【正文】 電機驅動器MM 440 變頻器MM 440 變頻器二相混合式步進電機三相交流異步電動機單相交流異步電動機輸出區(qū)RS 485 圖 31 系統(tǒng)總體結構圖 北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文） 21 4 碼垛機控制程序設計 S7200 可編程控制器 [。 表 31 擴展模塊選型表 系列號 類別 描述 選型型號 數(shù)量 EM221 輸入擴展模塊 DI16 6ES72211BH220XA0 1 EM235 輸入 /輸出擴展模塊 AI4/AO1 6ES72350KD220XA0 2 由于 CPU226 的輸入點只有 24 個，不能滿足設計的輸入點的需要，所以加入一個 EM221 模塊，該模塊有 16 個數(shù)字輸入點，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： CPU226 具有 24 輸入 /16 輸出，輸出點為 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，可擴展模塊為 7 個 。 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 20KHZ，用于控制步進電機或伺服電機，實現(xiàn)定位任務。 ③ CPU 224：它在 CPU 222 的基礎上使主機的輸入輸出點數(shù)增為 24 點，最大可擴展為 168 點數(shù)字量或者 35 點模擬量的輸入和輸出；存儲量也進一步增加，還增加了一些數(shù)學指令和高數(shù)計數(shù)器的數(shù)量，具有較強的控制能力。 ① CPU 221： CPU 221 具有 6 輸入 /4 輸出，共計 10 個點的 I/O，無擴展能力，有 6KB 程序和數(shù)據(jù)存儲空間。輸入部分則輸出控制信號，控制工業(yè)過程中的設備。 （ 4）相關設備：相關設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)和使用的一些設備，主要有編程設備、人際操作界面和網絡設備等。特包括 CPU、存儲器、基本輸入輸出點和電源等，使 PLC 的主要部分。特別是 S7200CPU22*系列 PLC[28](它是 21*系列的替代產品），由于它具有多種功能模塊和人機界面可供選擇，可以很容易的組成 PLC 網絡。 S7200 系列 PLC 概述 S7200系列 PLC是德國西門子公司生產的一種超小型 PLC,超小型是指其功能具有大、中型 PLC 的水平，而價格卻和小型 PLC 的價格一樣。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與 PLC 相應的 I/O 端相北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文） 17 連接， 即可投入運行。 ③ 采用模塊化結構； 為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結構。 ② 豐富的 I/O 接口模塊； PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強電或弱電等。 （ 4）采用性能優(yōu)良的開關電源。 表 24 PLC（ CPU226）輸入輸出 I/O 點分配 序號 控制元件 編程地址 序號 控制元件 編程地址 1 啟動 19 貨叉右伸按鈕 2 停止 20 貨叉左伸按鈕 3 復位 21 貨叉原位按鈕 4 存貨 22 貨叉電機脈沖輸出 5 取貨 23 堆垛機上升 6 自動 24 堆垛機下降 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 堆垛機前進 9 手動 27 堆垛機后退 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 水平停準指示燈 北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文） 15 13 垂直編碼器反饋 A 31 垂直停準指示燈 14 垂直編碼器反饋 B 32 警示燈 15 前進按鈕 33 水平電動機停機 16 后退按鈕 17 上升按鈕 18 下降按鈕 表 25 EM 221 模塊 I/O 點分配 序號 控制元件 編程地址 序號 控制元件 編程地址 1 水平左限位 9 縱向認址下對準 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 水平前對準 13 右探有貨傳感器 6 水平認址計數(shù) 14 低速按鈕 7 縱向認址上對準 15 中速按鈕 8 縱向認址計數(shù) 16 高速按鈕 本章小節(jié) 本章依據(jù)設計立體倉庫的有關參數(shù)，對碼垛機電氣控制的硬件系統(tǒng)進行了設計。