基于PLC的巷道式堆垛机定位控制系统的设计-毕业论文

青岛农业大学本科生毕业论文（设计）题 目：基于PLC的巷道式堆垛机定位控制系统的设计姓 名： 廖欣欣 学 院： 机电工程学院 专 业： 农业电气化及自动化 班 级： 2003.1 学 号： 0320030181 指导教师： 张还 完成时间： 2007.6.18 2007年6月18日基于PLC的巷道式堆垛机定位控制系统的设计摘 要立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。自上世纪60 年代以来,美、日、欧等国家和地区设计和投入使用的立体仓库越来越多,立体仓储技术已成为一门新兴的学科。堆垛机是自动化立体仓库的主要作业机械,担负着出库、进库、盘库等任务,是自动化立体仓库的核心部件,自动化立体仓库的发展就是以堆垛机的发展为主要标志的。巷道堆垛机是实现整个仓库系统“自动”功能的关键设备，对其控制系统的研究具有广阔的应用前景。本文以西门子公司S7-200系列PLC机型为例，研究了巷道式堆垛机的定位控制系统。关键词：立体仓库；PLC；巷道式堆垛机；定位方法Design of Position Control System of Laned Type of Stacker on PLCAbstractThe creation and development of stereoscopic warehouse is the request of modern logistics system development and the result of information technique progress. From last century 60s, more and more nations and regions such as the United States, Japan, Europe began to design and devotion the usage of stereoscopic warehouse, which have become a newly arisen academics. Stacker is the core part of automation stereoscopic warehouse, which carries on many main missions for the automation stereoscopic warehouse. The development of automation stereoscopic warehouse take the stackers development as its main marking. The most important part of the whole warehouse system is laned type of stacker. The reserch of its controlling system has wildly application foreground. This paper took the example of Siemens companys S7-200 series PLC, it reserched the position control system of laned type of stacker.Key words : Stereoscopic warehouse ; PLC ; Laned type of stacker ; Posotioning method目 录摘要.IAbstractII第一章 绪论.11.1 自动化立体仓库定义.11.2 立体仓库的历史沿革.11.3 国内外自动化立体仓库的发展.31.4 本文主要研究内容.4第二章 巷道式堆垛机定位控制的总体设计.52.1 巷道式堆垛机概况.52.1.1 堆垛机的研究现状.52.1.2 堆垛机控制系统的功能.62.1.3 巷道堆垛机机械结构.62.2 定位自控系统总体设计.72.3 系统硬件设计方案.82.3.1 控制核心单元的选择.82.3.2 PLC的特点.92.4 系统软件设计方案.10第三章 定位控制系统的硬件设计.113.1 PLC的选型和资源配置.113.1.1 S7-200系列PLC概述.113.1.2 CPU型号的选择.123.1.3 其他功能模块的配置.133.1.4 PLC的I/O资源配置.143.2 位置的定位方法.153.3 电气接线图及元器件的选择.163.3.1 电气接线图.163.3.2 元器件的选择.19第四章 定位控制系统的软件设计.214.1 程序流程图.214.2 编程软件简介.224.3 程序设计.23第五章 总结及展望.29参考文献.30致谢.31第一章 绪 论当今社会仓储、物流等概念已经逐渐为广大公众所了解，其相应的管理技术也在许多大、中型企业中付诸实施。计算机自控技术的飞速发展，为现代企业的物流管理提供了重要的技术支持。自动化立体仓库就是自控技术在物流管理上的一个很好的应用。自动化立体仓库不仅具有节省用地、减轻劳动强度、提高物流效率、降低储运损耗、减少流动资金积压等功能，而且在沟通物流信息、衔接产需、保证生产均衡、合理利用资源、进行科学储备及生产经营决策等方面发挥着独特的作用，使人们真正享受到现代计算机技术应用于企业物流管理的益处。