【正文】 整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)方案包括監(jiān)控層現(xiàn)場(chǎng)控制層部分。本章主要闡述的系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)方案。 立體倉(cāng)庫(kù)的概況本設(shè)計(jì)系統(tǒng)為立體倉(cāng)庫(kù)取送貨系統(tǒng)。該系統(tǒng)有3個(gè)巷道，每巷道分左右兩排架，每架30列，10層。叉車與堆垛機(jī)的區(qū)別：叉車可以滿地跑，進(jìn)行垂直和水平運(yùn)輸作業(yè)，一般人工操作。堆垛機(jī)只能固定在巷道里運(yùn)行，進(jìn)行水平和垂直運(yùn)輸作業(yè)，一般自動(dòng)控制。 而本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)使用高層貨架存儲(chǔ)貨物，貨物被分成若干排，每排貨架為一組，其間留有一條巷道供堆垛機(jī)或其他存取貨物裝備作業(yè)。每排貨架又分若干列，若干層，形成大量貨格，用以存儲(chǔ)貨物。在控制上由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集中控制，具有方便存儲(chǔ)，任意取貨的優(yōu)點(diǎn)，起關(guān)鍵技術(shù)就是堆垛機(jī)自動(dòng)行走的定位技術(shù)。因此對(duì)一個(gè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行取貨送貨作業(yè)，小車在固定巷道里運(yùn)行進(jìn)行垂直和水平作業(yè)，于是倉(cāng)庫(kù)內(nèi)選用堆垛機(jī)。圖21為堆垛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)圖，展現(xiàn)了倉(cāng)庫(kù)的情況。 圖21 倉(cāng)庫(kù)實(shí)物圖堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)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)。無論何種類型的堆垛機(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。盡管各廠家各有獨(dú)創(chuàng)，結(jié)構(gòu)形式有些差異，但可以說大同小異，所有的堆垛機(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。按現(xiàn)行機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有軌巷道式堆垛機(jī)分類方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行軌跡等分類。無論何種類型的堆垛機(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，如圖22堆垛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)圖所示。圖22 堆垛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)圖體現(xiàn)堆垛機(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，堆垛機(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)外小載重量的堆垛機(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；在堆垛機(jī)自動(dòng)控制方面還采用閉環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)、Profibus總線控制等先進(jìn)技術(shù)。盡管如此，目前國(guó)產(chǎn)堆垛機(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。 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù) 控制方式要求 本文中的堆垛機(jī)采用手動(dòng)貨自動(dòng)控制方式。（1）手動(dòng)方式：通過堆垛機(jī)的轉(zhuǎn)換開關(guān)及按鈕控制堆垛機(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)操作主要用于安裝、調(diào)試和排除故障。（2）自動(dòng)方式：用人機(jī)界面堆垛機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)的控制，控制系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的參數(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)送工況、故障及歷史故障查詢等功能。 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中的計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸命令，使堆垛機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，必須具備以下功能。（1）定位控制:為了存取貨物，堆垛機(jī)必須準(zhǔn)確地停止在指定貨位處，定位偏差控制在允許的誤差范圍內(nèi)。（2）速度控制:為了提高工作效率，防止貨物傾倒和堆垛機(jī)的沖擊，確保停止精度，必須進(jìn)行速度控制。按照自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的實(shí)際形式、行走方向的地址數(shù)和高度方向的貨位數(shù)，選擇恰當(dāng)?shù)男凶咚俣群蜕邓俣葮O其重要的。（3）貨叉控制:使貨叉能準(zhǔn)確無誤地從貨位中取出貨物以及把貨物放入貨位中。貨叉速度有高速和低速兩檔。當(dāng)貨物較輕且不易傾倒是采用高速。（4）控制信息的接收:計(jì)算機(jī)對(duì)堆垛機(jī)和輸送機(jī)等搬運(yùn)機(jī)械發(fā)送出入庫(kù)指令的同時(shí)，控制和監(jiān)視出入庫(kù)作業(yè)是否正確進(jìn)行。因?yàn)槎讯鈾C(jī)是高速移動(dòng)，在搬運(yùn)物品是必須監(jiān)控貨物和機(jī)械的狀態(tài)。檢測(cè)這種狀態(tài)的傳感器和堆垛機(jī)上的信息接收系統(tǒng)，必須具備高的可靠性，否則計(jì)算機(jī)不能充分發(fā)作用。（5）故障報(bào)警系統(tǒng):巷道堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中最重要的設(shè)備，是系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)的主要設(shè)備。對(duì)堆垛機(jī)的故障分析和診斷十分重要。 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)主要設(shè)計(jì)要求及參數(shù)如下：（1）控制方式 PLC控制（2）操作方式 手動(dòng)、上位監(jiān)控軟件自動(dòng)（3）電機(jī)功率及速度 ① 行走： 25～200m/min； ② 提升：11kw ～80m/min； ③ 貨叉： 5～40m/min 。（4）堆垛機(jī)的定位精度 ① 行走： 3mm ； ② 起升： 3mm ； ③ 貨叉： 2mm 。 