立體倉庫巷道堆垛機的控制系統(tǒng)設計本科畢業(yè)設計1

1、本 科 畢 業(yè) 設 計（論 文）題目 立體倉庫巷道堆垛機的控制系統(tǒng)設計 學生姓名 韋忠爽 學 號 09b06070207 指導教師 孫建華 學 院 機電學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 交稿日期 2013年5月10日 學術(shù)誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設計（論文）不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。中文題目：英文題目：作者簽名： 日期： 年 月 日版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)

2、設計（論文）作者同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)上海建橋?qū)W院可以將本畢業(yè)設計（論文）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本畢業(yè)設計（論文）。 保 密 ，在 年解密后適用本授權(quán)書。本論文屬于 不保密 。（請在以上方框內(nèi)打“”，如作者未做出選擇的情況下，按不保密處理。）作者簽名： 指導教師簽名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日立體倉庫巷道堆垛機的控制系統(tǒng)設計摘 要集物流、信息流、和資金流于一身的物流配送中心，在全球化和市場化的時代里，促進了世界經(jīng)濟與貿(mào)易的大發(fā)展。物流配送最核心的系統(tǒng)設備

3、就是自動化立體倉庫。而堆垛機又是自動化立體倉庫的關(guān)鍵設備。 本文設計的是一兩排四層三列式立體倉庫巷道式堆垛機的電氣控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)貨物存取的模擬控制。主要工作包括：分析對比各類立體倉庫的控制技術(shù)，確定實現(xiàn)方案；進行堆垛機的機械結(jié)構(gòu)分析；進行堆垛機的控制系統(tǒng)設計；用組態(tài)軟件設計人機界面，對貨物存取過程進行仿真控制。本文所述的系統(tǒng)是采用先進的西門子plc控制器控制，用變頻器驅(qū)動的半閉環(huán)交流伺服系統(tǒng)。設計時分析了堆垛機的工作過程（主要運動有行走、升降和叉伸運動），利用了光電傳感器檢測堆垛機位置，并研究了堆垛機運動控制、認址檢測方式，實現(xiàn)了堆垛機的運動和定位方案。為了提升工作效率，使用了變頻調(diào)速控制技

4、術(shù)。本文通過西門子s7-200 smart系統(tǒng)手冊編寫了plc程序，通過上位機系統(tǒng)對plc的運行進行監(jiān)控，并對貨位信息進行處理。實現(xiàn)了本文設計的堆垛機系統(tǒng)的自動、手動2種控制方式。機系統(tǒng)運行平穩(wěn)，定位準確，安全可靠達到設計要求。本文的軟件設計分別采用step7編程軟件實現(xiàn)堆垛機的出入庫控制；采用組態(tài)王6.53設計監(jiān)控系統(tǒng)，其包含設備及貨位狀態(tài)顯示、故障報警、入庫(庫存)信息的報表等接口。通過理論推導、實驗研究，表明本文所研究的自動化立體倉庫技術(shù)具有一定的先進性，實現(xiàn)方法切實可行，具有一定的實用價值和應用前景。關(guān)鍵詞:自動化立體倉庫，堆垛機，plc，監(jiān)控系統(tǒng)the design of contr

5、ol system for stereoscopic warehouse stacker machineabstractin an age of globalization and marketization, a logistics distribution center ,which includes logistics, information flow and capital flow , promotes the great development of the world economy and trade. automation stereoscopic warehouse is

6、 the core of system equipment in logistics distribution.the stacker is the key equipment of automation stereoscopic warehouse.this paper is aimed at designing roadway stacker electrical control system of a two rows of four layer three column type stereoscopic warehouse, and it can realize the simula

7、tion control access to the goods. the main work includes four items: this article compares all kinds of the stereoscopic warehouse control technology to determine the implementation plan , analysises stacking machine mechanical structure , designs the stacker control system and uses configuration so

8、ftware to design man-machine interface in order to control access to goods process simulation.the system described in this article uses the advanced siemens plc controller and the inverter . it is half closed loop ac servo system. in designing , this text has analyzed the working process of the stac

9、ker (main motion contains walking, fork lifting and stretching),has used photoelectric sensors to detect position of stacker, has studied the stacker to recognize address detection mode and motion control, and has realized the stacker movement and positioning schemes. in order to improve work effici

10、ency, this paper uses the technology of frequency control of motor speed control. based on siemens s7-200 smart system manual, this article writes the plc program. the upper machine system monitors the operation of the plc, and processes the position information. this paper has designed two kinds of

11、 control mode: stacker system of automatic and manual. machine system runs smoothly, accurately, safely and reliably.it can meet the design requirements. in this text, the software design of stacker is realized respectively by using step7 programming software and monitoring system is designed by ado

12、pting king view 6.53, which includes a state of equipment and goods display, fault alarm, warehousing (inventory) information reporting interface.through theoretical derivation and experimental research, this paper proves that the research of the automatic solid warehouse technology is advanced. the

13、 implementation method is feasible. this system has certain practical value and application prospect.key words：automated multi-layered storehouse, stacking machine, plc, monitoring and control system目 錄摘 要iabstractii1 緒論11.1堆垛機簡介11.2 堆垛機的分類11.3巷道式單立柱堆垛機的結(jié)構(gòu)組成31.4 堆垛機在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀41.5 本文研究的主要內(nèi)容42 倉儲堆垛機的控制