自动化立体仓库是融计算机网络数据库管理技术、自动控制技术、通讯技术、机电技术为一体的综合系统，科技含量高，并具有一定的复杂性。本文的研究对象堆垛机，或称巷道车是自动化立体仓库的主要存取设备，直接执行出、入库等任务的操作，因此其控制系统的灵活性、稳定性直接彰响着整个系统的运行状况15。1.1 自动化立体仓库定义在现代物流系统中，自动化立体仓库是一个重要的组成部分，它是一种新型的仓储技术，自动化立体仓库又称为自动存储/检索系统(Automated Storage/Retrieval System，即AS/RS)，它是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工程。它以高层货架为主要标志，以成套先进搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术为主要手段，由此组成高效率的物流、大容量的科学的存储，以适应现代化生产的需求。1.2 立体仓库的历史沿革高层货架仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产和技术发展的结果。在生产发展的实际需要和科学技术发展的现实可能情况下，上世纪五十年代初开始出现了自动化立体仓库，并在实践中显示出了其优越性，随即得到迅速的推广和发展。1950年美国首先产生了手动控制的桥式堆垛起重机，这种起重机的大梁上悬挂一个门架(立柱)，利用门架的上下和旋转运动来搬运货物，及此同时也提出了高层货架的新概念，被认为是自动化仓库的雏形。1960年左右在美国开始出现了没有大梁的由人工操作的巷道式堆垛机。随着立体仓库的发展，巷道式堆垛机逐渐代替了桥式堆垛机。1963年美国的一个食品厂在仓库工作中采用电子计算机，成为世界上最早的全自动化仓库。此后，从1963年开始，在欧洲各国，由于用地紧张，开始计划建造2530米的高层自动化仓库。从1967年开始，相继完成了一些计算机管理和计算机控制的全自动化仓库。1970年安装了由货架支承式改变为地面支承式的高度达40米的堆垛机。上世纪70年代还提出了采用50米高堆垛机的可能性，进入90年代后，堆垛机在使用范围和性能上有了很大的发展。在日本，从1967年开始安装了高度为2025米的高层堆垛机，1969年出现了联机全自动化仓库。此后，日本的自动化仓库技术和设备的台数都有了突飞猛进的发展，在各个部门都安装了各种各样的堆垛机。特别是1973年建成了一座贮藏生鲜食品的自动化冷藏库。这是世界上第一座温度在零下40摄氏度的极低温仓库，解决了低温条件下堆垛机工作的可靠性和技术方面的问题，取得了引人注目的成果。日本的自动化仓库技术和自动化仓库的拥有量位居世界前茅。美国学者J.A.White将自动化技术在仓储领域（包括立体仓库）中的发展分为五个阶段：人工仓储阶段，机械化仓储阶段，自动化仓储阶段，集成化仓储阶段和智能化仓储阶段五个阶段：第一阶段是人工仓储技术阶段，在这一阶段物资的输送、存储、管理和控制主要依靠人工实现，至今国内外生产和服务行业中的许多环节都是这一技术的实例，它具有直观、便于联系、减少了过程衔接之间问题等优点。第二阶段是机械化仓储阶段，它包括通过各种各样的传送带工业输送车机械手吊车堆垛机和升降机来移动和搬运物料，用货架托盘和可移动式货架存储物料，通过人工操作机械来存取设备，用限位开关、螺旋机械制动和机械监控器等来控制设备的运行。这一阶段经历的时间比较长。第三阶段是自动化仓储技术阶段，上世纪五十年代末、六十年代初，相继研制和采用了自动导引小车（AGV）、自动货架、自动识别和自动分拣系统。到了七、八十年代，寻砖石货架、移动式货架、巷道式堆垛机和其他搬运设备都加入了自动控制的行列，但这时只是各个设备的局部自动化并各自独立应用，被称为“自动化孤岛”。随着计算机技术的发展，工作的重点专线物资的控制和管理要求实时、协调和一体化。信息自动化技术逐渐成为仓储自动化技术的核心。计算机之间，数据采集点之间，机械设备的控制器之间以及它们及计算机之间的通信可以及时地汇总信息，仓库计算机及时地记录到货和出货时间，先是库存量，管路人员随时掌握货物信息和库存信息。信息技术的应用已经成为仓储技术的重要支柱。第四阶段是集成自动化阶段，在七十年代末和八十年代，自动化即被越来越多地应用到生产和分配领域，“自动化孤岛”被集成，在集成化系统中，整个系统的有机协作，使总体效益和生产的应变能力大大超过了个部分独立效益的总和。上个世纪70年代初期，我国开始研究巷道式堆垛机的立体仓库，1980年由北京机械工业自动化研究所等单位研制成的我国第一座自动化立体仓库在北京汽车制造厂投产。从此以后，立体仓库在我国得到迅速发展。据不完全统计，目前我国已建成的立体仓库近三百座，其中全自动的立体仓库有三十多个。我国自动化仓库技术已实现了及其他信息决策系统的集成，正在做智能控制和模糊控制的研究工作。第五阶段是智能自动化仓储技术阶段，人工智能技术的发展推动了自动化向更高级的方向-智能自动化方向发展。现在，智能自动化仓储技术还处于初级阶段，随着仓储技术的发展，仓储技术的智能化将有更广阔的前景12。1.3 国内外自动化立体仓库的发展现状目前，自动化立体仓库在发达国家已相当普遍，日本是自动化仓库发展最快，建造数量最多的国家。此外美国、德国、瑞士、意大利、英国和法国等国家也建造了许多自动化仓库。