【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 饋的速度控制等 數(shù)字量輸入 6 路帶隔離的數(shù)字量輸入 數(shù)字量輸出 8 路繼電器輸出 模擬量輸入 2 路 (010)V模擬量輸入 模擬量輸出 2 路 (020) mA模擬量輸出 通訊接口 RS485 通訊、 USS 協(xié)議 操作功能 AOP 盤(pán)、 BOP 控制盤(pán)、電位器與外接端子操作 水平行走電機(jī)采用 220W 的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行速度要求為 0150m/min，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式。 S7200PLC 的模擬量輸出信號(hào) kU 作為 MM440 變頻器的模擬量輸入，來(lái)控制變頻器輸出頻率和輸出電壓的變化，從而控制三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由光電編碼器檢測(cè)并反饋到 PLC 高速計(jì)數(shù)口，構(gòu)成閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)如圖 32 所示， gn 為速度給定量， kU 為 PLC 輸出的控制量， u 為變頻器輸出電壓， n為被控量，控制算法為 PID。垂直方向同理。 圖 32 PLC 變頻調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 認(rèn)址器的選擇 要完成對(duì)堆垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先要保證堆垛機(jī)能夠 準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置，PID 算法 變頻器主電路 三相異步電動(dòng)機(jī) 認(rèn)址器反 饋 擾動(dòng) u kU e gn n 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 10 所以在設(shè)計(jì)堆垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確可靠的認(rèn)址和定位保證堆垛機(jī)準(zhǔn)確無(wú)誤的定位在目標(biāo)貨位。 定位控制就是確定堆垛機(jī)停止在目標(biāo)貨位的功能。自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)的認(rèn)址檢測(cè)系統(tǒng)有兩項(xiàng)任務(wù)：一是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋址，使堆垛機(jī)自動(dòng)找到被指定到達(dá)的位置；二是自動(dòng)準(zhǔn)確停準(zhǔn)，即堆垛機(jī)停準(zhǔn)位置不超出規(guī)定的精度。為此，貨架上的每個(gè)貨位必須具有堆垛機(jī)能識(shí)別的編碼，所以將貨架兩側(cè)編成 X X2，沿堆垛機(jī)運(yùn)行方向?qū)⒇浖芫帪?0Y 列，垂直方向編為 0Z 層。這樣每個(gè)貨位就有了獨(dú)立的三維坐標(biāo)地址，堆垛機(jī)自動(dòng)檢測(cè)目前的坐標(biāo)地址，使其能到 達(dá)目標(biāo)位置。因?yàn)樨浖軆蓚?cè)分為 X X2，只有兩個(gè)方向，反應(yīng)到堆垛機(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)際上堆垛機(jī)位置的檢測(cè)只是對(duì)Y、 Z 位置的檢測(cè)。 主要的認(rèn)址檢測(cè)方式有以下幾種： （ 1） 絕對(duì)認(rèn)址 將每一個(gè)貨位賦予唯一的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，給每個(gè)貨位制作一個(gè)專(zhuān)用的認(rèn)址片，堆垛機(jī)上相應(yīng)安裝一個(gè)識(shí)別器，通常是二進(jìn)制編碼板和一組光電開(kāi)關(guān)的組合，通過(guò)讀取認(rèn)址片的代碼來(lái)判斷堆垛機(jī)的當(dāng)前位置。 （ 2） 相對(duì)認(rèn)址 每個(gè)貨位的認(rèn)址片結(jié)構(gòu)相同。每經(jīng)過(guò)一個(gè)貨位，就對(duì)地址編碼進(jìn)行加 1 或減 1，一直移動(dòng)到和預(yù)定位置號(hào)一致時(shí) 停止運(yùn)行。 （ 3） 編碼器定位法 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。從動(dòng)輪與軌道旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)測(cè)定方式。堆垛機(jī)的從動(dòng)輪上配有 同軸旋轉(zhuǎn)編碼器，從動(dòng)輪與軌道近似純滾動(dòng)，因此通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換，可以得到堆垛機(jī)的相對(duì)運(yùn)行位置。 （ 4） 激光測(cè)距定位 近年來(lái)應(yīng)用于堆垛機(jī)準(zhǔn)確定位的新技術(shù)，用激光測(cè)距儀通過(guò)測(cè)量堆垛機(jī)到基準(zhǔn)點(diǎn)的距離和事先存儲(chǔ)的位置數(shù)據(jù)比較來(lái)確定堆垛機(jī)的當(dāng)前位置。這種方法的精度很高，但是使用時(shí)堆垛機(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(wú)法準(zhǔn)確定位。 