立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題目 立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 韋忠爽 學(xué) 號(hào) 09B06070207 指導(dǎo)教師 孫建華 學(xué) 院 機(jī)電學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 交稿日期 2013年5月10日 學(xué)術(shù)誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品或成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。中文題目：英文題目：作者簽名： 日期： 年 月 日版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)上海建橋?qū)W院可以將本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。 保 密 ，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)。本論文屬于 不保密 。（請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“”，如作者未做出選擇的情況下，按不保密處理。）作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日上海建橋?qū)W院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要集物流、信息流、和資金流于一身的物流配送中心，在全球化和市場(chǎng)化的時(shí)代里，促進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易的大發(fā)展。物流配送最核心的系統(tǒng)設(shè)備就是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)。而堆垛機(jī)又是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的關(guān)鍵設(shè)備。 本文設(shè)計(jì)的是一兩排四層三列式立體倉(cāng)庫(kù)巷道式堆垛機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)貨物存取的模擬控制。主要工作包括：分析對(duì)比各類(lèi)立體倉(cāng)庫(kù)的控制技術(shù)，確定實(shí)現(xiàn)方案；進(jìn)行堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析；進(jìn)行堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面，對(duì)貨物存取過(guò)程進(jìn)行仿真控制。本文所述的系統(tǒng)是采用先進(jìn)的西門(mén)子PLC控制器控制，用變頻器驅(qū)動(dòng)的半閉環(huán)交流伺服系統(tǒng)。設(shè)計(jì)時(shí)分析了堆垛機(jī)的工作過(guò)程（主要運(yùn)動(dòng)有行走、升降和叉伸運(yùn)動(dòng)），利用了光電傳感器檢測(cè)堆垛機(jī)位置，并研究了堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、認(rèn)址檢測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)了堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)和定位方案。為了提升工作效率，使用了變頻調(diào)速控制技術(shù)。本文通過(guò)西門(mén)子S7-200 SMART系統(tǒng)手冊(cè)編寫(xiě)了PLC程序，通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)PLC的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)貨位信息進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)了本文設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)、手動(dòng)2種控制方式。機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，安全可靠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本文的軟件設(shè)計(jì)分別采用STEP7編程軟件實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的出入庫(kù)控制；采用組態(tài)王6.53設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)，其包含設(shè)備及貨位狀態(tài)顯示、故障報(bào)警、入庫(kù)(庫(kù)存)信息的報(bào)表等接口。通過(guò)理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)研究，表明本文所研究的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)技術(shù)具有一定的先進(jìn)性，實(shí)現(xiàn)方法切實(shí)可行，具有一定的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，堆垛機(jī)，PLC，監(jiān)控系統(tǒng)IThe design of control system for stereoscopic warehouse stacker machineAbstractIn an age of globalization and marketization, a logistics distribution center ,which includes logistics, information flow and capital flow , promotes the great development of the world economy and trade. Automation stereoscopic warehouse is the core of system equipment in Logistics distribution.The stacker is the key equipment of automation stereoscopic warehouse.This paper is aimed at designing roadway stacker electrical control system of a two rows of four layer three column type stereoscopic warehouse, and it can realize the simulation control access to the goods. The main work includes four items: this article compares all kinds of the stereoscopic warehouse control technology to determine the implementation plan , analysises stacking machine mechanical structure , designs the stacker control system and uses configuration software to design man-machine interface in order to control access to goods process simulation.The system described in this article uses the advanced Siemens PLC controller and the inverter . It is half closed loop ac servo system. In Designing , this text has analyzed the working process of the stacker (main motion contains walking, fork lifting and stretching),has used photoelectric sensors to detect position of stacker, has studied the stacker to recognize address detection mode and motion control, and has realized the stacker movement and positioning schemes. In order to improve work efficiency, this paper uses the technology of frequency control of motor speed control. Based on Siemens S7-200 SMART system manual, this article writes the PLC program. The upper machine system monitors the operation of the PLC, and processes the position information. This paper has designed two kinds of control mode: stacker system of automatic and manual. Machine system runs smoothly, accurately, safely and reliably.It can meet the design