分配 1/0 點時，應注意系統(tǒng)公共點的帶載能力，以免燒毀設備。本系統(tǒng)中使用的變頻器和北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文） 14 PLC 都支持 Modbus 協(xié)議。 Modbus 通訊協(xié)議是 Modicon 公司設計的一種適用于工業(yè)控制的 主從結構式串口通訊協(xié)議，已經成為通用工業(yè)標準。 RS485 標準除上述優(yōu)點外，還具有傳輸速率高、傳輸距離遠等優(yōu)點。 RS485 允許平衡電纜上連接 32 個發(fā)送器 /接收器。這樣把一系列作業(yè)進行完了之后，成為等待下一個作業(yè)信息的待機狀態(tài)。碼垛機的信息傳遞順序是：碼垛機首先接受的作業(yè)信息是從什么地方取貨，之后把它存入什么貨位。在碼垛機垂直軌道上頂端安裝長距離光電傳感器可以監(jiān)視貨物突出，一旦有突出，向上位機報警，控制系統(tǒng)發(fā)出信號致碼垛機停止運行。入庫操作時，當碼垛機到達目標位置時，先檢測貨位是否有貨物，若沒有貨物，則進行伸叉作業(yè)，否則發(fā)出信號 使碼垛機動作停止；出庫時，若檢測出相應貨位無貨物，則發(fā)出信號致碼垛機動作停止。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海濱學院畢業(yè)設計（論文） 10 作業(yè)，碼垛機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裝置。激光測距的原理是通過發(fā)射出的激光光線長度來測定距離，其光線就好比一把光尺，如果物體遮擋激光光線，讓它脫離原標準原點的測定位置，將影響實際要求的測定距離，從而使碼垛機走位偏離所設定的位置，產 生貨叉取 /存儲錯位或起始點撞擊碼垛機端部緩沖制動器的情況。這種方法的精度很高，但是使用時碼垛機和激光發(fā)射器和反射板之間不允許有物體，否則會遮擋住激光的傳輸路徑，使系統(tǒng)無法準確定位。 （ 3）編碼器定位法：編碼器定位方式 [13]主要有兩種：從動輪與軌道旋轉計數(shù)測定方式、鏈輪與鏈條旋轉計數(shù)測定方式。因為貨架兩側分為X X2，只有兩個方向，反應到碼垛機上只是貨叉左伸、右伸運動，此方向不用檢測，所以實際上碼垛機位置的檢測只是對 Y、 Z 位置的檢測。 執(zhí)行機構 輸入 編碼器 速度檢測 位置檢測 圖 22 碼垛機位置速度控制框圖 定位控制 定位控制就是確定碼垛機停止在目標貨位的功能。 圖 21 系統(tǒng)結構拓撲圖 監(jiān)控計算機 S7200 PLC 堆垛機水平認址系統(tǒng) 堆垛機縱向認址系統(tǒng) 堆垛機縱向變頻系統(tǒng) 堆垛機水平變頻系統(tǒng) 堆垛機貨叉控制系統(tǒng) 統(tǒng) 堆垛機縱向運行機構 構 堆垛機水平運行機構 構 堆垛機貨叉運行機構 構 堆垛機貨物檢測系統(tǒng) 堆垛機限位保護系統(tǒng) 北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文） 7 碼垛機位置控制 由碼垛機的作業(yè)流程分析，碼垛機是由水平運行機構 、縱向起升機構和貨叉伸縮機構三部分組成的，水平運行機構和垂直起升機構使碼垛機到達目標位置，貨叉伸縮機構完成存取貨任務。監(jiān)控級對通訊、流程進行控制，并進行實時圖像顯示，直接控制級是由 PLC(可編程序控制器 )組成的控制系統(tǒng)對各設備進行單機自動操作。 ④ 作業(yè)任務的順序邏輯控制：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)時自動還是手動；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 單機自動用人機界面對碼垛機進行全自動的 控制，控制系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)進行全自動的取送貨動作。同時運動速度也可以手動選擇。伸叉機構電機采用兩相混合式步進電機，由西門子 S7200 通過步進電機驅動器進行控制。由 PLC 輸出高速脈沖和貨叉方向改變信號控制步進電動機左伸和右伸，以及貨叉的伸縮速度。 