14、52.1 堆垛機主要運動及控制方式52.1.1 堆垛機的主要運動52.1.2 堆垛機的控制方式.52.2 堆垛機認址方式52.2.1認址方式的介紹52.2.2認址方式的確定62.3 堆垛機速度控制72.3.1 變頻調(diào)速的工作原理.72.3.2 速度曲線的設計82.3.3 半閉環(huán)控制93 控制系統(tǒng)硬件部分設計103.1 核心元件簡介103.1.1可編程控制器簡介103.1.2 變頻器簡介.103.2電氣設計一般原則103.2.1電器元件的選用113.2.2堆垛機的配套傳感器系統(tǒng)113.3系統(tǒng)電路設計123.3.1電氣原理圖設計的基本步驟123.3.2 電氣原理圖的設計方法123.3.3 主電路設

15、計143.3.4 控制電路設計144 控制系統(tǒng)軟件部分設計164.1 i/o分配174.2 plc主程序設計184.2.1 程序初始化184.2.2 運行方式的選擇184.3 plc子程序設計184.3.1堆垛機出、入庫的主要運動184.3.2堆垛機手動運行194.3.3堆垛機自動運行204.4 堆垛機plc程序215 監(jiān)控系統(tǒng)設計225.1 組態(tài)王6.53介紹225.2 制作監(jiān)控系統(tǒng)的步驟225.2.1 創(chuàng)建工程路徑225.2.2 創(chuàng)建組態(tài)畫面235.2.3 定義i/o設備235.2.4 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫245.2.5 建立動畫連接255.2.6 運行和調(diào)試.26結(jié) 論27參 考 文 獻28附錄a

16、堆垛機plc程序28附錄b組態(tài)王6.53應用命令語言程序40致 謝481 緒論1.1堆垛機簡介近年來，中國的電子商務有了翻天覆地的變化，就在2012年雙十一促銷的前一天，馬云對采訪記者說，電子商務會在傳統(tǒng)商業(yè)領域掀起一次革命性的顛覆，“就像獅子吃掉森林里的羊一樣”，接著2012年11月11日，支付寶當天的交易額達到令人震驚的191億。然而緊隨其后的一周內(nèi)，消費者紛紛抱怨電商的糟糕的配貨、出貨速度。究其原因無疑和物流配送相關(guān)。經(jīng)濟的迅速發(fā)展、科學的飛躍進步和已經(jīng)到來的信息革命，使世界經(jīng)濟開始全球化和市場化，我們進入了一個前所未有的嶄新時代。集資金流、信息流、和物流于一身的物流配送中心，在這個效率

17、至上的時代里，又進一步推動了全球貿(mào)易與經(jīng)濟的大發(fā)展。物流配送最核心的系統(tǒng)設備就是自動化立體倉庫。可以說，沒有自動化立體倉庫就沒有現(xiàn)代化的物流系統(tǒng)。隨著立體倉庫的出現(xiàn)，在其中起到重要作用的巷道式堆垛機（常常稱作堆垛機）獲得到了迅猛發(fā)展，。它是自動化立體倉庫的核心作業(yè)機械，擔負著存貨、取貨等任務,是自動化立體倉庫的關(guān)鍵設備，堆垛機的發(fā)展是衡量自動化立體倉庫發(fā)展的主要標志，因此自動化立體倉庫領域的熱點就成了對堆垛機的研究。1.2 堆垛機的分類1. 按有無人搭乘分類（1）人、貨升降式堆垛機。這種堆垛機的貨臺和操作室為一體，操作者與貨物一起上下。（2）貨升降式堆垛機。2. 按支持形式分類（1）懸垂式堆垛

18、機。所謂懸垂式即是堆垛機懸掛在上導軌上。（2）地面式堆垛機。即是堆垛機在地面導軌上行走。（3）臺車移載式堆垛機。它是通過臺車移動來實現(xiàn)貨物的移載作業(yè)的堆垛機。（4）輸送機移載式堆垛機。它是利用輸送機來實現(xiàn)貨物的移載作業(yè)的堆垛機。3. 按控制方式分類（1）手動式堆垛機。它是操作者在操作室或操作臺上，實行手動操作以控制行走、升降和叉伸等運動的堆垛機。（2）半自動堆垛機。它是在手動式堆垛機的基礎上增加自動控制實現(xiàn)對行走、升降和貨叉運動的控制。（3）自動堆垛機。它是在自動堆垛機的基體上安裝有設定器，操作者只要利用計算機進行出入庫設定，便可實現(xiàn)貨物自動存取。（4）遠程控制堆垛機。它是使用遠程控制便可實現(xiàn)

19、自動運轉(zhuǎn)的堆垛機。4. 按移載方式分類（1）選貨式堆垛機。它是操作者直接進行手工操作以實現(xiàn)對貨架中的貨物的存取作業(yè)。（2）貨叉移載式堆垛機。它是通過貨叉移動來實現(xiàn)存取貨物的堆垛機。其中又分單叉、雙叉和多叉幾種。5. 按軌道配置分類（1）直線導軌式堆垛機。這是在直線導軌上往復運動的堆垛機。（2）曲線導軌式堆垛機。這是在直線和曲線導軌上往復運動的堆垛機。（3）在移動臺車導軌上行走的堆垛機。隨著移動臺車的移動，堆垛機可以進入其它巷道動作。這樣可以節(jié)約堆垛機數(shù)量，減少投資。6. 按主構(gòu)件形成分類（1）單柱式（桅桿式）堆垛機。如圖1.1所示。（2）雙柱式堆垛機。如圖1.2所示。 圖1.1單立柱堆垛機 圖

