PLC在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用

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河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院Henan Polytechnic Institute畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ）題目: PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用姓名: 紀(jì) 登 峰專業(yè): 機電設(shè)備維修與管理班級: 機電設(shè)備 0902 班指導(dǎo)老師: 季 祥I摘要在現(xiàn)代的物流倉儲系統(tǒng)中，自動化立體倉庫應(yīng)用日益廣泛。而碼垛機是立體倉庫的關(guān)鍵組成部分，碼垛機性能的優(yōu)劣對整個立體倉庫的運行起到至關(guān)重要的作用，所以設(shè)計與開發(fā)自動化程度較高的碼垛機控制系統(tǒng)成為當(dāng)前立體倉庫的發(fā)展趨勢，開展與此有關(guān)的研究具有重要的理論和應(yīng)用價值。本文基于現(xiàn)代物流技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展要求，介紹自動化立體倉庫的應(yīng)用及其功能和作用，結(jié)合現(xiàn)代科技的發(fā)展，著重研究自動化立體倉庫碼垛機控制系統(tǒng)的控制技術(shù)。本文詳細(xì)闡述了本控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，以及整個系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)和軟件設(shè)計。本文依據(jù)立體倉庫的有關(guān)設(shè)計參數(shù)，對碼垛機電氣控制的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，為了提高碼垛機的性能，本文采用了轉(zhuǎn)速、位置反饋的雙閉環(huán)控制，以滿足系統(tǒng)的調(diào)速要求。系統(tǒng)的水平認(rèn)址采用激光測距傳感器定位，垂直認(rèn)址采用光電開關(guān)和認(rèn)址片組合定位。變頻調(diào)速系統(tǒng)由 S7-200PLC 及其擴(kuò)展模塊 EM235 通過變頻器 MM440 控制交流電動機，采用光電編碼器反饋轉(zhuǎn)速信號，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。貨叉伸叉系統(tǒng)由 S7-226PLC 通過步進(jìn)電動機驅(qū)動器 SH-20403 控制二相混合式步進(jìn)電動機。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行了 PLC、變頻器、電機和電機驅(qū)動器的選型，并給出了系統(tǒng)的硬件接線圖，然后利用西門子的編程軟件 step7 設(shè)計了碼垛機控制程序。關(guān)鍵詞：自動化倉庫，碼垛機，PLC，控制系統(tǒng)，變頻器II目錄摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ第一章 緒論 ………………………………………………………………………11.1 自動化立體倉庫的概述 ………………………………………………………11.1.1 自動化立體倉庫的組成 …………………………………………………………11.1.2 自動化立體倉庫的優(yōu)點 …………………………………………………………21.1.3 自動化立體倉庫的發(fā)展 …………………………………………………………21.2 碼垛機的概述 …………………………………………………………………21.2.1 碼垛機的發(fā)展 …………………………………………………………………31.2.2 碼垛機研究技術(shù)的現(xiàn)狀 …………………………………………………………3第二章 碼垛機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 ………………………………………42.1 控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設(shè)計…………………………………………………42.2 碼垛機的位置控制………………………………………………………………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 型號選擇 ……………………………………………………………………92.3.3PLC 模塊選擇 …………………………………………………………………102.4 碼垛機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 ……………………………………………………11III2.4.1 變頻器選型 …………………………………………………………………112.4.2 水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 …………………………………………………112.4.3 垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 …………………………………………………132.5 碼垛機貨叉控制系統(tǒng)設(shè)計……………………………………………………142.6 安全檢測傳感器的應(yīng)用………………………………………………………152.7 通信方案的確定………………………………………………………………162.8 輸入輸出點的分配……………………………………………………………16第三章 碼垛機程序控制設(shè)計 ………………………………………………183.1 碼垛機自檢和復(fù)位/歸位程序…………………………………………………203.1.1 碼垛機自檢程序 ………………………………………………………………203.1.2 碼垛機復(fù)位/歸位程序 …………………………………………………………213.2 自動方式下的碼垛機運行控制 ………………………………………………213.2.1 初始化程序設(shè)計 ………………………………………………………………223.2.2 運行方式選擇程序 ……………………………………………………………233.2.3 自動控制中的尋址定位…………………………………………………………233.3 手動方式下的碼垛機運行控制 ………………………………………………253.3.1 手動控制中的尋址定位程序 ……………………………………………………253.3.2 手動方式下的貨叉運行控制 ……………………………………………………263.4 步進(jìn)電機驅(qū)動程序 ……………………………………………………………27結(jié)束語 ……………………………………………………………………………28致 謝………………………………………………………………………………29附 錄………………………………………………………………………………30參考資料 …………………………………………………………………………32PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 1第一章 緒論1.1 自動化立體倉庫的概述在現(xiàn)代物流系統(tǒng)中，自動化立體倉庫是一個重要的組成部分，它是一種新型的倉儲技術(shù)。