學院自動化專業(yè)畢業(yè)設計任務書

286/286自動化專業(yè)畢業(yè)設計任務書一一一一、、、、設計題目設計題目設計題目設計題目：：：：基于基于基于基于PLC的立體倉庫堆垛機操縱系統(tǒng)設計的立體倉庫堆垛機操縱系統(tǒng)設計的立體倉庫堆垛機操縱系統(tǒng)設計的立體倉庫堆垛機操縱系統(tǒng)設計二、畢業(yè)設計的目的畢業(yè)設計的目的畢業(yè)設計的目的畢業(yè)設計的目的1．設計一個立體倉庫堆垛機操縱系統(tǒng)；2．水平移動、垂直移動及伸叉機機構分不由220W的三相交流異步電動機、200W的單相交流異步電動機和二相混合式步進電機驅動；3．上述電機由西門子S7-226型PLC操縱，其中水平移動、垂直移動由PLC通過變頻器操縱，步進電機由步進驅動模塊進行自動操縱。三、要緊設計內(nèi)容要緊設計內(nèi)容要緊設計內(nèi)容要緊設計內(nèi)容1．變頻調(diào)速系統(tǒng)設計；2．貨叉伸縮操縱；3．PLC操縱程序編寫與調(diào)試；四、重點研究問題重點研究問題重點研究問題重點研究問題PLC操縱，確定設計方案，完成各功能單元的結構設計，參數(shù)計算和元件選擇。五、要緊技術指標或要緊設計參數(shù)要緊技術指標或要緊設計參數(shù)要緊技術指標或要緊設計參數(shù)要緊技術指標或要緊設計參數(shù)堆垛機運行的速度范圍：水平方向：2m／min-360m／min；垂直方向：2m／min-80m／min；貨叉：2m／min-60m／min六、設計成果要求設計成果要求設計成果要求設計成果要求1．畢業(yè)設計論文要求字數(shù)為10000—15000字，論文格式參照華北水利水電學院關于本科畢業(yè)設計論文格式要求；2．系統(tǒng)電氣原理圖，要求用0#圖紙（按國標要求繪制）；3．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；4．畢業(yè)設計論文內(nèi)插圖必須用電腦制作；I華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書I基于基于基于基于PLC的立體倉庫堆垛機操縱系統(tǒng)設計的立體倉庫堆垛機操縱系統(tǒng)設計的立體倉庫堆垛機操縱系統(tǒng)設計的立體倉庫堆垛機操縱系統(tǒng)設計摘摘摘摘要要要要在現(xiàn)代的物流倉儲系統(tǒng)中，自動化立體倉庫應用日益廣泛。而堆垛機是立體倉庫的關鍵組成部分，堆垛機性能的優(yōu)劣對整個立體倉庫的運行起到至關重要的作用，因此設計與開發(fā)自動化程度較高的堆垛機操縱系統(tǒng)成為當前立體倉庫的進展趨勢，開展與此有關的研究具有重要的理論和應用價值。本文基于現(xiàn)代物流技術的應用和進展要求，介紹自動化立體倉庫的應用及其功能和作用，結合現(xiàn)代科技的進展，著重研究自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的操縱技術。本文詳細闡述了本操縱系統(tǒng)的設計思想，以及整個系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)和軟件設計。論文依據(jù)立體倉庫的有關設計參數(shù)，對堆垛機電氣操縱的硬件系統(tǒng)進行了設計，為了提高堆垛機的性能，本文采納了轉速、位置反饋的雙閉環(huán)操縱，以滿足系統(tǒng)的調(diào)速要求。系統(tǒng)的水平認址采納激光測距傳感器定位，垂直認址采納光電開關和認址片組合定位。變頻調(diào)速系統(tǒng)由S7-226PLC及其擴展模塊EM235通過變頻器MM440操縱交流電動機，采用光電編碼器反饋轉速信號，實現(xiàn)轉速閉環(huán)操縱。貨叉伸叉系統(tǒng)由S7-226PLC通過步進電動機驅動器SH-20403操縱二相混合式步進電動機。依照系統(tǒng)的操縱要求進行了PLC、變頻器、電機和電機驅動器的選型，并給出了系統(tǒng)的硬件接線圖，然后利用西門子的編程軟件step7設計了堆垛機操縱程序。關鍵詞關鍵詞關鍵詞關鍵詞自動化立體倉庫，堆垛機，PLCII華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書IIAbstractInmodernlogisticswarehousingsystems,automatedstorageisincreasinglywidespread.Haystackersarethekeyequipments,Performanceofthestackerplaysanimportantrole.DesignandDevelopmentofahigherdegreeofautomationStackerControlSystembecomeWarehousetrendofdevelopment,Thereforerelatedresearchhasimportanttheoryandapplicationvalue.ThispaperintroducesapplicationandperformanceofautomatedHigh-riseWarehousebasingonapplicationanddevelopmentrequirementofmodernlogisticstechniques.AndputsemphasisontheresearchingofcontroltechniquesinautomatedHigh-riseWarehousestackercombiningmodernscienceandtechniques.Thispaperelaboratedonthedesignofthesystemofcontrol,aswellastheimplementationofthesystem'shardwareandthedesignofthesoftware.Basedontheparameterrelatedtotheautomatedstorage,thispaperpresentedthehardwaresystemofstackerelectricalcontrol.Speedofthestackerwasthebasic.Inordertoimprovetheperformanceofthestacker,thesystemadoptsthespeed,position,doublefeedbackcontrol.Thehorizontalrecognizeaddressesofsystemusinglaserrangefindersensorpositioning,andverticalrecognitionusingphotoelectricswitchesandaddresspiececombinationaddressing.Speed-adjustedsystembyS7-226PLCanditsextensionmoduleEM235throughtransducerMM440controlacmotor.GoodsforksystemisbyS7-226PLCbinarysystemthroughsteppingmotordriverSH-20403controltwo-phasehybridsteppingmotor.Accordingtotherequirementsofthecontrolsystem,thispapercompletedtheselectionofPLC，frequencyconverter,themotoranditscontroller.Andpresentsthesystemhardwarehookup.ThenusethesoftwareofSiemensstep7designsthestackercontrolprocedures.KeyWords:AutomatedStorageandRetrievalSystem，Stacker，PLC1華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書目目目目錄錄錄錄摘要IAbstractII第一章緒論11.1自動化立體倉庫的概述11.1.1自動化立體倉庫的組成11.1.2自動化立體倉庫的優(yōu)點21.1.3自動化立體倉庫的進展21.2堆垛機概述31.2.1堆垛機的進展31.2.2堆垛機技術的研究現(xiàn)狀31.3本文研究的要緊內(nèi)容4第二章堆垛機操縱系統(tǒng)的硬件設計52.1操縱技術要求和系統(tǒng)總體設計52.2堆垛機位置操縱72.2.1定位操縱72.2.2認址檢測方式82.2.3認址方式確認92.2.4堆垛機速度曲線分析102.3PLC及資源配置112.3.1S7-200系列PLC概述112.3.2CPU型號選擇122.3.3PLC模塊選型132.4堆垛機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