立体仓库巷道堆垛机的控制系统设计

本 科 毕 业 设 计（论 文）题目 立体仓库巷道堆垛机的控制系统设计 学生姓名 韦忠爽 学 号 09B06070207 指导教师 孙建华 学 院 机电学院 专 业 机械设计制造及其自动化 交稿日期 2013年5月10日 学术诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。中文题目：英文题目：作者签名： 日期： 年 月 日版权使用授权书本毕业设计（论文）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海建桥学院可以将本毕业设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业设计（论文）。 保 密 ，在 年解密后适用本授权书。本论文属于 不保密 。（请在以上方框内打“”，如作者未做出选择的情况下，按不保密处理。）作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日上海建桥学院本科毕业设计（论文）立体仓库巷道堆垛机的控制系统设计摘 要集物流、信息流、和资金流于一身的物流配送中心，在全球化和市场化的时代里，促进了世界经济与贸易的大发展。物流配送最核心的系统设备就是自动化立体仓库。而堆垛机又是自动化立体仓库的关键设备。 本文设计的是一两排四层三列式立体仓库巷道式堆垛机的电气控制系统，并实现货物存取的模拟控制。主要工作包括：分析对比各类立体仓库的控制技术，确定实现方案；进行堆垛机的机械结构分析；进行堆垛机的控制系统设计；用组态软件设计人机界面，对货物存取过程进行仿真控制。本文所述的系统是采用先进的西门子PLC控制器控制，用变频器驱动的半闭环交流伺服系统。设计时分析了堆垛机的工作过程（主要运动有行走、升降和叉伸运动），利用了光电传感器检测堆垛机位置，并研究了堆垛机运动控制、认址检测方式，实现了堆垛机的运动和定位方案。为了提升工作效率，使用了变频调速控制技术。本文通过西门子S7-200 SMART系统手册编写了PLC程序，通过上位机系统对PLC的运行进行监控，并对货位信息进行处理。实现了本文设计的堆垛机系统的自动、手动2种控制方式。机系统运行平稳，定位准确，安全可靠达到设计要求。本文的软件设计分别采用STEP7编程软件实现堆垛机的出入库控制；采用组态王6.53设计监控系统，其包含设备及货位状态显示、故障报警、入库(库存)信息的报表等接口。通过理论推导、实验研究，表明本文所研究的自动化立体仓库技术具有一定的先进性，实现方法切实可行，具有一定的实用价值和应用前景。关键词:自动化立体仓库，堆垛机，PLC，监控系统IThe design of control system for stereoscopic warehouse stacker machineAbstractIn an age of globalization and marketization, a logistics distribution center ,which includes logistics, information flow and capital flow , promotes the great development of the world economy and trade. Automation stereoscopic warehouse is the core of system equipment in Logistics distribution.The stacker is the key equipment of automation stereoscopic warehouse.This paper is aimed at designing roadway stacker electrical control system of a two rows of four layer three column type stereoscopic warehouse, and it can realize the simulation control access to the goods. The main work includes four items: this article compares all kinds of the stereoscopic warehouse control technology to determine the implementation plan , analysises stacking machine mechanical structure , designs the stacker control system and uses configuration software to design man-machine interface in order to control access to goods process simulation.The system described in this article uses the advanced Siemens PLC controller and the inverter . It is half closed loop ac servo system. In Designing , this text has analyzed the working process of the stacker (main motion contains walking, fork lifting and stretching),has used photoelectric sensors to detect position of stacker, has studied the stacker to recognize address detection mode and motion control, and has realized the stacker movement and positioning schemes. In order to improve work efficiency, this paper uses the technology of frequency control of motor speed control. Based on Siemens S7-200 SMART system manual, this article writes the PLC program. The upper machine system monitors the operation of the PLC, and processes the position information. This paper has designed two kinds of control mode: stacker system of automatic and manual. Machine system runs smoothly, accurately, safely and reliably.It can meet the design requirements. In this text, the software design of stacker is realized respectively by using STEP7 programming software and monitoring system is designed by adopting King view 6.53, which includes a state of equipment and goods display, fault alarm, warehousing (inventory) information reporting interface.Through theoretical derivation and experimental research, this paper proves that the research of the automatic solid warehouse technology is advanced. The implementation method is feasible. This system has certain practical value and application prospect.Key Words：Automated multi-layered storehouse, Stacking machine, PLC, Monitoring and control system1- I -目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1堆垛机简介11.2 堆垛机的分类11.3巷道式单立柱堆垛机的结构组成31.4 堆垛机在国内外的发展现状41.5 本文研究的主要内容42 仓储堆垛机的控制52.1 堆垛机主要运动及控制方式52.1.1 堆垛机的主要运动52.1.2 堆垛机的控制方式.52.2 堆垛机认址方式52.2.1认址方式的介绍52.2.2认址方式的确定62.3 堆垛机速度控制72.3.1 变频调速的工作原理.72.3.2 速度曲线的设计82.3.3 半闭环控制93 控制系统硬件部分设计103.1 核心元件简介103.1.1可编程控制器简介103.1.2 变频器简介.103.2电气设计一般原则103.2.1电器元件的选用113.2.2堆垛机的配套传感器系统113.3系统电路设计123.3.1电气原理图设计的基本步骤123.3.2 电气原理图的设计方法123.3.3 主电路设计143.3.4 控制电路设计144 控制系统软件部分设计164.1 I/O分配174.2 PLC主程序设计184.2.1 程序初始化184.2.2 运行方式的选择184.3 PLC子程序设计184.3.1堆垛机出、入库的主要运动184.3.2堆垛机手动运行194.3.3堆垛机自动运行204.4 堆垛机PLC程序215 监控系统设计225.1 组态王6.53介绍225.2 制作监控系统的步骤225.2.1 创建工程路径225.2.2 创建组态画面235.2.3 定义I/O设备235.2.4 构建数据库245.2.5 建立动画连接255.2.6 运行和调试.26结 论27参 考 文 献28附录A堆垛机PLC程序28附录B组态王6.53应用命令语言程序40致 谢48III1 绪论1.1堆垛机简介近年来，中国的电子商务有了翻天覆地的变化，就在2012年双十一促销的前一天，马云对采访记者说，电子商务会在传统商业领域掀起一次革命性的颠覆，“就像狮子吃掉森林里的羊一样”，接着2012年11月11日，支付宝当天的交易额达到令人震惊的191亿。