智能仓储控制系统设计方案

1、智能仓储控制系统设计方案1 绪论现代仓储系统集成了先进物流设备、 自动控制系统、 计算机及其网络、 信息识别和信息管理系统等， 其目的是扩大仓储作业能力， 提高劳动生产率， 减少仓储作业差错， 获取更大利润。 其中，仓储控制系统是现代仓储系统的重要组成部分，是仓储高效运行的核心。 仓储系统中的自动分拣系统、 自动入出库系统等广泛使用自动控制系统。 随着物流企业规模扩大和物流技术的发展， 自动化立体仓库和中小规模自动化仓储系统普遍推广应用， 仓储控制系统的规模和复杂程度也日益提高，越来越多的使用计算机控制、 PLC控制，甚至 DCS控制设备，这就直接导致了仓储控制系统的开发、 维护难度增大。 本

2、文以一个典型仓储系统为研究对象，以三菱 PLC为核心建立其控制系统，系统地介绍了整个平台的组成和如何运用一个三菱 PLC实现仓储自动化的工作原理。在此基础上，以一条模拟流水线系统中的小型自动化仓库为研究对象， 进一步介绍了智能仓储各部分的工作原理以及设计出了利用三菱 PLC控制系统完成智能分拣、入库、出库的程序设计。该智能仓储控制系统给出了一种智能化、经济型的仓库自动化设计方案和采用三菱PLC梯形图设计出的最佳程序。2 课题任务的容和要求1、首先通过有关书籍对PLC技术、传感器技术进行初步学习。2、本文要研究的仓储系统如下图所示。3、仓储模拟场地是在普通地面上使用宽 30mm的与地面尽可能有最

3、大颜色反差的胶条作为引导线或标志线；机器人出发区为 300mm×300mm的区域；沿出发区有引导线 ab 和 cd 两段，cd 引导线直达停止区，停止区也是 300mm ×300mm的区域。中间 bc 段 500mm的距离无引导线。引导线 ab 通过 O 点，O点处有一条长 200mm，宽 30mm的线与引导线正交；在距离 O点 350mm 的圆周上有 A、B、C、D、E、F 六个点。这六个点以引导线为对称轴，分布在引导线两侧。 B、O、E 三点在一条直线上， BE垂直于引导线， AOB= BOC= DOE= EOF=45°。 e 点距 c 点 350mm。在引导

4、线 cd 的侧方设置有 G、H、I 三个收料槽，三个收料槽底部为 65× 65mm的正方形，帮高 15mm。三个收料槽的中心线与 cd 引导线垂直，相较于 e 点。收料槽 G的中心，距离引导线 cd 350mm， G、H、 I 之间相距 150mm。机器人收取红、白、黑三种颜色的立方体工件，分别送入指定的收料槽。 （如图 2.1 ）图 2.1仓储系统的基本组成3 仓储系统及机器人的工作过程如图 2.1 ，关节型机器人从出发区开始沿引导线或者标志线前进，当碰到O点处的行程开关（十字引导线处）时便停下，并且记下 O点行程开关被碰到的次数。此时货物被分别放置在 AF 的平台上，通过部程序关

5、节型机器人拾取物料。当机械臂回到参考点时，关节型机器人继续前进。行至 e 点时，关节型机器人触动了 e 点的行程开关，经过程序处理，一使 ef 段的传送带开始工作，二使关节型机器人的机械臂动作，将物料放置在传送带上。当货物经过传送带到达 G、H、I 三点时，安装在这三点的色彩识别传感器就会分别检测货物的颜色，当发现颜色符合色彩识别传感器部程序的时候，转化为数字信号给 PLC。一使 ef 传送带停止， 二使对应的气缸动作， 推动货物至相应的收料槽。当机械臂回到参考点时， 控制后退电机运转， 拾取其他的物料，重复以上操作。当触及O点行程开关的次数达到六次时，而且机械臂回到参考点时，机器人便会向停止

6、区运行继续前进， 触及到 d 点行程开关时延时1-2秒，确保到达停止区后便停止运行。4 分拣机构的控制系统4.1分拣机构工作过程（如图 4.3 ）在 e 点安装一个行程开关 (X001) ，当检测到机器人到达 e 点时，通过 PLC程序提取行程开关（ X001）的上升沿来控制 ef 段的传送带开始工作，并且控制关节型机器人将物料放置在传送带上。 分别在 G、H、I 三点安装红、白、黑三色颜色传感器 (X002、X003、X004)，传送带将工件运送至 G点时，当 G点颜色传感器（红色）检测到工件为红色时， G点颜色传感器（ X002）发出信号，通过 PLC程序，此时一使传送带停止便于物料停止位

