紀(jì)登峰 PLC在倉(cāng)庫(kù)碼垛機(jī)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用.doc

1、河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院henan polytechnic institute畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目: plc在倉(cāng)庫(kù)碼垛機(jī)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用 姓名: 紀(jì)登峰 專(zhuān)業(yè): 機(jī)電設(shè)備維修與管理 班級(jí): 機(jī)電設(shè)備0902班 指導(dǎo)老師: 季祥畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、 設(shè)計(jì)題目：plc在倉(cāng)庫(kù)碼垛機(jī)上的設(shè)計(jì)應(yīng)用 二、畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的1設(shè)計(jì)一個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)碼垛機(jī)控制系統(tǒng)；2水平移動(dòng)、垂直移動(dòng)及伸叉機(jī)機(jī)構(gòu)分別由220w 的三相交流異步電動(dòng)機(jī)、200w 的單相交流異步電動(dòng)機(jī)和二相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；3上述電機(jī)由西門(mén)子s7-226型plc控制，其中水平移動(dòng)、垂直移動(dòng)由plc通過(guò)變頻器控制，步進(jìn)電機(jī)由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行自動(dòng)控

2、制。三、主要設(shè)計(jì)內(nèi)容1變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2貨叉伸縮控制；3plc控制程序編寫(xiě)與調(diào)試；四、重點(diǎn)研究問(wèn)題plc控制，確定設(shè)計(jì)方案，完成各功能單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參數(shù)計(jì)算和元件選擇。五、主要技術(shù)指標(biāo)或主要設(shè)計(jì)參數(shù)堆垛機(jī)運(yùn)行的速度范圍：水平方向：2mmin-360mmin；垂直方向：2mmin-80mmin；貨叉： 2mmin-60mmin六、設(shè)計(jì)成果要求1畢業(yè)設(shè)計(jì)論文要求字?jǐn)?shù)為1000015000字，論文格式參照河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院關(guān)于畢業(yè)設(shè)計(jì)論文格式要求；2各部分環(huán)節(jié)的工作原理及調(diào)試故障分析及排除方法；3. 具有必要的保護(hù)措施；4. 附有主程序流程圖；摘要在現(xiàn)代的物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)應(yīng)用日益

3、廣泛。而碼垛機(jī)是立體倉(cāng)庫(kù)的關(guān)鍵組成部分，碼垛機(jī)性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用，所以設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)自動(dòng)化程度較高的碼垛機(jī)控制系統(tǒng)成為當(dāng)前立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)展與此有關(guān)的研究具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。本文基于現(xiàn)代物流技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展要求，介紹自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的應(yīng)用及其功能和作用，結(jié)合現(xiàn)代科技的發(fā)展，著重研究自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)碼垛機(jī)控制系統(tǒng)的控制技術(shù)。本文詳細(xì)闡述了本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，以及整個(gè)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)。本文依據(jù)立體倉(cāng)庫(kù)的有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)碼垛機(jī)電氣控制的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為了提高碼垛機(jī)的性能，本文采用了轉(zhuǎn)速、位置反饋的雙閉環(huán)控制，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的調(diào)速要求。系統(tǒng)的水平認(rèn)址采用激

4、光測(cè)距傳感器定位，垂直認(rèn)址采用光電開(kāi)關(guān)和認(rèn)址片組合定位。變頻調(diào)速系統(tǒng)由s7-200plc及其擴(kuò)展模塊em235通過(guò)變頻器mm440控制交流電動(dòng)機(jī)，采用光電編碼器反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。貨叉伸叉系統(tǒng)由s7-226plc通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器sh-20403控制二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行了plc、變頻器、電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選型，并給出了系統(tǒng)的硬件接線(xiàn)圖，然后利用西門(mén)子的編程軟件step7設(shè)計(jì)了碼垛機(jī)控制程序。關(guān)鍵詞：自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)，碼垛機(jī)，plc，控制系統(tǒng)，變頻器目錄摘要第一章 緒論 11.1自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的概述 11.2 碼垛機(jī)的概述 21.3本章小結(jié)3第二章 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)

5、的硬件設(shè)計(jì) 42.1控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)42.2碼垛機(jī)的位置控制52.3 plc及資源配置 82.4碼垛機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 112.5碼垛機(jī)貨叉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 142.6安全檢測(cè)傳感器的應(yīng)用 152.7通信方案的確定 162.8輸入輸出點(diǎn)的分配 162.9 本章小結(jié)18第三章 碼垛機(jī)程序控制設(shè)計(jì) 193.1碼垛機(jī)自檢和復(fù)位/歸位程序213.2自動(dòng)方式下的碼垛機(jī)運(yùn)行控制 223.3手動(dòng)方式下的碼垛機(jī)運(yùn)行控制 263.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 283.5本章小結(jié) 28第四章 總 結(jié)29致 謝30附 錄31參考資料 33第一章 緒論1.1自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的概述在現(xiàn)代物流系統(tǒng)中，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是一個(gè)重要的

6、組成部分，它是一種新型的倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)又稱(chēng)為自動(dòng)存儲(chǔ)/檢索系統(tǒng)（automated storage &retrieval system，as/rs）。它是物料搬運(yùn)和倉(cāng)儲(chǔ)科學(xué)中的一門(mén)綜合科學(xué)技術(shù)工程。它以高層貨架為主要標(biāo)志，配以成套的先進(jìn)搬運(yùn)設(shè)備，以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為主要手段，由此組成高頻率、大容量的科學(xué)存儲(chǔ)，以適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)、物資交流和倉(cāng)儲(chǔ)的需求。1.1.1自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的組成立體倉(cāng)庫(kù)是指：采用高層貨架儲(chǔ)存貨物，用起重、裝卸、運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備進(jìn)行貨物出庫(kù)和入庫(kù)作業(yè)的倉(cāng)庫(kù)。這類(lèi)倉(cāng)庫(kù)主要通過(guò)高層貨架充分利用空間進(jìn)行存取貨物，所以被成為立體倉(cāng)庫(kù)。目前，立體倉(cāng)庫(kù)最大高度能達(dá)到40多米，最大庫(kù)

7、存數(shù)可達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè)貨物單位，可以實(shí)現(xiàn)按計(jì)劃入庫(kù)和出庫(kù)的全自動(dòng)化控制，以及無(wú)人操作的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化管理。其主要的組成部分有高層貨架、倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械設(shè)備、控制及管理設(shè)施。（1）貨架 倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展由平面轉(zhuǎn)向高層立體化以后，高層貨架為倉(cāng)庫(kù)的主體和標(biāo)志，貨架越高，存儲(chǔ)量越大。貨架在物流及倉(cāng)儲(chǔ)中占有非常重要的地位，目前的貨架具有多種功能，以滿(mǎn)足機(jī)械化和自動(dòng)化的要求。主要的貨架類(lèi)型有單元式貨架、貫通式貨架與旋轉(zhuǎn)式貨架。為了提高貨物裝卸、存取效率，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)一般使用貨箱或托盤(pán)盛放貨物。貨箱和托盤(pán)的基本功能是盛放小件物料，同時(shí)還應(yīng)便于運(yùn)輸車(chē)和碼垛機(jī)的插取和存放。（2）倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械設(shè)備 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的主要搬運(yùn)設(shè)備是巷道式

