物流是工业自动化系统中非常重要的一部分，自动货架系统作为其中的组成部分，在企业得到广泛的应用和重视。在批量生产的经营模式下，自动化货架的结构非常庞大，这就是我们经常提到的立体仓库。
但是随着个性化、小批量生产模式的出现，大型立体仓库的局限性就表现出来了：系统投资大、控制过程复杂、开发周期长。因此，研究一种低成本的、适用于中小型零件存取的自动货架，具有重要的实际意义。目前多是采用电动伺服技术来实现，但其昂贵的开发成本，以及系统控制的复杂性，使其难以广泛推广。随着气动技术的不断发展，其定位精度已经比较高，并且可以在行程内任意定位，气动伺服技术也得到了全面的应用。因此，利用气动技术组成的自动货架系统，完全可以取代传统的使用电动伺服技术实现的自动货架的功能。在研究开发气动自动货架的过程中，气动控制系统的设计成为关键和难点。本文将对气动自动货架系统的气动控制技术作一个初步的研究与探讨。
2气动自动货架的工作原理及组成自动货架系统属多工位，多级自动控制系统，其驱动部分全部采用气动方式，气动系统的底层控制部分采用PLC控制。自动货架系统主要由两大部分组成：固定货架和气动搬运机械手。固定货架机构不涉及气动系统，在此不作介绍。气动搬运机械手主要由5部分组成： x向自由度模块、y向自由度模块、z向自由度模块、xy面上的旋转自由度模块、手爪。是已经实际开发成功的小型气动自动货架实物图。其中， y向自由度和z向自由度由ML2B系列的比例制动气缸组成； x向自由度由一个双杆气缸组成；旋转自由度由摆动气缸实现；考虑到货物的实际情况（纸盒） ，手爪采用真空吸盘组组成。气动机械手的一次存货周期的动作过程为：原点吸取货物z向目标位置y向目标位置x向伸臂旋转90放货逆向旋转90 x向收臂y向回原点z向回原点原点。
3气动控制回路气动自动货架的气动系统控制回路如所示。
该系统的执行动作全部利用气动元器件完成。充分发挥气动系统结构紧凑、功能性强、方便控制、动作速度快等特点，提高了系统的可靠性和稳定性。这一气动控制回路具有以下特点：（1）气缸能行程内多点定位且定位精度高本系统对气缸的定位精度要求较高，特别是对气缸行程内的定位精度。制动比例气缸内带有磁栅型位移传感装置，能够精确检测气缸活塞的位移，反馈给专用控制器，在PLC的控制下，能够实现气缸行程内的精确定位；所有气缸行程始末位置都装有无接触磁性开关，检测到的位置信号传输给PLC，由PLC根据当前的工况控制系统完成相应的执行动作。
（ 2）控制阀采用阀岛技术气缸的控制选择了4个二位五通电磁阀和2个三位五通阀，并且未采用传统的单个孤立阀，应用了较为先进的阀岛技术，它具有简化设计、安装和调试过程，减少能源消耗，有效地提高气动系统的效率，以及减小设备的维修工作量等优点。
（3）速度调整方便气缸的速度通过节流阀调整，并且可以结合控制程序设定其他参数，选择合适的气缸速度。
4气动系统的PLC控制4 1通信方式的选择在本系统的开发过程中，选择了某公司的S7 200系列的PLC，设计并实现良好的PLC与微机的通信方式成为关键。该系列的PLC与微机通信通常有3种形式： PPI（ Point to Point Interface）方式、FreePort（自由口）方式、PROFIBUS DP方式。
对于气动自动货架系统来说，在对系统进行PLC程序编程时，需要利用PPI协议通信；在系统的运行控制中，需要实现PLC与上位机PC进行数据的交换，虽然PROFIBUS完全可以完成这一功能，但考虑到系统的成本以及复杂程度，我们选用了自由口方式，采用一种自由的协议，根据控制的需要自由制定。而且， PPI协议是在PLC的STOP模式下实现的，自由口方式是在PLC的RUN模式下实现的，我们只需要改变PLC的特殊寄存器的部分值就可以方便地转换。
4 2数据的处理在通信的过程中，对传输的数据信息进行了处理，全部使用ASC码进行传输。因为，一条指令除包含数据外，还包含必要的控制字（起始字符、结束字符、指令类型等）。如果指令中的数据直接以其原本的形式传输，则可能会与指令中的控制字发生混淆。在本系统中，指令的起始字符为g ，其ASC码值为67H，结束字符为G ，其ASC码值为47H.假设要写入的数据中也有47H，并且数据直接以其原本的形式传输，则PLC会因为接收到了数据中的47H而停止接收，这样PLC接收到的指令将是一个不完整的非法指令，很可能造成PLC的误动作。为了避免这种情况的发生，可以用文本来传送二进制数据。通过以16进制ASC码的格式描述数据，每个二进制的字节都可以表示成一对ASC编码，这对编码表示这个字节的两个16进制字符。这种格式可以表示任何的数值，仅仅使用ASC代码的30H到39H（表示0到9）和41H到46H（表示A到F）。ASC码的其余部分可以用作控制字（起始标志、结束标志、指令类型等）。这样，数据中的47H以ASC码的形式进行传送就变成了34H和37H两个字节，从而避免了PLC因接收到数据中的47H而停止接收的错误。给出了通信中数据的格式。
