PLC在倉庫碼垛機(jī)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用(已讀).doc

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目錄摘要第一章 緒論 11.1自動(dòng)化立體倉庫的概述 11.1.1自動(dòng)化立體倉庫的組成 11.1.2自動(dòng)化立體倉庫的優(yōu)點(diǎn) 21.1.3自動(dòng)化立體倉庫的發(fā)展 21.2 碼垛機(jī)的概述 21.2.1碼垛機(jī)的發(fā)展 31.2.2碼垛機(jī)研究技術(shù)的現(xiàn)狀 3第二章 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 42.1控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)42.2碼垛機(jī)的位置控制52.2.1定位控制62.2.2認(rèn)址檢測方式 62.2.3認(rèn)址方式確認(rèn) 72.2.4碼垛機(jī)速度曲線分析 82.3 PLC及資源配置 82.3.1S7-200系列PLC概述 92.3.2CPU型號(hào)選擇 92.3.3PLC模塊選擇 102.4碼垛機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 112.4.1變頻器選型 112.4.2水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 112.4.3垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 132.5碼垛機(jī)貨叉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)142.6安全檢測傳感器的應(yīng)用152.7通信方案的確定162.8輸入輸出點(diǎn)的分配16第三章 碼垛機(jī)程序控制設(shè)計(jì) 183.1碼垛機(jī)自檢和復(fù)位/歸位程序203.1.1碼垛機(jī)自檢程序 203.1.2碼垛機(jī)復(fù)位/歸位程序 213.2自動(dòng)方式下的碼垛機(jī)運(yùn)行控制 213.2.1初始化程序設(shè)計(jì) 223.2.2運(yùn)行方式選擇程序 233.2.3自動(dòng)控制中的尋址定位233.3手動(dòng)方式下的碼垛機(jī)運(yùn)行控制 253.3.1手動(dòng)控制中的尋址定位程序 253.3.2手動(dòng)方式下的貨叉運(yùn)行控制 263.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 27結(jié)束語 28致 謝29附 錄30參考資料 321.2.2碼垛機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀按現(xiàn)行機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有軌巷道式碼垛機(jī)分類方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行軌跡等分類。無論何種類型的碼垛機(jī)一般都由水平行走機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、載貨臺(tái)及貨叉機(jī)構(gòu)、機(jī)架和電氣設(shè)備等基本部分組成。體現(xiàn)碼垛機(jī)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)劣的指標(biāo)主要有：運(yùn)行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、認(rèn)址精度等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化立體倉庫的技術(shù)水平和倉儲(chǔ)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能也在不斷提高。例如，碼垛機(jī)的運(yùn)行驅(qū)動(dòng)己由20世紀(jì)70年代的子母電動(dòng)機(jī)改為變頻調(diào)速，速度由550m/min提升至4160m/min，國外小載重量的碼垛機(jī)最高可達(dá)300m/min；提升驅(qū)動(dòng)己由20世紀(jì)70年代的雙速電動(dòng)機(jī)改進(jìn)為變頻調(diào)速，速度由416m/min提升至025m/min；貨叉運(yùn)行也由單速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)改進(jìn)為變頻調(diào)速，速度由8m/min提升至435m/min；在碼垛機(jī)自動(dòng)控制方面還采用閉環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)、Profibus總線控制等先進(jìn)技術(shù)。盡管如此，目前國產(chǎn)碼垛機(jī)的運(yùn)行速度最高仍保持在160m/min；提升速度在080m/min；貨叉速度一直保持在030m/min；認(rèn)址采用光電探測，精度不足，認(rèn)址出錯(cuò)率高。第二章 碼垛機(jī)控制技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)2.1控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（1）本系統(tǒng)中碼垛機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)由水平運(yùn)行的行走機(jī)構(gòu)，垂直運(yùn)行的起升機(jī)構(gòu)及取送貨的伸叉機(jī)構(gòu)三部分組成。水平部分運(yùn)動(dòng)電機(jī)和垂直部分運(yùn)動(dòng)電機(jī)分別采用220W的三相交流異步電動(dòng)機(jī)和200W的單相交流異步電動(dòng)機(jī)，由西門子S7-200PLC通過變頻器進(jìn)行控制。