PLC在仓库码垛机中的设计应用

论文河 南 工 业 职 业 技 术 学 院Henan Polytechnic Institute毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目: PLC 在仓库码垛机中的设计应用姓名: 纪 登 峰专业: 机电设备维修与管理班级: 机电设备 0902 班指导老师: 季 祥论文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部分，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控制系统成为当前立体仓库的发展趋势，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发展要求，介绍自动化立体仓库的应用及其功能和作用，结合现代科技的发展，着重研究自动化立体仓库码垛机控制系统的控制技术。本文详细阐述了本控制系统的设计思想，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，对码垛机电气控制的硬件系统进行了设计，为了提高码垛机的性能，本文采用了转速、位置反馈的双闭环控制，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 控制交流电动机，采用光电编码器反馈转速信号，实现转速闭环控制。货叉伸叉系统由 S7-226PLC 通过步进电动机驱动器 SH-20403 控制二相混合式步进电动机。根据系统的控制要求进行了 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 设计了码垛机控制程序。关键词：自动化仓库，码垛机，PLC，控制系统，变频器论文目录摘要第一章 绪论 11.1 自动化立体仓库的概述 11.1.1 自动化立体仓库的组成 11.1.2 自动化立体仓库的优点 21.1.3 自动化立体仓库的发展 21.2 码垛机的概述 21.2.1 码垛机的发展 31.2.2 码垛机研究技术的现状 3第二章 码垛机控制系统的硬件设计 42.1 控制技术要求和系统总体设计42.2 码垛机的位置控制52.2.1 定位控制62.2.2 认址检测方式 62.2.3 认址方式确认 72.2.4 码垛机速度曲线分析 82.3 PLC 及资源配置 82.3.1S7-200 系列 PLC 概述 92.3.2CPU 型号选择 92.3.3PLC 模块选择 102.4 码垛机变频调速系统设计 11论文2.4.1 变频器选型 112.4.2 水平方向变频调速系统设计 112.4.3 垂直方向变频调速系统设计 132.5 码垛机货叉控制系统设计142.6 安全检测传感器的应用152.7 通信方案的确定162.8 输入输出点的分配16第三章 码垛机程序控制设计 183.1 码垛机自检和复位/归位程序203.1.1 码垛机自检程序 203.1.2 码垛机复位/归位程序 213.2 自动方式下的码垛机运行控制 213.2.1 初始化程序设计 223.2.2 运行方式选择程序 233.2.3 自动控制中的寻址定位233.3 手动方式下的码垛机运行控制 253.3.1 手动控制中的寻址定位程序 253.3.2 手动方式下的货叉运行控制 263.4 步进电机驱动程序 27结束语 28致 谢29附 录30参考资料 32论文第一章 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，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达到 40 多米，最大库存数可达数万个货物单位，可以实现按计划入库和出库的全自动化控制，以及无人操作的计算机网络化管理。其主要的组成部分有高层货架、仓储机械设备、控制及管理设施。（1）货架 仓储技术的发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、贯通式货架与旋转式货架。为了提高货物装卸、存取效率，自动化立体仓库一般使用货箱或托盘盛放货物。货箱和托盘的基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来回穿梭运行，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控制做后备。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）控制及管理设施 控制管理系统采用分布式控制，即由管理计算机、中央控制计算机和直接论文控制码垛机、入/出库输送机等现场设备的控制器组成控制系统。管理计算机是立体仓库的管理中心，承担着入/出库管理、盘库管理、查询、打印及显示、经济技术指标的计算分析等功能，包括在线管理和离线管理；中央控制计算机是立体仓库的控制中心，它沟通并协调管理计算机、码垛机、入/出输送机等设备之间的联系，控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发展，充分利用了仓库的空间，提高了空间利用率。（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，提高了作业效率。（3） 计算机控制与管理：计算机能够准确无误的对仓库的各种信息进行存储和管理，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差错，从而提高了仓库的管理水平。（4） 节约成本：作业效率的提高势必会降低货物储存的成本费用，由此也提高了企业的现代化物流意识。1.1.3 自动化立体仓库的发展高层货架仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产技术发展的结果。在生产发展的实际需要和科技水平发展的现实可能下，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控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发展，尤其是在日本，自动化立体仓库发展迅速，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发展分为五个阶段：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若干年内，是仓储自动化技术的主要发展方向。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控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部分，它是整个系统的执行部件，论文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、机架和电气设备等基本部分组成。