計142.4.1變頻器的選型142.4.2水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設計152.4.3垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設計172.5堆垛機貨叉操縱系統(tǒng)設計192華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書2.6安全檢測傳感器的應用202.7元器件的選型212.8通信方案的確定222.9輸入輸出點分配232.10本章小節(jié)24第三章堆垛機操縱程序設計253.1堆垛機自檢和復位/歸位程序273.1.1堆垛機自檢程序273.1.2堆垛機復位/歸位程序283.2自動方式下的堆垛機運行操縱293.2.1列向運行PLC程序實現(xiàn)293.2.2行向運行PLC程序實現(xiàn)313.2.3貨叉伸縮操縱PLC程序實現(xiàn)323.3手動方式下的堆垛機運行操縱343.4本章小節(jié)35總結36參考文獻37致謝38附錄一外文翻譯39附錄二堆垛機入庫作業(yè)流程圖481華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第1頁第一章第一章第一章第一章緒論緒論緒論緒論1.1自動化立體倉庫的概述自動化立體倉庫的概述自動化立體倉庫的概述自動化立體倉庫的概述在現(xiàn)代物流系統(tǒng)中，自動化立體倉庫是一個重要的組成部分，它是一種新型的倉儲技術。自動化立體倉庫又稱為自動存儲/檢索系統(tǒng)（AutomatedStorage&RetrievalSystem，AS/RS）。它是物料搬運和倉儲科學中的一門綜合科學技術工程。它以高層貨架為要緊標志，配以成套的先進搬運設備，以先進的計算機操縱技術為要緊手段，由此組成高頻率、大容量的科學存儲，以適應現(xiàn)代化生產(chǎn)、物資交流和倉儲的需求。1.1.1自動化立體倉庫的組成自動化立體倉庫的組成自動化立體倉庫的組成自動化立體倉庫的組成立體倉庫是指：采納高層貨架儲存物資，用起重、裝卸、運輸機械設備進行物資出庫和入庫作業(yè)的倉庫。這類倉庫要緊通過高層貨架充分利用空間進行存取物資，因此被成為立體倉庫。目前，立體倉庫最大高度能達到40多米，最大庫存數(shù)可達數(shù)萬個物資單位，能夠實現(xiàn)按打算入庫和出庫的全自動化操縱，以及無人操作的計算機網(wǎng)絡化治理。其要緊的組成部分有高層貨架、倉儲機械設備、操縱及治理設施。（1）貨架倉儲技術的進展由平面轉向高層立體化以后，高層貨架為倉庫的主體和標志，貨架越高，存儲量越大。貨架在物流及倉儲中占有特不重要的地位，目前的貨架具有多種功能，以滿足機械化和自動化的要求。要緊的貨架類型有單元式貨架、貫穿式貨架與旋轉式貨架。為了提高物資裝卸、存取效率，自動化立體倉庫一般使用貨箱或托盤盛放物資。貨箱和托盤的差不多功能是盛放小件物料，同時還應便于運輸車和堆垛機的插取和存放。（2）倉儲機械設備自動化立體倉庫的要緊搬運設備是巷道式堆垛機，其要緊用途是在高層貨架的巷道內(nèi)來回穿梭運行，將位于巷道口的物資存放入貨格中，或者將物資取出運送到巷道口。輸送系統(tǒng)必須是具有高度的可靠性，在立體倉庫中一般只有一套輸送系統(tǒng)，因此應保證輸送系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)上的設備可靠、耐用、維修方便，同時還應該對輸送系統(tǒng)設置手動操縱做后備。自動化立體倉庫中的物資輸送裝置要緊有傳送帶、各種流淌小車及AGV等，短距離的傳送還能夠采納機器人。2華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第2頁（3）操縱及治理設施操縱治理系統(tǒng)采納分布式操縱，即由治理計算機、中央操縱計算機和直接操縱堆垛機、入/出庫輸送機等現(xiàn)場設備的操縱器組成操縱系統(tǒng)。治理計算機是立體倉庫的治理中心，承擔著入/出庫治理、盤庫治理、查詢、打印及顯示、經(jīng)濟技術指標的計算分析等功能，包括在線治理和離線治理；中央操縱計算機是立體倉庫的操縱中心，他溝通并協(xié)調(diào)治理計算機、堆垛機、入/出輸送機等設備之間的聯(lián)系，操縱和監(jiān)視著整個立體倉庫系統(tǒng)的運行。1.1.2自動化立體自動化立體自動化立體自動化立體倉庫的優(yōu)點倉庫的優(yōu)點倉庫的優(yōu)點倉庫的優(yōu)點事實證明采納自動化立體倉庫能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，要緊表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）層貨架：立體倉庫由于使用了高層貨架存儲物資，存儲區(qū)能夠大幅度的向空間進展，充分利用了倉庫的空間，提高了空間利用率。（2）自動存?。鹤詣踊Ⅲw倉庫使用機械和自動化設備，運行和處理速度快，提高了作業(yè)效率。（3）計算機操縱與治理：計算機能夠準確無誤的對倉庫的各種信息進行存儲和治理，不僅降低了操作人員的勞動強度，還減少了貨單處理和信息處理過程中的差錯，從而提高了倉庫的治理水平。（4）節(jié)約成本：作業(yè)效率的提高勢必會降低物資儲存的成本費用，由此也提高了企業(yè)的現(xiàn)代化物流意識。1.1.3自動化立體倉庫的進展自動化立體倉庫的進展自動化立體倉庫的進展自動化立體倉庫的進展高層貨架倉庫的出現(xiàn)和進展是第二次世界大戰(zhàn)以后生產(chǎn)技術進展的結果。在生產(chǎn)發(fā)張的實際需要和科技水平進展的現(xiàn)實可能下，五十年代初開始出現(xiàn)了自動化立體倉庫。1950年美國首先產(chǎn)生手動操縱的橋式堆垛機起重機，與此同時提出了高層貨架的概念，被認為是自動化倉庫的雛形。1960年以后巷道式堆垛機逐漸代替了橋式堆垛機，此后堆垛機的使用范圍和性能有了專門大的進展，尤其是在日本，自動化立體倉庫進展迅速，目前日本的自動化倉庫技術和自動化倉庫的擁有量都位居世界前列。自動化技術在倉儲領域中的進展分為五個時期：人工倉儲時期、自動化倉儲時期、集成化倉儲時期和智能化時期。其中智能自動化倉儲在九十年代后期以及二十一世紀的若干年內(nèi)，是倉儲自動化技術的要緊進展方向。3華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第3頁我國對自動化立體倉庫及其物料搬運設備的研制并不晚，1963年研制成第一臺橋式堆垛起重機(機械部北京起重運輸機械研究所)，1973年開始研制我國第一座由計算機操縱的自動化立體倉庫(高巧米，機械部起重所負責)，該庫1980年投入運行。1.2堆垛機概述堆垛機概述堆垛機概述堆垛機概述堆垛機是自動化立體倉庫系統(tǒng)的重要組成部分，它是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部件，存貨時將物資從出入貨臺準確的存放到貨位里，取貨時將物資從貨位中取回到出入貨臺。不管何種類型的堆垛機，一般都由水平行走機構、起升機構、載貨臺及貨叉機構、機架和電氣設備等差不多部分組成。它是在所謂高層、高速、高密度儲藏的概念下的產(chǎn)物。盡管各廠家各有獨創(chuàng)，結構形式有些差異，但能夠講大同小異，所有的堆垛機都不外乎由機架、載貨臺、伸縮貨叉、軌道和操縱系統(tǒng)等部分組成。1.2.1堆垛機的進展堆垛機的進展堆垛機的進展堆垛機的進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物資。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納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進展，操縱技術、定位精度、運行速度都得到了專門大程度的提高。巷道式堆垛機的起升速度差不多能夠達到90m/min，運行速度達到240m/min，在有的立體倉庫中采納上、下兩層分不用巷道堆垛機進行搬運作業(yè)的方法提高出入庫能力。1.2.2堆垛機技術的研究現(xiàn)狀堆垛機技術的研究現(xiàn)狀堆垛機技術的研究現(xiàn)狀堆垛機技術的研究現(xiàn)狀按現(xiàn)行機械行業(yè)標準，有軌巷道式堆垛機分類方式專門多，如按支承方式、用途、操縱方式、結構、運行軌跡等分類。不管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、機架和電氣設備等差不多部分組成。