8、碼（堆）垛機(jī)，其主要用途是在高層貨架的巷道內(nèi)來(lái)回穿梭運(yùn)行，將位于巷道口的貨物存放入貨格中，或者將貨物取出運(yùn)送到巷道口。輸送系統(tǒng)必須是具有高度的可靠性，在立體倉(cāng)庫(kù)中一般只有一套輸送系統(tǒng)，所以應(yīng)保證輸送系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)上的設(shè)備可靠、耐用、維修方便，并且還應(yīng)該對(duì)輸送系統(tǒng)設(shè)置手動(dòng)控制做后備。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中的貨物輸送裝置主要有傳送帶、各種流動(dòng)小車(chē)等，短距離的傳送還可以采用機(jī)器人。（3）控制及管理設(shè)施 控制管理系統(tǒng)采用分布式控制，即由管理計(jì)算機(jī)、中央控制計(jì)算機(jī)和直接控制碼垛機(jī)、入/出庫(kù)輸送機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制器組成控制系統(tǒng)。管理計(jì)算機(jī)是立體倉(cāng)庫(kù)的管理中心，承擔(dān)著入/出庫(kù)管理、盤(pán)庫(kù)管理、查詢(xún)、打印及顯示、經(jīng)濟(jì)技

9、術(shù)指標(biāo)的計(jì)算分析等功能，包括在線(xiàn)管理和離線(xiàn)管理；中央控制計(jì)算機(jī)是立體倉(cāng)庫(kù)的控制中心，它溝通并協(xié)調(diào)管理計(jì)算機(jī)、碼垛機(jī)、入/出輸送機(jī)等設(shè)備之間的聯(lián)系，控制和監(jiān)視著整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的運(yùn)行。1.1.2自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)（1） 層貨架：立體倉(cāng)庫(kù)由于使用了高層貨架存儲(chǔ)貨物，存儲(chǔ)區(qū)可以大幅度的向空間發(fā)展，充分利用了倉(cāng)庫(kù)的空間，提高了空間利用率。（2） 自動(dòng)存?。鹤詣?dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)使用機(jī)械和自動(dòng)化設(shè)備，運(yùn)行和處理速度快，提高了作業(yè)效率。（3） 計(jì)算機(jī)控制與管理：計(jì)算機(jī)能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的對(duì)倉(cāng)庫(kù)的各種信息進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，不僅降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，還減少了貨單處理和信息處理過(guò)程中的差錯(cuò)，從而提高了倉(cāng)庫(kù)的管理水平。（4

10、） 節(jié)約成本：作業(yè)效率的提高勢(shì)必會(huì)降低貨物儲(chǔ)存的成本費(fèi)用，由此也提高了企業(yè)的現(xiàn)代化物流意識(shí)。1.1.3自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展高層貨架倉(cāng)庫(kù)的出現(xiàn)和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)以后生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。在生產(chǎn)發(fā)展的實(shí)際需要和科技水平發(fā)展的現(xiàn)實(shí)可能下，五十年代初開(kāi)始出現(xiàn)了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)。1950年美國(guó)首先產(chǎn)生手動(dòng)控制的橋式碼垛機(jī)起重機(jī)，與此同時(shí)提出了高層貨架的概念，被認(rèn)為是自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的雛形。1960年以后巷道式碼垛機(jī)逐漸代替了橋式碼垛機(jī)，此后碼垛機(jī)的使用范圍和性能有了很大的發(fā)展，尤其是在日本，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)發(fā)展迅速，目前日本的自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)技術(shù)和自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的擁有量都位居世界前列。自動(dòng)化技術(shù)在倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域中的發(fā)展分為五個(gè)

11、階段：人工倉(cāng)儲(chǔ)階段、自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)階段、集成化倉(cāng)儲(chǔ)階段、智能化階段和智能自動(dòng)化階段。其中智能自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)在九十年代后期以及二十一世紀(jì)的若干年內(nèi)，是倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化技術(shù)的主要發(fā)展方向。我國(guó)對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)及其物料搬運(yùn)設(shè)備的研制并不晚，1963年研制成第一臺(tái)橋式碼垛起重機(jī)(機(jī)械部北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所)，1973年開(kāi)始研制我國(guó)第一座由計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)(高巧米，機(jī)械部起重所負(fù)責(zé))，該庫(kù)1980年投入運(yùn)行。1.2碼垛機(jī)的概述碼垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的重要組成部分，它是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部件，存貨時(shí)將貨物從出入貨臺(tái)準(zhǔn)確的存放到貨位里，取貨時(shí)將貨物從貨位中取回到出入貨臺(tái)。無(wú)論何種類(lèi)型的碼垛機(jī)，一般都由水平行走

12、機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、載貨臺(tái)及貨叉機(jī)構(gòu)、機(jī)架和電氣設(shè)備等基本部分組成。它是在所謂高層、高速、高密度儲(chǔ)藏的概念下的產(chǎn)物。盡管各廠(chǎng)家各有獨(dú)創(chuàng)，結(jié)構(gòu)形式有些差異，但可以說(shuō)大同小異，所有的碼垛機(jī)都不外乎由機(jī)架、載貨臺(tái)、伸縮貨叉、軌道和控制系統(tǒng)等部分組成。1.2.1碼垛機(jī)的發(fā)展初期的立體倉(cāng)庫(kù)使用的碼垛機(jī)以橋式起重機(jī)為基礎(chǔ)，這種碼垛機(jī)是從起重機(jī)的大梁上懸掛一個(gè)門(mén)架，利用門(mén)架的上下和旋轉(zhuǎn)來(lái)搬運(yùn)貨物。1960年左右在美國(guó)出現(xiàn)了巷道式碼垛機(jī)，隨后巷道式碼垛機(jī)逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式碼垛機(jī)。1967年日本安裝了高度1015米的高層碼垛機(jī)，1969年出現(xiàn)了聯(lián)機(jī)全自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)，我國(guó)是在上世紀(jì)70年代初期開(kāi)始研究采用巷

13、道式碼垛機(jī)的立體倉(cāng)庫(kù)。目前的碼垛機(jī)技術(shù)取得了重大的發(fā)展，控制技術(shù)、定位精度、運(yùn)行速度都得到了很大程度的提高。巷道式碼垛機(jī)的起升速度已經(jīng)可以達(dá)到90m/min，運(yùn)行速度達(dá)到240m/min，在有的立體倉(cāng)庫(kù)中采用上、下兩層分別用巷道碼垛機(jī)進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)的方法提高出入庫(kù)能力。1.2.2碼垛機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀按現(xiàn)行機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有軌巷道式碼垛機(jī)分類(lèi)方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行軌跡等分類(lèi)。無(wú)論何種類(lèi)型的碼垛機(jī)一般都由水平行走機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、載貨臺(tái)及貨叉機(jī)構(gòu)、機(jī)架和電氣設(shè)備等基本部分組成。體現(xiàn)碼垛機(jī)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)劣的指標(biāo)主要有：運(yùn)行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、認(rèn)址精度等。隨著科學(xué)技術(shù)的