20、1.2雙立柱堆垛機1.3巷道式單立柱堆垛機的結(jié)構(gòu)組成單立柱堆垛機大體上是由一根立柱和上、下橫梁組成，或是僅由一根立柱與下橫梁組成，整臺機器重量偏輕，制造所需材料與工時少，適用于2噸以下的起重量、十六米 以下起升高度的倉庫。巷道式單立柱堆垛機的結(jié)構(gòu)如圖1.3 所示，主要由存、取貨物機構(gòu)、升降機構(gòu)、行走機構(gòu)以及安全保護裝置等組成。存、取貨物機構(gòu)是堆垛機存、取貨物的執(zhí)行機構(gòu)，裝設在載貨臺上，主要功能即實現(xiàn)貨物的搬運和存取。目前最常用的是三級直線差動式伸縮貨叉。它由上叉、中叉、下叉和起導向作用的滾針軸承等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。提升機構(gòu)的主要功能是實現(xiàn)堆垛機存取貨機構(gòu)的垂直運動，目前有部分堆垛機的

21、提升機構(gòu)是靠起重鏈柔性件來進行牽引。升降機構(gòu)主要由升降鏈輪，升降鏈條和驅(qū)動鏈輪等組成。載貨臺和升降鏈條連接在一起，升降鏈條與載貨臺、上下橫梁的鏈輪及升降鏈輪組成封閉式結(jié)構(gòu)。行走機構(gòu)的主要功能是實現(xiàn)堆垛機沿巷道方向的水平運動。本文設計的堆垛機運行機構(gòu)由電機變速箱、行走輪、導向輪等組成。下橫梁下方有行走輪，導向輪在其側(cè)面，確保堆垛機可以正常行走。其結(jié)構(gòu)如圖1.5 所示。 圖1.3巷道式單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)圖 圖1.4存取貨機構(gòu)（上）圖1.5行走機構(gòu)（下）1.4 堆垛機在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 根據(jù)物流設備的發(fā)展形勢，對比國內(nèi)外技術(shù)水平及研發(fā)情況等有關(guān)資料的分析，目前國內(nèi)堆垛機與國際先進水平相比，主要的差距在

22、于綜合性能上的差距：重點體現(xiàn)在機構(gòu)行走和升降的速度、貨叉伸縮的速度、運行時的平穩(wěn)性、振動和噪聲。在結(jié)構(gòu)上也存在較大的劣勢：國外產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計合理，且更加靈巧，本人國產(chǎn)品相對來說笨重，不夠小巧。1.5 本文研究的主要內(nèi)容本文設計的是一兩排四層三列式立體倉庫巷道式堆垛機的電氣控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)貨物存取的模擬控制。主要工作包括：分析對比各類立體倉庫的控制技術(shù)，確定實現(xiàn)方案；進行堆垛機的機械結(jié)構(gòu)分析；進行堆垛機的控制系統(tǒng)設計；用組態(tài)軟件設計人機界面，對貨物存取過程進行仿真控制。2 倉儲堆垛機的控制2.1 堆垛機主要運動及控制方式本文設計的堆垛機在收到控制系統(tǒng)的指令后可以來回穿梭運行于自動化立體倉庫的巷道中

23、，能夠?qū)⑽挥谌霂炜诘呢浳锎嫒胴泜}，或者相反取出貨倉內(nèi)的貨物運送到出庫口。2.1.1 堆垛機的主要運動自動化立體倉庫堆垛機的主要運動：堆垛機主體沿巷道前后方向運行；位于主柱上的升降臺沿上下方向的運行；升降臺上的貨叉能左右伸縮以存取巷道上的貨架上的貨箱。2.1.2 堆垛機的控制方式自動化立體倉庫擁有較多的控制方式，時至今日有三種較為主流的控制方式：plc控制、單片機控制和繼電器控制。本次采用plc控制。2.2 堆垛機認址方式2.2.1認址方式的介紹堆垛機進行貨物存、取前必須先走到指定的貨位。它到達與否的判定，在操作時必須自動進行。為此貨架上的每一個貨位必須具有堆垛機能識別的編碼。巷道左右2排貨架依

24、次設定為1排、2排；堆垛機水平運行方向設定為入庫口、1列3列和出庫口；垂直升降方向設定為1層4層，最底層取作1層。把排、列、層比作空間直角坐標系x、y、z方向，就能確定每一個貨位的編號。堆垛機可以自動檢測它當前所處位置的坐標，使其能走到指定貨位。其中x方向即排數(shù)，對于堆垛機的貨叉來說只有左和右2個運動方向，因此只需要檢測z坐標即層數(shù)與y坐標即列數(shù)。這2個坐標的檢測也是一般情況下遇到的認址問題。現(xiàn)在科技含量較高的檢測元件是光電開關(guān)，它是利用安裝于軌道上對應貨架每一列的行走認址片及安裝在堆垛機立柱上對應貨架每一層的升降認址片，相應光電開關(guān)在每次通過認址片時會進行透光或擋光，使光電開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生變化

25、，利用計算機對此變化狀態(tài)進行統(tǒng)計，根據(jù)相應算法可得到堆垛機的y和z方向的坐標，從而獲知堆垛機當前所在的列數(shù)和層數(shù)。當光電開關(guān)的狀態(tài)變化時，自動控制系統(tǒng)怎樣正確識別堆垛機所在位置的編碼是自動認址的主要問題。對此，可以采用2種方式：絕對認址或相對認址。絕對認址采用得到的用n個光電開關(guān)的通、斷狀態(tài)組合來獲取y或z的坐標。行走和升降機構(gòu)分別用一組光電開關(guān)和認址裝置（認址片和光電開關(guān)視層數(shù)、列數(shù)而定）來獲取堆垛機的當前地址（如圖2.1所示），認址裝置上的認址片和每個地址編碼一一對應。采用絕對認址方式時，堆垛機控制系統(tǒng)的plc 編程較為簡單，并且認址相對可靠，但是它每個位置的認址片都不相同，結(jié)構(gòu)復雜，加上

