庫主要運行參數(shù)的優(yōu)化確定》，《上海鐵道大學(xué)學(xué)報》1999(12)
2、 滿永奎 吳成東 《通用變頻器及其應(yīng)用》 機械工業(yè)出版社 1995年8月