晶英石板堆垛機控制系統(tǒng)設(shè)計(開題報告)

1、 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告學(xué)生姓名： 高成 導(dǎo)師姓名、職稱： 肖純 教授 所屬學(xué)院： 自動化學(xué)院 專業(yè)班級： 自動化1101班 設(shè)計（論文）題目：晶英石板堆垛機控制系統(tǒng)設(shè)計2016年 2月28日 開題報告填寫要求1開題報告應(yīng)根據(jù)教師下發(fā)的畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書，在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨立撰寫，在畢業(yè)設(shè)計開始后兩周內(nèi)完成。2開題報告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標準格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）填寫并打?。ń勾蛴≡谄渌埳虾蠹糍N），完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師審閱。3“設(shè)計的目的及意義”至少800字，“基本內(nèi)容和技術(shù)方案”至少400字。進度安排應(yīng)盡可能詳細。4指導(dǎo)教師意見：學(xué)生的調(diào)研是否充分

2、？基本內(nèi)容和技術(shù)方案是否已明確？是否已經(jīng)具備開始設(shè)計（論文）的條件？能否達到預(yù)期的目標？是否同意進入設(shè)計（論文）階段？1、 目的及意義（含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）水泥混凝土制品是以水泥為基材經(jīng)過深加工制成的工業(yè)產(chǎn)品，屬建筑材料工業(yè)的一部分。由于水泥混凝土制品具有優(yōu)良的物理、力學(xué)性能和耐久性能，能按設(shè)計要求制成所需的形狀，能耗低、使用壽命長、維修費用少，節(jié)約金屬材料和木材等獨特的優(yōu)點。所以，在我國的城鄉(xiāng)房屋建設(shè)、農(nóng)田水利建設(shè)、能源、交通、通訊等工程建設(shè)領(lǐng)域中得到極為廣泛的應(yīng)用，為我國的國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高發(fā)揮著非常重要的作用。在建筑工業(yè)化、住宅產(chǎn)業(yè)化、墻體材料革新和綠色建筑、低碳生態(tài)等

3、一系列國家發(fā)展政策的推動下，混凝土制品機械行業(yè)近年來發(fā)展迅速，在我國形成了很大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，巨大市場需求使混凝土制品機械品種、規(guī)格、整機性能等均得到快速提升，國際上知名的混凝土制品生產(chǎn)設(shè)備企業(yè)均進入我國市場，如美國貝賽爾、德國瑪莎、海斯、日本虎牌、德國安夫曼、威克曼、希而科等，為我國混凝土制品機械發(fā)展起到了極大的促進作用。行業(yè)內(nèi)骨干企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)性能以及質(zhì)量穩(wěn)定性可以與國際同行相媲美，但部分混凝土制品機械生產(chǎn)企業(yè)山于經(jīng)營規(guī)模小，技術(shù)力量薄弱，生產(chǎn)裝備投入不足，導(dǎo)致生產(chǎn)出的機械產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性差。低質(zhì)量設(shè)備生產(chǎn)出來的混凝土制品，無論是從產(chǎn)品外觀上，還是從產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量上，都難以穩(wěn)定地達到

4、制品標準要求，從而造成砌塊建筑、預(yù)制建筑墻體時常出現(xiàn)滲、漏、裂等問題，再加上砌體建筑、預(yù)制建筑施工技術(shù)水平的參差不齊，給砌塊建筑、預(yù)制建筑聲譽造成嚴重不良影響，降低了混凝土制品在建筑圍護結(jié)構(gòu)和預(yù)制建筑中的推廣使用。在以“科學(xué)可持續(xù)發(fā)展”、“節(jié)能減排低碳生態(tài)”為主題的新經(jīng)濟時代，特別是國家“十二五”“調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變發(fā)展模式”發(fā)展戰(zhàn)略的進一步實施，混凝土制品機械行業(yè)的重要地位必將逐步顯現(xiàn)。勞動力資源短缺、人工成本增加、混凝土制品生產(chǎn)企業(yè)勞動環(huán)境差將為混凝土制品機械向機械化、自動化和智能化轉(zhuǎn)型提供原動力和廣闊市場空間。為了提高混凝土石板的制作生產(chǎn)效率和讓人從繁重的勞動解脫出來，混凝土石板的制作生