自動化立體倉庫又稱為自動存儲/檢索系統(tǒng)（ Automated Storage &Retrieval System，AS/RS）。它是物料搬運和倉儲科學(xué)中的一門綜合科學(xué)技術(shù)工程。它以高層貨架為主要標(biāo)志，配以成套的先進(jìn)搬運設(shè)備，以先進(jìn)的計算機控制技術(shù)為主要手段，由此組成高頻率、大容量的科學(xué)存儲，以適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)、物資交流和倉儲的需求。1.1.1 自動化立體倉庫的組成立體倉庫是指：采用高層貨架儲存貨物，用起重、裝卸、運輸機械設(shè)備進(jìn)行貨物出庫和入庫作業(yè)的倉庫。這類倉庫主要通過高層貨架充分利用空間進(jìn)行存取貨物，所以被成為立體倉庫。目前，立體倉庫最大高度能達(dá)到 40 多米，最大庫存數(shù)可達(dá)數(shù)萬個貨物單位，可以實現(xiàn)按計劃入庫和出庫的全自動化控制，以及無人操作的計算機網(wǎng)絡(luò)化管理。其主要的組成部分有高層貨架、倉儲機械設(shè)備、控制及管理設(shè)施。（1）貨架 倉儲技術(shù)的發(fā)展由平面轉(zhuǎn)向高層立體化以后，高層貨架為倉庫的主體和標(biāo)志，貨架越高，存儲量越大。貨架在物流及倉儲中占有非常重要的地位，目前的貨架具有多種功能，以滿足機械化和自動化的要求。主要的貨架類型有單元式貨架、貫通式貨架與旋轉(zhuǎn)式貨架。為了提高貨物裝卸、存取效率，自動化立體倉庫一般使用貨箱或托盤盛放貨物。貨箱和托盤的基本功能是盛放小件物料，同時還應(yīng)便于運輸車和碼垛機的插取和存放。（2）倉儲機械設(shè)備 自動化立體倉庫的主要搬運設(shè)備是巷道式碼（堆）垛機，其主要用途是在高層貨架的巷道內(nèi)來回穿梭運行，將位于巷道口的貨物存放入貨格中，或者將貨物取出運送到巷道口。輸送系統(tǒng)必須是具有高度的可靠性，在立體倉庫中一般只有一套輸送系統(tǒng)，所以應(yīng)保證輸送系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)上的設(shè)備可靠、耐用、維修方便，并且還應(yīng)該對輸送系統(tǒng)設(shè)置手動控制做后備。自動化立體倉庫中的貨物輸送裝置主要有傳送帶、各種流動小車等，短距離的傳送還可以采用機器人。（3）控制及管理設(shè)施 控制管理系統(tǒng)采用分布式控制，即由管理計算機、中央控制計算機和直接PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 2控制碼垛機、入/出庫輸送機等現(xiàn)場設(shè)備的控制器組成控制系統(tǒng)。管理計算機是立體倉庫的管理中心，承擔(dān)著入/出庫管理、盤庫管理、查詢、打印及顯示、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的計算分析等功能，包括在線管理和離線管理；中央控制計算機是立體倉庫的控制中心，它溝通并協(xié)調(diào)管理計算機、碼垛機、入/出輸送機等設(shè)備之間的聯(lián)系，控制和監(jiān)視著整個立體倉庫系統(tǒng)的運行。1.1.2 自動化立體倉庫的優(yōu)點（1） 層貨架：立體倉庫由于使用了高層貨架存儲貨物，存儲區(qū)可以大幅度的向空間發(fā)展，充分利用了倉庫的空間，提高了空間利用率。（2） 自動存?。鹤詣踊Ⅲw倉庫使用機械和自動化設(shè)備，運行和處理速度快，提高了作業(yè)效率。（3） 計算機控制與管理：計算機能夠準(zhǔn)確無誤的對倉庫的各種信息進(jìn)行存儲和管理，不僅降低了操作人員的勞動強度，還減少了貨單處理和信息處理過程中的差錯，從而提高了倉庫的管理水平。（4） 節(jié)約成本：作業(yè)效率的提高勢必會降低貨物儲存的成本費用，由此也提高了企業(yè)的現(xiàn)代化物流意識。1.1.3 自動化立體倉庫的發(fā)展高層貨架倉庫的出現(xiàn)和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)以后生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。在生產(chǎn)發(fā)展的實際需要和科技水平發(fā)展的現(xiàn)實可能下，五十年代初開始出現(xiàn)了自動化立體倉庫。1950 年美國首先產(chǎn)生手動控制的橋式碼垛機起重機，與此同時提出了高層貨架的概念，被認(rèn)為是自動化倉庫的雛形。1960 年以后巷道式碼垛機逐漸代替了橋式碼垛機，此后碼垛機的使用范圍和性能有了很大的發(fā)展，尤其是在日本，自動化立體倉庫發(fā)展迅速，目前日本的自動化倉庫技術(shù)和自動化倉庫的擁有量都位居世界前列。自動化技術(shù)在倉儲領(lǐng)域中的發(fā)展分為五個階段：人工倉儲階段、自動化倉儲階段、集成化倉儲階段、智能化階段和智能自動化階段。其中智能自動化倉儲在九十年代后期以及二十一世紀(jì)的若干年內(nèi)，是倉儲自動化技術(shù)的主要發(fā)展方向。我國對自動化立體倉庫及其物料搬運設(shè)備的研制并不晚，1963 年研制成第一臺橋式碼垛起重機(機械部北京起重運輸機械研究所)，1973 年開始研制我國第一座由計算機控制的自動化立體倉庫(高巧米，機械部起重所負(fù)責(zé))，該庫1980 年投入運行。1.2 碼垛機的概述碼垛機是自動化立體倉庫系統(tǒng)的重要組成部分，它是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部件，PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 3存貨時將貨物從出入貨臺準(zhǔn)確的存放到貨位里，取貨時將貨物從貨位中取回到出入貨臺。無論何種類型的碼垛機，一般都由水平行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、載貨臺及貨叉機構(gòu)、機架和電氣設(shè)備等基本部分組成。它是在所謂高層、高速、高密度儲藏的概念下的產(chǎn)物。盡管各廠家各有獨創(chuàng)，結(jié)構(gòu)形式有些差異，但可以說大同小異，所有的碼垛機都不外乎由機架、載貨臺、伸縮貨叉、軌道和控制系統(tǒng)等部分組成。1.2.1 碼垛機的發(fā)展初期的立體倉庫使用的碼垛機以橋式起重機為基礎(chǔ)，這種碼垛機是從起重機的大梁上懸掛一個門架，利用門架的上下和旋轉(zhuǎn)來搬運貨物。1960 年左右在美國出現(xiàn)了巷道式碼垛機，隨后巷道式碼垛機逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式碼垛機。1967 年日本安裝了高度 10~15 米的高層碼垛機，1969 年出現(xiàn)了聯(lián)機全自動化倉庫，我國是在上世紀(jì) 70 年代初期開始研究采用巷道式碼垛機的立體倉庫。目前的碼垛機技術(shù)取得了重大的發(fā)展，控制技術(shù)、定位精度、運行速度都得到了很大程度的提高。巷道式碼垛機的起升速度已經(jīng)可以達(dá)到90m/min，運行速度達(dá)到 240m/min，在有的立體倉庫中采用上、下兩層分別用巷道碼垛機進(jìn)行搬運作業(yè)的方法提高出入庫能力。1.2.2 碼垛機技術(shù)的研究現(xiàn)狀按現(xiàn)行機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有軌巷道式碼垛機分類方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結(jié)構(gòu)、運行軌跡等分類。無論何種類型的碼垛機一般都由水平行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、載貨臺及貨叉機構(gòu)、機架和電氣設(shè)備等基本部分組成。