4 3软件设计S7 200系列PLC使用STEP7语言编程，可用语句表、控制系统流程图或梯形种表达方法来编写。其中语句表编程功能更加强大，表达更为灵活，属于一种高级编程语言，这里就采用了语句表的方式。
为了使程序便于维护，便于拓展，程序采用了嵌套调用子程序的形式，程序结构如所示。
根据上面的程序结构，同时考虑了整个系统各个动作的协调性和安全性，以及各动作之间的延时、自锁、互锁等要求，设计了系统的PLC程序，是实现PC机与PLC通信的部分程序，使系统能够灵活地实现动态调度。
PLC部分通信程序5动态调度策略优化对于任何自动化货架，对货物的存取调度过程的优化都显得尤其重要，它直接关系到自动化货架的工作效率。大家在这方面做了不少的研究，也取得了很不错的效果。但是自动化货架系统随着货架的形式不同（固定货架或旋转货架）以及搬运装置（机械手或堆垛机）的不同，其路径的优化和控制策略的制定也就存在着区别。控制策略的制定与自动化货架的形式特点关系密切，必须根据其自身的特点来制定相应的策略，这样才能更有效地提高自动化货架的效率。下面主要讨论固定货架以及搬运装置为气动机械手的货物存取调度过程优化。给出了货架的简单结构。
先定义集合O = {H 00， H 10， H 20， H 30， H 40；； H 03，H 13，H 23， H 33， H 43； }为所有货位，其中H ij对应坐标为（ Y i， Z j）的货位；集合O y = {H 00， H 10， H 20， H 30， H 40 }为y轴上的货位；同样O z = {H 01， H 02， H 03 }为z轴上的货位； O yz = O- O y - O z为其他的货位。
现作如下假设：假设1货物存取时，操作者对任何货物的存取速度（或效率）是恒定的，不会因存取顺序的改变而变化。假设2气动机械手在存取货物时，在水平方向和垂直方向上都是在恒高速下运行，其制动和起动过程忽略不计。设水平速度为V y；垂直速度为V z。
从原点到目标货位H ij需要的时间定义为：T ij = H i / V y + H j / V z（1）其中H i为货位H ij距原点的y向距离； H j为货位H ij距原点的z向距离。
5 1时间*短策略由于系统采用了气动机械手实现货物的搬运，其运动具有一定的特殊性，在上面的论述中将V y和V z假设为y和z向的平均速度，但是对于气缸来讲， V y和V z的大小还和气缸一次运行距离的长短有关系，同等条件下运行的距离越长，平均速度就越高，反之就越低。定义V 0j为货位H ij到原点的y向速度， V i 0为H ij到原点的z向速度，则：V 10 < V 20 < V 30（2）V 01 < V 02 < V 03 < V 04（3）在对本系统的设计过程中，为了提高系统的工作效率，我们将气动机械手的y轴和z轴分别与货架的y轴和z轴重合，所以，对货位H ij O y O z（4）货物存取只需要机械手的在y轴或z轴方向运动。根据式（ 1）、（2）、（3）易得，对于运行距离相同的货位，具有式（ 4）特点的货位用时更短。
所以对于距原点距离相等的货位，我们首先选择y轴或z轴上的货位点进行操作，即O y和O y上的货位优先级更高。例如，货位D比货位A的优先级高。
5 2先高后低策略若H ij， H ab O y O z，且T ij = T ab， j > b，则根据习惯，规定下层货位优先，即货位H ab比H ij优先级高。也就是说，当货架上两个货位到原点运行的时间相等，同时又不是在y轴或z轴上的货位，根据这一策略，较下层的货位具有较高的优先级。例如，中C货位优先于B.
5 3特殊件策略由于市场对产品的需求更具个性化，所以货架上储存的货物必然多样化，在同一货架上的货物也可能不一样。我们不能简单地将货架一分为二，对不同的货物分类存放，这样很容易造成对货架资源的浪费。
根据提高效率的原则，我们先确定不同类型货物在货架中储存的时间t （即从入货架到出货架的平均时间间隔） ，对每类货物确定优先级，如果t越短，这类货物的优先级越高，在存放的时候放在空货位中较靠近原点的位置，反之，就放在离原点较远的空货位上。这样，货架上货物的存取就出现了一个动态的调度策略，这对现代企业仓库的管理很重要。
6结束语通过对气动自动货架系统的气动控制系统的设计，以及对动态调度策略的优化，表明利用气动技术同样可以实现具有较高精度的货架自动存取机械手，同时控制过程更加简单，成本低廉，系统工作性能可靠。通过运用上面讨论的主要技术，实际开发了一套小型气动货架系统，其运行状况良好，达到了预期的要求。