发展至今，自动化仓库在设计、制造、自动化控制和计算机管理方面的技术也日趋成熟。在总体设计方面，国外己有采用计算机辅助设计的(CAD)，即根据约束条件来确定最佳的货架高度、巷道数量、货架尺寸和堆垛机数量以及出入库运行系统的参数，并用计算机模拟技术来考核仓库的功能。货架在国外己系列化、标准化，对货架的承载能力(包括抗震)进行了很多实验研究(包括破坏性实验)，货架计算采用计算机程序。堆垛机产品己经走入系列化，运行噪声低，备有各种安全保护装置，调速性能好。一般都具有完善的货物位置检测和货物尺寸检测。国外立体仓库普遍采用抗干扰能力强、工作可靠的可编程控制器来控制巷道堆垛机和出入库系统，并且用计算机进行货位管理和库存管理，仓库管理计算机及上级管理机联网并能及控制系统相接，实现在线控制。例如，日本名古屋附近的三菱汽车装配总厂的自动化立体仓库，其自动化程度就非常高。这座装配厂每天(16小时)生产11520辆汽车，在长达两公里的巨大输送带上，能同时装配5种完全不同车型的汽车，半成品装配件(除车体在生产线上进行焊接外)完全来自于立体仓库，仓库的库存量只能维持两天的生产，需要不断的进库补充，这样大的进、出库量及名目繁多的部件是人工无法胜任的。在采用了计算机控制的进出库情报资料和库存情报处理技术和先进的智能控制技术后，这一切得到了很好的解决1314。现在国外各发达国家在自动化仓库技术中投入大量资金，在仓库自动化过程各个环节即输入、储运、输出上采用新技术。这些新技术集中有以下几种3:.自动导向小车系统(Automated Guided Vehicle ).磁性导轨装置.激光扫描仪(Laser Scanner).条形码识别(Bar-code Labels).命令拣选系统(Order-Picking System ).储运机器人.机械手.智能卡车1.4 本文主要研究内容本文主要研究的是PLC在巷道式堆剁机定位控制系统中的应用。其中堆剁机设计成3自由度的系统,货物放在升降台的货叉（机械手）上能实现上下、左右及前后的运动。 输入对应的仓库号，就可以自动存/取货物。第二章 巷道式堆垛机定位控制的总体设计2.1 巷道式堆垛机概况堆垛机是自动化立体仓库中的主要设备,仓库中所有货物的入库、出库等作业都必须通过堆垛机完成。自动化立体仓库在机场码头、造纸、设备维修、轮胎制造、制药、啤酒厂等几乎所有行业（只要需要仓储）,有着十分广泛的应用。自动化立体仓库具有占地面积小、自动化程度高、可以由上位机管理系统对整座仓库进行统一调度及控制。堆垛机控制系统的工作效率、可靠性及稳定性等的优劣在自动化立体仓库系统中起着至关重要的作用。2.1.1 堆垛机的研究现状堆垛机的机械部分由运行机构、起升机构、伸叉机构及载货台和机架组成。它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。尽管各厂家各有独创，结构形式有些差异，但可以说大同小异，所有的堆垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成。随着微电子技术的应用和发展，计算机控制的堆垛机日益增加，最新的开发包括提高电子和控制技术，在使堆垛机具有更高定位精度的同时，提高搜索能力和运行速度。而且，堆垛机的结构也有了较大的改变，不断推出具有新的物理外形和更高性能的设备。随着大、中、小型立体仓库不断的建立，堆垛机也由货架支撑式改变为地面支撑式，从而出现了形态各异的堆垛机。单立柱堆垛机应用日益广泛，不断体现出优越性。初期的立体仓库使用的堆垛机以桥式起重机为基础，这种堆垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架(立柱)，利用门架的上下和旋转运动来搬运货物。1960年左右，美国出现了没有大梁的巷道式堆垛机，这种堆垛机是在地面上的导轨上行走，利用货架上边的导轨防止倾倒，或者相反，在上边的导轨上行走，利用地面的导轨防止倾倒。随着立体仓库的发展，巷道式堆垛机逐渐代替了受重量和跨度限制的桥式堆垛机。目前在堆垛机方面也不断推出具有新的物理外形和更高性能的设备。最新的开发包括提高电子和控制技术，在使堆垛机具有更高定位精度的同时，提高搜索能力和运行速度，以期获得更短的操作周期和更大的生产能力。目前，巷道式堆垛机的起升速度己经可以达到90m/min，运行速度达到240m/min,货叉伸缩速度达到30m/min。在有的高度较大的立体仓库中，采用上、下两层分别用巷道堆垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力4。现在运用比较成熟的控制方式是用PLC(可编程控制器)作执行机的控制器，或单机控制，或由PLC配置通讯模块联机控制。由于PLC专为工业环境下应用设计，具有可靠性高、通用性强、维护工作量小等优点。监控机对堆垛机的控制通过及PLC通信实现。PLC由于体积小，可读性好，可靠性高，抗干扰能力强，编程简单而在工程实际中大量应用。PLC控制中堆垛机的认址方式一般采用绝对认址及相对认址混合方式，位置定位通过两对光电开关实现。2.1.2 堆垛机控制系统的功能在自动化立体仓库的物流输送过程中，堆垛机实现货物在各出入库端到货格的搬运，其基本功能包括以下几个部分：(1) 三维动作控制 控制堆垛机在水平、垂直、左右方向的运行；(2) 位置控制 控制堆垛机以适合的速度运行并精确的定位在货格或入出库口处；(3) 通讯功能 堆垛机及上位机和其它仓库设备的通讯；(4) 保护功能 提供各种电气和机械保护，保证堆垛机在高速、频繁的运行和取送货过程中不会发生事故；(5) 人机界面 通过HMI或其它输入和显示设备，提供本机或遥控操作及向操作人员提供堆垛机5。