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、轨道和控制系统等部分组成。1.2.1 码垛机的发展初期的立体仓库使用的码垛机以桥式起重机为基础，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。1960 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发展，控制技术、定位精度、运行速度都得到了很大程度的提高。巷道式码垛机的起升速度已经可以达到90m/min，运行速度达到 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高出入库能力。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、控制方式、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、机架和电气设备等基本部分组成。体现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高。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进为变频调速，速度由 416m/min 提升至025m/min；货叉运行也由单速电动机驱动改进为变频调速，速度由 8m/min 提升至 435m/min；在码垛机自动控制方面还采用闭环控制变频调速系统、Profibus 总线控制等先进技术。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/min；货叉速度一直保持在 030m/min；认址采用光电探测，精度不足，认址出错率高。论文第二章 码垛机控制技术的硬件设计2.1 控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部分组成。水平部分运动电机和垂直部分运动电机分别采用 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 通过变频器进行控制。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控制。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/min （2）本文码垛机的控制方式有自动和手动控制。 手动方式通过码垛机的转换开关及按钮控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，同时系统将解除大部分的保护控制。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控制，控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控制系统中上位机完成的只是数据输入和传送，主要的控制任务是由 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 输出速度调整的控制信号给变频器，通过变频器控制电机的转速，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。论文 作业任务的顺序逻辑控制：按照入库、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控制。 安全保护：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控制级组成。监控级对通讯、流程进行控制，并进行实时图像显示，直接控制级是由 PLC(可编程序控制器)组成的控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 控制，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 码垛机位置控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部分组成的，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控制系统的设计，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控制系统时，监控计算机S7-200 PLC码垛机水平认址系统码垛机纵向认址系统码垛机纵向变频系统码垛机水平变频系统码垛机货叉控制系统码垛机纵向运行机构码垛机水平运行机构码垛机货叉运行机构码垛机货物检测系统码垛机限位保护系统论文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。另外为了提高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控制系统的关键部分。码垛机速度位置控制的实现方法如图 2.2 所示，控制系统由 PLC 控制器、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控制。输入编码器速度检测位置检测图 2.2 码垛机位置速度控制框图2.2.1 定位控制定位控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 X1、X2 ，沿码垛机运行方向将货架编为 0Y 列，垂直方向编为 0Z 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。因为货架两侧分为 X1、X2，只有两个方向，反应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 Y、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，因此通过控制器 调速系统 M 认址器论文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较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和反射板之间不允许有物体，否则会遮挡住激光的传输路径，使系统无法准确定位。2.2.3 认址方式确认为完成对码垛机的位置控制，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措施，保证激光测距的准确性和自动化系统的安全性。