伸叉機(jī)構(gòu)電機(jī)采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，由西門子S7-200通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。由碼垛機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及工作要求可知，能否保證碼垛機(jī)的穩(wěn)定工作，關(guān)鍵在碼垛機(jī)的三維位置移動(dòng)定位的精確性。主要技術(shù)指標(biāo)和和主要設(shè)計(jì)參數(shù)碼垛機(jī)運(yùn)行的速度范圍：水平方向：2m/min360m/min；垂直方向：2m/min80/min；貨叉：2m/min60/min （2）本文碼垛機(jī)的控制方式有自動(dòng)和手動(dòng)控制。 手動(dòng)方式通過碼垛機(jī)的轉(zhuǎn)換開關(guān)及按鈕控制碼垛機(jī)水平和提升運(yùn)動(dòng)及貨叉伸縮。同時(shí)運(yùn)動(dòng)速度也可以手動(dòng)選擇。手動(dòng)操作時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)給予相應(yīng)的警示信號(hào)，同時(shí)系統(tǒng)將解除大部分的保護(hù)控制。手動(dòng)操作主要用于安裝、調(diào)試和排除故障。 單機(jī)自動(dòng)用人機(jī)界面對(duì)碼垛機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)的控制，控制系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)進(jìn)行全自動(dòng)的取送貨動(dòng)作。界面操作時(shí)，應(yīng)具備對(duì)貨物的單送、單取操作。人機(jī)界面應(yīng)具備實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行工況，故障及歷史故障查詢等功能。（3）在本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)控制系統(tǒng)中上位機(jī)完成的只是數(shù)據(jù)輸入和傳送，主要的控制任務(wù)是由PLC來完成。 作業(yè)命令處理：確定作業(yè)狀態(tài)時(shí)自動(dòng)還是手動(dòng)；確定作業(yè)指令是存貨入庫還是取貨出庫；確定作業(yè)地址包括列地址和層地址。 位置技術(shù)及判斷：沿著碼垛機(jī)的行進(jìn)方向和載貨臺(tái)的升降方向設(shè)置認(rèn)址片，PLC通過檢測認(rèn)址片來判斷碼垛機(jī)位置和載貨臺(tái)的位置，每經(jīng)過一個(gè)認(rèn)址片，PLC的高速計(jì)數(shù)器就自動(dòng)計(jì)數(shù)一次，前進(jìn)加一，后退減一，上升加一，下降減一。到達(dá)預(yù)定位置后，碼垛機(jī)停車。 速度調(diào)整和準(zhǔn)確停車：根據(jù)碼垛機(jī)和目標(biāo)位置的距離，PLC輸出速度調(diào)整的控制信號(hào)給變頻器，通過變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在停車之前先把碼垛機(jī)的運(yùn)行速度降低到低速檔，使碼垛機(jī)以低速接近目標(biāo)位置，保證碼垛機(jī)的穩(wěn)定性。 作業(yè)任務(wù)的順序邏輯控制：按照入庫、出庫的作業(yè)順序，確定各輸出點(diǎn)的得電狀態(tài)，完成作業(yè)順序的邏輯控制。 安全保護(hù)：水平行走、載貨臺(tái)升降及貨叉的伸縮等都有限位保護(hù)。 PLC還有工作故障報(bào)警功能。本系統(tǒng)由上位監(jiān)控級(jí)與直接控制級(jí)組成。監(jiān)控級(jí)對(duì)通訊、流程進(jìn)行控制，并進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像顯示，直接控制級(jí)是由PLC(可編程序控制器)組成的控制系統(tǒng)對(duì)各設(shè)備進(jìn)行單機(jī)自動(dòng)操作。采用組態(tài)系統(tǒng)建立監(jiān)控界面，同時(shí)將運(yùn)行系統(tǒng)的狀態(tài)反饋到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。碼垛機(jī)采用西門子公司的S7-200型PLC控制，與變頻器結(jié)合對(duì)碼垛機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖2.1所示。監(jiān)控計(jì)算機(jī)碼垛機(jī)貨叉控制系統(tǒng)碼垛機(jī)水平變頻系統(tǒng)碼垛機(jī)縱向變頻系統(tǒng)碼垛機(jī)貨叉運(yùn)行機(jī)構(gòu)碼垛機(jī)水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)碼垛機(jī)縱向運(yùn)行機(jī)構(gòu)碼垛機(jī)限位保護(hù)系統(tǒng)碼垛機(jī)貨物檢測系統(tǒng) S7-200 PLC碼垛機(jī)縱向認(rèn)址系統(tǒng)碼垛機(jī)水平認(rèn)址系統(tǒng)圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2碼垛機(jī)位置控制由碼垛機(jī)的作業(yè)流程分析，碼垛機(jī)是由水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)、縱向起升機(jī)構(gòu)和貨叉伸縮機(jī)構(gòu)三部分組成的，水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)和垂直起升機(jī)構(gòu)使碼垛機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置，貨叉伸縮機(jī)構(gòu)完成存取貨任務(wù)。