26、貨位越多，所需的認址光電開關(guān)也會越多。相對認址是通過對光電開關(guān)在經(jīng)過每一列或每一層的認址片時，通電狀態(tài)翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電脈沖對地址編碼進行加、減1的操作，產(chǎn)生堆垛機當前地址編碼的一種方式(如圖2.2所示)。當堆垛機行走或升降時，每產(chǎn)生一個脈沖，就對列數(shù)或?qū)訑?shù)加1或減1作為當前地址。 圖2.1絕對認址方式 圖2.2相對認址方式2.2.2認址方式的確定為完成對堆垛機的速度控制，必須要檢測出堆垛機運行時的當前位置，本文設計的堆垛機電氣控制系統(tǒng)采用相對認址方式。因為這種方式不管有多少貨位，均只需2個行走光電開關(guān)和34個升降光電開關(guān)，大大減少了光電開關(guān)的數(shù)目可得到廣泛應用。具體如下：1）水平認址系統(tǒng)在堆垛機的

27、水平軌道上，對應貨架的每一列均要安裝一個認址片，在堆垛機沿軌道上安裝前、后兩個光電開關(guān)。當堆垛機運行停準的時候，前向光電和后向光電都會響應，即它們都為高電平。plc的計數(shù)器可實現(xiàn)這種運算，而且定位用的光電開關(guān)也可用于停準檢測，如圖2.2所示。（2）縱向認址系統(tǒng)在堆垛機垂直立柱上，對應貨架的每一層的均要安裝一個認址片，在堆垛機的貨臺下面要安裝上、中、下三個光電開關(guān)。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。為保證貨叉完成作業(yè)，堆垛機在垂直方向上必須要有檢測裝置準確檢測貨叉是否準確停在高位或低位。所以要在堆垛機的貨臺下面安裝三個光電開關(guān)，與升降臺一起上升下降，

28、中間的一個共用，其他兩個分別為上位置和下位置。存貨開始或取貨結(jié)束時，升降臺貨叉停在高位置，上面兩個光電開關(guān)將在堆垛機升降過程中起作用；取貨開始或存貨結(jié)束時，貨叉停在低位置，此時下面兩個光電開關(guān)將在堆垛機升降過程中起作用，如圖2.3所示。 圖2.3 堆垛機垂直方向認址傳感器分布圖2.3 堆垛機速度控制堆垛機運行效率的高低關(guān)系著整個立體倉庫的運行效率以及生產(chǎn)計劃的完成。堆垛機水平運行、載貨臺升降采用變頻器控制速度；而貨叉的伸縮運行距離較短采用固定速度。系統(tǒng)通過光電傳感器確定運行過程中堆垛機的位置。傳感器回饋堆垛機的運行速度，通過調(diào)整變頻器的頻率控制堆垛機的速度。在保證精確定位的情況下，最大限度的提

29、高堆垛機的運行速度，提高整體的運行效率。2.3.1 變頻調(diào)速的工作原理變頻調(diào)速技術(shù)常用于堆垛機的速度控制。采用這種技術(shù)的交流異步電動機，其性能可以超過現(xiàn)有任何一種交流調(diào)速方式，比如變極、調(diào)壓、串極等，也能和直流調(diào)速一較長短，而且不需要經(jīng)常換碳刷，能夠節(jié)省費用，并且驅(qū)動裝置簡單，不必使用電動機的啟動與減速附加裝置，是交流調(diào)速的最佳方案。在堆垛機存取貨物的過程中,行走和貨叉伸縮運動是按照先后順序動作的,行走電動機和貨叉電動機如果使用同一臺變頻器并聯(lián)運行可以減少使用成本,電動機功率按照大慣性負載啟動的情況考慮。由電機學原理可知變頻器的變頻原理可表示為： （2.1）式中:f是電源頻率，p是電動機定子繞

30、組的極對數(shù)，s是轉(zhuǎn)差率。從上式可以看出，在極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率不變的情況下，轉(zhuǎn)速與電源的頻率成正比，通過改變電動機的頻率可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，達到控制堆垛機速度的目的。2.3.2 速度曲線的設計本系統(tǒng)堆垛機運行速度如圖2.4可分為高速、中速、低速三檔，根據(jù)光電傳感器反饋的信息判斷與目標位置距離遠近進行速度控制。在距離目標位置較遠時，為提高工作效率采用高速運行；在距離較近時，降低速度達到完全運行準確認址的目的。由于堆垛機水平行走、載貨臺的垂直升降、貨叉的左右伸縮三個運動的距離和運行速度不同，貨叉的左右伸縮運行的距離較短，可采用固定速度低速運行，堆垛機水平行走速度、載貨臺垂直升降速度與目標位置和當前位置

31、間的距離的相關(guān)，關(guān)系如公式2.2和2.3所示，n為實時狀態(tài)下堆垛機的位置與目標位置相差的層數(shù)或列數(shù)。圖2.4水平方向速度與目標距離的關(guān)系 （ 2.2 ） （ 2.3 ）2.3.3 半閉環(huán)控制當堆垛機朝著某一目標位置行進時,按照事先編好的plc程序中堆垛機速度的控制策略，再根據(jù)目標位置與光電傳感器反饋回來的堆垛機的實際位置之間的差值即相差的列數(shù)或?qū)訑?shù),選用變頻器不同的頻率實現(xiàn)堆垛機運行時的速度控制。當堆垛機距離目標位置較遠時，先用較高的速度使堆垛機接近目標位置,然后平穩(wěn)地過渡到較低的速度運行,在到達目標位置時采取抱閘停準。為了能較好地滿足自動化倉庫中堆垛機高速運行、平穩(wěn)換速、低速停準地調(diào)速控制要