體現(xiàn)堆垛機動態(tài)性能優(yōu)劣的指標要緊有：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年代的子母電動機改為變頻調(diào)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；4華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第4頁提升驅動己由20世紀70年代的雙速電動機改進為變頻調(diào)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(diào)速，速度由8m/min提升至4~35m/min；在堆垛機自動操縱方面還采納閉環(huán)操縱變頻調(diào)速系統(tǒng)、Profibus總線操縱等先進技術。盡管如此，目前國產(chǎn)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；認址采納光電探測，精度不足，認址差錯率高。1.3本文研究的要緊內(nèi)容本文研究的要緊內(nèi)容本文研究的要緊內(nèi)容本文研究的要緊內(nèi)容課題的研究目標是設計安全可靠，具有經(jīng)濟性能和操作性能良好的堆垛機操縱系統(tǒng)。要緊內(nèi)容如下：(1)介紹自動化立體倉庫和堆垛機的一般概念和差不多組，以及國內(nèi)外立體倉庫和堆垛機的進展現(xiàn)狀，簡單介紹了立體倉庫的進展方向。(2)對堆垛機在水平方向和垂直方向運行進行速度操縱，依照運行的目的地址和當前地址之間的比較，選擇合適的變頻器，對電機的運行速度進行操縱。并在應用新的定位方式的基礎上，對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行位置速度雙閉環(huán)操縱，并解決新方案中的硬件設置問題。由PLC輸出高速脈沖和貨叉方向改變信號操縱步進電動機左伸和右伸，以及貨叉的伸縮速度。(3)設計了堆垛機運行系統(tǒng)的操縱程序，包括堆垛機各種工作方式下的操縱程序。5華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第5頁第二章第二章第二章第二章堆垛機操縱系統(tǒng)的硬件設計堆垛機操縱系統(tǒng)的硬件設計堆垛機操縱系統(tǒng)的硬件設計堆垛機操縱系統(tǒng)的硬件設計2.1操縱技術要求和系統(tǒng)總體設計操縱技術要求和系統(tǒng)總體設計操縱技術要求和系統(tǒng)總體設計操縱技術要求和系統(tǒng)總體設計（1）本系統(tǒng)中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。水平部分運動電機和垂直部分運動電機分不采納220W的三相交流異步電動機和200W的單相交流異步電動機，由西門子S7-200PLC通過變頻器進行控制。伸叉機構電機采納兩相混合式步進電機，由西門子S7-200通過步進電機驅動器進行控制。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。要緊技術指標和和要緊設計參數(shù)堆垛機運行的速度范圍：水平方向：2m/min~360m/min；垂直方向：2m/min~80/min；貨叉：2m/min~60/min（2）本文堆垛機的操縱方式有自動和手動操縱。①手動方式通過堆垛機的轉換開關及按鈕操縱堆垛機水平和提升運動及貨叉伸縮。同時運動速度也能夠手動選擇。手動操作時，系統(tǒng)應給予相應的警示信號。同時系統(tǒng)將解除大部分的愛護操縱。手動操作要緊用于安裝、調(diào)試和排除故障。②單機自動用人機界面對堆垛機進行全自動的操縱，操縱系統(tǒng)依照用戶輸入的參數(shù)進行全自動的取送貨動作。界面操作時，應具備對物資的單送、單取操作。人機界面應具備實時顯示設備運行工況，故障及歷史故障查詢等功能。（3）在本文設計的堆垛機操縱系統(tǒng)中上位機完成的只是數(shù)據(jù)輸入和傳送，要緊的控制任務是由PLC來完成。①作業(yè)命令處理：確定作業(yè)狀態(tài)時自動依舊手動；確定作業(yè)指令是存貨入庫依舊取貨出庫；確定作業(yè)地址包括列地址和層地址。②位置技術及推斷：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通過檢測認址片來推斷堆垛機位置和載貨臺的位置，每通過一個認址片，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6華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第6頁機停車。③速度調(diào)整和準確停車：依照堆垛機和目標位置的距離，PLC輸出速度調(diào)整的操縱信號給變頻器，通過變頻器操縱電機的轉速，在停車之前先把堆垛機的運行速度降低到低速檔，使堆垛機以低速接近目標位置，保證堆垛機的穩(wěn)定性。④作業(yè)任務的順序邏輯操縱：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)順序的邏輯操縱。⑤安全愛護：水平行走、載貨臺升降及貨叉的伸縮等都有限位愛護。⑥PLC還有工作故障報警功能。本系統(tǒng)由上位監(jiān)控級與直接操縱級組成。監(jiān)控級對通訊、流程進行操縱，并進行實時圖像顯示，直接操縱級是由PLC(可編程序操縱器)組成的操縱系統(tǒng)對各設備進行單機自動操作。采納組態(tài)王6.52建立監(jiān)控界面，同時將運行系統(tǒng)的狀態(tài)反饋到監(jiān)控計算機。堆垛機采納西門子公司的S7-200型PLC操縱，與變頻器結合對堆垛機進行變頻調(diào)速。系統(tǒng)結構拓撲圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)結構拓撲圖監(jiān)控計算機S7-200PLC堆垛機水平認址系統(tǒng)堆垛機縱向認址系統(tǒng)堆垛機縱向變頻系統(tǒng)堆垛機水平變頻系統(tǒng)堆垛機貨叉操縱系統(tǒng)堆垛機縱向運行機構堆垛機水平運行機構堆垛機貨叉運行機構堆垛機物資檢測系統(tǒng)堆垛機限位愛護系統(tǒng)7華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第7頁2.2堆垛機位置操縱堆垛機位置操縱堆垛機位置操縱堆垛機位置操縱由堆垛機的作業(yè)流程分析，堆垛機是由水平運行機構、縱向起升機構和貨叉伸縮機構三部分組成的，水平運行機構和垂直起升機構使堆垛機到達目標位置，貨叉伸縮機構完成存取貨任務。要完成對堆垛機自動操縱系統(tǒng)的設計，首先要保證堆垛機能夠準確到達目標位置，因此在設計堆垛機自動操縱系統(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。另外為了提高存取效率和保證堆垛機的穩(wěn)定性，必須對堆垛機三個機構的速度進行合理有效的操縱，其中速度位置檢測是堆垛機自動操縱系統(tǒng)的關鍵部分。堆垛機速度位置操縱的實現(xiàn)方法如圖2.2所示，操縱系統(tǒng)由PLC操縱器、調(diào)速系統(tǒng)、編碼器、認址片和認址器組成，實現(xiàn)位置和速度的雙閉環(huán)操縱。執(zhí)行機構輸入編碼器速度檢測位置檢測圖2.2堆垛機位置速度操縱框圖2.2.1定位操縱定位操縱定位操縱定位操縱定位操縱確實是確定堆垛機停止在目標貨位的功能。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不的編碼，因此將貨架兩側編成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。如此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，因此實際上堆垛機位置的檢測只是對Y、Z位置的檢測。操縱器調(diào)速系統(tǒng)M認址器8華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第8頁2.2.2認址檢測方式認址檢測方式認址檢測方式認址檢測方式要緊的認址檢測方式有以下幾種：（1）絕對認址：絕對認址是將每一個貨位給予唯一的開關狀態(tài)，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不器，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推斷堆垛機的當前位置。（2）相對認址：相對認址：相對認址時每個貨位的認址片結構相同。每通過一個貨位，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：編碼器定位方式要緊有兩種：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，能夠得到堆垛機的相對運行位置。（4）激光測距定位：激光測距定位是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。