(邊江)智能立體倉庫物品定位的PLC自動控制系統(tǒng)

1、沈陽理工大學學士學位論文摘 要 可編程控制器（簡稱PLC或PC）是一種新型的具有極高可靠性的通用工業(yè)自動化控制裝置。它具有控制能力強、可靠性高、配置靈活、編程簡單、使用方便、易于擴展等優(yōu)點。目前，可編程控制器成為工業(yè)自動化領(lǐng)域中最重要、應用最多的控制裝置，居工業(yè)生產(chǎn)自動化三大支柱（可編程控制器、機器人、計算機輔助設(shè)計與制造）的首位。其應用的深度和廣度成為衡量一個國家工業(yè)自動化程度高低的標志。應用PLC成為世界的潮流，PLC將在我國得到更全面的推廣應用。 企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和深化，使得倉庫成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的一個重要且不可缺少的環(huán)節(jié)。立體倉庫正以它最小的占地面積和最佳的空間利用率，逐步

2、替代面積利用率極低且陳舊落后的平面?zhèn)}庫，這種替代促使倉儲物流業(yè)的水平提高。為滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)與流通的需要，就必須采用以計算機控制技術(shù)為主要手段組成的自動化立體倉庫控制系統(tǒng)。自動化立體倉庫為現(xiàn)代物流系統(tǒng)的主要設(shè)備，是一種多層存放貨物的高層倉庫系統(tǒng)。也是CIMS的集成環(huán)節(jié)之一，在FMS和FAS中占有非常重要的地位。關(guān)鍵詞：可編程控制器；立體倉庫；控制系統(tǒng)Abstract Programmable Logic Controller (PLC) is a modern control equipment of industrial automation which has highly reliabil

3、ity .It has a lot of merits .Such as strong holding capacity、highly reliability、assignment flexibility、compiling program easily、used expediently and expansion easily .At present ，PLC becomes the most important in industrialization realm and the most application control device .It is the first place

4、in the three supports of the industrial automated production (PLC、Industrial robot 、Computer-aided design and manufacture ). It is trend of the times of the world to use PLC and PLC will be used speedily overall in our country.With the produce scale of modernization business is more and more expande

5、r and deeper , warehouse is more important and indispensable in producing procedure system .Stereoscopic warehouse which takes smallest are and the best utilization ratio in space instead of plane warehouse .this can improve the level of the warehouse procedure .It needs to use Solid Automated Wareh

6、ouse (SAW) which is made of computer control technology to be full of modernization produce and circulate .SAW is the main equipment in the modern circulate system and not only one of CIMS integrated link but also strong status in FMS and FAS .Key words: Programmable Logic Controller; Stereoscopic w

7、arehouse; The control system目 錄1 引 言12 PLC的簡介22.1 可編程控制器發(fā)展史22.2PLC的構(gòu)成32.2.1CPU模塊32.2.2I/O模塊42.2.3 電源模塊42.3可編程控制器實現(xiàn)控制的要點42.4西門子S7-200介紹52.5CPU 226簡介62.6編程軟件82.6.1 基本功能82.6.2 三種編程器的特點83 定位自動控制系統(tǒng)總體設(shè)計103.1功能分析103.2定位自動控制系統(tǒng)PLC選型和資源配置113.2.1PLC選型113.2.2 PLC的I/O資源配置133.2.3 其他資源配置143.3 控制系統(tǒng)的主要功能153.3.1 工作方式

8、選擇153.3.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制163.3.3 貨叉伸縮控制183.4 控制原理分析183.5 模型的自動尋址204 控制系統(tǒng)PLC程序設(shè)計流程214.1 程序設(shè)計思路214.2 程序流程圖215 智能立體倉庫物品定位自動控制系統(tǒng)的PLC程序說明235.1程序初始化235.2列向自動運行245.3手動控制265.4自動控制285.5自動控制機械手臂伸縮運動305.6自動控制存取物品33結(jié) 論37致 謝38參考文獻39附 錄A 英文原文40附 錄B 中英文對照44附 錄C 源程序47附 錄D 梯形圖56601 引 言立體倉庫是物流系統(tǒng)的集散地，實現(xiàn)了倉庫功能人單純保管型向綜合流通型的轉(zhuǎn)變。它

9、以高層立體貨倉為主體，以自動化搬運工具為基礎(chǔ)，以計算機技術(shù)為主要手段的高效大容量現(xiàn)代化儲運設(shè)備。自動化立體倉庫廣泛應用于大型倉庫，能按照編制的入庫單，出庫單自動地把物件從入口處搬運到目的貨位或從指定貨位把物件搬運到出口處。完成這一搬運任務的堆垛機是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它在高層固定貨架巷道中運行。自動化立體倉庫采用PLC 控制、變頻調(diào)速、光電檢測定位、步進驅(qū)動控制及計算機管理等一系列自動控制技術(shù)。PLC集中控制系統(tǒng)，是當前應用最為廣泛的一種堆垛機自動控制系統(tǒng)。它以PLC為中心，通過通信接口，接收來自上位機的任務信息，采集設(shè)備傳感系統(tǒng)的各種信息，通過PLC的控制軟件，控制PLC的輸出，控制設(shè)備的各向

