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文檔簡介

1、自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的設計畢 業(yè) 設 計題目: 自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的設計 學 生: 陳玉鹍 學 號: 200905020112 院 (系): 機電工程學院 專 業(yè): 物流工程 指導教師: 楊 瑋 2013年 6月 3日 iii自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的設計摘 要 自動化立體倉庫控制系統(tǒng)是能自動存儲和取出物料的系統(tǒng),是企業(yè)管理信息系統(tǒng)的組成部分之一。自動化立體倉庫是指采用高層貨架儲存貨物,用起重、裝卸、運輸機械設備進行貨物出入庫作業(yè),由電子計算機進行管理和控制,不需人工搬運作業(yè)而實現(xiàn)收發(fā)作業(yè)的倉庫。 自動化立體倉庫中最重要設備就是倉儲堆垛機,倉儲堆垛機是實現(xiàn)整個倉庫系統(tǒng)自動

2、功能的關鍵設備,擔負著出庫、進庫等任務,是自動化立體倉庫的核心部件,本文詳細介紹了用plc實現(xiàn)對倉儲堆垛機系統(tǒng)控制的設計,將plc技術和變頻控制技術相結合,倉儲堆垛機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)如下控制功能:三維運動、精確定位、速度調節(jié)功能、急停功能、報警功能。 本文介紹自動化立體堆垛機控制系統(tǒng)開發(fā)過程,以一拖集團高架庫采購項目為工作對象,結合本人的實際調研和開發(fā)工作,提出了一套完整的控制系統(tǒng)設計方案。重點設計了自動化立體倉庫控制系統(tǒng)部分的系統(tǒng)分析、硬件選型、程序編寫等方面。 文中遵循的設計流程和方法雖然針對一拖集團采購項目,但使用的方法具有普遍性,并遵照國際標準,可廣泛應用于其他類型的自動化立體倉庫。關

3、鍵詞:自動化立體倉庫,堆垛機,plc,定位控制系統(tǒng)design of stacker control system in automated warehouseabstract automated warehouse control system is able to automatically store and retrieve materials systems, enterprise management information system is one of the components. automated warehouse is the use of top shelf st

4、orage of goods, with the lifting, handling, transport machinery and equipment for cargo storage operations carried out by the computer management and control, without manual handling operations achieved transceiver operating warehouse.automated warehouse equipment is the most important storage stack

5、er, stacker storage warehouse system is to achieve automatic functions throughout the key equipment, to carry out the library into the library and other tasks, is the core component of automated warehouse, the paper describes in detail with plc control system for warehouse stacker design of the plc

6、technology and frequency control technology, warehouse stacker control system can achieve the following control functions: three-dimensional motion, precise positioning, speed adjustment function, emergency stop function, alarm function.this article describes the automated stacker control system dev

7、elopment process to elevated yto group procurement project for the object library, combined with my practical research and development work, proposes a complete control system design. focus on the design of the automated warehouse control system portion of system analysis, hardware selection, progra

8、mming and other aspects.this paper follows the design process and method, although for yto group procurement projects, but the method used is universal, and in accordance with international standards, can be widely applied to other types of automated warehouse.key words:automated warehouse,stacker,p

9、lc,position control system目 錄摘 要iabstractii1 緒論11.1 自動化立體倉庫堆垛機發(fā)展11.2 本文的研究重點21.3 本立體倉庫背景和要求22 巷道式堆垛機控制系統(tǒng)需求分析42.1 主要技術參數(shù)和指標42.2 堆垛機運動分析53 巷道式堆垛機控制系統(tǒng)硬件選型73.1 堆垛機電機選型73.2 變頻器的選擇83.3 認址器的選擇103.4 plc選擇及配置123.4.1 cpu概述123.4.2 cpu型號的選擇133.5 安全系統(tǒng)133.6 通信方式144 堆垛機控制程序設計154.1編程軟件及語言概述154.2 系統(tǒng)控制要求164.3 分析控制方案1

10、64.4 系統(tǒng)工作流程174.5 i/o分配204.6 子程序編寫215 總結26致謝27參考文獻28附錄i鍵盤掃描子程序29附錄ii 坐標值計算子程序30附錄iii 位置控制子程序32附錄iv 入、出庫控制子程序34附錄v 控制主程序3839自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的設計1 緒論 自動化立體倉庫控制系統(tǒng)是企業(yè)或公司管理信息系統(tǒng)的組成部分之一,通常歸結在倉庫管理信息系統(tǒng)之下。與倉庫管理信息系統(tǒng)不同之處在于,它不僅含有對底自動化設備的控制和管理,而且是針對某一具體的自動化倉庫的基本數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),從關系上來看,它相對而言是比較獨立的一個子系統(tǒng)1。自動化倉庫控制系統(tǒng)的主要任務是對一具體倉庫中的材

11、料、貨位等基本信息進行管理,優(yōu)化倉庫存儲的效率,管理材料的在庫情況并控制倉庫中的自動化設備,實現(xiàn)倉庫中材料的自動出入庫操作和存儲操作。1.1 自動化立體倉庫堆垛機發(fā)展初期的立體倉庫使用的堆垛機以橋式起重機為基礎,這種堆垛機是從起重機的大梁上懸掛一個門架,利用門架的上下和旋轉來搬運貨物。1960年左右在美國出現(xiàn)了巷道式堆垛機,隨后巷道式堆垛機逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式堆垛機。1967年日本安裝了高度10-15米的高層堆垛機,1969年出現(xiàn)了聯(lián)機全自動化倉庫,我國是在上世紀70年代初期開始研究采用巷道式堆垛機的立體倉庫。目前的堆垛機技術取得了重大的發(fā)展,控制技術、定位精度、運行速度都得到了很

