PLC在仓库码垛机中的设计应用毕业设计

河南工业职业技术学院In stituteHenan Polytech nic毕业设计论文题目:PLC在仓库码垛机中的设计应用本人郑重声明：所呈交的毕业设计论文,是本人在指导老师的 指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议. 尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本设计论文不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果. 对本文的研究做出重 要奉献的个人和集体均已在文中以明确方式标明.本声明的法律后果由本人承当.作者签名：二00年九月二十日毕业设计论文使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计论文 的规定.本人愿意根据学校要求提交学位论文的印刷本和电子版,同意学校保存学位论文的印刷本和电子版, 或采用影印、数字化或其它复制 手段保存设计论文；同意学校在不以营利为目的的前提下,建立 目录检索与阅览效劳系统,公布设计论文的局部或全部内容,允 许他人依法合理使用.保密论文在解密后遵守此规定作者签名:二00年九月二十日毕业设计任务书一、设计题目：PLC在仓库码垛机上的设计应用二、毕业设计的目的1 .设计一个立体仓库码垛机限制系统；2. 水平移动、垂直移动及伸叉机机构分别由220W的三相交流异步电动机、200W的单相交流异步电动机和二相混合式步进电机驱动；3. 上述电机由西门子S7-226型PLC限制,其中水平移动、垂直移动由 PLC 通过变频器限制,步进电机由步进驱动模块进行自动限制.三、主要设计内容1. 变频调速系统设计；2. 货叉伸缩限制；3. PLC空制程序编写与调试；四、重点研究问题PLC限制,确定设计方案,完成各功能单元的结构设计,参数计算和元件选 择.五、主要技术指标或主要设计参数堆垛机运行的速度范围：水平方向：2 m)/ mi n-360m/ mi n；垂直方向：2 m/ min-80 m/ mi n；货叉：2 m/ min-60m/ min六、设计成果要求1.毕业设计论文要求字数为10000 15000字,论文格式参照河南工业职业技术学院关于毕业设计论文格式要求；2 .各局部环节的工作原理及调试故障分析及排除方法；3. 具有必要的保护举措；4. 附有主程序流程图；摘要在现代的物流仓储系统中,自动化立体仓库应用日益广泛.而码垛机是立体仓库的关 键组成局部,码垛机性能的优劣对整个立体仓库的运行起到至关重要的作用,所以设计与 开发自动化程度较高的码垛机限制系统成为当前立体仓库的开展趋势,开展与此有关的研 究具有重要的理论和应用价值.本文基于现代物流技术的应用和开展要求,介绍自动化立 体仓库的应用及其功能和作用,结合现代科技的开展,着重研究自动化立体仓库码垛机控 制系统的限制技术.本文详细阐述了本限制系统的设计思想,以及整个系统的硬件实现和 软件设计.本文依据立体仓库的有关设计参数,对码垛机电气限制的硬件系统进行了设计,为了 提升码垛机的性能,本文采用了转速、位置反响的双闭环限制,以满足系统的调速要求.系统的水平认址采用激光测距传感器定位,垂直认址采用光电开关和认址片组合定位.变 频调速系统由S7-200PLC及其扩展模块EM235通过变频器MM440限制交流电动机,采用 光电编码器反响转速信号,实现转速闭环限制.货叉伸叉系统由S7-226PLC通过步进电动机驱动器SH-20403限制二相混合式步进电动机.根据系统的限制要求进行了PLC、变频器、电机和电机驱动器的选型,并给出了系统的硬件接线图,然后利用西门子的编程软件step7设计了码垛机限制程序.关键词：自动化仓库,码垛机,PLC,限制系统,变频器3目录摘要II -JJ J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J丄第 一章绪论,11.1自动化立体仓库的概述 ,11.2 码垛机的概述,21.3 本早小纟口 ,3第二章码垛机限制系统的硬件设计,42.1限制技术要求和系统总体设计,42.2 码垛机的位置限制,52.3 PLC 及资源配置,82.4码垛机变频调速系统设计,112.5码垛机货叉限制系统设计,142.6平安检测传感器的应用,152.7 通信方案确实定,162.8 输入输出点的分配,162.9 本章小结,18第三章码垛机程序限制设计,193.1码垛机自检和复位/归位程序,213.2自动方式下的码垛机运行限制,223.3手动方式下的码垛机运行限制,263.4 步进电机驱动程序,2835早*小11,羽第四章总结,29致谢*-j4 j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j附录IJ J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J参考资料330313二kVI IJ J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J JiiiPLC在仓库码垛机中的设计应用5第一章绪论1.1自动化立体仓库的概述在现代物流系统中,自动化立体仓库是一个重要的组成局部,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, 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,配以成套的先进搬运设备,以先进的计算机控 制技术为主要手段,由此组成高频率、大容量的科学存储,以适应现代化生产、 物资交流和仓储的需求.1.1.1自动化立体仓库的组成立体仓库是指：采用高层货架储存货物,用起重、装卸、运输机械设备进行 货物出库和入库作业的仓库.