10、運動，對貨物進行存、取作業(yè)，實現(xiàn)貨物的流轉(zhuǎn)與存儲。同時通過通信接口，向上位機發(fā)送設(shè)備的實時狀態(tài)信息，以實現(xiàn)倉庫實時監(jiān)控系統(tǒng)對自動化立體倉庫所有設(shè)備的實時監(jiān)控功能。2 PLC的簡介2.1 可編程控制器發(fā)展史在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制是按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求。第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器。個人計算機發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程序控

11、制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller?，F(xiàn)在，仍常常將PLC簡稱PC8。追溯到20世紀的六十年代末，認識一下可編程控制器的發(fā)展史。在可編程控制器出現(xiàn)以前，繼電器控制在工業(yè)控制領(lǐng)域占主導地位，由此構(gòu)成的控制系統(tǒng)都是按預先設(shè)定好的時間或條件順序地工作，若要改變控制的順序就必須改變控制系統(tǒng)的硬件接線，因此，其通用性和靈活性較差。20世紀的六十年代，計算機技術(shù)開始應用于工業(yè)控制領(lǐng)域，由于價格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大以及難于適應惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得推廣。1968 年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司 (GM) 為了適

12、應生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠，功能更齊全，響應速度更快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應具備的十大條件，立即引起了開發(fā)熱潮。主要內(nèi)容是： (1)編程方便，可現(xiàn)場修改程序。 (2)維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)。(3)可靠性高于繼電器控制裝置。 (4)體積小于繼電器控制盤。(5)數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機。 (6)成本可與繼電器控制盤競爭。 (7)輸入可為市電。(8)輸出可為市電，容量要求在 2A 以上，可直接驅(qū)動接觸器。(9)擴展時原系統(tǒng)改變最少。 (10)用戶存儲器大于4KB。 這些條件實際上提出將繼電器控制的簡單易懂、使用方便、價格低的優(yōu)點與計算機的功能完善

13、、靈活性、通用性好的優(yōu)點結(jié)合起來，將繼電接觸器控制的硬接線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C的軟件邏輯編程的設(shè)想。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC公司）研制出了第一臺可編程控制器PDP14，在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，并取得了滿意的效果，可編程控制器自此誕生2。 可編程控制器自問世以來，發(fā)展極為迅速。1971年，日本開始生產(chǎn)可編程控制器。1973年，歐洲開始生產(chǎn)可編程控制器。到現(xiàn)在，世界各國的一些著名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程控制器裝置。可編程控制器已作為一個獨立的工業(yè)設(shè)備被列入生產(chǎn)中，成為當代電控裝置的主導。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30%-40%

14、。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的未來，是無法取代的。2.2 PLC的構(gòu)成從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。2.2.1

15、 CPU模塊CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用。每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存如規(guī)定的寄存器中。同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元2.2.2 I/O模塊PLC與電氣回

16、路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入，開關(guān)量輸出，模擬量輸入，模擬量輸出等模塊。開關(guān)量是指只有開和關(guān)（或1和0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指連續(xù)變化的量。常用的I/O分類如下： (1)開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。(2)模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA，0-20mA）、電壓型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有1

17、2bit，14bit，16bit等。除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力限制。2.2.3 電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。2.3 可編程控制器實現(xiàn)控制的要點入出信息變換、可靠物理實現(xiàn)，可以說是PLC實現(xiàn)控制的兩個基本要點。入出信息變換依靠運行存儲于PLC內(nèi)存中的程序?qū)崿F(xiàn)。PLC程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序(不可

18、更改)，又有用戶自行開發(fā)的應用（用戶）程序。系統(tǒng)程序提供運行平臺，同時，還為PLC程序可靠運行及信號與信息轉(zhuǎn)換進行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設(shè)計。什么樣的控制要求，就應有什么樣的用戶程序?？煽课锢韺崿F(xiàn)主要靠輸人（INPUT）及輸出（OUTPUT）電路。PLC的I/O電路，都是專門設(shè)計的。輸入電路要對輸入信號進行濾波，以去掉高頻干擾。而且與內(nèi)部計算機電路在電上是隔離的，靠光耦元件建立聯(lián)系。輸出電路內(nèi)外也是電隔離的，靠光耦元件或輸出繼電器建立聯(lián)系。輸出電路還要進行功率放大，以足以帶動一般的工業(yè)控制元器件，如電磁閥、接觸器等等10。I/O電路是很多的，每一輸入點或輸出點都要有一個I/O

19、電路。PLC有多少個I/O用點，一般也就有多少個I/O用電路。但由于它們都是由高度集成化的電路組成的，所以，所占體積并不大。輸入電路時刻監(jiān)視著輸入狀況，并將其暫存于輸入暫存器中。每一個輸入點都有一個對應的存儲其信息的暫存器。輸出電路要把輸出鎖存器的信息傳送給輸出點。輸出鎖存器與輸出點也是一一對應的。這里的輸入暫存器及輸出鎖存器實際就是PLC處理器I/O口的寄存器。它們與計算機內(nèi)存交換信息通過計算機總線，并主要由運行系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。把輸人暫存器的信息讀到PLC的內(nèi)存中，稱輸入刷新。PLC內(nèi)存有專門開辟的存放輸入信息的映射區(qū)。這個區(qū)的每一對應位（bit）稱之為輸入繼電器，或稱軟接點。這些位置成1，表

