南疆地区干果类小型仓库自动存取系统的设计与实现
吕昕聪 李传峰 梁鑫 郭小康
摘 要： 针对当前新疆南疆地区干果类仓库自动化程度不高、空间利用率低和劳动强度大等问题，设计了一种基于PLC的干果类仓库自动控制存取系统。用光电传感器检测待存取仓位货物，以PLC为系统控制核心元件，并做出相应处理，控制步进电机驱动堆垛机的运行，实现了对仓库的自动检测和自动存取。通过对系统进行测试，结果表明，仓库自动存取系统操作过程作业稳定，识别精度较高，操作时间控制较好，具有较好的可靠性与稳定性，单台系统入库能力P1为126.1次/h，单台系统出库能力P2为126.3 次/h。
关键词： 自动存取系统； PLC； 步进电机； 仓库
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0072?04
Abstract： Aiming at the problems of low?level automation， low space utilization rate， great labor intensity and so on of dry fruit storehouse in Southern Xinjiang， a kind of automatic storing and retrieving system based on PLC for dry fruit warehouse was designed. Some photoelectric sensors are used in the warehouse to detect the awaiting goods. The PLC is taken as the system′s control core for controlling the stepping motor to drive the stacker to make corresponding treatment， that is， the stackers could send or fetch the goods automatically by a stepping motor under PLC′s control. The testing results show that the system has stable performance and strong practicality. A single system′s storage capacity P1 is 126.1 times/h， and its delivery of cargo from storage P2 is 126.3 times/h.
Keywords： automatic storing and retrieving system； PLC； stepping motor； storehouse
新疆作為一个以农业为基本经济框架的省份，农业产品资源和气候资源非常丰富，区位优势得天独厚，具有发展特色农业的有利条件。新疆南疆地区常年降雨量少、气候干燥、日照时间长、昼夜温差大，产出的的瓜果异常香甜，促进了红枣、核桃、葡萄干、杏干等内地消费者家喻户晓、耳熟能详的特色干果类农产品的形成[1]。
近些年，随着新疆南疆地区干果业的生产规模不断扩大与发展，传统干果类仓库自动化程度不高、空间利用低和劳动强度大等问题呈现出来。因此，利用PLC具有最优化的逻辑判断能力的控制程序，设计了干果业仓库自动存取系统，使仓库最合理地运行，为南疆干果类仓库运行的生产带来更大的便利和经济效益[2?4]。
1 系统总体设计
1.1 设计思路
目前，南疆地区干果业的仓库称重、存取等工序基本上靠人工完成，严重影响了工作效率、空间利用率和干果存取质量，图1为南疆一师12团和顺枣业公司仓库实际情况。因此，采用先进的PLC控制器控制针对南疆地区干果业设计一个物流仓库自动存取系统，通过系统PLC程序的设计，能灵活方便地进行系统配置满足控制要求，并能通过步进电机、堆垛机和运动机械装置等系统的工作对仓库货物进行准确的自动存取。
1.2 系统功能要求与技术参数
根据南疆一师12团和顺枣业公司对储藏红枣仓库的实际要求，设计本仓库自动存取系统应满足以下功能：巷道堆垛机（机械手）应具有三个自由度，即水平运动，上下运动，前后运动；通过步进电机驱动堆垛机的运动；堆垛机水平运动和上下运动时必须设有限位保护开关；仓库仓位必须安装检测装置（检测传感器），判断仓位是否存有货物；整个自动存取系统控制必须设置急停按钮（开关），以防意外情况的发生。
仓库自动存取系统主要技术参数见表1。
1.3 系统结构与工作原理
系统主要由人机接口界面、电气控制装置、驱动电路模块、步进电机、巷道堆垛机、机械手和仓位模块构成，其主体结构包括：水平轨道、立柱、仓位库体、运动机械及电气控制等部分，如图2 所示。
系统工作原理是利用PLC作为核心控制元件，控制步进电机来驱动一个有三自由度的堆垛机在导轨和立柱上做三维运动。以步进电机每转输出的脉冲数为基础，通过光电传感器进行扫描将信号传送给PLC得出相应的仓位号，并输出对应仓位的脉冲数，经过驱动器驱动步进电机按指令的方向转动相应的角度，进而控制机械传动部件进行准确的定位，以完成仓库货物的存取功能。
2 系统单元设计