要完成對(duì)碼垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先要保證碼垛機(jī)能夠準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置，所以在設(shè)計(jì)碼垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確可靠的認(rèn)址和定位保證碼垛機(jī)準(zhǔn)確無誤的定位在目標(biāo)貨位。另外為了提高存取效率和保證碼垛機(jī)的穩(wěn)定性，必須對(duì)碼垛機(jī)三個(gè)機(jī)構(gòu)的速度進(jìn)行合理有效的控制，其中速度位置檢測是碼垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。碼垛機(jī)速度位置控制的實(shí)現(xiàn)方法如圖2.2所示，控制系統(tǒng)由PLC控制器、調(diào)速系統(tǒng)、編碼器、認(rèn)址片和認(rèn)址器組成，實(shí)現(xiàn)位置和速度的雙閉環(huán)控制。M調(diào)速系統(tǒng)認(rèn)址器控制器輸入編碼器速度檢測 位置檢測 圖2.2 碼垛機(jī)位置速度控制框圖2.2.4碼垛機(jī)速度曲線分析常見的速度運(yùn)行曲線有三種，分別為三角形與梯形速度曲線、拋物線與直線形速度曲線、正弦形速度曲線。本文采用最常用的梯形速度曲線。如圖2.4所示，梯形速度曲線碼垛機(jī)以加速度啟動(dòng)加速，當(dāng)勻加速到最大運(yùn)行速度時(shí)，保持該速度運(yùn)行一段時(shí)間，再以勻減速運(yùn)行，直到零速停靠。 VABCS1S2S3S圖2.4 梯形速度曲線2.3.3PLC的模塊選型由于S7-200-CPU226的集成24輸入/16輸出不能滿足設(shè)計(jì)的要求，所以又選用了EM221擴(kuò)展模塊和EM235擴(kuò)展模塊，正好滿足設(shè)計(jì)的需要。所選模塊型號(hào)如表2-2所示。表2-2 擴(kuò)展模塊選型表系列號(hào)類別描述選型型號(hào)數(shù)量EM221輸入擴(kuò)展模塊DI166ES7221-1BH22-0XA01EM235輸入/輸出擴(kuò)展模塊AI4/AO16ES7235-0KD22-0XA02由于CPU226的輸入點(diǎn)只有24個(gè)，不能滿足設(shè)計(jì)的輸入點(diǎn)的需要，所以加入一個(gè)EM221模塊，該模塊有16個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)，總體上可以滿足系統(tǒng)輸入的要求。另外加入兩個(gè)EM235模擬量輸入/輸出模塊是為控制水平和垂直運(yùn)行的交流電機(jī)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如2.5所示：圖2.5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2.4碼垛機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)的準(zhǔn)確定位，提高存取效率和保證碼垛機(jī)的穩(wěn)定性，必須對(duì)碼垛機(jī)三個(gè)機(jī)構(gòu)的速度進(jìn)行合理有效的控制，由于水平和垂直運(yùn)行電機(jī)分別采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)和單相交流異步電動(dòng)機(jī)，所以對(duì)這兩個(gè)方向的速度控制采用閉環(huán)變頻調(diào)速控制。2.4.1變頻器的選型（1） 變頻器的概念變頻器的工作原理是通過改變交流電頻率方式實(shí)現(xiàn)交流電的控制。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功率。（2） 變頻器的選型本文根據(jù)綜合考慮選擇西門子MM440變頻器，MM440型使用PID控制器，具PID微調(diào)等功能，MM440可用于矢量控制，可以實(shí)現(xiàn)高性能的應(yīng)用，帶內(nèi)置制動(dòng)單元，可以快速制動(dòng)。MM440變頻器各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)如下：輸入電壓：3相380VAC，50Hz。輸入電流：2.8A。輸出功率：0.75KW。輸出電壓：3相(0-380)VAC可調(diào)。輸出頻率：(0-650)Hz可調(diào)。輸出電流：2.1。輸出控制：變頻器由微機(jī)處理器控制絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的脈沖寬度調(diào)制頻率，實(shí)現(xiàn)輸出電壓、頻率可調(diào)?？刂谱饔茫?，矢量轉(zhuǎn)矩、光電編碼器反饋的速度控制等。數(shù)字量輸入：6路帶隔離的數(shù)字量輸入。數(shù)字量輸出：8路繼電器輸出。模擬量輸入：2路(010) 模擬量輸入。模擬量輸出：2路(020) 模擬量輸出。通訊接口：RS485通訊、USS協(xié)議。操作功能：AOP盤、BOP控制盤、電位器與外接端子操作。2.4.2水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平行走電機(jī)采用220W的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行速度要求為2m/min360m/min，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式。