这类仓库主要通过高层货架充分利用空间进行存取 货物,所以被成为立体仓库.目前,立体仓库最大高度能到达40多米,最大库存数可达数万个货物单位,可以实现按方案入库和出库的全自动化限制,以及无人操作的计算机网络化治理.其主要的组成局部有高层货架、仓储机械设备、控 制及治理设施.1货架仓储技术的开展由平面转向高层立体化以后,高层货架为仓库的主体和标 志,货架越高,存储量越大.货架在物流及仓储中占有非常重要的地位,目前的 货架具有多种功能,以满足机械化和自动化的要求.主要的货架类型有单元式货 架、贯穿式货架与旋转式货架.为了提升货物装卸、存取效率,自动化立体仓库 一般使用货箱或托盘盛放货物.货箱和托盘的根本功能是盛放小件物料,同时还 应便于运输车和码垛机的插取和存放.2仓储机械设备自动化立体仓库的主要搬运设备是巷道式码堆垛机,其主要用途是在高 层货架的巷道内往返穿梭运行,将位于巷道口的货物存放入货格中, 或者将货物 取出运送到巷道口.输送系统必须是具有高度的可靠性, 在立体仓库中一般只有 一套输送系统,所以应保证输送系统各个环节上的设备可靠、耐用、维修方便, 并且还应该对输送系统设置手动限制做后备. 自动化立体仓库中的货物输送装置 主要有传送带、各种流动小车等,短距离的传送还可以采用机器人.3限制及治理设施限制治理系统采用分布式限制,即由治理计算机、中央限制计算机和直接控 制码垛机、入/出库输送机等现场设备的限制器组成限制系统.治理计算机是立体仓库的治理中央,承当着入/出库治理、盘库治理、查询、打印及显示、经济 技术指标的计算分析等功能,包括在线治理和离线治理；中央限制计算机是立体 仓库的限制中央,它沟通并协调治理计算机、码垛机、入/出输送机等设备之间的联系,限制和监视着整个立体仓库系统的运行.1.1.2自动化立体仓库的优点1层货架：立体仓库由于使用了高层货架存储货物, 存储区可以大幅度 的向空间开展,充分利用了仓库的空间,提升了空间利用率.2自动存取：自动化立体仓库使用机械和自动化设备, 运行和处理速度 快,提升了作业效率.3计算机限制与治理：计算机能够准确无误的对仓库的各种信息进行存 储和治理,不仅降低了操作人员的劳动强度,还减少了货单处理和信息处理过程 中的过失,从而提升了仓库的治理水平.4 节约本钱：作业效率的提升势必会降低货物储存的本钱费用,由此也 提升了企业的现代化物流意识.1.1.3自动化立体仓库的开展高层货架仓库的出现和开展是第二次世界大战以后生产技术开展的结果.在生产开展的实际需要和科技水平开展的现实可能下,五十年代初开始出现了自动化立体仓库.1950年美国首先产生手动限制的桥式码垛机起重机,与此同时提 出了高层货架的概念,被认为是自动化仓库的雏形.1960年以后巷道式码垛机逐渐代替了桥式码垛机,此后码垛机的使用范围和性能有了很大的开展,尤其是在日本,自动化立体仓库开展迅速,目前日本的自动化仓库技术和自动化仓库的 拥有量都位居世界前列.自动化技术在仓储领域中的开展分为五个阶段： 人工仓储阶段、自动化仓储 阶段、集成化仓储阶段、智能化阶段和智能自动化阶段. 其中智能自动化仓储在 九十年代后期以及二十一世纪的假设干年内,是仓储自动化技术的主要开展方向.我国对自动化立体仓库及其物料搬运设备的研制并不晚,1963年研制成第一台桥式码垛起重机机械部北京起重运输机械研究所,1973年开始研制我国 第一座由计算机限制的自动化立体仓库高巧米,机械部起重所负责,该库1980 年投入运行.1.2码垛机的概述码垛机是自动化立体仓库系统的重要组成局部,它是整个系统的执行部件, 存货时将货物从出入货台准确的存放到货位里,取货时将货物从货位中取回到出 入货台.无论何种类型的码垛机,一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等根本局部组成.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,所有的码垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和限制系统等局部 组成.1.2.1码垛机的开展初期的立体仓库使用的码垛机以桥式起重机为根底,这种码垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架,利用门架的上下和旋转来搬运货物.I960年左右在美国出现了巷道式码垛机,随后巷道式码垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式 码垛机.1967年日本安装了高度1015米的高层码垛机,1969年出现了联机全 自动化仓库,我国是在上世纪 70年代初期开始研究采用巷道式码垛机的立体仓 库.