然而紧随其后的一周内，消费者纷纷抱怨电商的糟糕的配货、出货速度。究其原因无疑和物流配送相关。经济的迅速发展、科学的飞跃进步和已经到来的信息革命，使世界经济开始全球化和市场化，我们进入了一个前所未有的崭新时代。集资金流、信息流、和物流于一身的物流配送中心，在这个效率至上的时代里，又进一步推动了全球贸易与经济的大发展。物流配送最核心的系统设备就是自动化立体仓库。可以说，没有自动化立体仓库就没有现代化的物流系统。随着立体仓库的出现，在其中起到重要作用的巷道式堆垛机（常常称作堆垛机）获得到了迅猛发展，。它是自动化立体仓库的核心作业机械，担负着存货、取货等任务,是自动化立体仓库的关键设备，堆垛机的发展是衡量自动化立体仓库发展的主要标志，因此自动化立体仓库领域的热点就成了对堆垛机的研究。1.2 堆垛机的分类1. 按有无人搭乘分类（1）人、货升降式堆垛机。这种堆垛机的货台和操作室为一体，操作者与货物一起上下。（2）货升降式堆垛机。2. 按支持形式分类（1）悬垂式堆垛机。所谓悬垂式即是堆垛机悬挂在上导轨上。（2）地面式堆垛机。即是堆垛机在地面导轨上行走。（3）台车移载式堆垛机。它是通过台车移动来实现货物的移载作业的堆垛机。（4）输送机移载式堆垛机。它是利用输送机来实现货物的移载作业的堆垛机。3. 按控制方式分类（1）手动式堆垛机。它是操作者在操作室或操作台上，实行手动操作以控制行走、升降和叉伸等运动的堆垛机。（2）半自动堆垛机。它是在手动式堆垛机的基础上增加自动控制实现对行走、升降和货叉运动的控制。（3）自动堆垛机。它是在自动堆垛机的基体上安装有设定器，操作者只要利用计算机进行出入库设定，便可实现货物自动存取。（4）远程控制堆垛机。它是使用远程控制便可实现自动运转的堆垛机。4. 按移载方式分类（1）选货式堆垛机。它是操作者直接进行手工操作以实现对货架中的货物的存取作业。（2）货叉移载式堆垛机。它是通过货叉移动来实现存取货物的堆垛机。其中又分单叉、双叉和多叉几种。5. 按轨道配置分类（1）直线导轨式堆垛机。这是在直线导轨上往复运动的堆垛机。（2）曲线导轨式堆垛机。这是在直线和曲线导轨上往复运动的堆垛机。（3）在移动台车导轨上行走的堆垛机。随着移动台车的移动，堆垛机可以进入其它巷道动作。这样可以节约堆垛机数量，减少投资。6. 按主构件形成分类（1）单柱式（桅杆式）堆垛机。如图1.1所示。（2）双柱式堆垛机。如图1.2所示。 图1.1单立柱堆垛机 图1.2双立柱堆垛机1.3巷道式单立柱堆垛机的结构组成单立柱堆垛机大体上是由一根立柱和上、下横梁组成，或是仅由一根立柱与下横梁组成，整台机器重量偏轻，制造所需材料与工时少，适用于2吨以下的起重量、十六米 以下起升高度的仓库。巷道式单立柱堆垛机的结构如图1.3 所示，主要由存、取货物机构、升降机构、行走机构以及安全保护装置等组成。存、取货物机构是堆垛机存、取货物的执行机构，装设在载货台上，主要功能即实现货物的搬运和存取。目前最常用的是三级直线差动式伸缩货叉。它由上叉、中叉、下叉和起导向作用的滚针轴承等构成。其结构如图1.4所示。提升机构的主要功能是实现堆垛机存取货机构的垂直运动，目前有部分堆垛机的提升机构是靠起重链柔性件来进行牵引。升降机构主要由升降链轮，升降链条和驱动链轮等组成。载货台和升降链条连接在一起，升降链条与载货台、上下横梁的链轮及升降链轮组成封闭式结构。行走机构的主要功能是实现堆垛机沿巷道方向的水平运动。本文设计的堆垛机运行机构由电机变速箱、行走轮、导向轮等组成。下横梁下方有行走轮，导向轮在其侧面，确保堆垛机可以正常行走。其结构如图1.5 所示。 图1.3巷道式单立柱堆垛机结构图 图1.4存取货机构（上）图1.5行走机构（下）1.4 堆垛机在国内外的发展现状 根据物流设备的发展形势，对比国内外技术水平及研发情况等有关资料的分析，目前国内堆垛机与国际先进水平相比，主要的差距在于综合性能上的差距：重点体现在机构行走和升降的速度、货叉伸缩的速度、运行时的平稳性、振动和噪声。在结构上也存在较大的劣势：国外产品结构设计合理，且更加灵巧，本人国产品相对来说笨重，不够小巧。1.5 本文研究的主要内容本文设计的是一两排四层三列式立体仓库巷道式堆垛机的电气控制系统，并实现货物存取的模拟控制。主要工作包括：分析对比各类立体仓库的控制技术，确定实现方案；进行堆垛机的机械结构分析；进行堆垛机的控制系统设计；用组态软件设计人机界面，对货物存取过程进行仿真控制。2 仓储堆垛机的控制2.1 堆垛机主要运动及控制方式本文设计的堆垛机在收到控制系统的指令后可以来回穿梭运行于自动化立体仓库的巷道中，能够将位于入库口的货物存入货仓，或者相反取出货仓内的货物运送到出库口。2.1.1 堆垛机的主要运动自动化立体仓库堆垛机的主要运动：堆垛机主体沿巷道前后方向运行；位于主柱上的升降台沿上下方向的运行；升降台上的货叉能左右伸缩以存取巷道上的货架上的货箱。2.1.2 堆垛机的控制方式自动化立体仓库拥有较多的控制方式，时至今日有三种较为主流的控制方式：PLC控制、单片机控制和继电器控制。本次采用PLC控制。2.2 堆垛机认址方式2.2.1认址方式的介绍堆垛机进行货物存、取前必须先走到指定的货位。它到达与否的判定，在操作时必须自动进行。为此货架上的每一个货位必须具有堆垛机能识别的编码。