S7-200PLC的模擬量輸出信號(hào)作為MM440變頻器的模擬量輸入，來控制變頻器輸出頻率和輸出電壓的變化，從而控制三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由光電編碼器檢測并反饋到PLC得高速計(jì)數(shù)口I1.4和I1.5，構(gòu)成閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)方框圖如圖2.6所示，為速度給定量，為PLC輸出的控制量，為變頻器輸出電壓，為被控量，控制算法為PID。擾動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)（負(fù)載系統(tǒng)）變頻器主電路（IGBT逆變器） PLC控制器（PID算法）- 光電編碼器反饋圖2.6 PLC變頻調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1）運(yùn)用指令系統(tǒng)中的PID指令，偏差信號(hào)按照PID算法計(jì)算出控制量，用傳送指令輸出電壓控制量到變頻器的模擬量輸入AIN1口。（2）運(yùn)用指令系統(tǒng)中的HDEF、HSC指令，進(jìn)行高速計(jì)數(shù)中斷程序設(shè)計(jì)，高速計(jì)數(shù)器設(shè)為HSC0和模式9，增計(jì)數(shù)，實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)光電編碼器反饋的A、B兩相正交脈沖數(shù)。（3）在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)測取系統(tǒng)各參數(shù)和輸出特性，并能在上/下位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制。（4）采用模塊化程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出控制程序，包括主程序、子程序和中斷程序。采用帶傳感器矢量控制閉環(huán)調(diào)速，能滿足像碼垛機(jī)這樣動(dòng)態(tài)特性要求較高，并且在低頻時(shí)輸出高轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速精度要求較高的場合。由于碼垛機(jī)在工作過程中是頻繁啟動(dòng)和停車的，在高速運(yùn)行的狀態(tài)下還要求碼垛機(jī)能夠快速精準(zhǔn)地停在目的地，因此在制動(dòng)方面采用了動(dòng)能制動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)下所回饋的能量消耗在制動(dòng)電阻中，從而達(dá)到快速停車的目的。變頻器參數(shù)設(shè)定如表2-3所示。 表2-3 變頻器參數(shù)設(shè)定參數(shù)號(hào) 設(shè)定值 功能說明P0003 3 專家模式，使能讀/寫所有參數(shù) P0004 0全參數(shù) P0700 2 外部按鈕或上位機(jī)啟動(dòng)/停止系統(tǒng) P1000 2上位機(jī)或PLC程序給定設(shè)定 P1300 1帶磁通電流的V/f控制方式 P2010 6通訊波特率設(shè)為9600 P2011 0MM440變頻器通訊地址2.4.3垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)垂直運(yùn)行電動(dòng)機(jī)采用200W的單向交流異步電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行速度要求為2m/min80m/min。垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)與水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，但是由于單相異步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)有所區(qū)別，所以垂直變頻調(diào)速系統(tǒng)和水平變頻調(diào)速系統(tǒng)也有不同的地方。從結(jié)構(gòu)上看單相異步電動(dòng)機(jī)與三相籠型異步電動(dòng)機(jī)相似，其轉(zhuǎn)子也為籠型，只是釘子繞組為單相工作繞組，但通常為起動(dòng)的需要，定子上除了工作繞組外，還設(shè)有起動(dòng)繞組，它的作用是產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一般只在起動(dòng)時(shí)接入，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到70%80%的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由離心開關(guān)將其從電源自動(dòng)切除，所以正常工作時(shí)只有工作繞組在電源上運(yùn)行。但也有一些電容或電阻電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行時(shí)將起動(dòng)繞組接于電源上，這實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一臺(tái)兩相電機(jī)，但由于它接在單相電源上，故稱為單相異步電動(dòng)機(jī)。圖2.7是電容分組式單相異步電動(dòng)機(jī)原理圖。圖2.7 電容分組式單相異步電動(dòng)機(jī)原理圖1 工作繞組；2起動(dòng)繞組K離心式開關(guān)；C電容器 單相異步電動(dòng)機(jī)的突出特點(diǎn)是沒有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和固定的轉(zhuǎn)向。為此要設(shè)置啟動(dòng)裝置，以及電機(jī)中產(chǎn)生一個(gè)與主磁場在空間和時(shí)間上不同相得磁場，從而形成一定大小的旋轉(zhuǎn)磁場以產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。