目前的码垛机技术取得了重大的开展,限制技术、定位精度、运行速度都得 到了很大程度的提升.巷道式码垛机的起升速度已经可以到达 90m/min,运行速 度到达240m/min,在有的立体仓库中采用上、下两层分别用巷道码垛机进行搬 运作业的方法提升出入库水平.1.2.2码垛机技术的研究现状按现行机械行业标准,有轨巷道式码垛机分类方式很多,如按支承方式、用途、限制方式、结构、运行轨迹等分类.无论何种类型的码垛机一般都由水平行 走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等根本局部组成.表达码垛机动态性能优劣的指标主要有：运行速度、提升速度、货叉速度、 平稳性、认址精度等.随着科学技术的不断进步,自动化立体仓库的技术水平和 仓储机械设备的动态性能也在不断提升.例如,码垛机的运行驱动己由20世纪70年代的子母电动机改为变频调速,速度由550m/min提升至4160m/min,国外小载重量的码垛机最高可达 300m/min；提升驱动己由20世纪70年代的双速 电动机改良为变频调速,速度由416m/min提升至025m/min；货叉运行也由单 速电动机驱动改良为变频调速,速度由 8m/min提升至435m/min；在码垛机自 动限制方面还采用闭环限制变频调速系统、Profibus总线限制等先进技术.尽管如此,目前国产码垛机的运行速度最高仍保持在160m/min ;提升速度在080m/mi n；货叉速度一直保持在 030m/mi n；认址采用光电探测,精度缺乏, 认址出错率咼.1.3本章小结：本章主要介绍了自动化仓库的组成、 应用优点和开展,并初步介绍了码垛机 的开展和研究现状.说明了自动化仓库和码垛机在工业生产中开展的必然性 ,改 进码垛机精度和提升其应用效率的必要性.第二章码垛机限制技术的硬件设计2.1限制技术要求和系统总体设计1本系统中码垛机运行机构由水平运行的行走机构,垂直运行的起升机构及取送货的伸叉机构三局部组成.水平局部运动电机和垂直局部运动电机分别 采用220W的三相交流异步电动机和 200W的单相交流异步电动机,由西门子 S7-200PLC通过变频器进行限制.伸叉机构电机采用两相混合式步进电机,由西门子S7-200通过步进电机驱动器进行限制.由码垛机运行机构特点及工作要求 可知,能否保证码垛机的稳定工作,关键在码垛机的三维位置移动定位的精确性.主要技术指标和和主要设计参数码垛机运行的速度范围：水平方向：2m/min360m/min ；垂直方向：2m/min80/min ；货叉：2m/min60/min2本文码垛机的限制方式有自动和手动限制. 手动方式通过码垛机的转换开关及按钮限制码垛机水平和提升运动及货叉伸缩.同时运动速度也可以手动选择. 手动操作时,系统应给予相应的警示信 号,同时系统将解除大局部的保护限制. 手动操作主要用于安装、调试和排除故 障. 单机自动用人机界面对码垛机进行全自动的限制,限制系统根据用户输入的参数进行全自动的取送货动作. 界面操作时,应具备对货物的单送、单取操 作.人机界面应具备实时显示设备运行工况,故障及历史故障查询等功能.3在本文设计的码垛机限制系统中上位机完成的只是数据输入和传送, 主要的限制任务是由PLC来完成. 作业命令处理：确定作业状态时自动还是手动；确定作业指令是存货入 库还是取货出库；确定作业地址包括列地址和层地址. 位置技术及判断：沿着码垛机的行进方向和载货台的升降方向设置认址片,PLC通过检测认址片来判断码垛机位置和载货台的位置, 每经过一个认址片, PLC的高速计数器就自动计数一次,前进加一,后退减一,上升加一,下降减一. 到达预定位置后,码垛机停车. 速度调整和准确停车：根据码垛机和目标位置的距离, PLC输出速度调 整的限制信号给变频器,通过变频器限制电机的转速,在停车之前先把码垛机的 运行速度降低到低速档,使码垛机以低速接近目标位置,保证码垛机的稳定性. 作业任务的顺序逻辑限制：根据入库、出库的作业顺序,确定各输出点 的得电状态,完成作业顺序的逻辑限制 平安保护：水平行走、载货台升降及货叉的伸缩等都有限位保护. PLC还有工作故障报警功能.本系统由上位监控级与直接限制级组成. 监控级对通讯、流程进行限制,并 进行实时图像显示,直接限制级是由PLC可编程序限制器组成的限制系统对各 设备进行单机自动操作.采用组态系统建立监控界面,同时将运行系统的状态反 馈到监控计算机.码垛机采用西门子公司的 S7-200型PLC限制,与变频器结合 对码垛机进行变频调速.系统结构拓扑图如图 2.1所示.图2.1系统结构图2.2码垛机位置限制由码垛机的作业流程分析,码垛机是由水平运行机构、纵向起升机构和货叉 伸缩机构三局部组成的,水平运行机构和垂直起升机构使码垛机到达目标位置, 货叉伸缩机构完成存取货任务.要完成对码垛机自动限制系统的设计, 首先要保 证码垛机能够准确到达目标位置, 所以在设计码垛机自动限制系统时,关键在于 准确可靠的认址和定位保证码垛机准确无误的定位在目标货位.