5、產(chǎn)必然要向機械化、自動化和智能化的方面發(fā)展，這樣才能滿足建筑建材市場日益擴大的需求。在這樣的生產(chǎn)量巨大的時代，混凝土石板的生產(chǎn)存儲是個迫于解決的問題，所以倉庫自動化是水泥制品的一個重要趨勢。目前水泥生產(chǎn)的自動化水平較低，水泥石板存放運輸存在較大的難度，所以采用多功能堆垛機不僅可以解決生產(chǎn)拆卸模具的問題，還能在混凝土石板的搬運存放起到極大的作用。堆垛機技術(shù)是伴隨著自動化倉儲技術(shù)慢慢發(fā)展起來的。最近幾年國內(nèi)的自動倉儲技術(shù)得到了快速發(fā)展，堆垛機也在行走速度、定位精度和減噪等技術(shù)指標上有了很大的改進，并在機械制造、汽車、紡織、鐵路、煙草等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但是跟國外比較，我國堆垛機存在最低存取貨物高

6、度比較高，高速運行時噪音比較大，而且穩(wěn)定性差等問題，所以我國堆垛機在綜合性能方面還亟待改善。本課題研究的目的和意義在于，在物流倉儲技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模普及應(yīng) 用的大背景下，結(jié)合晶英石板生產(chǎn)的實際需要，對堆垛機的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進行設(shè)計研究，研發(fā)出一套有效的切合石板生產(chǎn)實際的自動化控制方案，以滿足工程設(shè)計的要求。2、設(shè)計任務(wù)和技術(shù)方案本課題的研究內(nèi)容主要包括以下內(nèi)容：了解堆垛機生產(chǎn)線相關(guān)工藝，分析系統(tǒng)功能需求并進行相關(guān)設(shè)計，包括各類電機伺服選型、傳感器和極限開關(guān)等，并根據(jù)功能需求確定PLC輸入輸出點數(shù)，合理選擇PLC及CPU的型號、確定HMI型號；利用AutoCAD軟件設(shè)計系統(tǒng)電氣控制圖，利

7、用TIA編寫系統(tǒng)控制程序并進行系統(tǒng)仿真； 研究“一軌雙車”系統(tǒng)工作效率的優(yōu)化算法，運用TIA模塊化編程實現(xiàn)并進行必要的仿真驗證。技術(shù)方案確定如下： 功能分析堆垛機主要完成的任務(wù)是將已灌滿混凝土（晶英石板原料）的磨具拆開，并將模具板和產(chǎn)品板分開放置，模具板放置皮帶機上，產(chǎn)品板放置運送小車上。待拆物由51塊鋼制模具板和50塊晶英石板組成，總量約5噸，拆前需將其豎立起來。所以需要完成的任務(wù)就是拆前豎立起模具與產(chǎn)品板，利用堆垛機將產(chǎn)品板與模具板分開并分別放置在指定位置。主要包括四個主要的動作過程，分別是未拆物豎立旋轉(zhuǎn)運動、堆垛機的上下運動、物品板的抓拿操作，以及堆垛機水平行走。為了實現(xiàn)相應(yīng)的功能必須對

8、系統(tǒng)進行硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。 未拆物豎立旋轉(zhuǎn)裝置在拆拿模具板與產(chǎn)品板之前需要將它們的未拆物豎立起來，為此利用一個電機帶動旋轉(zhuǎn)平臺，以實現(xiàn)目的。旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)角度的測量尤為重要，旋轉(zhuǎn)角度不夠90º無法將未拆物放穩(wěn)，就不能繼續(xù)之后的抓拿工作；如果電機旋轉(zhuǎn)角度超出90º，旋轉(zhuǎn)平臺可能將受到擠壓而損壞。為了實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺的精準定位，選擇一款合適的工業(yè)用角度傳感器，用來實現(xiàn)角度的實時監(jiān)測以保證工作安全精準。除此方案外，還可以使用伺服系統(tǒng)來帶動目標板旋轉(zhuǎn)。 堆垛機上下伸縮運動豎直方向的控制目標是實現(xiàn)載貨臺在豎直方向上尋址，確保在預(yù)定貨位對應(yīng)的高度處停準。伸縮運動主要是由一臺電機完成，而下