12、大程度的提高。巷道式堆垛機的起升速度已經(jīng)可以達到90m/min,運行速度達到240m/min,在有的立體倉庫中采用上、下兩層分別用巷道堆垛機進行搬運作業(yè)的方法提高出入庫能力。按現(xiàn)行機械行業(yè)標準,有軌巷道式堆垛機分類方式很多,如按支承方式、用途、控制方式、結構、運行軌跡等分類。無論何種類型的堆垛機一般都由水平行走機構、起升機構、載貨臺及貨叉機構、機架和電氣設備等基本部分組成。體現(xiàn)堆垛機動態(tài)性能優(yōu)劣的指標主要有:運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、認址精度等。隨著科學技術的不斷進步,自動化立體倉庫的技術水平和倉儲機械設備的動態(tài)性能也在不斷提高。例如,堆垛機的運行驅動己由20世紀70年代的子母電動

13、機改為變頻調速,速度由5-50m/min提升至4-160m/min,國外小載重量的堆垛機最高可達300m/min;提升驅動己由20世紀70年代的雙速電動機改進為變頻調速,速度由4-16m/min提升至0-25m/min;貨叉運行也由單速電動機驅動改進為變頻調速,速度由8m/min提升至4-35m/min:在堆垛機自動控制方面還采用閉環(huán)控制變頻調速系統(tǒng)、profibus總線控制等先進技術。盡管如此,目前國產堆垛機的運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;認址采用光電探測,精度不足,認址差錯率高。1.2 本文的研究重點 本文以一拖集

14、團高架庫采購項目為研究對象,主要設計內容為: (a)明確項目控制部分的要求和需求分析; (b)對控制系統(tǒng)的硬件進行選型,重點研究電機、變頻器、認址器、plc的選型方法; (c)對系統(tǒng)動作分解,根據(jù)動作特點進行整合; (d)編寫plc控制程序。1.3 本立體倉庫背景和要求一拖集團采購中心高架庫是在1992年初步建成投產使用,很多機械、電子元件都已老化破損,這對日常的使用帶來了很多問題,例如通訊不暢,定位不準,經(jīng)常性報故障,死機等。使原本為了高效率管理物資而建立的立體倉庫效率大大降低,遠遠不能適應現(xiàn)代化的高速發(fā)展模式,嚴重影響了整個企業(yè)的效率和經(jīng)濟利益。同時隨著現(xiàn)代物流倉儲管理理念的更新,原有的物

15、流管理思路已經(jīng)不能跟上當前現(xiàn)代化物流管理的需求。一拖集團公司根據(jù)公司自身物料管理特性、操作便捷性習慣提出了符合一拖公司立體倉庫的需求,為提高本公司的物流效率和準確性,滿足本公司國際化道路的發(fā)展要求,集團公司針對采購中心立體倉庫現(xiàn)狀進行改造,實現(xiàn)有效地利用空間和高效的存取貨物,實現(xiàn)最佳的社會效益和經(jīng)濟效益。主要設計對象是軌巷道堆垛機系統(tǒng),倉庫采用東進西出方式存取貨物,但應能實現(xiàn)有故障時可東進東出或西進西出、西進東出。要實現(xiàn)以下所有功能: (a)控制系統(tǒng)要求分自動和手動模式(安全模式)。 (b)自動模式下,出入庫堆垛機需自動定位,并記錄貨物。 (c)若被選擇倉位內已有貨物時,則該入庫操作不被執(zhí)行。

16、(d)載貨臺若無貨物,則下一個入庫操作將不被執(zhí)行。(e)當載貨臺上有貨物時,出庫環(huán)節(jié)不執(zhí)行任何操作。(f)若被選擇倉位內無貨物時,則該出庫操作不被執(zhí)行。(g)配備標準安全保護。系統(tǒng)嚴格要求滿足最大入庫能力和高峰出庫能力同時進行的能力需要,并有一定的余量滿足未來業(yè)務發(fā)展的要求。系統(tǒng)貨架規(guī)格如表1-1,堆垛機的要求參數(shù)如表1-2,動態(tài)運行情況下滿足的要求如表1-3。表1-1 貨架規(guī)格序號貨物名稱型號和規(guī)格數(shù)量1貨架系統(tǒng)7680個貨位1套2出入庫臺4臺3天地軌1套4巷道堆垛機系統(tǒng)q=1000kg,h=15.99m運行:0-150m/min起升:0-60m/min貨叉:0-40/20m/min4臺表1

17、-2 堆垛機參數(shù)有軌巷道堆垛機數(shù) 量4臺提升能力1000kg結構形式單立柱載荷處理裝置伸縮貨叉堆垛機高度1599mm巷道寬度1330mm表1-3 動態(tài)數(shù)據(jù)運行速度vx4-150m/min 變頻調速 起升速度vy2-60m/min 變頻調速伸縮叉速度vz0-40/20m/min 變頻調速運行加速度ax0.5m/s2伸縮叉加速度(有貨)az0.5m/s2 定位精度:x:3mm;y:3mm;z:3mm。 控制方式:手動、單機自動、聯(lián)機全自動。 貨叉運行控制同步誤差:小于5mm,運行重復回位精度:10mm,貨叉上平面高低差:不大于2mm。堆垛機速度控制要求實現(xiàn)模擬量閉環(huán)無極調速功能。 由于每臺堆垛機的

