平面仓储控制系统设计

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随着机电-体化技术的迅猛发展和工业生产自动化水平的提高，机械技术、电子技术和气动技术越来越密切地联系在-起，机、电、气-体化设备或柔性生产线越来越多。本文以青岛职业技术学院国家职业教育电工电子与 自动化技术实训基地平面仓储实训台为依托，阐述机电气-体化[1]控制系统的设计与实现过程。

-、平面仓储系统结构平面仓储系统结构如图 1所示，其由储料塔、推料机构、分拣线、机械手、定位输送线、入库机构、平面仓库(包含 8个仓位)、气压传动系统和PLC控制系统组成，用以实现工件储存、工件出库、工件分拣、工件搬运、工件定位、工件入库等操作。工作过程为：工件从井式出料塔放入，推料机构将其推送到分拣线传送带上；传送带将工件送至机械手下方定位块处，传送过程中安装在传送带上部的电感、电容、颜色三种传感器对工件材质、颜色进行检测，PLC系统根据检测结果判断出工件种类；然后，机械手将工件抓娶搬运到入库机构上，步进电机驱动定位输送线传送带、带动人库机构根据所检测到的工件种类，将工件送到平面仓库八个仓位之-的人口处；接着，入库机构将工件推入料仓，完成入库；最后，入库机构返回到原点等待下-工作循环。

图 1 平 面仓储装置 结构 示意图二、气压传动系统设计因气压传动具有反应快、动作迅速、维护简单、故障易排除、无污染、成本低、工作可靠、易于实现 自动化等优点，越来越广泛地用于各类生产设备、自动生产线的运动、传递和控制。平面仓储系统分拣线、定位输送线分别由普通交流电动机、步进电动机提供动力，推料机构、机械手、入库机构都是由气压系统提供动力和运动，其气压传动原理如图 2所示。

： 争争争注：1.气源；2.气动三联件；3.二位五通电磁换向阀；4。

单向调整阀；5.推料气缸；6.机械手升降气缸；7.机械手夹紧气缸；8.机械手旋转气缸 ；9.入库气缸；10.消音器。

图 2 气压传动原理 图收稿日期：2012-06-07作者简介：赵秋玲(1974-)，女，山东冠县人，讲师，硕士；刘扬(1981-)，男，山东青岛人，助理工程师。

592012年第6期 音鸟职甚技术净阮学报根据平面仓储系统的工作过程和气压原理 图，设计各电磁阀的动作顺序如表 1所示。

表 1 平面仓储系统电磁阀动作顺序表 、 1YK 2YK 3YK 4YK 5YK初 始状 态储料塔有工件，出库 出库工件到分拣线，推料气缸返回 -机械 手初 始位 置工件到位，机械手下降工件到位，夹紧工件夹紧到位，机械手上升搬 运 货物 机 械 上升到位，机械手正转 - 手动作 旋转到位，入库机构在初始位置(定位线右 端)，机械手下降下降到位 ，松 开工件松开到位，机械手上升上升到位，机械手反转，回到初始位置工件传输到位，入库 -t入 库入库到位 ，入库 气缸返 回三、PI C控制系统设计如图 1所示，平面仓储系统信号检测元件为1O个安装在气缸两端部的磁性开关、8个仓位满检测行程开关、2个输送线左右限位开关、2个对射式光电开关、1个颜色传感器、1个电感传感器、1个电容传感器和 1个编码器(含 A相、B相两路脉冲输出信号)，加上启动、停止、急停、复位按钮及编码器启动、复位按钮，共有 33个输入点。

动作执行元件包含 l台分拣线交流电机、1台定位输送线步进电机、1个推料气缸、1个入库气缸和3个机械手气缸流电机利用松下FRo变频器控制，使用西门子 PI C的 PWM功能可实现变频器的 PWM 控制，并在输出轴上安装有旋转编码器，以实现分拣线工件传输的定位控制。

步进电机用步进驱动器进行控制，使用 PLC的PTO功能输出脉冲串控制步进电机动作，保证工件正确地输送到指定仓位。变频器需要 3路输出信号控制，步进控制器需要 2路输出信号控制，5个气缸需要 5个气动电磁阀控制，配合 1个运行指示、1个报警，共需要 12个输出点。

(-)硬件选择及设计平面仓储控制系统共有 33个输人点、12个输出点。为使其控制系统智能性、灵活性、可靠性6f]和性价比较高，选用西门子 S7-200PLC和 277系列触摸屏作为控制系统核心，具体配置如下：· 两个 PI C，CPU224XPSi DC/DC/DC，14人/10出，自带两个 R 485接口Porto和 Port1、4路模拟量。CPU222DC/DC/DC，8人/6出，自带-个 RS-485接口Porto。

