畢業(yè)設(shè)計(jì)碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào)： 10131203 姓 名： 石澤旭 專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 系 別： 機(jī)械與電氣工程系 指導(dǎo)教師： 王雷鋼 講師 二○一四年六月 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?cè)u(píng)議 題目： 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系別： 機(jī)械與電氣工程系 專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 姓名：石澤旭 學(xué)號(hào)：1013

2、1203 指導(dǎo)教師建議成績(jī)：73 評(píng)閱教師建議成績(jī)：76 答辯小組建議成績(jī)：70 總成績(jī)：73 答辯委員會(huì)主席簽字： 年 月 日 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 姓名 石澤旭 學(xué)號(hào) 10131203 專(zhuān)業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 設(shè)計(jì)（論文）題目 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 題目 性質(zhì) √設(shè)計(jì)； □ 論文 題目 來(lái)源 □ 教學(xué)；√ 科研；□ 生產(chǎn)； □ 其他 指導(dǎo)教師 職 稱(chēng) 工作單位 備注 王雷鋼 講師 清華

3、大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的內(nèi)容和要求： 內(nèi)容： 1 介紹自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)和碼垛機(jī)的一般概念和基本組成，以及國(guó)內(nèi)外立體倉(cāng)庫(kù)和碼垛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，簡(jiǎn)單介紹了立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展方向。 2 對(duì)碼垛機(jī)在水平方向和垂直方向運(yùn)行進(jìn)行速度控制，根據(jù)運(yùn)行的目的地址和當(dāng)前地址之間的比較，選擇合適的變頻器，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制。并在應(yīng)用新的定位方式的基礎(chǔ)上，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行位置速度雙閉環(huán)控制，并解決新方案中的硬件設(shè)置問(wèn)題。由PLC輸出高速脈沖和貨叉方向改變信號(hào)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)左伸和右伸，以及貨叉的伸縮速度。 3 設(shè)計(jì)了碼垛機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的控制程序，包括碼垛機(jī)各種工作方式下的控制

4、程序。 要求： 1.了解生產(chǎn)設(shè)備電控設(shè)計(jì)的一般步驟； 2.能夠進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的搭建； 3.進(jìn)行對(duì)碼垛系統(tǒng)的控制工藝流程分析，確定包裝碼垛系統(tǒng)原理。 4.能夠?qū)Υa垛機(jī)控制系統(tǒng)分析并設(shè)計(jì)控制方案 5.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案論證，變頻器的選擇 6.系統(tǒng)軟件分析，熟悉變頻器的應(yīng)用。 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)主要參考資料： [1] 陳建明，巫付專(zhuān)，熊軍華等．電氣控制與PLC應(yīng)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(mén)子S7-200/300/400PLC基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)[M]． 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009 [3] 馬秀坤 ，石雪濤，馬學(xué)

5、軍.S7-200PLC與數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的原理及應(yīng)用[M]． 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009 [4] 劉昌棋，董良．自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：13-21，132-138，166-168 [5] 王勇軍，周奇才．自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)碼垛機(jī)的高速運(yùn)行控制技術(shù)研究[J]．起重運(yùn)輸機(jī)械，2003(1)：27-29 [6] 周興萬(wàn)．自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中碼垛機(jī)的位置定位和速度控制[J]．基礎(chǔ)自動(dòng)化，1998，6：48 [7] 陳曉軍．PLC控制技術(shù)在立體倉(cāng)庫(kù)碼垛機(jī)中的應(yīng)用[J]．工業(yè)技術(shù)，2007，34：11 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)應(yīng)完成的工作： 1.設(shè)計(jì)完成碼垛機(jī)PLC控制系

6、統(tǒng)硬、軟件系統(tǒng)； 2.以PLC控制完成機(jī)械的工作流程； 3.優(yōu)化路徑的計(jì)算 4.電路系統(tǒng)等供電設(shè)計(jì)，PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案論證。 進(jìn)度安排： 2012年12月：文獻(xiàn)調(diào)研，方案設(shè)計(jì)。 2013年01月：撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。 2013年.02月：分析碼垛機(jī)工作原理，并根據(jù)原理繪制電路系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)。 2013年03月：對(duì)碼垛控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程分析及控制系統(tǒng)功能，系統(tǒng)硬件分析控制參數(shù)選擇及電控系統(tǒng)的需求，PLC的選型，確定此系統(tǒng)的布置形式，并用軟件進(jìn)行調(diào)試。 2013年04月：整理并修改畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 2013年05月：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備答辯。 指導(dǎo)教師簽字：