單相交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速與三相交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速不同，將單相220V輸入、三相輸出的變頻器的三個(gè)輸出端子（U、V、W），接任意兩端。輸出單相變頻調(diào)速電源在輸出端上串上一個(gè)足夠電感量的電感，用于隔離電動(dòng)機(jī)電容對(duì)變頻器的危害作用（同時(shí)對(duì)變頻器的高載波率起到一定的濾波作用），并保護(hù)電動(dòng)機(jī)電容，此電路只適用于小功率單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)式和罩極式電動(dòng)機(jī)，不適用于帶離心開關(guān)的單相電動(dòng)機(jī)。另外，變頻器的輸出電壓和電動(dòng)機(jī)的輸出電壓相匹配，變頻器要留有足夠的容量（應(yīng)比電動(dòng)機(jī)的使用功率大三倍）。串聯(lián)的電感要有足夠的電感量和通過電流的流量，電感的磁性材料應(yīng)與變頻器的載波率相匹配。變頻器和單相電容式運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的接線如圖2.8所示。圖2.8 變頻器與單相電容式運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的接線圖2.7通信方案的確定為了控制無人運(yùn)轉(zhuǎn)碼垛機(jī)，必須向碼垛機(jī)發(fā)送運(yùn)轉(zhuǎn)和作業(yè)的信息。一個(gè)指令執(zhí)行完了之后，必須從碼垛機(jī)向地面發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，即確認(rèn)信號(hào)，之后才能執(zhí)行下一個(gè)指令。碼垛機(jī)的信息傳遞順序是：碼垛機(jī)首先接受的作業(yè)信息是從什么地方取貨，之后把它存入什么貨位。碼垛機(jī)控制盤在收到作業(yè)信息之后向地面控制盤發(fā)出響應(yīng)信息。碼垛機(jī)根據(jù)作業(yè)信息進(jìn)行作業(yè)。作業(yè)完了之后，向地面發(fā)出“作業(yè)結(jié)束”信息。這樣把一系列作業(yè)進(jìn)行完了之后，成為等待下一個(gè)作業(yè)信息的待機(jī)狀態(tài)。串行通信中最常用的物理層協(xié)議為RS-232C和RS-485。本文采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)。主要基于以下兩點(diǎn)考慮：（1） RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)只能用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，而RS-485能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。RS-485允許平衡電纜上連接32個(gè)發(fā)送器/接收器。立體倉庫控制系統(tǒng)要求監(jiān)控系統(tǒng)和3臺(tái)碼垛機(jī)控制系統(tǒng)連接，要求物理層的協(xié)議必須支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。（2） RS-485采用差動(dòng)發(fā)送/接收，所以共模抑制比高，抗干擾能力強(qiáng)。立體倉庫的工作環(huán)境較惡劣，熱、電、磁等干擾信號(hào)較多，要求通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力較強(qiáng)，才能保證數(shù)據(jù)的正確接收。RS-485標(biāo)準(zhǔn)除上述優(yōu)點(diǎn)外，還具有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。由于PLC帶有串行通信接口，只需用RS-485總線分別連接到計(jì)算機(jī)即可，可見系統(tǒng)的構(gòu)建十分簡單。當(dāng)需要增加新設(shè)備時(shí)，只需要將新設(shè)備也連接到計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)的擴(kuò)展也較容易。為了利用計(jì)算機(jī)帶有的RS-232接口與下層的各個(gè)模塊通信，在計(jì)算機(jī)上需要安裝232-485轉(zhuǎn)換器。2.8輸入輸出點(diǎn)的分配碼垛機(jī)控制系統(tǒng)采用的PLC是S7-200 CPU226，總共使用了所有的24個(gè)輸入點(diǎn)和11個(gè)輸出點(diǎn)，具體I/O點(diǎn)分配如表2-4所示碼垛機(jī)控制系統(tǒng)使用擴(kuò)展I/O模塊EM221，其I/O分配表如表2-5 。擴(kuò)展模塊EM235是模擬量4輸入/1輸出模塊，在本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，只用到兩個(gè)擴(kuò)展模塊EM235的輸出通道MO、VO，接變頻器MM440的端口3和4。表2-4 PLC（CPU226）輸入輸出I/O點(diǎn)分輸入部分輸出部分I0.0十六進(jìn)制顯示鍵盤值1位Q0.0機(jī)械手控制脈沖I0.1鍵盤值2位Q0.1機(jī)械手方向改變I0.2鍵盤值3位Q0.2升降臺(tái)上升I0.3鍵盤值4位Q0.3升降臺(tái)下降I0.4機(jī)械手到位限位Q0.4小車向前運(yùn)動(dòng)I0.5機(jī)械手回位限位Q0.5小車向后運(yùn)動(dòng)I0.6貨臺(tái)是否有物Q0.6存物指示燈I0.7自動(dòng)/手動(dòng)（1/0）Q0.7取物指示燈I1.0小車前限Q1.1BCD輸出顯示BCD碼1位I1.1小車后限Q1.2BCD碼2位I1.2升降臺(tái)上限Q1.3BCD碼3位I1.3升降臺(tái)下限Q1.4BCD碼4位I1.4層尋址1Q1.5小車停止向前運(yùn)動(dòng)I1.5層尋址2Q1.6小車停止向后運(yùn)動(dòng)I1.6列尋址1Q2.0手動(dòng)時(shí)層到位指示燈I1.7列尋址2Q2.1手動(dòng)時(shí)列到位指示燈表2-5 