通过参考自动化立体仓库的一般结构形态[5]，仓位采用N×M的结构，考虑各模块的功能和要求，合理排列各个部件之间的位置，每个仓位上都设置了检测传感器；仓库自动存取系统采用一个控制台，操作人员通过人机接口界面操控立体仓库的控制面板；控制器采用西门子生产的S7?300系列PLC；电机制动装置采用了两个步进电机；驱动装置是给步进电机配以相应的驱动电路模块。
2.1 PLC控制器
根据系统的工作流程特点和仓库应用要求，选用德国西门子S7?300系列PLC，其型号为S7?300 CPU313。该PLC的各种模块能很好地满足和适应仓库自动存取控制任务，编程软件和组态软件齐全、组网方便、扩展性能良好[2]。能够实现独立控制步进电机，可用于三个方向的位置控制。其中，外部输入元件有：传感检测元件、按钮、存、取、急停、限位开关和超限位保护等；输出有步进电机的正反转、动作指示、错误报警等要求。可以达到对步进电机和堆垛机的运行进行控制，让其实现较复杂的位置定位，另外它还具有时序逻辑控制等功能。图3为PLC电气框图。
2.2 步进电机及驱动电路
步进电机主要任务是按照运动要求来驱动堆垛机的动作，根据系统要求，选用型号为 42BYGH101二相八拍混合式步进电机。其主要特點是具有反复起动和运行频率较高、转矩定位和体积小等优点。其绝缘电阻为DC 500 V 150 mΩ MIN，工作温度范围为-15～50 ℃。
步进电机驱动电路采用型号为SH?2H068步进电机驱动器，主要包括电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。其能够根据系统指令按对应的运行逻辑关系分配脉冲信号，然后通过功率放大器将信号加到步进电机的各相绕组，使步进电机能按相应的方式运行，并实现正转、反转控制和定位控制。
2.3 传感器
传感器采用日本欧姆龙公司生产的光电反射型接插件式传感器作货物检测，其型号为EE?SPY40，电源电压为DC 5～24 V，具有能抗周围外来光干扰性强和调整方便等优点。
2.4 电源模块
电源模块的主要参数如下： 输入交流电压/频率为 220 V/50 Hz； 输出直流电压/电流为24 V/6.5 A； 最大功率为300 W。
3 系统程序设计与实现
仓库自动存取系统设计的主体部分是 PLC 程序的设计[5?6]，整个系统的核心工作就是控制程序，系统的工作方式和性能的好坏取决于程序的处理方法优劣，因此程序的设计与功能的实现在此系统中至关重要。系统程序设计主要采用梯形图和高级语言混编形式，主程序等采用梯形图[2?3]，部分功能块采用汇编语言编程编写，使程序具有简洁、维护方便等特点。图4为系统总体流程图，图5为动作子程序流程图。程序设计后对系统进行了仿真调试，其结果表明，仓库自动存取系统能准确地完成货物的存取任务， 且运行可靠、灵敏，达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。
4 仓库自动存取系统的测试试验
仓库自动存取系统主要包括入库存货以及出库取货两个方面的动作，入库存货与出库取货时，均要保证相应仓位号的准确性，测试试验主要测试入库存货与出库取货操作时的准确性与快速性，主要反映在光电反射型接插件式传感器快速响应的性能。
4.1 试验方法
试验地点为南疆一师12团和顺枣业公司4号存取仓库，主要物料为红枣包装箱。按照设计，试验主要为单一的存取作业方式，分别测算操作系统从各个仓位入库存货的时间周期以及出库取货的时间周期。试验前，将各仓位进行空仓，先进行入库存货操作，再进行出库取货操作；试验时，准备好测试用的秒表，结合系统自计算时间综合测定单次取样时间；试验进行多次重复试验，统计试验时单次操作时间周期的平均时间；另外，根据重复入库存货与出库取货测试，统计操作系统的识别仓位精度。
4.4 试验结果
单台系统入库与出库测试试验结果如表2及表3所示。表2结果表明，仓库自动存取系统入库存货周期作业平均时间为28.54 s，在测试时，仅出现一次识别错误，平均识别精度为99.99%；系统进行入库操作的周期时间均值为18.51 s，表明操作过程作业稳定，操作时间控制较好，具有较好的可靠性与稳定性。经计算，单台系统入库能力P1为126.1次/h。
表2 仓库自动存取系统入库存货测试结果
表3结果表明，仓库自动存取系统出库取货周期作业平均时间为28.49 s，在测试时，无识别错误情况出现，平均识别精度为100%；系统进行出库操作的周期时间均值为20.51 s，测试过程中，操作过程作业稳定，操作时间控制较好，具有较好的可靠性与稳定性。经计算，单台系统出库能力P2为126.3次/h。
5 结 论
本文设计的干果业小型仓库自动存取系统运行性能稳定，送取货物定位准确，安全可靠，为南疆地区干果业物流过程节省了大量的人力和物力，提高了工作效率和空间利用率，具有一定的经济效益和社会效益。
表3 仓库自动存取系统出库取货测试结果
通过对系统进行测试结果表明，仓库自动存取系统操作过程作业稳定，识别精度较高，操作时间控制较好，具有较好的可靠性与稳定性，单台系统入库能力P1则可计算为126.1次/h，单台系统出库能力P2则可计算为126.3次/h。
注：本文通讯作者为李传峰。
参考文献
[1] 陈敏，李志刚.基于SWOT?PEST模型的新疆绿色农产品电子商务分析[J].湖北农业科学，2015，54（10）：2537?2541.
