摘　要 簡述SIMATIC S7-300 可編程控制器在自動化立體倉庫（AS/RS）系統堆垛機電機閉環無級控制中的具體應用，PLC控制系統的配置及控制方案的選擇思路，極大地推動了AS/RS系統控制體系的發展。
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、倉儲管理科學中一門綜合性的、是由高位托盤貨架構成并配以堆垛機或其他自動化傳輸系統、操作軟件的物流系統。它與平庫相比，可節約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奏，減輕勞動強度，提高生產效率；其一次性投入成本也相當高，如我公司的上海印鈔廠AS/RS項目僅貨架總價就達260多萬人民幣，其具體構成為DF(P)M-30-1000堆垛機6臺，貨位數4250個，貨架高度約30米，共6個巷道，貨物單元規格為1250（L）× 920（W）× 1440（H）、貨物單元設計重量1000 kg，生產安裝工作周期近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。主要通過監控計算機實現全面協調、監視、控制目的，其主要功能是接收操作指令、檢測信號、指揮作業、判斷故障、返回信息等。包括監控、管理調度計算機、紅外通信器、堆垛機、轉軌機、輸送設備等。而立體倉庫中貨物的存儲節奏及作業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要求主要為：水平運行速度最高達200m/min，起升速度最高達120m/min，貨叉伸縮運行最高速度達50m/min等。本文擬就SIMATIC S7-300 可編程控制器在立體倉庫（AS/RS）系統堆垛機電機閉環無級控制中的具體應用、控制系統的配置及控制方案的選擇思路等進行探討。

2 概述

目前，自動化立體倉庫巷道堆垛機應用的變頻調速手段有兩種：

1）、當運行控制速度、控制定位精度較低時，一般選用開環有級調速運行模式：即手動設定幾個固定的運行頻率（如：高速、中速、低速三種運行頻率，實際上可根據使用的不同規格或品牌的變頻器及配套的變頻電機等選擇設定不同梯度的運行頻率，如美國寶德的某款變頻調速系統的有級調速設定可達16級），根據堆垛機的具體運行和控制要求由PLC根據外部環境的輸入輸出信號進行程序控制切換和設定，如用控制用行程開關、光電接近開關等作為信號輸入控制單元等，以達到調速、定位停準的目的；但該變頻調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，會造成速度轉換后的加、減速距離的增加，加、減速平穩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，其應用具有很大的應用局限性。

2）、當運行控制速度、控制定位精度較高時，一般選用閉環無級運行控制模式，即：對堆垛機的運行速度、運行位移量或位置定位點實現閉環無級運行控制模式，從而從根本上實現到達目的地址時的制動停準和根據運行距離實現的平穩換速、適時調整變頻器的運行控制頻率，以實現最佳平穩運行速度的要求，并能縮短作業周期，提高作業效率；該變頻調速手段控制精度高，運動控制平穩，具體場合的適應性好，系統運行的可靠性高，易調試，但一次性投資成本較高。主要表現在閉環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雜化以及軟件開發調試具有一定的難度等。

3 閉環無級控制原理

要實現自動化立體倉庫巷道堆垛機的閉環無級控制，必須根據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，或根據不同的品牌和規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場運行試驗的結果、堆垛機電機的負荷特性等進行適時調整。基本控制原理如圖一：



基本控制思想為：1）、根據激光測距儀測量反饋的當前速度信號適時調整變頻器的輸出驅動頻率值，從而保證堆垛機能以要求的速度平穩運行；其還表現在必須根據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的速度控制模式，即初時運動加速度與加速控制時間、平穩運行速度與距離、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范圖表；2）、根據激光測距儀測量反饋當前堆垛機的距離信號及預先設定的控制方案適時調整變頻器的輸出驅動頻率值，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降到較低的速度下工作，并在目的地址處準確制動停準，必要時可采取機械抱閘系統來輔助快速定位；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據，并不斷地與存放在軟件控制數據塊里的標準位置參數進行比較和控制決策，從而達到準確定位、快速存儲貨物、提高作業效率的目的，并與監控系統交換工作信息和庫位狀態信息等以實現系統的全面動態管理。