32、求，本文采用半閉環(huán)控制方式,如圖2.5所示。 圖2.5堆垛機控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制原理3 控制系統(tǒng)硬件部分設計3.1 核心元件簡介3.1.1可編程控制器簡介可編程控制器（programmable logic controller,plc)是以微處理器為核心，綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的進步和發(fā)展，plc技術(shù)不斷進步，在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了極其廣泛的應用。s7-200系列plc是德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型plc,大型和中型的plc的功能應有盡有，而價格卻和小型plc的價格一樣。能夠單機動作，也可以輸入/輸出

33、擴展。它結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運行速度快，擁有媲美大型和中型plc的技術(shù)優(yōu)勢，又有豐富的指令集，具有很強的實時特性和集成功能，配備有多種功能的擴展模塊，性價比非常高。3.1.2 變頻器簡介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4個部分組成：整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制。變頻器作為功率的變換部件，可提供可控的高性能變壓變頻的交流電源。3.2電氣設計一般原則一般，電氣控制系統(tǒng)應滿足工業(yè)生產(chǎn)的加工工藝要求，線路以安全為先，可靠為主，操作簡單，維護方便，節(jié)約成本等。為此，必須正確設計控制電路，合理的選擇電器元件。一般在設計時應該遵循以下原則：1) 最大限度地實現(xiàn)生

34、產(chǎn)機械和工藝對電氣控制線路的要求。在設計控制系統(tǒng)之前，首先要清楚控制系統(tǒng)的工作要求，對要使用的機械設備的工作性能，結(jié)構(gòu)特點和實際工作情況有充分的了解。從而作為設計電氣控制線路的依據(jù)。2) 在滿足生產(chǎn)要求的前提下，力求使控制線路簡潔明了和節(jié)約電器元件。盡量選用標準的、常用的或經(jīng)過實際考驗過的環(huán)節(jié)和線路；盡量縮短連接導線的數(shù)量和長度；盡量減少電氣的數(shù)量采用標準件；盡量減少不必要的觸點，簡化電路；線路在使用過程中除必要的電路必須通電以達到工作要求外，其余的盡量處于斷電狀態(tài)以節(jié)約電能，并延長電路的使用使命。3) 保證控制線路工作的可靠性。選用的電器元件要可靠、牢固、動作時間少、抗干擾能力強；正確連接電

35、器元件的線圈；正確連接電器的觸點；在控制線路中，采用小容量繼電器的觸點來斷開或接通大容量接觸器的線圈時，要計算繼電器觸點斷開或接通容量是否足夠；在頻繁操作的可逆線路中，正反向接觸器應加重型的接觸器，且應有電氣和機械的聯(lián)鎖；防止觸點競爭現(xiàn)象；防止寄生電路。4) 控制線路工作的安全性。電氣控制線路應具有完善的保護環(huán)節(jié)，用以保護電網(wǎng)、電動機、控制電器以及其他電器元件，消除不正常工作時的有害影響，避免因誤操作而發(fā)生故事。在控制系統(tǒng)中，常用的保護環(huán)節(jié)有短路、過流、過載、過壓、失壓、弱磁、超速、極限等。有時設有合閘、正常工作、事故、分閘等指示信號。5) 操作和維修方便。3.2.1電器元件的選用 （1）1個

36、電源:使用帶有聲光報警系統(tǒng)的交流380v三相三線電源。 （2）2個指示燈:1個用于通電指示，1個用作警示燈。 （3）plc的選型：選用西門子公司生產(chǎn)的s7 - 200 6es7 214.1ad23.0xb8 cpu224 dc/dc/dc,14輸入/10輸出型作為堆垛機自動控制系統(tǒng)的核心。擴展模塊選擇6es7 223.1bh22.0xa8 em223 8入/8出 24vdc，開關(guān)量型。 （4）變頻器選型：按照變頻器總電流不超過額定電流的基本原則,本人選用西門子司生產(chǎn)的mm440 變頻器作為行走電動機、貨叉電動機和升降電動機的變頻器。因為在堆垛機存取貨物的過程中,運行系統(tǒng)和貨叉系統(tǒng)是按照先后順序

37、動作的,為減少開支,運行電動機和貨叉電動機使用同一臺變頻器并聯(lián)運行,運行電動機按照大慣性負載啟動的情況考慮。行走和升降運動按照控制要求有高、中、低三檔速度，叉伸運動只有低檔速度。 （5）根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標要求，采用的三相異步電動機，額定功率300w，額定電流0.69a，額定電壓380， 額定頻率50hz， 轉(zhuǎn)速，功率因數(shù)0.81，數(shù)量3個。 （6）手動操作按鈕:用于手動控制堆垛機自動控制系統(tǒng)的啟停,便于調(diào)試。 （7）根據(jù)堆垛機的速度和位置控制要求，需要安裝8個光電傳感器和7個限位開關(guān)。 （8）用于保護及控制220 v 交流電源輸入的強電電路。 （9）保護用plc 邏輯輸出控制繼電器,再通過

