自動化倉儲實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

進(jìn)入新世紀(jì)以來，互聯(lián)網(wǎng)+帶來的巨大變化對物流倉儲領(lǐng)域中的自動化控制技術(shù)提出了新的要求。如何應(yīng)對并處理這新的機(jī)遇和矛盾，認(rèn)真把握好第四次工業(yè)革命對物流倉儲控制系統(tǒng)技能人才的需求，快速培養(yǎng)出適應(yīng)社會與企業(yè)發(fā)展需要的自動化物流倉儲高技能人才，已成為當(dāng)前技工教育改革與發(fā)展的重大研究課題。因此，設(shè)計與實(shí)現(xiàn)一套自動化倉儲實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價值。在研究自動化物流倉儲控制技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，對目前社會上應(yīng)用比較廣泛的自動化物流倉儲設(shè)備的工作過程和生產(chǎn)特點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)查，提煉和濃縮出比較典型的工作任務(wù)；設(shè)計了自動化物流倉儲實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)的整體工藝過程，詳細(xì)分析并闡述了設(shè)計方案，研究了硬件組成及元器件選型等，最后又對實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究。通過以工作過程為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，強(qiáng)化對復(fù)雜自動化物流倉儲控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試與維護(hù)等綜合職業(yè)能力，滿足自關(guān)鍵詞：自動化倉儲；實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)；工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)第一章緒論1.1研究背景與意義投資規(guī)模也迅速增長，從2001年的幾百億元增加到2016年的近萬億元，這也說明了倉儲美國是世界上最先研發(fā)與應(yīng)用自動化物流倉儲系統(tǒng)的國家，它從1959年開始研究。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，美國在1963年率先把計算機(jī)控制技術(shù)引入自動化物流倉儲的控20世紀(jì)70年代我國的自動化物流倉儲系統(tǒng)才開始研制，不僅起步較晚而且發(fā)展比較緩慢，直到1973年才研制出第一座由計算機(jī)控制的自動化立體倉儲，相較于美國整整落后了10年，系統(tǒng)投入運(yùn)行則落后更多。隨著國家對科技發(fā)展的重視，大量研發(fā)資金的物流倉儲市場一片繁榮，是中國自動化物流倉儲史上難得的發(fā)展較快的一年。多年來物設(shè)施質(zhì)量等與物流活動相關(guān)的各個環(huán)節(jié)都投入大量資金，以使物流倉儲行業(yè)水平不斷提(1)人工倉儲階段(2)機(jī)械化倉儲階段與人工倉儲階段相比較，機(jī)械化倉儲階段不僅能大大降低工人的勞動強(qiáng)度與勞動時(3)自動化倉儲階段在機(jī)械化倉儲階段，雖然能減輕人的勞動量，但不能減少對人所以后來就被稱為“自動化孤島”。伴隨著通信技術(shù)的發(fā)展，后來我國建成的現(xiàn)代化程1.3本文的主要研究內(nèi)容既可以完成各類單項(xiàng)技能訓(xùn)練與考核，也可以實(shí)現(xiàn)綜合性項(xiàng)目訓(xùn)練，能較好地滿足實(shí)訓(xùn)教學(xué)、工程訓(xùn)練的需要。其次整個系統(tǒng)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的接口，兼容性強(qiáng)，擴(kuò)展性好。1.4自動化倉儲實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)研究的意義人才的培養(yǎng)要服務(wù)于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，要結(jié)合區(qū)域的企業(yè)需求來規(guī)劃。目前，我國物流倉儲產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，社會和企業(yè)對物流倉儲專業(yè)技術(shù)人才有大量的需求，但是，現(xiàn)在物流倉儲專業(yè)技術(shù)人才十分緊缺。不僅從事物流倉儲專業(yè)的人員較少，而熟悉自動化物流倉儲控制技術(shù)和自動化物流倉儲管理的人才更缺。自動化物流倉儲技術(shù)人才的嚴(yán)重短缺大大影響了我國物流倉儲行業(yè)的發(fā)展。因此，要保證自動化物流倉儲產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，就必須加快自動化物流倉儲專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)，把對自動化物流倉儲專業(yè)教學(xué)的認(rèn)識提升到一個新自動化物流倉儲實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)是典型的自動控制技術(shù)的集大成者，因?yàn)樗鼜V泛應(yīng)用了氣動、液壓、伺服與步進(jìn)、傳感器、PLC、通訊總線，甚至過程控制等。