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目錄 摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ 第一章 緒論 ………………………………………………………………………1 1.1自動化立體倉庫的概述 ………………………………………………………1 1.1.1自動化立體倉庫的組成 …………………………………………………………1 1.1.2自動化立體倉庫的優(yōu)點 …………………………………………………………2 1.1.3自動化立體倉庫的發(fā)展 …………………………………………………………2 1.2 碼垛機的概述 …………………………………………………………………2 1.2.1碼垛機的發(fā)展 …………………………………………………………………3 1.2.2碼垛機研究技術的現(xiàn)狀 …………………………………………………………3 第二章 碼垛機控制系統(tǒng)的硬件設計 ………………………………………4 2.1控制技術要求和系統(tǒng)總體設計…………………………………………………4 2.2碼垛機的位置控制………………………………………………………………5 2.2.1定位控制…………………………………………………………………………6 2.2.2認址檢測方式 ……………………………………………………………………6 2.2.3認址方式確認 ……………………………………………………………………7 2.2.4碼垛機速度曲線分析 ……………………………………………………………8 2.3 PLC及資源配置 …………………………………………………………………8 2.3.1S7-200系列PLC概述 ……………………………………………………………9 2.3.2CPU型號選擇 ……………………………………………………………………9 2.3.3PLC模塊選擇 …………………………………………………………………10 2.4碼垛機變頻調速系統(tǒng)設計 ……………………………………………………11 2.4.1變頻器選型 …………………………………………………………………11 2.4.2水平方向變頻調速系統(tǒng)設計 …………………………………………………11 2.4.3垂直方向變頻調速系統(tǒng)設計 …………………………………………………13 2.5碼垛機貨叉控制系統(tǒng)設計……………………………………………………14 2.6安全檢測傳感器的應用………………………………………………………15 2.7通信方案的確定………………………………………………………………16 2.8輸入輸出點的分配……………………………………………………………16 第三章 碼垛機程序控制設計 ………………………………………………18 3.1碼垛機自檢和復位/歸位程序…………………………………………………20 3.1.1碼垛機自檢程序 ………………………………………………………………20 3.1.2碼垛機復位/歸位程序 …………………………………………………………21 3.2自動方式下的碼垛機運行控制 ………………………………………………21 3.2.1初始化程序設計 ………………………………………………………………22 3.2.2運行方式選擇程序 ……………………………………………………………23 3.2.3自動控制中的尋址定位…………………………………………………………23 3.3手動方式下的碼垛機運行控制 ………………………………………………25 3.3.1手動控制中的尋址定位程序 ……………………………………………………25 3.3.2手動方式下的貨叉運行控制 ……………………………………………………26 3.4步進電機驅動程序 ……………………………………………………………27 結束語 ……………………………………………………………………………28 致 謝………………………………………………………………………………29 附 錄………………………………………………………………………………30 參考資料 …………………………………………………………………………32 1.2.2碼垛機技術的研究現(xiàn)狀 按現(xiàn)行機械行業(yè)標準，有軌巷道式碼垛機分類方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結構、運行軌跡等分類。無論何種類型的碼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)碼垛機動態(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，碼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速，速度由5~50m/min提升至4~160m/min，國外小載重量的碼垛機最高可達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；在碼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，目前國產碼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，認址出錯率高。 