2.1.3 巷道堆垛机机械结构 如图2-1所示，目前所用的堆垛机基本结构主要由机架、运行机构、起升机构、载货台、货叉、电器设备及各种安全保护装置等组成。框架：堆垛机的框架是由立柱、上横梁及下横梁组成的长方形框架结构。框架沿天地轨运行，为防止框架倾倒，在横梁上都装有导向轮。运行机构：运行机构由电机变速箱、行走轮、导向轮等组成。在下横梁下有行走轮，其侧面有导向轮，保证堆垛机能正常行驶。起升机构：起升机构主要由驱动链轮，升降链轮，升降链条等组成。升降链条及载货台相连接，及升降链轮，上下横梁的链轮及载货台组成封闭结构。载货台: 载货台为装载平台，在侧面有导向轮以保证其能正常行驶在升降轨道上11。.图2-1 堆垛机的结构1. 上横梁 2. 松绳及过载保护装置 3. 立柱 4. 起升结构5. 运行机构 6.伸缩货叉 7.载货台 8. 电气柜 9. 下横梁而本文设计的智能立体仓库比较简单，相同堆剁机的结构也没有这么复杂，后面有具体的介绍。2.2 定位自控系统总体设计企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得仓库成为生产物流系统中的一个重要不可缺少的环节。立体仓库正以它最小的占地面积和最佳的空间利用率，逐渐代替面积利用极低且陈旧落后的平面仓库，这种替代逐渐促使仓储物流业水平的提高。为满足现代化生产和流通的需要，就必须采用以计算机控制技术为主要手段组成的自动化立体仓库。自动化立体仓库为现代物流系统的主要设备，是一种多层存放货物的高层仓库系统。也是CIMS的集成环节之一，再FMS和FAS中占有非常重要的地位。作为一个定位控制系统，必须实现的目标如下：（1）能满足一般控制系统要求的自动、手动的控制功能；（2）能根据使用者发出的指令做出相应的动作；（3）能够根据实际的情况进行自动的校正。而本文设计的智能立体仓库远没有那么复杂，主要有货架、堆垛机、自动控制装置等部分组成，有自动和手动两种操作方式。堆垛机是可以三维运动的门框式巷道堆垛机，它由固定在小车上的门式框架、沿门式框架上的垂直导轨作上下运动的升降台和在升降台上作伸缩运动的货叉（机械手）等三部分组成。货物放在升降台的货叉上能实现上下、左右及前后的运动。根据设计要求将整个定位控制的全过程分成多个阶段：小车前进到指定的货架列的过程，将货物抬升到指定的行的过程，机械手放置或取回货物的过程，放置或取回货物之后返回的过程。在各个阶段，对象的特性相对稳定，并且在前进和抬升货物的过程中控制方面是基本一致的。下面对各个阶段进行简单的介绍。1.前进的过程：在这个过程中，无论是自动或是手动状态，小车都是有起始点出发，经过位置的校对，到达预先制定的货架的列。2.抬升货物的过程：在这个过程中，货物被抬升到指定的行。3.存取货物的过程：在这个过程中，通过控制机械手臂的运动，是机械手到达预先指定的位置，然后根据实际的需要完成存放或者取得货物的操作。4.返回的过程：在完成制定的操作之后，应该返回到起始的位置。2.3 系统硬件设计方案2.3.1 控制核心单元的选择控制核心单元是整个控制系统的“大脑”，随控制形式的不同而不同，可以是继电器组成的逻辑电路，可以是可编程控制器，也可以是单片机系统。继电器控制最早出现于1863年电磁继电器发明以后，在早期的立体仓库中继电器控制形式比较常用。继电器控制系统就是把各种继电器、接触器、开关及其触点，按照一定的逻辑关系连接在一起构成具有简单控制功能的逻辑电路。它具有价格低廉、维护技术要求不高的优点，但功能不易扩展、布线连接不易更新、可靠性不高，该控制方式只适用于工作模式固定、控制要求简单的场合。随着电子技术的飞速发展，诞生了许多其它形式的控制元器件，很快的取代了这种早期的控制形式。单片机就是在一块硅片上集成了中央处理器，随机存储器，程序存储器，定时器和各种I/O接口的计算机。单片机具有体积小、价格低、性能强、速度快、用途广、灵活性强等优点。最值得一提的是单片机具有强大的存储扩展能力，有能力满足不同的存储需要。理论上也可用于堆剁机控制系统，但由于其开发周期较长、调试耗时较多、抗干扰能力较弱等原因，在立体仓库的实际控制系统中没有得到广泛的推广应用。PLC是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器以及存储指令，完成逻辑、定时、计数、算术运算等功能，并通过数字或模拟的输入、输出接口控制各种机械和生产过程。PLC的功能齐全，及其他控制器相比具有自诊断、报警、监控等特有功能。具有应用灵活、操作方便、容易维修、稳定可靠的优点，其技术成熟，性价比高在工业控制领域以基本取代了传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制6。对以上三种主控制单元进行比较和分析，PLC操作、维护简单，程序直观，设计周期短，电路简单的特点很适合堆剁机控制系统。它对环境要求不高，抗干扰性强，对操作人员以及维护人员的要求也不高，安装、调试相对简单且设备数量少，因此PLC是定位控制单元的首选。目前各厂家生产的立体仓库基本上都采用PLC来作为堆垛机控制系统的核心单元，只是在采用的品牌、型号上有些差异。