這種方法的精度專門高，然而使用時堆垛機和激光發(fā)射器和反射板之間不同意有物體，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，下面的表格2-1是他們之間的比較對比：表2-1認址方式對比表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9華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第9頁2.2.3認址方式確認認址方式確認認址方式確認認址方式確認為完成對堆垛機的位置操縱，必須能檢測出堆垛機的運行位置，本文設計的堆垛機系統(tǒng)認址方式如下：（1）水平認址系統(tǒng)水平方向采納激光測距傳感器，當前數(shù)據(jù)為位移值，通過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(nèi)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，假如物體遮擋激光光線，讓它脫離原標準原點的測定位置，將阻礙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(chǎn)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同意有任何物體遮擋激光光線，關于激光光線通道應采取隔離愛護措施，保證激光測距的準確性和自動化系統(tǒng)的安全性。（2）縱向認址系統(tǒng)堆垛機縱向方向的層定位采納光電開關和認址片組合定位，即在堆垛機的上下安裝兩個光電開關，在每層的貨位上安裝認址片。低位為取貨開始伸叉或放貨完畢收叉的位置，高位為放貨開始伸叉或取貨完畢收叉的位置。為使貨叉能完成作業(yè)，堆垛機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裝置。因此在堆垛機的升降臺上安裝三個光電開關，與升降臺一起上升下降，中間的一個共用，其他兩個分不為上位置和下位置。存貨開始或取貨結束時，升降臺貨叉停在高位置，下面兩個光電開關處于認址片內(nèi)；取貨開始或存貨結束時，貨叉停在低位置，現(xiàn)在上面兩個光電開關處于認址片內(nèi)，如圖2.3所示。上對準光電下對準光電低位置中間計數(shù)光電上對準光電中間計數(shù)光電下對準光電高位置圖2.3堆垛機垂直方向認址傳感器分布圖10華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第10頁其認址狀態(tài)如表2-2所示：表2-2認址狀態(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……計數(shù)、減速、定位……定位、停止A2計數(shù)、減速、定位定位、停止定位、停止計數(shù)、減速、定位A3……計數(shù)、減速、定位……2.2.4堆垛機速度曲線分析堆垛機速度曲線分析堆垛機速度曲線分析堆垛機速度曲線分析常見的速度運行曲線有三種，分不為三角形與梯形速度曲線、拋物線與直線形速度曲線、正弦形速度曲線。本文采納最常用的梯形速度曲線。如圖2.4所示，梯形速度曲線堆垛機以加速度ma啟動加速，當勻加速到最大運行速度mv時，保持該速度運行一段時刻，再以ma勻減速運行，直到零速停靠。VABCS1S2S3S圖2.4梯形速度曲線11華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第11頁2.3PLC及資源配置及資源配置及資源配置及資源配置依照實際的操縱點數(shù)和系統(tǒng)需要實現(xiàn)的操縱要求，在本設計中選用西門子的S7-200系列的PLC作為操縱中心。2.3.1S7-200系列系列系列系列PLC概述概述概述概述S7-200系列PLC是德國西門子公司生產(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，而價格卻和小型PLC的價格一樣。能夠單機運行，也能夠輸入/輸出擴展。它結構小巧，可靠性高，運行速度快，繼承和發(fā)揮了它在大、中型PLC領域的技術優(yōu)勢，又極豐富的指令集，具有強大的多種集成功能和實時特性，配有功能豐富的擴展模塊，性能價格比特不高。因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關注。特不是S7-200CPU22*系列PLC(它是21*系列的替代產(chǎn)品），由于它具有多種功能模塊和人機界面可供選擇，能夠專門容易的組成PLC網(wǎng)絡。同時具有功能齊全的編程和工業(yè)操縱組態(tài)軟件，使得S7-22*系列PLC來完成操縱系統(tǒng)的設計時更加簡單，系統(tǒng)的集成特不方便，幾乎能夠完成任何功能的操縱任務。S7-200硬件系統(tǒng)的配置方式采納整體式加積木式，即主機中包含一定數(shù)量的I/O輸入輸出，同時還能夠擴展各種功能模塊。（1）差不多單元：差不多單元有時又稱作CPU模塊，也有的稱之為主機或本機。特包括CPU、存儲器、差不多輸入輸出點和電源等，使PLC的要緊部分。它實際上確實是一個完整的操縱系統(tǒng)，能夠單獨的完成一定的操縱任務。（2）擴展單元：主機I/O數(shù)量不能滿足操縱系統(tǒng)的要求時，用戶能夠依照需要擴展各種I/O模塊，所能連接的擴展單元的數(shù)量和實際所能使用的I/O點數(shù)是多種因素共同決定的。（3）專門功能模塊：當需要完成某些專門功能的操縱任務時，可與SIMATICS7-200主機相連，已完成某種專門的操縱任務而特制的一種裝置。（4）相關設備：相關設備是為了充分和方便的利用SIMATICS7-200系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)和使用的一些設備，要緊有編程設備、人際操作界面和網(wǎng)絡設備等。（5）工業(yè)軟件：工業(yè)軟件是為更好的治理和使用這些設備而開發(fā)的與之相配套的程序，它要緊有標準工具、工程工具、運行軟件和人機接口等幾大類構成。12華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第12頁2.3.2CPU型號選擇型號選擇型號選擇型號選擇（1）西門子CPU的介紹SIMATICS7-200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)自動化操縱任務或過程進行操縱。輸入部分則輸出操縱信號，操縱工業(yè)過程中的設備。西門子第二代產(chǎn)品的CPU模塊位CPU22*，是在本世紀初投放市場的。其速度快，具有極強的通訊能力。它具有四種不同結構配置的CPU單元。①CPU221：CPU221具有6輸入/4輸出，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-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。特不適合小點數(shù)的操縱系統(tǒng)。②CPU222：CPU222除了具有CPU221的功能外，其不同在于：它有8輸入/6輸出，共計14點I/O，能夠擴展8路模擬量和最多64個I/O,因此使更廣泛的全功能操縱器。③CPU224：它在CPU222的基礎上使主機的輸入輸出點數(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)學指令和高數(shù)計數(shù)器的數(shù)量，具有較強的操縱能力。④CPU226：這種模塊在CPU224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，通訊能力大大增強；它可用于點數(shù)較多、要求較高的小型或中型操縱系統(tǒng)。（2）CPU型號的選擇依照操縱點數(shù)來計算，能夠選用CPU-226那個型號的CPU，CPU226有24輸入/16輸出，最大能夠擴展為248點數(shù)字量或35點模擬量。其特點如下：①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。②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，用于操縱步進電機或伺服電機，實現(xiàn)定位任務。③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。④模擬電位器：CPU226有兩個模擬電位器，用來改變專門寄存器中的數(shù)值，以改變程序運行的參數(shù)，如定時器、計數(shù)器的預設值，過程量的操縱參數(shù)。⑤中斷輸入同意以極快的速度對過程信號的上升沿做出響應。