requirements. In this text, the software design of stacker is realized respectively by using STEP7 programming software and monitoring system is designed by adopting King view 6.53, which includes a state of equipment and goods display, fault alarm, warehousing (inventory) information reporting interface.Through theoretical derivation and experimental research, this paper proves that the research of the automatic solid warehouse technology is advanced. The implementation method is feasible. This system has certain practical value and application prospect.Key Words：Automated multi-layered storehouse, Stacking machine, PLC, Monitoring and control system1- I -目 錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1堆垛機(jī)簡(jiǎn)介11.2 堆垛機(jī)的分類(lèi)11.3巷道式單立柱堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)組成31.4 堆垛機(jī)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀41.5 本文研究的主要內(nèi)容42 倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)的控制52.1 堆垛機(jī)主要運(yùn)動(dòng)及控制方式52.1.1 堆垛機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)52.1.2 堆垛機(jī)的控制方式.52.2 堆垛機(jī)認(rèn)址方式52.2.1認(rèn)址方式的介紹52.2.2認(rèn)址方式的確定62.3 堆垛機(jī)速度控制72.3.1 變頻調(diào)速的工作原理.72.3.2 速度曲線的設(shè)計(jì)82.3.3 半閉環(huán)控制93 控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)103.1 核心元件簡(jiǎn)介103.1.1可編程控制器簡(jiǎn)介103.1.2 變頻器簡(jiǎn)介.103.2電氣設(shè)計(jì)一般原則103.2.1電器元件的選用113.2.2堆垛機(jī)的配套傳感器系統(tǒng)113.3系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)123.3.1電氣原理圖設(shè)計(jì)的基本步驟123.3.2 電氣原理圖的設(shè)計(jì)方法123.3.3 主電路設(shè)計(jì)143.3.4 控制電路設(shè)計(jì)144 控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)164.1 I/O分配174.2 PLC主程序設(shè)計(jì)184.2.1 程序初始化184.2.2 運(yùn)行方式的選擇184.3 PLC子程序設(shè)計(jì)184.3.1堆垛機(jī)出、入庫(kù)的主要運(yùn)動(dòng)184.3.2堆垛機(jī)手動(dòng)運(yùn)行194.3.3堆垛機(jī)自動(dòng)運(yùn)行204.4 堆垛機(jī)PLC程序215 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)225.1 組態(tài)王6.53介紹225.2 制作監(jiān)控系統(tǒng)的步驟225.2.1 創(chuàng)建工程路徑225.2.2 創(chuàng)建組態(tài)畫(huà)面235.2.3 定義I/O設(shè)備235.2.4 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)245.2.5 建立動(dòng)畫(huà)連接255.2.6 運(yùn)行和調(diào)試.26結(jié) 論27參 考 文 獻(xiàn)28附錄A堆垛機(jī)PLC程序28附錄B組態(tài)王6.53應(yīng)用命令語(yǔ)言程序40致 謝48III1 緒論1.1堆垛機(jī)簡(jiǎn)介近年來(lái)，中國(guó)的電子商務(wù)有了翻天覆地的變化，就在2012年雙十一促銷(xiāo)的前一天，馬云對(duì)采訪記者說(shuō)，電子商務(wù)會(huì)在傳統(tǒng)商業(yè)領(lǐng)域掀起一次革命性的顛覆，“就像獅子吃掉森林里的羊一樣”，接著2012年11月11日，支付寶當(dāng)天的交易額達(dá)到令人震驚的191億。然而緊隨其后的一周內(nèi)，消費(fèi)者紛紛抱怨電商的糟糕的配貨、出貨速度。究其原因無(wú)疑和物流配送相關(guān)。經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展、科學(xué)的飛躍進(jìn)步和已經(jīng)到來(lái)的信息革命，使世界經(jīng)濟(jì)開(kāi)始全球化和市場(chǎng)化，我們進(jìn)入了一個(gè)前所未有的嶄新時(shí)代。集資金流、信息流、和物流于一身的物流配送中心，在這個(gè)效率至上的時(shí)代里，又進(jìn)一步推動(dòng)了全球貿(mào)易與經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展。物流配送最核心的系統(tǒng)設(shè)備就是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)。可以說(shuō)，沒(méi)有自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)就沒(méi)有現(xiàn)代化的物流系統(tǒng)。隨著立體倉(cāng)庫(kù)的出現(xiàn)，在其中起到重要作用的巷道式堆垛機(jī)（常常稱(chēng)作堆垛機(jī)）獲得到了迅猛發(fā)展，。它是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的核心作業(yè)機(jī)械，擔(dān)負(fù)著存貨、取貨等任務(wù),是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的關(guān)鍵設(shè)備，堆垛機(jī)的發(fā)展是衡量自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)發(fā)展的主要標(biāo)志，因此自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)就成了對(duì)堆垛機(jī)的研究。1.2 堆垛機(jī)的分類(lèi)1. 按有無(wú)人搭乘分類(lèi)（1）人、貨升降式堆垛機(jī)。這種堆垛機(jī)的貨臺(tái)和操作室為一體，操作者與貨物一起上下。（2）貨升降式堆垛機(jī)。2. 按支持形式分類(lèi)（1）懸垂式堆垛機(jī)。所謂懸垂式即是堆垛機(jī)懸掛在上導(dǎo)軌上。（2）地面式堆垛機(jī)。即是堆垛機(jī)在地面導(dǎo)軌上行走。（3）臺(tái)車(chē)移載式堆垛機(jī)。它是通過(guò)臺(tái)車(chē)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)貨物的移載作業(yè)的堆垛機(jī)。（4）輸送機(jī)移載式堆垛機(jī)。它是利用輸送機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)貨物的移載作業(yè)的堆垛機(jī)。3. 按控制方式分類(lèi)（1）手動(dòng)式堆垛機(jī)。它是操作者在操作室或操作臺(tái)上，實(shí)行手動(dòng)操作以控制行走、升降和叉伸等運(yùn)動(dòng)的堆垛機(jī)。（2）半自動(dòng)堆垛機(jī)。它是在手動(dòng)式堆垛機(jī)的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)行走、升降和貨叉運(yùn)動(dòng)的控制。（3）自動(dòng)堆垛機(jī)。它是在自動(dòng)堆垛機(jī)的基體上安裝有設(shè)定器，操作者只要利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行出入庫(kù)設(shè)定，便可實(shí)現(xiàn)貨物自動(dòng)存取。（4）遠(yuǎn)程控制堆垛機(jī)。它是使用遠(yuǎn)程控制便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的堆垛機(jī)。4. 按移載方式分類(lèi)（1）選貨式堆垛機(jī)。它是操作者直接進(jìn)行手工操作以實(shí)現(xiàn)對(duì)貨架中的貨物的存取作業(yè)。（2）貨叉移載式堆垛機(jī)。它是通過(guò)貨叉移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)存取貨物的堆垛機(jī)。其中又分單叉、雙叉和多叉幾種。5. 按軌道配置分類(lèi)（1）直線導(dǎo)軌式堆垛機(jī)。這是在直線導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)的堆垛機(jī)。（2）曲線導(dǎo)軌式堆垛機(jī)。這是在直線和曲線導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)的堆垛機(jī)。