18、結構、運動要求等都完全相同,因此只需設計一套控制系統(tǒng),其他三臺是第一臺的復制。貨架一共7680個貨格,共8個貨架,則每個貨架有960個貨格(1280),由于每個貨位都需要記錄儲存情況,且堆垛機到達每個貨位的運行過程大體相同,本程序僅選取前12個貨位為例進行編輯,其他貨位相同。2 巷道式堆垛機控制系統(tǒng)需求分析 本文設計的堆垛機控制系統(tǒng)是針對單立柱有軌巷道堆垛機如圖2-1,堆垛機運行機構由水平運行的行走機構,垂直運行的起升機構及取送貨的伸叉機構三部分組成。由堆垛機運行機構特點及工作要求可知,能否保證堆垛機的穩(wěn)定工作,關鍵在堆垛機的三維位置移動定位的精確性。 圖2-1 單立柱有軌巷道堆垛機結構圖2.

19、1 主要技術參數(shù)和指標(1)堆垛機運行速度范圍 (a)水平方向:4m/min-150m/min; (b)垂直方向:2m/min-60/min; (c)貨叉:40、60m/min。(2)堆垛機的控制方式有自動和手動控制 (a)手動方式通過堆垛機的轉換開關及按鈕控制堆垛機水平和提升運動及貨叉伸縮。同時運動速度也可以手動選擇。手動操作時,系統(tǒng)應給予相應的警示信號。同時系統(tǒng)將解除大部分的保護控制。手動操作主要用于安裝、調試和排除故障。 (b)單機自動用人機界面對堆垛機進行全自動的控制,控制系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)進行全自動的取送貨動作。界面操作時,應具備對貨物的單送、單取操作。人機界面應具備實時顯示設備

20、運行工況,故障及歷史故障查詢等功能。(3)主要的控制任務是由plc來完成(a)作業(yè)命令處理:確定作業(yè)狀態(tài)時自動還是手動;確定作業(yè)指令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。(b)位置技術及判斷:沿著堆垛機的行進方向和載貨臺的升降方向設置認址片,plc通過檢測認址片來判斷堆垛機位置和載貨臺的位置,每經(jīng)過一個認址片,plc的高速計數(shù)器就自動計數(shù)一次,前進加一,后退減一,上升加一,下降減一。到達預定位置后,堆垛機停車。(c)速度調整和準確停車:根據(jù)堆垛機和目標位置的距離,plc輸出速度調整的控制信號給變頻器,通過變頻器控制電機的轉速,在停車之前先把堆垛機的運行速度降低到低速檔,使堆垛機

21、以低速接近目標位置,保證堆垛機的穩(wěn)定性。(d)作業(yè)任務的順序邏輯控制:按照入庫、出庫的作業(yè)順序,確定各輸出點的得電狀態(tài),完成作業(yè)順序的邏輯控制。(e)安全保護:水平行走、載貨臺升降及貨叉的伸縮等都有限位保護。2.2 堆垛機運動分析(1)水平運動分析 堆垛機水平行走機構主要完成列尋址,即在立體庫中將貨物運到指定的列。堆垛機啟動之后,堆垛機的水平行走機構經(jīng)過變頻器加速,到達一定的列數(shù)之后速度穩(wěn)定,在到達指定列之前減速,直到在指定列停止。列數(shù)的計算是通過采取恰當?shù)恼J址方式實現(xiàn)的。(2)起升運動分析 起升機構的工作速度在2-60m/min。不管選用多大的工作速度,都備有低速檔,主要用于平穩(wěn)停準和取放貨

22、物時的“微升降”作業(yè)。在堆垛機的起重、行走和伸叉(叉取貨物)三種驅動中,起重的功率最大。(3)貨叉運動分析 貨叉是直接放置貨物的裝置,可以向堆垛機兩側伸縮。貨叉的運行準確度對貨物的存取至關重要,因為貨叉運行時候一旦出現(xiàn)差錯很容易造成貨物損害。貨叉在存貨時到達貨位,經(jīng)過抬叉、伸叉、放叉、收叉四個動作,取貨時經(jīng)過伸叉、抬叉、收叉、放叉。一般在存取貨物時,由于貨位的寬度不大,所以按給定速度勻速運動。 根據(jù)以上分析,對堆垛機運行的控制采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由電動機提供動力驅動,由變頻器進行無級調速,認址器進行位置定位跟速度反饋,其系統(tǒng)原理圖如圖2-2所示:plc變頻器m認址器認址功能程序模塊功能程序模

23、塊速度調整+速度調整位置調整+位置調整位置反饋速度反饋圖2-2 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖3 巷道式堆垛機控制系統(tǒng)硬件選型 通過前面對于堆垛機系統(tǒng)的分析,本章將根據(jù)庫中的實際工作環(huán)境,選擇適合本系統(tǒng)的設備型號以及參數(shù),完成堆垛機控制系統(tǒng)的硬件設計。3.1 堆垛機電機選型 在堆垛機運行過程中,電機頻繁起動、制動、正轉、反轉,而且負荷變化大,對電機要求較高。 (a)水平運行機構電機的功率計算公式如下: (3-1) (3-2) 式中: q堆垛機總重,設為1500kg; u運行摩擦系數(shù),設為0.3; d運行輪軸直徑,設為50mm; f滾動摩擦系數(shù),設為0.1; r車輪半徑,設為50mm; 運行效率,設為0.9