14、不斷進(jìn)步，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的技術(shù)水平和倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能也在不斷提高。例如，碼垛機(jī)的運(yùn)行驅(qū)動(dòng)己由20世紀(jì)70年代的子母電動(dòng)機(jī)改為變頻調(diào)速，速度由550m/min提升至4160m/min，國(guó)外小載重量的碼垛機(jī)最高可達(dá)300m/min；提升驅(qū)動(dòng)己由20世紀(jì)70年代的雙速電動(dòng)機(jī)改進(jìn)為變頻調(diào)速，速度由416m/min提升至025m/min；貨叉運(yùn)行也由單速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)改進(jìn)為變頻調(diào)速，速度由8m/min提升至435m/min；在碼垛機(jī)自動(dòng)控制方面還采用閉環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)、profibus總線(xiàn)控制等先進(jìn)技術(shù)。盡管如此，目前國(guó)產(chǎn)碼垛機(jī)的運(yùn)行速度最高仍保持在160m/min；提升速度在080m/min；貨叉

15、速度一直保持在030m/min；認(rèn)址采用光電探測(cè)，精度不足，認(rèn)址出錯(cuò)率高。1.3本章小結(jié):本章主要介紹了自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的組成、應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展，并初步介紹了碼垛機(jī)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀。表明了自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)和碼垛機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)展的必然性,改進(jìn)碼垛機(jī)精度和提高其應(yīng)用效率的必要性。第二章 碼垛機(jī)控制技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)2.1控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（1）本系統(tǒng)中碼垛機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)由水平運(yùn)行的行走機(jī)構(gòu)，垂直運(yùn)行的起升機(jī)構(gòu)及取送貨的伸叉機(jī)構(gòu)三部分組成。水平部分運(yùn)動(dòng)電機(jī)和垂直部分運(yùn)動(dòng)電機(jī)分別采用220w的三相交流異步電動(dòng)機(jī)和200w的單相交流異步電動(dòng)機(jī)，由西門(mén)子s7-200plc通過(guò)變頻器進(jìn)行控制。伸叉機(jī)構(gòu)電機(jī)采用兩相混合式

16、步進(jìn)電機(jī)，由西門(mén)子s7-200通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。由碼垛機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及工作要求可知，能否保證碼垛機(jī)的穩(wěn)定工作，關(guān)鍵在碼垛機(jī)的三維位置移動(dòng)定位的精確性。主要技術(shù)指標(biāo)和和主要設(shè)計(jì)參數(shù)碼垛機(jī)運(yùn)行的速度范圍：水平方向：2m/min360m/min；垂直方向：2m/min80/min；貨叉：2m/min60/min （2）本文碼垛機(jī)的控制方式有自動(dòng)和手動(dòng)控制。 手動(dòng)方式通過(guò)碼垛機(jī)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及按鈕控制碼垛機(jī)水平和提升運(yùn)動(dòng)及貨叉伸縮。同時(shí)運(yùn)動(dòng)速度也可以手動(dòng)選擇。手動(dòng)操作時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)給予相應(yīng)的警示信號(hào)，同時(shí)系統(tǒng)將解除大部分的保護(hù)控制。手動(dòng)操作主要用于安裝、調(diào)試和排除故障。 單機(jī)自動(dòng)用人機(jī)界面對(duì)碼垛機(jī)進(jìn)

17、行全自動(dòng)的控制，控制系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)輸入的參數(shù)進(jìn)行全自動(dòng)的取送貨動(dòng)作。界面操作時(shí)，應(yīng)具備對(duì)貨物的單送、單取操作。人機(jī)界面應(yīng)具備實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行工況，故障及歷史故障查詢(xún)等功能。（3）在本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)控制系統(tǒng)中上位機(jī)完成的只是數(shù)據(jù)輸入和傳送，主要的控制任務(wù)是由plc來(lái)完成。 作業(yè)命令處理：確定作業(yè)狀態(tài)時(shí)自動(dòng)還是手動(dòng)；確定作業(yè)指令是存貨入庫(kù)還是取貨出庫(kù)；確定作業(yè)地址包括列地址和層地址。 位置技術(shù)及判斷：沿著碼垛機(jī)的行進(jìn)方向和載貨臺(tái)的升降方向設(shè)置認(rèn)址片，plc通過(guò)檢測(cè)認(rèn)址片來(lái)判斷碼垛機(jī)位置和載貨臺(tái)的位置，每經(jīng)過(guò)一個(gè)認(rèn)址片，plc的高速計(jì)數(shù)器就自動(dòng)計(jì)數(shù)一次，前進(jìn)加一，后退減一，上升加一，下降減一。到達(dá)預(yù)定

18、位置后，碼垛機(jī)停車(chē)。 速度調(diào)整和準(zhǔn)確停車(chē)：根據(jù)碼垛機(jī)和目標(biāo)位置的距離，plc輸出速度調(diào)整的控制信號(hào)給變頻器，通過(guò)變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在停車(chē)之前先把碼垛機(jī)的運(yùn)行速度降低到低速檔，使碼垛機(jī)以低速接近目標(biāo)位置，保證碼垛機(jī)的穩(wěn)定性。 作業(yè)任務(wù)的順序邏輯控制：按照入庫(kù)、出庫(kù)的作業(yè)順序，確定各輸出點(diǎn)的得電狀態(tài)，完成作業(yè)順序的邏輯控制。 安全保護(hù)：水平行走、載貨臺(tái)升降及貨叉的伸縮等都有限位保護(hù)。 plc還有工作故障報(bào)警功能。本系統(tǒng)由上位監(jiān)控級(jí)與直接控制級(jí)組成。監(jiān)控級(jí)對(duì)通訊、流程進(jìn)行控制，并進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像顯示，直接控制級(jí)是由plc(可編程序控制器)組成的控制系統(tǒng)對(duì)各設(shè)備進(jìn)行單機(jī)自動(dòng)操作。采用組態(tài)系統(tǒng)建立監(jiān)控界

19、面，同時(shí)將運(yùn)行系統(tǒng)的狀態(tài)反饋到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。碼垛機(jī)采用西門(mén)子公司的s7-200型plc控制，與變頻器結(jié)合對(duì)碼垛機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖2.1所示。監(jiān)控計(jì)算機(jī)碼垛機(jī)貨叉控制系統(tǒng)碼垛機(jī)水平變頻系統(tǒng)碼垛機(jī)縱向變頻系統(tǒng)碼垛機(jī)貨叉運(yùn)行機(jī)構(gòu)碼垛機(jī)水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)碼垛機(jī)縱向運(yùn)行機(jī)構(gòu)碼垛機(jī)限位保護(hù)系統(tǒng)碼垛機(jī)貨物檢測(cè)系統(tǒng) s7-200 plc碼垛機(jī)縱向認(rèn)址系統(tǒng)碼垛機(jī)水平認(rèn)址系統(tǒng)圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2碼垛機(jī)位置控制由碼垛機(jī)的作業(yè)流程分析，碼垛機(jī)是由水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)、縱向起升機(jī)構(gòu)和貨叉伸縮機(jī)構(gòu)三部分組成的，水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)和垂直起升機(jī)構(gòu)使碼垛機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置，貨叉伸縮機(jī)構(gòu)完成存取貨任務(wù)。要完成對(duì)碼垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)