（3）在移動(dòng)臺(tái)車(chē)導(dǎo)軌上行走的堆垛機(jī)。隨著移動(dòng)臺(tái)車(chē)的移動(dòng)，堆垛機(jī)可以進(jìn)入其它巷道動(dòng)作。這樣可以節(jié)約堆垛機(jī)數(shù)量，減少投資。6. 按主構(gòu)件形成分類(lèi)（1）單柱式（桅桿式）堆垛機(jī)。如圖1.1所示。（2）雙柱式堆垛機(jī)。如圖1.2所示。 圖1.1單立柱堆垛機(jī) 圖1.2雙立柱堆垛機(jī)1.3巷道式單立柱堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)組成單立柱堆垛機(jī)大體上是由一根立柱和上、下橫梁組成，或是僅由一根立柱與下橫梁組成，整臺(tái)機(jī)器重量偏輕，制造所需材料與工時(shí)少，適用于2噸以下的起重量、十六米 以下起升高度的倉(cāng)庫(kù)。巷道式單立柱堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1.3 所示，主要由存、取貨物機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)以及安全保護(hù)裝置等組成。存、取貨物機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)存、取貨物的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，裝設(shè)在載貨臺(tái)上，主要功能即實(shí)現(xiàn)貨物的搬運(yùn)和存取。目前最常用的是三級(jí)直線差動(dòng)式伸縮貨叉。它由上叉、中叉、下叉和起導(dǎo)向作用的滾針軸承等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。提升機(jī)構(gòu)的主要功能是實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)存取貨機(jī)構(gòu)的垂直運(yùn)動(dòng)，目前有部分堆垛機(jī)的提升機(jī)構(gòu)是靠起重鏈柔性件來(lái)進(jìn)行牽引。升降機(jī)構(gòu)主要由升降鏈輪，升降鏈條和驅(qū)動(dòng)鏈輪等組成。載貨臺(tái)和升降鏈條連接在一起，升降鏈條與載貨臺(tái)、上下橫梁的鏈輪及升降鏈輪組成封閉式結(jié)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)的主要功能是實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)沿巷道方向的水平運(yùn)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)由電機(jī)變速箱、行走輪、導(dǎo)向輪等組成。下橫梁下方有行走輪，導(dǎo)向輪在其側(cè)面，確保堆垛機(jī)可以正常行走。其結(jié)構(gòu)如圖1.5 所示。 圖1.3巷道式單立柱堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)圖 圖1.4存取貨機(jī)構(gòu)（上）圖1.5行走機(jī)構(gòu)（下）1.4 堆垛機(jī)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 根據(jù)物流設(shè)備的發(fā)展形勢(shì)，對(duì)比國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平及研發(fā)情況等有關(guān)資料的分析，目前國(guó)內(nèi)堆垛機(jī)與國(guó)際先進(jìn)水平相比，主要的差距在于綜合性能上的差距：重點(diǎn)體現(xiàn)在機(jī)構(gòu)行走和升降的速度、貨叉伸縮的速度、運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性、振動(dòng)和噪聲。在結(jié)構(gòu)上也存在較大的劣勢(shì)：國(guó)外產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，且更加靈巧，本人國(guó)產(chǎn)品相對(duì)來(lái)說(shuō)笨重，不夠小巧。1.5 本文研究的主要內(nèi)容本文設(shè)計(jì)的是一兩排四層三列式立體倉(cāng)庫(kù)巷道式堆垛機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)貨物存取的模擬控制。主要工作包括：分析對(duì)比各類(lèi)立體倉(cāng)庫(kù)的控制技術(shù)，確定實(shí)現(xiàn)方案；進(jìn)行堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析；進(jìn)行堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面，對(duì)貨物存取過(guò)程進(jìn)行仿真控制。2 倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)的控制2.1 堆垛機(jī)主要運(yùn)動(dòng)及控制方式本文設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)在收到控制系統(tǒng)的指令后可以來(lái)回穿梭運(yùn)行于自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的巷道中，能夠?qū)⑽挥谌霂?kù)口的貨物存入貨倉(cāng)，或者相反取出貨倉(cāng)內(nèi)的貨物運(yùn)送到出庫(kù)口。2.1.1 堆垛機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)：堆垛機(jī)主體沿巷道前后方向運(yùn)行；位于主柱上的升降臺(tái)沿上下方向的運(yùn)行；升降臺(tái)上的貨叉能左右伸縮以存取巷道上的貨架上的貨箱。2.1.2 堆垛機(jī)的控制方式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)擁有較多的控制方式，時(shí)至今日有三種較為主流的控制方式：PLC控制、單片機(jī)控制和繼電器控制。本次采用PLC控制。2.2 堆垛機(jī)認(rèn)址方式2.2.1認(rèn)址方式的介紹堆垛機(jī)進(jìn)行貨物存、取前必須先走到指定的貨位。它到達(dá)與否的判定，在操作時(shí)必須自動(dòng)進(jìn)行。為此貨架上的每一個(gè)貨位必須具有堆垛機(jī)能識(shí)別的編碼。巷道左右2排貨架依次設(shè)定為1排、2排；堆垛機(jī)水平運(yùn)行方向設(shè)定為入庫(kù)口、1列3列和出庫(kù)口；垂直升降方向設(shè)定為1層4層，最底層取作1層。把排、列、層比作空間直角坐標(biāo)系X、Y、Z方向，就能確定每一個(gè)貨位的編號(hào)。堆垛機(jī)可以自動(dòng)檢測(cè)它當(dāng)前所處位置的坐標(biāo)，使其能走到指定貨位。其中X方向即排數(shù)，對(duì)于堆垛機(jī)的貨叉來(lái)說(shuō)只有左和右2個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，因此只需要檢測(cè)Z坐標(biāo)即層數(shù)與Y坐標(biāo)即列數(shù)。這2個(gè)坐標(biāo)的檢測(cè)也是一般情況下遇到的認(rèn)址問(wèn)題?，F(xiàn)在科技含量較高的檢測(cè)元件是光電開(kāi)關(guān)，它是利用安裝于軌道上對(duì)應(yīng)貨架每一列的行走認(rèn)址片及安裝在堆垛機(jī)立柱上對(duì)應(yīng)貨架每一層的升降認(rèn)址片，相應(yīng)光電開(kāi)關(guān)在每次通過(guò)認(rèn)址片時(shí)會(huì)進(jìn)行透光或擋光，使光電開(kāi)關(guān)的狀態(tài)發(fā)生變化，利用計(jì)算機(jī)對(duì)此變化狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)相應(yīng)算法可得到堆垛機(jī)的Y和Z方向的坐標(biāo)，從而獲知堆垛機(jī)當(dāng)前所在的列數(shù)和層數(shù)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)的狀態(tài)變化時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)怎樣正確識(shí)別堆垛機(jī)所在位置的編碼是自動(dòng)認(rèn)址的主要問(wèn)題。對(duì)此，可以采用2種方式：絕對(duì)認(rèn)址或相對(duì)認(rèn)址。絕對(duì)認(rèn)址采用得到的用N個(gè)光電開(kāi)關(guān)的通、斷狀態(tài)組合來(lái)獲取Y或Z的坐標(biāo)。行走和升降機(jī)構(gòu)分別用一組光電開(kāi)關(guān)和認(rèn)址裝置（認(rèn)址片和光電開(kāi)關(guān)視層數(shù)、列數(shù)而定）來(lái)獲取堆垛機(jī)的當(dāng)前地址（如圖2.1所示），認(rèn)址裝置上的認(rèn)址片和每個(gè)地址編碼一一對(duì)應(yīng)。采用絕對(duì)認(rèn)址方式時(shí)，堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的PLC 編程較為簡(jiǎn)單，并且認(rèn)址相對(duì)可靠，但是它每個(gè)位置的認(rèn)址片都不相同，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加上貨位越多，所需的認(rèn)址光電開(kāi)關(guān)也會(huì)越多。