2.3.2 PLC的特点 堆垛机位置控制系统主要由PLC组成。可编程序控制器（PLC）是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。因而对于使用者来说，变成完全可以不考虑微处理器内部的复杂结构，不必使用各种计算机使用的语言，而把PLC内部看做是有许多“软继电器”等逻辑部件组成。可编程控制器的主要特点有：1.可靠性高，抗干扰能力强。这往往是用户选择控制装置的首要条件。PLC生产厂家在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使它直接安装于工业现场而稳定可靠的工作。目前各厂家生产的PLC，其平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时。而且为了适应特殊场合的需要，有的PLC生产商还采用了冗余设计和差异设计(如德国Pilz公司的PLC），进一步提高了可靠性。2.适应性强，应用灵活。由于PLC产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求。3.编程方便，易于使用。PLC的编程可采用及继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺序流程图语言（Sequential Function Chart），也称功能图，使编程更简单方便。4.控制系统设计、安装、调试方便。PLC中含有大量的相当于中间继电器、时间继电器、计数器等的“软元件”。又用程序（软接线）代替硬接线，安装接线工作量少。设计人员只要有PLC就可以进行控制系统的设计并可在实验室进行模拟调试。5.维修方便，维修工作量小。PLC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。PLC对其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。6.功能完善。除了基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可及上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂，有控制要求，就会有PLC的应用7。同样，可编程控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制,其开发潜力要差于单片机，通用性不好，不同厂家的可编程控制器以及其附属单元都是固定专用等等。2.4 系统软件设计方案可编程控制器是扫描工作方式，能同时对多个模块进行控制，在整个程序扫描时间里加上不同的输入检测信号，就可使程序按所检测信号判断进入不同的分支程序。主程序包含有多个分支程序，这样既提高了编程的灵活性又减少了不必要的代码重复，同时也方便以后系统扩展对软件的修改。系统对堆垛机的控制有手动和自动两种工作方式，因此程序中采用子程序设计，初始化复位，手/自动的选择主要有主程序完成。主要设计有如下子程序：自动子程序、手动子程序、步进电机驱动子程序等。堆垛机的初始位置位于入库的口，升降台位于“下位置”，入库台车上有货物，小车上无物。按下控制面板上相应的键，堆垛机向入库口伸叉，伸叉到位即取得货物，然后小车向前运动，到达相应的列时停止，升降台开始上升，同理到达相应的层时停止，即到达货架的指定位置了，这时伸叉电机驱动货台向前伸出可将货物取出或送入，当取到货物或货已送入，则铲叉向后缩回，然后返回准备下一次作业。自动过程主要是这样的。而手动有些差别，手动的前后上下运动主要是通过按动控制面板上按钮来控制小车、升降台运动的方向和到达位置的。第三章 定位控制系统的硬件设计定位控制方式分为自动控制操作和手动控制操作。其中自动和手动之间互锁。当有存取操作时，PLC会接收和分析操作人员在控制面板按钮或上位机输入的指令，做出合理的工控安排：判断检测元件的状态，读取仓库机械驱动部分的信息；然后，将信息反馈到执行元件，实现其位置移动，完成货物的存取操作。该系统中PLC主要完成对货叉位置及运行状态的检测和存取的操作。用各种光电开关、行程开关检测位置状态，用接触器、继电器执行对拖动电机的起停控制。对货叉（机械手）的操作就是控制横移电机（小车电机）和升降电机，使它们在不同时间实现正反转，然后再通过伸缩手臂来抓取货物。而且升降、横移动作和机械手的伸缩动作必须是互锁的，即当前进或者升降动作时，机械手不能进行伸缩动作，反之亦然。为了保证安全各控制按钮之间必须有精确的逻辑互锁和自锁。水平方向的前后运动，有小车电机进行驱动，小车电机为220W的三相交流异步电动机。堆垛机的垂直方向，有提升电机驱动升降台做升降运动，提升速度小于5米/分，提升功率也是220W的三相交流异步电动机。固定在升降台上的机械手可带动货物一起做伸缩运动，伸缩量为左右各300mm，用于货物的存取操作。同时，采用键盘来输入作业地址、作业指令，键盘按键又0-9、A-F等键可以使用，可以输入作业地址（某个仓库号）、作业指令（存、取），在输入作业地址、作业指令时操作面板可以马上显示出来，实现了简单的人机对话，保证了输入的作业地址和作业指令的准确性，提高了堆垛机运行的可靠性。用数字和指示灯来显示各种信息，输入的数值和指令马上可以显示出来，校对容易，对错一目了然。