研究的主要內容 課題的研究目標是設計安全可靠，具有經濟性能和操作性能良 好的碼垛機控制系統(tǒng)。 1960 年以后巷道式碼垛機逐漸代替了橋式碼垛機，此后碼垛機的使用范圍和性能有了很大的發(fā)展，尤其是在日本，自動化立體倉庫發(fā)展迅速，目前日本的自動化倉庫技術和自動化倉庫的擁有量都位居世 界前列。 （ 4） 節(jié)約成本：作業(yè)效率的提高勢必會降低貨物儲存的成 本費用，由此也提高了企業(yè)的現(xiàn)代化物流意識。管理計算機是立體倉庫的管理中心，承擔著入 /出庫管理、盤庫管理、查詢、打印及顯示、經濟技術指標的計算分析等功能，包括在線管理和離線管理；中央控制計算機是立體倉庫的控制中心，他溝通并協(xié)調管理計算機、碼垛機、入 /出輸送機等設備之間的聯(lián)系，控制和監(jiān)視著整個立體倉庫系統(tǒng)的運行。 （ 2）倉儲機械設備 自動化立體倉庫的主要搬運設備是巷道式碼垛機 [17]，其主要用途是在高層貨架的巷道內來回穿梭運行，將位于巷道口的貨物存放入貨格中，或者將貨物取出運送到巷道口。貨架在物流及倉儲中占有非常重要的地位，目前的貨架具有多種功能，以滿足機械化和自動化的要求。這類倉庫主要通過高層貨架充分利用空間進行存取貨物，所 以被成為立體倉庫。Retrieval System， AS/RS）。例如，碼垛機的運行驅動己由 20 世紀 70北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文） 2 年代的子母電動機改為變頻調速，速度由 5~50m/min 提升至 4~160m/min，國外小載重量的碼垛機最高可達 300m/min；提升驅動己由 20 世紀 70 年代的雙速電動機改進為變頻調速，速度由 4~16m/min 提升至 0~25m/min；貨叉運行也由單速電動機驅動改進為變頻調速，速度由 8m/min 提升至 4~35m/min；在碼垛機自動控制方面還采用閉環(huán)控制變頻調速系統(tǒng) [5]、 Profibus 總線控制等先進技術。 碼垛機技術的研究現(xiàn)狀 按現(xiàn)行機械行業(yè)標準，有軌巷道式碼垛機分類方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結構、運行軌跡 等分類。 1960 年左右在美國出現(xiàn)了巷道式碼垛機，隨后巷道式碼垛機逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式碼垛機。無論何種類型的碼垛機，一般都由水 平行走機構、起升機構、載貨臺及貨叉機構、機架和電氣設備等基本部分組成。貨叉伸叉系統(tǒng)由 S7226PLC 通過步進電動機驅動器 SH20403 控制二相混合式步進電動機。詳細闡述了本控制系統(tǒng)的設計思想，以 及整個系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)和軟件設計。 本人簽名： 日期： 畢業(yè)設計（論文）使用授權書 本人完全了解北京交通大學海濱學院有關保管、使用論文的規(guī)定，其中包括：① 學校有權保管、并向有關部門送交學位論文的原件與復印件； ② 學?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其它復制手段復制并保存論文； ③ 學?？稍试S論文被查閱或借閱；④ 學?？梢詫W術交流為目的，復制贈送和交換學位論文； ⑤ 學?？梢怨紝W位論文的全部或部分內容。 是否同意安排論文答辯：同意 論文成績： 76 評閱教師（簽名）： 年 月 日 北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文）答辯小組評議意見 姓名 石澤旭 學號 10131203 專業(yè) 電氣工程及其自動化 畢業(yè)設計（論文）題目 碼垛機控制系統(tǒng)設計 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 組長 李婧 助教 北京交通大學海濱學院 答辯秘書 陳雷 講師 北京交通大學海濱學院 組員 張義偉 助教 北京交通大學海濱學院 組員 答辯小組評語： 該論文在前人工作的基礎上作了系統(tǒng)的歸納和總結，具有一定的綜合應用能力 ，得到一定的科研訓練。該同學收集的數(shù)據(jù)資料較翔實，分析和論證有一定深度，結論正確合理。該生查閱相關文獻資料，基本能夠綜合運用所學理論知識撰寫論文，理論分析正確。 2021 年 .02 月： 分析碼垛機工作原理，并根據(jù)原理繪制電路系統(tǒng)的供電設計 2021 年