另外为了提升存取效率和保证码垛机的稳定性,必须对码垛机三个机构的速度进行合理有效的控 制,其中速度位置检测是码垛机自动限制系统的关键局部.码垛机速度位置限制的实现方法如图 22所示,限制系统由PLC限制器、调速系统、编码器、认址片和认址器组成,实现位置和速度的双闭环限制位置检测图2.2码垛机位置速度限制框图2.2.1定位限制定位限制就是确定码垛机停止在目标货位的功能.自动仓库的认址检测系统有两项任务：一是实现自动寻址,使码垛机自动找到被指定到达的位置； 二是自 动准确停准,即码垛机停准位置不超出规定的精度. 为此,货架上的每个货位必 须具有码垛机能识别的编码,所以将货架两侧编成XI、X2,沿码垛机运行方向将货架编为0丫列,垂直方向编为oz层.这样每个货位就有了独立的三维坐 标地址,码垛机自动检测目前的坐标地址, 使其能到达目标位置.由于货架两侧 分为XI、X2,只有两个方向,反响到码垛机上只是货叉左伸、右伸运动,此方 向不用检测,所以实际上码垛机位置的检测只是对丫、Z位置的检测.2.2.2认址检测方式1绝对认址：绝对认址是将每一个货位赋予唯一的开关状态,给每个货位 制作一个专用的认址片,码垛机上相应安装一个识别器,通常是二进制编码板和 一组光电开关的组合,通过读取认址片的代码来判断码垛机的当前位置.2相对认址：相对认址时每个货位的认址片结构相同. 每经过一个货位, 就对地址编码进行加1或减1, 一直移动到和预定位置号一致时停止运行.3编码器定位法：编码器定位方式主要有两种：从动轮与轨道旋转计数 测定方式、链轮与链条旋转计数测定方式. 从动轮与轨道旋转计数测定方式. 码 垛机的从动轮上配有同轴旋转编码器, 从动轮与轨道近似纯滚动,因此通过对旋 转编码器的转角的转换,可以得到码垛机的相对运行位置.4激光测距定位：激光测距定位是近年来应用于码垛机准确定位的新技 术,用激光测距仪通过测量码垛机到基准点的距离和事先存储的位置数据比拟来 确定码垛机的当前位置.这种方法的精度很高,但是使用时码垛机和激光发射器PLC在仓库码垛机中的设计应用7和反射板之间不允许有物体,否那么会遮挡住激光的传输路径,使系统无法准确定 位.223认址方式确认为完成对码垛机的位置限制,必须能检测出码垛机的运行位置,本文设计的 码垛机系统认址方式有：1水平认址系统水平方向采用激光测距传感器,当前数据为位移值,经过PLC计算后的数据为当前速度值.激光测距传感器安装在码垛机上,目标放射板安装在巷道末端. 在立体仓库巷道通道中的激光测距范围 激光发射器与反射板之间内不得有任 何物体遮挡激光光线.激光测距的原理是通过发射出的激光光线长度来测定距 离,其光线就好比一把光尺,如果物体遮挡激光光线,让它脱离原标准原点的测 定位置,将影响实际要求的测定距离,从而使道码垛机走位偏离所设定的位置, 产生货叉取/存储错位或起始点撞击巷道码垛机端部缓冲制动器的情况.因此, 在巷道码垛机工作时不允许有任何物体遮挡激光光线,对于激光光线通道应采取 隔离保护举措,保证激光测距的准确性和自动化系统的平安性.2纵向认址系统码垛机纵向方向的层定位采用光电开关和认址片组合定位,即在码垛机的上下安装两个光电开关,在每层的货位上安装认址片.低位为取货开始伸叉或放货 完毕收叉的位置,高位为放货开始伸叉或取货完毕收叉的位置.为使货叉能完成 作业,码垛机在垂直方向上必须要提供使货叉能停在高位或低位的检测装置.所以在码垛机的升降台上安装三个光电开关, 与升降台一起上升下降,中间的一个 共用,其他两个分别为上位置和下位置.存货开始或取货结束时,升降台货叉停 在高位置,下面两个光电开关处于认址片内； 取货开始或存货结束时,货叉停在 低位置,此时上面两个光电开关处于认址片内,如图 2.3所示.上对准光电中间计数光电下对准光电上对准光电中间计数光电下对准光电图2.3码垛机垂直方向认址传感器分布图高位置低位置PLC在仓库码垛机中的设计应用9其认址状态如表2-1所示:表2-1认址状态表上升下降传感器存货高位取货低位存货高位取货低位A1J J计数、减速、定位J J定位、停止A2计数、减速、定位定位、停止定位、停止计数、减速、定位A3J J计数、减速、定位J J224码垛机速度曲线分析常见的速度运行曲线有三种,分别为三角形与梯形速度曲线、抛物线与直线 形速度曲线、正弦形速度曲线.本文采用最常用的梯形速度曲线.如图2.4所示, 梯形速度曲线码垛机以加速度 為启动加速,当匀加速到最大运行速度 Vm时,保am匀减速运行,直到零速停靠.S持该速度运行一段时间,再以图2.4梯形速度曲线2.3 PLC及资源配置根据实际的限制点数和系统需要实现的限制要求,在本设计中选用西门子的S7-200系列的PLC作为限制中央.2.3.1S7-200 系列 PLC既述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.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根本单元：根本单元有时又称作CPU模块,也有的称之为主机或本机. 特包括CPU存储器、根本输入输出点和电源等,是PLC的主要局部.