巷道左右2排货架依次设定为1排、2排；堆垛机水平运行方向设定为入库口、1列3列和出库口；垂直升降方向设定为1层4层，最底层取作1层。把排、列、层比作空间直角坐标系X、Y、Z方向，就能确定每一个货位的编号。堆垛机可以自动检测它当前所处位置的坐标，使其能走到指定货位。其中X方向即排数，对于堆垛机的货叉来说只有左和右2个运动方向，因此只需要检测Z坐标即层数与Y坐标即列数。这2个坐标的检测也是一般情况下遇到的认址问题。现在科技含量较高的检测元件是光电开关，它是利用安装于轨道上对应货架每一列的行走认址片及安装在堆垛机立柱上对应货架每一层的升降认址片，相应光电开关在每次通过认址片时会进行透光或挡光，使光电开关的状态发生变化，利用计算机对此变化状态进行统计，根据相应算法可得到堆垛机的Y和Z方向的坐标，从而获知堆垛机当前所在的列数和层数。当光电开关的状态变化时，自动控制系统怎样正确识别堆垛机所在位置的编码是自动认址的主要问题。对此，可以采用2种方式：绝对认址或相对认址。绝对认址采用得到的用N个光电开关的通、断状态组合来获取Y或Z的坐标。行走和升降机构分别用一组光电开关和认址装置（认址片和光电开关视层数、列数而定）来获取堆垛机的当前地址（如图2.1所示），认址装置上的认址片和每个地址编码一一对应。采用绝对认址方式时，堆垛机控制系统的PLC 编程较为简单，并且认址相对可靠，但是它每个位置的认址片都不相同，结构复杂，加上货位越多，所需的认址光电开关也会越多。相对认址是通过对光电开关在经过每一列或每一层的认址片时，通电状态翻转产生的电脉冲对地址编码进行加、减1的操作，产生堆垛机当前地址编码的一种方式(如图2.2所示)。当堆垛机行走或升降时，每产生一个脉冲，就对列数或层数加1或减1作为当前地址。 图2.1绝对认址方式 图2.2相对认址方式2.2.2认址方式的确定为完成对堆垛机的速度控制，必须要检测出堆垛机运行时的当前位置，本文设计的堆垛机电气控制系统采用相对认址方式。因为这种方式不管有多少货位，均只需2个行走光电开关和34个升降光电开关，大大减少了光电开关的数目可得到广泛应用。具体如下：1）水平认址系统在堆垛机的水平轨道上，对应货架的每一列均要安装一个认址片，在堆垛机沿轨道上安装前、后两个光电开关。当堆垛机运行停准的时候，前向光电和后向光电都会响应，即它们都为高电平。PLC的计数器可实现这种运算，而且定位用的光电开关也可用于停准检测，如图2.2所示。（2）纵向认址系统在堆垛机垂直立柱上，对应货架的每一层的均要安装一个认址片，在堆垛机的货台下面要安装上、中、下三个光电开关。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。为保证货叉完成作业，堆垛机在垂直方向上必须要有检测装置准确检测货叉是否准确停在高位或低位。所以要在堆垛机的货台下面安装三个光电开关，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，上面两个光电开关将在堆垛机升降过程中起作用；取货开始或存货结束时，货叉停在低位置，此时下面两个光电开关将在堆垛机升降过程中起作用，如图2.3所示。 图2.3 堆垛机垂直方向认址传感器分布图2.3 堆垛机速度控制堆垛机运行效率的高低关系着整个立体仓库的运行效率以及生产计划的完成。堆垛机水平运行、载货台升降采用变频器控制速度；而货叉的伸缩运行距离较短采用固定速度。系统通过光电传感器确定运行过程中堆垛机的位置。传感器回馈堆垛机的运行速度，通过调整变频器的频率控制堆垛机的速度。在保证精确定位的情况下，最大限度的提高堆垛机的运行速度，提高整体的运行效率。2.3.1 变频调速的工作原理变频调速技术常用于堆垛机的速度控制。采用这种技术的交流异步电动机，其性能可以超过现有任何一种交流调速方式，比如变极、调压、串极等，也能和直流调速一较长短，而且不需要经常换碳刷，能够节省费用，并且驱动装置简单，不必使用电动机的启动与减速附加装置，是交流调速的最佳方案。在堆垛机存取货物的过程中,行走和货叉伸缩运动是按照先后顺序动作的,行走电动机和货叉电动机如果使用同一台变频器并联运行可以减少使用成本,电动机功率按照大惯性负载启动的情况考虑。由电机学原理可知变频器的变频原理可表示为： （2.1）式中:f是电源频率，p是电动机定子绕组的极对数，s是转差率。从上式可以看出，在极对数和转差率不变的情况下，转速与电源的频率成正比，通过改变电动机的频率可以改变电动机的转速，达到控制堆垛机速度的目的。2.3.2 速度曲线的设计本系统堆垛机运行速度如图2.4可分为高速、中速、低速三档，根据光电传感器反馈的信息判断与目标位置距离远近进行速度控制。在距离目标位置较远时，为提高工作效率采用高速运行；在距离较近时，降低速度达到完全运行准确认址的目的。由于堆垛机水平行走、载货台的垂直升降、货叉的左右伸缩三个运动的距离和运行速度不同，货叉的左右伸缩运行的距离较短，可采用固定速度低速运行，堆垛机水平行走速度、载货台垂直升降速度与目标位置和当前位置间的距离的相关，关系如公式2.2和2.3所示，N为实时状态下堆垛机的位置与目标位置相差的层数或列数。图2.4水平方向速度与目标距离的关系 （ 2.2 ） （ 2.3 ）2.3.3 半闭环控制当堆垛机朝着某一目标位置行进时,按照事先编好的PLC程序中堆垛机速度的控制策略，再根据目标位置与光电传感器反馈回来的堆垛机的实际位置之间的差值即相差的列数或层数,选用变频器不同的频率实现堆垛机运行时的速度控制。