體現(xiàn)碼垛機動態(tài)性能優(yōu)劣的指標(biāo)主要有：運行速度、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，自動化立體倉庫的技術(shù)水平和倉儲機械設(shè)備的動態(tài)性能也在不斷提高。例如，碼垛機的運行驅(qū)動己由 20 世紀(jì) 70 年代的子母電動機改為變頻調(diào)速，速度由 5~50m/min 提升至4~160m/min，國外小載重量的碼垛機最高可達(dá) 300m/min；提升驅(qū)動己由 20 世紀(jì) 70 年代的雙速電動機改進(jìn)為變頻調(diào)速，速度由 4~16m/min 提升至0~25m/min；貨叉運行也由單速電動機驅(qū)動改進(jìn)為變頻調(diào)速，速度由 8m/min 提升至 4~35m/min；在碼垛機自動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)碼垛機的運行速度最高仍保持在 160m/min；提升速度在 0~80m/min；貨叉速度一直保持在 0~30m/min；認(rèn)址采用光電探測，精度不足，認(rèn)址出錯率高。PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 4第二章 碼垛機控制技術(shù)的硬件設(shè)計2.1 控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設(shè)計（1）本系統(tǒng)中碼垛機運行機構(gòu)由水平運行的行走機構(gòu)，垂直運行的起升機構(gòu)及取送貨的伸叉機構(gòu)三部分組成。水平部分運動電機和垂直部分運動電機分別采用 220W 的三相交流異步電動機和 200W 的單相交流異步電動機，由西門子 S7-200PLC 通過變頻器進(jìn)行控制。伸叉機構(gòu)電機采用兩相混合式步進(jìn)電機，由西門子 S7-200 通過步進(jìn)電機驅(qū)動器進(jìn)行控制。由碼垛機運行機構(gòu)特點及工作要求可知，能否保證碼垛機的穩(wěn)定工作，關(guān)鍵在碼垛機的三維位置移動定位的精確性。主要技術(shù)指標(biāo)和和主要設(shè)計參數(shù)碼垛機運行的速度范圍：水平方向：2m/min~360m/min；垂直方向：2m/min~80/min；貨叉：2m/min~60/min （2）本文碼垛機的控制方式有自動和手動控制。① 手動方式通過碼垛機的轉(zhuǎn)換開關(guān)及按鈕控制碼垛機水平和提升運動及貨叉伸縮。同時運動速度也可以手動選擇。手動操作時，系統(tǒng)應(yīng)給予相應(yīng)的警示信號，同時系統(tǒng)將解除大部分的保護(hù)控制。手動操作主要用于安裝、調(diào)試和排除故障。② 單機自動用人機界面對碼垛機進(jìn)行全自動的控制，控制系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)進(jìn)行全自動的取送貨動作。界面操作時，應(yīng)具備對貨物的單送、單取操作。人機界面應(yīng)具備實時顯示設(shè)備運行工況，故障及歷史故障查詢等功能。（3）在本文設(shè)計的碼垛機控制系統(tǒng)中上位機完成的只是數(shù)據(jù)輸入和傳送，主要的控制任務(wù)是由 PLC 來完成。① 作業(yè)命令處理：確定作業(yè)狀態(tài)時自動還是手動；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。② 位置技術(shù)及判斷：沿著碼垛機的行進(jìn)方向和載貨臺的升降方向設(shè)置認(rèn)址片，PLC 通過檢測認(rèn)址片來判斷碼垛機位置和載貨臺的位置，每經(jīng)過一個認(rèn)址片，PLC 的高速計數(shù)器就自動計數(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，碼垛機停車。③ 速度調(diào)整和準(zhǔn)確停車：根據(jù)碼垛機和目標(biāo)位置的距離，PLC 輸出速度調(diào)整的控制信號給變頻器，通過變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，在停車之前先把碼垛機的運行速度降低到低速檔，使碼垛機以低速接近目標(biāo)位置，保證碼垛機的穩(wěn)定性。PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 5④ 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，確定各輸出點的得電狀態(tài)，完成作業(yè)順序的邏輯控制。⑤ 安全保護(hù)：水平行走、載貨臺升降及貨叉的伸縮等都有限位保護(hù)。⑥ PLC 還有工作故障報警功能。本系統(tǒng)由上位監(jiān)控級與直接控制級組成。監(jiān)控級對通訊、流程進(jìn)行控制，并進(jìn)行實時圖像顯示，直接控制級是由 PLC(可編程序控制器)組成的控制系統(tǒng)對各設(shè)備進(jìn)行單機自動操作。采用組態(tài)系統(tǒng)建立監(jiān)控界面，同時將運行系統(tǒng)的狀態(tài)反饋到監(jiān)控計算機。碼垛機采用西門子公司的 S7-200 型 PLC 控制，與變頻器結(jié)合對碼垛機進(jìn)行變頻調(diào)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖 2.1 所示。圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2 碼垛機位置控制由碼垛機的作業(yè)流程分析，碼垛機是由水平運行機構(gòu)、縱向起升機構(gòu)和貨叉伸縮機構(gòu)三部分組成的，水平運行機構(gòu)和垂直起升機構(gòu)使碼垛機到達(dá)目標(biāo)位置，貨叉伸縮機構(gòu)完成存取貨任務(wù)。要完成對碼垛機自動控制系統(tǒng)的設(shè)計，首先要保證碼垛機能夠準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置，所以在設(shè)計碼垛機自動控制系統(tǒng)時，監(jiān)控計算機S7-200 PLC碼垛機水平認(rèn)址系統(tǒng)碼垛機縱向認(rèn)址系統(tǒng)碼垛機縱向變頻系統(tǒng)碼垛機水平變頻系統(tǒng)碼垛機貨叉控制系統(tǒng)碼垛機縱向運行機構(gòu)碼垛機水平運行機構(gòu)碼垛機貨叉運行機構(gòu)碼垛機貨物檢測系統(tǒng)碼垛機限位保護(hù)系統(tǒng)PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 6關(guān)鍵在于準(zhǔn)確可靠的認(rèn)址和定位保證碼垛機準(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的穩(wěn)定性，必須對碼垛機三個機構(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自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。碼垛機速度位置控制的實現(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，實現(xiàn)位置和速度的雙閉環(huán)控制。輸入編碼器速度檢測位置檢測圖 2.2 碼垛機位置速度控制框圖2.2.1 定位控制定位控制就是確定碼垛機停止在目標(biāo)貨位的功能。