20、計(jì)，首先要保證碼垛機(jī)能夠準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置，所以在設(shè)計(jì)碼垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確可靠的認(rèn)址和定位保證碼垛機(jī)準(zhǔn)確無(wú)誤的定位在目標(biāo)貨位。另外為了提高存取效率和保證碼垛機(jī)的穩(wěn)定性，必須對(duì)碼垛機(jī)三個(gè)機(jī)構(gòu)的速度進(jìn)行合理有效的控制，其中速度位置檢測(cè)是碼垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。碼垛機(jī)速度位置控制的實(shí)現(xiàn)方法如圖2.2所示，控制系統(tǒng)由plc控制器、調(diào)速系統(tǒng)、編碼器、認(rèn)址片和認(rèn)址器組成，實(shí)現(xiàn)位置和速度的雙閉環(huán)控制。速度電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)認(rèn)址器控制器輸入編碼器速度檢測(cè) 位置檢測(cè) 圖2.2 碼垛機(jī)位置速度控制框圖2.2.1定位控制定位控制就是確定碼垛機(jī)停止在目標(biāo)貨位的功能。自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)的認(rèn)址檢測(cè)系統(tǒng)有兩項(xiàng)任務(wù)：一是實(shí)

21、現(xiàn)自動(dòng)尋址，使碼垛機(jī)自動(dòng)找到被指定到達(dá)的位置；二是自動(dòng)準(zhǔn)確停準(zhǔn)，即碼垛機(jī)停準(zhǔn)位置不超出規(guī)定的精度。為此，貨架上的每個(gè)貨位必須具有碼垛機(jī)能識(shí)別的編碼，所以將貨架兩側(cè)編成x1、x2，沿碼垛機(jī)運(yùn)行方向?qū)⒇浖芫帪?y列，垂直方向編為0z層。這樣每個(gè)貨位就有了獨(dú)立的三維坐標(biāo)地址，碼垛機(jī)自動(dòng)檢測(cè)目前的坐標(biāo)地址，使其能到達(dá)目標(biāo)位置。因?yàn)樨浖軆蓚?cè)分為x1、x2，只有兩個(gè)方向，反應(yīng)到碼垛機(jī)上只是貨叉左伸、右伸運(yùn)動(dòng)，此方向不用檢測(cè)，所以實(shí)際上碼垛機(jī)位置的檢測(cè)只是對(duì)y、z位置的檢測(cè)。2.2.2認(rèn)址檢測(cè)方式1）絕對(duì)認(rèn)址：絕對(duì)認(rèn)址是將每一個(gè)貨位賦予唯一的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，給每個(gè)貨位制作一個(gè)專(zhuān)用的認(rèn)址片，碼垛機(jī)上相應(yīng)安裝一個(gè)識(shí)別

22、器，通常是二進(jìn)制編碼板和一組光電開(kāi)關(guān)的組合，通過(guò)讀取認(rèn)址片的代碼來(lái)判斷碼垛機(jī)的當(dāng)前位置。（2）相對(duì)認(rèn)址：相對(duì)認(rèn)址時(shí)每個(gè)貨位的認(rèn)址片結(jié)構(gòu)相同。每經(jīng)過(guò)一個(gè)貨位，就對(duì)地址編碼進(jìn)行加1或減1，一直移動(dòng)到和預(yù)定位置號(hào)一致時(shí)停止運(yùn)行。（3）編碼器定位法：編碼器定位方式主要有兩種：從動(dòng)輪與軌道旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)測(cè)定方式、鏈輪與鏈條旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)測(cè)定方式。從動(dòng)輪與軌道旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)測(cè)定方式。碼垛機(jī)的從動(dòng)輪上配有同軸旋轉(zhuǎn)編碼器，從動(dòng)輪與軌道近似純滾動(dòng)，因此通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換，可以得到碼垛機(jī)的相對(duì)運(yùn)行位置。（4）激光測(cè)距定位：激光測(cè)距定位是近年來(lái)應(yīng)用于碼垛機(jī)準(zhǔn)確定位的新技術(shù)，用激光測(cè)距儀通過(guò)測(cè)量碼垛機(jī)到基準(zhǔn)點(diǎn)的距離和事先存儲(chǔ)

23、的位置數(shù)據(jù)比較來(lái)確定碼垛機(jī)的當(dāng)前位置。這種方法的精度很高，但是使用時(shí)碼垛機(jī)和激光發(fā)射器和反射板之間不允許有物體，否則會(huì)遮擋住激光的傳輸路徑，使系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確定位。2.2.3認(rèn)址方式確認(rèn)為完成對(duì)碼垛機(jī)的位置控制，必須能檢測(cè)出碼垛機(jī)的運(yùn)行位置，本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)系統(tǒng)認(rèn)址方式有：（1）水平認(rèn)址系統(tǒng)水平方向采用激光測(cè)距傳感器，當(dāng)前數(shù)據(jù)為位移值，經(jīng)過(guò)plc計(jì)算后的數(shù)據(jù)為當(dāng)前速度值。激光測(cè)距傳感器安裝在碼垛機(jī)上，目標(biāo)放射板安裝在巷道末端。在立體倉(cāng)庫(kù)巷道通道中的激光測(cè)距范圍(激光發(fā)射器與反射板之間)內(nèi)不得有任何物體遮擋激光光線(xiàn)。激光測(cè)距的原理是通過(guò)發(fā)射出的激光光線(xiàn)長(zhǎng)度來(lái)測(cè)定距離，其光線(xiàn)就好比一把光尺，如果物體遮

24、擋激光光線(xiàn)，讓它脫離原標(biāo)準(zhǔn)原點(diǎn)的測(cè)定位置，將影響實(shí)際要求的測(cè)定距離，從而使道碼垛機(jī)走位偏離所設(shè)定的位置，產(chǎn)生貨叉取/存儲(chǔ)錯(cuò)位或起始點(diǎn)撞擊巷道碼垛機(jī)端部緩沖制動(dòng)器的情況。因此，在巷道碼垛機(jī)工作時(shí)不允許有任何物體遮擋激光光線(xiàn)，對(duì)于激光光線(xiàn)通道應(yīng)采取隔離保護(hù)措施，保證激光測(cè)距的準(zhǔn)確性和自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性。（2）縱向認(rèn)址系統(tǒng)碼垛機(jī)縱向方向的層定位采用光電開(kāi)關(guān)和認(rèn)址片組合定位，即在碼垛機(jī)的上下安裝兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)，在每層的貨位上安裝認(rèn)址片。低位為取貨開(kāi)始伸叉或放貨完畢收叉的位置，高位為放貨開(kāi)始伸叉或取貨完畢收叉的位置。為使貨叉能完成作業(yè)，碼垛機(jī)在垂直方向上必須要提供使貨叉能停在高位或低位的檢測(cè)裝置。所以在碼

25、垛機(jī)的升降臺(tái)上安裝三個(gè)光電開(kāi)關(guān)，與升降臺(tái)一起上升下降，中間的一個(gè)共用，其他兩個(gè)分別為上位置和下位置。存貨開(kāi)始或取貨結(jié)束時(shí)，升降臺(tái)貨叉停在高位置，下面兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)；取貨開(kāi)始或存貨結(jié)束時(shí)，貨叉停在低位置，此時(shí)上面兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)，如圖2.3所示。 圖2.3 碼垛機(jī)垂直方向認(rèn)址傳感器分布圖其認(rèn)址狀態(tài)如表2-1所示：表2-1 認(rèn)址狀態(tài)表 上升下降傳感器存貨高位取貨低位存貨高位 取貨低位a1計(jì)數(shù)、減速、定位 定位、停止 a2計(jì)數(shù)、減速、定位定位、停止定位、停止計(jì)數(shù)、減速、定位a3 計(jì)數(shù)、減速、定位 2.2.4碼垛機(jī)速度曲線(xiàn)分析常見(jiàn)的速度運(yùn)行曲線(xiàn)有三種，分別為三角形與梯形速度曲線(xiàn)、拋物