EM 221模塊I/O點(diǎn)分配1水平左限位I3.09縱向認(rèn)址下對(duì)準(zhǔn)I4.02水平右限位I3.110左端歪斜傳感器I4.13垂直上限位I3.211右端歪斜傳感器I4.24垂直下限位I3.312左探有貨傳感器I4.35水平前對(duì)準(zhǔn)I3.413右探有貨傳感器I4.46水平認(rèn)址計(jì)數(shù)I3.514低速按鈕I4.57縱向認(rèn)址上對(duì)準(zhǔn)I3.615中速按鈕I4.68縱向認(rèn)址計(jì)數(shù)I3.716高速按鈕I4.7第三章 碼垛機(jī)程序控制設(shè)計(jì)S7-200可編程控制器主要使用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進(jìn)行編程和其它一些相關(guān)處理。STEP7-Micro/WIN 32編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為SIMATIC S7-200系列可編程控制器設(shè)計(jì)開發(fā)，功能強(qiáng)大，主要由用戶用來開發(fā)控制程序，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序執(zhí)行狀態(tài)。它提供三種編輯器來創(chuàng)建你的程序：梯形圖、語句表和功能塊圖。用任何一種程序編寫程序，都可以用另外一種程序編輯器來瀏覽和編輯，但要遵守一些輸入規(guī)則。語句表編輯器按照文本語言的形式顯示程序，此編輯器允許你輸入指令助記條款來創(chuàng)建你的控制程序。本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)控制系統(tǒng)采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式，其中自動(dòng)又有自動(dòng)入庫和自動(dòng)出庫兩種工作狀態(tài)。（1）自動(dòng)：由操作員在下層控制臺(tái)輸入貨單，發(fā)出運(yùn)行命令，碼跺機(jī)根據(jù)貨單和命令自動(dòng)運(yùn)行完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)甩手操作。（2）手動(dòng)：由操作員親自駕駛碼跺機(jī)進(jìn)行取貨和放貨操作，其中可以操作貨叉的升降、伸縮，碼跺機(jī)的上升下降，前進(jìn)，后退操作，來完成貨單任務(wù)。程序采用模塊化的方式進(jìn)行編寫，最后再將程序的各個(gè)部分集成為能完成完整功能的完整的程序。系統(tǒng)采用中間信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)具體運(yùn)行動(dòng)作的控制，從而更準(zhǔn)確更安全的完成作業(yè);并采用指示燈在現(xiàn)場指示系統(tǒng)具體的工作狀態(tài)，并將工作信息寫入到內(nèi)存中，方便上位機(jī)對(duì)碼跺機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)視。圖3.1是系統(tǒng)主程序流程圖向上位機(jī)上傳碼垛機(jī)狀態(tài)執(zhí)行送貨子程序執(zhí)行手動(dòng)操作子程序碼垛機(jī)運(yùn)行方式選擇開始系統(tǒng)上電取貨任務(wù)執(zhí)行取貨子程序送貨任務(wù)碼垛機(jī)自檢子程序.手動(dòng)方式自動(dòng)方式Y(jié)NNY圖3.1 主程序流程圖3.1碼垛機(jī)自檢和復(fù)位/歸位程序3.1.1碼垛機(jī)自檢程序碼垛機(jī)每次開機(jī)上電時(shí)，PLC系統(tǒng)通電，然后執(zhí)行用戶編寫的功能模塊程序。PLC系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行圖3.2碼垛機(jī)自檢程序。碼垛機(jī)自檢子程序主要是判斷上次系統(tǒng)是否正常關(guān)機(jī)，如果屬于非正常關(guān)機(jī)，碼垛機(jī)有無不安全因素（貨叉是否在收叉位置，載貨臺(tái)上有無貨物，貨位位置是否正常等），如果存在不安全因素，碼垛機(jī)開始報(bào)警，等待故障處理。如果正常關(guān)機(jī)，則判斷碼垛機(jī)工作模式。在手動(dòng)操作模式下，執(zhí)行手動(dòng)操作子程序。在自動(dòng)模式下，則由碼垛機(jī)機(jī)載控制柜上的觸摸屏操作下發(fā)作業(yè)任務(wù)。存在不安全因素?上次安全關(guān)機(jī)?故障報(bào)警，等待故障處理結(jié)束檢測貨叉位置及貨叉負(fù)載檢測安全關(guān)機(jī)標(biāo)志位開始YNNY圖3.2 碼垛機(jī)自檢子程序流程圖3.1.2碼垛機(jī)復(fù)位/歸位程序當(dāng)碼跺機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)(如認(rèn)址認(rèn)數(shù)器計(jì)數(shù)錯(cuò)誤等)，若不及時(shí)糾正，就會(huì)使倉庫管理出現(xiàn)混亂，所以就需要系統(tǒng)能通過控制按鈕方便的恢復(fù)系統(tǒng)的部分?jǐn)?shù)據(jù)或設(shè)置，及時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。根據(jù)不同錯(cuò)誤的嚴(yán)重情況，設(shè)立系統(tǒng)歸位和系統(tǒng)復(fù)位兩種方式。碼跺機(jī)復(fù)位程序流程圖如圖3.3所示。當(dāng)按下歸位按鈕超過3s碼跺機(jī)開始在水平與垂直兩個(gè)方向同時(shí)以中速返回原位。當(dāng)碼跺機(jī)經(jīng)過強(qiáng)制限速點(diǎn)時(shí)，強(qiáng)制為低速，直到運(yùn)動(dòng)到原位停止。