[2] 胡学林.可编程控制器教程[M].北京：电子工业出版社，2014.
[3] 贾德胜.PLC应用开发实用自程序[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[4] 申作兰.仓储与库存管理[M].北京：电子工业出版社，2008.
[5] 吴理门.自动化立体仓库监控系统典型结构模式分析[J].现代物流技术，2008（2）：40?43.
[6] 杨素梅，马百雪.立体仓库控制系统设计[J].可编程控制器与工厂自动化，2013（5）：102?104.
[7] 刘志刚，张建奇，鲍复民.自动化立体仓库机械结构设计[J].机械与电子，2011（10）：32?34.
[8] 岳长进，何露雅，韩丹，等.基于PLC的具有分拣功能的自动化立体仓库设计[J].工业仪表与自动化装置，2010（5）：42?44.
[9] GENG Jingtao， LU Yongxia， YANG Huijing， et al. The design of stereoscopic warehouse stacker motion and control system [J]. Electrical engineering， 2011， 123： 135?139.
摘 要： 针对当前新疆南疆地区干果类仓库自动化程度不高、空间利用率低和劳动强度大等问题，设计了一种基于PLC的干果类仓库自动控制存取系统。用光电传感器检测待存取仓位货物，以PLC为系统控制核心元件，并做出相应处理，控制步进电机驱动堆垛机的运行，实现了对仓库的自动检测和自动存取。通过对系统进行测试，结果表明，仓库自动存取系统操作过程作业稳定，识别精度较高，操作时间控制较好，具有较好的可靠性与稳定性，单台系统入库能力P1为126.1次/h，单台系统出库能力P2为126.3 次/h。
关键词： 自动存取系统； PLC； 步进电机； 仓库
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0072?04
Abstract： Aiming at the problems of low?level automation， low space utilization rate， great labor intensity and so on of dry fruit storehouse in Southern Xinjiang， a kind of automatic storing and retrieving system based on PLC for dry fruit warehouse was designed. Some photoelectric sensors are used in the warehouse to detect the awaiting goods. The PLC is taken as the system′s control core for controlling the stepping motor to drive the stacker to make corresponding treatment， that is， the stackers could send or fetch the goods automatically by a stepping motor under PLC′s control. The testing results show that the system has stable performance and strong practicality. A single system′s storage capacity P1 is 126.1 times/h， and its delivery of cargo from storage P2 is 126.3 times/h.