26、線(xiàn)與直線(xiàn)形速度曲線(xiàn)、正弦形速度曲線(xiàn)。本文采用最常用的梯形速度曲線(xiàn)。如圖2.4所示，梯形速度曲線(xiàn)碼垛機(jī)以加速度啟動(dòng)加速，當(dāng)勻加速到最大運(yùn)行速度時(shí)，保持該速度運(yùn)行一段時(shí)間，再以勻減速運(yùn)行，直到零速?？俊?vabcs1s2s3s圖2.4 梯形速度曲線(xiàn)2.3 plc及資源配置根據(jù)實(shí)際的控制點(diǎn)數(shù)和系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的控制要求，在本設(shè)計(jì)中選用西門(mén)子的s7-200系列的plc作為控制中心。2.3.1s7-200系列plc概述s7-200系列plc是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的一種超小型plc,超小型是指其功能具有大、中型plc的水平，而價(jià)格卻和小型plc的價(jià)格一樣?？梢詥螜C(jī)運(yùn)行，也可以輸入/輸出擴(kuò)展。它結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高

27、，運(yùn)行速度快，繼承和發(fā)揮了它在大、中型plc領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又極豐富的指令集，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，配有功能豐富的擴(kuò)展模塊，性能價(jià)格比非常高。因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。s7-200硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式加積木式，即主機(jī)中包含一定數(shù)量的i/o輸入輸出，同時(shí)還可以擴(kuò)展各種功能模塊。（1） 基本單元：基本單元有時(shí)又稱(chēng)作cpu模塊，也有的稱(chēng)之為主機(jī)或本機(jī)。特包括cpu、存儲(chǔ)器、基本輸入輸出點(diǎn)和電源等,是plc的主要部分。它實(shí)際上就是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，可以單獨(dú)的完成一定的控制任務(wù)。（2）擴(kuò)展單元：主機(jī)i/o數(shù)量不能滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的要求時(shí)，用戶(hù)可以根據(jù)需要擴(kuò)展各種i/o模塊，

28、所能連接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實(shí)際所能使用的i/o點(diǎn)數(shù)是多種因素共同決定的。（3）特殊功能模塊：當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時(shí)，可與simatic s7-200主機(jī)相連，已完成某種特殊的控制任務(wù)而特制的一種裝置。（4）相關(guān)設(shè)備：相關(guān)設(shè)備是為了充分和方便的利用simatic s7-200系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開(kāi)發(fā)和使用的一些設(shè)備，主要有編程設(shè)備、人際操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。（5）工業(yè)軟件：工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設(shè)備而開(kāi)發(fā)的與之相配套的程序，它主要有標(biāo)準(zhǔn)工具、工程工具、運(yùn)行軟件和人機(jī)接口等幾大類(lèi)構(gòu)成。2.3.2cpu型號(hào)選擇simatic s7-200的cpu模塊包括一個(gè)中央處理單元、電源

29、以及數(shù)字i/o點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。cpu負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，以便對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制任務(wù)或過(guò)程進(jìn)行控制。輸入部分則輸出控制信號(hào)，控制工業(yè)過(guò)程中的設(shè)備。根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)來(lái)計(jì)算，可以選用cpu-226這個(gè)型號(hào)的cpu，cpu226有24輸入/16輸出，最大可以擴(kuò)展為248點(diǎn)數(shù)字量或35點(diǎn)模擬量。其特點(diǎn)如下： 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(fù)載電源。 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(dá)20khz，用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)定位任務(wù)。 通信口：cpu226具有2個(gè)rs-485通信口，支持ppi、mpi協(xié)議，有自由口通信能力。 模擬電位器：

30、cpu226有兩個(gè)模擬電位器，用來(lái)改變特殊寄存器中的數(shù)值，以改變程序運(yùn)行的參數(shù)，如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的預(yù)設(shè)值，過(guò)程量的控制參數(shù)。 中斷輸入允許以極快的速度對(duì)過(guò)程信號(hào)的上升沿做出響應(yīng)。 數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)：cpu226具有24輸入/16輸出，輸出點(diǎn)為24v直流雙向偶看光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流兩種類(lèi)型，可擴(kuò)展模塊為7個(gè)。 cpu226有6個(gè)30khz的高速計(jì)數(shù)器，用于捕捉比cpu掃描頻率更高的脈沖信號(hào)。2.3.3plc的模塊選型由于s7-200-cpu226的集成24輸入/16輸出不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，所以又選用了em221擴(kuò)展模塊和em235擴(kuò)展模塊，正好滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需要。所選模塊型號(hào)如表2

31、-2所示。表2-2 擴(kuò)展模塊選型表系列號(hào)類(lèi)別描述選型型號(hào)數(shù)量em221輸入擴(kuò)展模塊di166es7221-1bh22-0xa01em235輸入/輸出擴(kuò)展模塊ai4/ao16es7235-0kd22-0xa02由于cpu226的輸入點(diǎn)只有24個(gè)，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的輸入點(diǎn)的需要，所以加入一個(gè)em221模塊，該模塊有16個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)，總體上可以滿(mǎn)足系統(tǒng)輸入的要求。另外加入兩個(gè)em235模擬量輸入/輸出模塊是為控制水平和垂直運(yùn)行的交流電機(jī)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如2.5所示：圖2.5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2.4碼垛機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)的準(zhǔn)確定位，提高存取效率和保證碼垛機(jī)的穩(wěn)定性，必須對(duì)碼垛機(jī)三個(gè)機(jī)構(gòu)的速度進(jìn)

32、行合理有效的控制，由于水平和垂直運(yùn)行電機(jī)分別采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)和單相交流異步電動(dòng)機(jī)，所以對(duì)這兩個(gè)方向的速度控制采用閉環(huán)變頻調(diào)速控制。2.4.1變頻器的選型（1） 變頻器的概念變頻器的工作原理是通過(guò)改變交流電頻率方式實(shí)現(xiàn)交流電的控制。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為igbt三相橋式逆變器，且輸出為pwm波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功率。（2） 變頻器的選型本文根據(jù)綜合考慮選擇西門(mén)子mm440變頻器，mm440型使用pid控制器，具pid微調(diào)等功能，mm440可用于矢量控制，可以實(shí)現(xiàn)高性能的應(yīng)用，帶內(nèi)置制動(dòng)單

33、元，可以快速制動(dòng)。mm440變頻器各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)如下：輸入電壓：3相380vac，50hz。輸入電流：2.8a。輸出功率：0.75kw。輸出電壓：3相(0-380)vac可調(diào)。輸出頻率：(0-650)hz可調(diào)。輸出電流：2.1。輸出控制：變頻器由微機(jī)處理器控制絕緣柵雙極型晶體管(igbt)的脈沖寬度調(diào)制頻率，實(shí)現(xiàn)輸出電壓、頻率可調(diào)?？刂谱饔茫海噶哭D(zhuǎn)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(010) 模擬量輸入。模擬量輸出：2路(020) 模擬量輸出。通訊接口：rs485通訊、uss協(xié)議。操作功能：aop盤(pán)、bop控制盤(pán)、電