9、降高度的測量則可選擇使用旋轉(zhuǎn)編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器可以安裝在電機上測量電機旋轉(zhuǎn)周數(shù)，以換算伸縮裝置的下降距離。伸縮運動中最為重要的是監(jiān)測抓拿裝置與目標板的接觸距離，只有精確的測量才能讓抓拿裝置與目標緊密貼合實現(xiàn)抓取。但是由于開始時吸盤與目標物的距離未知，所以可以選擇在吸盤上方增加一組光電開關(guān)，當吸盤與目標板接觸時，光電開關(guān)輸出開關(guān)信號給PLC，PLC再發(fā)出指令讓電機緩慢停止并開始吸合操作。此次設(shè)計中使用的板材抓取裝置是吸盤，這是與目標板 特性相符合的。目標板是由模具板和經(jīng)營石板組成的，兩者都是較為光滑的板材且質(zhì)地較為堅硬，使用吸盤能較好地接觸目標板材。 物品板的抓拿操作在完成吸盤的伸縮運動且接觸到

10、目標板后，接下來的操作就是使用吸盤緊緊吸合目標板，如果要完成這樣的操作需要在吸盤內(nèi)腔裝設(shè)一組氣壓傳感器，用來測量吸盤在吸合過程中的內(nèi)腔壓力。只有在合理的設(shè)計內(nèi)腔真空度大小才能使物品板緊貼吸盤以不致在運送過程中掉落，兩個夾持吸盤會設(shè)定不同的真空吸力，因為模具與產(chǎn)品在重量和材質(zhì)上是不同的。在做好吸合操作后，接下來便要在物品板到達指定位置后放置，這個過程需要光電接近開關(guān)率先判斷放置高度是否合理，在滿足高度的情況下，需要將吸盤的真空解除即去吸合過程。需要使用配合吸盤的特性，PLC給予指令讓吸盤上的電磁閥逐漸打開使吸盤與物品板分離，這個過程需要一定的柔度，不然會使物品損壞，所以電磁閥開度的快慢需要精確的

11、嘗試設(shè)計。 堆垛機水平行走這里的堆垛機是兩臺，工作在同一條導(dǎo)軌上，屬于一軌雙車的調(diào)度問題。一號車先工作取模具，二號車在一號車的取貨處拿取產(chǎn)品板，這樣重復(fù)操作直至取貨處的板材被取完工作才算結(jié)束。一軌雙車的示意圖如圖1所示。圖1 “一軌雙車”示意圖一軌雙車的最基本要求是不能撞車，為此需要人為設(shè)計兩者的互相配合的行車路線，具體的軌跡需要在現(xiàn)場考察后作出。橋式軌道運行還需要小車的行進要有區(qū)間，避免不必要的路程以增加工作效率。處于安全生產(chǎn)的考慮，小車的水平行進方向還要增加極限保護開關(guān)，避免小車因失控而撞車。到此四個主要動作任務(wù)的方案設(shè)計基本完成，有些細節(jié)問題需要在工程方案實施后再作相關(guān)的改進。 硬件設(shè)計

12、根據(jù)系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)硬件設(shè)計包括各類電機伺服選型、傳感器和極限開關(guān)等，并根據(jù)功能需求確定PLC輸入輸出點數(shù)，合理選擇PLC及CPU的型號、確定HMI型號。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。圖2 系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)硬件設(shè)計考慮到了各類硬件之間的作用關(guān)系，并根據(jù)功能實現(xiàn)的可行性，可對相關(guān)硬件進行初設(shè)計。對于PLC主機設(shè)計需要綜合考慮輸入輸出點數(shù)、價格等因素，而本系統(tǒng)的控制速度要求不高，點數(shù)較少，所以可以考慮使用西門子S7-200，其CPU可以選擇224或226系列。與其對應(yīng)的HMI可選西門子系列，也可以考慮選擇相關(guān)的兼容產(chǎn)品。直流電機功率、電磁閥選取需要根據(jù)吸盤的使用功率，也就是由吸取貨物重量決定的。吸盤的