⑥數(shù)字量輸入/輸出點：CPU226具有24輸入/16輸出，輸出點為24V直流雙向偶看13華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第13頁光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流兩種類型，可擴展模塊為7個。⑦CPU226有6個30KHZ的高速計數(shù)器，用于捕捉比CPU掃描頻率更高的脈沖信號。2.3.3PLC模塊選型模塊選型模塊選型模塊選型由于S7-200-CPU226的集成24輸入/16輸出不能滿足設計的要求，因此又選用了EM221擴展模塊和EM235擴展模塊，正好滿足設計的需要。所選模塊型號如表2-3所示。表2-3擴展模塊選型表系列號類不描述選型型號數(shù)量EM221輸入擴展模塊DI166ES7221-1BH22-0XA01EM235輸入/輸出擴展模塊AI4/AO16ES7235-0KD22-0XA02由于CPU226的輸入點只有24個，不能滿足設計的輸入點的需要，因此加入一個EM221模塊，該模塊有16個數(shù)字輸入點，總體上能夠滿足系統(tǒng)輸入的要求。另外加入兩個EM235模擬量輸入/輸出模塊是為操縱水平和垂直運行的交流電機。系統(tǒng)總體結構圖如2.5所示：上位機CPU226EM221EM235EM235輸入?yún)^(qū)手動開關光電編碼器限位開關指示燈、繼電器步進電機驅動器MM440變頻器MM440變頻器二相混合式步進電機三相交流異步電動機單相交流異步電動機輸出區(qū)RS-485圖2.5系統(tǒng)總體結構圖14華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第14頁2.4堆垛機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計堆垛機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計堆垛機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計堆垛機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計為了實現(xiàn)堆垛機的準確定位，提高存取效率和保證堆垛機的穩(wěn)定性，必須對堆垛機三個機構的速度進行合理有效的操縱，由于水平和垂直運行電機分不采納三相交流異步電動機和單相交流異步電動機，因此對這兩個方向的速度操縱采納閉環(huán)變頻調(diào)速操縱。2.4.1變頻器的選型變頻器的選型變頻器的選型變頻器的選型（1）變頻的概念變頻器的工作原理是通過改變交流電頻率方式實現(xiàn)交流電的操縱。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和操縱4個部分組成。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、直流儲能和緩沖無功率。要緊特點如下：①通過改變變頻器的輸出頻率實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速操縱。②在利用變頻器進行調(diào)速操縱時，只需改變變頻器內(nèi)部逆變電路換流器件的開關順序即可達到對輸出進行換向的目的，不需要設置專門的切換裝置。③高速驅動是變頻器調(diào)速操縱的一個顯著優(yōu)點。④假如變頻器的容量同意的話，能夠使用一臺變頻器同時驅動多臺電機。⑤采納變頻器對異步電動機進行啟動時，由于能夠將輸出頻率降至一個專門小的值起動，電動機起動電流專門小，對電機會起到較好的愛護作用。（2）變頻器的分類按照主電路工作方式進行分類，變頻器能夠分為電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓型變頻器的特點是將直流電壓源轉換為交流電源，而電流型變頻器的特點則是將直流電流源轉換為交流電源。①電壓型變頻器。在電壓型變頻器中，整流電路或者斬波電路產(chǎn)生逆變電路所需要的直流電壓，并通過中間電路的電容進行平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起直流電壓源的作用，而電壓源輸出的直流電壓在逆變電路中被轉換為具有所需頻率的交流電壓。在電壓型變頻器中，由于能量回饋給直流中間電路的電容，并使直流電壓上升，還需要有專用的放電電路，以防止換流器件因電壓過高而被破壞。②電流型變頻器。在電流型變頻器中，整流電路給出直流電流，并通過中間電路的電抗將電流進行平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起電流源的作用，而電流源輸出的15華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第15頁交流電流在逆變電路中被轉換為所需要的交流電流，并被分配給各輸出相后作為交流電流提供給電動機。在電流型變頻器中，電動機定子電壓的操縱是通過檢測電壓后對電流進行操縱的方式實現(xiàn)的。（4）變頻器的選型本文依照綜合考慮選擇西門子MM440變頻器，MM440型使用PID操縱器，具PID微調(diào)等功能，MM440可用于矢量操縱，能夠實現(xiàn)高性能的應用，帶內(nèi)置制動單元，能夠快速制動。MM440變頻器各項參數(shù)指標如下：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：2.1A。輸出操縱：變頻器由微機處理器操縱絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的脈沖寬度調(diào)制頻率，實現(xiàn)輸出電壓、頻率可調(diào)。操縱作用：VF，矢量—轉矩、光電編碼器反饋的速度操縱等。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操縱盤、電位器與外接端子操作。2.4.2水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設計水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設計水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設計水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設計水平行走電機采納220W的三相交流異步電動機，運行速度要求為2m/min~360m/min，系統(tǒng)采納轉速閉環(huán)操縱方式。S7-200PLC的模擬量輸出信號KU作為MM440變頻器的模擬量輸入，來操縱變頻器輸出頻率和輸出電壓的變化，從而操縱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得高速計數(shù)口I1.4和I1.5，構成閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)方框圖如圖2.6所示，gn為速度給定量，KU為PLC輸出的操縱量，u為變頻器16華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第16頁輸出電壓，n為被控量，操縱算法為PID。擾動gneKUunfn圖2.6PLC變頻調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)結構圖（1）運用指令系統(tǒng)中的PID指令，偏差信號按照PID算法計算出操縱量，用傳送指令輸出電壓操縱量到變頻器的模擬量輸入AIN1口。（2）運用指令系統(tǒng)中的HDEF、HSC指令，進行高速計數(shù)中斷程序設計，高速計數(shù)器設為HSC0和模式9，增計數(shù)，實時采集并存儲光電編碼器反饋的A、B兩相正交脈沖數(shù)。（3）在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中，實時測取系統(tǒng)各參數(shù)和輸出特性，并能在上/下位機進行系統(tǒng)操縱。（4）采納模塊化程序結構設計出操縱程序，包括主程序、子程序和中斷程序。采納帶傳感器矢量操縱閉環(huán)調(diào)速，能滿足像堆垛機如此動態(tài)特性要求較高，同時在低頻時輸出高轉矩以及轉速精度要求較高的場合。由于堆垛機在工作過程中是頻繁啟動和停車的，在高速運行的狀態(tài)下還要求堆垛機能夠快速精準地停在目的地，因此在制動方面采用了動能制動，將電動機運行在發(fā)電狀態(tài)下所回饋的能量消耗在制動電阻中，從而達到快速停車的目的。依照操縱系統(tǒng)的性能指標要求，三相異步電動機采納泰安伊萬福電機有限公司生產(chǎn)的2Y系列2Y-632-2型電機，額定功率300W，額定電流0.69A，額定電壓380V，額定頻率50Hz，轉速2720minr，功率因數(shù)0.81。