立体仓库实训装置电气控制系统的设计与实现

立体仓库实训装置电气控制系统的设计与实现

李春林

（天地壹号饮料股份有限公司529100）

摘要：随着科技的不断进步，高校针对实践要求并结合电气自动化等专业的特点，研究出了一种模拟生产实际的自动化立体仓库实训装置，而其中电气控制系统的设计一直都是重中之重，本文从立体仓库的工作过程出发，介绍了立体仓库实训装置电气控制系统的结构设计，从硬件控制系统和软件设计两方面讨论了其设计与实现方法。

关键词：立体仓库；实训装置；电气控制系统；设计；硬件；软件

随着现代社会的不断发展，物流业的不断改革，行业对自动化仓储技术的要求也越来越高，并且自动化技术在仓储方面的应用也变得越来越重要，它能够很好的促进仓储技术的发展，因此立体仓库的出现也为仓储技术带来的极大的便利，这是一种实现储存、管理结合为一体的控制系统，它不需要人工干预就能完成对货物的各项操作，占地面积小、工作强度高、人力资源利用率高，因此成为了仓储技术最大的帮手之一，而为了让高校学生更加适应立体仓库的运营手段和操作方法，立体仓库实训装置就变的极为重要，为了提高学生的动手实践能力和创新思考能力，本文详细介绍了立体仓库实训装置电气控制系统的设计与实现方法，希望能够起到积极的作用。

一、立体仓库工作过程概述

立体仓库的工作过程主要分为两部分：入库和出库。在这样的工作过程中，需要通过人机界面进行命令的发出，然后将信号传送给自动堆垛机，之后码垛机的行走电机和升降电机同时运行，在定位系统的帮助下到达自己的位置，在到达位置后执行停机操作，在货叉的动作下执行货物的存取操作，当一套动作做完之后自动码垛机会回到原点，等待执行下一次的操作。在这样的一个过程中，所包含的电气控制系统所能产生的影响也不可忽视，控制系统的存在使得立体仓库的工作过程更加流畅，且所能完成的任务和具有的功能也更加完善丰富，例如最有效且最安全的急停功能，以及最方便的自动/手动切换功能。

二、立体仓库实训装置结构设计

一般来讲，自动化立体仓库实训装置由五部分构成，分别是：电气控制系统、立体货架、码垛机、监控系统以及电气柜，各个部分相互配合进而使得学生可以在实训基地就感受到立体仓库的作用和使用方法。而在其中，电气控制系统又是最难实现且作用极大的一部分。

下图为立体仓库实训装置模型：

（一）电气控制系统

立体仓库实训装置所使用的电气控制系统一般是由西门子S7-300作为控制核心的，这种紧凑型的CPU可以集成24路DI、16路DO、5路AL和2路AO，其中4通道DO可以产生脉宽调制为2.5kHz的脉冲输出，实现更好更稳定的电机控制及驱动。

（二）立体货架

即用来存放货物的装置，这也是立体仓库最不舍弃的一部分，我们所使用的立体仓库实训设备的立体货架是由铝型材制作而成的，制作成的货架结构稳定且方便调整。

（三）码垛机

对于立体仓库来讲，最人性化的是电气控制系统，最不可缺少的是立体货架，而最重要的就要数码垛机了，它也是整个立体仓库的核心部分，在设计制造立体仓库实训装置的过程中，必须要保证码垛机的运行安全可靠，货物的存取精确度要高，操作起来方便快捷。

码垛机如下图所示：

（一）监控系统

为了更好实现对实训装置的控制，安装完整的监控系统也是必不可少的，通过安装触摸屏和动态组件实现对现场情况的实时监测。

（二）电气柜

电气柜一般由开关电源、指示灯等部分组成，作用是使得立体仓库的控制组件放到一个柜子里，方便寻找和控制。

三、立体仓库实训装置电气控制系统的设计与实现

（一）电气控制系统的硬件控制部分

对于自动化立体仓库的实训设备来说，想要更好的实现仓库的自动化管理，码垛机是不可缺少的一部分，特别是对于电气控制过程来说，硬件控制离不开码垛机，而码垛机的自动化实现方法有很多种，本文主要结合PLC控制器的相关作用，并在编写梯形图控制程序之后，实现码垛机的各项功能和作用。

