PLC在倉庫碼垛機中的設計應用設計說明

1、 . 河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術 學 院Henan Polytechnic Institute畢業(yè)設計（論文） 題目: PLC在倉庫碼垛機中的設計應用獨創(chuàng)聲明本人重聲明：所呈交的畢業(yè)設計(論文)，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。盡我所知，除文中已經注明引用的容外，本設計（論文）不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名:二一年九月二十日 畢業(yè)設計（論文）使用授權聲明本人完全了解濱州學院關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論

2、文）的規(guī)定。本人愿意按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版，同意學校保存學位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數字化或其它復制手段保存設計（論文）；同意學校在不以營利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務系統(tǒng)，公布設計（論文）的部分或全部容，允許他人依法合理使用。（論文在解密后遵守此規(guī)定） 作者簽名:二一年九月二十日畢業(yè)設計任務書一、 設計題目：PLC在倉庫碼垛機上的設計應用 二、畢業(yè)設計的目的1設計一個立體倉庫碼垛機控制系統(tǒng)；2水平移動、垂直移動與伸叉機機構分別由220W 的三相交流異步電動機、200W 的單相交流異步電動機和二相混合式步進電機驅動；3上述電機由西門子S7-226

3、型PLC控制，其中水平移動、垂直移動由PLC通過變頻器控制，步進電機由步進驅動模塊進行自動控制。三、主要設計容1變頻調速系統(tǒng)設計；2貨叉伸縮控制；3PLC控制程序編寫與調試；四、重點研究問題PLC控制，確定設計方案，完成各功能單元的結構設計，參數計算和元件選擇。五、主要技術指標或主要設計參數堆垛機運行的速度圍：水平方向：2mmin-360mmin；垂直方向：2mmin-80mmin；貨叉： 2mmin-60mmin六、設計成果要求1畢業(yè)設計論文要求字數為1000015000字，論文格式參照工業(yè)職業(yè)技術學院關于畢業(yè)設計論文格式要求；2各部分環(huán)節(jié)的工作原理與調試故障分析與排除方法；3. 具有必要的

4、保護措施；4. 附有主程序流程圖；36 / 42摘要在現(xiàn)代的物流倉儲系統(tǒng)中，自動化立體倉庫應用日益廣泛。而碼垛機是立體倉庫的關鍵組成部分，碼垛機性能的優(yōu)劣對整個立體倉庫的運行起到至關重要的作用，所以設計與開發(fā)自動化程度較高的碼垛機控制系統(tǒng)成為當前立體倉庫的發(fā)展趨勢，開展與此有關的研究具有重要的理論和應用價值。本文基于現(xiàn)代物流技術的應用和發(fā)展要求，介紹自動化立體倉庫的應用與其功能和作用，結合現(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。本文詳細闡述了本控制系統(tǒng)的設計思想，以與整個系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)和軟件設計。本文依據立體倉庫的有關設計參數，對碼垛機電氣控制的硬件系統(tǒng)進行了設計，為了

5、提高碼垛機的性能，本文采用了轉速、位置反饋的雙閉環(huán)控制，以滿足系統(tǒng)的調速要求。系統(tǒng)的水平認址采用激光測距傳感器定位，垂直認址采用光電開關和認址片組合定位。變頻調速系統(tǒng)由S7-200PLC與其擴展模塊EM235通過變頻器MM440控制交流電動機，采用光電編碼器反饋轉速信號，實現(xiàn)轉速閉環(huán)控制。貨叉伸叉系統(tǒng)由S7-226PLC通過步進電動機驅動器SH-20403控制二相混合式步進電動機。根據系統(tǒng)的控制要求進行了PLC、變頻器、電機和電機驅動器的選型，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設計了碼垛機控制程序。關鍵詞：自動化倉庫，碼垛機，PLC，控制系統(tǒng)，變頻器目錄摘要第一章 緒