20、示接點通，置成0為接點斷。由于它的狀態(tài)是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入狀態(tài)。輸出鎖存器與PLC內(nèi)存中的輸出映射區(qū)也是對應的。一個輸出鎖存器也有一個內(nèi)存位（bit）與其對應，這個位稱為輸出繼電器，或稱輸出線圈?？窟\行系統(tǒng)程序，輸出繼電器的狀態(tài)映射到輸出鎖存器。這個映射也稱輸出刷新。輸出刷新主要也是靠運行系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)的。這樣，用戶所要編的程序只是內(nèi)存中輸入映射區(qū)到輸出映射區(qū)的變換，特別是怎么按輸入的時序變換成輸出的時序。這是一個數(shù)據(jù)及邏輯處理問題。由于PLC有強大的指令系統(tǒng)，編寫出滿足這個要求的程序是完全可能的，而且也是較為容易的。2.4 西門子S7-200介紹可編程序控制器（PLC）是

21、以微處理器為基礎(chǔ)的工業(yè)控制裝置，其中S7-200是小型可編程序控制器，可以應用于各種小型自動化系統(tǒng)，具有緊湊的設(shè)計，高速的處理能力，界面友好的編程軟件，良好的擴展性，安全可靠的通訊，強大的指令集等優(yōu)點。可編程序控制器是一種新型的工業(yè)自動化控制裝置，在今后的工業(yè)控制領(lǐng)域中它必將迅速發(fā)展并成為主統(tǒng)。SIMATIC S7-200系列PLC可以滿足各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化控制需要。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能價格比。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：(1) 極高的可靠性 (2) 極豐富的

22、指令集 (3) 易于掌握 (4) 便捷的操作 (5) 豐富的內(nèi)置集成功能 (6) 實時特性 (7) 強勁的通訊能力 (8) 豐富的擴展模塊 S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)11。2.5 CPU 226簡介CPU 222/224/224XP/226均有6個高速計數(shù)器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能?？煞?/p>

23、便地用數(shù)字量和模擬量擴展模塊進行擴展?？墒褂梅抡嫫鳎ㄟx件）對本機輸入信號進行仿真，用于調(diào)試用戶程序。本機集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O 點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O 點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可以很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應于一些復雜的中小

24、型控制系統(tǒng)12。其端子連接如圖2.1所示。圖2.1 CPU 226 DC/DC/DC端子連接圖2.6 編程軟件STEP 7-Micro/WIN32 V3.2編程軟件可以對所有的CPU 221/222/224/224XP/226功能進行編程。其功能是通過一個主程序調(diào)用其他子程序或中斷程序，保證了程序結(jié)構(gòu)的清晰。此外，還可以生產(chǎn)數(shù)據(jù)塊，用語句表(STL)和梯型圖(LAD)編程，進行符號編程；通過符號表分配符號和絕對地址，并可打印輸出。支持三角函數(shù)，開方，對數(shù)運算功能。STEP 7 Micro WIN32是在Windows平臺上運行的SIMATIC S7-200軟件簡單、易學，具有擴展功能，能夠解決

25、復雜的自動化任務，西門子STEP7可以快速進入，節(jié)省編程時間。2.6.1 基本功能(1) STEP 7-Micro/WIN是在Windows平臺上運行的SIMATIC S7-200 PLC編程軟件，簡單、易學，能夠解決復雜的自動化任務。 (2) 適用于所有SIMATIC S7-200 PLC機型軟件編程。 (3) STEP7-MicroWIN V3.2提供三種編輯器來創(chuàng)建程序：梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。用任何一種程序編輯器編寫的程序，都可以用另外一種程序編輯器來瀏覽和編輯，但要遵循一些輸入規(guī)則。(4) 具有密碼保護功能。 (5) STEP 7-Micro/WIN提

26、供軟件工具幫助您調(diào)試和測試您的程序。這些特征包括：監(jiān)視S7-200正在執(zhí)行的用戶程序狀態(tài)，為S7-200指定運行程序的掃描次數(shù)，強制變量值等。 (6) 指令向?qū)Чδ埽篜ID自整定界面；PLC內(nèi)置脈沖串輸出（PTO）和脈寬調(diào)制（PWM）指令向?qū)?；?shù)據(jù)記錄向?qū)?；配方向?qū)?2。2.6.2 三種編程器的特點(1) STL編輯器的特點STL編輯器按照文本語言的形式顯示程序。STL編輯器允許你輸入指令助記符來創(chuàng)建你的控制程序。語句表也允許你創(chuàng)建用LAD和FBD編輯器無法創(chuàng)建的程序。這是因為你在使用S7-200的本族語言進行編輯，而在圖形編輯器中，為了正確地畫出圖形，必須遵守一些規(guī)則。(2) LAD編輯器的