自動倉庫的認(rèn)址檢測系統(tǒng)有兩項任務(wù)：一是實現(xiàn)自動尋址，使碼垛機自動找到被指定到達(dá)的位置；二是自動準(zhǔn)確停準(zhǔn)，即碼垛機停準(zhǔn)位置不超出規(guī)定的精度。為此，貨架上的每個貨位必須具有碼垛機能識別的編碼，所以將貨架兩側(cè)編成 X1、X2 ，沿碼垛機運行方向?qū)⒇浖芫帪?0~Y 列，垂直方向編為 0~Z 層。這樣每個貨位就有了獨立的三維坐標(biāo)地址，碼垛機自動檢測目前的坐標(biāo)地址，使其能到達(dá)目標(biāo)位置。因為貨架兩側(cè)分為 X1、X2，只有兩個方向，反應(yīng)到碼垛機上只是貨叉左伸、右伸運動，此方向不用檢測，所以實際上碼垛機位置的檢測只是對 Y、Z 位置的檢測。2.2.2 認(rèn)址檢測方式1）絕對認(rèn)址：絕對認(rèn)址是將每一個貨位賦予唯一的開關(guān)狀態(tài)，給每個貨位制作一個專用的認(rèn)址片，碼垛機上相應(yīng)安裝一個識別器，通常是二進(jìn)制編碼板和一組光電開關(guān)的組合，通過讀取認(rèn)址片的代碼來判斷碼垛機的當(dāng)前位置。（2）相對認(rèn)址：相對認(rèn)址時每個貨位的認(rèn)址片結(jié)構(gòu)相同。每經(jīng)過一個貨位，就對地址編碼進(jìn)行加 1 或減 1，一直移動到和預(yù)定位置號一致時停止運行。（3）編碼器定位法：編碼器定位方式主要有兩種：從動輪與軌道旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式、鏈輪與鏈條旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式。從動輪與軌道旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式。碼垛機的從動輪上配有同軸旋轉(zhuǎn)編碼器，從動輪與軌道近似純滾動，因此通過控制器 調(diào)速系統(tǒng) M 認(rèn)址器PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 7對旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換，可以得到碼垛機的相對運行位置。（4）激光測距定位：激光測距定位是近年來應(yīng)用于碼垛機準(zhǔn)確定位的新技術(shù)，用激光測距儀通過測量碼垛機到基準(zhǔn)點的距離和事先存儲的位置數(shù)據(jù)比較來確定碼垛機的當(dāng)前位置。這種方法的精度很高，但是使用時碼垛機和激光發(fā)射器和反射板之間不允許有物體，否則會遮擋住激光的傳輸路徑，使系統(tǒng)無法準(zhǔn)確定位。2.2.3 認(rèn)址方式確認(rèn)為完成對碼垛機的位置控制，必須能檢測出碼垛機的運行位置，本文設(shè)計的碼垛機系統(tǒng)認(rèn)址方式有：（1）水平認(rèn)址系統(tǒng)水平方向采用激光測距傳感器，當(dāng)前數(shù)據(jù)為位移值，經(jīng)過 PLC 計算后的數(shù)據(jù)為當(dāng)前速度值。激光測距傳感器安裝在碼垛機上，目標(biāo)放射板安裝在巷道末端。在立體倉庫巷道通道中的激光測距范圍(激光發(fā)射器與反射板之間)內(nèi)不得有任何物體遮擋激光光線。激光測距的原理是通過發(fā)射出的激光光線長度來測定距離，其光線就好比一把光尺，如果物體遮擋激光光線，讓它脫離原標(biāo)準(zhǔn)原點的測定位置，將影響實際要求的測定距離，從而使道碼垛機走位偏離所設(shè)定的位置，產(chǎn)生貨叉取/存儲錯位或起始點撞擊巷道碼垛機端部緩沖制動器的情況。因此，在巷道碼垛機工作時不允許有任何物體遮擋激光光線，對于激光光線通道應(yīng)采取隔離保護(hù)措施，保證激光測距的準(zhǔn)確性和自動化系統(tǒng)的安全性。（2）縱向認(rèn)址系統(tǒng)碼垛機縱向方向的層定位采用光電開關(guān)和認(rèn)址片組合定位，即在碼垛機的上下安裝兩個光電開關(guān)，在每層的貨位上安裝認(rèn)址片。低位為取貨開始伸叉或放貨完畢收叉的位置，高位為放貨開始伸叉或取貨完畢收叉的位置。為使貨叉能完成作業(yè)，碼垛機在垂直方向上必須要提供使貨叉能停在高位或低位的檢測裝置。所以在碼垛機的升降臺上安裝三個光電開關(guān)，與升降臺一起上升下降，中間的一個共用，其他兩個分別為上位置和下位置。存貨開始或取貨結(jié)束時，升降臺貨叉停在高位置，下面兩個光電開關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)；取貨開始或存貨結(jié)束時，貨叉停在低位置，此時上面兩個光電開關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)，如圖 2.3 所示。PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 8上 對 準(zhǔn) 光 電下 對 準(zhǔn) 光 電低 位 置 中 間 計 數(shù) 光 電 上 對 準(zhǔn) 光 電中 間 計 數(shù) 光 電下 對 準(zhǔn) 光 電高 位 置圖 2.3 碼垛機垂直方向認(rèn)址傳感器分布圖其認(rèn)址狀態(tài)如表 2-1 所示：表 2-1 認(rèn)址狀態(tài)表上升 下降傳感器 存貨高位 取貨低位 存貨高位 取貨低位A1……計數(shù)、減速、定位 ……定位、停止A2 計數(shù)、減速、定位定位、停止 定位、停止 計數(shù)、減速、定位A3……計數(shù)、減速、定位 ……2.2.4 碼垛機速度曲線分析常見的速度運行曲線有三種，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以加速度 啟動加速，當(dāng)勻加速到最大運行速度ma時，保持該速度運行一段時間，再以 勻減速運行，直到零速?？?。mvVA BCPLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 9S1 S2 S3 S圖 2.4 梯形速度曲線2.3 PLC 及資源配置根據(jù)實際的控制點數(shù)和系統(tǒng)需要實現(xiàn)的控制要求，在本設(shè)計中選用西門子的 S7-200 系列的 PLC 作為控制中心。2.3.1S7-200 系列 PLC 概述S7-200 系列 PLC 是德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型 PLC,超小型是指其功能具有大、中型 PLC 的水平，而價格卻和小型 PLC 的價格一樣?？梢詥螜C運行，也可以輸入/輸出擴(kuò)展。它結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運行速度快，繼承和發(fā)揮了它在大、中型 PLC 領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，又極豐富的指令集，具有強大的多種集成功能和實時特性，配有功能豐富的擴(kuò)展模塊，性能價格比非常高。因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。S7-200 硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式加積木式，即主機中包含一定數(shù)量的 I/O 輸入輸出，同時還可以擴(kuò)展各種功能模塊。（1） 基本單元：基本單元有時又稱作 CPU 模塊，也有的稱之為主機或本機。特包括 CPU、存儲器、基本輸入輸出點和電源等,是 PLC 的主要部分。