6、論 11.1自動化立體倉庫的概述 11.2 碼垛機的概述 21.3本章小結3第二章 碼垛機控制系統(tǒng)的硬件設計 42.1控制技術要求和系統(tǒng)總體設計42.2碼垛機的位置控制52.3 PLC與資源配置 82.4碼垛機變頻調速系統(tǒng)設計 112.5碼垛機貨叉控制系統(tǒng)設計 142.6安全檢測傳感器的應用 152.7通信方案的確定 162.8輸入輸出點的分配 162.9 本章小結18第三章 碼垛機程序控制設計 193.1碼垛機自檢和復位/歸位程序213.2自動方式下的碼垛機運行控制 223.3手動方式下的碼垛機運行控制 263.4步進電機驅動程序 283.5本章小結 28第四章 總 結29致 30附 錄31

7、參考資料 33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。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中的一門綜合科學技術工程。它以高層貨架為主要標志，配以成套的先進搬運設備，以先進的計算機控制技術為主要手段，由此組成高頻率、大容量的科學存儲，以適應現(xiàn)代化生產、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、運輸機械設備進行貨物出庫和入庫作業(yè)的倉庫。這類倉庫主

8、要通過高層貨架充分利用空間進行存取貨物，所以被成為立體倉庫。目前，立體倉庫最大高度能達到40多米，最大庫存數可達數萬個貨物單位，可以實現(xiàn)按計劃入庫和出庫的全自動化控制，以與無人操作的計算機網絡化管理。其主要的組成部分有高層貨架、倉儲機械設備、控制與管理設施。（1）貨架 倉儲技術的發(fā)展由平面轉向高層立體化以后，高層貨架為倉庫的主體和標志，貨架越高，存儲量越大。貨架在物流與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

9、件物料，同時還應便于運輸車和碼垛機的插取和存放。（2）倉儲機械設備 自動化立體倉庫的主要搬運設備是巷道式碼（堆）垛機，其主要用途是在高層貨架的巷道來回穿梭運行，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)，所以應保證輸送系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)上的設備可靠、耐用、維修方便，并且還應該對輸送系統(tǒng)設置手動控制做后備。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）控制與管理設施 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控制碼垛機、入/出庫輸送機等現(xiàn)場設備的控制

10、器組成控制系統(tǒng)。管理計算機是立體倉庫的管理中心，承擔著入/出庫管理、盤庫管理、查詢、打印與顯示、經濟技術指標的計算分析等功能，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)調管理計算機、碼垛機、入/出輸送機等設備之間的聯(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：計算機能夠準確無誤的對倉庫的各種信息進行存儲和管理

11、，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)以后生產技術發(fā)展的結果。在生產發(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

12、速，目前日本的自動化倉庫技術和自動化倉庫的擁有量都位居世界前列。自動化技術在倉儲領域中的發(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與二十一世紀的若干年，是倉儲自動化技術的主要發(fā)展方向。我國對自動化立體倉庫與其物料搬運設備的研制并不晚，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，機械部起重所負責)，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，存貨時將貨物從出入貨臺

13、準確的存放到貨位里，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、起升機構、載貨臺與貨叉機構、機架和電氣設備等基本部分組成。它是在所謂高層、高速、高密度儲藏的概念下的產物。盡管各廠家各有獨創(chuàng)，結構形式有些差異，但可以說小異，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，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1015

14、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。目前的碼垛機技術取得了重大的發(fā)展，控制技術、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可以達到90m/min，運行速度達到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行搬運作業(yè)的方法提高出入庫能力。1.2.2碼垛機技術的研究現(xiàn)狀按現(xiàn)行機械行業(yè)標準，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、結構、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、起升機構、載貨臺與貨叉機構、機架和電氣設備等基本部分組成。體現(xiàn)碼垛機