（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。论文上 对 准 光 电下 对 准 光 电低 位 置 中 间 计 数 光 电 上 对 准 光 电中 间 计 数 光 电下 对 准 光 电高 位 置图 2.3 码垛机垂直方向认址传感器分布图其认址状态如表 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A1计数、减速、定位 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A3计数、减速、定位 2.2.4 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 启动加速，当匀加速到最大运行速度ma时，保持该速度运行一段时间，再以 匀减速运行，直到零速停靠。mvVA BC论文S1 S2 S3 S图 2.4 梯形速度曲线2.3 PLC 及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 作为控制中心。2.3.1S7-200 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。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,是 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，可与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，论文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。根据控制点数来计算，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，用于控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，有自由口通信能力。 模拟电位器：CPU226 有两个模拟电位器，用来改变特殊寄存器中的数值，以改变程序运行的参数，如定时器、计数器的预设值，过程量的控制参数。 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 DI16 6ES7221-1BH22-0XA0 1EM235 输入/输出扩展模块AI4/AO1 6ES7235-0KD22-0XA0 2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。另外加入两个 EM235 模拟量输入/输出模块是为控制水平和垂直运行的论文交流电机。系统总体结构图如 2.5 所示：上 位 机CPU26EM21EM235EM235输 入 区手 动 开 关光 电 编 码 器限 位 开 关 指 示 灯 、 继 电 器步 进 电 机 驱 动 器M40变 频 器M40变 频 器 二 相 混 合 式步 进 电 机三 相 交 流 异步 电 动 机单 相 交 流 异步 电 动 机输 出 区RS-485图 2.5 系统总体结构图2.4 码垛机变频调速系统设计为了实现码垛机的准确定位，提高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，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控制采用闭环变频调速控制。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控制。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4 个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 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 MM440 变频器，MM440 型使用 PID 控制器，具PID 微调等功能，MM440 可用于矢量控制，可以实现高性能的应用，带内置制动单元，可以快速制动。MM440 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(0-380)VAC 可调。论文输出频率：(0-650)Hz 可调。输出电流：2.1 。A输出控制：变频器由微机处理器控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。控制作用： ，矢量转矩、光电编码器反馈的速度控制等。VF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) 模拟量输入。模拟量输出：2 路(020) 模拟量输出。mA通讯接口：RS485 通讯、USS 协议。操作功能：AOP 盘、BOP 控制盘、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/min360m/min，系统采用转速闭环控制方式。S7-200PLC 的模拟量输出信号 作为 MM440 变频器的模拟量输入，来控制变频器输出频率和输出电压的KU变化，从而控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馈到 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， 为速度给定量， 为 PLC 输出的控制量， 为变频器输出电压，gnKUu为被控量，控制算法为 PID。扰动gneKUun- f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，偏差信号按照 PID 算法计算出控制量，用传送指令输出电压控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，PLC控制器（PID 算法）变频器主电路（IGBT 逆变器）三相异步电动机（负载系统）光电编码器反馈论文高速计数器设为 HSC0 和模式 9，增计数，实时采集并存储光电编码器反馈的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/下位机进行系统控制。（4）采用模块化程序结构设计出控制程序，包括主程序、子程序和中断程序。采用带传感器矢量控制闭环调速，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，从而达到快速停车的目的。