7、置和收料槽在一条直线上， 二使 G点的气缸 (Y002) 动作，从而将红色工件送入对应的收料槽； 若检测到 G点工件不是红色，则 G点气缸不采取任何动作，而是由传送带将该工件运送至 H 点；当 H 点颜色传感器（白色）检测到工件为白色时， H点颜色传感器 (X003) 发出信号，通过 PLC程序，一使传送带停止便于物料停止位置和收料槽在一条直线上，二使 H 点的气缸 (Y003) 动作，从而将白色工件送入对应的收料槽；若检测到H点工件不是白色，则H点气缸不采取任何动作，而是由传送带将该工件运送至I点；当 I 点颜色传感器（黑色）检测到工件为黑色时， I 点颜色传感器 (X004) 发出信号，通

8、过 PLC程序，一使传送带停止便于物料停止位置和收料槽在一条直线上，二使 I 点的气缸 (Y004) 动作，从而将黑色工件送入对应的收料槽。 当机器人的机械臂回到参考点并且末端执行器没有物料时候，机器人回头拾取第二个物料。通过 PLC提取只要有一个颜色传感器检测到物料使得传送带停止工作。从而完成了一个周期收料过程。当机器人中的六个立方体工件全部运送至收料槽后，机器人开始向停止区运动。4.2分拣机构梯形图程序X1：e 点处的行程开关Y1：收料槽皮带轮执行电机X2：收料槽 G颜色传感器Y2：收料槽 G处对应的电磁阀X3：收料槽 H 颜色传感器Y3：收料槽 H 处对应的电磁阀X4：收料槽 I 颜色传

9、感器Y4：收料槽 I 处对应的电磁阀4.3分拣机构各硬件布置图图 4.34.4分拣机构零部件行程开关参数：机械寿命1000 万次以上，电气寿命： 30 万次以上 ( 额定负载 ) ，电磁接触器 FC-100(AC200V)负载： 500 万次以上，最大通电頻率120 次/ 分钟颜色传感器气缸5 关节型机器人控制系统的实现5.1 关节型机器人的大致说明首先机器人我们选择的是关节型机器人，下图为机器人通用的形式：1机座 2 控制系统 3 执行机构下图为关节型机器人末端执行器的机械图：1 手爪 2 传动机构3 驱动装置4 支架 5 物料5.2 实现关节型机器人的控制过程如下图所示为智能仓储中机器人的

10、整体结构实际效果图。该机器人以PLC为核心，接受传感器传来的外部信息，进行处理，控制机器人运行。引导线检测模块在机器人的运行过程中起着引导的作用。 根据白色和黑色反射系数不同， 通过以光电传感器为核心的光电检测电路将路面两种颜色进行区分， 转化为不同电平信号，将此电平信号送入 PLC，由 PLC控制转向电机作相应的转向，保证小车沿引导线行驶。而且考虑到小车与路面的相对位置， 采用了反射式光电检测电路。为了提高检测精度， 采用了多传感器信息融合技术。 设计中，在车头均匀布置三个光电传感器，其中，中间一个安装在小车正中央。光电检测转换电路机器人左右两端分别布置一个传感器， 经过正确的电路与 PLC

11、相连接。若两侧某一传感器检测到黑线， 表明小车正脱离轨道， 将 3 个检测点的结果融合后作为 PLC的输入，机器人按照 PLC信息进行判断调整，实现路径跟踪和自动纠偏。若两侧的两个传感器同时检测到黑线， 表明小车行驶至装货位置， 将 3 个监测点的结果融合后作为 PLC的输入，机器人按照 PLC信息进行判断，实现运动的暂停与继续。工件装卸检测电路若机器人经过距离 a 点 550mm处的工件装载点时，通过光电传感器一来控制机器人暂停前进， 同时给 PLC发信号启动关节型机器人实现物料的抓取。 在抓取的过程中，根据六个物料分布在以机器人停止点为圆心的圆周上面， 所以根据已有的数据得出机器人各个关节

12、的运动矩阵， 从而实现物料的抓取。 末端执行器采用气动真空抽吸和真空吹气的形式。 当末端执行器吸有物料的时候， 光电传感器检测到有物料， 此时机械臂返回参考点， 当参考点的位置开关被触动， 才能使得机器人继续前进。 送物料的时候同样的原理， 真空吹气， 末端执行器上面的传感器检测到没有物料， 而且机械臂回到参考点才能启动机器人进行下一个物料的拾取和循环。此时为了保证装载有工件的机器人能平稳运行， 必须将机器人手臂的位置（参考点）调整至与运行方向在同一平面。直到从 AF（如图）中的工件全部装载完毕。当 O的行程开关被触及的次数达到六次时候， PLC会给机器人发信号，即送完物料之后， 机器人直接往