15、動態(tài)性能優(yōu)劣的指標主要有：運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、認址精度等。隨著科學技術的不斷進步，自動化立體倉庫的技術水平和倉儲機械設備的動態(tài)性能也在不斷提高。例如，碼垛機的運行驅動己由20世紀70年代的子母電動機改為變頻調速，速度由550m/min提升至4160m/min，國外小載重量的碼垛機最高可達300m/min；提升驅動己由20世紀70年代的雙速電動機改進為變頻調速，速度由416m/min提升至025m/min；貨叉運行也由單速電動機驅動改進為變頻調速，速度由8m/min提升至435m/min；在碼垛機自動控制方面還采用閉環(huán)控制變頻調速系統(tǒng)、Profibus總線控制等先進技術。盡管如

16、此，目前國產碼垛機的運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；認址采用光電探測，精度不足，認址出錯率高。1.3本章小結:本章主要介紹了自動化倉庫的組成、應用優(yōu)點和發(fā)展，并初步介紹了碼垛機的發(fā)展和研究現(xiàn)狀。表明了自動化倉庫和碼垛機在工業(yè)生產中發(fā)展的必然性,改進碼垛機精度和提高其應用效率的必要性。第二章 碼垛機控制技術的硬件設計2.1控制技術要求和系統(tǒng)總體設計（1）本系統(tǒng)中碼垛機運行機構由水平運行的行走機構，垂直運行的起升機構與取送貨的伸叉機構三部分組成。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

17、相交流異步電動機，由西門子S7-200PLC通過變頻器進行控制。伸叉機構電機采用兩相混合式步進電機，由西門子S7-200通過步進電機驅動器進行控制。由碼垛機運行機構特點與工作要求可知，能否保證碼垛機的穩(wěn)定工作，關鍵在碼垛機的三維位置移動定位的精確性。主要技術指標和和主要設計參數碼垛機運行的速度圍：水平方向：2m/min360m/min；垂直方向：2m/min80/min；貨叉：2m/min60/min （2）本文碼垛機的控制方式有自動和手動控制。 手動方式通過碼垛機的轉換開關與按鈕控制碼垛機水平和提升運動與貨叉伸縮。同時運動速度也可以手動選擇。手動操作時，系統(tǒng)應給予相應的警示信號，同時系統(tǒng)將解

18、除大部分的保護控制。手動操作主要用于安裝、調試和排除故障。 單機自動用人機界面對碼垛機進行全自動的控制，控制系統(tǒng)根據用戶輸入的參數進行全自動的取送貨動作。界面操作時，應具備對貨物的單送、單取操作。人機界面應具備實時顯示設備運行工況，故障與歷史故障查詢等功能。（3）在本文設計的碼垛機控制系統(tǒng)中上位機完成的只是數據輸入和傳送，主要的控制任務是由PLC來完成。 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。 位置技術與判斷：沿著碼垛機的行進方向和載貨臺的升降方向設置認址片，PLC通過檢測認址片來判斷碼垛機位置和載貨臺的位置，每經過一個認

19、址片，PLC的高速計數器就自動計數一次，前進加一，后退減一，上升加一，下降減一。到達預定位置后，碼垛機停車。 速度調整和準確停車：根據碼垛機和目標位置的距離，PLC輸出速度調整的控制信號給變頻器，通過變頻器控制電機的轉速，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位置，保證碼垛機的穩(wěn)定性。 作業(yè)任務的順序邏輯控制：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。 安全保護：水平行走、載貨臺升降與貨叉的伸縮等都有限位保護。 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、流程進行控制，并進行實時圖像顯示，直接控制級是

20、由PLC(可編程序控制器)組成的控制系統(tǒng)對各設備進行單機自動操作。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，與變頻器結合對碼垛機進行變頻調速。系統(tǒng)結構拓撲圖如圖2.1所示。監(jiān)控計算機碼垛機貨叉控制系統(tǒng)碼垛機水平變頻系統(tǒng)碼垛機縱向變頻系統(tǒng)碼垛機貨叉運行機構碼垛機水平運行機構碼垛機縱向運行機構碼垛機限位保護系統(tǒng)碼垛機貨物檢測系統(tǒng) S7-200 PLC碼垛機縱向認址系統(tǒng)碼垛機水平認址系統(tǒng)圖2.1 系統(tǒng)結構圖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、縱向起升機構和貨叉伸縮機構三部分組成的，水平運行機構和垂直