27、特點LAD編輯器以圖形方式顯示程序，與電氣接線圖類似。梯形圖程序允許程序方針來自電源的電流通過一系列的邏輯輸入條件，決定是否使能邏輯輸出。一個LAD程序包括左側(cè)提供能流的能量線。閉合的觸點允許能留經(jīng)過并到達下一個元素；打開觸點會阻塞能流。(3) FBD編輯器的特點FBD編輯器以圖形方式顯示程序，由通用邏輯門圖形組成。它沒有梯形圖編輯器中的觸點和線圈，但有與之等價的指令，用盒指令表示。S7-200 PLC用LAD編程時以每個獨立的網(wǎng)絡塊（Network）為單位，所有的網(wǎng)絡塊組合在一起就是梯形圖程序，這也是S7-200 PLC的特點。S7-200 PLC用STL編程時，如果也以每個獨立的網(wǎng)絡塊為單

28、位，則STL程序和LAD程序基本上是一一對應的，而且兩者可以通過編程軟件互相轉(zhuǎn)換13；如果不是每個獨立的網(wǎng)絡塊為單位編程，而是連續(xù)編寫，則STL程序和LAD程序不能通過編程軟件相互轉(zhuǎn)換。3 定位自動控制系統(tǒng)總體設(shè)計作為一個定位控制系統(tǒng)，必須實現(xiàn)能滿足一般控制系統(tǒng)要求的自動、手動的控制功能，能根據(jù)使用者發(fā)出的指令做出相應的動作，能夠根據(jù)實際的情況進行自動的校正的目標。3.1 功能分析智能立體倉庫有貨架、堆垛機、自動控制裝置等部分組成，有自動和手動兩種操作方式。立體倉庫中間為巷道，兩側(cè)為雙行貨架，堆垛機在巷道上，固定的天、地導軌之間運行。本系統(tǒng)僅設(shè)置X和Y層的貨架一行，另一行貨架僅為虛擬行，以便安

29、裝和參觀學習。堆垛機由固定在小車上的門式框架、沿門式框架上導軌提升運動的升降臺以及在升降臺上做伸縮運動的貨叉（機械手）等三部分組成，堆垛機設(shè)計成一個三自由度系統(tǒng)，貨物放在升降臺的貨叉上能實現(xiàn)上下、左右和前后的運動。水平方向的前后運動，由小車電動機進行驅(qū)動，小車電動機為220W的三相交流異步電動機。堆垛機垂直方向，由提升電機驅(qū)動升降臺沿門式框架結(jié)構(gòu)做升降運動，提升速度小于5m/min，提升電動機功率為220W的錐型轉(zhuǎn)子單相交流異步電動機，具有斷電抱閘制動的功能。固定在升降臺上的機械手可帶動貨物一起做伸縮運動，伸縮量為左右各300mm，用于貨物的存取操作。速度按機械手5m/min的速度要求設(shè)定。定

30、位自動控制系統(tǒng)工藝流程:根據(jù)設(shè)計要求將整個定位控制的全過程分為多個階段；小車前進到指定貨列架的過程；將貨物抬升到指定貨架行的過程；機械手放置貨物或者取得貨物的過程；放置或取得貨物之后返回的過程。在各個階段，對象的特征相對穩(wěn)定，并且小車在前進和抬升貨物的過程控制方面是基本一致的。其取貨過程見圖3.1圖3.1 取貨流程圖下面對各個階段進行簡單地介紹。(1) 小車前進過程：在這個過程中，處于自動或者手動控制狀態(tài)的小車由起始點出發(fā)，經(jīng)過位置的校對，到達預先指定列值的貨架位置。(2) 抬升貨物過程：在這個過程中，貨物被抬升到預先指定行值的貨架位置。(3) 存取貨物過程：在這個過程中，通過控制機械手臂的運

31、動，使機械手到達預先指定的位置。然后根據(jù)實際的需要完成存放或者取得貨物的操作。(4) 返回過程：在完成指定的操作之后，小車應該返回起始位置。3.2 定位自動控制系統(tǒng)PLC選型和資源配置根據(jù)實際的控制點數(shù)和系統(tǒng)需要實現(xiàn)的控制要求，在本課題中選用了西門子公司生產(chǎn)的S7200系列的PLC作為控制系統(tǒng)。按照控制點數(shù)來計算，可以選用CPU224這個型號的CPU模塊。3.2.1 PLC選型圖3.2所示的就是S7200系列的PLC，由于其具有緊湊的設(shè)計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的指令系統(tǒng)，使得S7200系列可以近乎完美的滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的CPU類型和電壓等級使其在解決工業(yè)自動化問題時

32、，具有很強的適應性。圖3.2 西門子公司的S7200系列PLCS7200 CPU 226（擴展）系統(tǒng)分別對小車電機用變頻器、機械手電機步進驅(qū)動模塊進行自動控制，并對檢測信號及外部輸入數(shù)據(jù)和控制信號進行處理，實現(xiàn)了對小車、機械手驅(qū)動、升降臺提升及保護等控制的基本要求。表3.1所示是CPU226的技術(shù)參數(shù)。表3.1 CPU226的技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)說明本機數(shù)字輸入24路數(shù)字量輸入本機數(shù)字輸出16路數(shù)字量輸出高速計數(shù)器（32-位值）6個高速計數(shù)器脈沖輸出2個，20kHz脈沖速率模擬電位器1個，8位分辨率時間中斷2個，1ms分辨率位置中斷4個上升沿和/或4個下降沿可選擇的輸入濾波器時間7個，范圍0.2m