PLC操縱器（PID算法）變頻器主電路（IGBT逆變器）三相異步電動機（負載系統(tǒng)）光電編碼器反饋17華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第17頁變頻器參數(shù)設定如表2-4所示。表2-4變頻器參數(shù)設定參數(shù)號設定值功能講明P00033專家模式，使能讀/寫所有參數(shù)P00040全參數(shù)P07002外部按鈕或上位機啟動/停止系統(tǒng)P10002上位機或PLC程序給定設定P13001帶磁通電流的V/f操縱方式P20106通訊波特率設為9600P20110MM440變頻器通訊地址2.4.3垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設計垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設計垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設計垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設計垂直運行電動機采納200W的單向交流異步電動機，運行速度要求為2m/min~80m/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)結構相似，然而由于單相異步電動機和三相異步電動機有所區(qū)不，因此垂直變頻調(diào)速系統(tǒng)和水平變頻調(diào)速系統(tǒng)也有不同的地點。從結構上看單相異步電動機與三相籠型異步電動機相似，其轉子也為籠型，只是釘子繞組為單相工作繞組，但通常為起動的需要，定子上除了工作繞組外，還設有起動繞組，它的作用是產(chǎn)生起動轉矩，一般只在起動時接入，當轉速達到70%~80%的同步轉速時，由離心開關將其從電源自動切除，因此正常工作時只有工作繞組在電源上運行。但也有一些電容或電阻電動機，在運行時將起動繞組接于電源上，這實質上相當于一臺兩相電機，但由于它接在單相電源上，故稱為單相異步電動機。圖2.7是電容分組式單相異步電動機原理圖。單相異步電動機的突出特點是沒有啟動轉矩和固定的轉向。為此要設置啟動裝置，以及電機中產(chǎn)生一個與主磁場在空間和時刻上不同相得磁場，從而形成一定大小的旋轉磁場以產(chǎn)生啟動轉矩。單相異步電動機因有反轉轉矩，與相同容量的三相異步電機比較，具有勵磁電流大、功率因數(shù)低、過載能力小、效率也比較低等缺點。但因其結構簡單、使用方便，使數(shù)瓦至三百瓦左右的小功率電機得以廣泛采納。18華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第18頁圖2.7電容分組式單相異步電動機原理圖1—工作繞組；2—起動繞組K—離心式開關；C—電容器單相交流電動機的變頻調(diào)速與三相交流電動機的變頻調(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足夠電感量的電感，用于隔離電動機電容對變頻器的危害作用（同時對變頻器的高載波率起到一定的濾波作用），并愛護電動機電容，此電路只適用于小功率單相電容運轉式和罩極式電動機，不適用于帶離心開關的單相電動機。另外，變頻器的輸出電壓和電動機的輸出電壓相匹配，變頻器要留有足夠的容量（應比電動機的使用功率大三倍）。串聯(lián)的電感要有足夠的電感量和通過電流的流量，電感的磁性材料應與變頻器的載波率相匹配。依照操縱系統(tǒng)的性能指標要求，單相異步電動機選用許昌萬通電機制造有限公司生產(chǎn)的YY7112型電機，額定功率250W，額定電流1.73A，效率67，功率因數(shù)0.92，額定轉速2800，堵轉電流10A，堵轉轉矩額定轉矩0.35，最大轉矩額定轉矩1.6。變頻器和單相電容式運轉電動機的接線如圖2.8所示。1CK2M19華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第19頁變頻調(diào)速器RSUVW單相電容式運轉電動機運行電容AC220圖2.8變頻器與單相電容式運轉電動機的接線圖2.5堆垛機貨叉操縱系統(tǒng)設計堆垛機貨叉操縱系統(tǒng)設計堆垛機貨叉操縱系統(tǒng)設計堆垛機貨叉操縱系統(tǒng)設計步進電動機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。步進電機定子的各相繞組按照一定的順序通電、斷電，從而帶動轉子按既定的方向一步一步轉動固定的角度，那個角度被稱為“步距角”，通常用θ表示。步進電機的轉子上均勻的分布著許多小齒，相鄰的兩個小齒的中心線間的角度稱為齒距角?(360?=轉動齒數(shù))。關于m相n拍的步進電機來講，則轉子走過了n個步距角θ，因此步距角()360nnθ?==×轉子步數(shù)（2-1）本文選用的S7-226型PLC能夠通過Q0.0和Q0.1兩個輸出端輸出脈沖串（PTO）和脈寬調(diào)制（PWM）。本文選用PTO操縱方式，因此PLC的輸出端Q0.0用做高頻脈沖輸出端，電機選用森創(chuàng)兩相混合式電動機42BYG，步距角為()()1.80.9整步半步,該電機使用配套的SH-20403兩相混合式步進電動機細分驅動器。圖2.9是步進電動機和驅動器的接線圖。二相混合式步進電動機驅動器的特點是：恒流操縱，極低的電源損耗，極高的開關頻率，驅動電流和細分數(shù)可由撥碼開關設定，并具有半流鎖定功能，脫機操縱功能，所有輸入信號與功率放大部分光電隔離。20華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第20頁PLCMA+A-B+B-脈沖信號貨叉方向改變信號24VDC公共端1K1K42BYG步進電機SH-20403驅動器圖2.9步進電機和驅動器接線圖2.6安全檢測傳感器的應用安全檢測傳感器的應用安全檢測傳感器的應用安全檢測傳感器的應用（1）貨架占有情況檢測自動化倉庫需要明白物資是否存放在貨架，或者物資在貨架的位置信息。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，先檢測貨位是否有物資，若沒有物資，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物資，則發(fā)出信號致堆垛機動作停止。本文采納漫反射型的光電傳感器能夠感知物資在貨架的存在或者位置。（2）物資突出貨架檢測物資存放在貨架上，可能由于異常的情況導致物資突出貨架的情況。這些突出的物資可能阻礙堆垛機垂直方向的運行，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能夠監(jiān)視物資突出，一旦有突出，向上位機報警，操縱系統(tǒng)發(fā)出信號致堆垛機停止運行。21華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第21頁2.7元器件的選型元器件的選型元器件的選型元器件的選型要緊的元器件的選擇如下表2-5所示。表2-5元器件使用表名稱代號符號個數(shù)規(guī)格符號備注PLCPLC1S7-200CPU226，AC/DC繼電器輸出擴展模塊1EM22116路數(shù)字輸入擴展模塊2EM2354模擬量輸入、1模擬量輸出接觸器KM3CJ20-100線圈電壓220V電阻R22K限流愛護器FR1JRS4-140365d整定電流80-104A熔斷器FU4RLS1-100額定電壓380V額定電流20-100A指示燈HL5AD16-22GLED顯示，220V行程開關SQ14LF-0124LB額定電壓10-30VDC按鈕開關SAKD2B-21帶自鎖，24V激光測距傳感器1ODSL8型檢測距離25-45米光電傳感器E3G-MR19光電編碼器755A增量式三相交流異步電動機M1Y2-632-2額定電壓380V，額定功率300W單相交流異步電動機M1YY7112額定電壓380V，額定功率250W步進電動機驅動器SH-2040324-70VDC二相混合式步進電動機M142BYG步距角0.9/1.822華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第22頁2.8通信方案的確定通信方案的確定通信方案的確定通信方案的確定為了操縱無人運轉堆垛機，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：堆垛機首先同意的作業(yè)信息是從什么地點取貨，之后把它存入什么貨位。堆垛機操縱盤在收到作業(yè)信息之后向地面操縱盤發(fā)出響應信息。堆垛機依照作業(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。如此把一系列作業(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。本文采納RS-485標準。