21、起升機構使碼垛機到達目標位置，貨叉伸縮機構完成存取貨任務。要完成對碼垛機自動控制系統(tǒng)的設計，首先要保證碼垛機能夠準確到達目標位置，所以在設計碼垛機自動控制系統(tǒng)時，關鍵在于準確可靠的認址和定位保證碼垛機準確無誤的定位在目標貨位。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的速度進行合理有效的控制，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、調速系統(tǒng)、編碼器、認址片和認址器組成，實現(xiàn)位置和速度的雙閉環(huán)控制。速度電機調速系統(tǒng)認址器控制器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

22、控制定位控制就是確定碼垛機停止在目標貨位的功能。自動倉庫的認址檢測系統(tǒng)有兩項任務：一是實現(xiàn)自動尋址，使碼垛機自動找到被指定到達的位置；二是自動準確停準，即碼垛機停準位置不超出規(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，所以將貨架兩側編成X1、X2，沿碼垛機運行方向將貨架編為0Y列，垂直方向編為0Z層。這樣每個貨位就有了獨立的三維坐標地址，碼垛機自動檢測目前的坐標地址，使其能到達目標位置。因為貨架兩側分為X1、X2，只有兩個方向，反應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認址檢測方式1）絕對認址：絕對認址是

23、將每一個貨位賦予唯一的開關狀態(tài)，給每個貨位制作一個專用的認址片，碼垛機上相應安裝一個識別器，通常是二進制編碼板和一組光電開關的組合，通過讀取認址片的代碼來判斷碼垛機的當前位置。（2）相對認址：相對認址時每個貨位的認址片結構一樣。每經過一個貨位，就對地址編碼進行加1或減1，一直移動到和預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：從動輪與軌道旋轉計數測定方式、鏈輪與鏈條旋轉計數測定方式。從動輪與軌道旋轉計數測定方式。碼垛機的從動輪上配有同軸旋轉編碼器，從動輪與軌道近似純滾動，因此通過對旋轉編碼器的轉角的轉換，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

24、是近年來應用于碼垛機準確定位的新技術，用激光測距儀通過測量碼垛機到基準點的距離和事先存儲的位置數據比較來確定碼垛機的當前位置。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)無法準確定位。2.2.3認址方式確認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，本文設計的碼垛機系統(tǒng)認址方式有：（1）水平認址系統(tǒng)水平方向采用激光測距傳感器，當前數據為位移值，經過PLC計算后的數據為當前速度值。激光測距傳感器安裝在碼垛機上，目標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圍(激光發(fā)射器與反射板之間)不得有任何物體遮擋激光光線。

25、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，讓它脫離原標準原點的測定位置，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定的位置，產生貨叉取/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采取隔離保護措施，保證激光測距的準確性和自動化系統(tǒng)的安全性。（2）縱向認址系統(tǒng)碼垛機縱向方向的層定位采用光電開關和認址片組合定位，即在碼垛機的上下安裝兩個光電開關，在每層的貨位上安裝認址片。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

26、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，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。存貨開始或取貨結束時，升降臺貨叉停在高位置，下面兩個光電開關處于認址片；取貨開始或存貨結束時，貨叉停在低位置，此時上面兩個光電開關處于認址片，如圖2.3所示。圖2.3 碼垛機垂直方向認址傳感器分布圖其認址狀態(tài)如表2-1所示：表2-1 認址狀態(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、減速、定位定位、停止 A2計數、減速、定位定位、停止定位、停止計數、減速、定位A3計數、減速、定位2.2.4碼垛

27、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，當勻加速到最大運行速度時，保持該速度運行一段時間，再以勻減速運行，直到零速?？?。 VABCS1S2S3S圖2.4 梯形速度曲線2.3 PLC與資源配置根據實際的控制點數和系統(tǒng)需要實現(xiàn)的控制要求，在本設計中選用西門子的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P

