【正文】 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MM 440 變頻器MM 440 變頻器二相混合式步進(jìn)電機(jī)三相交流異步電動(dòng)機(jī)單相交流異步電動(dòng)機(jī)輸出區(qū)RS 485 圖 31 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 4 碼垛機(jī)控制程序設(shè)計(jì) S7200 可編程控制器 [。 表 31 擴(kuò)展模塊選型表 系列號(hào) 類別 描述 選型型號(hào) 數(shù)量 EM221 輸入擴(kuò)展模塊 DI16 6ES72211BH220XA0 1 EM235 輸入 /輸出擴(kuò)展模塊 AI4/AO1 6ES72350KD220XA0 2 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。 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) 。 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 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。 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。輸入部分則輸出控制信號(hào)，控制工業(yè)過程中的設(shè)備。 （ 4）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。特包括 CPU、存儲(chǔ)器、基本輸入輸出點(diǎn)和電源等，使 PLC 的主要部分。特別是 S7200CPU22*系列 PLC[28](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)。 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。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 連接， 即可投入運(yùn)行。 ③ 采用模塊化結(jié)構(gòu)； 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 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；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強(qiáng)電或弱電等。 （ 4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 表 24 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) 19 貨叉右伸按鈕 2 停止 20 貨叉左伸按鈕 3 復(fù)位 21 貨叉原位按鈕 4 存貨 22 貨叉電機(jī)脈沖輸出 5 取貨 23 堆垛機(jī)上升 6 自動(dòng) 24 堆垛機(jī)下降 7 水平編碼器反饋 A 25 貨叉方向改變 8 水平編碼器反饋 B 26 堆垛機(jī)前進(jìn) 9 手動(dòng) 27 堆垛機(jī)后退 10 貨叉右伸到位 28 低貨位指示燈 11 貨叉到中位 29 高貨位指示燈 12 貨叉左伸到位 30 水平停準(zhǔn)指示燈 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 13 垂直編碼器反饋 A 31 垂直停準(zhǔn)指示燈 14 垂直編碼器反饋 B 32 警示燈 15 前進(jìn)按鈕 33 水平電動(dòng)機(jī)停機(jī) 16 后退按鈕 17 上升按鈕 18 下降按鈕 表 25 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 9 縱向認(rèn)址下對(duì)準(zhǔn) 2 水平右限位 10 左端歪斜傳感器 3 垂直上限位 11 右端歪斜傳感器 4 垂直下限位 12 左探有貨傳感器 5 水平前對(duì)準(zhǔn) 13 右探有貨傳感器 6 水平認(rèn)址計(jì)數(shù) 14 低速按鈕 7 縱向認(rèn)址上對(duì)準(zhǔn) 15 中速按鈕 8 縱向認(rèn)址計(jì)數(shù) 16 高速按鈕 本章小節(jié) 本章依據(jù)設(shè)計(jì)立體倉庫的有關(guān)參數(shù)，對(duì)碼垛機(jī)電氣控制的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。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。本系統(tǒng)中使用的變頻器和北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 PLC 都支持 Modbus 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)。 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)。 RS485 允許平衡電纜上連接 32 個(gè)發(fā)送器 /接收器。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)。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。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。入庫操作時(shí)，當(dāng)碼垛機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，先檢測(cè)貨位是否有貨物，若沒有貨物，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；出庫時(shí)，若檢測(cè)出相應(yīng)貨位無貨物，則發(fā)出信號(hào)致碼垛機(jī)動(dòng)作停止。本文采用最常用的梯形速度曲線。為使貨叉能完成北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 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。激光測(cè)距的原理是通過發(fā)射出的激光光線長(zhǎng)度來測(cè)定距離，其光線就好比一把光尺，如果物體遮擋激光光線，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)撞擊碼垛機(jī)端部緩沖制動(dòng)器的情況。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)無法準(zhǔn)確定位。 （ 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、鏈輪與鏈條旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)測(cè)定方式。因?yàn)樨浖軆蓚?cè)分為X X2，只有兩個(gè)方向，反應(yīng)到碼垛機(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)。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 輸入 編碼器 速度檢測(cè) 位置檢測(cè) 圖 22 碼垛機(jī)位置速度控制框圖 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。 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D 監(jiān)控計(jì)算機(jī) S7200 PLC 堆垛機(jī)水平認(rèn)址系統(tǒng) 堆垛機(jī)縱向認(rèn)址系統(tǒng) 堆垛機(jī)縱向變頻系統(tǒng) 堆垛機(jī)水平變頻系統(tǒng) 堆垛機(jī)貨叉控制系統(tǒng) 統(tǒng) 堆垛機(jī)縱向運(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)貨叉運(yùn)行機(jī)構(gòu) 構(gòu) 堆垛機(jī)貨物檢測(cè)系統(tǒng) 堆垛機(jī)限位保護(hù)系統(tǒng) 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 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)。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。 ④ 作業(yè)任務(wù)的順序邏輯控制：按照入庫、出庫的作業(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。 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)指令是存貨入庫還是取貨出庫；確定作業(yè)地址包括列地址和層地址。 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)用戶輸入的參數(shù)進(jìn)行全自動(dòng)的取送貨動(dòng)作。同時(shí)運(yùn)動(dòng)速度也可以手動(dòng)選擇。伸叉機(jī)構(gòu)電機(jī)采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，由西門子 S7200 通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。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。 研究的主要內(nèi)容 課題的研究目標(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)。 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)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)化立體倉庫發(fā)展迅速，目前日本的自動(dòng)化倉庫技術(shù)和自動(dòng)化倉庫的擁有量都位居世 界前列。 （ 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)。管理計(jì)算機(jī)是立體倉庫的管理中心，承擔(dān)著入 /出庫管理、盤庫管理、查詢、打印及顯示、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算分析等功能，包括在線管理和離線管理；中央控制計(jì)算機(jī)是立體倉庫的控制中心，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)立體倉庫系統(tǒng)的運(yùn)行。 （ 2）倉儲(chǔ)機(jī)械設(shè)備 自動(dòng)化立體倉庫的主要搬運(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。貨架在物流及倉儲(chǔ)中占有非常重要的地位，目前的貨架具有多種功能，以滿足機(jī)械化和自動(dòng)化的要求。這類倉庫主要通過高層貨架充分利用空間進(jìn)行存取貨物，所 以被成為立體倉庫。Retrieval System， AS/RS）。例如，碼垛機(jī)的運(yùn)行驅(qū)動(dòng)己由 20 世紀(jì) 70北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 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 總線控制等先進(jìn)技術(shù)。 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。 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)。無論何種類型的碼垛機(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。貨叉伸叉系統(tǒng)由 S7226PLC 通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 SH20403 控制二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。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)。 本人簽名： 日期： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)書 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)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件； ② 學(xué)校可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存論文； ③ 學(xué)?？稍试S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)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。 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）： 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 姓名 石澤旭 學(xué)號(hào) 10131203 專業(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 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 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： 該論文在前人工作的基礎(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。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。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)撰寫論文，理論分析正確。 2021 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) 2021 年