相對(duì)認(rèn)址是通過(guò)對(duì)光電開(kāi)關(guān)在經(jīng)過(guò)每一列或每一層的認(rèn)址片時(shí)，通電狀態(tài)翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電脈沖對(duì)地址編碼進(jìn)行加、減1的操作，產(chǎn)生堆垛機(jī)當(dāng)前地址編碼的一種方式(如圖2.2所示)。當(dāng)堆垛機(jī)行走或升降時(shí)，每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就對(duì)列數(shù)或?qū)訑?shù)加1或減1作為當(dāng)前地址。 圖2.1絕對(duì)認(rèn)址方式 圖2.2相對(duì)認(rèn)址方式2.2.2認(rèn)址方式的確定為完成對(duì)堆垛機(jī)的速度控制，必須要檢測(cè)出堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)的當(dāng)前位置，本文設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用相對(duì)認(rèn)址方式。因?yàn)檫@種方式不管有多少貨位，均只需2個(gè)行走光電開(kāi)關(guān)和34個(gè)升降光電開(kāi)關(guān)，大大減少了光電開(kāi)關(guān)的數(shù)目可得到廣泛應(yīng)用。具體如下：1）水平認(rèn)址系統(tǒng)在堆垛機(jī)的水平軌道上，對(duì)應(yīng)貨架的每一列均要安裝一個(gè)認(rèn)址片，在堆垛機(jī)沿軌道上安裝前、后兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)。當(dāng)堆垛機(jī)運(yùn)行停準(zhǔn)的時(shí)候，前向光電和后向光電都會(huì)響應(yīng)，即它們都為高電平。PLC的計(jì)數(shù)器可實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)算，而且定位用的光電開(kāi)關(guān)也可用于停準(zhǔn)檢測(cè)，如圖2.2所示。（2）縱向認(rèn)址系統(tǒng)在堆垛機(jī)垂直立柱上，對(duì)應(yīng)貨架的每一層的均要安裝一個(gè)認(rèn)址片，在堆垛機(jī)的貨臺(tái)下面要安裝上、中、下三個(gè)光電開(kāi)關(guān)。低位為取貨開(kāi)始伸叉或放貨完畢收叉的位置，高位為放貨開(kāi)始伸叉或取貨完畢收叉的位置。為保證貨叉完成作業(yè)，堆垛機(jī)在垂直方向上必須要有檢測(cè)裝置準(zhǔn)確檢測(cè)貨叉是否準(zhǔn)確停在高位或低位。所以要在堆垛機(jī)的貨臺(tái)下面安裝三個(gè)光電開(kāi)關(guān)，與升降臺(tái)一起上升下降，中間的一個(gè)共用，其他兩個(gè)分別為上位置和下位置。存貨開(kāi)始或取貨結(jié)束時(shí)，升降臺(tái)貨叉停在高位置，上面兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)將在堆垛機(jī)升降過(guò)程中起作用；取貨開(kāi)始或存貨結(jié)束時(shí)，貨叉停在低位置，此時(shí)下面兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)將在堆垛機(jī)升降過(guò)程中起作用，如圖2.3所示。 圖2.3 堆垛機(jī)垂直方向認(rèn)址傳感器分布圖2.3 堆垛機(jī)速度控制堆垛機(jī)運(yùn)行效率的高低關(guān)系著整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行效率以及生產(chǎn)計(jì)劃的完成。堆垛機(jī)水平運(yùn)行、載貨臺(tái)升降采用變頻器控制速度；而貨叉的伸縮運(yùn)行距離較短采用固定速度。系統(tǒng)通過(guò)光電傳感器確定運(yùn)行過(guò)程中堆垛機(jī)的位置。傳感器回饋堆垛機(jī)的運(yùn)行速度，通過(guò)調(diào)整變頻器的頻率控制堆垛機(jī)的速度。在保證精確定位的情況下，最大限度的提高堆垛機(jī)的運(yùn)行速度，提高整體的運(yùn)行效率。2.3.1 變頻調(diào)速的工作原理變頻調(diào)速技術(shù)常用于堆垛機(jī)的速度控制。采用這種技術(shù)的交流異步電動(dòng)機(jī)，其性能可以超過(guò)現(xiàn)有任何一種交流調(diào)速方式，比如變極、調(diào)壓、串極等，也能和直流調(diào)速一較長(zhǎng)短，而且不需要經(jīng)常換碳刷，能夠節(jié)省費(fèi)用，并且驅(qū)動(dòng)裝置簡(jiǎn)單，不必使用電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與減速附加裝置，是交流調(diào)速的最佳方案。在堆垛機(jī)存取貨物的過(guò)程中,行走和貨叉伸縮運(yùn)動(dòng)是按照先后順序動(dòng)作的,行走電動(dòng)機(jī)和貨叉電動(dòng)機(jī)如果使用同一臺(tái)變頻器并聯(lián)運(yùn)行可以減少使用成本,電動(dòng)機(jī)功率按照大慣性負(fù)載啟動(dòng)的情況考慮。由電機(jī)學(xué)原理可知變頻器的變頻原理可表示為： （2.1）式中:f是電源頻率，p是電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)，s是轉(zhuǎn)差率。從上式可以看出，在極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差率不變的情況下，轉(zhuǎn)速與電源的頻率成正比，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的頻率可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制堆垛機(jī)速度的目的。2.3.2 速度曲線的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)堆垛機(jī)運(yùn)行速度如圖2.4可分為高速、中速、低速三檔，根據(jù)光電傳感器反饋的信息判斷與目標(biāo)位置距離遠(yuǎn)近進(jìn)行速度控制。在距離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)時(shí)，為提高工作效率采用高速運(yùn)行；在距離較近時(shí)，降低速度達(dá)到完全運(yùn)行準(zhǔn)確認(rèn)址的目的。由于堆垛機(jī)水平行走、載貨臺(tái)的垂直升降、貨叉的左右伸縮三個(gè)運(yùn)動(dòng)的距離和運(yùn)行速度不同，貨叉的左右伸縮運(yùn)行的距離較短，可采用固定速度低速運(yùn)行，堆垛機(jī)水平行走速度、載貨臺(tái)垂直升降速度與目標(biāo)位置和當(dāng)前位置間的距離的相關(guān)，關(guān)系如公式2.2和2.3所示，N為實(shí)時(shí)狀態(tài)下堆垛機(jī)的位置與目標(biāo)位置相差的層數(shù)或列數(shù)。圖2.4水平方向速度與目標(biāo)距離的關(guān)系 （ 2.2 ） （ 2.3 ）2.3.3 半閉環(huán)控制當(dāng)堆垛機(jī)朝著某一目標(biāo)位置行進(jìn)時(shí),按照事先編好的PLC程序中堆垛機(jī)速度的控制策略，再根據(jù)目標(biāo)位置與光電傳感器反饋回來(lái)的堆垛機(jī)的實(shí)際位置之間的差值即相差的列數(shù)或?qū)訑?shù),選用變頻器不同的頻率實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)的速度控制。當(dāng)堆垛機(jī)距離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)時(shí)，先用較高的速度使堆垛機(jī)接近目標(biāo)位置,然后平穩(wěn)地過(guò)渡到較低的速度運(yùn)行,在到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)采取抱閘停準(zhǔn)。為了能較好地滿足自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)中堆垛機(jī)高速運(yùn)行、平穩(wěn)換速、低速停準(zhǔn)地調(diào)速控制要求，本文采用半閉環(huán)控制方式,如圖2.5所示。 圖2.5堆垛機(jī)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制原理3 控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)3.1 核心元件簡(jiǎn)介3.1.1可編程控制器簡(jiǎn)介可編程控制器（Programmable Logic Controller,PLC)是以微處理器為核心，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，PLC技術(shù)不斷進(jìn)步，在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了極其廣泛的應(yīng)用。S7-200系列PLC是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的一種超小型PLC,大型和中型的PLC的功能應(yīng)有盡有，而價(jià)格卻和小型PLC的價(jià)格一樣。能夠單機(jī)動(dòng)作，也可以輸入/輸出擴(kuò)展。它結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)行速度快，擁有媲美大型和中型PLC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又有豐富的指令集，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)特性和集成功能，配備有多種功能的擴(kuò)展模塊，性價(jià)比非常高。