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P0003 3 专家模式，使能读/写所有参数P0004 0 全参数P0700 2 外部按钮或上位机启动/停止系统P1000 2 上位机或 PLC 程序给定设定P1300 1 带磁通电流的 V/f 控制方式P2010 6 通讯波特率设为 9600P2011 0 MM440 变频器通讯地址2.4.3 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，当转速达到 70%80%的同步转速时，由离心开关将其从电源自动切除，所以正常工作时论文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。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。1 CK2M论文变 频 调 速 器R SU VW 单 相 电 容 式运 转 电 动 机 运行电容AC20图 2.8 变频器与单相电容式运转电动机的接线图2.5 码垛机货叉控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按照一定的顺序通电、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 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心线间的角度称为齿距角 ()。对于 m 相 n 拍的步进电机来说，则转子走过了 n 个步距360转 动 齿 数角 ，所以步距角（2-1）360n转 子 步 数我们选用的 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 控制方式，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,该电机使用配套的 SH-20403 两相混合式步进电动机细分1.80.9整 步 半 步驱动器。图 2.9 是步进电动机和驱动器的接线图。 论文PLCM A+-B+脉 冲 信 号货 叉 方 向改 变 信 号 24VDC公 共 端 1K1K42BYG步 进 电机 SH-2043驱 动 器图 2.9 步进电机和驱动器接线图2.6 安全检测传感器的应用（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，若没有货物，则进行伸叉作业，否则发出信号使码垛机动作停止；出库时，若检测出相应货位无货物，则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妨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，控制系统发出信号致码垛机停止运行。2.7 通信方案的确定论文为了控制无人运转码垛机，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。码垛机控制盘在收到作业信息之后向地面控制盘发出响应信息。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：（1） RS-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。立体仓库控制系统要求监控系统和 3 台码垛机控制系统连接，要求物理层的协议必须支持一点对多点的通信。（2） RS-485 采用差动发送/接收，所以共模抑制比高，抗干扰能力强。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能力较强，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控制系统采用的 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 所示码垛机控制系统使用扩展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，在本文所设计的控制系统中，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 点分输入部分 输出部分I0.0 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I0.3十六进制显示键盘值 4 位 Q0.3 升降台下降论文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 Q1.1 BCD 码 1 位I1.1 小车后限 Q1.2 BCD 码 2 位I1.2 升降台上限 Q1.3 BCD 码 3 位I1.3 升降台下限 Q1.4BCD输出显示BCD 码 4 位I1.4 层寻址 1 Q1.5 小车停止向前运动I1.5 层寻址 2 Q1.6 小车停止向后运动I1.6 列寻址 1 Q2.0 手动时层到位指示灯I1.7 列寻址 2 Q2.1 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 I3.0 9 纵向认址下对准 I4.02 水平右限位 I3.1 10 左端歪斜传感器 I4.13 垂直上限位 I3.2 11 右端歪斜传感器 I4.24 垂直下限位 I3.3 12 左探有货传感器 I4.35 水平前对准 I3.4 13 右探有货传感器 I4.46 水平认址计数 I3.5 14 低速按钮 I4.57 纵向认址上对准 I3.6 15 中速按钮 I4.68 纵向认址计数 I3.7 16 高速按钮 I4.7第三章 码垛机程序控制设计S7-200 可编程控制器主要使用 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 系列可编程控制器设计开发，功能强大，主要由用户用来开发控制程序，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建你的程序：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，但要遵守一论文些输入规则。语句表编辑器按照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建你的控制程序。本文设计的码垛机控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：由操作员在下层控制台输入货单，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部分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控制，从而更准确更安全的完成作业;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。