34、位器與外接端子操作。2.4.2水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平行走電機(jī)采用220w的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行速度要求為2m/min360m/min，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式。s7-200plc的模擬量輸出信號(hào)作為mm440變頻器的模擬量輸入，來(lái)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(dòng)機(jī)的運(yùn)行；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由光電編碼器檢測(cè)并反饋到plc得高速計(jì)數(shù)口i1.4和i1.5，構(gòu)成閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)方框圖如圖2.6所示，為速度給定量，為plc輸出的控制量，為變頻器輸出電壓，為被控量，控制算法為pid。擾動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)（負(fù)載系統(tǒng)）變頻器主電路（igbt逆變器） plc控制器（pid算法）-

35、光電編碼器反饋圖2.6 plc變頻調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1）運(yùn)用指令系統(tǒng)中的pid指令，偏差信號(hào)按照pid算法計(jì)算出控制量，用傳送指令輸出電壓控制量到變頻器的模擬量輸入ain1口。（2）運(yùn)用指令系統(tǒng)中的hdef、hsc指令，進(jìn)行高速計(jì)數(shù)中斷程序設(shè)計(jì)，高速計(jì)數(shù)器設(shè)為hsc0和模式9，增計(jì)數(shù)，實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)光電編碼器反饋的a、b兩相正交脈沖數(shù)。（3）在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)測(cè)取系統(tǒng)各參數(shù)和輸出特性，并能在上/下位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制。（4）采用模塊化程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出控制程序，包括主程序、子程序和中斷程序。采用帶傳感器矢量控制閉環(huán)調(diào)速，能滿(mǎn)足像碼垛機(jī)這樣動(dòng)態(tài)特性要求較高，并且在低頻時(shí)輸出高轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速精度要求

36、較高的場(chǎng)合。由于碼垛機(jī)在工作過(guò)程中是頻繁啟動(dòng)和停車(chē)的，在高速運(yùn)行的狀態(tài)下還要求碼垛機(jī)能夠快速精準(zhǔn)地停在目的地，因此在制動(dòng)方面采用了動(dòng)能制動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)下所回饋的能量消耗在制動(dòng)電阻中，從而達(dá)到快速停車(chē)的目的。變頻器參數(shù)設(shè)定如表2-3所示。 表2-3 變頻器參數(shù)設(shè)定參數(shù)號(hào) 設(shè)定值 功能說(shuō)明p0003 3 專(zhuān)家模式，使能讀/寫(xiě)所有參數(shù) p0004 0全參數(shù) p0700 2 外部按鈕或上位機(jī)啟動(dòng)/停止系統(tǒng) p1000 2上位機(jī)或plc程序給定設(shè)定 p1300 1帶磁通電流的v/f控制方式 p2010 6通訊波特率設(shè)為9600 p2011 0mm440變頻器通訊地址2.4.3垂直方向變頻調(diào)速

37、系統(tǒng)設(shè)計(jì)垂直運(yùn)行電動(dòng)機(jī)采用200w的單向交流異步電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行速度要求為2m/min80m/min。垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)與水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，但是由于單相異步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)有所區(qū)別，所以垂直變頻調(diào)速系統(tǒng)和水平變頻調(diào)速系統(tǒng)也有不同的地方。從結(jié)構(gòu)上看單相異步電動(dòng)機(jī)與三相籠型異步電動(dòng)機(jī)相似，其轉(zhuǎn)子也為籠型，只是釘子繞組為單相工作繞組，但通常為起動(dòng)的需要，定子上除了工作繞組外，還設(shè)有起動(dòng)繞組，它的作用是產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一般只在起動(dòng)時(shí)接入，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到70%80%的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由離心開(kāi)關(guān)將其從電源自動(dòng)切除，所以正常工作時(shí)只有工作繞組在電源上運(yùn)行。但也有一些電容或電阻電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行時(shí)將起動(dòng)繞組

38、接于電源上，這實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一臺(tái)兩相電機(jī)，但由于它接在單相電源上，故稱(chēng)為單相異步電動(dòng)機(jī)。圖2.7是電容分組式單相異步電動(dòng)機(jī)原理圖。圖2.7 電容分組式單相異步電動(dòng)機(jī)原理圖1 工作繞組；2起動(dòng)繞組k離心式開(kāi)關(guān)；c電容器單相異步電動(dòng)機(jī)的突出特點(diǎn)是沒(méi)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和固定的轉(zhuǎn)向。為此要設(shè)置啟動(dòng)裝置，以及電機(jī)中產(chǎn)生一個(gè)與主磁場(chǎng)在空間和時(shí)間上不同相得磁場(chǎng)，從而形成一定大小的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。單相交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速與三相交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速不同，將單相220v輸入、三相輸出的變頻器的三個(gè)輸出端子（u、v、w），接任意兩端。輸出單相變頻調(diào)速電源在輸出端上串上一個(gè)足夠電感量的電感，用于隔離電動(dòng)機(jī)電容對(duì)變頻器的

39、危害作用（同時(shí)對(duì)變頻器的高載波率起到一定的濾波作用），并保護(hù)電動(dòng)機(jī)電容，此電路只適用于小功率單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)式和罩極式電動(dòng)機(jī)，不適用于帶離心開(kāi)關(guān)的單相電動(dòng)機(jī)。另外，變頻器的輸出電壓和電動(dòng)機(jī)的輸出電壓相匹配，變頻器要留有足夠的容量（應(yīng)比電動(dòng)機(jī)的使用功率大三倍）。串聯(lián)的電感要有足夠的電感量和通過(guò)電流的流量，電感的磁性材料應(yīng)與變頻器的載波率相匹配。變頻器和單相電容式運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的接線(xiàn)如圖2.8所示。圖2.8 變頻器與單相電容式運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的接線(xiàn)圖2.5碼垛機(jī)貨叉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)定子的各相繞組按照一定的順序通電、斷電，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子按既定的方向一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)固定

40、的角度，這個(gè)角度被稱(chēng)為“步距角”，通常用表示。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上均勻的分布著許多小齒，相鄰的兩個(gè)小齒的中心線(xiàn)間的角度稱(chēng)為齒距角()。對(duì)于m相n拍的步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，則轉(zhuǎn)子走過(guò)了n個(gè)步距角，所以步距角 （2-1）我們選用的s7-200型plc可以通過(guò)q0.0和q0.1兩個(gè)輸出端輸出脈沖串（pto）和脈寬調(diào)制（pwm）。本文選用pto控制方式，所以plc的輸出端q0.0用做高頻脈沖輸出端，電機(jī)選用兩相混合式電動(dòng)機(jī)42byg，步距角為,該電機(jī)使用配套的sh-20403兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。圖2.9是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的接線(xiàn)圖。 圖2.9步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器接線(xiàn)圖2.6安全檢測(cè)傳感器的應(yīng)用（1）貨架占