24、; 運行機構的最大速度,為150m/min。 代入公式(3-1)、(3-2)計算得wr=228,p=6.21kw。 選擇s3工作制:斷續(xù)周期工作制,按一系列相同的工作周期運行,每一周期包括一段恒定負載運行時間和一段停機、斷能時間。電機的基準負載持續(xù)率fc為40%,根據(jù)水平行走機構所需功率選擇yzr160l-6型電機,電機屬性如表3-1。表3-1水平行走驅動電機屬性電機型號工作方式基準負載持續(xù)率工作電壓額定功率額定轉速運行效率yzr160l-6斷續(xù)周期工作s340%380v11kw945r/min80% (b)起升機構運行時最大的功率公式為(3-3): (3-3)式中: w堆垛機重量,為1500

25、kg; g載貨重量1000kg; 最高檔速度60m/min; 運行效率0.95。 計算得p=25.80kw,根據(jù)起升機構運行所需功率yzr225m-6型電機,電機屬性見表3-2表3-2 垂直行走驅動電機屬性電機型號工作方式基準負載持續(xù)率工作電壓額定功率額定轉速運行效率yzr225m-6斷續(xù)周期工作s340% 380v30kw962r/min88% (c)貨叉的伸縮距離較短,載貨勻速為20m/min。 貨叉伸縮功率公式如(3-4), (3-4)式中: w貨叉可動部分重量70kg; g載貨重量1000kg; 速度20m/min; 伸縮效率0.85。 計算得p=kw 根據(jù)功率要求所選電機為yej16

26、0m-6,屬性見表3-3。表3-3 貨叉驅動電機屬性型號額定功率額定電流轉速效率功率因數(shù)制動力矩yej160m-67.5kw17.0a970r/min86%0.78150nm3.2 變頻器的選擇 交流異步電機的轉速,是其定子繞組上交流電源頻率的函數(shù)。所以只要均勻地改變定子繞組的供電頻率,就可以平穩(wěn)地改變電機的同步轉速。考慮到存堆垛機的結構及運動特點,采用變頻調速。 本文選擇西門子mm440變頻器,mm440型使用pid控制器,具pid微調等功能,可用于矢量控制,可以實現(xiàn)高性能的應用,帶內置制動單元,可以快速制動。mm440變頻器各項參數(shù)指標如表3-4。表3-4 變頻器參數(shù)輸入電壓3相380va

27、c,50hz輸入電流2. 8a輸出功率0 75kw輸出電壓3相(0-380) vac可調輸出頻率(0-650) hz可調輸出電流2. 1a輸出控制輸出電壓、頻率可調控制作用v/f,矢量一轉矩、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)v模擬量輸入模擬量輸出2路(0-20) ma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pid算法變頻器主電路三相異步電動機認址器反饋擾動uen 水平行走電機采用220w的三相交流異步電動機,運行速度要求為0-150m/min,系統(tǒng)采用轉速閉環(huán)控制

28、方式。s7-200plc的模擬量輸出信號作為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機的運行;電動機轉速由光電編碼器檢測并反饋到plc高速計數(shù)口,構成閉環(huán)變頻調速系統(tǒng)。系統(tǒng)如圖3-2所示,為速度給定量,為plc輸出的控制量,u為變頻器輸出電壓,n為被控量,控制算法為pid。垂直方向同理。圖3-2 plc變頻調速閉環(huán)系統(tǒng)結構圖3.3 認址器的選擇 要完成對堆垛機自動控制系統(tǒng)的設計,首先要保證堆垛機能夠準確到達目標位置,所以在設計堆垛機自動控制系統(tǒng)時,關鍵在于準確可靠的認址和定位保證堆垛機準確無誤的定位在目標貨位。定位控制就是確定堆垛機停止在目標貨位

29、的功能。自動倉庫的認址檢測系統(tǒng)有兩項任務:一是實現(xiàn)自動尋址,使堆垛機自動找到被指定到達的位置;二是自動準確停準,即堆垛機停準位置不超出規(guī)定的精度。為此,貨架上的每個貨位必須具有堆垛機能識別的編碼,所以將貨架兩側編成x1、x2,沿堆垛機運行方向將貨架編為0-y列,垂直方向編為0-z層。這樣每個貨位就有了獨立的三維坐標地址,堆垛機自動檢測目前的坐標地址,使其能到達目標位置。因為貨架兩側分為x1、x2,只有兩個方向,反應到堆垛機上只是貨叉左伸、右伸運動,此方向不用檢測,所以實際上堆垛機位置的檢測只是對y、z位置的檢測。 主要的認址檢測方式有以下幾種:(1) 絕對認址 將每一個貨位賦予唯一的開關狀態(tài),