28、LC的價格一樣?？梢詥螜C運行，也可以輸入/輸出擴展。它結構小巧，可靠性高，運行速度快，繼承和發(fā)揮了它在大、中型PLC領域的技術優(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，配有功能豐富的擴展模塊，性能價格比非常高。因此，它一經推出，即受到了廣泛的關注。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量的I/O輸入輸出，同時還可以擴展各種功能模塊。（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。（2）擴展單元：主機

29、I/O數量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時，用戶可以根據需要擴展各種I/O模塊，所能連接的擴展單元的數量和實際所能使用的I/O點數是多種因素共同決定的。（3）特殊功能模塊：當需要完成某些特殊功能的控制任務時，可與SIMATIC S7-200主機相連，已完成某種特殊的控制任務而特制的一種裝置。（4）相關設備：相關設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)和使用的一些設備，主要有編程設備、人際操作界面和網絡設備等。（5）工業(yè)軟件：工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設備而開發(fā)的與之相配套的程序，它主要有標準工具、工程工具、運行軟件和人機接口等幾大類構成。2.3.2CPU型

30、號選擇SIMATIC S7-200的CPU模塊包括一個中央處理單元、電源以與數字I/O點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。CPU負責執(zhí)行程序，以便對工業(yè)自動化控制任務或過程進行控制。輸入部分則輸出控制信號，控制工業(yè)過程中的設備。根據控制點數來計算，可以選用CPU-226這個型號的CPU，CPU226有24輸入/16輸出，最大可以擴展為248點數字量或35點模擬量。其特點如下： 集成的24V電源：可直接連接到傳感器和變送器、執(zhí)行器，可用作負載電源。 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20KHZ，用于控制步進電機或伺服電機，實現(xiàn)定位任務。 通信口：CPU226具有2個RS

31、-485通信口，支持PPI、MPI協(xié)議，有自由口通信能力。 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值，以改變程序運行的參數，如定時器、計數器的預設值，過程量的控制參數。 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。 數字量輸入/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，可擴展模塊為7個。 CPU226有6個30KHZ的高速計數器，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輸出不能滿足設計的要求，所以又選用了EM2

32、21擴展模塊和EM235擴展模塊，正好滿足設計的需要。所選模塊型號如表2-2所示。表2-2 擴展模塊選型表系列號類別描述選型型號數量EM221輸入擴展模塊DI166ES7221-1BH22-0XA01EM235輸入/輸出擴展模塊AI4/AO16ES7235-0KD22-0XA02由于CPU226的輸入點只有24個，不能滿足設計的輸入點的需要，所以加入一個EM221模塊，該模塊有16個數字輸入點，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交流電機。系統(tǒng)總體結構圖如2.5所示：圖2.5 系統(tǒng)總體結構圖2.4碼垛機變頻調速系統(tǒng)設計為了實現(xiàn)碼垛機的

33、準確定位，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的速度進行合理有效的控制，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綜合考慮選擇西門子MM440變頻器，MM440型使用PID控制器，具PID

34、微調等功能，MM440可用于矢量控制，可以實現(xiàn)高性能的應用，帶置制動單元，可以快速制動。MM440變頻器各項參數指標如下：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。輸出頻率：(0-650)Hz可調。輸出電流：2.1。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)的脈沖寬度調制頻率，實現(xiàn)輸出電壓、頻率可調?？刂谱饔茫?，矢量轉矩、光電編碼器反饋的速度控制等。數字量輸入：6路帶隔離的數字量輸入。數字量輸出：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

35、：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水平方向變頻調速系統(tǒng)設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/min360m/min，系統(tǒng)采用轉速閉環(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變化，從而控制三相異步電動機的運行；電動機轉速由光電編碼器檢測并反饋到PLC得高速計數口I1.4和I1.5，構成閉環(huán)變頻調速系統(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。擾動三相異步電動機（負載系