它實際上就是一個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨的完成一定的控制任務(wù)。（2）擴(kuò)展單元：主機 I/O 數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時，用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展各種 I/O 模塊，所能連接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實際所能使用的 I/O 點數(shù)是多種因素共同決定的。（3）特殊功能模塊：當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時，可與SIMATIC S7-200 主機相連，已完成某種特殊的控制任務(wù)而特制的一種裝置。（4）相關(guān)設(shè)備：相關(guān)設(shè)備是為了充分和方便的利用 SIMATIC S7-200 系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)和使用的一些設(shè)備，主要有編程設(shè)備、人際操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。（5）工業(yè)軟件：工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設(shè)備而開發(fā)的與之相配套的程序，它主要有標(biāo)準(zhǔn)工具、工程工具、運行軟件和人機接口等幾大類構(gòu)成。2.3.2CPU 型號選擇SIMATIC S7-200 的 CPU 模塊包括一個中央處理單元、電源以及數(shù)字 I/O 點，PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 10這些都被集成在一個緊湊、獨立的設(shè)備中。CPU 負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，以便對工業(yè)自動化控制任務(wù)或過程進(jìn)行控制。輸入部分則輸出控制信號，控制工業(yè)過程中的設(shè)備。根據(jù)控制點數(shù)來計算，可以選用 CPU-226 這個型號的 CPU，CPU226 有 24 輸入/16 輸出，最大可以擴(kuò)展為 248 點數(shù)字量或 35 點模擬量。其特點如下：① 集成的 24V 電源：可直接連接到傳感器和變送器、執(zhí)行器，可用作負(fù)載電源。② 高速脈沖輸出：具有 2 路高速脈沖輸出端，輸出脈沖頻率可達(dá)20KHZ，用于控制步進(jìn)電機或伺服電機，實現(xiàn)定位任務(wù)。③ 通信口：CPU226 具有 2 個 RS-485 通信口，支持 PPI、MPI 協(xié)議，有自由口通信能力。④ 模擬電位器：CPU226 有兩個模擬電位器，用來改變特殊寄存器中的數(shù)值，以改變程序運行的參數(shù)，如定時器、計數(shù)器的預(yù)設(shè)值，過程量的控制參數(shù)。⑤ 中斷輸入允許以極快的速度對過程信號的上升沿做出響應(yīng)。⑥ 數(shù)字量輸入/輸出點：CPU226 具有 24 輸入/16 輸出，輸出點為 24V 直流雙向偶看光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流兩種類型，可擴(kuò)展模塊為7 個。⑦ CPU226 有 6 個 30KHZ 的高速計數(shù)器，用于捕捉比 CPU 掃描頻率更高的脈沖信號。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)計的需要。所選模塊型號如表 2-2 所示。表 2-2 擴(kuò)展模塊選型表系列號 類別 描述 選型型號 數(shù)量EM221 輸入擴(kuò)展模塊 DI16 6ES7221-1BH22-0XA0 1EM235 輸入/輸出擴(kuò)展模塊AI4/AO1 6ES7235-0KD22-0XA0 2由于 CPU226 的輸入點只有 24 個，不能滿足設(shè)計的輸入點的需要，所以加入一個 EM221 模塊，該模塊有 16 個數(shù)字輸入點，總體上可以滿足系統(tǒng)輸入的要求。另外加入兩個 EM235 模擬量輸入/輸出模塊是為控制水平和垂直運行的PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 11交流電機。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如 2.5 所示：上 位 機CPU26EM21EM235EM235輸 入 區(qū)手 動 開 關(guān)光 電 編 碼 器限 位 開 關(guān) 指 示 燈 、 繼 電 器步 進(jìn) 電 機 驅(qū) 動 器M40變 頻 器M40變 頻 器 二 相 混 合 式步 進(jìn) 電 機三 相 交 流 異步 電 動 機單 相 交 流 異步 電 動 機輸 出 區(qū)RS-485圖 2.5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2.4 碼垛機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計為了實現(xiàn)碼垛機的準(zhǔn)確定位，提高存取效率和保證碼垛機的穩(wěn)定性，必須對碼垛機三個機構(gòu)的速度進(jìn)行合理有效的控制，由于水平和垂直運行電機分別采用三相交流異步電動機和單相交流異步電動機，所以對這兩個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，可以實現(xiàn)高性能的應(yīng)用，帶內(nèi)置制動單元，可以快速制動。MM440 變頻器各項參數(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)。PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 12輸出頻率：(0-650)Hz 可調(diào)。輸出電流：2.1 。A輸出控制：變頻器由微機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，實現(xiàn)輸出電壓、頻率可調(diào)。控制作用： ，矢量—轉(zhuǎn)矩、光電編碼器反饋的速度控制等。VF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(0~10) 模擬量輸入。模擬量輸出：2 路(0~20) 模擬量輸出。mA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)計水平行走電機采用 220W 的三相交流異步電動機，運行速度要求為2m/min~360m/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 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KU變化，從而控制三相異步電動機的運行；電動機轉(zhuǎn)速由光電編碼器檢測并反饋到 PLC 得高速計數(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，gnKUu為被控量，控制算法為 PID。