它实际上 就是一个完整的限制系统,可以单独的完成一定的限制任务.2扩展单元：主机I/O数量不能满足限制系统的要求时,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限制任务时,可与SIMATIC S7-200主机相连,已完成某种特殊的限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 SIMATICS7-200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治理和使用这些设备而开发的与之相 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.2.3.2CPU型号选择SIMATICS7-200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,以便对工业自动化限制任务或过程进行限制.输入局部那么输出限制信号,限制工业过程中的设备.根据限制点数来计算,可以选用 CPU-226这个型号的CPU CPU226有24输入 /16输出,最大可以扩展为248点数字量或35点模拟量.其特点如下： 集成的24V电源：可直接连接到传感器和变送器、执行器,可用作负载 电源. 高速脉冲输出：具有2路高速脉冲输出端,输出脉冲频率可达 20KHZ, 用于限制步进电机或伺服电机,实现定位任务. 通信口： CPU226具有2个RS-485通信口,支持PPI、MPI协议,有自 由口通信水平. 模拟电位器：CPU226有两个模拟电位器,用来改变特殊存放器中的数 值,以改变程序运行的参数,如定时器、计数器的预设值,过程量的限制参数.PLC在仓库码垛机中的设计应用11 中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应. 数字量输入/输出点：CPU226具有24输入/16输出,输出点为24V直流双向偶看光电耦合输入电路,输出有继电器和直流两种类型,可扩展模块为7个. CPU226有6个30KHZ的高速计数器,用于捕捉比 CPU扫描频率更高 的脉冲信号.2.3.3PLC的模块选型由于S7-200-CPU226的集成24输入/16输出不能满足设计的要求,所以又 选用了 EM221扩展模块和EM235扩展模块,正好满足设计的需要.所选模块型 号如表2-2所示.表2-2扩展模块选型表系列号类别描述选型型号数量EM221输入扩展模块DI166ES7221-1BH22-0XA01EM235输入/输出扩展模块AI4/A016ES7235-0KD22-0XA02由于CPU226的输入点只有24个,不能满足设计的输入点的需要,所以加 入一个EM221模块,该模块有16个数字输入点,总体上可以满足系统输入的要 求.另外参加两个EM235模拟量输入/输出模块是为限制水平和垂直运行的交流电机.系统总体结构图如2.5所示:输入区17手动开关光电编码器限位开关I CPU226EM221EM235EM235输出区图2.5系统总体结构图PLC在仓库码垛机中的设计应用212.4码垛机变频调速系统设计为了实现码垛机的准确定位,提升存取效率和保证码垛机的稳定性, 必须对 码垛机三个机构的速度进行合理有效的限制,由于水平和垂直运行电机分别采用 三相交流异步电动机和单相交流异步电动机, 所以对这两个方向的速度限制采用 闭环变频调速限制.2.4.1变频器的选型1变频器的概念变频器的工作原理是通过改变交流电频率方式实现交流电的限制. 变频器的 电路一般由整流、中间直流环节、逆变和限制4个局部组成.整流局部为三相桥 式不可控整流器,逆变局部为IGBT三相桥式逆变器,且输出为 PWM波形,中间 直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功率.2变频器的选型本文根据综合考虑选择西门子MM44变频器,MM44型使用PID限制器,具 PID微调等功能,MM44可用于矢量限制,可以实现高性能的应用,带内置制动 单元,可以快速制动.MM44变频器各项参数指标如下：输入电压：3相380VAC 50Hz,输入电流：2.8A.输出功率：0.75KW输出电压：3相0-380VAC可调.输出频率：0-650Hz可调.输出电流：2.1 A.输出限制：变频器由微机处理器限制绝缘栅双极型晶体管 IGBT的脉冲宽度调 制频率,实现输出电压、频率可调.限制作用：VF,矢量一转矩、光电编码器反响的速度限制等.数字量输入：6路带隔离的数字量输入.数字量输出：8路继电器输出.模拟量输入：2路010 V模拟量输入. 模拟量输出：2路020 mA模拟量输出.通讯接口： RS485通讯、USS协议.操作功能：AO%、BOPS制盘、电位器与外接端子操作.2.4.2水平方向变频调速系统设计水平行走电机采用220W的三相交流异 步电动机,运行速 度要求为 2m/mi n360m/min,系统采用转速闭环限制方式.S7-200PLC的模拟量输出信号Uk作为MM440变频器的模拟量输入,来限制变频器输出频率和输出电压的变化,从而限制三相异步电动机的运行；电动机转速由光电编码器检测并反响到PLC得高速计数口 I1.4和I1.5,构成闭环变频调速系统.