38、繼電器控制執(zhí)行機構(gòu)的弱電電路:。 （10）若干接線端:用于控制柜內(nèi)電氣線路的連接。3.2.2堆垛機的配套傳感器系統(tǒng)為了保障整個倉庫自動化運行,該堆垛機自動控制系統(tǒng)多處采用了傳感技術(shù):(1) 貨物進入倉庫時，采用普通光電傳感器檢測有無物體,有貨物發(fā)出堆垛機啟動信號。(2) 使用用條碼閱讀器讀取貨物信息。(3) 使用光電傳感器監(jiān)視堆垛機貨臺上貨情況。(4) 堆垛機的入口和出口是危險區(qū)域,可在該區(qū)域安裝多光束安全光柵防護人體的侵入。3.3系統(tǒng)電路設計堆垛機控制系統(tǒng)電路設計包括主電路、控制電路、行走叉伸變頻器和升降變頻器的接線電路的設計。3.3.1電氣原理圖設計的基本步驟1)根據(jù)選定的拖動方案及控制方

39、式設計系統(tǒng)的原理框圖，擬訂出各部分的主要技術(shù)要求和主要技術(shù)參數(shù)。 2)根據(jù)各部分的要求，設計出原理框圖中各個部分的具體電路。對于每一部分的設計總是按主電路控制電路輔助電路聯(lián)鎖與保護總體檢查反復修改與完善的步驟進行。 3)繪制總原理圖。按系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu)將各部分聯(lián)成一個整體。 4)正確選用原理線路中每一個電器元件，并制訂元器件目錄清單。 對于比較簡單的控制線路，例如普通機床的電氣配套設計，可以省略前兩步，直接進行原理圖設計和選用電器元件。但對于比較復雜的自動控制線路，例如專用的數(shù)控生產(chǎn)機械或者采用微機或電子控制的專用檢測與控制系統(tǒng)，要求有程序預選、刀具調(diào)整與補償和一定的加工精度、生產(chǎn)效率、自動顯示、

40、各種保護、故障診斷、報警、打印記錄等，就必須按述過程一步一步進行設計。只有各個獨立部分都達到技術(shù)要求，才能保證總體技術(shù)要求的實現(xiàn)，保證總裝調(diào)試的順利進行。3.3.2 電氣原理圖的設計方法1、分析設計法 所謂分析設計法是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求去選擇適當?shù)幕究刂骗h(huán)節(jié)（單元電路）或經(jīng)過考驗的成熟電路，按各部分的聯(lián)鎖條件組合起來并加以補充和修改，綜合成滿足控制要求的完整線路。當找不到現(xiàn)成的典型環(huán)節(jié)時，可根據(jù)控制要求邊分析邊設計，將主令信號經(jīng)過適當?shù)慕M合與變換，在一定條件下得到執(zhí)行元件所需要的工作信號。設計過程中，要隨時增減元器件和改變觸點的組合方式，以滿足拖動系統(tǒng)的工作條件和控制要求，經(jīng)過反復修改得到理

41、想的控制線路。由于這種設計方法是以熟練掌握各種電氣控制線路的基本環(huán)節(jié)和具備一定的閱讀分析電氣控制線路的經(jīng)驗為基礎，所以又稱為經(jīng)驗設計法。 分析設計法的特點是無固定的設計程序，設計方法簡單，容易為初學者所掌握，對于具有一定工作經(jīng)驗的電氣人員來說，也能較快地完成設計任務，因此在電氣設計中被普遍采用。其缺點是設計方案不一定是最佳方案，當經(jīng)驗不足或考慮不周時會影響線路工作的可靠性。經(jīng)驗設計法的基本步驟：1、 主電路設計。主要考慮電動機的起動、電動、正反轉(zhuǎn)、制動及多速電動機的調(diào)速。2、 控制電路設計。主要考慮如何滿足電動機的各種運轉(zhuǎn)功能及生產(chǎn)工藝要求，包括實現(xiàn)加工過程自動或半自動的控制。3、 輔助電路設

42、計。主要考慮如何完善整個電路的設計、包括短路、過載、零壓、聯(lián)鎖、照明、信號、充電測試等各種保護環(huán)節(jié)。4、 反復審核電路是否滿足設計原則。在條件允許的情況下，進行模擬試驗，直至電路動作準確無誤，并逐步完善整個電器控制電路設計。2、 邏輯設計法 邏輯設計法是利用邏輯代數(shù)這一數(shù)學工具來進行電路設計，即根據(jù)生產(chǎn)機械的拖動要求及工藝要求，將執(zhí)行元件需要的工作信號以及主令電器的接通與斷開狀態(tài)看成邏輯變量，并根據(jù)控制要求將它們之間的關(guān)系用邏輯函數(shù)關(guān)系式來表達，然后再運用邏輯函數(shù)基本公式和運算規(guī)律進行簡化，使之成為需要的與或關(guān)系式，根據(jù)最簡式畫出相應的電路結(jié)構(gòu)圖，最后再作進一步的檢查和完善，即能獲得需要的控制

43、線路。 采用邏輯設計法能獲得理想、經(jīng)濟的方案，所用元件數(shù)量少，各元件能充分發(fā)揮作用，當給定條件變化時，能指出電路相應變化的內(nèi)在規(guī)律，在設計復雜控制線路時，更能顯示出它的優(yōu)點。邏輯設計方法的一般步驟：1、 充分研究加工工藝過程，做出工作循環(huán)圖或工作示意圖。2、 按工作循環(huán)圖做執(zhí)行元件節(jié)拍表及檢測元件狀態(tài)表。3、 根據(jù)狀態(tài)表，確定中間記憶元件的開關(guān)邊界線，設計中間記憶元件。4、 列寫中間記憶元件邏輯函數(shù)式及執(zhí)行元件邏輯函數(shù)式。5、 根據(jù)邏輯函數(shù)式建立電路結(jié)構(gòu)圖。6、 進一步完善電路，增加必要的聯(lián)鎖，保護等輔助環(huán)節(jié)，檢查電路是否符合原控制要求，有無寄生回路，是否存在競爭現(xiàn)象等。完成以上六部，則一張完