第二章 碼垛機控制技術的硬件設計 2.1控制技術要求和系統(tǒng)總體設計 （1）本系統(tǒng)中碼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別采用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。伸叉機構電機采用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。由碼垛機運行機構特點及工作要求可知，能否保證碼垛機的穩(wěn)定工作，關鍵在碼垛機的三維位置移動定位的精確性。 主要技術指標和和主要設計參數(shù) 碼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）本文碼垛機的控制方式有自動和手動控制。 ① 手動方式通過碼垛機的轉換開關及按鈕控制碼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。 ② 單機自動用人機界面對碼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運行工況，故障及歷史故障查詢等功能。 （3）在本文設計的碼垛機控制系統(tǒng)中上位機完成的只是數(shù)據(jù)輸入和傳送，主要的控制任務是由PLC來完成。 ① 作業(yè)命令處理：確定作業(yè)狀態(tài)時自動還是手動；確定作業(yè)指令是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。 ② 位置技術及判斷：沿著碼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碼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，碼垛機停車。 ③ 速度調整和準確停車：根據(jù)碼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，在停車之前先把碼垛機的運行速度降低到低速檔，使碼垛機以低速接近目標位置，保證碼垛機的穩(wěn)定性。 ④ 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。 ⑤ 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。 ⑥ PLC還有工作故障報警功能。 本系統(tǒng)由上位監(jiān)控級與直接控制級組成。監(jiān)控級對通訊、流程進行控制，并進行實時圖像顯示，直接控制級是由PLC(可編程序控制器)組成的控制系統(tǒng)對各設備進行單機自動操作。采用組態(tài)系統(tǒng)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。碼垛機采用西門子公司的S7-200型PLC控制，與變頻器結合對碼垛機進行變頻調速。系統(tǒng)結構拓撲圖如圖2.1所示。 監(jiān)控計算機 碼垛機貨叉控制系統(tǒng) 碼垛機水平變頻系統(tǒng) 碼垛機縱向變頻系統(tǒng) 碼垛機貨叉運行機構 碼垛機水平運行機構 碼垛機縱向運行機構 碼垛機限位保護系統(tǒng) 碼垛機貨物檢測系統(tǒng) S7-200 PLC 碼垛機縱向認址系統(tǒng) 碼垛機水平認址系統(tǒng) 圖2.1 系統(tǒng)結構圖 2.2碼垛機位置控制 由碼垛機的作業(yè)流程分析，碼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碼垛機到達目標位置，貨叉伸縮機構完成存取貨任務。要完成對碼垛機自動控制系統(tǒng)的設計，首先要保證碼垛機能夠準確到達目標位置，所以在設計碼垛機自動控制系統(tǒng)時，關鍵在于準確可靠的認址和定位保證碼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碼垛機的穩(wěn)定性，必須對碼垛機三個機構的速度進行合理有效的控制，其中速度位置檢測是碼垛機自動控制系統(tǒng)的關鍵部分。 碼垛機速度位置控制的實現(xiàn)方法如圖2.2所示，控制系統(tǒng)由PLC控制器、調速系統(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)控制。 M 調速系統(tǒng) 認址器 控制器 輸入 編碼器 速度檢測 位置檢測 圖2.2 碼垛機位置速度控制框圖 2.2.4碼垛機速度曲線分析 常見的速度運行曲線有三種，分別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。