系统方框图如图 2.6所 示,ng为速度给定量,U k为PLC输出的限制量,u为变频器输出电压,n为 被控量,限制算法为PID.图2.6 PLC变频调速闭环系统结构图1 运用指令系统中的PID指令,偏差信号根据PID算法计算出限制量, 用传送指令输出电压限制量到变频器的模拟量输入 AIN1 口.2运用指令系统中的HDEF、HSC指令,进行高速计数中断程序设计,高速计数器设为HSC0和模式9,增计数,实时采集并存储光电编码器反响的 A、 B两相正交脉冲数.3 在上位机监控系统中,实时测取系统各参数和输出特性,并能在上/ 下位机进行系统限制.4采用模块化程序结构设计出限制程序,包括主程序、子程序和中断程 序.采用带传感器矢量限制闭环调速,能满足像码垛机这样动态特性要求较高, 并且在低频时输出高转矩以及转速精度要求较高的场合.由于码垛机在工作过程中是频繁启动和停车的,在高速运行的状态下还要求码垛机能够快速精准地停在 目的地,因此在制动方面采用了动能制动,将电动机运行在发电状态下所回馈的 能量消耗在制动电阻中,从而到达快速停车的目的.变频器参数设定如表2-3所示表2-3变频器参数设定参数号设定值功能说明P00033专豕模式,使能读/与所有参数P00040全参数P07002外部按钮或上位机启动/停止系统P10002上位机或PLC程序给定设定P13001带磁通电流的V/f限制方式P20216通讯波特率设为9600P20210MM440变频器通讯地址243垂直方向变频调速系统设计垂直运行电动机采用200W的单向交流异步电动机,运行速度要求为2m/min80m/min.垂直方向变频调速系统与水平方向变频调速系统结构相似, 但是由于单相异步电动机和三相异步电动机有所区别, 所以垂直变频调速系统和 水平变频调速系统也有不同的地方.从结构上看单相异步电动机与三相笼型异步电动机相似,其转子也为笼型, 只是钉子绕组为单相工作绕组,但通常为起动的需要,定子上除了工作绕组外, 还设有起动绕组,它的作用是产生起动转矩,一般只在起动时接入,当转速到达 70%80%的同步转速时,由离心开关将其从电源自动切除,所以正常工作时只 有工作绕组在电源上运行.但也有一些电容或电阻电动机,在运行时将起动绕组 接于电源上,这实质上相当于一台两相电机,但由于它接在单相电源上,故称为 单相异步电动机.图2.7是电容分组式单相异步电动机原理图.1图2.7电容分组式单相异步电动机原理图1 工作绕组；2 起动绕组K离心式开关；C电容器单相异步电动机的突出特点是没有启动转矩和固定的转向.为此要设置启动 装置,以及电机中产生一个与主磁场在空间和时间上不同相得磁场, 从而形成一 定大小的旋转磁场以产生启动转矩.单相交流电动机的变频调速与三相交流电动机的变频调速不同,将单相220V输入、三相输出的变频器的三个输出端子U、V、W,接任意两端.输 出单相变频调速电源在输出端上串上一个足够电感量的电感,用于隔离电动机电容对变频器的危害作用同时对变频器的高载波率起到一定的滤波作用,并保护电动机电容,此电路只适用于小功率单相电容运转式和罩极式电动机,不适用于带离心开关的单相电动机.另外,变频器的输出电压和电动机的输出电压相匹 配,变频器要留有足够的容量应比电动机的使用功率大三倍.串联的电感要有足够的电感量和通过电流的流量,电感的磁性材料应与变频器的载波率相匹 配.变频器和单相电容式运转电动机的接线如图2.8所示变频调速器单相电谷式运转电动机AC220图2.8变频器与单相电容式运转电动机的接线图2.5码垛机货叉限制系统设计步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构.步进电机定子的各相绕组根据一定的顺序通电、断电,从而带动转子按既定的方向一步一步转动固定 的角度,这个角度被称为“步距角,通常用二表示.步进电机的转子上均匀的 分布着许多小齿,相邻的两个小齿的中央线间的角度称为齿距角:r =360 ；转动齿数.对于m相n拍的步进电机来说,那么转子走过了 n个步距角二,所以步距角二- ；n =360 ：转子步数 n2-1我们选用的S7-200型PLC可以通过Q0.0和Q0.1两个输出端输出脉冲串PTO和脉宽调制PWM .本文选用PTO限制方式,所以PLC的输出端Q0.0用做高频脉冲输出端,电机选用两相混合式电动机42BYG,步距角为1. 8整步：0. 9半步,该电机使用配套的SH-20403两相混合式步进电动机细分驱动器.图2.9是步进电动机和驱动器的接线图.2.6平安检测传感器的应用(1) 货架占有情况检测自动化仓库需要知道货物是否存放在货架,或者货物在货架的位置信 息.以免造成误动作,损伤机械.入库操作时,当码垛机到达目标位置时, 先检测货位是否有货物,假设没有货物,那么进行伸叉作业,否那么发出信号使码 垛机动作停止；出库时,假设检测出相应货位无货物,那么发出信号致码垛机动 作停止.本文采用漫反射型的光电传感器可以感知货物在货架的存在或者位 置.(2) 货物突出货架检测货物存放在货架上,可能由于异常的情况导致货物突出货架的情况. 这些突 出的货物可能阻碍码垛机垂直方向的运行, 导致货架或码垛机的损害.