33、s 12.8ms3.2.2 PLC的I/O資源配置由于需要采集外部檢測信號（小車所經(jīng)過的行、列）、控制小車驅(qū)動電機的起停、選擇手動控制與自動控制狀態(tài)、小車的前后列向運動、升降行向運動、伸縮運動、貨物的抓取、存放等。系統(tǒng)資源分配如表3.2所示。表3. PLC的I/O地址分配表位號名數(shù)據(jù)類型說明I0.0BOOLSTART 1啟動I0.1BOOLSTOP 1停止I0.2BOOL自動選擇輸入 I0.3BOOL手動選擇輸入I0.4BOOL前后運動I0.5BOOL向前運動I0.6BOOL向后運動I0.7BOOL升降運動I1.0BOOL上升運動I1.1BOOL下降運動I1.2BOOL伸縮運動I1.3BOOL

34、前伸運動I1.4BOOL后縮運動I1.5BOOL抓取物品I1.6BOOL放置物品I1.7BOOL列初始位置(原點位置)I2.0BOOL行初始位置I2.1BOOL后縮初始位置I2.2BOOL貨叉壓力傳感器 0-放松；1抓緊I2.3BOOL存物品I2.4BOOL取物品I2.5BOOL復位Q0.0BOOL小車向前運行Q0.1BOOL小車停止向前運行Q0.2BOOL小車向后運行Q0.3BOOL小車停止向后運行Q0.4BOOL機械手上升Q0.5BOOL停止上升Q0.6BOOL機械手下降Q0.7BOOL停止下降Q1.0BOOL機械手前伸Q1.1BOOL停止前伸Q1.2BOOL機械手后縮Q1.3BOOL停止

35、后縮Q1.4BOOL抓取物品Q1.5BOOL放置物品Q1.6BOOL原點顯示表3.3 PLC的M單元地址分配表M0.0BOOL運行狀態(tài) 0停止；1運行M0.1BOOL存放物品工作標志M0.2BOOL取出物品工作標志M10.0BOOL手動、自動狀態(tài) 0-手動；1-自動M20.0BOOL小車前后運動使能 M20.1BOOL列到位標志 0未到位；1到位M20.2BOOL升降運動使能M20.3BOOL行到位標志 0未到位；1到位M20.4BOOL伸縮運動使能M20.5BOOL物品到位標志 0未到位；1到位M20.6BOOL抓放動作使能M20.7BOOL程序運行方向標志0存、取物品工作執(zhí)行中；1-工作完

36、畢，小車準備后退M21.0BOOL向前運行標志M21.1BOOL向后運行標志M21.2BOOL上升運行標志M21.3BOOL下降運行標志M21.4BOOL前伸運行標志M21.5BOOL后縮運行標志M21.6BOOL抓緊動作標志M21.7BOOL放松動作標志 3.2.3 其他資源配置EM 253位控模塊是S7200的特殊功能模塊。能夠產(chǎn)生移動控制所需的脈沖串，其組態(tài)信息存儲在S7200的V存儲區(qū)中，用于步進電機和伺服電機的速度和位置的開環(huán)控制。位控模塊的特性如下：(1) 位控模塊可提供單軸開環(huán)移動控制所需要的功能和性能；(2) 提供高速控制從每秒12個脈沖至每秒200 000個脈沖；(3) 支持

37、急停S曲線或線性的加速減速功能；(4) 提供可組態(tài)的測量系統(tǒng)，既可以使用工程單位，如英寸和厘米，也可以使用脈沖數(shù)；(5) 支持手動的位控方式；(6) 提供連續(xù)操作；(7) 提供四種不同的參考點尋找模式，每種模式都可對起始的尋找方向和最終的接近方向進行選擇。3.3 控制系統(tǒng)的主要功能本系統(tǒng)選用了西門子公司的S7 200 型可編程控制器、臺達公司VFD - A 型變頻器和3 臺電機等組成。S7200型可編程控制器采用模塊式結(jié)構(gòu)，具有系統(tǒng)容量大、擴充方便、各種功能模塊齊全及指令功能強等優(yōu)點。本系統(tǒng)由CPU226、SM321、SM322、PS307等模塊構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)分別對小車電機用變頻器