30、給每個貨位制作一個專用的認址片,堆垛機上相應安裝一個識別器,通常是二進制編碼板和一組光電開關的組合,通過讀取認址片的代碼來判斷堆垛機的當前位置。(2) 相對認址 每個貨位的認址片結構相同。每經(jīng)過一個貨位,就對地址編碼進行加1或減1,一直移動到和預定位置號一致時停止運行。(3) 編碼器定位法 主要有兩種,從動輪與軌道旋轉計數(shù)測定方式、鏈輪與鏈條旋轉計數(shù)測定方式。從動輪與軌道旋轉計數(shù)測定方式。堆垛機的從動輪上配有同軸旋轉編碼器,從動輪與軌道近似純滾動,因此通過對旋轉編碼器的轉角的轉換,可以得到堆垛機的相對運行位置。(4) 激光測距定位 近年來應用于堆垛機準確定位的新技術,用激光測距儀通過測量堆垛機

31、到基準點的距離和事先存儲的位置數(shù)據(jù)比較來確定堆垛機的當前位置。這種方法的精度很高,但是使用時堆垛機和激光發(fā)射器和反射板之間不允許有物體,否則會遮擋住激光的傳輸路徑,使系統(tǒng)無法準確定位。以上是四種常見的認址檢測方式,四種方式各有優(yōu)劣,表3-5是他們之間的比較對照:表3-5 認址方式對比認址器光電開關旋轉編碼器激光測距傳感器認址方式相對認址絕對認址絕對認址絕對認址可靠性較低高較高最高認址精度格格mmmm系統(tǒng)成本低高高較高數(shù)據(jù)接口無無多種多種定位方式反射式反射式接觸式反射式使用壽命短短較長長 認址方式確認: 激光測距傳感器的精度最高,雖然成本較高,但使用壽命長,因此水平、垂直方向均采用激光測距傳感器

32、,如圖3-3。當前數(shù)據(jù)為位移值,經(jīng)過plc計算后的數(shù)據(jù)為當前速度值。激光測距傳感器安裝在堆垛機上,目標放射板安裝在巷道末端。在立體倉庫巷道通道中的激光測距范圍(激光發(fā)射器與反射板之間)內不得有任何物體遮擋激光光線。激光測距的原理是通過發(fā)射出的激光光線長度來測定距離,其光線就好比一把光尺,如果物體遮擋激光光線,讓它脫離原標準原點的測定位置,將影響實際要求的測定距離,從而使道堆垛機走位偏離所設定的位置,產生貨叉取、存儲錯位或起始點撞擊巷道堆垛機端部緩沖制動器的情況。因此,在巷道堆垛機工作時不允許有任何物體遮擋激光光線,對于激光光線通道應采取隔離保護措施,保證激光測距的準確性和自動化系統(tǒng)的安全性。圖

33、3-3 激光測距傳感器3.4 plc選擇及配置 根據(jù)實際的控制點數(shù)和系統(tǒng)需要實現(xiàn)的控制要求,在本設計中選用西門子的s7-200系列的plc作為控制中心。 s7-200有很強大的指令系統(tǒng),功能齊全的編程軟件,同時有多種功能模塊,便于組態(tài)網(wǎng)絡,有良好的價值擴展性。s7-200 是一種小型的可編程序控制器,適用于各行各業(yè),各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。s7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中,或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此s7-200系列具有極高的性能/價格比。 集成的24v負載電源:可直接連接到傳感器和變送器(執(zhí)行器),cpu 221,222具有180ma輸出, cpu 22

34、4,cpu 224xp,cpu 226分別輸出280,400ma。可用作負載電源。cpu 221-226各有2種類型cpu,具有不同的電源電壓和控制電壓。cpu 221具有6個輸入點和4個輸出點,cpu 222具有8個輸入點和6個輸出點,cpu 224具有14個輸入點和10個輸出點,cpu 224xp具有14個輸入點和10個輸出點,cpu 226具有24個輸入點和16個輸出點。2路高頻率脈沖輸出(最大20khz),用于控制步進電機或伺服電機實現(xiàn)定位任務。用于長時間數(shù)據(jù)后備。用戶數(shù)據(jù)(如標志位狀態(tài),數(shù)據(jù)塊,定時器,計數(shù)器)可通過內部的超級電容存貯大約5天。選用電池模塊能延長存貯時間到200天(1

35、0年壽命)。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。step 7-micro/win32 編程軟件可以對所有的cpu 221/222/224/224xp/226功能進行編程。3.4.1 cpu概述 西門子s7-200的cpu模塊包括一個中央處理單元、電源以及數(shù)字i/o點,這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。cpu負責執(zhí)行程序,以便對工業(yè)自動化控制任務或過程進行控制。 西門子第二代產品有四種不同結構配置的cpu單元。(a)cpu 221具有6in/4out,共計10個點的i/o,無擴展能力,有6kb程序和數(shù)據(jù)存儲空間。還具有4個獨立的30khz高數(shù)計數(shù)器,2路獨立的20khz高數(shù)脈沖輸出端,一個rs-

36、485通訊/編程端口,具有ppi通訊協(xié)議、mpi通訊協(xié)議和自由通訊方式。非常適合小點數(shù)的控制系統(tǒng)。(b)cpu 222具有8in/6out,共計14點i/o,可以擴展8路模擬量和最多64個i/o,因此使更廣泛的全功能控制器。(c)cpu 224在cpu 222的基礎上使主機的i/o點數(shù)增為24點,最大可擴展為168點數(shù)字量或者35點模擬量的輸入和輸出;存儲量也進一步增加,還增加了一些數(shù)字指令和高數(shù)計數(shù)器的數(shù)量,具有較強的控制能力。(d)cpu 226在cpu 224的基礎上功能又進一步增強,主機輸入和輸出點增加到40點,最大可擴展為248點數(shù)字量和35點模擬量;增加了通訊口的數(shù)量,通訊能力大大