立體倉(cāng)庫(kù)的電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)主要有由貨架、巷道堆垛機(jī)、周邊出入庫(kù)配套機(jī)械設(shè)施和倉(cāng)儲(chǔ)管理控制系統(tǒng)等幾部分組成。貨架長(zhǎng)度大、排列數(shù)多、巷道窄，因此倉(cāng)庫(kù)密度高。巷道堆垛機(jī)上裝有各種定位的檢測(cè)器和安全裝置，保證巷道堆垛機(jī)和貨叉能高速、精確、安全地在貨架中取放貨物。本系統(tǒng)有上位監(jiān)控級(jí)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（可編程序邏輯控制器）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。，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)。堆垛機(jī)采用西門子公司的S7200型PLC控制，與變頻器結(jié)合對(duì)堆垛機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖23所示。圖23 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的選擇 PLC的選擇PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。長(zhǎng)期以來，可編程控制器PLC始終是工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的核心控制系統(tǒng)，為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)提供了非?？煽康膽?yīng)用控制，廣泛應(yīng)用于冶金、輕工業(yè)、機(jī)械制造等各個(gè)領(lǐng)域，極大的推進(jìn)機(jī)電一體化的進(jìn)程，提高了生產(chǎn)效率。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位是無法取代的。SIMATIC S7200系列PLC適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7200系列PLC的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或是相連成網(wǎng)路皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此，S7200系列具有極高的性價(jià)比。S7200系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：極高的可靠性；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的內(nèi)置集成功能；實(shí)時(shí)特性；強(qiáng)勁的通訊能力；豐富的拓展模塊[10]。 S7200系列PLC概述S7200系列PLC是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種超小型PLC,超小型是指其功能具有大、中型PLC的水平，而價(jià)格卻和小型PLC的價(jià)格一樣?？梢詥螜C(jī)運(yùn)行，也可以輸入/輸出擴(kuò)展。它結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)行速度快，繼承和發(fā)揮了它在大、中型PLC領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又極豐富的指令集，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，配有功能豐富的擴(kuò)展模塊，性能價(jià)格比非常高。因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是S7200CPU22*系列PLC(它是21*系列的替代產(chǎn)品），由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面可供選擇，可以很容易的組成PLC網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得S7200系列PLC來完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)更加簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的集成非常方便，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)。S7200硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式加積木式，即主機(jī)中包含一定數(shù)量的I/O輸入輸出，同時(shí)還可以擴(kuò)展各種功能模塊。⑴ 基本單元：基本單元有時(shí)又稱作CPU模塊，也有的稱之為主機(jī)或本機(jī)。特包括CPU、存儲(chǔ)器、基本輸入輸出點(diǎn)和電源等，是PLC的主要部分。它實(shí)際上就是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，可以單獨(dú)的完成一定的控制任務(wù)。⑵ 擴(kuò)展單元：主機(jī)I/O數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時(shí)，用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展各種I/O模塊，所能連接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實(shí)際所能使用的I/O點(diǎn)數(shù)是多種因素共同決定的。⑶ 特殊功能模塊：當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時(shí)，可與SIMATIC S7200主機(jī)相連，已完成某種特殊的控制任務(wù)而特制的一種裝置。⑷ 相關(guān)設(shè)備：相關(guān)設(shè)備是為了充分和方便的利用SIMATIC S7200系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)和使用的一些設(shè)備，主要有編程設(shè)備、人際操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。⑸ 工業(yè)軟件：工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設(shè)備而開發(fā)的與之相配套的程序，它主要有標(biāo)準(zhǔn)工具、工程工具、運(yùn)行軟件和人機(jī)接口等幾大類構(gòu)成。 CPU型號(hào)選擇 西門子CPU的介紹 SIMATIC S7200的CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元、電源以及數(shù)字I/O點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，以便對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制任務(wù)或過程進(jìn)行控制。輸入部分則輸出控制信號(hào)，控制工業(yè)過程中的設(shè)備。西門子第二代產(chǎn)品的CPU模塊位CPU 22*，是在本世紀(jì)初投放市場(chǎng)的。其速度快，具有極強(qiáng)的通訊能力。