7、 日期： 年 月 日 系意見(jiàn)： 簽字： 系（蓋章） 日期： 年 月 日 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 姓名 石澤旭 學(xué)號(hào) 10131203 專(zhuān)業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 設(shè)計(jì)（論文）題目 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的目的及意義（含國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）： 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)適用于石油化工、化肥、糧食、港口等行業(yè)，可對(duì)PP、PE粒子、PVC、化肥、糧食等粉狀、顆粒狀物料進(jìn)行全自動(dòng)包裝碼垛作業(yè)，通過(guò)可編程序控

8、制器、對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的工作過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，對(duì)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障或供料不足等，進(jìn)行聲光報(bào)警。它是集喂料、流量測(cè)量和控制于一身的設(shè)備。自動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，如果能提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，就有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。 在我國(guó)控制系統(tǒng)的研制較晚，主要是自用設(shè)備，屬革新產(chǎn)品，未進(jìn)入市場(chǎng)，“八五”期間呈全方位發(fā)展態(tài)勢(shì)，“九五”期間進(jìn)入轉(zhuǎn)型期，逐步成為高科技、高效益、現(xiàn)代化、國(guó)防化的產(chǎn)業(yè)。 總的來(lái)說(shuō),我國(guó)包裝設(shè)備制造工業(yè)經(jīng)近20年的努力，在數(shù)量、質(zhì)量、水平方面均有較大的進(jìn)展，為我國(guó)建立一個(gè)門(mén)類(lèi)齊全、技術(shù)先進(jìn)、水平相當(dāng)、獨(dú)立完善的生產(chǎn)系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 2. 基本內(nèi)容和技術(shù)方案：

9、 1 介紹自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)和碼垛機(jī)的一般概念和基本組成，以及國(guó)內(nèi)外立體倉(cāng)庫(kù)和碼垛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，簡(jiǎn)單介紹了立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展方向。 2 對(duì)碼垛機(jī)在水平方向和垂直方向運(yùn)行進(jìn)行速度控制，根據(jù)運(yùn)行的目的地址和當(dāng)前地址之間的比較，選擇合適的變頻器，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制。并在應(yīng)用新的定位方式的基礎(chǔ)上，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行位置速度雙閉環(huán)控制，并解決新方案中的硬件設(shè)置問(wèn)題。由PLC輸出高速脈沖和貨叉方向改變信號(hào)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)左伸和右伸，以及貨叉的伸縮速度。 3 設(shè)計(jì)了碼垛機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的控制程序，包括碼垛機(jī)各種工作方式下的控制程序。技術(shù)方案： （1）進(jìn)行對(duì)碼垛系統(tǒng)的控制工藝流程分析，確定碼垛系統(tǒng)原理。 （2）

10、完成對(duì)包裝碼垛控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程分析及控制系統(tǒng)功能，系統(tǒng)硬件分析控制參數(shù)選擇及電控系統(tǒng)的需求，PLC的選型，確定此系統(tǒng)的布置形式。 （3）電路系統(tǒng)等供電設(shè)計(jì)，PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案論證。 （4）系統(tǒng)軟件分析，系統(tǒng)狀態(tài)流程圖設(shè)計(jì)。 3. 主要參考文獻(xiàn)： [1] 陳建明，巫付專(zhuān)，熊軍華等．電氣控制與PLC應(yīng)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(mén)子S7-200/300/400PLC基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)[M]． 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009 [3] 馬秀坤 ，石雪濤，馬學(xué)軍.S7-200PLC與數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的原理及應(yīng)用[M]． 北京：國(guó)防工

