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目錄 摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ 第一章 緒論 ………………………………………………………………………1 1.1自動(dòng)化立體倉庫的概述 ………………………………………………………1 1.1.1自動(dòng)化立體倉庫的組成 …………………………………………………………1 1.1.2自動(dòng)化立體倉庫的優(yōu)點(diǎn) …………………………………………………………2 1.1.3自動(dòng)化立體倉庫的發(fā)展 …………………………………………………………2 1.2 碼垛機(jī)的概述 …………………………………………………………………2 1.2.1碼垛機(jī)的發(fā)展 …………………………………………………………………3 1.2.2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) ………………………………………4 2.1控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)…………………………………………………4 2.2碼垛機(jī)的位置控制………………………………………………………………5 2.2.1定位控制…………………………………………………………………………6 2.2.2認(rèn)址檢測方式 ……………………………………………………………………6 2.2.3認(rèn)址方式確認(rèn) ……………………………………………………………………7 2.2.4碼垛機(jī)速度曲線分析 ……………………………………………………………8 2.3 PLC及資源配置 …………………………………………………………………8 2.3.1S7-200系列PLC概述 ……………………………………………………………9 2.3.2CPU型號(hào)選擇 ……………………………………………………………………9 2.3.3PLC模塊選擇 …………………………………………………………………10 2.4碼垛機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) ……………………………………………………11 2.4.1變頻器選型 …………………………………………………………………11 2.4.2水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) …………………………………………………11 2.4.3垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) …………………………………………………13 2.5碼垛機(jī)貨叉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………14 2.6安全檢測傳感器的應(yīng)用………………………………………………………15 2.7通信方案的確定………………………………………………………………16 2.8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) ………………………………………………18 3.1碼垛機(jī)自檢和復(fù)位/歸位程序…………………………………………………20 3.1.1碼垛機(jī)自檢程序 ………………………………………………………………20 3.1.2碼垛機(jī)復(fù)位/歸位程序 …………………………………………………………21 3.2自動(dòng)方式下的碼垛機(jī)運(yùn)行控制 ………………………………………………21 3.2.1初始化程序設(shè)計(jì) ………………………………………………………………22 3.2.2運(yùn)行方式選擇程序 ……………………………………………………………23 3.2.3自動(dòng)控制中的尋址定位…………………………………………………………23 3.3手動(dòng)方式下的碼垛機(jī)運(yùn)行控制 ………………………………………………25 3.3.1手動(dòng)控制中的尋址定位程序 ……………………………………………………25 3.3.2手動(dòng)方式下的貨叉運(yùn)行控制 ……………………………………………………26 3.4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 …………………………………………………………………………32 1.2.2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5~50m/min提升至4~160m/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4~16m/min提升至0~25m/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4~35m/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(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/min~360m/min； 垂直方向：2m/min~80/min； 貨叉：2m/min~60/min （2）本文碼垛機(jī)的控制方式有自動(dòng)和手動(dòng)控制。 ① 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。 ② 單機(jī)自動(dòng)用人機(jī)界面對碼垛機(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。 ① 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。 ② 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。 ③ 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。 ④ 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。 ⑤ 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)。 ⑥ 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。 V A B C S1 S2 S3 S 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 DI16 6ES7221-1BH22-0XA0 1 EM235 輸入/輸出擴(kuò)展模塊 AI4/AO1 6ES7235-0KD22-0XA0 2 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)。 控制作用：，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(0~10) 模擬量輸入。 模擬量輸出：2路(0~20) 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/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(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 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(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/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(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)電容對變頻器的危害作用（同時(shí)對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)對點(diǎn)的通信，而RS-485能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(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 Q1.1 BCD輸出 顯示 BCD碼1位 I1.1 小車后限 Q1.2 BCD碼2位 I1.2 升降臺(tái)上限 Q1.3 BCD碼3位 I1.3 升降臺(tái)下限 Q1.4 BCD碼4位 I1.4 層尋址1 Q1.5 小車停止向前運(yùn)動(dòng) I1.5 層尋址2 Q1.6 小車停止向后運(yùn)動(dòng) I1.6 列尋址1 Q2.0 手動(dòng)時(shí)層到位指示燈 I1.7 列尋址2 Q2.1 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 I3.0 9 縱向認(rèn)址下對準(zhǔn) I4.0 2 水平右限位 I3.1 10 左端歪斜傳感器 I4.1 3 垂直上限位 I3.2 11 右端歪斜傳感器 I4.2 4 垂直下限位 I3.3 12 左探有貨傳感器 I4.3 5 水平前對準(zhǔn) I3.4 13 右探有貨傳感器 I4.4 6 水平認(rèn)址計(jì)數(shù) I3.5 14 低速按鈕 I4.5 7 縱向認(rèn)址上對準(zhǔn) I3.6 15 中速按鈕 I4.6 8 縱向認(rèn)址計(jì)數(shù) I3.7 16 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 N N Y 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 Y N N Y 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？ N Y Y N 到達(dá)原位/重啟按鈕按下？ N Y 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是對兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，其中計(jì)數(shù)器C2是對輸入的倉庫號(hào)的列數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，C3是對輸入倉庫號(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)，采用兩對光電開關(guān)來定位，當(dāng)兩對同時(shí)閉合時(shí)，說明已經(jīng)到達(dá)所到的列或?qū)印? 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Q2.0\Q2.1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 將16#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，2006 [2] 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，2009 [3] 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]． 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