37、增強;它可用于點數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。3.4.2 cpu型號的選擇 根據(jù)控制點數(shù)來計算,可以選用cpu226這個型號的cpu,cpu226有24in/16out,最大可以擴展為248點數(shù)字量或35點模擬量。其特點如下:(a)集成的24v電源:可直接連接到傳感器和變送器、執(zhí)行器,可用作負載電源。(b)高速脈沖輸出:具有2路高速脈沖輸出端,輸出脈沖頻率可達20khz,用于控制步進電機或伺服電機,實現(xiàn)定位任務。(c)通信口:cpu226具有2個rs-485通信口,支持ppi、mpi協(xié)議,有自由口通信能力。(d)模擬電位器:cpu226有兩個模擬電位器,用來改變特殊寄存器中的數(shù)值,以改

38、變程序運行的參數(shù),如定時器、計數(shù)器的預設值,過程量的控制參數(shù)。(e)中斷輸入允許以極快的速度對過程信號的上升沿做出響應。3.5 安全系統(tǒng)(1)貨架占有情況檢測 自動化倉庫需要知道貨物是否存放在貨架,或者貨物在貨架的位置信息。以免造成誤動作,損傷機械。入庫操作時,當堆垛機到達目標位置時,先檢測貨位是否有貨物,若沒有貨物,則進行伸叉作業(yè),否則發(fā)出信號使堆垛機動作停止;出庫時,若檢測出相應貨位無貨物,則發(fā)出信號致堆垛機動作停止。本文采用漫反射型的光電傳感器可以感知貨物在貨架的存在或者位置。(2)貨物突出貨架檢測 貨物存放在貨架上,可能由于異常的情況導致貨物突出貨架的情況。這些突出的貨物可能妨礙堆垛機

39、垂直方向的運行,導致貨架或堆垛機的損害。在堆垛機垂直軌道上頂端安裝長距離光電傳感器可以監(jiān)視貨物突出,一旦有突出,向上位機報警,控制系統(tǒng)發(fā)出信號致堆垛機停止運行。(3)終端限位裝置 堆垛機立柱導軌的極限位置設有限位開關,載貨臺到達各方向極限位置時相應電機緊急停轉。水平、垂直以及伸縮方向兩端各一個限位開關。3.6 通信方式 為了控制無人運轉堆垛機,必須向堆垛機發(fā)送運轉和作業(yè)的信息。一個指令執(zhí)行完了之后,必須從堆垛機向地面發(fā)送響應信號,即確認信號,之后才能執(zhí)行下一個指令。堆垛機的信息傳遞順序是:堆垛機首先接受的作業(yè)信息是從什么地方取貨,之后把它存入什么貨位。堆垛機控制盤在收到作業(yè)信息之后向地面控制盤

40、發(fā)出響應信息。堆垛機根據(jù)作業(yè)信息進行作業(yè)。作業(yè)完了之后,向地面發(fā)出“作業(yè)結束”信息。這樣把一系列作業(yè)進行完了之后,成為等待下一個作業(yè)信息的待機狀態(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標準。主要基于以下兩點考慮:(a)rs-232c接口標準只能用于點對點的通信,而rs-485能實現(xiàn)多點對多點的通信。rs-485允許平衡電纜上連接32個發(fā)送器、接收器。立體倉庫控制系統(tǒng)要求監(jiān)控系統(tǒng)和4臺堆垛機控制系統(tǒng)連接,要求物理層的協(xié)議必須支持一點對多點的通信。(b) rs-485采用差動發(fā)送、接收,所以共模抑制比高,抗干擾能力強。立體倉庫的工作環(huán)境較惡劣,熱、電、

41、磁等干擾信號較多,要求通信網(wǎng)絡的抗干擾能力較強,才能保證數(shù)據(jù)的正確接收。rs-485標準除上述優(yōu)點外,還具有傳輸速率高、傳輸距離遠等優(yōu)點。 由于plc帶有串行通信接口,只需用rs-485總線分別連接到計算機即可,可見系統(tǒng)的構建十分簡單當需要增加新設備時,只需要將新設備也連接到計算機,系統(tǒng)的擴展也較容易。4 堆垛機控制程序設計4.1編程軟件及語言概述(1)軟件介紹 step 7編程軟件用于西門子系列工控產品包括simatic s7、m7、c7和基于pc的wincc的編程、監(jiān)控和參數(shù)設置,是simatic工業(yè)軟件的重要組成部分。step7 micro版本適用于西門子s7-200的編程軟件。 ste

42、p7- micro/win32的基本功能是協(xié)助用廣完成丌發(fā)應用軟件的任務,例如創(chuàng)建用廣程序、修改和編輯源有的用戶程序,編輯過程中編輯器具有簡單語法檢查功能。同時還有一些工具性的功能,例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外,還可直接用軟件設置plc的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控等。 程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯誤。梯形圖中的錯誤處的下方白動加紅色曲線,語句表中錯誤行前有紅色叉,且錯誤處的下方加紅色曲線。軟件功能的實現(xiàn)可以在聯(lián)機工作方式(在線方式)下進行,部分功能的實現(xiàn)也可以在離線工作方式下進行。 聯(lián)機方式:有編程軟什的計算機與plc連接,此時允許兩者之間做直接通信。