11、業(yè)出版社，2009 [4] 劉昌棋，董良．自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：13-21，132-138，166-168 [5] 王勇軍，周奇才．自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)碼垛機(jī)的高速運(yùn)行控制技術(shù)研究[J]．起重運(yùn)輸機(jī)械，2003(1)：27-29 [6] 周興萬(wàn)．自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中碼垛機(jī)的位置定位和速度控制[J]．基礎(chǔ)自動(dòng)化，1998，6：48 [7] 陳曉軍．PLC控制技術(shù)在立體倉(cāng)庫(kù)碼垛機(jī)中的應(yīng)用[J]．工業(yè)技術(shù)，2007，34：11 4. 進(jìn)度安排： 2012年12月：文獻(xiàn)調(diào)研，方案設(shè)計(jì)。 2013年01月：撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。 2013年.02月：分析碼垛機(jī)工作原

12、理，并根據(jù)原理繪制電路系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì) 2013年03月：對(duì)碼垛控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程分析及控制系統(tǒng)功能，系統(tǒng)硬件分析控制參數(shù)選擇及電控系統(tǒng)的需求，PLC的選型，確定此系統(tǒng)的布置形式，并用軟件進(jìn)行調(diào)試 2013年04月：整理并修改畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 2013年05月：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備答辯。 5. 指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 該同學(xué)充分、全面地查閱了碼垛機(jī)控制設(shè)計(jì)的相關(guān)資料，在此基礎(chǔ)上提出了可行的技術(shù)方案，時(shí)間進(jìn)度合理，嚴(yán)格按照進(jìn)度安排執(zhí)行同意開(kāi)題。 指導(dǎo)教師簽字： 日期： 年 月 日 6. 系意見(jiàn)：

13、 簽字： 系（蓋章） 日期： 年 月 日 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)閱意見(jiàn) 姓名 石澤旭 學(xué)號(hào) 10131203 專(zhuān)業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 王雷鋼 職稱(chēng) 講師 單位 清華大學(xué) 指導(dǎo)教師 職稱(chēng) 單位 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 石澤旭同學(xué)論文選題為碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，符合專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)畢業(yè)論文，基本能夠達(dá)到綜合訓(xùn)練目標(biāo)。該生查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，基本能夠綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)撰寫(xiě)論文，理論分析正確。文章篇幅完全

14、符合學(xué)院規(guī)定，內(nèi)容較為完整，層次結(jié)構(gòu)安排科學(xué)，邏輯關(guān)系清楚，完成仿真。語(yǔ)言表達(dá)流暢，格式符合規(guī)范要求。同意石澤旭同學(xué)提交答辯 是否同意答辯：是 論文成績(jī)：73 指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱教師評(píng)閱意見(jiàn) 姓名 石澤旭 學(xué)號(hào) 10131203 專(zhuān)業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 評(píng)閱教師 劉寶元 職稱(chēng) 助教 單位 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院 評(píng)閱教師 李婧 職稱(chēng) 助教 單

15、位 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對(duì)論文的評(píng)語(yǔ)： 石澤旭同學(xué)畢業(yè)論文的選題碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，論文探討了碼垛機(jī)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法，具有一定實(shí)用價(jià)值。該同學(xué)收集的數(shù)據(jù)資料較翔實(shí)，分析和論證有一定深度，結(jié)論正確合理。論文的寫(xiě)作基本規(guī)范。存在問(wèn)題是對(duì)存在問(wèn)題的探討還可進(jìn)一步深入，對(duì)存在問(wèn)題原因的分析還可進(jìn)一步展開(kāi)。 綜上所述，石澤旭同學(xué)已經(jīng)掌握了本專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)理論和相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，該同學(xué)寫(xiě)作的畢業(yè)論文已經(jīng)達(dá)到本科畢業(yè)論文水平，可以提交答辯。 是否同意安排論文答辯：同意 論文成績(jī)：76 評(píng)閱教師（簽名）：

16、 年 月 日 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯小組評(píng)議意見(jiàn) 姓名 石澤旭　 學(xué)號(hào) 10131203 專(zhuān)業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 答 辯 小 組 成 員: 姓 名 職 稱(chēng) 工作單位 備注 路勇 副教授 北京交通大學(xué) 組長(zhǎng) 李婧 助教 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院 答辯秘書(shū) 陳雷 講師 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院 組員 張義偉 助教 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院 組員 答辯小組評(píng)語(yǔ)： 該論文在前人工作