当堆垛机距离目标位置较远时，先用较高的速度使堆垛机接近目标位置,然后平稳地过渡到较低的速度运行,在到达目标位置时采取抱闸停准。为了能较好地满足自动化仓库中堆垛机高速运行、平稳换速、低速停准地调速控制要求，本文采用半闭环控制方式,如图2.5所示。 图2.5堆垛机控制系统半闭环控制原理3 控制系统硬件部分设计3.1 核心元件简介3.1.1可编程控制器简介可编程控制器（Programmable Logic Controller,PLC)是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。随着大规模、超大规模集成电路技术和数字通信技术的进步和发展，PLC技术不断进步，在工业生产中获得了极其广泛的应用。S7-200系列PLC是德国西门子公司生产的一种超小型PLC,大型和中型的PLC的功能应有尽有，而价格却和小型PLC的价格一样。能够单机动作，也可以输入/输出扩展。它结构小巧，可靠性高，运行速度快，拥有媲美大型和中型PLC的技术优势，又有丰富的指令集，具有很强的实时特性和集成功能，配备有多种功能的扩展模块，性价比非常高。3.1.2 变频器简介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控制。变频器的电路一般由4个部分组成：整流、中间直流环节、逆变和控制。变频器作为功率的变换部件，可提供可控的高性能变压变频的交流电源。3.2电气设计一般原则一般，电气控制系统应满足工业生产的加工工艺要求，线路以安全为先，可靠为主，操作简单，维护方便，节约成本等。为此，必须正确设计控制电路，合理的选择电器元件。一般在设计时应该遵循以下原则：1) 最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求。在设计控制系统之前，首先要清楚控制系统的工作要求，对要使用的机械设备的工作性能，结构特点和实际工作情况有充分的了解。从而作为设计电气控制线路的依据。2) 在满足生产要求的前提下，力求使控制线路简洁明了和节约电器元件。尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的环节和线路；尽量缩短连接导线的数量和长度；尽量减少电气的数量采用标准件；尽量减少不必要的触点，简化电路；线路在使用过程中除必要的电路必须通电以达到工作要求外，其余的尽量处于断电状态以节约电能，并延长电路的使用使命。3) 保证控制线路工作的可靠性。选用的电器元件要可靠、牢固、动作时间少、抗干扰能力强；正确连接电器元件的线圈；正确连接电器的触点；在控制线路中，采用小容量继电器的触点来断开或接通大容量接触器的线圈时，要计算继电器触点断开或接通容量是否足够；在频繁操作的可逆线路中，正反向接触器应加重型的接触器，且应有电气和机械的联锁；防止触点竞争现象；防止寄生电路。4) 控制线路工作的安全性。电气控制线路应具有完善的保护环节，用以保护电网、电动机、控制电器以及其他电器元件，消除不正常工作时的有害影响，避免因误操作而发生故事。在控制系统中，常用的保护环节有短路、过流、过载、过压、失压、弱磁、超速、极限等。有时设有合闸、正常工作、事故、分闸等指示信号。5) 操作和维修方便。3.2.1电器元件的选用 （1）1个电源:使用带有声光报警系统的交流380V三相三线电源。 （2）2个指示灯:1个用于通电指示，1个用作警示灯。 （3）PLC的选型：选用西门子公司生产的S7 - 200 6ES7 214.1AD23.0XB8 CPU224 DC/DC/DC,14输入/10输出型作为堆垛机自动控制系统的核心。扩展模块选择6ES7 223.1BH22.0XA8 EM223 8入/8出 24VDC，开关量型。 （4）变频器选型：按照变频器总电流不超过额定电流的基本原则,本人选用西门子司生产的MM440 变频器作为行走电动机、货叉电动机和升降电动机的变频器。因为在堆垛机存取货物的过程中,运行系统和货叉系统是按照先后顺序动作的,为减少开支,运行电动机和货叉电动机使用同一台变频器并联运行,运行电动机按照大惯性负载启动的情况考虑。行走和升降运动按照控制要求有高、中、低三档速度，叉伸运动只有低档速度。 （5）根据控制系统的性能指标要求，采用的三相异步电动机，额定功率300W，额定电流0.69A，额定电压380， 额定频率50Hz， 转速，功率因数0.81，数量3个。 （6）手动操作按钮:用于手动控制堆垛机自动控制系统的启停,便于调试。 （7）根据堆垛机的速度和位置控制要求，需要安装8个光电传感器和7个限位开关。 （8）用于保护及控制220 V 交流电源输入的强电电路。 （9）保护用PLC 逻辑输出控制继电器,再通过继电器控制执行机构的弱电电路:。 （10）若干接线端:用于控制柜内电气线路的连接。3.2.2堆垛机的配套传感器系统为了保障整个仓库自动化运行,该堆垛机自动控制系统多处采用了传感技术:(1) 货物进入仓库时，采用普通光电传感器检测有无物体,有货物发出堆垛机启动信号。(2) 使用用条码阅读器读取货物信息。(3) 使用光电传感器监视堆垛机货台上货情况。(4) 堆垛机的入口和出口是危险区域,可在该区域安装多光束安全光栅防护人体的侵入。3.3系统电路设计堆垛机控制系统电路设计包括主电路、控制电路、行走叉伸变频器和升降变频器的接线电路的设计。3.3.1电气原理图设计的基本步骤1)根据选定的拖动方案及控制方式设计系统的原理框图，拟订出各部分的主要技术要求和主要技术参数。 