擾動gneKUun- f圖 2.6 PLC 變頻調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1）運用指令系統(tǒng)中的 PID 指令，偏差信號按照 PID 算法計算出控制量，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）運用指令系統(tǒng)中的 HDEF、HSC 指令，進(jìn)行高速計數(shù)中斷程序設(shè)計，PLC控制器（PID 算法）變頻器主電路（IGBT 逆變器）三相異步電動機（負(fù)載系統(tǒng)）光電編碼器反饋PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 13高速計數(shù)器設(shè)為 HSC0 和模式 9，增計數(shù)，實時采集并存儲光電編碼器反饋的A、B 兩相正交脈沖數(shù)。（3）在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中，實時測取系統(tǒng)各參數(shù)和輸出特性，并能在上/下位機進(jìn)行系統(tǒng)控制。（4）采用模塊化程序結(jié)構(gòu)設(shè)計出控制程序，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，能滿足像碼垛機這樣動態(tài)特性要求較高，并且在低頻時輸出高轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速精度要求較高的場合。由于碼垛機在工作過程中是頻繁啟動和停車的，在高速運行的狀態(tài)下還要求碼垛機能夠快速精準(zhǔn)地停在目的地，因此在制動方面采用了動能制動，將電動機運行在發(fā)電狀態(tài)下所回饋的能量消耗在制動電阻中，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 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 外部按鈕或上位機啟動/停止系統(tǒng)P1000 2 上位機或 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 9600P2011 0 MM440 變頻器通訊地址2.4.3 垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計垂直運行電動機采用 200W 的單向交流異步電動機，運行速度要求為2m/min~80m/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機和三相異步電動機有所區(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)上看單相異步電動機與三相籠型異步電動機相似，其轉(zhuǎn)子也為籠型，只是釘子繞組為單相工作繞組，但通常為起動的需要，定子上除了工作繞組外，還設(shè)有起動繞組，它的作用是產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，一般只在起動時接入，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 70%~80%的同步轉(zhuǎn)速時，由離心開關(guān)將其從電源自動切除，所以正常工作時PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 14只有工作繞組在電源上運行。但也有一些電容或電阻電動機，在運行時將起動繞組接于電源上，這實質(zhì)上相當(dāng)于一臺兩相電機，但由于它接在單相電源上，故稱為單相異步電動機。圖 2.7 是電容分組式單相異步電動機原理圖。圖 2.7 電容分組式單相異步電動機原理圖1— 工作繞組；2—起動繞組K—離心式開關(guān)；C —電容器單相異步電動機的突出特點是沒有啟動轉(zhuǎn)矩和固定的轉(zhuǎn)向。為此要設(shè)置啟動裝置，以及電機中產(chǎn)生一個與主磁場在空間和時間上不同相得磁場，從而形成一定大小的旋轉(zhuǎn)磁場以產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩。單相交流電動機的變頻調(diào)速與三相交流電動機的變頻調(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足夠電感量的電感，用于隔離電動機電容對變頻器的危害作用（同時對變頻器的高載波率起到一定的濾波作用） ，并保護(hù)電動機電容，此電路只適用于小功率單相電容運轉(zhuǎn)式和罩極式電動機，不適用于帶離心開關(guān)的單相電動機。另外，變頻器的輸出電壓和電動機的輸出電壓相匹配，變頻器要留有足夠的容量（應(yīng)比電動機的使用功率大三倍） 。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轉(zhuǎn)電動機的接線如圖 2.8 所示。1 CK2MPLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 15變 頻 調(diào) 速 器R SU VW 單 相 電 容 式運 轉(zhuǎn) 電 動 機 運行電容AC20圖 2.8 變頻器與單相電容式運轉(zhuǎn)電動機的接線圖2.5 碼垛機貨叉控制系統(tǒng)設(shè)計步進(jìn)電動機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。步進(jìn)電機定子的各相繞組按照一定的順序通電、斷電，從而帶動轉(zhuǎn)子按既定的方向一步一步轉(zhuǎn)動固定的角度，這個角度被稱為“步距角” ，通常用 表示。步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子上均?勻的分布著許多小齒，相鄰的兩個小齒的中心線間的角度稱為齒距角 (?)。對于 m 相 n 拍的步進(jìn)電機來說，則轉(zhuǎn)子走過了 n 個步距360???轉(zhuǎn) 動 齒 數(shù)角 ，所以步距角?（2-1）??360n?????轉(zhuǎn) 子 步 數(shù)我們選用的 S7-200 型 PLC 可以通過 Q0.0 和 Q0.1 兩個輸出端輸出脈沖串（PTO ）和脈寬調(diào)制（PWM） 。本文選用 PTO 控制方式，所以 PLC 的輸出端Q0.0 用做高頻脈沖輸出端，電機選用兩相混合式電動機 42BYG，步距角為,該電機使用配套的 SH-20403 兩相混合式步進(jìn)電動機細(xì)分??1.80.9??整 步 半 步驅(qū)動器。圖 2.9 是步進(jìn)電動機和驅(qū)動器的接線圖。 PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 16PLCM A+-B+脈 沖 信 號貨 叉 方 向改 變 信 號 24VDC公 共 端 1K1K42BYG步 進(jìn) 電機 SH-2043驅(qū) 動 器圖 2.9 步進(jìn)電機和驅(qū)動器接線圖2.6 安全檢測傳感器的應(yīng)用（1）貨架占有情況檢測自動化倉庫需要知道貨物是否存放在貨架，或者貨物在貨架的位置信息。以免造成誤動作，損傷機械。入庫操作時，當(dāng)碼垛機到達(dá)目標(biāo)位置時，先檢測貨位是否有貨物，若沒有貨物，則進(jìn)行伸叉作業(yè)，否則發(fā)出信號使碼垛機動作停止；出庫時，若檢測出相應(yīng)貨位無貨物，則發(fā)出信號致碼垛機動作停止。本文采用漫反射型的光電傳感器可以感知貨物在貨架的存在或者位置。（2）貨物突出貨架檢測貨物存放在貨架上，可能由于異常的情況導(dǎo)致貨物突出貨架的情況。這些突出的貨物可能妨礙碼垛機垂直方向的運行，導(dǎo)致貨架或碼垛機的損害。在碼垛機垂直軌道上頂端安裝長距離光電傳感器可以監(jiān)視貨物突出，一旦有突出，向上位機報警，控制系統(tǒng)發(fā)出信號致碼垛機停止運行。