另外，为了更好地进行自动或手动操作，在每个仓库上加一个检测开关，这些开关均接个显示灯，用以检测某个仓库是否有物。3.1 PLC的选型和资源配置根据实际的控制点数和系统需要实现的控制要求，在本设计中选用西门子的S7-200系列的PLC作为控制系统。3.1.1 S7-200系列PLC概述S7-200系列PLC是德国西门子公司生产的一种超小型PLC,超小型是指其功能具有大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的价格一样。可以单机运行，也可以输入/输出扩展。它结构小巧，可靠性高，运行速度快，继承和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势，又极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩展模块，性能价格比非常高。因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。特别是S7-200CPU22*系列PLC(它是21*系列的替代产品），由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，可以很容易的组成PLC网络。同时具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得S7-22*系列PLC来完成控制系统的设计时更加简单，系统的集成非常方便，几乎可以完成任何功能的控制任务。S7-200硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量的I/O输入输出，同时还可以扩展各种功能模块。1.基本单元 基本单元有时又称作CPU模块，也有的称之为主机或本机。特包括CPU、存储器、基本输入输出点和电源等，使PLC的主要部分。它实际上就是一个完整的控制系统，可以单独的完成一定的控制任务。2.扩展单元 主机I/O数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是多种因素共同决定的。3.特殊功能模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务时，可及SIMATIC S7-200主机相连，已完成某种特殊的控制任务而特制的一种装置。4.相关设备 相关设备是为了充分和方便的利用SIMATIC S7-200系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人际操作界面和网络设备等。5.工业软件 工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的及之相配套的程序，它主要有标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成8。3.1.2 CPU型号的选择 SIMATIC S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。输入部分则输出控制信号，控制工业过程中的设备。从CPU的模块来看，S7-200系列小型可编程控制器发展至今，经历了两代：第一代产品的CPU模块为CPU 21*,主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元，既CPU 212,CPU 214,CPU 215和CPU 216，这里对第一代PLC产品不再具体介绍。第二代产品的CPU模块位CPU 22*，是在本世纪初投放市场的。其速度快，具有极强的通讯能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元。（1）CPU 221 CPU 221具有6输入/4输出，共计10个点的I/O，无扩展能力，有6KB程序和数据存储空间。还具有4个独立的30kHz高数计数器，2路独立的20kHz高数脉冲输出端，一个RS-485通讯/编程端口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯方式。非常适合小点数的控制系统。（2）CPU 222 CPU 222除了具有CPU 221的功能外，其不同在于：它有8输入/6输出，共计14点I/O，可以扩展8路模拟量和最多64个I/O,因此使更广泛的全功能控制器。（3）CPU 224 它在CPU 222的基础上使主机的输入输出点数增为24点，最大可扩展为168点数字量或者35点模拟量的输入和输出；存储量也进一步增加，还增加了一些数学指令和高数计数器的数量，具有较强的控制能力。（4）CPU 226 这种模块在CPU 224的基础上功能又进一步增强，主机输入和输出点增加到40点，最大可扩展为248点数字量和35点模拟量；增加了通讯口的数量，通讯能力大大增强；它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统8。根据控制点数来计算，可以选用CPU-224这个型号的CPU。CPU 224（扩展）分别左右、上下及机械手电机模块进行自动控制，并对检测信号及外部输入数据和控制信号进行处理，实现对左右运动、机械手驱动、升降台提升机保护等控制的基本要求。