要緊基于以下兩點考慮：（1）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同意平衡電纜上連接32個發(fā)送器/接收器。立體倉庫操縱系統(tǒng)要求監(jiān)控系統(tǒng)和3臺堆垛機操縱系統(tǒng)連接，要求物理層的協(xié)議必須支持一點對多點的通信。（2）RS-485采納差動發(fā)送/接收，因此共模抑制比高，抗干擾能力強。立體倉庫的工作環(huán)境較惡劣，熱、電、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總線分不連接到計算機即可，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。為了利用計算機帶有的RS-232接口與下層的各個模塊通信，在計算機上需要安裝232-485轉換器。在自動化立體倉庫操縱系統(tǒng)中選用Modbus通訊協(xié)議作為其通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。Modbus通訊協(xié)議是Modicon公司設計的一種適用于工業(yè)操縱的主從結構式串口通訊協(xié)議，差不多成為通用工業(yè)標準。Modbus串行鏈路協(xié)議是一個主-從協(xié)議，采納請求-響應方式，主站發(fā)出帶有從站地址的請求報文，具有該地址的從站收到后發(fā)出響應報文進行應答。采納該協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的操縱設備能夠互連成工業(yè)網(wǎng)絡，實現(xiàn)集中監(jiān)控。許多工控產(chǎn)品，例如PLC、變頻器、人機界面、DCS和自動化儀表等，都在廣泛地使用Modbus協(xié)議。本系統(tǒng)中使用的變頻器和PLC都支持Modbus協(xié)議。而且Modbus協(xié)議編程簡單、容易實現(xiàn)。在筆者所研制的自動化立體倉庫操縱系統(tǒng)中得到了專門好的應用，數(shù)據(jù)傳輸準確、可靠。23華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第23頁2.9輸入輸出點分配輸入輸出點分配輸入輸出點分配輸入輸出點分配為方便系統(tǒng)施工時的硬件連接，方便上位機查詢、修改系統(tǒng)的輸入/輸出點狀態(tài)，在系統(tǒng)程序編寫前，需對系統(tǒng)的輸入輸出點進行合理的規(guī)劃分配。分配1/0點時，應注意系統(tǒng)公共點的帶載能力，以免燒毀設備。在進行1/0分配時，將相同設備、相似功能的輸入輸出點集中在一起，即便于線路連接、經(jīng)歷，又便于上位機查詢系統(tǒng)的工作狀態(tài)及設備的位置。堆垛機操縱系統(tǒng)采納的PLC是S7-200CPU226，總共使用了所有的24個輸入點和11個輸出點，具體I/O點分配如表2-6所示堆垛機操縱系統(tǒng)使用擴展I/O模塊EM221，其I/O分配表如表2-7。擴展模塊EM235是模擬量4輸入/1輸出模塊，在本文所設計的操縱系統(tǒng)中，只用到兩個擴展模塊EM235的輸出通道MO、VO，接變頻器MM440的端口3和4。表2-6PLC（CPU226）輸入輸出I/O點分配序號操縱元件編程地址序號操縱元件編程地址1啟動I0.019貨叉右伸按鈕I2.22停止I0.120貨叉左伸按鈕I2.33復位I0.221貨叉原位按鈕I2.44存貨I0.322貨叉電機脈沖輸出Q0.05取貨I0.423堆垛機上升Q0.16自動I0.524堆垛機下降Q0.27水平編碼器反饋AI0.625貨叉方向改變Q0.38水平編碼器反饋BI0.726堆垛機前進Q0.49手動I1.027堆垛機后退Q0.510貨叉右伸到位I1.128低貨位指示燈Q0.611貨叉到中位I1.229高貨位指示燈Q0.712貨叉左伸到位I1.330水平停準指示燈Q1.013垂直編碼器反饋AI1.431垂直停準指示燈Q1.114垂直編碼器反饋BI1.532警示燈Q1.215前進按鈕I1.633水平電動機停機Q1.316后退按鈕I1.724華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第24頁17上升按鈕I2.018下降按鈕I2.1表2-7EM221模塊I/O點分配水平左限位I3.09縱向認址下對準I4.0水平右限位I3.110左端歪斜傳感器I4.1垂直上限位I3.211右端歪斜傳感器I4.2垂直下限位I3.312左探有貨傳感器I4.3水平前對準I3.413右探有貨傳感器I4.4水平認址計數(shù)I3.514低速按鈕I4.57縱向認址上對準I3.615中速按鈕I4.68縱向認址計數(shù)I3.716高速按鈕I4.72.10本章小節(jié)本章小節(jié)本章小節(jié)本章小節(jié)本章依據(jù)設計立體倉庫的有關參數(shù)，對堆垛機電氣操縱的硬件系統(tǒng)進行了設計。包括堆垛機作業(yè)流程圖、系統(tǒng)結構圖，堆垛機的操縱方式、通訊方案及認址方式的選擇，并設置了相應的安全愛護措施，對堆垛機PLC操縱系統(tǒng)輸入瑜出點的分配進行了詳細論述。25華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第25頁第三章第三章第三章第三章堆垛機操縱程序設計堆垛機操縱程序設計堆垛機操縱程序設計堆垛機操縱程序設計S7-200可編程操縱器要緊使用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進行編程和其它一些相關處理。STEP7-Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應用軟件，由西門子公司專為SIMATICS7-200系列可編程操縱器設計開發(fā)，功能強大，要緊由用戶用來開發(fā)操縱程序，同時也能夠實時監(jiān)控用戶程序執(zhí)行狀態(tài)。它提供三種編輯器來創(chuàng)建你的程序：梯形圖、語句表和功能塊圖。用任何一種程序編寫程序，都能夠用另外一種程序編輯器來掃瞄和編輯，但要遵守一些輸入規(guī)則。語句表編輯器按照文本語言的形式顯示程序，此編輯器同意你輸入指令助記條款來創(chuàng)建你的操縱程序。（1）梯形邏輯(LAD)梯形邏輯(LAD)是STEP7編程語言的圖形表達方式。它的指令語法與一個繼電器梯形邏輯圖相似，當電信號通過各個觸點、復合元件以及輸出線圈時，梯形圖能夠讓你追蹤電信號在電源示意線之間的流淌。（2）語句表(STL)語句表(STL)是STEP7編程語言的文本表達方式。與機器碼相似，假如一個程序是用語句表編寫的，CPU執(zhí)行程序時則按每一條指令一步一步地執(zhí)行。（3）功能塊圖(FBD)功能塊圖(FBD)是STEP7編程語言的圖形表達方式，使用與布爾代數(shù)相類似的邏輯框來表達邏輯。復合功能(如數(shù)學功能)可用邏輯框相連直接表達。本文設計的堆垛機操縱系統(tǒng)采納手動和自動兩種操作方式，其中自動又有自動入庫和自動出庫兩種工作狀態(tài)。（1）自動：由操作員在下層操縱臺輸入貨單，發(fā)出運行命令，堆跺機依照貨單和命令自動運行完成任務，實現(xiàn)甩手操作。（2）手動：由操作員親自駕駛堆跺機進行取貨和放貨操作，其中能夠操作貨叉的升降、伸縮，堆跺機的上升下降，前進，后退操作，來完成貨單任務。程序采納模塊化的方式進行編寫，最后再將程序的各個部分集成為能完成完整功能的完整的程序。系統(tǒng)采納中間信號來實現(xiàn)對具體運行動作的操縱，從而更準確更安全的完成作業(yè);并采納指示燈在現(xiàn)場指示系統(tǒng)具體的工作狀態(tài)，并將工作信息寫入到內(nèi)存中，方便上位機對堆跺機系統(tǒng)的運行進行實時的監(jiān)視。圖3.1是系統(tǒng)主程序流程圖。26華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第26頁手動方式自動方式YNNY圖3.1主程序流程圖開始系統(tǒng)上電堆垛機自檢子程序執(zhí)行手動操作子程序堆垛機運行方式選擇送貨任務取貨任務執(zhí)行取貨子程序執(zhí)行送貨子程序向上位機上傳堆垛機狀態(tài)27華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第27頁3.1堆垛機自檢和復位堆垛機自檢和復位堆垛機自檢和復位堆垛機自檢和復位/歸位程序歸位程序歸位程序歸位程序3.1.1堆垛機自檢程序堆垛機自檢程序堆垛機自檢程序堆垛機自檢程序在堆垛機主程序流程圖3.1中，堆垛機每次開機上電時，PLC系統(tǒng)通電，然后執(zhí)行用戶編寫的功能模塊程序。PLC系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行圖3.2堆垛機自檢程序。