36、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變頻調速閉環(huán)系統(tǒng)結構圖（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，進行高速計數中斷程序設計，高速計數器設為HSC0和模式9，增計數，實時采集并存儲光電編碼器反饋的A、B兩相正交脈沖數。（3）在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中，實時測取系統(tǒng)各參數和輸出特性，并能在上/下位機進行系統(tǒng)控制。（4）采用模塊化程序結構設計出控制程序，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)調速，能滿足像碼

37、垛機這樣動態(tài)特性要求較高，并且在低頻時輸出高轉矩以與轉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，從而達到快速停車的目的。變頻器參數設定如表2-3所示。表2-3 變頻器參數設定參數號 設定值 功能說明P0003 3 專家模式，使能讀/寫所有參數 P0004 0全參數 P0700 2 外部按鈕或上位機啟動/停止系統(tǒng) P1000 2上位機或PLC程序給定設定 P1300 1帶磁通電流的V/f控制方式 P2010 6通訊波特率設為9600 P

38、2011 0MM440變頻器通訊地址2.4.3垂直方向變頻調速系統(tǒng)設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/min80m/min。垂直方向變頻調速系統(tǒng)與水平方向變頻調速系統(tǒng)結構相似，但是由于單相異步電動機和三相異步電動機有所區(qū)別，所以垂直變頻調速系統(tǒng)和水平變頻調速系統(tǒng)也有不同的地方。從結構上看單相異步電動機與三相籠型異步電動機相似，其轉子也為籠型，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，還設有起動繞組，它的作用是產生起動轉矩，一般只在起動時接入，當轉速達到70%80%的同步轉速時，由離心開關將其從電源自動切除，所以正常工作時只有工作繞

39、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，這實質上相當于一臺兩相電機，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；C電容器單相異步電動機的突出特點是沒有啟動轉矩和固定的轉向。為此要設置啟動裝置，以與電機中產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磁場以產生啟動轉矩。單相交流電動機的變頻調速與三相交流電動機的變頻調速不同，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。輸出單相變頻調速電源在

40、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），并保護電動機電容，此電路只適用于小功率單相電容運轉式和罩極式電動機，不適用于帶離心開關的單相電動機。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，電感的磁性材料應與變頻器的載波率相匹配。變頻器和單相電容式運轉電動機的接線如圖2.8所示。圖2.8 變頻器與單相電容式運轉電動機的接線圖2.5碼垛機貨叉控制系統(tǒng)設計步進電動機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。步進電機定子的各相繞組按照

41、一定的順序通電、斷電，從而帶動轉子按既定的方向一步一步轉動固定的角度，這個角度被稱為“步距角”，通常用表示。步進電機的轉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拍的步進電機來說，則轉子走過了n個步距角，所以步距角（2-1）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-20403兩相混合式步進電動機細分驅動器。圖2.9是步進電動機和驅動器的接線圖。 圖2.9

42、步進電機和驅動器接線圖2.6安全檢測傳感器的應用（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，當碼垛機到達目標位置時，先檢測貨位是否有貨物，若沒有貨物，則進行伸叉作業(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

43、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通信方案的確定為了控制無人運轉碼垛機，必須向碼垛機發(fā)送運轉和作業(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)送響應信號，即確認信號，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)出響應信息。碼垛機根據作業(yè)信息進行作業(yè)。作業(yè)完了之后，向地面發(fā)出“作業(yè)結束”信息。這樣把一系列作業(yè)進行完了之后，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標準。

44、主要基于以下兩點考慮：（1） RS-232C接口標準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，要求通信網絡的抗干擾能力較強，才能保證數據的正確接收。RS-485標準除上述優(yōu)點外，還具有傳輸速率高、傳輸距離遠等優(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)的構建十分簡單。