表3-1所示是CPU 224的技术参数9。表3-1 CPU224的技术参数技术参数说明本机数字输入十四路数字量输入本机数字输出十路数字量输入高速计数器（32位值）6个高速计数器脉冲输出2个，20kHz脉冲速率模拟电位器1个，8位分辨率时间中断2个，1ms分辨率边沿中断4个上升沿和/或4个下降沿可选择的输入滤波器时间7个，范围0.2ms-12.8ms3.1.3 其他功能模块的配置EM253位控模块是S7-200的特殊功能模块。能够产生移动控制所需的脉冲串，其组态信息存储在S7-200的V存储区，用于步进电机和伺服电机的速度和位置的开环控制。位模块的特性如下：（1）位控模块可提供单轴开环移动控制所需要的功能和性能；（2）提供高速控制从每秒12个脉冲到每秒200 000个脉冲；（3）支持急停S曲线或线性的加减速功能；（4）提供可组态的测量系统，既可以使用工程单位如英寸或厘米，也可以使用脉冲数；（5）支持手动的位控方式；（6）提供连续操作；（7）提供四种不同的参考点寻找模式，每种模式都可对起始的寻找方向和最终的接近方向进行选择9。3.1.4 PLC的I/O资源配置由于需要采集外部检测信号（所经的列、行），控制电机的起停，选择自动或是手动控制状态，前后列向运动、升降行向运动、机械手的伸缩运动、货物的抓取、存放等。系统资源分配如表3-2所示。表3-2 I/O分配输入部分输出部分I0.0十六进制显示键盘值1位Q0.0机械手控制脉冲I0.1键盘值2位Q0.1机械手方向改变I0.2键盘值3位Q0.2升降台上升I0.3键盘值4位Q0.3升降台下降I0.4机械手到位限位Q0.4小车向前运动I0.5机械手回位限位Q0.5小车向后运动I0.6货台是否有物Q0.6存物指示灯I0.7自动/手动（1/0）Q0.7取物指示灯I1.0小车前限Q1.1BCD输出显示BCD码1位I1.1小车后限Q1.2BCD码2位I1.2升降台上限Q1.3BCD码3位I1.3升降台下限Q1.4BCD码4位I1.4层寻址1Q1.5小车停止向前运动I1.5层寻址2Q1.6小车停止向后运动I1.6列寻址1Q2.0手动时层到位指示灯I1.7列寻址2Q2.1手动时列到位指示灯3.2 位置的定位方法堆垛机的定位主要有认址装置组成，认址装置由认址片和认址器组成。认址器目前多为红外传感器或者光电开关，发射和接收红外光在同侧时用反射式认址片，否则用透射式的，认址原理如下图3-1所示。1.认址片 2.光电接收管 3.认址器 4.光电发射管图3-1认址原理图光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。红外线光电开关是利用人眼不可见(波长为780nm-lmm)的近红外线和红外线来检测、判别物体。通过光电装置瞬间发射的微弱光束能被安全可靠的准确的发射和接收。光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化:利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来反射物体，使光束发射经过长距离后瞬间返回。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为:发送器，接收器和检测电路（如图3-2）。图3-2 光电传感器原理发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器由光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的反射装置，它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在及光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。光导纤维(LWL)，它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体12。为了定位精确，水平和垂直方向均装有两台认址器（GD1和GD2及GD3和GD4)。水平方向的认址器安装在堆垛机底部的横梁上，认址片对应各列货格的地面位置，GD1和GD2随堆垛机一起前后运动，每经过一列货格，光电开关通过认址档板发出一脉冲信号写到PLC，内部计数器相应的计数，从而达到列认址目的。垂直方向的认址片安装在对应货格的堆垛机的立柱侧面。GD3和GD4随升降台一起上下运动，达到层认址的目的，光电开关的脉冲输入信写作为PLC内部计数器的计数信号。3.3 电气接线图及元器件的选择3.3.1 电气接线图 电气主接线图如图3-3所示。图3-3 电气主接线图其中主要的控制单元有S7-200 CPU224和特殊功能模块EM253组成。控制单元通过控制继电器的得失电来控制电机的正反转，从而控制小车、升降台的运行方向。KM1线圈得电时常开触点闭合，电机1正转，带动小车向前运动；而当KM2得电时，常开也闭合，电机1反转，带动小车向后运动（KM3、KM4同理）；当KM5得电时，常闭触电断开，使得电机1停止转动，小车也就停止运动（KM6同理）。如图3-4所示。图3-4 电机控制图另外还加上了显示部分，当某个仓库有物时，对应的指示灯亮，能够更好的自动存取货物。如图3-5所示。图3-5显示图3.3.2 元器件的选择主要的元器件的选择如下表3-3所示。