在码垛机 垂直轨道上顶端安装长距离光电传感器可以监视货物突出, 一旦有突出,向上位 机报警,限制系统发出信号致码垛机停止运行.2.7通信方案确实定为了限制无人运转码垛机,必须向码垛机发送运转和作业的信息.一个指令 执行完了之后,必须从码垛机向地面发送响应信号,即确认信号,之后才能执行下一个指令.码垛机的信息传递顺序是：码垛机首先接受的作业信息是从什么地 方取货,之后把它存入什么货位.码垛机限制盘在收到作业信息之后向地面限制 盘发出响应信息.码垛机根据作业信息进行作业.作业完了之后,向地面发出“作 业结束信息.这样把一系列作业进行完了之后,成为等待下一个作业信息的待 机状态.串行通信中最常用的物理层协议为 RS-232C和RS-485.本文采用RS-485 标准.主要基于以下两点考虑：1RS-232C接口标准只能用于点对点的通信,而 RS-485能实现多点对 多点的通信.RS-485允许平衡电缆上连接32个发送器/接收器.立体仓库限制系 统要求监控系统和3台码垛机限制系统连接,要求物理层的协议必须支持一点对 多点的通信.2RS-485采用差动发送/接收,所以共模抑制比高,抗干扰水平强.立体仓库的工作环境较恶劣,热、电、磁等干扰信号较多,要求通信网络的抗干扰 水平较强,才能保证数据的正确接收.RS-485标准除上述优点外,还具有传输速率高、传输距离远等优点.由于PLC带有串行通信接口,只需用 RS-485总线分别连接到计算机即可, 可见系统的构建十分简单.当需要增加新设备时,只需要将新设备也连接到计算 机,系统的扩展也较容易.为了利用计算机带有的RS-232接口与下层的各个模块通信,在计算机上需要安装 232-485转换器.2.8输入输出点的分配码垛机限制系统采用的PLC是S7-200 CPU226,总共使用了所有的24个输 入点和11个输出点,具体I/O点分配如表2-4所示码垛机限制系统使用扩展I/O 模块EM221,其I/O分配表如表2-5.扩展模块EM235是模拟量4输入/1输出 模块,在本文所设计的限制系统中,只用到两个扩展模块EM235的输出通道MO、VO,接变频器 MM440的端口 3和4.表2-4 PLC CPU226 输入输出I/O点分输入局部输出局部I0.0十六键盘值1位Q0.0机械手限制脉冲I0.1进制键盘值2位Q0.1机械手方向改变I0.2显示键盘值3位Q0.2升降台上升I0.3键盘值4位Q0.3升降台下降10.4机械手到位限位Q0.4小车向前运动10.5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1/0Q0.7取物指示灯I1.0小车前限Q1.1BCDBCD码1位I1.1小车后限Q1.2输出BCD码2位I1.2升降台上限Q1.3显示BCD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表2-5 EM 221模块I/O点分配1水平左限位I3.09纵向认址下对准I4.02水平右限位I3.110左端歪斜传感器I4.13垂直上限位I3.211右端歪斜传感器I4.24垂直下限位I3.312左探有货传感器I4.35水平前对准I3.413右探有货传感器I4.46水平认址计数I3.514低速按钮I4.57纵向认址上对准I3.615中速按钮I4.68纵向认址计数I3.716高速按钮I4.72.9本章小结：本章依据设计立体仓库的有关参数,对码垛机电气限制的硬件系统进行了设 计.包括系统结构图,码垛机的限制方式、通讯方案及认址方式的选择,并设置 了相应的平安保护举措.第三章码垛机程序限制设计S7-200可编程限制器主要使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程和其 它一些相关处理.STEP7-Micro/WIN 32编程软件是基于 Windows的应用软件, 由西门子公司专为SIMATIC S7-200系列可编程限制器设计开发,功能强大,主 要由用户用来开发限制程序,同时也可以实时监控用户程序执行状态.它提供三种编辑器来创立你的程序： 梯形图、语句表和功能块图.用任何一 种程序编写程序,都可以用另外一种程序编辑器来浏览和编辑, 但要遵守一些输 入规那么.语句表编辑器根据文本语言的形式显示程序, 此编辑器允许你输入指令 助记条款来创立你的限制程序.本文设计的码垛机限制系统采用手动和自动两种操作方式,其中自动又有自动入库和自动出库两种工作状态.1自动：由操作员在下层限制台输入货单,发出运行命令,码跺机根据 货单和命令自动运行完成任务,实现甩手操作.2手动：由操作员亲自驾驶码跺机进行取货和放货操作,其中可以操作 货叉的升降、伸缩,码跺机的上升下降,前进,后退操作,来完成货单任务.程序采用模块化的方式进行编写,最后再将程序的各个局部集成为能完成完 整功能的完整的程序.系统采用中间信号来实现对具体运行动作的限制,从而更准确更平安的完成作业；并采用指示灯在现场指示系统具体的工作状态,并将工 作信息写入到内存中,方便上位机对码跺机系统的运行进行实时的监视.