44、整的繼電器控制原理圖設計完畢。若實際制作還需要對原理圖上所有元件選擇具體型號。3.3.3 主電路設計如圖3.1所示，主電路包括帶有聲光報警裝置的三相三線制電源，plc及其擴展模塊的電源接線端，升降變頻器和行走叉伸變頻器的電源接線端，升降、行走、叉伸電機抱閘裝置的線圈和接通行走電機和叉伸電機的中間繼電器線圈。圖3.1堆垛機控制系統(tǒng)主電路3.3.4 控制電路設計以西門子的plc及其擴展模塊心的控制電路如圖3.2、3.3、3.4所示。圖3.2升降變頻器接線電路3.3行走叉伸變頻器接線電路 圖3.4堆垛機控制系統(tǒng)控制電圖4 控制系統(tǒng)軟件部分設計基于s7 - 200 plc 的堆垛機自動控制系統(tǒng)是在st

45、ep7-microwin smart軟件下開發(fā)的,主要有主程序、自動運行程序、手動運行程序。自動和手動運行都包含入庫和出庫操作、位置控制和速度控制。堆垛機控制系統(tǒng)的工作過程包括四個部分：(1) 接收入庫或出庫指令和存取貨物的目標地址,堆垛機行走電動機、升降電動機順次起動。通過定位系統(tǒng),堆垛機到達目標位置后準確停車。(2) 貨叉電動機起動時機由入庫和出庫指令決定貨叉伸出,執(zhí)行存、取操作后,貨叉縮回。(3) 貨叉回位后,堆垛機行走、升降機構(gòu)再次運行,返回初始位置后準確停車。(4) 堆垛機工作時,工作人員確定工作方式：手動或自動。作業(yè)任務信息包括目標位置及當前貨物存、取動作的識別。自動控制時,作業(yè)任

46、務信息由上位機提供。根據(jù)運動過程可以總結(jié)出基本的程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1程序流程圖4.1 i/o分配為正確的進行硬件連接，方便修改系統(tǒng)的輸入/輸出點狀態(tài)，在編寫程序前，需對系統(tǒng)的輸入/輸出點進行規(guī)劃分配。分配1/0點時，將相同設備、相似功能的輸入輸出點集中在一起，以方便線路的連接、記憶。輸入、輸出點分配如表4.1。plc輸入/輸出端子分配輸入電氣輸入端子輸出電氣輸出端子限位1i0.0行走貨叉變頻器正向q0.0手/自動旋鈕i0.1行走貨叉變頻器反向q0.1手動行走按鈕i0.2行走叉伸速度1q0.2手動升降按鈕i0.3行走叉伸速度2q0.3手動正向按鈕i0.4升降變頻器向上q0.4手動反

47、向按鈕i0.5升降變頻器向下q0.5手動左右按鈕i0.6升降速度1q0.6變頻器故障i0.7升降速度2q0.7認址片上址i1.0叉伸電機q1.0認址片中址i1.1行走電機q1.1認址片下址i1.2行走抱閘q2.0認址片前址i1.3升降抱閘q2.1認址片后址i1.4叉伸抱閘q2.2左叉限位i1.5升降變頻器速度3q2.4右叉限位i2.0行走叉伸變頻器速度3q2.6中叉限位i2.1限位2i2.2限位3i2.3限位4i2.4庫位光電1i2.5庫位光電2i2.6貨叉探測光電i2.7 表4.1 i/o分配4.2 plc主程序設計 4.2.1 程序初始化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。

48、網(wǎng)絡1中vw100,vw101,vw102分別放置輸入的列數(shù)、層數(shù)和排數(shù)。vw103決定堆垛機執(zhí)行入庫還是出庫程序。網(wǎng)絡4對程序中置1的中間繼電器進行復位，并結(jié)束程序。4.2.2 運行方式的選擇網(wǎng)絡2和網(wǎng)絡3是手/自動的選擇，當i0.1得電時，選擇自動方式，然后調(diào)用自動子程序（sbr_0），i0.1失電時，選擇手動運行方式，然后調(diào)用手動子程序（sbr_1）。4.3 plc子程序設計4.3.1堆垛機出、入庫的主要運動堆垛機無論手動還是自動運動，都包含出、入庫兩種情況，入庫運行程序主要完成從進貨點啟動到入貨臺停止的過程。出庫運行程序則相反。出、入庫的工作過程包含三個運動。水平列向運動：當堆垛機準備

49、進入倉庫時，通過對比目標列與當前列的值來精確定位。如果目標列小于當前列,則plc程序中相應計數(shù)器減數(shù)計算，堆垛機做后退運動 ；反之,如果目標列大于當前列,則plc程序中相應計數(shù)器計數(shù)器加數(shù)計算，堆垛機做前進運動,直到目標列等于當前列,堆垛機不再做水平行走運動。當堆垛機準備離開倉庫時,通過對比源列與當前列的值進行精確定位。如果當源列小于當前列,則plc程序中相應計數(shù)器計數(shù)器加數(shù)計算，堆垛機向后運動；反之,如果源列大于當前列,則plc程序中相應計數(shù)器計數(shù)器減數(shù)計算，堆垛機向前運動,直到當前列等源列,堆垛機不再做水平運動。垂直層向運動：當堆垛機準備進入倉庫時,通過對比目標層與當前層的值來準確定位。如