2)根据各部分的要求，设计出原理框图中各个部分的具体电路。对于每一部分的设计总是按主电路控制电路辅助电路联锁与保护总体检查反复修改与完善的步骤进行。 3)绘制总原理图。按系统框图结构将各部分联成一个整体。 4)正确选用原理线路中每一个电器元件，并制订元器件目录清单。 对于比较简单的控制线路，例如普通机床的电气配套设计，可以省略前两步，直接进行原理图设计和选用电器元件。但对于比较复杂的自动控制线路，例如专用的数控生产机械或者采用微机或电子控制的专用检测与控制系统，要求有程序预选、刀具调整与补偿和一定的加工精度、生产效率、自动显示、各种保护、故障诊断、报警、打印记录等，就必须按述过程一步一步进行设计。只有各个独立部分都达到技术要求，才能保证总体技术要求的实现，保证总装调试的顺利进行。3.3.2 电气原理图的设计方法1、分析设计法 所谓分析设计法是根据生产工艺的要求去选择适当的基本控制环节（单元电路）或经过考验的成熟电路，按各部分的联锁条件组合起来并加以补充和修改，综合成满足控制要求的完整线路。当找不到现成的典型环节时，可根据控制要求边分析边设计，将主令信号经过适当的组合与变换，在一定条件下得到执行元件所需要的工作信号。设计过程中，要随时增减元器件和改变触点的组合方式，以满足拖动系统的工作条件和控制要求，经过反复修改得到理想的控制线路。由于这种设计方法是以熟练掌握各种电气控制线路的基本环节和具备一定的阅读分析电气控制线路的经验为基础，所以又称为经验设计法。 分析设计法的特点是无固定的设计程序，设计方法简单，容易为初学者所掌握，对于具有一定工作经验的电气人员来说，也能较快地完成设计任务，因此在电气设计中被普遍采用。其缺点是设计方案不一定是最佳方案，当经验不足或考虑不周时会影响线路工作的可靠性。经验设计法的基本步骤：1、 主电路设计。主要考虑电动机的起动、电动、正反转、制动及多速电动机的调速。2、 控制电路设计。主要考虑如何满足电动机的各种运转功能及生产工艺要求，包括实现加工过程自动或半自动的控制。3、 辅助电路设计。主要考虑如何完善整个电路的设计、包括短路、过载、零压、联锁、照明、信号、充电测试等各种保护环节。4、 反复审核电路是否满足设计原则。在条件允许的情况下，进行模拟试验，直至电路动作准确无误，并逐步完善整个电器控制电路设计。2、 逻辑设计法 逻辑设计法是利用逻辑代数这一数学工具来进行电路设计，即根据生产机械的拖动要求及工艺要求，将执行元件需要的工作信号以及主令电器的接通与断开状态看成逻辑变量，并根据控制要求将它们之间的关系用逻辑函数关系式来表达，然后再运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化，使之成为需要的与或关系式，根据最简式画出相应的电路结构图，最后再作进一步的检查和完善，即能获得需要的控制线路。 采用逻辑设计法能获得理想、经济的方案，所用元件数量少，各元件能充分发挥作用，当给定条件变化时，能指出电路相应变化的内在规律，在设计复杂控制线路时，更能显示出它的优点。逻辑设计方法的一般步骤：1、 充分研究加工工艺过程，做出工作循环图或工作示意图。2、 按工作循环图做执行元件节拍表及检测元件状态表。3、 根据状态表，确定中间记忆元件的开关边界线，设计中间记忆元件。4、 列写中间记忆元件逻辑函数式及执行元件逻辑函数式。5、 根据逻辑函数式建立电路结构图。6、 进一步完善电路，增加必要的联锁，保护等辅助环节，检查电路是否符合原控制要求，有无寄生回路，是否存在竞争现象等。完成以上六部，则一张完整的继电器控制原理图设计完毕。若实际制作还需要对原理图上所有元件选择具体型号。3.3.3 主电路设计如图3.1所示，主电路包括带有声光报警装置的三相三线制电源，PLC及其扩展模块的电源接线端，升降变频器和行走叉伸变频器的电源接线端，升降、行走、叉伸电机抱闸装置的线圈和接通行走电机和叉伸电机的中间继电器线圈。图3.1堆垛机控制系统主电路3.3.4 控制电路设计以西门子的PLC及其扩展模块心的控制电路如图3.2、3.3、3.4所示。图3.2升降变频器接线电路3.3行走叉伸变频器接线电路 图3.4堆垛机控制系统控制电图4 控制系统软件部分设计基于S7 - 200 PLC 的堆垛机自动控制系统是在Step7-MicroWIN SMART软件下开发的,主要有主程序、自动运行程序、手动运行程序。自动和手动运行都包含入库和出库操作、位置控制和速度控制。堆垛机控制系统的工作过程包括四个部分：(1) 接收入库或出库指令和存取货物的目标地址,堆垛机行走电动机、升降电动机顺次起动。通过定位系统,堆垛机到达目标位置后准确停车。(2) 货叉电动机起动时机由入库和出库指令决定货叉伸出,执行存、取操作后,货叉缩回。(3) 货叉回位后,堆垛机行走、升降机构再次运行,返回初始位置后准确停车。(4) 堆垛机工作时,工作人员确定工作方式：手动或自动。作业任务信息包括目标位置及当前货物存、取动作的识别。自动控制时,作业任务信息由上位机提供。根据运动过程可以总结出基本的程序流程图如图4.1所示。图4.1程序流程图4.1 I/O分配为正确的进行硬件连接，方便修改系统的输入/输出点状态，在编写程序前，需对系统的输入/输出点进行规划分配。分配1/0点时，将相同设备、相似功能的输入输出点集中在一起，以方便线路的连接、记忆。输入、输出点分配如表4.1。