3.1.2 變頻器簡(jiǎn)介變頻器的工作原理是通過(guò)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4個(gè)部分組成：整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制。變頻器作為功率的變換部件，可提供可控的高性能變壓變頻的交流電源。3.2電氣設(shè)計(jì)一般原則一般，電氣控制系統(tǒng)應(yīng)滿足工業(yè)生產(chǎn)的加工工藝要求，線路以安全為先，可靠為主，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，節(jié)約成本等。為此，必須正確設(shè)計(jì)控制電路，合理的選擇電器元件。一般在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循以下原則：1) 最大限度地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械和工藝對(duì)電氣控制線路的要求。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)之前，首先要清楚控制系統(tǒng)的工作要求，對(duì)要使用的機(jī)械設(shè)備的工作性能，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際工作情況有充分的了解。從而作為設(shè)計(jì)電氣控制線路的依據(jù)。2) 在滿足生產(chǎn)要求的前提下，力求使控制線路簡(jiǎn)潔明了和節(jié)約電器元件。盡量選用標(biāo)準(zhǔn)的、常用的或經(jīng)過(guò)實(shí)際考驗(yàn)過(guò)的環(huán)節(jié)和線路；盡量縮短連接導(dǎo)線的數(shù)量和長(zhǎng)度；盡量減少電氣的數(shù)量采用標(biāo)準(zhǔn)件；盡量減少不必要的觸點(diǎn)，簡(jiǎn)化電路；線路在使用過(guò)程中除必要的電路必須通電以達(dá)到工作要求外，其余的盡量處于斷電狀態(tài)以節(jié)約電能，并延長(zhǎng)電路的使用使命。3) 保證控制線路工作的可靠性。選用的電器元件要可靠、牢固、動(dòng)作時(shí)間少、抗干擾能力強(qiáng)；正確連接電器元件的線圈；正確連接電器的觸點(diǎn)；在控制線路中，采用小容量繼電器的觸點(diǎn)來(lái)斷開(kāi)或接通大容量接觸器的線圈時(shí)，要計(jì)算繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)或接通容量是否足夠；在頻繁操作的可逆線路中，正反向接觸器應(yīng)加重型的接觸器，且應(yīng)有電氣和機(jī)械的聯(lián)鎖；防止觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象；防止寄生電路。4) 控制線路工作的安全性。電氣控制線路應(yīng)具有完善的保護(hù)環(huán)節(jié)，用以保護(hù)電網(wǎng)、電動(dòng)機(jī)、控制電器以及其他電器元件，消除不正常工作時(shí)的有害影響，避免因誤操作而發(fā)生故事。在控制系統(tǒng)中，常用的保護(hù)環(huán)節(jié)有短路、過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓、失壓、弱磁、超速、極限等。有時(shí)設(shè)有合閘、正常工作、事故、分閘等指示信號(hào)。5) 操作和維修方便。3.2.1電器元件的選用 （1）1個(gè)電源:使用帶有聲光報(bào)警系統(tǒng)的交流380V三相三線電源。 （2）2個(gè)指示燈:1個(gè)用于通電指示，1個(gè)用作警示燈。 （3）PLC的選型：選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7 - 200 6ES7 214.1AD23.0XB8 CPU224 DC/DC/DC,14輸入/10輸出型作為堆垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心。擴(kuò)展模塊選擇6ES7 223.1BH22.0XA8 EM223 8入/8出 24VDC，開(kāi)關(guān)量型。 （4）變頻器選型：按照變頻器總電流不超過(guò)額定電流的基本原則,本人選用西門(mén)子司生產(chǎn)的MM440 變頻器作為行走電動(dòng)機(jī)、貨叉電動(dòng)機(jī)和升降電動(dòng)機(jī)的變頻器。因?yàn)樵诙讯鈾C(jī)存取貨物的過(guò)程中,運(yùn)行系統(tǒng)和貨叉系統(tǒng)是按照先后順序動(dòng)作的,為減少開(kāi)支,運(yùn)行電動(dòng)機(jī)和貨叉電動(dòng)機(jī)使用同一臺(tái)變頻器并聯(lián)運(yùn)行,運(yùn)行電動(dòng)機(jī)按照大慣性負(fù)載啟動(dòng)的情況考慮。行走和升降運(yùn)動(dòng)按照控制要求有高、中、低三檔速度，叉伸運(yùn)動(dòng)只有低檔速度。 （5）根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，采用的三相異步電動(dòng)機(jī)，額定功率300W，額定電流0.69A，額定電壓380， 額定頻率50Hz， 轉(zhuǎn)速，功率因數(shù)0.81，數(shù)量3個(gè)。 （6）手動(dòng)操作按鈕:用于手動(dòng)控制堆垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的啟停,便于調(diào)試。 （7）根據(jù)堆垛機(jī)的速度和位置控制要求，需要安裝8個(gè)光電傳感器和7個(gè)限位開(kāi)關(guān)。 （8）用于保護(hù)及控制220 V 交流電源輸入的強(qiáng)電電路。 （9）保護(hù)用PLC 邏輯輸出控制繼電器,再通過(guò)繼電器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的弱電電路:。 （10）若干接線端:用于控制柜內(nèi)電氣線路的連接。3.2.2堆垛機(jī)的配套傳感器系統(tǒng)為了保障整個(gè)倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化運(yùn)行,該堆垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)多處采用了傳感技術(shù):(1) 貨物進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)時(shí)，采用普通光電傳感器檢測(cè)有無(wú)物體,有貨物發(fā)出堆垛機(jī)啟動(dòng)信號(hào)。(2) 使用用條碼閱讀器讀取貨物信息。(3) 使用光電傳感器監(jiān)視堆垛機(jī)貨臺(tái)上貨情況。(4) 堆垛機(jī)的入口和出口是危險(xiǎn)區(qū)域,可在該區(qū)域安裝多光束安全光柵防護(hù)人體的侵入。3.3系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)包括主電路、控制電路、行走叉伸變頻器和升降變頻器的接線電路的設(shè)計(jì)。3.3.1電氣原理圖設(shè)計(jì)的基本步驟1)根據(jù)選定的拖動(dòng)方案及控制方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原理框圖，擬訂出各部分的主要技術(shù)要求和主要技術(shù)參數(shù)。 2)根據(jù)各部分的要求，設(shè)計(jì)出原理框圖中各個(gè)部分的具體電路。對(duì)于每一部分的設(shè)計(jì)總是按主電路控制電路輔助電路聯(lián)鎖與保護(hù)總體檢查反復(fù)修改與完善的步驟進(jìn)行。 3)繪制總原理圖。按系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu)將各部分聯(lián)成一個(gè)整體。 4)正確選用原理線路中每一個(gè)電器元件，并制訂元器件目錄清單。 對(duì)于比較簡(jiǎn)單的控制線路，例如普通機(jī)床的電氣配套設(shè)計(jì)，可以省略前兩步，直接進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)和選用電器元件。但對(duì)于比較復(fù)雜的自動(dòng)控制線路，例如專(zhuān)用的數(shù)控生產(chǎn)機(jī)械或者采用微機(jī)或電子控制的專(zhuān)用檢測(cè)與控制系統(tǒng)，要求有程序預(yù)選、刀具調(diào)整與補(bǔ)償和一定的加工精度、生產(chǎn)效率、自動(dòng)顯示、各種保護(hù)、故障診斷、報(bào)警、打印記錄等，就必須按述過(guò)程一步一步進(jìn)行設(shè)計(jì)。只有各個(gè)獨(dú)立部分都達(dá)到技術(shù)要求，才能保證總體技術(shù)要求的實(shí)現(xiàn)，保證總裝調(diào)試的順利進(jìn)行。3.3.2 電氣原理圖的設(shè)計(jì)方法1、分析設(shè)計(jì)法 所謂分析設(shè)計(jì)法是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求去選擇適當(dāng)?shù)幕究刂骗h(huán)節(jié)（單元電路）或經(jīng)過(guò)考驗(yàn)的成熟電路，按各部分的聯(lián)鎖條件組合起來(lái)并加以補(bǔ)充和修改，綜合成滿足控制要求的完整線路。當(dāng)找不到現(xiàn)成的典型環(huán)節(jié)時(shí)，可根據(jù)控制要求邊分析邊設(shè)計(jì)，將主令信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕M合與變換，在一定條件下得到執(zhí)行元件所需要的工作信號(hào)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，要隨時(shí)增減元器件和改變觸點(diǎn)的組合方式，以滿足拖動(dòng)系統(tǒng)的工作條件和控制要求，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改得到理想的控制線路。