到達(dá)原位后，復(fù)位計(jì)數(shù)器；當(dāng)水平與垂直兩個(gè)方向均到達(dá)原位后，歸位動(dòng)作完成。若重新啟動(dòng)被按下超過3s，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行初始化程序，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)內(nèi)存區(qū)及自由端口進(jìn)行重新定義，同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)返回原位程序，以重新設(shè)定計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值；若不需要碼跺機(jī)歸位，則可以再松開重新啟動(dòng)按鈕后，再短按一次重新啟動(dòng)按鈕(小于3s)，就可停止系統(tǒng)回歸原位。歸位按鈕按下重啟信號(hào)啟動(dòng)初化、歸位程序結(jié)束返回原位重啟信號(hào)定時(shí)到？計(jì)時(shí)時(shí)間到？NYYN到達(dá)原位/重啟按鈕按下？NY圖3.3 復(fù)位程序流程圖 3.2 自動(dòng)方式下的碼垛機(jī)運(yùn)行控制碼垛機(jī)執(zhí)行自動(dòng)入庫作業(yè)的初始條件為碼垛機(jī)位于入庫口，升降臺(tái)位于最下位置，入庫臺(tái)車在碼垛機(jī)前進(jìn)方向的右邊，車上有貨物，碼垛機(jī)貨叉上無貨物。操作開始先在上位機(jī)的監(jiān)控界面上輸入待入庫目標(biāo)貨位的列、層數(shù)，選擇入庫動(dòng)作，然后按下運(yùn)行鍵，系統(tǒng)開始執(zhí)行入庫作業(yè)。于是碼垛機(jī)向入庫口的貨位伸叉,伸叉到位后貨叉向上托起，托到貨物后碼垛機(jī)收叉，然后貨叉托著貨物回到貨叉中位，貨叉停止，載著貨物的碼垛機(jī)向目的貨位移動(dòng)，到達(dá)目的貨位之后檢測目標(biāo)貨位是否有貨，如無貨碼垛機(jī)向入庫目標(biāo)貨位伸叉，伸叉到位后貨叉下降，將貨物放到貨位上后碼垛機(jī)收叉，然后貨叉回到貨叉中位，貨叉停止，碼垛機(jī)返回到入庫口位置待命，準(zhǔn)備下一次作業(yè)。出庫的作業(yè)順序與入庫的作業(yè)順序類似。3.2.1初始化程序設(shè)計(jì)這段程序主要是對(duì)所需的計(jì)數(shù)器、寄存器進(jìn)行初始化復(fù)位。網(wǎng)絡(luò)1和2是對(duì)兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，其中計(jì)數(shù)器C2是對(duì)輸入的倉庫號(hào)的列數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，C3是對(duì)輸入倉庫號(hào)的層數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。網(wǎng)絡(luò)3中VW100,VW102分別放置輸入的列數(shù)和層數(shù)，VB100中放置鍵盤的十六進(jìn)制輸入值。 3.2.2運(yùn)行方式選擇程序當(dāng)I0.7得電時(shí)，選擇自動(dòng)方式，然后調(diào)用自動(dòng)子程序（SBR_0），I0.7失電時(shí)，即選擇了手動(dòng)運(yùn)行方式，然后調(diào)用手動(dòng)子程序（SBR_1）。3.2.3自動(dòng)控制中的尋址定位自動(dòng)控制子程序中的網(wǎng)絡(luò)，采用兩對(duì)光電開關(guān)來定位，當(dāng)兩對(duì)同時(shí)閉合時(shí)，說明已經(jīng)到達(dá)所到的列或?qū)?。網(wǎng)絡(luò)11，C2中的計(jì)數(shù)脈沖數(shù)和VW100中輸入的倉庫的列數(shù)進(jìn)行比較，相等時(shí)說明已經(jīng)到達(dá)列，小車停止前進(jìn)，到達(dá)列標(biāo)志M30.0。網(wǎng)絡(luò)12，C3中的計(jì)數(shù)脈沖數(shù)和VW102中輸入的倉庫的層數(shù)進(jìn)行比較，相等時(shí)說明已經(jīng)到達(dá)層，升降臺(tái)停止上升，到達(dá)層標(biāo)志M30.1。 網(wǎng)絡(luò)13中，當(dāng)列和層都到位時(shí)，調(diào)用步進(jìn)電機(jī)子程序，機(jī)械手前伸取/放貨物。M30.2是取/放完成標(biāo)志，當(dāng)取放完成時(shí)，手臂縮回（如網(wǎng)絡(luò)14），并置動(dòng)作完成標(biāo)志M30.3。3.3 手動(dòng)方式下的碼垛機(jī)運(yùn)行控制3.3.1手動(dòng)控制中的尋址定位手動(dòng)控制子程序中，手動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)經(jīng)過每一列或?qū)訒r(shí)指示燈都會(huì)亮（網(wǎng)絡(luò)1中Q2.0Q2.1分別接層/列顯示燈），燈亮后才可以伸縮機(jī)械手臂（見網(wǎng)絡(luò)2中）。3.3.2手動(dòng)方式下的貨叉運(yùn)行控制手動(dòng)方式下貨叉的運(yùn)行控制是分步進(jìn)行的，貨叉的任何兩個(gè)動(dòng)作均不聯(lián)動(dòng)。程序流程圖如3.4所示。 圖3.4 手動(dòng)方式貨叉運(yùn)行程序圖3.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序?qū)?6#85送給SMB67是設(shè)置PTO的控制字節(jié)，選擇PTO方式，時(shí)基為1us。然后設(shè)置周期為50us,脈沖數(shù)為70000個(gè)。當(dāng)動(dòng)作完成時(shí)，完成標(biāo)志M30.3置1，然后返回起點(diǎn)。結(jié)束語碼垛機(jī)是立體倉庫的主要輸送設(shè)備，同時(shí)也是提高整個(gè)倉庫運(yùn)行效率的關(guān)鍵所在。