4 控制方案

為實現自動化立體倉庫巷道堆垛機的閉環無級控制，其閉環無級控制反饋信號根據認址方式上的差異可分為：認址片認址、旋轉編碼器認址、激光測距儀，一般情況下采用激光測距、測速進行速度反饋的電機閉環變頻調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矩，低速運行性能好，電機加速特性好，調速范圍大，工作性能可靠且動態響應性能好，其重復控制精度可達到1mm以上，但系統開發成本高，影響到實際的推廣應用。

隨著計算機技術的飛速發展，特別是現場總線技術的日益成熟，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，發展為軟PLC控制模式，同時該系統價格較傳統的PLC或板卡控制方式低，且應用靈活，該系統涉及到電氣控制原理、數據庫以及決策技術、計算機技術等，其核心控制部分為軟PLC，與外部周邊設備或硬件采用PROFIBUS-DP現場總線，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、低速控制應用方案（包括有些特殊控制性能要求而選用伺服驅動系統的堆垛機系列）仍優先選用閉環變頻調速控制方案，
PLC與激光測距儀和絕對值旋轉編碼器的連接采用：DEVICENET連接方式，激光測距儀通過串口連接，用協議宏方式通信，絕對值旋轉編碼器通過I/O口連接，使用GRY指令，注意考慮和調試好整個系統的響應時間，如DME240激光測距儀具有以下特性參數：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10M/S等。

5 在配送中心模式下的具體應用

一般配送中心的主要作業流程為:


立體倉庫中堆垛機的主要工作是完成儲存環節的搬運，即：準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貨位，并將工作過程的狀態信息反饋給監控系統；

選擇SIMATIC S7-300系列PLC系統并應用在AS/RS體系中已取得了很大的成功，SIMATIC S7-300為模塊化無風扇的設計，堅固耐用，容易擴展、具有廣泛的通訊能力，容易實現的分布式結構以及用戶友好的操作使SIMATIC S7-300成為中、高檔性能控制領域中首選的理想解決方案。結合堆垛機的工作特性，SIMATIC S7-300是既經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與監控系統以及各從站之間的通訊采用PROFIBUS-DP現場總線方式；

硬件：1）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU313C-2DP一塊，2）、SIEMENS SIMATIC S7-300 16bit24V數字量輸入模塊二塊，3）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CP342-5一塊，4）、SIEMENS SIMATIC S7-300 ET200M一塊，5）、SIEMENS SIMATIC S7-300FM350計數模塊一塊，6）、SIEMENS SIMATIC S7-300 PS3075A電源模塊二塊，7）、從站可根據系統設計和要求合理選擇多組，一組從站（一套堆垛機，實現一個巷道的控制），包括三臺變頻器及變頻電機、兩臺激光測距儀（控制重復精度為1mm，測距范圍在240M左右，選擇德國SICK的相關型號）、一個ET200M等。

軟件：該系統軟件的開發環境為SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 V5.1編程軟件，采用STL方式編程，可實現堆垛機的手動、自動、整線聯機等基本功能。結合具體的上位機的倉庫管理軟件或資源管理系統ERP等，配置相應的接口電路與系統可實現立體倉庫的高效動態管理。

具體應用：在軟件系統設置具體的堆垛機工作模式時一般依據下列可能選擇，在設備調試、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；通常采用整線聯機工作模式，以確保立體倉庫中的作業情況、庫存量動態變化情況等能準確反映到企業的管理系統中。

6 結論

采用激光測距、測速進行速度反饋的電機閉環變頻調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立體倉庫系統對各巷道堆垛機的控制要求，實現貨物存儲過程的快速平穩的作業，提高作業效率和控制質量。


參考文獻：

1、 周奇才，《自動化倉庫主要運行參數的優化確定》，《上海鐵道大學學報》1999(12)
2、 滿永奎 吳成東 《通用變頻器及其應用》 機械工業出版社 1995年8月