Keywords： automatic storing and retrieving system； PLC； stepping motor； storehouse
新疆作為一个以农业为基本经济框架的省份，农业产品资源和气候资源非常丰富，区位优势得天独厚，具有发展特色农业的有利条件。新疆南疆地区常年降雨量少、气候干燥、日照时间长、昼夜温差大，产出的的瓜果异常香甜，促进了红枣、核桃、葡萄干、杏干等内地消费者家喻户晓、耳熟能详的特色干果类农产品的形成[1]。
近些年，随着新疆南疆地区干果业的生产规模不断扩大与发展，传统干果类仓库自动化程度不高、空间利用低和劳动强度大等问题呈现出来。因此，利用PLC具有最优化的逻辑判断能力的控制程序，设计了干果业仓库自动存取系统，使仓库最合理地运行，为南疆干果类仓库运行的生产带来更大的便利和经济效益[2?4]。
1 系统总体设计
1.1 设计思路
目前，南疆地区干果业的仓库称重、存取等工序基本上靠人工完成，严重影响了工作效率、空间利用率和干果存取质量，图1为南疆一师12团和顺枣业公司仓库实际情况。因此，采用先进的PLC控制器控制针对南疆地区干果业设计一个物流仓库自动存取系统，通过系统PLC程序的设计，能灵活方便地进行系统配置满足控制要求，并能通过步进电机、堆垛机和运动机械装置等系统的工作对仓库货物进行准确的自动存取。
1.2 系统功能要求与技术参数
根据南疆一师12团和顺枣业公司对储藏红枣仓库的实际要求，设计本仓库自动存取系统应满足以下功能：巷道堆垛机（机械手）应具有三个自由度，即水平运动，上下运动，前后运动；通过步进电机驱动堆垛机的运动；堆垛机水平运动和上下运动时必须设有限位保护开关；仓库仓位必须安装检测装置（检测传感器），判断仓位是否存有货物；整个自动存取系统控制必须设置急停按钮（开关），以防意外情况的发生。
仓库自动存取系统主要技术参数见表1。
1.3 系统结构与工作原理
系统主要由人机接口界面、电气控制装置、驱动电路模块、步进电机、巷道堆垛机、机械手和仓位模块构成，其主体结构包括：水平轨道、立柱、仓位库体、运动机械及电气控制等部分，如图2 所示。
系统工作原理是利用PLC作为核心控制元件，控制步进电机来驱动一个有三自由度的堆垛机在导轨和立柱上做三维运动。以步进电机每转输出的脉冲数为基础，通过光电传感器进行扫描将信号传送给PLC得出相应的仓位号，并输出对应仓位的脉冲数，经过驱动器驱动步进电机按指令的方向转动相应的角度，进而控制机械传动部件进行准确的定位，以完成仓库货物的存取功能。
2 系统单元设计
通过参考自动化立体仓库的一般结构形态[5]，仓位采用N×M的结构，考虑各模块的功能和要求，合理排列各个部件之间的位置，每个仓位上都设置了检测传感器；仓库自动存取系统采用一个控制台，操作人员通过人机接口界面操控立体仓库的控制面板；控制器采用西门子生产的S7?300系列PLC；电机制动装置采用了两个步进电机；驱动装置是给步进电机配以相应的驱动电路模块。
2.1 PLC控制器
根据系统的工作流程特点和仓库应用要求，选用德国西门子S7?300系列PLC，其型号为S7?300 CPU313。该PLC的各种模块能很好地满足和适应仓库自动存取控制任务，编程软件和组态软件齐全、组网方便、扩展性能良好[2]。能够实现独立控制步进电机，可用于三个方向的位置控制。其中，外部输入元件有：传感检测元件、按钮、存、取、急停、限位开关和超限位保护等；输出有步进电机的正反转、动作指示、错误报警等要求。可以达到对步进电机和堆垛机的运行进行控制，让其实现较复杂的位置定位，另外它还具有时序逻辑控制等功能。图3为PLC电气框图。
2.2 步进电机及驱动电路
步进电机主要任务是按照运动要求来驱动堆垛机的动作，根据系统要求，选用型号为 42BYGH101二相八拍混合式步进电机。其主要特點是具有反复起动和运行频率较高、转矩定位和体积小等优点。其绝缘电阻为DC 500 V 150 mΩ MIN，工作温度范围为-15～50 ℃。
步进电机驱动电路采用型号为SH?2H068步进电机驱动器，主要包括电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。其能够根据系统指令按对应的运行逻辑关系分配脉冲信号，然后通过功率放大器将信号加到步进电机的各相绕组，使步进电机能按相应的方式运行，并实现正转、反转控制和定位控制。
2.3 传感器
传感器采用日本欧姆龙公司生产的光电反射型接插件式传感器作货物检测，其型号为EE?SPY40，电源电压为DC 5～24 V，具有能抗周围外来光干扰性强和调整方便等优点。