本文設(shè)計(jì)了碼垛機(jī)的電控系統(tǒng)，針對(duì)碼垛機(jī)運(yùn)行速度與認(rèn)址精度的要求，圍繞碼垛機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的性能提升展開一系列的工作。同時(shí)本文主要完成了以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（1）依據(jù)設(shè)計(jì)立體倉庫的有關(guān)參數(shù)，對(duì)碼垛機(jī)電氣控制的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用了激光測距傳感器在水平方向認(rèn)址，提高了碼垛機(jī)的認(rèn)址精度及行系統(tǒng)的可靠性，為以后運(yùn)行速度的提升奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)在水平和垂直方向采用閉環(huán)控制方式，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行、換速平穩(wěn)、低速停準(zhǔn)的控制要求。簡單介紹了系統(tǒng)的通信協(xié)議和方式，并設(shè)置了相應(yīng)的安全保護(hù)措施。 （2）設(shè)計(jì)運(yùn)行了系統(tǒng)在不同工作方式下的控制流程，應(yīng)用Step7編程軟件編寫了主要運(yùn)行動(dòng)作的PLC程序。PLC的運(yùn)用及其程序的簡化，縮短了系統(tǒng)掃描周期，使碼垛機(jī)的控制運(yùn)行更方便，動(dòng)作更加簡單、準(zhǔn)確。但是盡管如此本設(shè)計(jì)系統(tǒng)還是存在很多需要改進(jìn)的地方，比如監(jiān)控系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的完善充實(shí)，碼垛機(jī)運(yùn)行的速度和位置精度還有待提高，出入庫作業(yè)優(yōu)化調(diào)度方面需要做進(jìn)一步的研究，這些對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率有非常重要的作用。致 謝借此論文完成之際，謹(jǐn)向給予我悉心指導(dǎo)季祥老師致以衷心的感謝！從開始論文題目的確定到設(shè)計(jì)內(nèi)容的完善都傾注著季老師的心血。從我進(jìn)入河南工院季老師就一直是我們的任課老師，從專業(yè)基礎(chǔ)課到專業(yè)課、實(shí)踐課，每一步都體現(xiàn)著季老師愛崗敬業(yè)、服務(wù)學(xué)生、忠于教學(xué)事業(yè)的精神。同時(shí)，季老師扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和博大的知識(shí)量都給我留下了很深的印象。他一絲不茍的治學(xué)態(tài)度和寬厚的待人作風(fēng)都深深的影響了我，給即將離開大學(xué)步入社會(huì)的我樹立了榜樣！感謝我的同學(xué)和朋友在論文寫作過程中給予我的支持和幫助，是他們無私的愛和關(guān)懷有效的保證了我項(xiàng)目的進(jìn)度和課題的順利完成。還要感謝我的父母，是他們的無私支持，使我能夠全身心的投入學(xué)習(xí)和工作中，去除了身上的浮躁情緒，成為一個(gè)有責(zé)任心的青年。祝愿他們永遠(yuǎn)健康！最后祝愿自己在以后的生活和工作中一切順利，在未來的道路上走的更高更遠(yuǎn)！附錄一 碼跺機(jī)水平、垂直運(yùn)動(dòng)在手動(dòng)運(yùn)行方式下的操作順序如下圖3.4所示，按前進(jìn)按鈕，碼跺機(jī)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo);按后退按鈕，碼跺機(jī)后退到庫臺(tái)所在列；按上升按鈕，碼跺機(jī)上升到目標(biāo);按下降按鈕，碼跺機(jī)下降到庫臺(tái)所在層。 垂直水平方向碼垛機(jī)控制流程圖二 碼垛機(jī)入庫流程圖參考資料1 陳建明，巫付專，熊軍華等電氣控制與PLC應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社，20062 孫承志，徐智，張家海，吉順平西門子S7-200/300/400PLC基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20093 馬秀坤 ，石雪濤，馬學(xué)軍.S7-200PLC與數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的原理及應(yīng)用M 北京：國防工業(yè)出版社，20094 周興萬自動(dòng)化立體倉庫中碼垛機(jī)的位置定位和速度控制J基礎(chǔ)自動(dòng)化，1998，6：485 陳曉軍PLC控制技術(shù)在立體倉庫碼垛機(jī)中的應(yīng)用J工業(yè)技術(shù)，2007，34：116 西門子公司SIMATIC S7-200 可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)，20047 西門子公司MICROMASTER 440 變頻器手冊(cè)8 吳麗，梅楊電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20089 廖常初可編程控制器應(yīng)用技術(shù)M重慶：重慶大學(xué)出版社，199810 熊肖磊巷道碼垛起重機(jī)的認(rèn)址方式與調(diào)速J，起重運(yùn)輸機(jī)械，1996，(8)11 葛永國自動(dòng)化立體倉庫控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與故障診斷D天津大學(xué)，2003-1212 鄭鳳翼，鄭丹丹，趙春江. PLC控制系統(tǒng)梯形圖和語句表M，北京：人民郵電出版社，200613 王曉輝. 自動(dòng)化立體倉庫碼垛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 制造業(yè)自動(dòng)化，2002(9)：70