PLC输入/输出端子分配输入电气输入端子输出电气输出端子限位1I0.0行走货叉变频器正向Q0.0手/自动旋钮I0.1行走货叉变频器反向Q0.1手动行走按钮I0.2行走叉伸速度1Q0.2手动升降按钮I0.3行走叉伸速度2Q0.3手动正向按钮I0.4升降变频器向上Q0.4手动反向按钮I0.5升降变频器向下Q0.5手动左右按钮I0.6升降速度1Q0.6变频器故障I0.7升降速度2Q0.7认址片上址I1.0叉伸电机Q1.0认址片中址I1.1行走电机Q1.1认址片下址I1.2行走抱闸Q2.0认址片前址I1.3升降抱闸Q2.1认址片后址I1.4叉伸抱闸Q2.2左叉限位I1.5升降变频器速度3Q2.4右叉限位I2.0行走叉伸变频器速度3Q2.6中叉限位I2.1限位2I2.2限位3I2.3限位4I2.4库位光电1I2.5库位光电2I2.6货叉探测光电I2.7 表4.1 I/O分配4.2 PLC主程序设计 4.2.1 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中VW100,VW101,VW102分别放置输入的列数、层数和排数。VW103决定堆垛机执行入库还是出库程序。网络4对程序中置1的中间继电器进行复位，并结束程序。4.2.2 运行方式的选择网络2和网络3是手/自动的选择，当I0.1得电时，选择自动方式，然后调用自动子程序（SBR_0），I0.1失电时，选择手动运行方式，然后调用手动子程序（SBR_1）。4.3 PLC子程序设计4.3.1堆垛机出、入库的主要运动堆垛机无论手动还是自动运动，都包含出、入库两种情况，入库运行程序主要完成从进货点启动到入货台停止的过程。出库运行程序则相反。出、入库的工作过程包含三个运动。水平列向运动：当堆垛机准备进入仓库时，通过对比目标列与当前列的值来精确定位。如果目标列小于当前列,则PLC程序中相应计数器减数计算，堆垛机做后退运动 ；反之,如果目标列大于当前列,则PLC程序中相应计数器计数器加数计算，堆垛机做前进运动,直到目标列等于当前列,堆垛机不再做水平行走运动。当堆垛机准备离开仓库时,通过对比源列与当前列的值进行精确定位。如果当源列小于当前列,则PLC程序中相应计数器计数器加数计算，堆垛机向后运动；反之,如果源列大于当前列,则PLC程序中相应计数器计数器减数计算，堆垛机向前运动,直到当前列等源列,堆垛机不再做水平运动。垂直层向运动：当堆垛机准备进入仓库时,通过对比目标层与当前层的值来准确定位。如果目标层小于当前层,PLC程序中相应计数器减数计算，堆垛机做下降运动；反之,如果目标层大于当前层,则PLC程序中相应计数器计数器加数计算，堆垛机做上升运动,直到目标层等于当前层,堆垛机不再进行垂直升降运动。当堆垛机准备离开仓库时,通过比较当前层与源层的值来精确定位。如果源层小于当前层,则PLC程序中相应计数器减数计算，堆垛机做下降运动；反之,如果源层大于当前层,则PLC程序中相应计数器计数器加数计算，堆垛机做上升运动,直到当前层等于源层,堆垛机不再惊醒垂直升降运动。货叉伸缩运动：载货台到达目标位置后,进行伸缩运动以完成货物的存取任务。根据存货或是取货要求，货叉微降火微升。堆垛机存、取货控制流程如图4.2 所示。 图4.2堆垛机存、取货程序流程图4.3.2堆垛机手动运行在手动工作方式下，按下手动控制按钮，处于手动工作状态的货台将执行按钮控制的动作，直到运动终点或按钮抬起。程序控制流程图如4.3所示。 图4.3手动运行流程图工作方式为手动运行时，按下相应的动作按钮，堆垛机将执行按钮控制的动作，直到该动作完成。 运行过程如下：转动旋钮LS1,堆垛机转为手向按钮，堆垛机水平列向行走。到达指定地点松开按钮或者到运行极限超过限位开关LB1、LB2，堆垛机行走抱闸装置启动，堆垛机到位停准。按下“升降”按钮 ，升降变频器切换到准备启动升降电机，再按下正向或反向按钮，堆垛机垂直层向运动。到达指定层后松开按钮或者超过运行极限碰到限位开关LB3、LB4，堆垛机升降抱闸装置启动，堆垛机到位停准。按下“左右”按钮，堆垛机叉伸点击启动，按下正向或反向按钮，堆垛机载货台随叉伸装置左右移动，将货物运送到指定库位。运动过程中碰到左叉限位、中叉限位和右叉限位的霍尔开关时，叉伸报站装置动作。 4.3.3堆垛机自动运行自动运行方式下有入库和出库2个选择，程序控制流如图4.4所示。 图4.4自动运行状态下堆垛机运行程序流程图运行过程如下：堆垛机根据事先输入计算机的状态，确定进行入库I2.5还是出库操作I2.6。进行入库操作时，堆垛机货台向右伸出，碰到右叉限位开关I2.0停止，并叉伸抱闸起动。此时开始计时，货台微升，计时到，货台缩回，碰到中叉限位开关I2.1停止。然后，堆垛机进行货物入库操作。根据目标地址与当前地址的差值确定运动速度：高速、中速、低速。到达目标位置后，有VW102存储的数值确定左伸还是右伸。货台到达预定位置后，计时并微降，计时到，货台缩回，堆垛机返回初始位置，入库操作完成。进行出库操作时，堆垛机先到达目标位置，完成取货操作，然后到达出库位置，送出货物，最后返回初试位置，出库操作完成。工作过程中，要区别小车是处于前进或者是存放货物，还是完成了预定任务返回的过程。但是由于PLC程序是逐行扫描的，所以仅仅能够判断小车是处于前进过程还是返回过程是不够的，因为在返回过程中，还有货叉从货架上缩回、升降台下降到初始位置等过程，如果无法有效区别，必然要发生事故。所以，程序中必须要能够将这3种不同的运动区分开来。