本文采用最常用的梯形速度曲線。如圖2.4所示，梯形速度曲線碼垛機以加速度啟動加速，當勻加速到最大運行速度時，保持該速度運行一段時間，再以勻減速運行，直到零速?？?。 V A B C S1 S2 S3 S 圖2.4 梯形速度曲線 2.3.3PLC的模塊選型 由于S7-200-CPU226的集成24輸入/16輸出不能滿足設計的要求，所以又選用了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2-2所示。 表2-2 擴展模塊選型表 系列號 類別 描述 選型型號 數(shù)量 EM221 輸入擴展模塊 DI16 6ES7221-1BH22-0XA0 1 EM235 輸入/輸出擴展模塊 AI4/AO1 6ES7235-0KD22-0XA0 2 由于CPU226的輸入點只有24個，不能滿足設計的輸入點的需要，所以加入一個EM221模塊，該模塊有16個數(shù)字輸入點，總體上可以滿足系統(tǒng)輸入的要求。另外加入兩個EM235模擬量輸入/輸出模塊是為控制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： 圖2.5 系統(tǒng)總體結構圖 2.4碼垛機變頻調速系統(tǒng)設計 為了實現(xiàn)碼垛機的準確定位，提高存取效率和保證碼垛機的穩(wěn)定性，必須對碼垛機三個機構的速度進行合理有效的控制，由于水平和垂直運行電機分別采用三相交流異步電動機和單相交流異步電動機，所以對這兩個方向的速度控制采用閉環(huán)變頻調速控制。 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改變交流電頻率方式實現(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。 （2） 變頻器的選型 本文根據(jù)綜合考慮選擇西門子MM440變頻器，MM440型使用PID控制器，具PID微調等功能，MM440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。 輸出頻率：(0-650)Hz可調。 輸出電流：2.1。 輸出控制：變頻器由微機處理器控制絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的脈沖寬度調制頻率，實現(xiàn)輸出電壓、頻率可調。 控制作用：，矢量—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) 模擬量輸入。 模擬量輸出：2路(0~20) 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。 2.4.2水平方向變頻調速系統(tǒng)設計 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2m/min~360m/min，系統(tǒng)采用轉速閉環(huán)控制方式。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得高速計數(shù)口I1.4和I1.5，構成閉環(huán)變頻調速系統(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 三相異步電動機（負載系統(tǒng)） 變頻器 主電路 （IGBT逆變器） PLC 控制器 （PID算法） - 光電編碼器反饋 圖2.6 PLC變頻調速閉環(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)控制。 （4）采用模塊化程序結構設計出控制程序，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)調速，能滿足像碼垛機這樣動態(tài)特性要求較高，并且在低頻時輸出高轉矩以及轉速精度要求較高的場合。由于碼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)下還要求碼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。 變頻器參數(shù)設定如表2-3所示。 表2-3 變頻器參數(shù)設定 參數(shù)號 設定值 功能說明 P0003 3 專家模式，使能讀/寫所有參數(shù) P0004 0 全參數(shù) P0700 2 外部按鈕或上位機啟動/停止系統(tǒng) P1000 2 上位機或PLC程序給定設定 P1300 1 帶磁通電流的V/f控制方式 P2010 6 通訊波特率設為9600 P2011 0 MM440變頻器通訊地址 2.4.3垂直方向變頻調速系統(tǒng)設計 垂直運行電動機采用200W的單向交流異步電動機，運行速度要求為2m/min~80m/min。