2.7 通信方案的確定PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 17為了控制無人運轉(zhuǎn)碼垛機，必須向碼垛機發(fā)送運轉(zhuǎn)和作業(yè)的信息。一個指令執(zhí)行完了之后，必須從碼垛機向地面發(fā)送響應(yīng)信號，即確認(rèn)信號，之后才能執(zhí)行下一個指令。碼垛機的信息傳遞順序是：碼垛機首先接受的作業(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，成為等待下一個作業(yè)信息的待機狀態(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)。主要基于以下兩點考慮：（1） RS-232C 接口標(biāo)準(zhǔn)只能用于點對點的通信，而 RS-485 能實現(xiàn)多點對多點的通信。RS-485 允許平衡電纜上連接 32 個發(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 臺碼垛機控制系統(tǒng)連接，要求物理層的協(xié)議必須支持一點對多點的通信。（2） RS-485 采用差動發(fā)送/接收，所以共模抑制比高，抗干擾能力強。立體倉庫的工作環(huán)境較惡劣，熱、電、磁等干擾信號較多，要求通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力較強，才能保證數(shù)據(jù)的正確接收。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)除上述優(yōu)點外，還具有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點。由于 PLC 帶有串行通信接口，只需用 RS-485 總線分別連接到計算機即可，可見系統(tǒng)的構(gòu)建十分簡單。當(dāng)需要增加新設(shè)備時，只需要將新設(shè)備也連接到計算機，系統(tǒng)的擴(kuò)展也較容易。為了利用計算機帶有的 RS-232 接口與下層的各個模塊通信，在計算機上需要安裝 232-485 轉(zhuǎn)換器。2.8 輸入輸出點的分配碼垛機控制系統(tǒng)采用的 PLC 是 S7-200 CPU226，總共使用了所有的 24 個輸入點和 11 個輸出點，具體 I/O 點分配如表 2-4 所示碼垛機控制系統(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)計的控制系統(tǒng)中，只用到兩個擴(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 點分輸入部分 輸出部分I0.0 鍵盤值 1 位 Q0.0 機械手控制脈沖I0.1 鍵盤值 2 位 Q0.1 機械手方向改變I0.2 鍵盤值 3 位 Q0.2 升降臺上升I0.3十六進(jìn)制顯示鍵盤值 4 位 Q0.3 升降臺下降PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 18I0.4 機械手到位限位 Q0.4 小車向前運動I0.5 機械手回位限位 Q0.5 小車向后運動I0.6 貨臺是否有物 Q0.6 存物指示燈I0.7 自動/手動（1/0） Q0.7 取物指示燈I1.0 小車前限 Q1.1 BCD 碼 1 位I1.1 小車后限 Q1.2 BCD 碼 2 位I1.2 升降臺上限 Q1.3 BCD 碼 3 位I1.3 升降臺下限 Q1.4BCD輸出顯示BCD 碼 4 位I1.4 層尋址 1 Q1.5 小車停止向前運動I1.5 層尋址 2 Q1.6 小車停止向后運動I1.6 列尋址 1 Q2.0 手動時層到位指示燈I1.7 列尋址 2 Q2.1 手動時列到位指示燈表 2-5 EM 221 模塊 I/O 點分配1 水平左限位 I3.0 9 縱向認(rèn)址下對準(zhǔn) I4.02 水平右限位 I3.1 10 左端歪斜傳感器 I4.13 垂直上限位 I3.2 11 右端歪斜傳感器 I4.24 垂直下限位 I3.3 12 左探有貨傳感器 I4.35 水平前對準(zhǔn) I3.4 13 右探有貨傳感器 I4.46 水平認(rèn)址計數(shù) I3.5 14 低速按鈕 I4.57 縱向認(rèn)址上對準(zhǔn) I3.6 15 中速按鈕 I4.68 縱向認(rèn)址計數(shù) I3.7 16 高速按鈕 I4.7第三章 碼垛機程序控制設(shè)計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)計開發(fā)，功能強大，主要由用戶用來開發(fā)控制程序，同時也可以實時監(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PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 19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)計的碼垛機控制系統(tǒng)采用手動和自動兩種操作方式，其中自動又有自動入庫和自動出庫兩種工作狀態(tài)。（1）自動：由操作員在下層控制臺輸入貨單，發(fā)出運行命令，碼跺機根據(jù)貨單和命令自動運行完成任務(wù)，實現(xiàn)甩手操作。（2）手動：由操作員親自駕駛碼跺機進(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)采用中間信號來實現(xiàn)對具體運行動作的控制，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，方便上位機對碼跺機系統(tǒng)的運行進(jìn)行實時的監(jiān)視。圖 3.1 是系統(tǒng)主程序流程圖。PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 20手動方式自動方式Y(jié)NNY圖 3.1 主程序流程圖開始系統(tǒng)上電碼垛機自檢子程序執(zhí)行手動操作子程序碼垛機運行方式選擇送貨任務(wù)取貨任務(wù)執(zhí)行取貨子程序執(zhí)行送貨子程序向上位機上傳碼垛機狀態(tài)PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 213.1 碼垛機自檢和復(fù)位/歸位程序3.1.1 碼垛機自檢程序碼垛機每次開機上電時，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 碼垛機自檢程序。碼垛機自檢子程序主要是判斷上次系統(tǒng)是否正常關(guān)機，如果屬于非正常關(guān)機，碼垛機有無不安全因素（貨叉是否在收叉位置，載貨臺上有無貨物，貨位位置是否正常等），如果存在不安全因素，碼垛機開始報警，等待故障處理。如果正常關(guān)機，則判斷碼垛機工作模式。在手動操作模式下，執(zhí)行手動操作子程序。在自動模式下，則由碼垛機機載控制柜上的觸摸屏操作下發(fā)作業(yè)任務(wù)。YNNY圖 3.2 碼垛機自檢子程序流程圖開始檢測安全關(guān)機標(biāo)志位上次安全關(guān)機?檢測貨叉位置及貨叉負(fù)載存在不安全因素?故障報警，等待故障處理結(jié)束PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 223.1.2 碼垛機復(fù)位/歸位程序當(dāng)碼跺機在運行過程中出現(xiàn)錯誤時(如認(rèn)址認(rèn)數(shù)器計數(shù)錯誤等)，若不及時糾正，就會使倉庫管理出現(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，及時恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行。