38、、機械手電機步進驅(qū)動模塊進行自動控制，并對檢測信號及外部輸入數(shù)據(jù)和控制信號進行處理。實現(xiàn)了小車、機械手驅(qū)動，升降臺提升及保護等控制的基本要求?？刂葡到y(tǒng)的組成框圖如圖3.3所示。圖3.3 控制系統(tǒng)圖3.3.1 工作方式選擇 系統(tǒng)基本電路電氣原理如圖3.4所示，鈕子開關(guān)SA4控制中間繼電器KA，實現(xiàn)手動和自動轉(zhuǎn)換控制，并設(shè)置了各種工作狀態(tài)指示。圖3.4基本控制電路手動工作狀態(tài)時，鈕子開關(guān)SA4閉合，此時繼電器KA線圈通電，PLC系統(tǒng)不工作，手動控制系統(tǒng)通過萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)SA321分別控制KM3、KM4 ，實現(xiàn)提升電機的正反轉(zhuǎn)(見圖3.4所示)；SA2通過變頻器，手動控制小車電機的正反轉(zhuǎn)，SA1控制步

39、進電機，實現(xiàn)貨叉伸縮運動。萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)的觸點SA222、SA322、SA123分別控制指示燈HL11HL16，實現(xiàn)小車前后、機械手左右和升降臺上下運動的手動工作狀態(tài)指示(見圖3.4上) 。在自動工作狀態(tài)時，PLC系統(tǒng)上電工作(PLC電源控制電路未畫出) ，用PLC輸入模塊SM321對各種狀態(tài)控制開關(guān)和光電檢測開關(guān)、限位保護開關(guān)等信號進行采集。其中層、列開關(guān)采用光電檢測開關(guān)，機械手的貨叉中位(中間位置) 檢測開關(guān)采用了電感式接近開關(guān)，其他開關(guān)為鈕子開關(guān)和行程開關(guān)(見圖3.4下) 。圖3.4 系統(tǒng)基本電路電氣原理圖PLC的繼電器輸出模塊SM322，用于驅(qū)動HL1、HL2、HL6，實現(xiàn)編程、運行、左

40、側(cè)、右側(cè)、出庫、入庫等自動工作狀態(tài)指示，及在自動工作狀態(tài)下驅(qū)動交流接觸器KM3、KM4，實現(xiàn)提升電機M2的正、反轉(zhuǎn)控制(見圖3.4中) 。3.3.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制 變頻調(diào)速手段有兩種： (1) 當運行控制速度、控制定位精度較低時，一般選用開環(huán)有級調(diào)速運行模式：即手動設(shè)定幾個固定的運行頻率（如：高速、中速、低速三種運行頻率，實際上可根據(jù)使用的不同規(guī)格或品牌的變頻器及配套的變頻電機等選擇設(shè)定不同梯度的運行頻率，根據(jù)堆垛機的具體運行和控制要求由PLC根據(jù)外部環(huán)境的輸入輸出信號進行程序控制切換和設(shè)定，如用控制用行程開關(guān)、光電接近開關(guān)等作為信號輸入控制單元等，以達到調(diào)速、定位停準的目的；但該變頻調(diào)速

41、手段的輸出偏差或位置控制的誤差分布范圍大，特別是當自動化立體倉庫巷道堆垛機的運行速度較高時，會造成速度轉(zhuǎn)換后的加、減速距離的增加，加、減速平穩(wěn)性控制難度的增加以及控制單元敏感性下降、故障率上升等，其應用具有很大的應用局限性。 (2) 當運行控制速度、控制定位精度較高時，一般選用閉環(huán)無級運行控制模式，即：對堆垛機的運行速度、運行位移量或位置定位點實現(xiàn)閉環(huán)無級運行控制模式，從而從根本上實現(xiàn)到達目的地址時的制動停準和根據(jù)運行距離實現(xiàn)的平穩(wěn)換速、適時調(diào)整變頻器的運行控制頻率，以實現(xiàn)最佳平穩(wěn)運行速度的要求，并能縮短作業(yè)周期，提高作業(yè)效率；該變頻調(diào)速手段控制精度高，運動控制平穩(wěn)，具體場合的適應性好，系統(tǒng)運

42、行的可靠性高，易調(diào)試，但一次性投資成本較高。主要表現(xiàn)在閉環(huán)反饋信號元件的控制精度選擇與配置（如：激光測距儀及其接口電路或板卡）、PLC配置上的高端化、上位機控制軟件及硬件與PLC的接口電路或板卡等，其軟件編程的高端和復雜化以及軟件開發(fā)調(diào)試具有一定的難度等.小車電機變頻調(diào)速采用臺達公司VFD2A型變頻器，變頻調(diào)速的硬件電路見圖3.5所示。手動操作時，中間繼電器KA常開觸點閉合，萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2的操作手柄在位置1時，變頻器DCM與REV端連通，變頻器輸出正相序電源，三相交流異步電動機M1正轉(zhuǎn)，SA2在位置2時，DCM與FWD連通，變頻器輸出反相序電源，電動機M1反轉(zhuǎn)。SA2在位置0時，REV與F

43、WD均無效，電動機M1處于停止狀態(tài)。自動操作時，KA常開觸點斷開，SA2在位置零，當PLC的輸出點Q4. 0有效時，DCM 與REV端連通，M1正轉(zhuǎn)；Q4. 1有效時，DCM與FWD連通，M1反轉(zhuǎn)。堆垛機沿巷道運行，行程長，為了提高出入庫的效率和精確定位，小車的行進速度采用變頻調(diào)速控制。圖3.5 變頻調(diào)速控制3.3.3 貨叉伸縮控制智能立體倉庫的機械手采用二相混合式步進電機驅(qū)動，步進電機型號為90BYG201 型，0. 9°P1. 8°，兩相混合式，輸出力矩7N·m；其驅(qū)動模塊采用西門子公司S7- 200PLC控制，控制系統(tǒng)的硬件電路原理見圖3.6所示。圖3.6