41、有情況檢測(cè)自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)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(dòng)作，損傷機(jī)械。入庫(kù)操作時(shí)，當(dāng)碼垛機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，先檢測(cè)貨位是否有貨物，若沒(méi)有貨物，則進(jìn)行伸叉作業(yè)，否則發(fā)出信號(hào)使碼垛機(jī)動(dòng)作停止；出庫(kù)時(shí)，若檢測(cè)出相應(yīng)貨位無(wú)貨物，則發(fā)出信號(hào)致碼垛機(jī)動(dòng)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(cè)貨物存放在貨架上，可能由于異常的情況導(dǎo)致貨物突出貨架的情況。這些突出的貨物可能妨礙碼垛機(jī)垂直方向的運(yùn)行，導(dǎo)致貨架或碼垛機(jī)的損害。在碼垛機(jī)垂直軌道上頂端安裝長(zhǎng)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(jī)報(bào)警，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)致碼垛機(jī)停

42、止運(yùn)行。2.7通信方案的確定為了控制無(wú)人運(yùn)轉(zhuǎn)碼垛機(jī)，必須向碼垛機(jī)發(fā)送運(yùn)轉(zhuǎn)和作業(yè)的信息。一個(gè)指令執(zhí)行完了之后，必須從碼垛機(jī)向地面發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，即確認(rèn)信號(hào)，之后才能執(zhí)行下一個(gè)指令。碼垛機(jī)的信息傳遞順序是：碼垛機(jī)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。碼垛機(jī)控制盤(pán)在收到作業(yè)信息之后向地面控制盤(pán)發(fā)出響應(yīng)信息。碼垛機(jī)根據(jù)作業(yè)信息進(jìn)行作業(yè)。作業(yè)完了之后，向地面發(fā)出“作業(yè)結(jié)束”信息。這樣把一系列作業(yè)進(jìn)行完了之后，成為等待下一個(gè)作業(yè)信息的待機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。主要基于以下兩點(diǎn)考慮：（1） rs-232c接口標(biāo)準(zhǔn)只能用于

43、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，而rs-485能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。rs-485允許平衡電纜上連接32個(gè)發(fā)送器/接收器。立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)要求監(jiān)控系統(tǒng)和3臺(tái)碼垛機(jī)控制系統(tǒng)連接，要求物理層的協(xié)議必須支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。（2） rs-485采用差動(dòng)發(fā)送/接收，所以共模抑制比高，抗干擾能力強(qiáng)。立體倉(cāng)庫(kù)的工作環(huán)境較惡劣，熱、電、磁等干擾信號(hào)較多，要求通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力較強(qiáng)，才能保證數(shù)據(jù)的正確接收。rs-485標(biāo)準(zhǔn)除上述優(yōu)點(diǎn)外，還具有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。由于plc帶有串行通信接口，只需用rs-485總線(xiàn)分別連接到計(jì)算機(jī)即可，可見(jiàn)系統(tǒng)的構(gòu)建十分簡(jiǎn)單。當(dāng)需要增加新設(shè)備時(shí)，只需要將新設(shè)備也連接到計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)的擴(kuò)展

44、也較容易。為了利用計(jì)算機(jī)帶有的rs-232接口與下層的各個(gè)模塊通信，在計(jì)算機(jī)上需要安裝232-485轉(zhuǎn)換器。2.8輸入輸出點(diǎn)的分配碼垛機(jī)控制系統(tǒng)采用的plc是s7-200 cpu226，總共使用了所有的24個(gè)輸入點(diǎn)和11個(gè)輸出點(diǎn)，具體i/o點(diǎn)分配如表2-4所示碼垛機(jī)控制系統(tǒng)使用擴(kuò)展i/o模塊em221，其i/o分配表如表2-5 。擴(kuò)展模塊em235是模擬量4輸入/1輸出模塊，在本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，只用到兩個(gè)擴(kuò)展模塊em235的輸出通道m(xù)o、vo，接變頻器mm440的端口3和4。表2-4 plc（cpu226）輸入輸出i/o點(diǎn)分輸入部分輸出部分i0.0十六進(jìn)制顯示鍵盤(pán)值1位q0.0機(jī)械手控制

45、脈沖i0.1鍵盤(pán)值2位q0.1機(jī)械手方向改變i0.2鍵盤(pán)值3位q0.2升降臺(tái)上升i0.3鍵盤(pán)值4位q0.3升降臺(tái)下降i0.4機(jī)械手到位限位q0.4小車(chē)向前運(yùn)動(dòng)i0.5機(jī)械手回位限位q0.5小車(chē)向后運(yùn)動(dòng)i0.6貨臺(tái)是否有物q0.6存物指示燈i0.7自動(dòng)/手動(dòng)（1/0）q0.7取物指示燈i1.0小車(chē)前限q1.1bcd輸出顯示bcd碼1位i1.1小車(chē)后限q1.2bcd碼2位i1.2升降臺(tái)上限q1.3bcd碼3位i1.3升降臺(tái)下限q1.4bcd碼4位i1.4層尋址1q1.5小車(chē)停止向前運(yùn)動(dòng)i1.5層尋址2q1.6小車(chē)停止向后運(yùn)動(dòng)i1.6列尋址1q2.0手動(dòng)時(shí)層到位指示燈i1.7列尋址2q2.1手動(dòng)時(shí)列

46、到位指示燈表2-5 em 221模塊i/o點(diǎn)分配1水平左限位i3.09縱向認(rèn)址下對(duì)準(zhǔn)i4.02水平右限位i3.110左端歪斜傳感器i4.13垂直上限位i3.211右端歪斜傳感器i4.24垂直下限位i3.312左探有貨傳感器i4.35水平前對(duì)準(zhǔn)i3.413右探有貨傳感器i4.46水平認(rèn)址計(jì)數(shù)i3.514低速按鈕i4.57縱向認(rèn)址上對(duì)準(zhǔn)i3.615中速按鈕i4.68縱向認(rèn)址計(jì)數(shù)i3.716高速按鈕i4.72.9本章小結(jié)：本章依據(jù)設(shè)計(jì)立體倉(cāng)庫(kù)的有關(guān)參數(shù)，對(duì)碼垛機(jī)電氣控制的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，碼垛機(jī)的控制方式、通訊方案及認(rèn)址方式的選擇，并設(shè)置了相應(yīng)的安全保護(hù)措施。第三章 碼垛機(jī)程序控制

47、設(shè)計(jì)s7-200可編程控制器主要使用step7-micro/win32編程軟件進(jìn)行編程和其它一些相關(guān)處理。step7-micro/win 32編程軟件是基于windows的應(yīng)用軟件，由西門(mén)子公司專(zhuān)為simatic s7-200系列可編程控制器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，功能強(qiáng)大，主要由用戶(hù)用來(lái)開(kāi)發(fā)控制程序，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶(hù)程序執(zhí)行狀態(tài)。它提供三種編輯器來(lái)創(chuàng)建你的程序：梯形圖、語(yǔ)句表和功能塊圖。用任何一種程序編寫(xiě)程序，都可以用另外一種程序編輯器來(lái)瀏覽和編輯，但要遵守一些輸入規(guī)則。語(yǔ)句表編輯器按照文本語(yǔ)言的形式顯示程序，此編輯器允許你輸入指令助記條款來(lái)創(chuàng)建你的控制程序。本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)控制系統(tǒng)采用手動(dòng)和自動(dòng)兩