自動化物流倉儲控制系統(tǒng)的應(yīng)用，為培養(yǎng)具有現(xiàn)代化專業(yè)技術(shù)人才提供了實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺。自動化物流倉儲實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)作為一套教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，涵蓋了現(xiàn)代化物流倉儲工業(yè)級生產(chǎn)中所用到的典型控制單元，是培養(yǎng)應(yīng)用型高素質(zhì)人才的必要支撐平臺。因此可以將自動化物流倉儲控制系統(tǒng)制作成教學(xué)模型，不僅可以在教學(xué)過程中增加教學(xué)的應(yīng)用性，第二章自動化物流倉儲實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(2)確定I/O設(shè)備。(3)根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)選擇合適的PLC類型。(4)進(jìn)行I/O點(diǎn)分配，列出輸入輸出分配表，畫出輸入輸出端子(6)先將各個單元的程序?qū)懭隤LC,進(jìn)行單機(jī)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)錯誤，及時修改與完善。2.2控制系統(tǒng)整體工藝過程并旋轉(zhuǎn)90度然后再放回到傳送帶上。再經(jīng)過直角轉(zhuǎn)向單元傳送進(jìn)入條形碼貼標(biāo)及識別單啟動業(yè)貝貼占標(biāo)及條開形碼馬識別圖3-2控制系統(tǒng)流程圖2.3控制系統(tǒng)的組成自動化物流倉儲實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)是比較有代表性的，因?yàn)檎麄€控制系統(tǒng)包括上位機(jī)(微機(jī))、觸摸屏(人機(jī)界面)、1臺主站(由S7-300PLC構(gòu)成)和6臺從站(由S7-200PLC給上位機(jī)的監(jiān)控程序提供數(shù)據(jù)。6個從站單元分別是檢測單元、分揀輸送單元、條形碼貼構(gòu)均安裝在用工業(yè)型材制作的工作臺面上，系統(tǒng)中的各個工作站或機(jī)構(gòu)完全相互獨(dú)立，互托托盤堆垛及解堆單元圓帶轉(zhuǎn)角倉儲單元條形碼貼標(biāo)及識別單元直角轉(zhuǎn)向分揀單運(yùn)元輸檢檢測單元圓帶轉(zhuǎn)角圖3-3自動化倉儲實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)平面圖2.4控制系統(tǒng)的元器件選型門子200PLC,應(yīng)用領(lǐng)域比以前更為廣泛，因?yàn)樗粌H具有極高的可靠性、豐富的指令集CPU226型，它擁有24DI和16DO,可連接7個擴(kuò)展模塊，最大數(shù)字量點(diǎn)數(shù)分別是128DI的用戶程序存儲器和10KB的用戶數(shù)據(jù)存儲器，6路獨(dú)立的30KHZ單相高速計數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHZ高速脈沖輸出。它還配置了2個RS-485通訊端口，其串行通信端口的外部(1)擁有高速的指令處理。(2)采用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算可簡便復(fù)雜的算數(shù)運(yùn)算。(3)方便用戶的參數(shù)賦值。(4)方便的人機(jī)界面(HMI)服務(wù)。(6)有連續(xù)診斷功能。(7)擁有多級口令保護(hù)和操作方式選擇開關(guān)。(8)具有多種不同的通訊接口。a:步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn)：功率放大器脈沖分配器圖3-4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的組成電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度(步距角)。因此脈沖信號的頻率與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系。而且它們在驅(qū)動器內(nèi)部有相同的接口電路，如下圖3-5所示。OPTO端需要外接VCC,而且根據(jù)電壓的不同需要在外部另加串入不同阻值的限流電阻。例如在該自動化物流倉儲實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)中由于OPTO端所用電平為24V,就需要在外部另加1.8K的限流電阻。控制器O撥位開關(guān)AAB6cC圖3-5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接線示意圖2.6配套傳感器選擇響。光電傳感器有紅、藍(lán)、黑三根引出線，其中紅色接電源的正極、藍(lán)色接電源的負(fù)極、否則傳感器不能動作或誤動作；連接時采用接插方式，不要對端子進(jìn)行焊接，否則會損壞(2)位置傳感器：采用位置傳感器主要是實(shí)現(xiàn)位置檢測功能，特別是具體定位功能。此控制系統(tǒng)中選用的傳感器有電容型、電感型和接近型，當(dāng)然少不了行程開關(guān)，當(dāng)位置傳感器被觸發(fā)，常開觸點(diǎn)閉合，將信號送至PLC輸入端。(3)條碼閱讀傳感器：條碼閱讀器采用激光掃描原理，主要用于讀取條形碼信息，(4)觸摸屏的選用(5)觸摸屏是目前最簡單、方便、自然的輸入設(shè)備，因此它的應(yīng)用越來越普遍。