由于這種設(shè)計(jì)方法是以熟練掌握各種電氣控制線路的基本環(huán)節(jié)和具備一定的閱讀分析電氣控制線路的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，所以又稱(chēng)為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。 分析設(shè)計(jì)法的特點(diǎn)是無(wú)固定的設(shè)計(jì)程序，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，容易為初學(xué)者所掌握，對(duì)于具有一定工作經(jīng)驗(yàn)的電氣人員來(lái)說(shuō)，也能較快地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，因此在電氣設(shè)計(jì)中被普遍采用。其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)方案不一定是最佳方案，當(dāng)經(jīng)驗(yàn)不足或考慮不周時(shí)會(huì)影響線路工作的可靠性。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的基本步驟：1、 主電路設(shè)計(jì)。主要考慮電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、電動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)及多速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。2、 控制電路設(shè)計(jì)。主要考慮如何滿足電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)轉(zhuǎn)功能及生產(chǎn)工藝要求，包括實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程自動(dòng)或半自動(dòng)的控制。3、 輔助電路設(shè)計(jì)。主要考慮如何完善整個(gè)電路的設(shè)計(jì)、包括短路、過(guò)載、零壓、聯(lián)鎖、照明、信號(hào)、充電測(cè)試等各種保護(hù)環(huán)節(jié)。4、 反復(fù)審核電路是否滿足設(shè)計(jì)原則。在條件允許的情況下，進(jìn)行模擬試驗(yàn)，直至電路動(dòng)作準(zhǔn)確無(wú)誤，并逐步完善整個(gè)電器控制電路設(shè)計(jì)。2、 邏輯設(shè)計(jì)法 邏輯設(shè)計(jì)法是利用邏輯代數(shù)這一數(shù)學(xué)工具來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，即根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)要求及工藝要求，將執(zhí)行元件需要的工作信號(hào)以及主令電器的接通與斷開(kāi)狀態(tài)看成邏輯變量，并根據(jù)控制要求將它們之間的關(guān)系用邏輯函數(shù)關(guān)系式來(lái)表達(dá)，然后再運(yùn)用邏輯函數(shù)基本公式和運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行簡(jiǎn)化，使之成為需要的與或關(guān)系式，根據(jù)最簡(jiǎn)式畫(huà)出相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)圖，最后再作進(jìn)一步的檢查和完善，即能獲得需要的控制線路。 采用邏輯設(shè)計(jì)法能獲得理想、經(jīng)濟(jì)的方案，所用元件數(shù)量少，各元件能充分發(fā)揮作用，當(dāng)給定條件變化時(shí)，能指出電路相應(yīng)變化的內(nèi)在規(guī)律，在設(shè)計(jì)復(fù)雜控制線路時(shí)，更能顯示出它的優(yōu)點(diǎn)。邏輯設(shè)計(jì)方法的一般步驟：1、 充分研究加工工藝過(guò)程，做出工作循環(huán)圖或工作示意圖。2、 按工作循環(huán)圖做執(zhí)行元件節(jié)拍表及檢測(cè)元件狀態(tài)表。3、 根據(jù)狀態(tài)表，確定中間記憶元件的開(kāi)關(guān)邊界線，設(shè)計(jì)中間記憶元件。4、 列寫(xiě)中間記憶元件邏輯函數(shù)式及執(zhí)行元件邏輯函數(shù)式。5、 根據(jù)邏輯函數(shù)式建立電路結(jié)構(gòu)圖。6、 進(jìn)一步完善電路，增加必要的聯(lián)鎖，保護(hù)等輔助環(huán)節(jié)，檢查電路是否符合原控制要求，有無(wú)寄生回路，是否存在競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象等。完成以上六部，則一張完整的繼電器控制原理圖設(shè)計(jì)完畢。若實(shí)際制作還需要對(duì)原理圖上所有元件選擇具體型號(hào)。3.3.3 主電路設(shè)計(jì)如圖3.1所示，主電路包括帶有聲光報(bào)警裝置的三相三線制電源，PLC及其擴(kuò)展模塊的電源接線端，升降變頻器和行走叉伸變頻器的電源接線端，升降、行走、叉伸電機(jī)抱閘裝置的線圈和接通行走電機(jī)和叉伸電機(jī)的中間繼電器線圈。圖3.1堆垛機(jī)控制系統(tǒng)主電路3.3.4 控制電路設(shè)計(jì)以西門(mén)子的PLC及其擴(kuò)展模塊心的控制電路如圖3.2、3.3、3.4所示。圖3.2升降變頻器接線電路3.3行走叉伸變頻器接線電路 圖3.4堆垛機(jī)控制系統(tǒng)控制電圖4 控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)基于S7 - 200 PLC 的堆垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)是在Step7-MicroWIN SMART軟件下開(kāi)發(fā)的,主要有主程序、自動(dòng)運(yùn)行程序、手動(dòng)運(yùn)行程序。自動(dòng)和手動(dòng)運(yùn)行都包含入庫(kù)和出庫(kù)操作、位置控制和速度控制。堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程包括四個(gè)部分：(1) 接收入庫(kù)或出庫(kù)指令和存取貨物的目標(biāo)地址,堆垛機(jī)行走電動(dòng)機(jī)、升降電動(dòng)機(jī)順次起動(dòng)。通過(guò)定位系統(tǒng),堆垛機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置后準(zhǔn)確停車(chē)。(2) 貨叉電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)機(jī)由入庫(kù)和出庫(kù)指令決定貨叉伸出,執(zhí)行存、取操作后,貨叉縮回。(3) 貨叉回位后,堆垛機(jī)行走、升降機(jī)構(gòu)再次運(yùn)行,返回初始位置后準(zhǔn)確停車(chē)。(4) 堆垛機(jī)工作時(shí),工作人員確定工作方式：手動(dòng)或自動(dòng)。作業(yè)任務(wù)信息包括目標(biāo)位置及當(dāng)前貨物存、取動(dòng)作的識(shí)別。自動(dòng)控制時(shí),作業(yè)任務(wù)信息由上位機(jī)提供。根據(jù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以總結(jié)出基本的程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1程序流程圖4.1 I/O分配為正確的進(jìn)行硬件連接，方便修改系統(tǒng)的輸入/輸出點(diǎn)狀態(tài)，在編寫(xiě)程序前，需對(duì)系統(tǒng)的輸入/輸出點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃分配。分配1/0點(diǎn)時(shí)，將相同設(shè)備、相似功能的輸入輸出點(diǎn)集中在一起，以方便線路的連接、記憶。輸入、輸出點(diǎn)分配如表4.1。PLC輸入/輸出端子分配輸入電氣輸入端子輸出電氣輸出端子限位1I0.0行走貨叉變頻器正向Q0.0手/自動(dòng)旋鈕I0.1行走貨叉變頻器反向Q0.1手動(dòng)行走按鈕I0.2行走叉伸速度1Q0.2手動(dòng)升降按鈕I0.3行走叉伸速度2Q0.3手動(dòng)正向按鈕I0.4升降變頻器向上Q0.4手動(dòng)反向按鈕I0.5升降變頻器向下Q0.5手動(dòng)左右按鈕I0.6升降速度1Q0.6變頻器故障I0.7升降速度2Q0.7認(rèn)址片上址I1.0叉伸電機(jī)Q1.0認(rèn)址片中址I1.1行走電機(jī)Q1.1認(rèn)址片下址I1.2行走抱閘Q2.0認(rèn)址片前址I1.3升降抱閘Q2.1認(rèn)址片后址I1.4叉伸抱閘Q2.2左叉限位I1.5升降變頻器速度3Q2.4右叉限位I2.0行走叉伸變頻器速度3Q2.6中叉限位I2.1限位2I2.2限位3I2.3限位4I2.4庫(kù)位光電1I2.5庫(kù)位光電2I2.6貨叉探測(cè)光電I2.7 表4.1 I/O分配4.2 PLC主程序設(shè)計(jì) 4.2.1 程序初始化這段程序主要是對(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中VW100,VW101,VW102分別放置輸入的列數(shù)、層數(shù)和排數(shù)。VW103決定堆垛機(jī)執(zhí)行入庫(kù)還是出庫(kù)程序。網(wǎng)絡(luò)4對(duì)程序中置1的中間繼電器進(jìn)行復(fù)位，并結(jié)束程序。