以上是四種常見(jiàn)的認(rèn)址檢測(cè)方式，四種方式各有優(yōu)劣，表 35 是他們之間的比較對(duì)照： 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 表 35 認(rèn)址方式對(duì)比 認(rèn)址器 光電開(kāi)關(guān) 旋轉(zhuǎn)編碼器 激光測(cè)距傳感器 認(rèn)址方式 相對(duì)認(rèn)址 絕對(duì)認(rèn)址 絕對(duì)認(rèn)址 絕對(duì)認(rèn)址 可靠性 較低 高 較高 最高 認(rèn)址精度 格 格 mm mm 系統(tǒng)成本 低 高 高 較高 數(shù)據(jù)接口 無(wú) 無(wú) 多種 多種 定位方式 反射式 反射式 接觸式 反射式 使用壽命 短 短 較長(zhǎng) 長(zhǎng) 認(rèn)址方式確認(rèn)： 激光測(cè)距傳感器的精度最高，雖然成本較高，但使用壽命長(zhǎng) ，因此水平、垂直方向均采用激光測(cè)距傳感器，如圖 33。當(dāng)前數(shù)據(jù)為位移值，經(jīng)過(guò) PLC 計(jì)算后的數(shù)據(jù)為當(dāng)前速度值。 激光測(cè)距傳感器安裝在堆垛機(jī)上，目標(biāo)放射板安裝在巷道末端。在立體倉(cāng)庫(kù)巷道通道中的激光測(cè)距范圍（激光發(fā)射器與反射板之間）內(nèi)不得有任何物體遮擋激光光線。激光測(cè)距的原理是通過(guò)發(fā)射出的激光光線長(zhǎng)度來(lái)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，從而使道堆垛機(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)撞擊巷道堆垛機(jī)端部緩沖制動(dòng)器的情況。 因 此，在巷道堆垛機(jī)工作時(shí)不允許有任何物體遮擋激光光線，對(duì)于激光光線通道應(yīng)采取隔離保護(hù)措施，保證激光測(cè)距的準(zhǔn)確性和自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性。 圖 33 激光測(cè)距傳感器 PLC 選擇及配置 根據(jù)實(shí)際的控制點(diǎn)數(shù)和系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的控制要求，在本設(shè)計(jì)中選用西門(mén)子的 S7200陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 12 系列的 PLC 作為控制中心。 S7200 有很強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，功能齊全的編程軟件，同時(shí)有多種功能模塊，便于組態(tài)網(wǎng)絡(luò)，有良好的價(jià)值擴(kuò)展性。 S7200 是一種小型的 可編程序控制器 ，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 系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此 S7200 系列具有極高的性能 /價(jià)格比。 集成的 24V負(fù)載電源：可直接連接到 傳感器 和變送器（執(zhí)行器）， CPU 221， 222 具有 180mA 輸出， CPU 224， CPU 224XP， CPU 226 分別輸 出 280， 400mA。可用作負(fù)載電源。 CPU 221226 各有 2 種類(lèi)型 CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。 CPU 221具有 6 個(gè)輸入點(diǎn)和 4 個(gè)輸出點(diǎn)， CPU 222 具有 8 個(gè)輸入點(diǎn)和 6 個(gè)輸出點(diǎn)， CPU 224 具有14 個(gè)輸入點(diǎn)和 10 個(gè)輸出點(diǎn)， CPU 224XP 具有 14 個(gè)輸入點(diǎn)和 10 個(gè)輸出點(diǎn)， CPU 226 具有 24 個(gè)輸入點(diǎn)和 16 個(gè)輸出點(diǎn)。 2 路高頻率 脈沖 輸出（最大 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)。用于長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)后備。用戶(hù)數(shù)據(jù)（如標(biāo)志位狀態(tài)， 數(shù)據(jù)塊 ，定時(shí)器 ，計(jì)數(shù)器）可通過(guò)內(nèi)部的超級(jí)電容存貯大約 5 天。選用電池模塊能延長(zhǎng)存貯時(shí)間到 200 天（ 10 年壽命）。電池模塊插在 存儲(chǔ)器 模塊的卡槽中。 STEP 7Micro/WIN32 編程 軟件 可以對(duì)所有的 CPU 221/222/224/224XP/226 功能進(jìn)行編程。 CPU 概述 西門(mén)子 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(guò)程進(jìn)行控制。 西門(mén)子第二代產(chǎn)品有四種不同結(jié)構(gòu)配置的 CPU單元。 （ a） CPU 221 具有 6IN/4OUT，共計(jì) 10 個(gè)點(diǎn)的 I/O，無(wú)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)。 （ b） CPU 222 具有 8IN/6OUT，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。 （ c） CPU 224 在 CPU 222 的基礎(chǔ)上使主機(jī)的 I/O 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)字指令和高數(shù)計(jì)數(shù)器的數(shù)量，具有較強(qiáng)的控制能力。 （ d） CPU 226 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)。 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 CPU 型號(hào)的選擇 根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)來(lái)計(jì)算，可以選用 CPU226 這個(gè)型號(hào)的 CPU， CPU226 有 24IN/16OUT，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： （ a）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。 （ b）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)。 （ c）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。 （ d）模擬電位器： CPU226 有兩個(gè)模擬電位器，用來(lái)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(guò)程量的控制參數(shù)。 （ e）中斷輸入允許以極快的速度對(duì)過(guò)程信號(hào)的上升沿做出響應(yīng)。 安全系統(tǒng) （ 1）貨架占有情況檢測(cè) 自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)需要知道貨物是否存放在貨架，或者貨物在貨架的位置信息。以免造成誤動(dòng)作，損傷機(jī)械。入庫(kù)操作時(shí)，當(dāng)堆垛機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，先檢測(cè)貨位是否有貨物，若沒(méi)有貨物，則進(jìn)行伸叉作業(yè)，否則發(fā)出信號(hào)使堆垛機(jī)動(dòng)作停止；出庫(kù)時(shí)，若檢測(cè)出相應(yīng)貨位無(wú)貨物，則發(fā)出信號(hào)致堆垛機(jī)動(dòng)作停止。本文采用漫反射型 的光電傳感器可以感知貨物在貨架的存在或者位置。 （ 2）貨物突出貨架檢測(cè) 貨物存放在貨架上，可能由于異常的情況導(dǎo)致貨物突出貨架的情況。這些突出的貨物可能妨礙堆垛機(jī)垂直方向的運(yùn)行，導(dǎo)致貨架或堆垛機(jī)的損害。在堆垛機(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)致堆垛機(jī)停止運(yùn)行。 （ 3）終端限位裝置 堆垛機(jī)立柱導(dǎo)軌的極限位置設(shè)有限位開(kāi)關(guān)，載貨臺(tái)到達(dá)各方向極限位置時(shí)相應(yīng)電機(jī)緊急停轉(zhuǎn)。水平、垂直以及伸縮方向兩端各一個(gè)限位開(kāi)關(guān)。 通信方式 為了控制無(wú)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(pán)在收到作業(yè)信息之后向地面控制盤(pán)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。這樣把一系列作陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 14 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： （ a） 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 4 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。 （ b） 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(jiàn)系統(tǒng)的構(gòu)建十分簡(jiǎn)單當(dāng)需要增加新設(shè)備時(shí)，只需要將新設(shè)備也連接到計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)的擴(kuò)展也較容易。 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 4 堆垛機(jī)控制程序設(shè)計(jì) 編程軟件及語(yǔ)言概述 （ 1）軟件介紹 STEP 7 編程 軟件用于 西門(mén)子 系列工控 產(chǎn)品包括 SIMATIC S M C7 和基于 PC的 WinCC 的編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置，是 SIMATIC 工業(yè)軟件的重要組成部分。 Step7 Micro版本適用于 西門(mén)子 S7200 的編程軟件。 STEP7 Micro/Win32 的基本功能是協(xié)助用廣完成丌發(fā)應(yīng)用軟件的任務(wù)，例如創(chuàng)建用廣程序、修改和編輯源有的用戶(hù)程序，編輯過(guò)程中編輯器具有簡(jiǎn)單語(yǔ)法檢查功能。同時(shí)還有一些工具性的功能，例如用戶(hù)程序的文 檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設(shè)置 PLC 的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。 程序編輯過(guò)程中的語(yǔ)法檢查功能可以提前避免些語(yǔ)法和數(shù)據(jù)類(lèi)型方面的錯(cuò)誤。梯形圖中的錯(cuò)誤處的下方白動(dòng)加紅色曲線，語(yǔ)句表中錯(cuò)誤行前有紅色叉，且錯(cuò)誤處的下方加紅色曲線。軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以在聯(lián)機(jī)工作方式（在線方式）下進(jìn)行，部分功能的實(shí)現(xiàn)也可以在離線工作方式下進(jìn)行。 聯(lián)機(jī)方式：有編程軟什的計(jì)算機(jī)與 PLC 連接，此時(shí)允許兩者之間做直接通信。 離線方式：有編程軟件的計(jì)算機(jī)與 PLC 連接，此時(shí)能完成大部分基本功能。如編程、編澤和調(diào)試程序系 統(tǒng)組態(tài)等。 （ 2）編程語(yǔ)言 PLC 的用戶(hù)程序，是設(shè)計(jì)人員根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝控制要求，通過(guò) PLC 編程語(yǔ)言的編制規(guī)范，按照實(shí)際需要使用的功能來(lái)設(shè)計(jì)的。只要用戶(hù)能夠掌握某種標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言，就能夠使用