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元。 （1）CPU 221：CPU 221具有6輸入/4輸出，共計(jì)10個(gè)點(diǎn)的I/O，無擴(kuò)展能力，有6KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。還具有4個(gè)獨(dú)立的30kHz高數(shù)計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高數(shù)脈沖輸出端，一個(gè)RS485通訊/編程端口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由通訊方式。非常適合小點(diǎn)數(shù)的控制系統(tǒng)。（2）CPU 222：CPU 222除了具有CPU 221的功能外，其不同在于：它有8輸入/6輸出，共計(jì)14點(diǎn)I/O，可以擴(kuò)展8路模擬量和最多64個(gè)I/O,因此使更廣泛的全功能控制器。 （3）CPU 224：它在CPU 222的基礎(chǔ)上使主機(jī)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)增為24點(diǎn)，最大可擴(kuò)展為168點(diǎn)數(shù)字量或者35點(diǎn)模擬量的輸入和輸出；存儲(chǔ)量也進(jìn)一步增加，還增加了一些數(shù)學(xué)指令和高數(shù)計(jì)數(shù)器的數(shù)量，具有較強(qiáng)的控制能力。 （4）CPU 226：這種模塊在CPU 224的基礎(chǔ)上功能又進(jìn)一步增強(qiáng)，主機(jī)輸入和輸出點(diǎn)增加到40點(diǎn)，最大可擴(kuò)展為248點(diǎn)數(shù)字量和35點(diǎn)模擬量；增加了通訊口的數(shù)量，通訊能力大大增強(qiáng)；它可用于點(diǎn)數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。 CPU型號(hào)的選擇 根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)來計(jì)算，可以選用CPU226這個(gè)型號(hào)的CPU，CPU226有24輸入/16輸出，最大可以擴(kuò)展為248點(diǎn)數(shù)字量或35點(diǎn)模擬量。其特點(diǎn)如下： （1）集成的24V電源：可直接連接到傳感器和變送器、執(zhí)行器，可用作負(fù)載電源。 （2）高速脈沖輸出：具有2路高速脈沖輸出端，輸出脈沖頻率可達(dá)20KHZ，用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)定位任務(wù)。 （3）通信口：CPU226具有2個(gè)RS485通信口，支持PPI、MPI協(xié)議，有自由口通信能力。 （4）模擬電位器：CPU226有兩個(gè)模擬電位器，用來改變特殊寄存器中的數(shù)值，以改變程序運(yùn)行的參數(shù)，如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的預(yù)設(shè)值，過程量的控制參數(shù)。 （5）中斷輸入允許以極快的速度對(duì)過程信號(hào)的上升沿做出響應(yīng)。 （6）數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)：CPU226具有24輸入/16輸出，輸出點(diǎn)為24V直流雙向偶看光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流兩種類型，可擴(kuò)展模塊為7個(gè)。 （7） CPU226有6個(gè)30KHZ的高速計(jì)數(shù)器，用于捕捉比CPU掃描頻率更高的脈沖信號(hào)。 PLC模塊選型 ，40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展模塊至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。 6個(gè)獨(dú)立的30KHZ高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的30KHZ高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口、具有即PID通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排課很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸出/輸入點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。由于S7200CPU226的集成24輸入/16輸出不能滿足設(shè)計(jì)的要求，所以又選用了EM221擴(kuò)展模塊和EM235擴(kuò)展模塊，正好滿足設(shè)計(jì)的需要。所選模塊型號(hào)如表21所示。表21 擴(kuò)展模塊選型表系列號(hào)類別描述數(shù)量EM221輸入擴(kuò)展模塊DI161EM235輸入/輸出擴(kuò)展模塊AI4/AO12圖24 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 由于CPU226的輸入點(diǎn)只有24個(gè)，不能滿足設(shè)計(jì)的輸入點(diǎn)的需要，所以加入一個(gè)EM221模塊，該模塊有16個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)，總體上可以滿足系統(tǒng)輸入的要求。另外加入兩個(gè)EM235模擬量輸入/輸出模塊是為控制水平和垂直運(yùn)行的交流電機(jī)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖24所示。 通信方案的確立為了控制無人運(yùn)轉(zhuǎn)堆垛機(jī)，必須向堆垛機(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，必須從堆垛機(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。堆垛機(jī)的信息傳遞順序是：堆垛機(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。堆垛機(jī)控制盤在收到作業(yè)信息之后向地面控制盤發(fā)出響應(yīng)信息。堆垛機(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RS232C和RS485。本文采用RS485標(biāo)準(zhǔn)。主要基于以下兩點(diǎn)考慮：（1）RS232C接口標(biāo)準(zhǔn)只能用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，而RS485能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。RS485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)堆垛機(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）RS485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。RS485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RS485總線分別連接到計(jì)算機(jī)即可，可見系統(tǒng)的構(gòu)建十分簡(jiǎn)單當(dāng)需要增加新設(shè)備時(shí)，只需要