17、的基礎(chǔ)上作了系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，具有一定的綜合應(yīng)用能力，得到一定的科研訓(xùn)練。在論文答辯過(guò)程中，基本上能敘述出所撰寫(xiě)論文的原理和應(yīng)用，但表述不熟悉，沒(méi)有實(shí)物和仿真，回答問(wèn)題欠妥當(dāng)。 答辯組長(zhǎng)（簽名）： 年 月 日 答辯成績(jī) 70 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信聲明 本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得北京交通大學(xué)海濱學(xué)院或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。 申請(qǐng)學(xué)位

18、論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 本人簽名： 日期： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)書(shū) 本人完全了解北京交通大學(xué)海濱學(xué)院有關(guān)保管、使用論文的規(guī)定，其中包括：①學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門(mén)送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；②學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存論文；③學(xué)校可允許論文被查閱或借閱；④學(xué)校可以學(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位論文；⑤學(xué)校可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。 本人簽名： 日期： 摘

19、 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)。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)。 論文依據(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，采用了轉(zhuǎn)速、位置反

20、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S7-226PLC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：控制系統(tǒng)，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，碼垛機(jī)，傳感器，PLC i ABSTRACT In mod

21、ern logistics warehousing systems, automated storage is increasingly widespread. Hay stackers are the key equipment, Performance of the stacker plays an important role. Design and Development of a higher degree of automation Stacker Control System become Warehouse trend of development, Therefore rel

22、ated research has important theory and application value. This paper introduces application and performance of automated High-rise Warehouse basing on application and development requirement of modern logistics techniques. And puts emphasis on the researching of control techniques in automated High-

23、rise Warehouse stacker combining modern science and techniques. This paper elaborated on the design of the system of control, as well as the implementation of the systems hardware and the design of the software. Based on the parameter related to the automated storage, this paper presented the hardw

24、are system of stacker electrical control. Speed of the stacker was the basic. In order to improve the performance of the stacker, the system adopts the speed, position, double feedback control. The horizontal recognize addresses of system using laser rangefinder sensor positioning, and vertical reco

25、gnition using photoelectric switches and address piece combination addressing. Speed-adjusted system by S7-226PLC and its extension module EM235 through transducer MM440 control ac motor. Goods fork system is by S7-226PLC binary system through stepping motor driver SH - 20403 control two-phase hybri

26、d stepping motor. According to the requirements of the control system, this paper completed the selection of PLC，frequency converter, the motor and its controller. And presents the system hardware hookup. Then use the software of Siemens step7 designs the stacker control procedures. KEYWORDS：Contro

27、l system，Automated Storage and Retrieval System，Stacker，Sensor, PLC iv 目 錄 摘 要 i ABSTRACT ii 目 錄 iii 1 緒論 1 1.1 碼垛機(jī)概述 1 1.1.1 碼垛機(jī)的發(fā)展 1 1.1.2 碼垛機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀 1 1.2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的概述 2 1.2.1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的組成 2 1.2.2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn) 3 1.2.3 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展 4 1.3 研究的主要內(nèi)容 4 2 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 5 2.1 控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總

28、體設(shè)計(jì) 5 2.2 碼垛機(jī)位置控制 7 2.2.1 定位控制 7 2.2.2 認(rèn)址檢測(cè)方式 8 2.2.3 認(rèn)址方式確認(rèn) 9 2.2.4 碼垛機(jī)速度曲線(xiàn)分析 11 2.3安全檢測(cè)傳感器的應(yīng)用 11 2.4 元器件的選型 12 2.5 通信方案的確定 13 2.6 輸入輸出點(diǎn)分配 14 2.7 本章小節(jié) 15 3 PLC及資源配置 16 3.1 PLC控制的優(yōu)點(diǎn)及S7-200系列概述 16 3.2 S7-200系列PLC概述 17 3.3 CPU型號(hào)選擇 18 3.4 PLC模塊選型 19 4碼垛機(jī)控制程序設(shè)計(jì) 21 4.1 碼垛機(jī)自檢和復(fù)位/歸位程序 23