因此在编写PLC程序的时候，本文加入了3个变量M5.0、M5.1、M5.2，分别作为小车沿列向运行标志、升降台层向运行标志、货叉到位标志。当变量为OFF时，表明堆垛机还没有完成该动作，为ON时，表明已完成该动作。4.4 堆垛机PLC程序PLC程序见附录A堆垛机PLC程序。5 监控系统设计5.1 组态王6.53介绍“组态”这一概念，是伴随这集散型控制系统的出现而被人们所熟知的。组态软件是能为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通讯层次的软件。当前工业生产的发展趋势是实现生产的自动化，而组态王6.53正是一套以实现企业生产一体化为目标而开发的产品。该软件集成了亚控科技公司自主研发的工业生产实时数据库（King Historian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产过程进行数据收集、分析及处理的智能系统，使企业能够及时的获取有效信息，迅速的做出反应，以获得最优结果。本文中组态王6.53主要解决人机图形界面的问题。5.2 制作监控系统的步骤建立新组态王工程的一般过程是：1） 设计图形界面（定义画面）；2） 定义设备；3） 构建数据库（定义变量）4） 建立动画连接；5） 运行和调试。5.2.1 创建工程路径打开组态王工程管理器（ProJmananger），单击选项“文件/新建工程”，弹出对话框：“新建工程向导一”。单击“下一步”继续。弹出对话框：“新建工程向导之二”。在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径。单击“下一步”继续，在弹出的工程名称中输入“堆垛机运行监控系统”，该工程名称同时将被当作当前工程的路径名称，描述对话框略。单击“完成”，工程“堆垛机运行监控系统”创建完成。如图5.1所示。 图5.1 新建工程5.2.2 创建组态画面进入组态王6.53开发系统后，可以根据实际情况建立若干个工程画面。组态王采用面向对象的编程技术，用户可以利用绘图工具绘制能够模拟现场的图形界面。第一步：定义新画面进入新建工程“堆垛机运行监控系统”，进入工程浏览器左侧大纲项“文件/画面”，双击“新建”图标，输入画面名称：“立体仓库监控画面”，背景色选取天蓝色。第二步：在组态王开发系统中从“工具箱”中选择工具进行立体仓库堆垛机监控画面设计。如图5.2所示。 图5.2 堆垛机监控画面5.2.3 定义I/O设备组态王把那些需要与监控系统交换数据的程序或设备都作为外部设备。外部设备包括：仪表、PLC、变频器、板卡、模块等下位机，它们一般通过计算机与串行口交换数图5.3定义I/O设备据。完成外部设备的定义后，组态王即可使用输入/输出变量和下位机交换数据。本文使用西门子仿真PLC和组态王进行通讯，仿真PLC可以模拟PLC为模拟现场提供数据，假设仿真PLC与计算机的COM1口相连接。 选择开发系统左侧大纲中的“设备/COM1”，双击开发系统右侧窗口的“新建”图标，弹出“设备配置向导”对话框，选取“仿真PLC”下的“串行”项，进行下一步，为外部设备输入名称：PLC，继续下一步，选取连接串行接口，设为COM1，继续下一步，在弹出“设备配置向导”对话框中填写设备地址，假设为0，单击“下一步”，弹出“通讯参数”。设置通讯故障恢复参数，默认，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，设备定义完成。如图5.3所示。 5.2.4 构建数据库构建数据库是设计组态监控系统的最重要部分。操作者根据屏幕上显示的动态画面来掌握工业现场的生产情况，用计算机发布指令控制生产现场。要实现这一切的中介环节是构建实时数据库，可以说数据就是连接上位机与下位机之间的“跨海大桥”。在画面运行系统运行时，它包含所有数据变量的当前值。在画面开发系统中双击绘制好的图形就可以定义变量，指定变量类型和变量名后，有时还需要其他附加信息。数据库中变量的集合称作“数据词典”，用户可使用的所有的数据变量都存储在数据词典中。在左侧大纲中选择“数据库/数据词典”，在右侧双击“新建”图标，弹出对话框定义变量，如图5.4所示。单击“变量名”输入变量名，在“变量类型”中选择变量类型，在“连接设备”中选择先前定义好的I/O设备：PLC；定义“寄存器”，定义“数据类型”。 图5.4数据词典5.2.5 建立动画连接建立动画连接是指在数据词典中的数据变量与画面中的图形对象之间建立一种关系，当变量当前值改变时，画面上的图形对象的动画效果就会表示出来，或由软件使用者通过图形对象改变数据变量当前值。组态王提供了21中动画连接方式。一个图形对象可以定义若干连接，形成复杂的显示效果以满足实际情况下任意动画显示的需要。单击“命令语言.”按钮，弹出画面命令语言对话框，如图5.5所示。程序输入完成后，把“每3000毫秒”改为“每500毫秒”，这个将影响画面执行命令语言的响应速度。单击“确认”，及“确定”回到开发系统。图5.5命令语言 图5.6动画连接双击文本对象“#”,可弹出“动画连接”对话框，如图5.6所示。命令语言利用C语言编写。具体内容见附录B命令语言。5.2.6 运行和调试.在堆垛机运行监控系统设计完成后，就可以进入运行和调试阶段。在动画开发系统中选择“文件/切换到View”，监控系统开始运行。单击“画面/打开”命令，从“打开画面”窗口中选择“Test”画面。显示出组态王的运行系统画面，即可看到立体仓库监控系统的动态画面。通过组态软件组态王6.53设计