4.2.2 運(yùn)行方式的選擇網(wǎng)絡(luò)2和網(wǎng)絡(luò)3是手/自動(dòng)的選擇，當(dāng)I0.1得電時(shí)，選擇自動(dòng)方式，然后調(diào)用自動(dòng)子程序（SBR_0），I0.1失電時(shí)，選擇手動(dòng)運(yùn)行方式，然后調(diào)用手動(dòng)子程序（SBR_1）。4.3 PLC子程序設(shè)計(jì)4.3.1堆垛機(jī)出、入庫(kù)的主要運(yùn)動(dòng)堆垛機(jī)無(wú)論手動(dòng)還是自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，都包含出、入庫(kù)兩種情況，入庫(kù)運(yùn)行程序主要完成從進(jìn)貨點(diǎn)啟動(dòng)到入貨臺(tái)停止的過(guò)程。出庫(kù)運(yùn)行程序則相反。出、入庫(kù)的工作過(guò)程包含三個(gè)運(yùn)動(dòng)。水平列向運(yùn)動(dòng)：當(dāng)堆垛機(jī)準(zhǔn)備進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)時(shí)，通過(guò)對(duì)比目標(biāo)列與當(dāng)前列的值來(lái)精確定位。如果目標(biāo)列小于當(dāng)前列,則PLC程序中相應(yīng)計(jì)數(shù)器減數(shù)計(jì)算，堆垛機(jī)做后退運(yùn)動(dòng) ；反之,如果目標(biāo)列大于當(dāng)前列,則PLC程序中相應(yīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器加數(shù)計(jì)算，堆垛機(jī)做前進(jìn)運(yùn)動(dòng),直到目標(biāo)列等于當(dāng)前列,堆垛機(jī)不再做水平行走運(yùn)動(dòng)。當(dāng)堆垛機(jī)準(zhǔn)備離開(kāi)倉(cāng)庫(kù)時(shí),通過(guò)對(duì)比源列與當(dāng)前列的值進(jìn)行精確定位。如果當(dāng)源列小于當(dāng)前列,則PLC程序中相應(yīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器加數(shù)計(jì)算，堆垛機(jī)向后運(yùn)動(dòng)；反之,如果源列大于當(dāng)前列,則PLC程序中相應(yīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器減數(shù)計(jì)算，堆垛機(jī)向前運(yùn)動(dòng),直到當(dāng)前列等源列,堆垛機(jī)不再做水平運(yùn)動(dòng)。垂直層向運(yùn)動(dòng)：當(dāng)堆垛機(jī)準(zhǔn)備進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)時(shí),通過(guò)對(duì)比目標(biāo)層與當(dāng)前層的值來(lái)準(zhǔn)確定位。如果目標(biāo)層小于當(dāng)前層,PLC程序中相應(yīng)計(jì)數(shù)器減數(shù)計(jì)算，堆垛機(jī)做下降運(yùn)動(dòng)；反之,如果目標(biāo)層大于當(dāng)前層,則PLC程序中相應(yīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器加數(shù)計(jì)算，堆垛機(jī)做上升運(yùn)動(dòng),直到目標(biāo)層等于當(dāng)前層,堆垛機(jī)不再進(jìn)行垂直升降運(yùn)動(dòng)。當(dāng)堆垛機(jī)準(zhǔn)備離開(kāi)倉(cāng)庫(kù)時(shí),通過(guò)比較當(dāng)前層與源層的值來(lái)精確定位。如果源層小于當(dāng)前層,則PLC程序中相應(yīng)計(jì)數(shù)器減數(shù)計(jì)算，堆垛機(jī)做下降運(yùn)動(dòng)；反之,如果源層大于當(dāng)前層,則PLC程序中相應(yīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器加數(shù)計(jì)算，堆垛機(jī)做上升運(yùn)動(dòng),直到當(dāng)前層等于源層,堆垛機(jī)不再驚醒垂直升降運(yùn)動(dòng)。貨叉伸縮運(yùn)動(dòng)：載貨臺(tái)到達(dá)目標(biāo)位置后,進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)以完成貨物的存取任務(wù)。根據(jù)存貨或是取貨要求，貨叉微降火微升。堆垛機(jī)存、取貨控制流程如圖4.2 所示。 圖4.2堆垛機(jī)存、取貨程序流程圖4.3.2堆垛機(jī)手動(dòng)運(yùn)行在手動(dòng)工作方式下，按下手動(dòng)控制按鈕，處于手動(dòng)工作狀態(tài)的貨臺(tái)將執(zhí)行按鈕控制的動(dòng)作，直到運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)或按鈕抬起。程序控制流程圖如4.3所示。 圖4.3手動(dòng)運(yùn)行流程圖工作方式為手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，按下相應(yīng)的動(dòng)作按鈕，堆垛機(jī)將執(zhí)行按鈕控制的動(dòng)作，直到該動(dòng)作完成。 運(yùn)行過(guò)程如下：轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕LS1,堆垛機(jī)轉(zhuǎn)為手向按鈕，堆垛機(jī)水平列向行走。到達(dá)指定地點(diǎn)松開(kāi)按鈕或者到運(yùn)行極限超過(guò)限位開(kāi)關(guān)LB1、LB2，堆垛機(jī)行走抱閘裝置啟動(dòng)，堆垛機(jī)到位停準(zhǔn)。按下“升降”按鈕 ，升降變頻器切換到準(zhǔn)備啟動(dòng)升降電機(jī)，再按下正向或反向按鈕，堆垛機(jī)垂直層向運(yùn)動(dòng)。到達(dá)指定層后松開(kāi)按鈕或者超過(guò)運(yùn)行極限碰到限位開(kāi)關(guān)LB3、LB4，堆垛機(jī)升降抱閘裝置啟動(dòng)，堆垛機(jī)到位停準(zhǔn)。按下“左右”按鈕，堆垛機(jī)叉伸點(diǎn)擊啟動(dòng)，按下正向或反向按鈕，堆垛機(jī)載貨臺(tái)隨叉伸裝置左右移動(dòng)，將貨物運(yùn)送到指定庫(kù)位。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中碰到左叉限位、中叉限位和右叉限位的霍爾開(kāi)關(guān)時(shí)，叉伸報(bào)站裝置動(dòng)作。 4.3.3堆垛機(jī)自動(dòng)運(yùn)行自動(dòng)運(yùn)行方式下有入庫(kù)和出庫(kù)2個(gè)選擇，程序控制流如圖4.4所示。 圖4.4自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下堆垛機(jī)運(yùn)行程序流程圖運(yùn)行過(guò)程如下：堆垛機(jī)根據(jù)事先輸入計(jì)算機(jī)的狀態(tài)，確定進(jìn)行入庫(kù)I2.5還是出庫(kù)操作I2.6。進(jìn)行入庫(kù)操作時(shí)，堆垛機(jī)貨臺(tái)向右伸出，碰到右叉限位開(kāi)關(guān)I2.0停止，并叉伸抱閘起動(dòng)。此時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，貨臺(tái)微升，計(jì)時(shí)到，貨臺(tái)縮回，碰到中叉限位開(kāi)關(guān)I2.1停止。然后，堆垛機(jī)進(jìn)行貨物入庫(kù)操作。根據(jù)目標(biāo)地址與當(dāng)前地址的差值確定運(yùn)動(dòng)速度：高速、中速、低速。到達(dá)目標(biāo)位置后，有VW102存儲(chǔ)的數(shù)值確定左伸還是右伸。貨臺(tái)到達(dá)預(yù)定位置后，計(jì)時(shí)并微降，計(jì)時(shí)到，貨臺(tái)縮回，堆垛機(jī)返回初始位置，入庫(kù)操作完成。進(jìn)行出庫(kù)操作時(shí)，堆垛機(jī)先到達(dá)目標(biāo)位置，完成取貨操作，然后到達(dá)出庫(kù)位置，送出貨物，最后返回初試位置，出庫(kù)操作完成。工作過(guò)程中，要區(qū)別小車(chē)是處于前進(jìn)或者是存放貨物，還是完成了預(yù)定任務(wù)返回的過(guò)程。但是由于PLC程序是逐行掃描的，所以僅僅能夠判斷小車(chē)是處于前進(jìn)過(guò)程還是返回過(guò)程是不夠的，因?yàn)樵诜祷剡^(guò)程中，還有貨叉從貨架上縮回、升降臺(tái)下降到初始位置等過(guò)程，如果無(wú)法有效區(qū)別，必然要發(fā)生事故。所以，程序中必須要能夠?qū)⑦@3種不同的運(yùn)動(dòng)區(qū)分開(kāi)來(lái)。因此在編寫(xiě)PLC程序的時(shí)候，本文加入了3個(gè)變量M5.0、M5.1、M5.2，分別作為小車(chē)沿列向運(yùn)行標(biāo)志、升降臺(tái)層向運(yùn)行標(biāo)志、貨叉到位標(biāo)志。當(dāng)變量為OFF時(shí)，表明堆垛機(jī)還沒(méi)有完成該動(dòng)作，為ON時(shí)，表明已完成該動(dòng)作。4.4 堆垛機(jī)PLC程序PLC程序見(jiàn)附錄A堆垛機(jī)PLC程序。5 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1 組態(tài)王6.53介紹“組態(tài)”這一概念，是伴隨這集散型控制系統(tǒng)的出現(xiàn)而被人們所熟知的。組態(tài)軟件是能為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通訊層次的軟件。