图3.1是系统主程序流程图.PLC在仓库码垛机中的设计应用23图3.1主程序流程图开始系统上电送货任务YN取货任务N码垛机自检子程序Y码垛机运行 方式选择自动方式执行取货子程序PLC在仓库码垛机中的设计应用#3.1码垛机自检和复位/归位程序3.1.1码垛机自检程序码垛机每次开机上电时,PLC系统通电,然后执行用户编写的功能模块程序. PLC系统上电后,首先执行图3.2码垛机自检程序.码垛机自检子程序主要是判 断上次系统是否正常关机,如果属于非正常关机,码垛机有无不平安因素货叉 是否在收叉位置,载货台上有无货物,货位位置是否正常等,如果存在不平安 因素,码垛机开始报警,等待故障处理.如果正常关机,那么判断码垛机工作模式. 在手动操作模式下,执行手动操作子程序.在自动模式下,那么由码垛机机载限制 柜上的触摸屏操作下发作业任务.开始检测平安关机标志位Y图3.2码垛机自检子程序流程图PLC在仓库码垛机中的设计应用313.1.2码垛机复位/归位程序当码跺机在运行过程中出现错误时如认址认数器计数错误等,假设不及时纠 正,就会使仓库治理出现混乱,所以就需要系统能通过限制按钮方便的恢复系统 的局部数据或设置,及时恢复系统的正常运行.根据不同错误的严重情况,设立 系统归位和系统复位两种方式.码跺机复位程序流程图如图3.3所示.当按下归位按钮超过 3s码跺机开始 在水平与垂直两个方向同时以中速返回原位.当码跺机经过强制限速点时,强制为低速,直到运动到原位停止.到达原位后,复位计数器；当水平与垂直两个方 向均到达原位后,归位动作完成.假设重新启动被按下超过3s,系统会执行初始化程序,对系统的各个内存区及自由端口进行重新定义,同时,系统会启动返回原位程序,以重新设定计数器的当前值；假设不需要码跺机归位,那么可以再松开重3.2自动方式下的码垛机运行限制码垛机执行自动入库作业的初始条件为码垛机位于入库口,升降台位于最下位置,入库台车在码垛机前进方向的右边,车上有货物,码垛机货叉上无货物. 操作开始先在上位机的监控界面上输入待入库目标货位的列、层数,选择入库动作,然后按下运行键,系统开始执行入库作业.于是码垛机向入库口的货位伸叉, 伸叉到位后货叉向上托起,托到货物后码垛机收叉,然后货叉托着货物回到货叉 中位,货叉停止,载着货物的码垛机向目的货位移动, 到达目的货位之后检测目 标货位是否有货,如无货码垛机向入库目标货位伸叉, 伸叉到位后货叉下降,将 货物放到货位上后码垛机收叉,然后货叉回到货叉中位,货叉停止,码垛机返回 到入库口位置待命,准备下一次作业.出库的作业顺序与入库的作业顺序类似.3.2.1初始化程序设计这段程序主要是对所需的计数器、存放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,VW10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.C2Network 1SM0.1CU CTUSM0.0R+0 - PVC3Network 2SM0.1CU CTUSM0.0R+0 - PV3.2.2运行方式选择程序M20.0)M20.1SMOO1 1M20.0M201II iSBR.O ENnr11 zM20JM20.011,SBA_1ENNetwork 6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 o323自动限制中的寻址定位自动限制子程序中的网络,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,C2中的计数脉冲数和VW10C中输入的仓库的列数进行比拟,相等 时说明已经到达列,小车停止前进,到达列标志M30.0.血网络1.2, C3中的计数脉冲数和VW102中输入的仓库的层数进行比拟,相等时说明已经到达层,升降台停止上升,到达层标志门.2M30.1.Q02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.Network 13 机械手前伸SM0.0M3Q0M301QOOT I1 I11SBRJENNetwork 14 机械手镰回 bl和.3为动作完成标志:SHOOM30.2I1INTON1+10-PT16QO.O11_rf* R 1T61I05SBR_21051M30L3ENQ013.3手动方式下的码垛机运行限制3.3.1手动限制中的寻址定位手动限制子程序中,手动运动时经过每一列或层时指示灯都会亮网络 中 Q2.0Q2.1Network 11SM0.01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.M2Q0T I1M20.111.4匸11 7Q2.1Q21M225 )M22.4:)PLC在仓库码垛机中的设计应用#3.3.2手动方式下的货叉运行限制手动方式下货叉的运行限制是分步进行的,货叉的任何两个动作均不联动 程序流程图如3.4所示.图3.4手动方式货叉运行程序图PLC在仓库码垛机中的设计应用333.4步进电机驱动程序将16#85送给SMB67是设置PTO的限制字节,选择PTO方式,时基为1us.然后 设置周期为50us,脉冲数为70000个Network 15 返回SM0.0当动作完成时,完成标志 M30.3置1,然后返回起点Q0.3()Q0.5()3.5本章小结：本章主要对码垛