垂直方向變頻調速系統(tǒng)與水平方向變頻調速系統(tǒng)結構相似，但是由于單相異步電動機和三相異步電動機有所區(qū)別，所以垂直變頻調速系統(tǒng)和水平變頻調速系統(tǒng)也有不同的地方。 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，所以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。 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，以及電機中產生一個與主磁場在空間和時間上不同相得磁場，從而形成一定大小的旋轉磁場以產生啟動轉矩。 單相交流電動機的變頻調速與三相交流電動機的變頻調速不同，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），并保護電動機電容，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。 變頻器和單相電容式運轉電動機的接線如圖2.8所示。 圖2.8 變頻器與單相電容式運轉電動機的接線圖 2.7通信方案的確定 為了控制無人運轉碼垛機，必須向碼垛機發(fā)送運轉和作業(yè)的信息。一個指令執(zhí)行完了之后，必須從碼垛機向地面發(fā)送響應信號，即確認信號，之后才能執(zhí)行下一個指令。碼垛機的信息傳遞順序是：碼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。碼垛機控制盤在收到作業(yè)信息之后向地面控制盤發(fā)出響應信息。碼垛機根據(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： （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3臺碼垛機控制系統(tǒng)連接，要求物理層的協(xié)議必須支持一點對多點的通信。 （2） 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、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。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。 2.8輸入輸出點的分配 碼垛機控制系統(tǒng)采用的PLC是S7-200 CPU226，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2-4所示碼垛機控制系統(tǒng)使用擴展I/O模塊EM221，其I/O分配表如表2-5 。擴展模塊EM235是模擬量4輸入/1輸出模塊，在本文所設計的控制系統(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2-4 PLC（CPU226）輸入輸出I/O點分 輸入部分 輸出部分 I0.0 十六 進制 顯示 鍵盤值1位 Q0.0 機械手控制脈沖 I0.1 鍵盤值2位 Q0.1 機械手方向改變 I0.2 鍵盤值3位 Q0.2 升降臺上升 I0.3 鍵盤值4位 Q0.3 升降臺下降 I0.4 機械手到位限位 Q0.4 小車向前運動 I0.5 機械手回位限位 Q0.5 小車向后運動 I0.6 貨臺是否有物 Q0.6 存物指示燈 I0.7 自動/手動（1/0） Q0.7 取物指示燈 I1.0 小車前限 Q1.1 BCD輸出 顯示 BCD碼1位 I1.1 小車后限 Q1.2 BCD碼2位 I1.2 升降臺上限 Q1.3 BCD碼3位 I1.3 升降臺下限 Q1.4 BCD碼4位 I1.4 層尋址1 Q1.5 小車停止向前運動 I1.5 層尋址2 Q1.6 小車停止向后運動 I1.6 列尋址1 Q2.0 手動時層到位指示燈 I1.7 列尋址2 Q2.1 手動時列到位指示燈 表2-5 EM 221模塊I/O點分配 1 水平左限位 I3.0 9 縱向認址下對準 I4.0 2 水平右限位 I3.1 10 左端歪斜傳感器 I4.1 3 垂直上限位 I3.2 11 右端歪斜傳感器 I4.2 4 垂直下限位 I3.3 12 左探有貨傳感器 I4.3 5 水平前對準 I3.4 13 右探有貨傳感器 I4.4 6 水平認址計數(shù) I3.5 14 低速按鈕 I4.5 7 縱向認址上對準 I3.6 15 中速按鈕 I4.6 8 縱向認址計數(shù) I3.7 16 高速按鈕 I4.7 第三章 碼垛機程序控制設計 S7-200可編程控制器主要使用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進行編程和其它一些相關處理。STEP7-Micro/WIN 32編程軟件是基于Windows的應用軟件，由西門子公司專為SIMATIC S7-200系列可編程控制器設計開發(fā)，功能強大，主要由用戶用來開發(fā)控制程序，同時也可以實時監(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，都可以用另外一種程序編輯器來瀏覽和編輯，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，此編輯器允許你輸入指令助記條款來創(chuàng)建你的控制程序。 