44、貨叉伸縮控制機械手控制系統(tǒng)由SM322模塊、脈沖形成電源電路、步進功率驅(qū)動模塊3部分組成，用以實現(xiàn)機械手的進、退叉動作控制。SM322模塊為PLC的繼電器式輸出模塊；脈沖形成電源電路板提供步進方波脈沖信號CV、步進模塊直流15V工作電源和步進電機直流46VP4A大功率電源；步進功率驅(qū)動模塊U /D端為步進電機正、反轉(zhuǎn)控制端，CP端為步進脈沖輸入端。3.4 控制原理分析堆垛機的信息顯示、作業(yè)地址及指令的輸入方法有很多種。一種方法是采用發(fā)光二極管來顯示各種信息（如故障診斷代碼等），采用撥碼開關(guān)來輸入作業(yè)地址。此種方法原理簡單，但是一旦元器件有損壞，如某個發(fā)光二級管損壞，顯示信息就不準；又由于采用撥

45、碼開關(guān)輸入的地址值無法校驗，撥碼開關(guān)使用23年后，觸點氧化，使電阻增加，工作電壓較低（24V），導通電流?。?mA），這樣觸點電阻的變化會直接影響撥碼開關(guān)的可靠性，造成撥碼開關(guān)撥的數(shù)值與PLC輸入的數(shù)值不一致，堆垛機無法運行到目的地址。此種方法直接影響了堆垛機的可靠運行，增大了堆垛機的后期保養(yǎng)、維修工作，因此目前此種方法已經(jīng)很少有人采用。另一種方法是采用鍵盤來輸入作業(yè)地址、作業(yè)指令，用數(shù)字和符號來顯示各種信息，輸入的數(shù)值及指令馬上可以顯示出來，校對容易，對錯一目了然。編程器的顯示器有二行共32位5×7的液晶點陣，可以顯示數(shù)字、符號和字母；鍵盤按鍵有09、AF等鍵可以使用，可以向小車輸

46、入作業(yè)地址（排、列和層）、作業(yè)指令（存、取最多二個作業(yè)）、操作方式（自動、手動）。將鍵盤的09鍵定義為數(shù)字鍵，AF定義為功能鍵，在輸入作業(yè)指令、作業(yè)地址時，顯示器能馬上顯示出來，實現(xiàn)了簡單的人機對話，保證了輸入的作業(yè)地址和作業(yè)指令的準確性，提高了堆垛機運行的可靠性。這個方法使堆垛機的小車每通過一個位置就記錄一個數(shù)，一直移動到和預定位置號一致時停止移動，此方法的特點是電路簡單。另外隨著電子技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了眾多優(yōu)秀的PLC，用PLC來控制堆垛機是相當靈活方便，可以在PLC的軟件中加以保護，即堆垛機每走過一個貨格的時間超過或少于正常的時間范圍就報警。這樣就可以有效地避免計數(shù)出錯。本課題即采用此種方法

47、。立體智能倉庫能實現(xiàn)貨物的自動存取功能，這就要小車在作水平、升降臺做垂直運動時，能準確記憶堆垛機的位置，即堆垛機的小車和升降臺所在的列和層數(shù)，以實現(xiàn)貨物的定位存取，本系統(tǒng)采取了非接觸式反射型光電傳感器，自動檢測貨位的列和層數(shù)。例如，隨小車移動，列光電傳感器每經(jīng)過一個貨架立柱時，接收到一個反射信號，列值增加1；升降臺每升高一層，層光電傳感器使層值增1。光電傳感器的有效反射距離為30cm。在自動存取貨物時，貨位的輸入方法有微機鍵盤和BCD碼撥盤開關(guān)兩種形式輸入，PLC在接收到外部輸入的貨位層和列數(shù)值后，將此值作為層、列計數(shù)器的預置值，用于實現(xiàn)貨位的自動搜索控制。圖3.7示所示是典型連接示意圖。圖3

48、.7 連接示意圖3.5 模型的自動尋址立體倉庫的自動尋址就是自動尋找存放貨、提取貨物的位置。在同一巷道內(nèi)的貨位地址由3個參數(shù)組成：第幾排貨架、第幾層貨格、左側(cè)或右側(cè)。當堆垛機接收到上級管理機的存取指令和存取地址后，即向指定的貨位方向運行。運行中，安裝在堆垛機上的傳感器不斷檢測位置，計算判斷是否到位，從而實現(xiàn)貨物的定位存取。本模型采用了非接觸式反射型光電傳感器，自動檢測貨位的列和層數(shù)。堆垛機對定位地址的精度要求很高，目前普遍采用絕對認址和相對認址兩種方法。該模型采用相對式混合坐標法來確定地址，即在堆垛機的側(cè)部和升降臺上各安裝1個光電傳感器，當堆垛機前后運動和升降臺上下運行時經(jīng)過每個貨位光電脈沖加