29、4.1.1 碼垛機(jī)自檢程序 23 4.1.2 碼垛機(jī)復(fù)位/歸位程序 24 4.2 自動(dòng)方式下的碼垛機(jī)運(yùn)行控制 25 4.2.1 列向運(yùn)行PLC程序?qū)崿F(xiàn) 25 4.2.2 行向運(yùn)行PLC程序?qū)崿F(xiàn) 28 4.2.3 貨叉伸縮控制PLC程序?qū)崿F(xiàn) 30 4.3 手動(dòng)方式下的碼垛機(jī)運(yùn)行控制 33 4.4 碼垛機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 34 4.4.1 變頻器的選型 35 4.4.2 水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 36 4.4.3 垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 38 4.5 碼垛機(jī)貨叉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 40 4.6 本章小節(jié) 41 5.總結(jié) 43 參考文獻(xiàn) 44 致 謝 46 附錄一

30、 碼垛機(jī)入庫(kù)作業(yè)流程圖 47 附錄二 48 中文翻譯 48 附錄 三 49 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 1.1 碼垛機(jī)概述 碼垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)[8]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。

31、 1.1.1 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10~15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)[6]，我國(guó)是在上世紀(jì)70年代初期開(kāi)始研究采用巷道式碼垛機(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

32、用巷道碼垛機(jī)[9]進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)的方法提高出入庫(kù)能力。 1.1.2 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5~50m/min提升至4~160m/min，國(guó)外小載重

33、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4~16m/min提升至0~25m/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4~35m/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)[5]、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0~80m/min；貨叉速度一直保持在0~30m/min；認(rèn)址采用光電探測(cè)，精度不足，認(rèn)址差錯(cuò)率高。 1.2 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)重要的組成部分，它是一種新型的倉(cāng)儲(chǔ)

34、技術(shù)。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)[4]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。 1.2.1 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)存數(shù)可

35、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

36、要搬運(yùn)設(shè)備是巷道式碼垛機(jī)[17]，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)及AGV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)[5]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

37、/出庫(kù)管理、盤(pán)庫(kù)管理、查詢(xún)、打印及顯示、經(jīng)濟(jì)技術(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，他溝通并協(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。 1.2.2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn) 事實(shí)證明采用自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （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：

38、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） 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)。 1.2.3 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)張的實(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)

39、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)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)階段和智能化階段。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。 1.3 研究的主要內(nèi)容 課題的研究目

40、標(biāo)是設(shè)計(jì)安全可靠，具有經(jīng)濟(jì)性能和操作性能良好的碼垛機(jī)控制系統(tǒng)。 主要內(nèi)容如下： (1) 介紹自動(dòng)化碼垛機(jī)和立體倉(cāng)庫(kù)的一般概念和基本組成，以及國(guó)內(nèi)外碼垛機(jī)和立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展現(xiàn)狀，簡(jiǎn)單介紹了碼垛機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。 (2) 對(duì)碼垛機(jī)在水平方向和垂直方向運(yùn)行進(jìn)行速度控制，根據(jù)運(yùn)行的目的地址和當(dāng)前地址之間的比較，選擇合適的變頻器，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制。并在應(yīng)用新的定位方式的基礎(chǔ)上，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行位置速度雙閉環(huán)控制，并解決新方案中的硬件設(shè)置問(wèn)題。由PLC輸出高速脈沖和貨叉方向改變信號(hào)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)左伸和右伸，以及貨叉的伸縮速度。 (3) 設(shè)計(jì)了碼垛機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的控制程序，包括碼垛機(jī)各種工作方

41、式下的控制程序。 2 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)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）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[3]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/m

42、in~360m/min； 垂直方向：2m/min~80/min； 貨叉：2m/min~60/min （2）碼垛機(jī)的控制方式有自動(dòng)和手動(dòng)控制。 ① 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。 ② 單機(jī)自動(dòng)用人機(jī)界面對(duì)碼垛機(jī)進(jìn)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）碼垛機(jī)控制系統(tǒng)中上位機(jī)完

43、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。 ① 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。 ② 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)定位置后，碼垛機(jī)停車(chē)。 ③ 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

44、近目標(biāo)位置，保證碼垛機(jī)的穩(wěn)定性。 ④ 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。 ⑤ 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)。 ⑥ PLC還有工作故障報(bào)警功能。 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)王6.52建立監(jiān)控界面，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)