13、停止区域前进， 不再执行回头拾取物料的指令。5.3控制机器人系统的梯形图程序X5: 出发区域的微动开关Y5:控制机器人前进的电机X6: 关节型机器人左侧的光电传感器Y6:控制机器人右拐的电机X7: 关节型机器人右侧的光电传感器Y7:控制机器人左拐的电机X10:O 点处的行程开关Y10:控制机器人后退的电机X11: 末端执行器上的光电传感器X12: 机械臂上的位置开关X13:b 点处的行程开关X14:c 点处的行程开关X15:d 点处的行程开关5.4机器人运动矩阵方程式为了便于理解，我们以三自由度的关节机器人为例，然后按照机座、关节及机械接口坐标系的确定方法确定坐标系的方向。O0 与 O1 坐标

14、系的位置矢量关系式可用下式表示：X0YZ1T0TTXYZ1T=T XY Z11 T00111 110,111式中0T010坐标系经过0T1为 O和 O 坐标系间的其次坐标变换矩阵，表示O1 变换后与 O 坐标系重合；1为关节 1 的运动矩阵，0,1 表示 O 坐标系相对 O 坐标1TT10系的相对运动矩阵。本例中：1000C1S1000 T 10100， T1S1C100式中， c0 为 O0 坐标系中沿 Z00010010c 000010001方向平移量，1 为关节 1 的回转运动量， C=cos 1，S =sin1 。11用同样的方法写出 O 与 O 坐标系的矢量关系如下：21X1 Y1

15、Z1 1T 1T2 T2 X2 Y2 Z2 1T = T1,2 X2Y2Z 21 T1T12T2为关节 1 的运动矩阵，式中2为 O和 O 坐标系间的其次坐标变换矩阵，T211,2表示 O 坐标系相对O 坐标系的相对运动矩阵。本例中：1001T 20C 1S0SC1000110C2S2000S2C200c1 ， T20010，式中 190 ， 2为关10001节 2 的回转运动量。因此，我们可以得到O2 和 O0 坐标系的矢量关系：X0YZ1TTXYZ1T000,1111TTX2YZ21T0,11,22TX2YZ21T0,22式中，T0,2 为 O2 坐标系相对于 O0 坐标系的相对运动矩阵。

16、用同样的方法可以写出 T2,3 、 3Tm ，本例中：CT2,32T3T30S0220 S1 00 C0 022a2C3S3000S3C30000010其中 290 ， 3为关节 310001绕 Z3 轴方向的回转运动量。C3TmS0033SC003003001c， 3为 O与 O 坐标系间的旋转变换角， 本例中390。33m01由于 O3 坐标系与 Om坐标系间无运动，故只有坐标转化。最后写出Om与 O0 坐标系的矢量关系式为：X0Y0Z01TT0,m XmYmZm1TT0, m 0001T式中，Xm=Ym=Zm=0，其中 Om坐标系相对于 O0 坐标系的相对运动矩阵T0,m 表达式如下：T

17、 0 , mT 0 ,1 T1, 2 T2 ,33T m ，也可将此式子矩阵连乘结果用下式表示：T0,mR0,mP0,mTPo01 ，可以看出运动矩阵分别表示了末端0,m 中的0,m何0,m执行器在机座中的位置和姿态。因此，把相对运动矩阵T0,m称为运动功能位姿矩阵，可简称机器人的运动矩阵，这是机器人位姿的另一种描述方式。5.5机器人各部件的布置图由于关节型机器人的机座下面由直流伺服电机来控制， 直流伺服电机又是由 PLC 来控制其运动和停止。下图为小车的简图：机器人各关节的控制变量如下图：5.6机器人机构的零部件行程开关在机器人搬运物料过程中， 所用的形成开关和分拣机构的行程开关一样，所以参

18、考中的图和特性说明。直流伺服电机微动开关特点：采用热固性和热塑料外壳，具有微小触点间隙，动作快速、高灵敏和微笑行程。配置各种形式的驱动手柄，广泛应用各家电器、电子设备、自动化设备、通讯设备、汽车电子、仪器仪表等领域。光电传感器结论传统仓储系统的占地面积大、耗用工时多、出入库不方便、生产效率低下、支出资金大等等缺点， 在现代生产中已经完全不能适应。 所以集成了先进物流设备、自动控制系统、 计算机及其网络、 信息识别和信息管理系统的现代仓储系统应运而生。由于在智能仓储中运用了机器人搬运物料使得搬运的工时节省了， 减少了劳动力，可以二十四小时不停地工作，提高了生产效率。在物料存储过程中，有传送带和自动筛选供功能代替了传统的人工。 不仅减少了工时、 人力资源还大大降低了错误率提高生产工作效率。 其中的高层货架、立体货架代替传统的平面货架，不仅节省了空间资源还提高了效率， 使得出入库完全自动化， 节省了大量的时间和劳动力。仓储自动化系统实现了通过先进物流设备、计算机以及 PLC进行仓储自动、远程控制的目标， 不仅减少了占地面积， 提高了土地使用效率， 同时实现了货物的分拣、入库、出库等一系列复杂环节的智能化与自动化。 仓储自动化系统在现代社会中的广泛应用， 大大加快了货物的存储、 提取速度， 仓库运行效率也大提高了，管理成本明显