· 1个触摸屏，TP227硬件系统构成如图3所示。1个触摸屏和两个 PLC搭建了基于触摸屏的控制系统，触摸屏为主站，PLC为从站，三者通过 Profibus总线连接在-起，利用 winCC Flexible6.0进行硬件组态和触摸屏画面设计，实现三者之间的相互通讯。

变频控制 步进控制图 3 平面仓储控 制 系统组成音鸟取甚技术净 学报 2012年第6期根据平面仓储系统的工作过程，将平面仓储控制系统分为分拣控制、定位入库控制两部分，分拣控制系统有 CPU224XPSi和相应外设构成，主要控制推料机构气缸、变频器的动作和旋转编码器的高速计数，实现工件的出库、分拣和传送。定位入库控制系统有 CPU222DC/DC/DC、EM221及相应外设构成，主要控制机械手、步进电机和入库气缸的动作，实现工件传输、定位和入库操作。

表 2 控制系统 Uo分配表1#从站 2#从站(带扩展 I/O拈)10.0 启动 IO.O 分拣线工件到位检测IO.1 停止 IO.1 机械手下降到位IO.2 急停 IO.2 机械手上升到位IO.3 复位 10.3 机械手夹紧到位IO.4 推料前进到位 IO.4 机械手松开到位IO.5 推料返回到位 IO.5 机械手正转送料到位IO.6 料仓工件检测 IO.6 机械手反转取料到位输入 输入10.7 旋转编码器 A相 IO.7 定位输送线原点位I1.O 旋转编码器 B相 I1.O 1#仓位满检测I1.1 旋转编码器复位I1.2 旋转编码 器启动 I1.7 8#仓位 满检 测I1.3 电感传感器 I2.0 定位输送线右极限位IlI 4 电容传感器 I2.1 定位输送线左极限位I1.5 颜 色传感器Oo.0 变频器 PWM控制 Qo.0 步进电机脉冲Qo.1 变频器启动 Oo.1 步进电机方向Qo.2 变频器反转 QO.2 机械手夹紧输 出 输 出Qo.3 推料气缸 Qo.3 机械手升降Oo.4 运行指示 Qo.4 机械手旋转Oo.5 蜂呜器 Oo.5 工件入库(二)PLC程序设计思路根据前面分析，整个平面仓储系统主要动作为：出库-分拣-搬运-定位-入库。于此相适应，采用拈化设计思想进行 PLC程序设计。2]1#从站 PLC实现对出库、分拣工位的控制，其包含主程序和出库、变频控制、分拣、编码器高速计数和中断 5个子程序，主程序完成整个系统的启动、停止、急停、复位、报警、指示及子程序的调用等基本功能。

2#从站 PLC实现搬运、定位和入库控制，包含主程序和机械手控制、仓位确定、步进控制、入库控制 3个子程序，主程序主要完成子程序的调用功能。

1#从站 PLC程序分拣结果通过触摸屏传送给 2#从站 PLC，2#从站 PLC确定机械手搬运过来的工件输送到哪个仓位，进而确定步进控制的相关参数。

四、应用前景分析平面仓储实训 台是典型的机电气-体化系统，自2007年引进以来，已投入使用 5年，使用过程中发现整套装置机械和液压系统合理可靠，但电气控制系统略有不足，主要问题是：(1)实训台控制系统选用了两台同样的西门子PLC CPU226作为控制系统核心，成本高，并且不利于学生对$7-200各种型号 PLC、I/O拈的学习和使用。

612012年第6期 青鸟取甚技术净 学报(2)不需要配置 EM277拈进行两个 PLC之间的网络通讯，两个 CPU226 PLC可直接通讯。

结合气压传动动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁等优点，增强了整个系统的智能化、柔性控制系统功能更加完 化和自动化，提高了系统的灵活性、可靠性。

针对上述问题，平面仓储控制系统对原实训台控制系统进行了优化设计，将两个 4O点的CPU226 PLC更换为-个 24点的 CPU224XPSi和-个 14点的CPU222的 PLC，去掉了 EM277拈，引入了模拟量控制，增加了触摸屏单元，大大降低 了成 本，有效利用 了 PI C高速计 数、PWM/PTO、网络通讯等强大的控制功能，发挥了触摸屏人机交互、远程控制、实时监控等优势，统已多次使用，性能稳定，效果好，具有较强用和拓展空间。