在(6)輸送系統(tǒng)的選擇(7)輸送系統(tǒng)主要完成物料的輸送、搬運(yùn)、碼垛、分揀等位置上的變化。根據(jù)實(shí)訓(xùn)第三章控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究3.1基于Profibus的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)EM227模塊定義成DP從站，六個EM227通信模塊通過其DP通信端口連接到 3.2PLC與伺服控制器的連接3.2.1位置控制模式伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向是用高速脈沖串控制的，脈沖串的速度最高可達(dá)到500kpps。定位精度也非常高，可達(dá)到100000脈沖/轉(zhuǎn)的分辨率。3.2.2速度控制模式伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和方向之所以能夠進(jìn)行高度的平滑控制，一方面是由參數(shù)構(gòu)成的內(nèi)部速度指令控制進(jìn)行，另一方面，速度指令在進(jìn)行加減速時還具有的常數(shù)設(shè)置功能，以及在停止時還具有伺服鎖定功能。本自動化倉儲實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)采用的是60和80兩種機(jī)座號的三相步進(jìn)電機(jī)，搭配的是3ND583驅(qū)動器。它是一種高細(xì)分的三相步進(jìn)驅(qū)動器，采用的是精密電流控制技術(shù)，因此3ND583驅(qū)動器與配套三相步進(jìn)電機(jī)的發(fā)熱量小、噪聲低、位置控制精度高、平穩(wěn)性好。3.3.1驅(qū)動器的電流、細(xì)分撥碼開關(guān)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)在位置控制時需要很高的定位精度，這就要求相應(yīng)的驅(qū)動器必須能滿足這樣的要求。3ND583驅(qū)動器就是這樣一種高細(xì)分的，能滿足要求的驅(qū)動器。它是采用八位撥碼開關(guān)(SW1-SW8),運(yùn)用不同的組合方式來設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，譬如用SW1-SW4來設(shè)定動態(tài)電流，設(shè)定半流/全流模式是用SW5,用SW6-SW8來設(shè)定細(xì)分精度等。3.3.2供電電源選擇一般設(shè)備的供電電源要求輸入電壓穩(wěn)定，但3ND583驅(qū)動器卻恰恰相反，它的供電電源一般不選用穩(wěn)壓直流電源，選用的非穩(wěn)壓型電源電流輸出能力達(dá)到驅(qū)動器設(shè)定電流的2/3以上即可；也可以采用二極管橋式整流電路，先用變壓器把輸入電壓變到二極管可以承受的電壓范圍內(nèi)，然后進(jìn)行整流，最后可選取6800uF或10000uF的電容進(jìn)行濾波，電源電壓在DC20-50V之間都可以正常工作，但注意整流后電壓紋波峰值不得超過50V,接線時還要注意電源正負(fù)極性，切勿把極性接反。3.3.3適配電機(jī)的選配3ND583驅(qū)動器可以用來驅(qū)動多種三相步進(jìn)電機(jī)，包括3線的和6線的，步距角為1.2度電機(jī)可以使用3ND583驅(qū)動器，步距角為0.6度的同樣也可使用3ND583驅(qū)動器來驅(qū)動。我們主要依據(jù)兩個指標(biāo)來選擇電機(jī)，分別是：第一，電機(jī)的扭矩，第二，電機(jī)的額定電流。而電機(jī)尺寸的大小決定了扭矩的大小，電感的大小和電流的大小息息相關(guān)。電機(jī)尺寸越大，其扭矩也越大；電機(jī)尺寸越小，其扭矩也越小。電感越小的電機(jī)電流越大，電第四章軟件設(shè)計整個控制系統(tǒng)具備多種組態(tài)軟件、編程軟件、管理軟件等功能軟件，以方便用戶編程西門子STEP7MicroWINSP4和STEP7V5.5編程軟件，如圖4-1和4-2所示。分別對可以讓使用者能快速高效的開發(fā)、編輯和控制自己的應(yīng)用程號系結(jié)缺同落1標(biāo)警)計數(shù)器號開三由指據(jù)現(xiàn)引用導(dǎo)就能模程舞錯和能基u構(gòu))9圖4-2STEP7V5.5編程軟件WinCCV6.0組態(tài)軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的MicrosoftSQLServer2000數(shù)據(jù)庫，可以對控制系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔分類，同時WinCCV6.0組態(tài)軟件還具有瀏覽器功能。自動化物流倉儲控制系統(tǒng)的管理人員不用親自到環(huán)境惡劣的現(xiàn)場，即能在辦公室把整條自動化生產(chǎn)線的運(yùn)行情況掌握的了如指掌，從而能夠更好地進(jìn)行企業(yè)管理、協(xié)調(diào)指揮、調(diào)度生產(chǎn)，是工業(yè)企業(yè)中管理與監(jiān)控系統(tǒng)首選的實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺軟件。4.2軟件設(shè)計在此我們以物流倉儲單元為例來進(jìn)行軟件設(shè)計。首先我們根據(jù)生產(chǎn)工藝過程繪制出相應(yīng)的工藝流程圖，然后進(jìn)行程序編寫。工藝流程圖如下圖4-3所示。托盤上無工件_擋料氣缸伸出托盤到位無托盤擺動氣缸旋轉(zhuǎn)氣爪夾緊Y軸上升至限定位置XY軸動作延時2秒至前限位Y帕下隨軸原點(diǎn)圖4-3