45、堆垛機(jī)貨叉控制系統(tǒng) 統(tǒng) 堆垛機(jī)水平變頻系統(tǒng) 堆垛機(jī)縱向變頻系統(tǒng) 堆垛機(jī)貨叉運(yùn)行機(jī)構(gòu) 構(gòu) 堆垛機(jī)水平運(yùn)行機(jī)構(gòu) 構(gòu) 堆垛機(jī)縱向運(yùn)行機(jī)構(gòu) 構(gòu) S7-200 PLC 堆垛機(jī)縱向認(rèn)址系統(tǒng) 堆垛機(jī)水平認(rèn)址系統(tǒng) 堆垛機(jī)貨物檢測(cè)系統(tǒng) 堆垛機(jī)限位保護(hù)系統(tǒng) 圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D 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

46、統(tǒng)的設(shè)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[17]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。 M 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 認(rèn)址器 調(diào)速系統(tǒng) 控制器 輸入 編碼器 速度檢測(cè)

47、 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)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0~Z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

48、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 主要的認(rèn)址檢測(cè)方式有以下幾種： （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：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[13]主要有兩種：從動(dòng)輪與軌道旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)測(cè)定方式

49、、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[19]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)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。 以上是四種常見(jiàn)的認(rèn)址檢測(cè)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(duì)照： 表2-1 認(rèn)址方式對(duì)比表 認(rèn)

50、址器 光電開(kāi)關(guān) 旋轉(zhuǎn)編碼器 激光測(cè)距傳感器 認(rèn)址方式 相對(duì)認(rèn)址 絕對(duì)認(rèn)址 絕對(duì)認(rèn)址 絕對(duì)認(rèn)址 可靠性 較低 高 較高 最高 認(rèn)址精度 格 格 Mm mm 系統(tǒng)成本 低 高 高 較高 數(shù)據(jù)接口 無(wú) 無(wú) 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(zhǎng)

51、 長(zhǎng) 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，碼垛機(jī)系統(tǒng)認(rèn)址方式如下： （1）水平認(rèn)址系統(tǒng) 水平方向采用激光測(cè)距傳感器[15]，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

52、碼垛機(jī)端部緩沖制動(dòng)器的情況。因此，在碼垛機(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

53、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2-2所示： 表2-2 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 ……

54、 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)[29]有三種，分別為三角形與梯形速度曲線(xiàn)、拋物線(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? V A B C S1 S2 S3 S 圖2-4 梯形速度曲線(xiàn) 2.3安全檢測(cè)傳感器的應(yīng)用 （1）貨架占有情況檢測(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

55、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)停止運(yùn)行。 2.4 元器件的選型 主要的元器件的選擇如下表2-3所示。 表2-3 元器件使用表 名稱(chēng) 代號(hào)符號(hào) 個(gè)數(shù) 規(guī)

56、格符號(hào) 備注 PLC PLC 1 S7-200 CPU226，AC/DC繼電器輸出 擴(kuò)展模塊1 1 EM221 16路數(shù)字輸入 擴(kuò)展模塊2 2 EM235 4模擬量輸入、1模擬量輸出 接觸器 KM 3 CJ20-100 線(xiàn)圈電壓220V 電阻 R 2 2K 限流保護(hù)器 FR 1 JRS4-140365d 整定電流80-104A 熔斷器 FU 4 RLS1-100 額定電壓380V額定電流20-100A 指示燈 HL 5 AD16-22G LED顯示，220V 名稱(chēng) 代號(hào)符號(hào) 個(gè)數(shù) 規(guī)格符號(hào) 備注

57、 行程開(kāi)關(guān) SQ 14 LF-0124LB 額定電壓10-30VDC 按鈕開(kāi)關(guān) SA KD2B-21 帶自鎖，24V 激光測(cè)距傳感器 1 ODSL8型 檢測(cè)距離25-45米 光電傳感器 2 E3G-MR19 光電編碼器 2 755A 增量式 三相交流異步電動(dòng)機(jī) M 1 Y2-632-2 額定電壓380V，額定功率300W 單相交流異步電動(dòng)機(jī) M 1 YY7112 額定電壓380V，額定功率250W 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 1 SH-20403 24-70VDC 二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) M 1 42BYG

58、 步距角0.9/1.8 2.5 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）

59、 RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)只能用于點(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