论文手动方式自动方式YNNY图 3.1 主程序流程图开始系统上电码垛机自检子程序执行手动操作子程序码垛机运行方式选择送货任务取货任务执行取货子程序执行送货子程序向上位机上传码垛机状态论文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，码垛机有无不安全因素（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），如果存在不安全因素，码垛机开始报警，等待故障处理。如果正常关机，则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，则由码垛机机载控制柜上的触摸屏操作下发作业任务。YNNY图 3.2 码垛机自检子程序流程图开始检测安全关机标志位上次安全关机?检测货叉位置及货叉负载存在不安全因素?故障报警，等待故障处理结束论文3.1.2 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)，若不及时纠正，就会使仓库管理出现混乱，所以就需要系统能通过控制按钮方便的恢复系统的部分数据或设置，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。若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；若不需要码跺机归位，则可以再松开重新启动按钮后，再短按一次重新启动按钮(小于 3s)，就可停止系统回归原位。NYYNNY图 3.3 复位程序流程图 归位按钮按下 重启信号计时时间到？重启信号定时到？返回原位到达原位/重启按钮按下？结束启动初化、归位程序论文3.2 自动方式下的码垛机运行控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、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。论文Network 1SM0.+0C2URPVTSM0.1+0CURPVT33.2.2 运行方式选择程序论文当 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） 。3.2.3 自动控制中的寻址定位自动控制子程序中的网络，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 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，到达列标志 M30.0。网络 12，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。论文网络 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。3.3 手动方式下的码垛机运行控制3.3.1 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） 。论文3.3.2 手动方式下的货叉运行控制手动方式下货叉的运行控制是分步进行的，货叉的任何两个动作均不联动。程序流程图如 3.4 所示。论文手 动 状 态堆 垛 机 到 位 且 允 许货 叉 动 作 ？控 制 按 钮被 按 下 ？货 叉 动 作货 叉 动 作到 位 ？货 叉 动 作 结 束YNYNNY图 3.4 手动方式货叉运行程序图3.4 步进电机驱动程序论文将 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。当动作完成时，完成标志 M30.3 置 1，然后返回起点。论文结束语码垛机是立体仓库的主要输送设备，同时也是提高整个仓库运行效率的关键所在。本文设计了码垛机的电控系统，针对码垛机运行速度与认址精度的要求，围绕码垛机运行系统的性能提升展开一系列的工作。同时本文主要完成了以下几个方面的内容：（1）依据设计立体仓库的有关参数，对码垛机电气控制的硬件系统进行了设计。采用了激光测距传感器在水平方向认址，提高了码垛机的认址精度及行系统的可靠性，为以后运行速度的提升奠定了基础。同时在水平和垂直方向采用闭环控制方式，实现高速运行、换速平稳、低速停准的控制要求。简单介绍了系统的通信协议和方式，并设置了相应的安全保护措施。（2）设计运行了系统在不同工作方式下的控制流程，应用 Step7 编程软件编写了主要运行动作的 PLC 程序。PLC 的运用及其程序的简化，缩短了系统扫描周期，使码垛机的控制运行更方便，动作更加简单、准确。但是尽管如此本设计系统还是存在很多需要改进的地方，比如监控系统还需要进一步的完善充实，码垛机运行的速度和位置精度还有待提高，出入库作业优化调度方面需要做进一步的研究，这些对提高整个系统的运行效率有非常重要的作用。论文致 谢借此论文完成之际，谨向给予我悉心指导季祥老师致以衷心的感谢！从开始论文题目的确定到设计内容的完善都倾注着季老师的心血。从我进入河南工院季老师就一直是我们的任课老师，从专业基础课到专业课、实践课，每一步都体现着季老师爱岗敬业、服务学生、忠于教学事业的精神。同时，季老师扎实的专业知识和博大的知识量都给我留下了很深的印象。他一丝不苟的治学态度和宽厚的待人作风都深深的影响了我，给即将离开大学步入社会的我树立了榜样！感谢我的同学和朋友在论文写作过程中给予我的支持和帮助，是他们无私的爱和关怀有效的保证了我项目的进度和课题的顺利完成。还要感谢我的父母，是他们的无私支持，使我能够全身心的投入学习和工作中，去除了身上的浮躁情绪，成为一个有责任心的青年。祝愿他们永远健康！最后祝愿自己在以后的生活和工作中一切顺利，在未来的道路上走的更高更远！论文附录一码跺机水平、垂直运动在手动运行方式下的操作顺序如下图 3.4 所示，按前进按钮，码跺机运动到目标;按后退按钮，码跺机后退到库台所在列；按上升按钮，码跺机上升到目标;按下降按钮，码跺机下降到库台所在层。 手 动 状 态货 物 确 认 按 钮被 按 下 ？货 单 处 理 与 储 存堆 垛 机 进 退 按钮 被 按 下 ？ 堆 垛 机 升 降 按钮 被 按 下 ？堆 垛 机 水 平 运动 到 位 ？ 堆 垛 机 垂 直 运动 馆 到 位 ？两 个 方 向 均 到位 ？结 束NYYN YNYNYNYN论文垂直水平方向码垛机控制流程图二初 始 化接 收 任 务行 、 列 走 到 位 ？货 架 是 否 有 货 ？上 位 置向 货 格 方 向 伸 叉货 物 是 否 歪 斜 ？定 时 到 ？下 位 置放 货叉 回 中 定 时 到 ？向 地 面 控 制 台 发 送任 务 完 成 信 息结 束货 物 歪 斜 警 报Y货 物 有 货 警 报YNYNNNYYN论文码垛机入库流程图论文参考资料1 陈建明，巫