50、果目標層小于當前層,plc程序中相應計數(shù)器減數(shù)計算，堆垛機做下降運動；反之,如果目標層大于當前層,則plc程序中相應計數(shù)器計數(shù)器加數(shù)計算，堆垛機做上升運動,直到目標層等于當前層,堆垛機不再進行垂直升降運動。當堆垛機準備離開倉庫時,通過比較當前層與源層的值來精確定位。如果源層小于當前層,則plc程序中相應計數(shù)器減數(shù)計算，堆垛機做下降運動；反之,如果源層大于當前層,則plc程序中相應計數(shù)器計數(shù)器加數(shù)計算，堆垛機做上升運動,直到當前層等于源層,堆垛機不再驚醒垂直升降運動。貨叉伸縮運動：載貨臺到達目標位置后,進行伸縮運動以完成貨物的存取任務。根據(jù)存貨或是取貨要求，貨叉微降火微升。堆垛機存、取貨控制流程

51、如圖4.2 所示。 圖4.2堆垛機存、取貨程序流程圖4.3.2堆垛機手動運行在手動工作方式下，按下手動控制按鈕，處于手動工作狀態(tài)的貨臺將執(zhí)行按鈕控制的動作，直到運動終點或按鈕抬起。程序控制流程圖如4.3所示。 圖4.3手動運行流程圖工作方式為手動運行時，按下相應的動作按鈕，堆垛機將執(zhí)行按鈕控制的動作，直到該動作完成。 運行過程如下：轉(zhuǎn)動旋鈕ls1,堆垛機轉(zhuǎn)為手向按鈕，堆垛機水平列向行走。到達指定地點松開按鈕或者到運行極限超過限位開關(guān)lb1、lb2，堆垛機行走抱閘裝置啟動，堆垛機到位停準。按下“升降”按鈕 ，升降變頻器切換到準備啟動升降電機，再按下正向或反向按鈕，堆垛機垂直層向運動。到達指定層后

52、松開按鈕或者超過運行極限碰到限位開關(guān)lb3、lb4，堆垛機升降抱閘裝置啟動，堆垛機到位停準。按下“左右”按鈕，堆垛機叉伸點擊啟動，按下正向或反向按鈕，堆垛機載貨臺隨叉伸裝置左右移動，將貨物運送到指定庫位。運動過程中碰到左叉限位、中叉限位和右叉限位的霍爾開關(guān)時，叉伸報站裝置動作。 4.3.3堆垛機自動運行自動運行方式下有入庫和出庫2個選擇，程序控制流如圖4.4所示。 圖4.4自動運行狀態(tài)下堆垛機運行程序流程圖運行過程如下：堆垛機根據(jù)事先輸入計算機的狀態(tài)，確定進行入庫i2.5還是出庫操作i2.6。進行入庫操作時，堆垛機貨臺向右伸出，碰到右叉限位開關(guān)i2.0停止，并叉伸抱閘起動。此時開始計時，貨臺微

53、升，計時到，貨臺縮回，碰到中叉限位開關(guān)i2.1停止。然后，堆垛機進行貨物入庫操作。根據(jù)目標地址與當前地址的差值確定運動速度：高速、中速、低速。到達目標位置后，有vw102存儲的數(shù)值確定左伸還是右伸。貨臺到達預定位置后，計時并微降，計時到，貨臺縮回，堆垛機返回初始位置，入庫操作完成。進行出庫操作時，堆垛機先到達目標位置，完成取貨操作，然后到達出庫位置，送出貨物，最后返回初試位置，出庫操作完成。工作過程中，要區(qū)別小車是處于前進或者是存放貨物，還是完成了預定任務返回的過程。但是由于plc程序是逐行掃描的，所以僅僅能夠判斷小車是處于前進過程還是返回過程是不夠的，因為在返回過程中，還有貨叉從貨架上縮回、

54、升降臺下降到初始位置等過程，如果無法有效區(qū)別，必然要發(fā)生事故。所以，程序中必須要能夠?qū)⑦@3種不同的運動區(qū)分開來。因此在編寫plc程序的時候，本文加入了3個變量m5.0、m5.1、m5.2，分別作為小車沿列向運行標志、升降臺層向運行標志、貨叉到位標志。當變量為off時，表明堆垛機還沒有完成該動作，為on時，表明已完成該動作。4.4 堆垛機plc程序plc程序見附錄a堆垛機plc程序。5 監(jiān)控系統(tǒng)設計5.1 組態(tài)王6.53介紹“組態(tài)”這一概念，是伴隨這集散型控制系統(tǒng)的出現(xiàn)而被人們所熟知的。組態(tài)軟件是能為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通訊層次的軟件。當前工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化，而組態(tài)王6.53正是一套以實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)一體化為目標而開發(fā)的產(chǎn)品。該軟件集成了亞控科技公司自主研發(fā)的工業(yè)生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)庫（king historian）的支持，可以為企業(yè)提供一個對整個生產(chǎn)過程進行數(shù)據(jù)收集、分析及處理的智能系統(tǒng)，使企業(yè)能夠及時的獲取有效信息，迅速的做出反應，以獲得最優(yōu)結(jié)果。本文中組態(tài)王6.53主要解決人機圖形界面的問題。5.2 制作監(jiān)控系統(tǒng)的步驟