13、具體參數(shù)需要根據(jù)吸取貨物的重量和面積來選取，不能太大或太小。系統(tǒng)中最為重要的是實現(xiàn)兩個堆垛機的順利運行，為此可以選取可靠性較高的伺服裝置進行設(shè)計。根據(jù)堆垛機行駛要求，需要選取伺服電機參數(shù)，并根據(jù)電機參數(shù)選取相應(yīng)的伺服驅(qū)動器。系統(tǒng)中堆垛機的定位控制主要依靠極限開關(guān)、光電編碼器，各類傳感器來實現(xiàn)?？紤]到系統(tǒng)對象的特點-鐵質(zhì)板與水泥板，傳感器的選取可以電感式、光電式類的傳感器。 軟件設(shè)計本研究對堆垛機進行控制系統(tǒng)的具體設(shè)的時候，上位機能夠完成如下作業(yè)： 輸入作業(yè)指令，分配作業(yè)指令，顯示狀態(tài)；PLC 把主要的控制任務(wù)予以很好地完成。PLC 控制堆垛機的主要任務(wù)有： 處理作業(yè)命令 根據(jù)傳感器及開關(guān)傳回信

14、號，對當前作業(yè)的具體狀態(tài)以及具體指令予以確定。 處理定位檢測 對傳感器和光電開關(guān)的具體狀態(tài)予以檢測，進而對當前載貨臺以及堆垛機的具體位置進行判斷。 停車和處理調(diào)速 按照堆垛機和目標地之間的具體距離，將速度信號輸出，停車前，切換運行速度到低檔，慢慢地和目標位置靠近，實現(xiàn)停車的準確，制動的迅速。 控制作業(yè)任務(wù)對應(yīng)的具體順序邏輯 按照指定指令和調(diào)度任務(wù)的具體策略。對邏輯控制的具體信號予以確定，將取貨的具體作業(yè)予以很好地完成。如果將堆垛機的水平運動視為X軸運動，堆垛機伸縮運動視為Z軸運動，吸盤的抓拿叫作抓取操作，系統(tǒng)由手動操作和全自動控制模式，那么系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示。圖3 （a）主系統(tǒng)流程圖

15、（b）X/Z軸運動流程圖系統(tǒng)按照如上工作流程將完成設(shè)計目標，無論系統(tǒng)是正常工作還是出現(xiàn)異常狀態(tài)，PLC都會快速處理解決問題，這都將依賴于系統(tǒng)通訊接口的可靠性。工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計通訊線路時需要做好較好的隔離保護設(shè)施，一些線路需要經(jīng)常檢修維護，只有這樣堆垛機才能按照給定完成任務(wù)。3、進度安排第1-4周 根據(jù)指導(dǎo)老師下達的任務(wù)書查閱相關(guān)資料，完成開題報告和技術(shù)方案；第4-6周 根據(jù)開題時計劃的方案，學(xué)習(xí)相關(guān)知識，選擇傳感器類型；第7-10周 設(shè)計控制電路，繪制原理圖；第11-12周 完成控制系統(tǒng)設(shè)計，通過硬件仿真測試；第13-14周 完成程序編寫，進行仿真和調(diào)試；并且開始撰寫畢業(yè)論文第15周 完成論文提交

16、稿，參加答辯。4、 參考文獻1 廖常初. PLC梯形圖的順序控制設(shè)計法與順序功能圖J. 電氣應(yīng)用, 2004(10):51-53.2 王洪猛, 謝建君, 曾云. 基于PLC的過程控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)J. 自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2004, 23(7):25-27.3 周曉光. PLC選型和設(shè)計的要點J. 電梯工業(yè), 2003(1):26-27.5 曲波. 工業(yè)常用傳感器選型指南M. 清華大學(xué)出版社, 2002.6 范鯤. 基于西門子變頻器的PLC控制程序設(shè)計J. 精密制造與自動化, 2009(02):39-41.7 李娟, 田立臣. 西門子S7-1500PLC在螺紋鋼生產(chǎn)線中的應(yīng)用J. 可編程控制器

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