當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，而組態(tài)王6.53正是一套以實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)一體化為目標(biāo)而開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。該軟件集成了亞控科技公司自主研發(fā)的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（King Historian）的支持，可以為企業(yè)提供一個(gè)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析及處理的智能系統(tǒng)，使企業(yè)能夠及時(shí)的獲取有效信息，迅速的做出反應(yīng)，以獲得最優(yōu)結(jié)果。本文中組態(tài)王6.53主要解決人機(jī)圖形界面的問(wèn)題。5.2 制作監(jiān)控系統(tǒng)的步驟建立新組態(tài)王工程的一般過(guò)程是：1） 設(shè)計(jì)圖形界面（定義畫(huà)面）；2） 定義設(shè)備；3） 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)（定義變量）4） 建立動(dòng)畫(huà)連接；5） 運(yùn)行和調(diào)試。5.2.1 創(chuàng)建工程路徑打開(kāi)組態(tài)王工程管理器（ProJmananger），單擊選項(xiàng)“文件/新建工程”，彈出對(duì)話框：“新建工程向?qū)б弧?。單擊“下一步”繼續(xù)。彈出對(duì)話框：“新建工程向?qū)е?。在工程路徑文本框中輸入一個(gè)有效的工程路徑。單擊“下一步”繼續(xù)，在彈出的工程名稱(chēng)中輸入“堆垛機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)”，該工程名稱(chēng)同時(shí)將被當(dāng)作當(dāng)前工程的路徑名稱(chēng)，描述對(duì)話框略。單擊“完成”，工程“堆垛機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)”創(chuàng)建完成。如圖5.1所示。 圖5.1 新建工程5.2.2 創(chuàng)建組態(tài)畫(huà)面進(jìn)入組態(tài)王6.53開(kāi)發(fā)系統(tǒng)后，可以根據(jù)實(shí)際情況建立若干個(gè)工程畫(huà)面。組態(tài)王采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，用戶可以利用繪圖工具繪制能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)的圖形界面。第一步：定義新畫(huà)面進(jìn)入新建工程“堆垛機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)”，進(jìn)入工程瀏覽器左側(cè)大綱項(xiàng)“文件/畫(huà)面”，雙擊“新建”圖標(biāo)，輸入畫(huà)面名稱(chēng)：“立體倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控畫(huà)面”，背景色選取天藍(lán)色。第二步：在組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中從“工具箱”中選擇工具進(jìn)行立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)。如圖5.2所示。 圖5.2 堆垛機(jī)監(jiān)控畫(huà)面5.2.3 定義I/O設(shè)備組態(tài)王把那些需要與監(jiān)控系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的程序或設(shè)備都作為外部設(shè)備。外部設(shè)備包括：儀表、PLC、變頻器、板卡、模塊等下位機(jī)，它們一般通過(guò)計(jì)算機(jī)與串行口交換數(shù)圖5.3定義I/O設(shè)備據(jù)。完成外部設(shè)備的定義后，組態(tài)王即可使用輸入/輸出變量和下位機(jī)交換數(shù)據(jù)。本文使用西門(mén)子仿真PLC和組態(tài)王進(jìn)行通訊，仿真PLC可以模擬PLC為模擬現(xiàn)場(chǎng)提供數(shù)據(jù)，假設(shè)仿真PLC與計(jì)算機(jī)的COM1口相連接。 選擇開(kāi)發(fā)系統(tǒng)左側(cè)大綱中的“設(shè)備/COM1”，雙擊開(kāi)發(fā)系統(tǒng)右側(cè)窗口的“新建”圖標(biāo)，彈出“設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框，選取“仿真PLC”下的“串行”項(xiàng)，進(jìn)行下一步，為外部設(shè)備輸入名稱(chēng)：PLC，繼續(xù)下一步，選取連接串行接口，設(shè)為COM1，繼續(xù)下一步，在彈出“設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框中填寫(xiě)設(shè)備地址，假設(shè)為0，單擊“下一步”，彈出“通訊參數(shù)”。設(shè)置通訊故障恢復(fù)參數(shù)，默認(rèn)，單擊“下一步”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А保O(shè)備定義完成。如圖5.3所示。 5.2.4 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)是設(shè)計(jì)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的最重要部分。操作者根據(jù)屏幕上顯示的動(dòng)態(tài)畫(huà)面來(lái)掌握工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)情況，用計(jì)算機(jī)發(fā)布指令控制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。要實(shí)現(xiàn)這一切的中介環(huán)節(jié)是構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以說(shuō)數(shù)據(jù)就是連接上位機(jī)與下位機(jī)之間的“跨海大橋”。在畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，它包含所有數(shù)據(jù)變量的當(dāng)前值。在畫(huà)面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中雙擊繪制好的圖形就可以定義變量，指定變量類(lèi)型和變量名后，有時(shí)還需要其他附加信息。數(shù)據(jù)庫(kù)中變量的集合稱(chēng)作“數(shù)據(jù)詞典”，用戶可使用的所有的數(shù)據(jù)變量都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)詞典中。在左側(cè)大綱中選擇“數(shù)據(jù)庫(kù)/數(shù)據(jù)詞典”，在右側(cè)雙擊“新建”圖標(biāo)，彈出對(duì)話框定義變量，如圖5.4所示。單擊“變量名”輸入變量名，在“變量類(lèi)型”中選擇變量類(lèi)型，在“連接設(shè)備”中選擇先前定義好的I/O設(shè)備：PLC；定義“寄存器”，定義“數(shù)據(jù)類(lèi)型”。 圖5.4數(shù)據(jù)詞典5.2.5 建立動(dòng)畫(huà)連接建立動(dòng)畫(huà)連接是指在數(shù)據(jù)詞典中的數(shù)據(jù)變量與畫(huà)面中的圖形對(duì)象之間建立一種關(guān)系，當(dāng)變量當(dāng)前值改變時(shí)，畫(huà)面上的圖形對(duì)象的動(dòng)畫(huà)效果就會(huì)表示出來(lái)，或由軟件使用者通過(guò)圖形對(duì)象改變數(shù)據(jù)變量當(dāng)前值。組態(tài)王提供了21中動(dòng)畫(huà)連接方式。一個(gè)圖形對(duì)象可以定義若干連接，形成復(fù)雜的顯示效果以滿足實(shí)際情況下任意動(dòng)畫(huà)顯示的需要。單擊“命令語(yǔ)言.”按鈕，彈出畫(huà)面命令語(yǔ)言對(duì)話框，如圖5.5所示。程序輸入完成后，把“每3000毫秒”改為“每500毫秒”，這個(gè)將影響畫(huà)面執(zhí)行命令語(yǔ)言的響應(yīng)速度。單擊“確認(rèn)”，及“確定”回到開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。圖5.5命令語(yǔ)言 圖5.6動(dòng)畫(huà)連接雙擊文本對(duì)象“#”,可彈出“動(dòng)畫(huà)連接”對(duì)話框，如圖5.6所示。命令語(yǔ)言利用C語(yǔ)言編寫(xiě)。具體內(nèi)容見(jiàn)附錄B命令語(yǔ)言。5.2.6 運(yùn)行和調(diào)試.在堆垛機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，就可以進(jìn)入運(yùn)行和調(diào)試階段。在動(dòng)畫(huà)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中選擇“文件/切換到View”，監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。單擊“畫(huà)面/打開(kāi)”命令，從“打開(kāi)畫(huà)面”窗口中選擇“Test”畫(huà)面。顯示出組態(tài)王的運(yùn)行系統(tǒng)畫(huà)面，即可看到立體倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)畫(huà)面。通過(guò)組態(tài)軟件組態(tài)王6.53設(shè)計(jì)