本文設計的碼垛機控制系統(tǒng)采用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：由操作員在下層控制臺輸入貨單，發(fā)出運行命令，碼跺機根據(jù)貨單和命令自動運行完成任務，實現(xiàn)甩手操作。 （2）手動：由操作員親自駕駛碼跺機進行取貨和放貨操作，其中可以操作貨叉的升降、伸縮，碼跺機的上升下降，前進，后退操作，來完成貨單任務。 程序采用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)采用中間信號來實現(xiàn)對具體運行動作的控制，從而更準確更安全的完成作業(yè);并采用指示燈在現(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存中，方便上位機對碼跺機系統(tǒng)的運行進行實時的監(jiān)視。圖3.1是系統(tǒng)主程序流程圖向上位機上傳碼垛機狀態(tài) 執(zhí)行送貨子程序 執(zhí)行手動操作子程序 碼垛機運行方式選擇 開始 系統(tǒng)上電 取貨任務 執(zhí)行取貨子程序 送貨任務 碼垛機自檢子程序 . 手動方式 自動方式 Y N N Y 圖3.1 主程序流程圖 3.1碼垛機自檢和復位/歸位程序 3.1.1碼垛機自檢程序 碼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碼垛機自檢程序。碼垛機自檢子程序主要是判斷上次系統(tǒng)是否正常關機，如果屬于非正常關機，碼垛機有無不安全因素（貨叉是否在收叉位置，載貨臺上有無貨物，貨位位置是否正常等），如果存在不安全因素，碼垛機開始報警，等待故障處理。如果正常關機，則判斷碼垛機工作模式。在手動操作模式下，執(zhí)行手動操作子程序。在自動模式下，則由碼垛機機載控制柜上的觸摸屏操作下發(fā)作業(yè)任務。 存在不安全因素? 上次安全關機? 故障報警，等待故障處理 結束 檢測貨叉位置及貨叉負載 檢測安全關機標志位 開始 Y N N Y 圖3.2 碼垛機自檢子程序流程圖 3.1.2碼垛機復位/歸位程序 當碼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，就會使倉庫管理出現(xiàn)混亂，所以就需要系統(tǒng)能通過控制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。根據(jù)不同錯誤的嚴重情況，設立系統(tǒng)歸位和系統(tǒng)復位兩種方式。 碼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碼跺機開始在水平與垂直兩個方向同時以中速返回原位。當碼跺機經(jīng)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；若不需要碼跺機歸位，則可以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。 歸位按鈕按下 重啟信號 啟動初化、歸位程序 結束 返回原位 重啟信號定時到？ 計時時間到？ N Y Y N 到達原位/重啟按鈕按下？ N Y 圖3.3 復位程序流程圖 3.2 自動方式下的碼垛機運行控制 碼垛機執(zhí)行自動入庫作業(yè)的初始條件為碼垛機位于入庫口，升降臺位于最下位置，入庫臺車在碼垛機前進方向的右邊，車上有貨物，碼垛機貨叉上無貨物。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)。于是碼垛機向入庫口的貨位伸叉,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，如無貨碼垛機向入庫目標貨位伸叉，伸叉到位后貨叉下降，將貨物放到貨位上后碼垛機收叉，然后貨叉回到貨叉中位，貨叉停止，碼垛機返回到入庫口位置待命，準備下一次作業(yè)。出庫的作業(yè)順序與入庫的作業(yè)順序類似。 3.2.1初始化程序設計 這段程序主要是對所需的計數(shù)器、寄存器進行初始化復位。 網(wǎng)絡1和2是對兩個計數(shù)器進行復位，其中計數(shù)器C2是對輸入的倉庫號的列數(shù)進行計數(shù)，C3是對輸入倉庫號的層數(shù)進行計數(shù)。 網(wǎng)絡3中VW100,VW102分別放置輸入的列數(shù)和層數(shù)，VB100中放置鍵盤的十六進制輸入值。 3.2.2運行方式選擇程序 當I0.7得電時，選擇自動方式，然后調用自動子程序（SBR_0），I0.7失電時，即選擇了手動運行方式，然后調用手動子程序（SBR_1）。 