根據(jù)不同錯誤的嚴(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 碼跺機開始在水平與垂直兩個方向同時以中速返回原位。當(dāng)碼跺機經(jīng)過強制限速點時，強制為低速，直到運動到原位停止。到達(dá)原位后，復(fù)位計數(shù)器；當(dāng)水平與垂直兩個方向均到達(dá)原位后，歸位動作完成。若重新啟動被按下超過 3s，系統(tǒng)會執(zhí)行初始化程序，對系統(tǒng)的各個內(nèi)存區(qū)及自由端口進(jìn)行重新定義，同時，系統(tǒng)會啟動返回原位程序，以重新設(shè)定計數(shù)器的當(dāng)前值；若不需要碼跺機歸位，則可以再松開重新啟動按鈕后，再短按一次重新啟動按鈕(小于 3s)，就可停止系統(tǒng)回歸原位。NYYNNY圖 3.3 復(fù)位程序流程圖 歸位按鈕按下 重啟信號計時時間到？重啟信號定時到？返回原位到達(dá)原位/重啟按鈕按下？結(jié)束啟動初化、歸位程序PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 233.2 自動方式下的碼垛機運行控制碼垛機執(zhí)行自動入庫作業(yè)的初始條件為碼垛機位于入庫口，升降臺位于最下位置，入庫臺車在碼垛機前進(jìn)方向的右邊，車上有貨物，碼垛機貨叉上無貨物。操作開始先在上位機的監(jiān)控界面上輸入待入庫目標(biāo)貨位的列、層數(shù)，選擇入庫動作，然后按下運行鍵，系統(tǒng)開始執(zhí)行入庫作業(yè)。于是碼垛機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，載著貨物的碼垛機向目的貨位移動，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收叉，然后貨叉回到貨叉中位，貨叉停止，碼垛機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)計這段程序主要是對所需的計數(shù)器、寄存器進(jìn)行初始化復(fù)位。網(wǎng)絡(luò) 1 和 2 是對兩個計數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，其中計數(shù)器 C2 是對輸入的倉庫號的列數(shù)進(jìn)行計數(shù)，C3 是對輸入倉庫號的層數(shù)進(jìn)行計數(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。PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 24Network 1SM0.+0C2URPVTSM0.1+0CURPVT33.2.2 運行方式選擇程序PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 25當(dāng) I0.7 得電時，選擇自動方式，然后調(diào)用自動子程序（SBR_0） ，I0.7 失電時，即選擇了手動運行方式，然后調(diào)用手動子程序（SBR_1） 。3.2.3 自動控制中的尋址定位自動控制子程序中的網(wǎng)絡(luò)，采用兩對光電開關(guān)來定位，當(dāng)兩對同時閉合時，說明已經(jīng)到達(dá)所到的列或?qū)?。網(wǎng)絡(luò) 11，C2 中的計數(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，相等時說明已經(jīng)到達(dá)層，升降臺停止上升，到達(dá)層標(biāo)志 M30.1。PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 26網(wǎng)絡(luò) 13 中，當(dāng)列和層都到位時，調(diào)用步進(jìn)電機子程序，機械手前伸取/放貨物。M30.2 是取/放完成標(biāo)志，當(dāng)取放完成時，手臂縮回（如網(wǎng)絡(luò) 14） ，并置動作完成標(biāo)志 M30.3。3.3 手動方式下的碼垛機運行控制3.3.1 手動控制中的尋址定位手動控制子程序中，手動運動時經(jīng)過每一列或?qū)訒r指示燈都會亮（網(wǎng)絡(luò) 1中 Q2.0\Q2.1 分別接層/列顯示燈） ，燈亮后才可以伸縮機械手臂（見網(wǎng)絡(luò) 2 中） 。PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 273.3.2 手動方式下的貨叉運行控制手動方式下貨叉的運行控制是分步進(jìn)行的，貨叉的任何兩個動作均不聯(lián)動。程序流程圖如 3.4 所示。PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 28手 動 狀 態(tài)堆 垛 機 到 位 且 允 許貨 叉 動 作 ？控 制 按 鈕被 按 下 ？貨 叉 動 作貨 叉 動 作到 位 ？貨 叉 動 作 結(jié) 束YNYNNY圖 3.4 手動方式貨叉運行程序圖3.4 步進(jìn)電機驅(qū)動程序PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 29將 16#85 送給 SMB67 是設(shè)置 PTO 的控制字節(jié)，選擇 PTO 方式，時基為 1us。然后設(shè)置周期為 50us,脈沖數(shù)為 70000 個。當(dāng)動作完成時，完成標(biāo)志 M30.3 置 1，然后返回起點。PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 30結(jié)束語碼垛機是立體倉庫的主要輸送設(shè)備，同時也是提高整個倉庫運行效率的關(guān)鍵所在。本文設(shè)計了碼垛機的電控系統(tǒng)，針對碼垛機運行速度與認(rèn)址精度的要求，圍繞碼垛機運行系統(tǒng)的性能提升展開一系列的工作。同時本文主要完成了以下幾個方面的內(nèi)容：（1）依據(jù)設(shè)計立體倉庫的有關(guān)參數(shù)，對碼垛機電氣控制的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。采用了激光測距傳感器在水平方向認(rèn)址，提高了碼垛機的認(rèn)址精度及行系統(tǒng)的可靠性，為以后運行速度的提升奠定了基礎(chǔ)。同時在水平和垂直方向采用閉環(huán)控制方式，實現(xiàn)高速運行、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)計運行了系統(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行動作的 PLC 程序。PLC 的運用及其程序的簡化，縮短了系統(tǒng)掃描周期，使碼垛機的控制運行更方便，動作更加簡單、準(zhǔn)確。但是盡管如此本設(shè)計系統(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，碼垛機運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，這些對提高整個系統(tǒng)的運行效率有非常重要的作用。PLC 在倉庫碼垛機中的設(shè)計應(yīng)用 31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，季老師扎實的專業(yè)知識和博大的知識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，成為一個有責(zé)任心的青年。祝愿他