60、需要將新設(shè)備也連接到計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)的擴(kuò)展也較容易。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。 在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)中選用Modbus通訊協(xié)議作[21]為其通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。Modbus通訊協(xié)議是Modicon公司設(shè)計(jì)的一種適用于工業(yè)控制的主從結(jié)構(gòu)式串口通訊協(xié)議，已經(jīng)成為通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主-從協(xié)議，采用請(qǐng)求-響應(yīng)方式，主站發(fā)出帶有從站地址的請(qǐng)求報(bào)文，具有該地址的從站收到后發(fā)出響應(yīng)報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答。采用該協(xié)議，不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以互連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。許多工控產(chǎn)品，例如PLC、變頻器、人機(jī)界面

61、、DCS和自動(dòng)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(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。在筆者所研制的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、可靠。 2.6 輸入輸出點(diǎn)分配 為方便系統(tǒng)施工時(shí)的硬件連接，方便上位機(jī)查詢(xún)、修改系統(tǒng)的輸入/輸出點(diǎn)狀態(tài)，在系統(tǒng)程序編寫(xiě)前，需對(duì)系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行合理的規(guī)劃分配。分配1/0點(diǎn)時(shí)，應(yīng)注意系統(tǒng)公共點(diǎn)的帶載能力，以免燒毀設(shè)備。在進(jìn)行1/0分配時(shí)，將相同設(shè)備、相似功能的輸入輸出點(diǎn)集中在一起，即便于線(xiàn)路連接、記憶，又便于上位機(jī)查詢(xún)系統(tǒng)的工作狀態(tài)及設(shè)備的位置。 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)采用的PL

62、C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(diǎn)分配 序號(hào) 控制元件 編程地址 序號(hào) 控制元件 編程地址 1 啟動(dòng) I0.0 19 貨叉右伸按鈕 I2.2 2 停止 I0.1 20 貨叉左伸按鈕 I2.3 3

63、 復(fù)位 I0.2 21 貨叉原位按鈕 I2.4 4 存貨 I0.3 22 貨叉電機(jī)脈沖輸出 Q0.0 5 取貨 I0.4 23 堆垛機(jī)上升 Q0.1 6 自動(dòng) I0.5 24 堆垛機(jī)下降 Q0.2 7 水平編碼器反饋A I0.6 25 貨叉方向改變 Q0.3 8 水平編碼器反饋B I0.7 26 堆垛機(jī)前進(jìn) Q0.4 9 手動(dòng) I1.0 27 堆垛機(jī)后退 Q0.5 10 貨叉右伸到位 I1.1 28 低貨位指示燈 Q0.6 11 貨叉到中位 I1.2 29

64、高貨位指示燈 Q0.7 12 貨叉左伸到位 I1.3 30 水平停準(zhǔn)指示燈 Q1.0 13 垂直編碼器反饋A I1.4 31 垂直停準(zhǔn)指示燈 Q1.1 14 垂直編碼器反饋B I1.5 32 警示燈 Q1.2 15 前進(jìn)按鈕 I1.6 33 水平電動(dòng)機(jī)停機(jī) Q1.3 16 后退按鈕 I1.7 17 上升按鈕 I2.0 18 下降按鈕 I2.1 表2-5 EM 221模塊I/O點(diǎn)分配 序號(hào) 控制元件 編程地址 序號(hào) 控制元件 編程地址 1 水平左限位 I3.0 9

65、縱向認(rèn)址下對(duì)準(zhǔn) 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(duì)準(zhǔn) I3.4 13 右探有貨傳感器 I4.4 6 水平認(rèn)址計(jì)數(shù) I3.5 14 低速按鈕 I4.5 7 縱向認(rèn)址上對(duì)準(zhǔn) I3.6 15 中速按鈕 I4.6 8 縱向認(rèn)址計(jì)數(shù) I3.7 16 高速按鈕 I4.7 2.7 本章小節(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

66、了設(shè)計(jì)。包括碼垛機(jī)作業(yè)流程圖、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，對(duì)碼垛機(jī)PLC控制系統(tǒng)輸入瑜出點(diǎn)的分配進(jìn)行了詳細(xì)論述。 3 PLC及資源配置 3.1 PLC控制的優(yōu)點(diǎn)及S7-200系列概述 ① 高可靠性； （1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。 （2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為10~20ms. （3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 （4）采用性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源。 （5）對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。 （6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。 （7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。 ② 豐富的I/O接口模塊； PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直流；開(kāi)關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開(kāi)關(guān)；接近開(kāi)關(guān)；傳感器及變送器；