2.4 电源模块
电源模块的主要参数如下： 输入交流电压/频率为 220 V/50 Hz； 输出直流电压/电流为24 V/6.5 A； 最大功率为300 W。
3 系统程序设计与实现
仓库自动存取系统设计的主体部分是 PLC 程序的设计[5?6]，整个系统的核心工作就是控制程序，系统的工作方式和性能的好坏取决于程序的处理方法优劣，因此程序的设计与功能的实现在此系统中至关重要。系统程序设计主要采用梯形图和高级语言混编形式，主程序等采用梯形图[2?3]，部分功能块采用汇编语言编程编写，使程序具有简洁、维护方便等特点。图4为系统总体流程图，图5为动作子程序流程图。程序设计后对系统进行了仿真调试，其结果表明，仓库自动存取系统能准确地完成货物的存取任务， 且运行可靠、灵敏，达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。
4 仓库自动存取系统的测试试验
仓库自动存取系统主要包括入库存货以及出库取货两个方面的动作，入库存货与出库取货时，均要保证相应仓位号的准确性，测试试验主要测试入库存货与出库取货操作时的准确性与快速性，主要反映在光电反射型接插件式传感器快速响应的性能。
4.1 试验方法
试验地点为南疆一师12团和顺枣业公司4号存取仓库，主要物料为红枣包装箱。按照设计，试验主要为单一的存取作业方式，分别测算操作系统从各个仓位入库存货的时间周期以及出库取货的时间周期。试验前，将各仓位进行空仓，先进行入库存货操作，再进行出库取货操作；试验时，准备好测试用的秒表，结合系统自计算时间综合测定单次取样时间；试验进行多次重复试验，统计试验时单次操作时间周期的平均时间；另外，根据重复入库存货与出库取货测试，统计操作系统的识别仓位精度。
4.4 试验结果
单台系统入库与出库测试试验结果如表2及表3所示。表2结果表明，仓库自动存取系统入库存货周期作业平均时间为28.54 s，在测试时，仅出现一次识别错误，平均识别精度为99.99%；系统进行入库操作的周期时间均值为18.51 s，表明操作过程作业稳定，操作时间控制较好，具有较好的可靠性与稳定性。经计算，单台系统入库能力P1为126.1次/h。
表2 仓库自动存取系统入库存货测试结果
表3结果表明，仓库自动存取系统出库取货周期作业平均时间为28.49 s，在测试时，无识别错误情况出现，平均识别精度为100%；系统进行出库操作的周期时间均值为20.51 s，测试过程中，操作过程作业稳定，操作时间控制较好，具有较好的可靠性与稳定性。经计算，单台系统出库能力P2为126.3次/h。
5 结 论
本文设计的干果业小型仓库自动存取系统运行性能稳定，送取货物定位准确，安全可靠，为南疆地区干果业物流过程节省了大量的人力和物力，提高了工作效率和空间利用率，具有一定的经济效益和社会效益。
表3 仓库自动存取系统出库取货测试结果
通过对系统进行测试结果表明，仓库自动存取系统操作过程作业稳定，识别精度较高，操作时间控制较好，具有较好的可靠性与稳定性，单台系统入库能力P1则可计算为126.1次/h，单台系统出库能力P2则可计算为126.3次/h。
注：本文通讯作者为李传峰。
参考文献
[1] 陈敏，李志刚.基于SWOT?PEST模型的新疆绿色农产品电子商务分析[J].湖北农业科学，2015，54（10）：2537?2541.
[2] 胡学林.可编程控制器教程[M].北京：电子工业出版社，2014.
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[4] 申作兰.仓储与库存管理[M].北京：电子工业出版社，2008.
[5] 吴理门.自动化立体仓库监控系统典型结构模式分析[J].现代物流技术，2008（2）：40?43.
[6] 杨素梅，马百雪.立体仓库控制系统设计[J].可编程控制器与工厂自动化，2013（5）：102?104.
[7] 刘志刚，张建奇，鲍复民.自动化立体仓库机械结构设计[J].机械与电子，2011（10）：32?34.
[8] 岳长进，何露雅，韩丹，等.基于PLC的具有分拣功能的自动化立体仓库设计[J].工业仪表与自动化装置，2010（5）：42?44.
[9] GENG Jingtao， LU Yongxia， YANG Huijing， et al. The design of stereoscopic warehouse stacker motion and control system [J]. Electrical engineering， 2011， 123： 135?139.