49、1或減1得到地址的方法。在自動存取貨操作時，貨位的輸入方法有微機鍵盤和BCD碼撥盤開關(guān)兩種輸入形式，PLC在收到外部輸入的貨位的層和列數(shù)據(jù)后，作為層列計數(shù)器的預置值，用于實現(xiàn)貨位的自動尋址控制。 4 控制系統(tǒng)PLC程序設(shè)計流程4.1 程序設(shè)計思路(1) 初始化過程，清除位置記錄(2) 調(diào)用子程序檢測位置信號(3) 工作任務標志：存放，取出物品(4) 原點顯示(5) 運行狀態(tài)(6) 手動，自動選擇(7) 啟動小車手動向前運行(8) 啟動小車手動向后運行(9) 手動小車前后運動使能(10) 手動控制小車前后運行(11) 啟動機械手手動上升(12) 啟動機械手手動下降(13) 手動機械手上升、下降使

50、能(14) 手動控制機械手上升、下降運行(15) 手動控制機械手前伸、后縮運行使能(16) 啟動機械手手動前伸(17) 啟動機械手手動后縮(18) 手動控制機械手前伸、后縮運行4.2 程序流程圖 立體倉庫教學模型的PLC控制系統(tǒng)的功能模塊主要有左側(cè)入庫(存貨)，左側(cè)出庫(取貨)；右側(cè)入庫(存貨)，右側(cè)出庫(取貨)等；取、存貨(出入庫)動作要求的主要不同之處在于取貨時的微抬和存貨時的微落動作的處理?？刂葡到y(tǒng)的主程序流程圖分別見圖4.1 。圖4.1 程序流程圖5 智能立體倉庫物品定位自動控制系統(tǒng)的PLC程序說明 程序的運行步驟如下：(1) 初始化：在程序的一個掃描周期（SM0.1 = 1）設(shè)置重要

51、的參數(shù)。(2) 運行：按下設(shè)備的“啟動”（START）按鈕開始運行，首先調(diào)用子程序檢測位置信號，取得當前位置計數(shù)，然后將位置計數(shù)存放在變量VW100（行計數(shù)）、VW120（列計數(shù)）中，以便程序判斷是否已經(jīng)到達指定的位置。5.1 程序初始化程序初始化由網(wǎng)絡1和網(wǎng)絡2完成：S7-200只讀特殊內(nèi)存SM0.1，只有在首次掃描循環(huán)時打開，所以這段初始化程序只在程序開始運行的時候執(zhí)行一次。這里執(zhí)行的兩條指令對變量VW102以及VW132進行初始化，這兩個 變量分別為小車運行中所經(jīng)過的行記數(shù)以及列記數(shù)。由于要涉及到小車完成任務的過程以及完成任務以后返回的過程，所以程序在執(zhí)行的過程中必須要明確其運動方式和目

52、的，是前進或后退運動、升降運動或機械手臂的伸縮運動等。因此，在以下的程序中，每一個運動過程都必須加上很明確的標志和條件限制來確定其運動的方式和運動的目的，這樣才不至于因為目的不明確而造成錯誤的判斷以及錯誤的動作。造成存取貨物的失敗。圖5.1 程序初始化網(wǎng)絡1、2實現(xiàn)代碼如下程序NETWORK 1 /NETWORK TITLE: / LD SM0.1MOVW +0， VW102MOVW +0， VW132NETWORK 2/ /NETWORK COMMENTS/ LD SM0.0CALL SBR_05.2 列向自動運行列向自動運行由網(wǎng)絡3和網(wǎng)絡4完成：在這段程序中，首先要考慮的問題就是：小車處于

53、前進或者是存放貨物過程還是完成了預定任務返回的過程。但是由于PLC程序的執(zhí)行特點是逐行掃描，所以僅僅判斷小車是處于前進過程還是返回過程機械手臂是不夠的 ，因為在返回過程中還有機械手臂從貨架上縮回來、機械手臂下降到初始位置等幾個過程，所以說，必須要在程序中能夠?qū)⑦@3種完全不同的運動區(qū)分開關(guān)。根據(jù)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以及M20.5，分別作為小車沿列向運行到位標志，機械手沿行向運行到位標志，機械手貨架到位標志。當變量為ON時，表示已經(jīng)完成了該項動作，為OFF時表明小車還沒有完成對應的運動。Q0.0是開關(guān)量輸出，表示啟動小車前進，小車開始向前運動。當小車還處于取放貨的動作未完成的階段時，需要判斷的是小車是否已經(jīng)完成了列的定位，如果未完成（M20.3為OFF），那么啟動小車前進的電機，使小車向前運動。如果小車處于已經(jīng)完成了取放貨的動作時，那么判斷小車是否已經(jīng)完成了由貨架上返回（伸縮機械手的運動）、是否已經(jīng)完成了由指定行數(shù)退回初始行位置的運動（如果完成，小車應該是第一行以下的位置）。如果小車這兩個過程都已經(jīng)完成，那么將開始進行后退運動，Q0.2表示啟動小車后退電機使