表3-3 元器件使用表名称代号符号个数规格型号备注PLCPLC1个S7-200 CPU224加特殊功能模块EM253接触器KM6个CJ20-100线圈电压220V限流保护器FR2个JRS4-140365d整定电流80-104A熔断器FU6个RLS1-100额定电压380V额定电流50-100A指示灯HL11个AD16-22GLED显示，220V三相交流电机M2个Y250M-4额定电压380V,额定功率55W行程开关SQ17个LF-0124LB额定电压10-30VDC,DC型二线制常闭光电传感器4个RPI-1391透射式二相混合式步进电机M11个86BYG250AN-SAFRBL-0361步距角0.9/1.8步进电机驱动器1个SH-20806CN24-70VDC第四章 定位控制系统的软件设计4.1 程序流程图总体来说软件系统就是在硬件系统的支撑下，向驱动单元发出控制指令，使执行机构在预想的过程中，准确无误的完成所要完成的控制任务。即外部输入接点闭合，输出设备动作；外部输人接点断开，输出设备停止动作。根据工艺流程可以总结出基本的程序流程图如图4-1所示。是否自动选择运动地址输入作业地址和指令判断定位程序是否已经到位启动主启动主程序初始化过程仅在启动时完成是否自动程序初始化过程仅在启动时完成置到位标志返回图4-1 程序流程图4.2 编程软件简介S7-200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，有西门子公司专为S7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时监控用户程序的执行状态。它是西门子S7-200用户不可缺少的开发工具。STEP7-Micro/WIN32的主界面如图4-2所示。及传统的Windows的窗口相似，界面包括菜单栏、工具栏、浏览栏、指令树窗口、程序编辑器窗口、输出窗口和状态栏窗口等部分。菜单栏包括文件（File）、编辑（Edit）、视图（View）、PLC、调试（Debug）、工具（Tools）、窗口（Windows）和帮助（Help）等8个主菜单项，菜单栏还提供了使用鼠标或键盘进行操作的主要方式。几乎所有的软件功能都可以在菜单栏上找到操作的方法。工具栏将最常用的操作以按钮形式设定到主窗口，提供给用户最便利的鼠标访问。用户可以根据需要和习惯定制工具栏的内容和外观。该软件提供三组工具标准、调试和指令。可用如下方法选择：单击“视图”（ View ） “工具栏”（ Toolbars） 标准(Standard) 、调试（Debug）、指令（Instruction)，选中的工具组将出现在工具栏中。图4-2 STEP7-Micro/WIN32的主界面浏览栏提供快速切换用户窗口的控制按钮，包括视图项（View）和工具项（Tools）两部分。视图项由程序块（Programe Block）、符号表（Symbol Table）、状态图（Status Chart）、数据块（Data Block）、系统快（System Block）、交叉引用（Cross Referance）和通信（Communication）按钮。单击任一按钮，可打开此按钮对应的窗口。工具栏提供程序设计向导，包括：PID向导、NETR/NETW向导、HSC向导和TD向导。在浏览栏单击“工具”（Tools），然后淡季对应的“指令系统”（Instruction Wizard），出现如图4-3所示的界面，可进一步进行选择10。图4-3 “指令向导”初始界面4.3程序设计1.程序初始化这段程序主要是对所需的计数器、寄存器进行初始化复位。网络1和2是对两个计数器进行复位，其中计数器C2是对输入的仓库号的列数进行计数，C3是对输入仓库号的层数进行计数。网络3中VW100,VW102分别放置输入的列数和层数，VB100中放置键盘的十六进制输入值。 2.运行方式的选择网络4是手/自动的选择，当I0.7得电时，选择自动方式，然后调用自动子程序（SBR_0），I0.7失电时，即选择了手动运行方式，然后调用手动子程序（SBR_1）。3.寻址 自动控制中的寻址定位这是自动子程序中的网络，采用两对光电开关来定位，当两对同时闭合时，说明已经到达所到的列或层。网络11中，C2中的计数脉冲数和VW100中输入的仓库的列数进行比较，相等时说明已经到达列，小车停止前进，置到达列标志M30.0。网络12中，C3中的计数脉冲数和VW102中输入的仓库的层数进行比较，相等时说明已经到达层，升降台停止上升，到达层标志M30.1。网络13中，当列和层都到位时，调用步进电机子程序，机械手前伸取/放货物。M30.2是取/放完成标志，当取放完成时，手臂缩回（如网络14），并置动作完成标志M30.3。手动控制中的寻址定位手动控制子程序中，手动运动时经过每一列或层时指示灯都会亮（网络1中Q2.0Q2.1分别接层/列显示灯），灯亮后才可以伸缩机械手臂（见网络2中）。4.返回当动作完成时，完成标志M30.3置1，然后返回起点。5.步进电机的驱动子程序2是步进电机的驱动程序，其中，将16#85送给SMB67是设置PTO的控制字节，选择PTO方式，时基为1us。然后设置周期为50us,脉冲数为70000个。第五章 总结及展望自动化立体仓库在物流工业中的优越性是显而易见的，而且随着现代科学技术的发展，这种优越性越来越为明显。而且，随着控制技术的发展，其效率