43、 離線方式:有編程軟件的計算機與plc連接,此時能完成大部分基本功能。如編程、編澤和調試程序系統(tǒng)組態(tài)等。(2)編程語言 plc的用戶程序,是設計人員根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝控制要求,通過plc編程語言的編制規(guī)范,按照實際需要使用的功能來設計的。只要用戶能夠掌握某種標準編程語言,就能夠使用plc在控制系統(tǒng)中,實現(xiàn)各種自動化控制功能。根據(jù)國際電工委員會制定的工業(yè)控制編程語言標準(iec1131-3),plc有五種標準編程語言:梯形圖語言(ld)、指令表語言(il)、功能模塊語言(fbd)、順序功能流程圖語言(sfc)、結構文化本語言(st)。這五標準編程語言,十分簡單易學。 (a)梯形圖語言是plc程序

44、設計中最常用的編程語言。它是與繼電器線路類似的一種編程語言。由于電氣設計人員對繼電器控制較為熟悉,因此,梯形圖編程語言得到了廣泛的歡迎和應用。梯形圖編程語言的特點是:與電氣操作原理圖相對應,具有直觀性和對應性;與原有繼電器控制相一致,電氣設計人員易于掌握。梯形圖編程語言與原有的繼電器控制的不同點是,梯形圖中的能流不是實際意義的電流,內部的繼電器也不是實際存在的繼電器,應用時,需要與原有繼電器控制的概念區(qū)別對待。 (b)指令表編程語言是與匯編語言類似的一種助記符編程語言,和匯編語言一樣由操作碼和操作數(shù)組成。在無計算機的情況下,適合采用plc手持編程器對用戶程序進行編制。同時,指令表編程語言與梯形

45、圖編程語言圖一一對應,在plc編程軟件下可以相互轉換。圖3就是與圖2plc梯形圖對應的指令表。指令表表編程語言的特點是:采用助記符來表示操作功能,具有容易記憶,便于掌握;在手持編程器的鍵盤上采用助記符表示,便于操作,可在無計算機的場合進行編程設計;與梯形圖有一一對應關系。其特點與梯形圖語言基本一致。 (c)功能模塊圖語言是與數(shù)字邏輯電路類似的一種plc編程語言。采用功能模塊圖的形式來表示模塊所具有的功能,不同的功能模塊有不同的功能。功能模塊圖編程語言的特點:功能模塊圖程序設計語言的特點是:以功能模塊為單位,分析理解控制方案簡單容易;功能模塊是用圖形的形式表達功能,直觀性強,對于具有數(shù)字邏輯電路

46、基礎的設計人員很容易掌握的編程;對規(guī)模大、控制邏輯關系復雜的控制系統(tǒng),由于功能模塊圖能夠清楚表達功能關系,使編程調試時間大大減少。 (d)順序功能流程圖語言是為了滿足順序邏輯控制而設計的編程語言。編程時將順序流程動作的過程分成步和轉換條件,根據(jù)轉移條件對控制系統(tǒng)的功能流程順序進行分配,一步一步的按照順序動作。每一步代表一個控制功能任務,用方框表示。在方框內含有用于完成相應控制功能任務的梯形圖邏輯。這種編程語言使程序結構清晰,易于閱讀及維護,大大減輕編程的工作量,縮短編程和調試時間。用于系統(tǒng)的規(guī)模校大,程序關系較復雜的場合。 (e)結構化文本語言是用結構化的描述文本來描述程序的一種編程語言。它是

47、類似于高級語言的一種編程語言。在大中型的plc系統(tǒng)中,常采用結構化文本來描述控制系統(tǒng)中各個變量的關系。主要用于其他編程語言較難實現(xiàn)的用戶程序編制。4.2 系統(tǒng)控制要求(a)當選擇開關置于自動位置時,系統(tǒng)復位到初始位置,各個軸回到原點。(b)執(zhí)行入庫指令:選擇欲入庫的倉位號,按動倉位號對應按鈕,控制面板上的效碼管顯示倉位號;按動按鈕,起動入庫操作,當載貨臺上有貨物時,起重機自動將貨物送入到指定的倉位;若被選擇倉位內已有貨物時,則該入庫操作不被執(zhí)行;載貨臺若無貨物,則下一個入庫操作將不被執(zhí)行。 (c)執(zhí)行出庫指令:選擇欲出庫的倉位號,按動倉位號對應按鈕,控制面板上的數(shù)碼管顯示倉位號;按動按鈕,當載

48、貨臺上有貨物時,起重機不執(zhí)行任何操作;若被選擇倉位內無貨物時,則該出庫操作不被執(zhí)行;當按下按鈕,載貨臺上無貨物,且該倉位內有貨物時,起重機自動將貨物從指定的倉位轉移到載貨臺上。4.3 分析控制方案 本文設計的自動化立體倉庫由四巷道組成,每個巷道有左右兩列貨架及一個堆垛機,每個堆垛機所需完成的任務相同,因此只設計一套堆垛機控制系統(tǒng),其他三組相同。因此四個巷道各有由一個下位機控制,整個立體庫由一個上位機進行管理監(jiān)控。本文單純設計單一堆垛機的plc控制部分。 堆垛機控制系統(tǒng)主要工作方式為自動和手動,其中自動控制只需人工輸入要存、取貨物的貨格位置,堆垛機將自動完成存、取貨物的動作。而手動方式,則需人工