3.2.3自動控制中的尋址定位 自動控制子程序中的網(wǎng)絡，采用兩對光電開關來定位，當兩對同時閉合時，說明已經(jīng)到達所到的列或層。 網(wǎng)絡11，C2中的計數(shù)脈沖數(shù)和VW100中輸入的倉庫的列數(shù)進行比較，相等時說明已經(jīng)到達列，小車停止前進，到達列標志M30.0。 網(wǎng)絡12，C3中的計數(shù)脈沖數(shù)和VW102中輸入的倉庫的層數(shù)進行比較，相等時說明已經(jīng)到達層，升降臺停止上升，到達層標志M30.1。 網(wǎng)絡13中，當列和層都到位時，調用步進電機子程序，機械手前伸取/放貨物。M30.2是取/放完成標志，當取放完成時，手臂縮回（如網(wǎng)絡14），并置動作完成標志M30.3。 3.3 手動方式下的碼垛機運行控制 3.3.1手動控制中的尋址定位 手動控制子程序中，手動運動時經(jīng)過每一列或層時指示燈都會亮（網(wǎng)絡1中Q2.0\Q2.1分別接層/列顯示燈），燈亮后才可以伸縮機械手臂（見網(wǎng)絡2中）。 3.3.2手動方式下的貨叉運行控制 手動方式下貨叉的運行控制是分步進行的，貨叉的任何兩個動作均不聯(lián)動。程序流程圖如3.4所示。 圖3.4 手動方式貨叉運行程序圖 3.4步進電機驅動程序 將16#85送給SMB67是設置PTO的控制字節(jié)，選擇PTO方式，時基為1us。然后設置周期為50us,脈沖數(shù)為70000個。 當動作完成時，完成標志M30.3置1，然后返回起點。 結束語 碼垛機是立體倉庫的主要輸送設備，同時也是提高整個倉庫運行效率的關鍵所在。本文設計了碼垛機的電控系統(tǒng)，針對碼垛機運行速度與認址精度的要求，圍繞碼垛機運行系統(tǒng)的性能提升展開一系列的工作。同時本文主要完成了以下幾個方面的內容： （1）依據(jù)設計立體倉庫的有關參數(shù)，對碼垛機電氣控制的硬件系統(tǒng)進行了設計。采用了激光測距傳感器在水平方向認址，提高了碼垛機的認址精度及行系統(tǒng)的可靠性，為以后運行速度的提升奠定了基礎。同時在水平和垂直方向采用閉環(huán)控制方式，實現(xiàn)高速運行、換速平穩(wěn)、低速停準的控制要求。簡單介紹了系統(tǒng)的通信協(xié)議和方式，并設置了相應的安全保護措施。 （2）設計運行了系統(tǒng)在不同工作方式下的控制流程，應用Step7編程軟件編寫了主要運行動作的PLC程序。PLC的運用及其程序的簡化，縮短了系統(tǒng)掃描周期，使碼垛機的控制運行更方便，動作更加簡單、準確。 但是盡管如此本設計系統(tǒng)還是存在很多需要改進的地方，比如監(jiān)控系統(tǒng)還需要進一步的完善充實，碼垛機運行的速度和位置精度還有待提高，出入庫作業(yè)優(yōu)化調度方面需要做進一步的研究，這些對提高整個系統(tǒng)的運行效率有非常重要的作用。 致 謝 借此論文完成之際，謹向給予我悉心指導季祥老師致以衷心的感謝！從開始論文題目的確定到設計內容的完善都傾注著季老師的心血。從我進入河南工院季老師就一直是我們的任課老師，從專業(yè)基礎課到專業(yè)課、實踐課，每一步都體現(xiàn)著季老師愛崗敬業(yè)、服務學生、忠于教學事業(yè)的精神。同時，季老師扎實的專業(yè)知識和博大的知識量都給我留下了很深的印象。他一絲不茍的治學態(tài)度和寬厚的待人作風都深深的影響了我，給即將離開大學步入社會的我樹立了榜樣！ 感謝我的同學和朋友在論文寫作過程中給予我的支持和幫助，是他們無私的愛和關懷有效的保證了我項目的進度和課題的順利完成。 還要感謝我的父母，是他們的無私支持，使我能夠全身心的投入學習和工作中，去除了身上的浮躁情緒，成為一個有責任心的青年。祝愿他們永遠健康！ 最后祝愿自己在以后的生活和工作中一切順利，在未來的道路上走的更高更遠！ 附錄一 碼跺機水平、垂直運動在手動運行方式下的操作順序如下圖3.4所示，按前進按鈕，碼跺機運動到目標;按后退按鈕，碼跺機后退到庫臺所在列；按上升按鈕，碼跺機上升到目標;按下降按鈕，碼跺機下降到庫臺所在層。 垂直水平方向碼垛機控制流程圖 二 碼垛機入庫流程圖參考資料 [1] 陳建明，巫付專，熊軍華等．電氣控制與PLC應用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006 [2] 孫承志，徐智，張家海，吉順平．西門子S7-200/300/400PLC基礎與應用技術[M]． 北京：機械工業(yè)出版社，2009 [3] 馬秀坤 ，石雪濤，馬學軍.S7-200PLC與數(shù)字調速系統(tǒng)的原理及應用[M]． 北京：國防工業(yè)出版社，2009 [4] 周興萬．自動化立體倉庫中碼垛機的位置定位和速度控制[J]．基礎自動化，1998，6：48 [5] 陳曉軍．PLC控制技術在立體倉庫碼垛機中的應用[J]．工業(yè)技術，2007，34：11 [6] 西門子公司．SIMATIC S7-200 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