1.自动寻址

在立体仓库实训设备电气控制系统中，码垛机需要自主辨认寻找地址，并自主找到目标货物的地址，进而完成自己的工作。在这样的过程中，码垛机需要完成自动寻址和自主急停两项工作，在通过电气控制的程序对码垛机进行指令输入时，码垛机需要自动找到指定的位置，并立即停下，停机的位置必须保证在一定的精度内，以免货物的不正常运行，为了配合码垛机的自动寻址，在每个货物的位置上都必须要有码垛机识别码。

码垛机识别货码的方式是光电传感认址，通过光电开关控制发出的红外光，以此光触碰光电继电器，将继电器的出点通断作为信号输入到PLC中，进而控制码垛机上的电气启动和停止，因此不难理解，当码垛机到达指定的位置时，光电开关打开，所释放的光线被挡住，继电器截止，触点断开，导致电机停转，码垛机停止。

2.三维运动装置

为了实现码垛机的各方向运动，以及货叉的伸缩功能，就要对电气控制系统的三维运动装置进行设计，一般水平和竖直的运动是由直流电机实现，联轴器与滚珠丝杠的相连驱动，可以为X/Y轴的旋转提供动力，X/Y轴的移动通过丝杠螺母来进行驱动，另外，为了提高码垛机的运动工作精度，就需要精确定位，一般采用在X/Y轴上所装的光电开关来进行定位。Z轴是由直流电机通过变速齿轮带动货物平台进行前后的运动，位置是由前后两个槽形光电来关来判断当前是否输送到位和取货到位。

3.PLC硬件连接

为了更好的实现对自动控制系统的调整和把控，良好的PLC控制硬件也是必不可少的，西门子公司的硬件连接强度高，操作稳定性优秀，通过触点来控制码垛机的运动。

（二）电气控制系统的软件设计部分

1.PLC软件设计

在进行电气控制系统设计时，最需要考虑到的就是程序执行的稳定性和效率，立体仓库实训装置的系统PLC软件主要在step7编程环境下设计，所需要设计的模块包括主程序、入库运行程序以及出库运行程序。为了更好实现码垛机的即停即走的功能，需要安排一定的目的列，当码垛机在水平行走过程中，当前大于目的列，则需要使码垛机后退运行，小于目的列时同样，直到码垛机到达指定的位置为止；垂直运行主要应用于存取货物时，设计出保证与码垛机层数对应的程序，实现货物存取的精确性。

2.人机界面设计为了保证电气控制系统的设计更加人性化，也为了保证人为控制起来更加方便简单，人机界面的设计也同样不容忽视。就如下图所展示一样，首先设定模式选择，即可以选择手动/自动模式，通过手动模式可以让操作者更加直观的感受到电气控制的过程，体会立体仓库的运行机制，真正实现实训装置的有效作用，而自动模式设定可以添加入库/出库操作，进行行和列的设定，在一切准备妥当之后按下运行按钮使其自动运行，实现立体仓库的自动化运行，在整个设定的工作完成后，码垛机会自动回到原点，等待下一次的工作设定，而为了保证实训装置的安全性和可靠性，监控系统就发挥了它应有的作用，工作过程中的急停处理为工作过程中会出现的事故做好的预防措施。

四、结语

随着社会的不断进步，科技的迅速发展，立体仓库的应用也越来越广泛，为了更好让人们了解立体仓库，了解未来社会发展的新步伐，立体仓库实训设备的出现就成了必然事件，本文从立体仓库的工作过程出发，详细介绍了立体仓库实训装置电气控制系统的硬件结构与软件设计，此设计在满足教学意义的基础上可以更好的实现实训装置的电气控制，保证立体仓库的良好安全运行，或许在不久的将来，这样的实训装置将成为教学的首选装置，这样的立体仓库将会在今后的生活中占据重要的地位。

参考文献：

[1]张亭.自动化立体仓库实训系统开发[D].导师：柏艳红.太原科技大学，2017.

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