45、當需要增加新設備時，只需要將新設備也連接到計算機，系統(tǒng)的擴展也較容易。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)使用擴展I/O模塊EM221，其I/O分配表如表2-5 。擴展模塊EM235是模擬量4輸入/1輸出模塊，在本文所設計的控制系統(tǒng)中，只用到兩個擴展模塊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

46、部分輸出部分I0.0十六進制顯示鍵盤值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鍵盤值4位Q0.3升降臺下降I0.4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Q1.1BCD輸出顯示BCD碼1位I1.1小車后限Q1.2BCD碼2位I1.2升降臺上限Q1.3BCD碼3位I1.3升降臺下限Q1.4BCD碼4位I1.4層尋址1Q1.5小車停止向前運動I1.5層尋址2Q1.6小車停止向后運動I1.6列尋址

47、1Q2.0手動時層到位指示燈I1.7列尋址2Q2.1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I3.09縱向認址下對準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水平前對準I3.413右探有貨傳感器I4.46水平認址計數I3.514低速按鈕I4.57縱向認址上對準I3.615中速按鈕I4.68縱向認址計數I3.716高速按鈕I4.72.9本章小結：本章依據設計立體倉庫的有關參數，對碼垛機電氣控制的硬件系統(tǒng)進行了設計。包括系統(tǒng)結構圖，碼垛機的控制方式、通訊方案與認址方

48、式的選擇，并設置了相應的安全保護措施。第三章 碼垛機程序控制設計S7-200可編程控制器主要使用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進行編程和其它一些相關處理。STEP7-Micro/WIN 32編程軟件是基于Windows的應用軟件，由西門子公司專為SIMATIC S7-200系列可編程控制器設計開發(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

49、來創(chuàng)建你的控制程序。本文設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，碼跺機根據貨單和命令自動運行完成任務，實現(xiàn)甩手操作。（2）手動：由操作員親自駕駛碼跺機進行取貨和放貨操作，其中可以操作貨叉的升降、伸縮，碼跺機的上升下降，前進，后退操作，來完成貨單任務。程序采用模塊化的方式進行編寫，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存中，方便上位機對碼跺機

50、系統(tǒng)的運行進行實時的監(jiān)視。圖3.1是系統(tǒng)主程序流程圖。向上位機上傳碼垛機狀態(tài)執(zhí)行送貨子程序執(zhí)行手動操作子程序碼垛機運行方式選擇開始系統(tǒng)上電取貨任務執(zhí)行取貨子程序送貨任務碼垛機自檢子程序手動方式自動方式YNNY圖3.1 主程序流程圖3.1碼垛機自檢和復位/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)是否正常關機，如果屬于非正常關機，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

51、處理。如果正常關機，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。存在不安全因素?上次安全關機?故障報警，等待故障處理結束檢測貨叉位置與貨叉負載檢測安全關機標志位開始YNNY圖3.2 碼垛機自檢子程序流程圖3.1.2碼垛機復位/歸位程序當碼跺機在運行過程中出現(xiàn)錯誤時(如認址認數器計數錯誤等)，若不與時糾正，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系統(tǒng)的部分數據或設置，與時恢復系統(tǒng)的正常運行。根據不同錯誤的嚴重情況，設立系統(tǒng)歸位和系統(tǒng)復位兩種方式。碼跺機復位程序流程圖如圖3.3所示。當按下歸位按鈕超

52、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。當碼跺機經過強制限速點時，強制為低速，直到運動到原位停止。到達原位后，復位計數器；當水平與垂直兩個方向均到達原位后，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)的各個存區(qū)與自由端口進行重新定義，同時，系統(tǒng)會啟動返回原位程序，以重新設定計數器的當前值；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。歸位按鈕按下重啟信號啟動初化、歸位程序結束返回原位重啟信號定時到？計時時間到？NYYN到達原位/重啟按鈕按下？NY圖3.3 復位程序流程圖 3.2 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貨位的列、層數，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，到達目的貨位之后檢測目標貨位是否有貨，如無貨碼垛機向入庫目標貨位伸叉，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