48、種操作方式，其中自動(dòng)又有自動(dòng)入庫(kù)和自動(dòng)出庫(kù)兩種工作狀態(tài)。（1）自動(dòng)：由操作員在下層控制臺(tái)輸入貨單，發(fā)出運(yùn)行命令，碼跺機(jī)根據(jù)貨單和命令自動(dòng)運(yùn)行完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)甩手操作。（2）手動(dòng)：由操作員親自駕駛碼跺機(jī)進(jìn)行取貨和放貨操作，其中可以操作貨叉的升降、伸縮，碼跺機(jī)的上升下降，前進(jìn)，后退操作，來(lái)完成貨單任務(wù)。程序采用模塊化的方式進(jìn)行編寫(xiě)，最后再將程序的各個(gè)部分集成為能完成完整功能的完整的程序。系統(tǒng)采用中間信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)具體運(yùn)行動(dòng)作的控制，從而更準(zhǔn)確更安全的完成作業(yè);并采用指示燈在現(xiàn)場(chǎng)指示系統(tǒng)具體的工作狀態(tài)，并將工作信息寫(xiě)入到內(nèi)存中，方便上位機(jī)對(duì)碼跺機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)視。圖3.1是系統(tǒng)主程序流程圖。向上

49、位機(jī)上傳碼垛機(jī)狀態(tài)執(zhí)行送貨子程序執(zhí)行手動(dòng)操作子程序碼垛機(jī)運(yùn)行方式選擇開(kāi)始系統(tǒng)上電取貨任務(wù)執(zhí)行取貨子程序送貨任務(wù)碼垛機(jī)自檢子程序手動(dòng)方式自動(dòng)方式y(tǒng)nny圖3.1 主程序流程圖3.1碼垛機(jī)自檢和復(fù)位/歸位程序3.1.1碼垛機(jī)自檢程序碼垛機(jī)每次開(kāi)機(jī)上電時(shí)，plc系統(tǒng)通電，然后執(zhí)行用戶(hù)編寫(xiě)的功能模塊程序。plc系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行圖3.2碼垛機(jī)自檢程序。碼垛機(jī)自檢子程序主要是判斷上次系統(tǒng)是否正常關(guān)機(jī)，如果屬于非正常關(guān)機(jī)，碼垛機(jī)有無(wú)不安全因素（貨叉是否在收叉位置，載貨臺(tái)上有無(wú)貨物，貨位位置是否正常等），如果存在不安全因素，碼垛機(jī)開(kāi)始報(bào)警，等待故障處理。如果正常關(guān)機(jī)，則判斷碼垛機(jī)工作模式。在手動(dòng)操作模式下

50、，執(zhí)行手動(dòng)操作子程序。在自動(dòng)模式下，則由碼垛機(jī)機(jī)載控制柜上的觸摸屏操作下發(fā)作業(yè)任務(wù)。存在不安全因素?上次安全關(guān)機(jī)?故障報(bào)警，等待故障處理結(jié)束檢測(cè)貨叉位置及貨叉負(fù)載檢測(cè)安全關(guān)機(jī)標(biāo)志位開(kāi)始ynny圖3.2 碼垛機(jī)自檢子程序流程圖3.1.2碼垛機(jī)復(fù)位/歸位程序當(dāng)碼跺機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)(如認(rèn)址認(rèn)數(shù)器計(jì)數(shù)錯(cuò)誤等)，若不及時(shí)糾正，就會(huì)使倉(cāng)庫(kù)管理出現(xiàn)混亂，所以就需要系統(tǒng)能通過(guò)控制按鈕方便的恢復(fù)系統(tǒng)的部分?jǐn)?shù)據(jù)或設(shè)置，及時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。根據(jù)不同錯(cuò)誤的嚴(yán)重情況，設(shè)立系統(tǒng)歸位和系統(tǒng)復(fù)位兩種方式。碼跺機(jī)復(fù)位程序流程圖如圖3.3所示。當(dāng)按下歸位按鈕超過(guò)3s碼跺機(jī)開(kāi)始在水平與垂直兩個(gè)方向同時(shí)以中速返回原位。當(dāng)

51、碼跺機(jī)經(jīng)過(guò)強(qiáng)制限速點(diǎn)時(shí)，強(qiáng)制為低速，直到運(yùn)動(dòng)到原位停止。到達(dá)原位后，復(fù)位計(jì)數(shù)器；當(dāng)水平與垂直兩個(gè)方向均到達(dá)原位后，歸位動(dòng)作完成。若重新啟動(dòng)被按下超過(guò)3s，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行初始化程序，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)內(nèi)存區(qū)及自由端口進(jìn)行重新定義，同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)返回原位程序，以重新設(shè)定計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值；若不需要碼跺機(jī)歸位，則可以再松開(kāi)重新啟動(dòng)按鈕后，再短按一次重新啟動(dòng)按鈕(小于3s)，就可停止系統(tǒng)回歸原位。歸位按鈕按下重啟信號(hào)啟動(dòng)初化、歸位程序結(jié)束返回原位重啟信號(hào)定時(shí)到？計(jì)時(shí)時(shí)間到？nyyn到達(dá)原位/重啟按鈕按下？ny圖3.3 復(fù)位程序流程圖 3.2 自動(dòng)方式下的碼垛機(jī)運(yùn)行控制碼垛機(jī)執(zhí)行自動(dòng)入庫(kù)作業(yè)的初始條件為碼垛機(jī)位于入

52、庫(kù)口，升降臺(tái)位于最下位置，入庫(kù)臺(tái)車(chē)在碼垛機(jī)前進(jìn)方向的右邊，車(chē)上有貨物，碼垛機(jī)貨叉上無(wú)貨物。操作開(kāi)始先在上位機(jī)的監(jiān)控界面上輸入待入庫(kù)目標(biāo)貨位的列、層數(shù)，選擇入庫(kù)動(dòng)作，然后按下運(yùn)行鍵，系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行入庫(kù)作業(yè)。于是碼垛機(jī)向入庫(kù)口的貨位伸叉,伸叉到位后貨叉向上托起，托到貨物后碼垛機(jī)收叉，然后貨叉托著貨物回到貨叉中位，貨叉停止，載著貨物的碼垛機(jī)向目的貨位移動(dòng)，到達(dá)目的貨位之后檢測(cè)目標(biāo)貨位是否有貨，如無(wú)貨碼垛機(jī)向入庫(kù)目標(biāo)貨位伸叉，伸叉到位后貨叉下降，將貨物放到貨位上后碼垛機(jī)收叉，然后貨叉回到貨叉中位，貨叉停止，碼垛機(jī)返回到入庫(kù)口位置待命，準(zhǔn)備下一次作業(yè)。出庫(kù)的作業(yè)順序與入庫(kù)的作業(yè)順序類(lèi)似。3.2.1初始化程序設(shè)計(jì)這段程序主要是對(duì)所需的計(jì)數(shù)器、寄存器進(jìn)行初始化復(fù)位。網(wǎng)絡(luò)1和2是對(duì)兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，其中計(jì)數(shù)器c2是對(duì)輸入的倉(cāng)庫(kù)號(hào)的列數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，c3是對(duì)