堆垛機自檢子程序要緊是推斷上次系統(tǒng)是否正常關機，假如屬于非正常關機，堆垛機有無不安全因素（貨叉是否在收叉位置，載貨臺上有無物資，貨位位置是否正常等），假如存在不安全因素，堆垛機開始報警，等待故障處理。假如正常關機，則推斷堆垛機工作模式。在手動操作模式下，執(zhí)行手動操作子程序。在自動模式下，則由堆垛機機載操縱柜上的觸摸屏操作下發(fā)作業(yè)任務。YNNY圖3.2堆垛機自檢子程序流程圖開始檢測安全關機標志位上次安全關機?檢測貨叉位置及貨叉負載存在不安全因素?故障報警，等待故障處理結束28華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第28頁3.1.2堆垛機復位堆垛機復位堆垛機復位堆垛機復位/歸位程序歸位程序歸位程序歸位程序當堆跺機在運行過程中出現(xiàn)錯誤時(如認址認數(shù)器計數(shù)錯誤等)，若不及時糾正，就會使倉庫治理出現(xiàn)混亂，因此就需要系統(tǒng)能通過操縱按鈕方便的恢復系統(tǒng)的部分數(shù)據(jù)或設置，及時恢復系統(tǒng)的正常運行。依照不同錯誤的嚴峻情況，設立系統(tǒng)歸位和系統(tǒng)復位兩種方式。堆跺機復位程序流程圖如圖3.3所示。當按下歸位按鈕超過3s堆跺機開始在水平與垂直兩個方向同時以中速返回原位。當堆跺機通過強制限速點時，強制為低速，直到運動到原位停止。到達原位后，復位計數(shù)器；當水平與垂直兩個方向均到達原位后，歸位動作完成。若重新啟動被按下超過3s，系統(tǒng)會執(zhí)行初始化程序，對系統(tǒng)的各個內(nèi)存區(qū)及自由端口進行重新定義，同時，系統(tǒng)會啟動返回原位程序，以重新設定計數(shù)器的當前值；若不需要堆跺機歸位，則能夠再松開重新啟動按鈕后，再短按一次重新啟動按鈕(小于3s)，就可停止系統(tǒng)回歸原位。NYYNNY圖3.3復位程序流程圖歸位按鈕按下重啟信號計時時刻到？重啟信號定時到？返回原位到達原位/重啟按鈕按下？結束啟動初化、歸位程序29華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第29頁3.2自動方式下的堆垛機運行操縱自動方式下的堆垛機運行操縱自動方式下的堆垛機運行操縱自動方式下的堆垛機運行操縱堆垛機執(zhí)行自動入庫作業(yè)的初始條件為堆垛機位于入庫口，升降臺位于最下位置，入庫臺車在堆垛機前進方向的右邊，車內(nèi)有物資，堆垛機貨叉上無物資。操作開始先在上位機的監(jiān)控界面上輸入待入庫目標貨位的列、層數(shù)，選擇入庫動作，然后按下運行鍵，系統(tǒng)開始執(zhí)行入庫作業(yè)。因此堆垛機向入庫口的貨位伸叉,伸叉到位后貨叉向上托起，托到物資后堆垛機收叉，然后貨叉托著物資回到貨叉中位，貨叉停止，載著物資的堆垛機向目的貨位移動，到達目的貨位之后檢測目標貨位是否有貨，如無貨堆垛機向入庫目標貨位伸叉，伸叉到位后貨叉下降，將物資放到貨位上后堆垛機收叉，然后貨叉回到貨叉中位，貨叉停止，堆垛機返回到入庫口位置待命，預備下一次作業(yè)。出庫的作業(yè)順序與入庫的作業(yè)順序類似。3.2.1列向運行列向運行列向運行列向運行PLC程序實現(xiàn)程序實現(xiàn)程序實現(xiàn)程序實現(xiàn)下面是一段小車沿列向自動運行的程序，這段程序分為兩部分：（1）首先考慮的問題是：小車處于前進或者是存放物資的過程，依舊完成了預定任務返回在的過程。然而由于PLC程序的執(zhí)行特點是逐行掃描，因此僅僅推斷小車是處于前進過程依舊返回過程是不夠的，因為在返回過程中，還有貨叉從貨架上縮回、升降臺下降到初始位置等過程，因此，必須要在程序中能夠將這3種不同的運動區(qū)分開來。依照這種要求，在編寫程序的時候加入了3個不同的BOOL類型的變量M20.1、M20.3、M20.5，分不作為小車沿列向運行到位標志、升降臺行向運行標志、貨叉到位標志。當變量為ON時，表示已完成該項動作，為OFF時表明小車還沒有完成動作。Q0.6是開關量輸出，表示啟動小車前進，小車開始向前運動。程序如下所示，表3-1為網(wǎng)絡的注釋表。網(wǎng)絡1：列向自動運行LDSM0.0LPSANM20.7ANM20.1AM0.0AM10.0//置Q0.6為ON，Q0.6為小車前向運行輸出SQ0.4,1LPPAM20.7ANM20.530華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第30頁AM0.0AM10.0SQ0.5,1//置Q0.5為ON，Q0.5為小車后退運行輸出表3-1網(wǎng)絡1注釋表地址注釋M20.7小車是否處于執(zhí)行動作過程中；為ON則表示執(zhí)行動作過程中SM0.0該值始終為1M10.0手、自動狀態(tài)Q0.5小車向后狀態(tài)M20.1列到位標志Q0.4小車向前運行M20.5物品到位標志M0.0運行狀態(tài)（2）當小車還處于取放貨的動作未完成的時期時，需要推斷的是小車是否差不多完成了列的定位，假如未完成列的定位(M20.1為OFF)，那么啟動小車前進的電機，使小車向前運動。假如小車處于差不多完成了取放貨的動作時，那么推斷小車是否差不多完成了由貨架上返回的動作。假如小車完成了些過程，那么將開始進行后退運動，Q0.5表示啟動小車后退電機，使小車向后運行并返回初始位置。程序如下所示，表3-2為網(wǎng)絡2注釋表。網(wǎng)絡2：列向準確尋址LDSM0.0LPSANM20.7ANM20.1AM0.0AM10.0AR=VD1200,VD28=Q1.6//輸出停止向前運行信號SM20.1,1//設置達到標記LPPAM20.7ANM20.1//輸出停止向后運行信號ANM20.3AM0.0AM10.0AR=VD1200,0.0=Q1.7RM20.1,1//清除達到標記RM20.7,1//清除達到標記31華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第31頁表3-2網(wǎng)絡2注釋表地址注釋M20.7小車是否處于執(zhí)行動作過程中，ON則表示執(zhí)行動作SM0.0該值始終為1M10.0手、自動狀態(tài)M20.1列到位標志VD28水平目的距離VD1200激光測距傳感器數(shù)值M20.3行到位標志M0.0運行狀態(tài)Q1.4停止向后運行Q1.3停止向前運行3.2.2行向運行行向運行行向運行行向運行PLC程序實現(xiàn)程序實現(xiàn)程序實現(xiàn)程序實現(xiàn)行向運動是由三個光電開關定位，行向定位原理與列向定位原理相似，區(qū)不在于，存貨開始或是取貨結束時，升降臺貨叉停在高位置，下面兩個光電開關處于認址片內(nèi)；取貨開始或存貨結束時，貨叉停在低位置，現(xiàn)在上面兩個光電開關處于起升認址片內(nèi)，在定位停準后，存在貨叉的上浮和下移動作。程序如下所示，表3.3為網(wǎng)絡3注釋表。網(wǎng)絡3行向準確尋址LDSM0.0LPSLDI0.3//出入庫選擇ANM20.7ANM20.3AM10.0AC1//行計數(shù)器C1AI2.2//下對準光電LDNI0.3ANM20.7ANM20.3AM10.0AC1//行計數(shù)器C2AI2.0//上對準光電OLDAM0.0ALD=Q2.0//行到位，停止上升SM20.3,1//置位行到位標記LPPAM20.732華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第32頁ANM20.6AM0.0AM10.0AC2SQ2.1,1//停止下降RM20.1,1RM30.1,1//下降計數(shù)器復位表3-3網(wǎng)絡3注釋表地址注釋M20.7小車是否處于執(zhí)行動作過程中，ON表示執(zhí)行動作SM0.0該值始終為1M10.0手、自動狀態(tài)I0.3出入庫選擇M20.1列到位標志3.2.3貨叉伸縮操縱貨叉伸縮操縱貨叉伸縮操縱貨叉伸縮操縱PLC程序實現(xiàn)程序實現(xiàn)程序實現(xiàn)程序實現(xiàn)貨叉操縱的差不多原理與前面相似，不再詳細講明，僅對不同于前面兩種運動的情況進行講明。M20.5是伸縮到位標志。為ON時，表示貨叉到達指定位置，為OFF時表示未達到指定位置。假如定時器標志T37為ON，表示定時器差不多達到了預定的時刻，講明貨叉差不多前伸到了指定的深度因此停止前伸的運動。程序如下所示，表3.4為網(wǎng)絡5注釋表。網(wǎng)絡4伸縮定時設定LDSM0.0LPSANM20.7AM20.1AM20.3AM0.0ANI1.7AI1.6//貨位虛實檢測開關AM10.0ANM20.5TONT37,18//伸縮定時LPPAM20.7AM20.5AM0.0AM10.0LDI0.3//出入庫選擇AI2.033華北水利水電學院畢業(yè)設計講明書第33頁LDNI0.1AI2.2//下對準光電OLDALDTONT37,18網(wǎng)絡5定時到，停止前伸，后縮LDSM0.0//始終為1LPSANM20.7AM20