49、控制堆垛機的位置移動及貨叉的伸、縮,此方式多用于維修、調試。 自動控制的主要內容為貨物的存、取及安全保護,具體控制分析見表4-1:表4-1 控制動作分析表主要內容控制分解行走水平行走垂直升降左右伸縮定位水平方向定位垂直方向定位伸縮方向控制安全保護各軌道的兩端限定堆垛機運行極限(6個限位開關)貨架占有及貨叉位置監(jiān)測裝置(光電傳感器)4.4 系統(tǒng)工作流程根據(jù)控制系統(tǒng)運動要求,分解整理后得到堆垛機工作流程圖,入庫流程見圖4-1,出庫流程見圖4-2。是是否否否水平及垂直運行到指定的列及層到達指定位置載貨臺調至托盤位置調整到位貨叉伸出貨叉伸出到位載貨臺下降下降到位貨叉收回貨叉收回到位結束是開始滿足位置的

50、高度貨叉伸出貨叉伸出是否到位行至指定的入庫臺位置到達指定位置升降機構升至指定的入庫臺高度到達指定高度入庫臺位置高度的微調整載貨臺微調整是否到達位置貨叉收回貨叉是否到位是是是否否否是是是是是否否否否否圖4-1 入庫操作流程圖圖4是否否微提升,位置調整是是否到達指定位置微升起,調整位置貨叉伸出伸出到位貨叉伸出是開始到達指定位置微下降,位置調整到達微下降位置是否水平和垂直同時運動到指定列和層是否否是達到伸出位置否結束微下降,位置調整否達到微下降位置是到達微提升位置水平和垂直運行到出庫臺高度貨叉到位出庫臺是貨叉收入貨叉到達位置否-2出庫操作流程圖4.5 i/o分配首先進行輸入輸出點的統(tǒng)計。將按鈕、各軸

51、的安全限位、檢測結果、輸入值設定為輸入值,統(tǒng)計得共16個輸入點。將對電機的脈沖信號、記錄表、指示燈等設定為輸出值,統(tǒng)計得14個輸出點。將各元器件與plc的i/o點連接,以實現(xiàn)plc對各功能的控制,i/o分配表見表4-2。表4-2 i/o分配表符號地址注釋d0i0.0矩陣掃描第1列d1i0.1矩陣掃描第2列d2i0.2矩陣掃描第3列d3i0.3矩陣掃描第4列d4i0.4矩陣掃描第5列d5i0.5矩陣掃描第6列d6i0.6矩陣掃描第7列d7i0.7矩陣掃描第8列sq5i1.0z軸原點sq6i1.1z軸限位sni1.2檢測貨臺上是否有貨物sw0i1.3手動控制開關sq2i1.4x軸限位sq1i1.5

52、x軸原點sq4i1.6y軸限位sq3i1.7y軸原點平移q0.0平移電動機脈沖信號升降q0.1升降電動機脈沖信號平移方向q0.2平移電動機方向信號升降方向q0.3升降電動機方向信號h0q0.4矩陣掃描第1行h1q0.5矩陣掃描第2行h2q0.6矩陣掃描第3行h3q0.7矩陣掃描第4行前伸q1.1貨叉前伸回縮q1.2貨叉回縮b00q1.4數(shù)碼顯示區(qū)第0位b01q1.5數(shù)碼顯示區(qū)第1位b02q1.6數(shù)碼顯示區(qū)第2位b03q1.7數(shù)碼顯示區(qū)第3位根據(jù)輸入輸出點,簡單的進行控制系統(tǒng)的界面設計,通過有線方式與plc相連,便于操作人員進行控制。界面截圖見圖4-3。圖4-3 控制界面4.6 子程序編寫根據(jù)系

53、統(tǒng)要求,分析得出需編寫鍵盤裝置掃描;傳感器檢測;坐標定位;位置控制;入、出庫控制5個子程序,將子程序按規(guī)范命名,在工具欄中則可出現(xiàn)相應的子程序,方便調用。見圖4-4。圖4-4 編程界面(1)鍵盤裝置掃描子程序 利用矩陣掃描和數(shù)碼管顯示組合,當按下矩陣鍵盤時,對應的數(shù)碼管顯示,通過掃描端口判斷當前按鈕的狀態(tài)。其中數(shù)碼顯示采用bcd編碼方式。vw238是用于存儲當前的按鍵號;vw270是用于存儲數(shù)碼顯示區(qū)的數(shù)據(jù),通過位傳送給輸出端口,用于七段碼顯示。子程序是用于判斷哪個按鍵被按下。其中使用了出送指令mov_w,可將數(shù)據(jù)某個雙字節(jié)數(shù)據(jù)傳送到某個雙字節(jié)地址里邊去,例如見圖4-5。類似的指令還有mov_b等。鍵盤掃描子程序stl語句見附錄i。圖4-5 傳送指令(2)傳感器檢測子程序 傳感器一般是用于定位及限位作用的。定位就是利用傳感器來判定系統(tǒng)是否處于指定位置,而限位就是要求系統(tǒng)不能超過指定位置。在程序設計中常利用傳感器實

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