【文章內(nèi)容簡介】 化立體倉庫為現(xiàn)代物流系統(tǒng)的主要設(shè)備，是一種多層存放貨物的高層倉庫系統(tǒng)。也是 CIMS 的集成環(huán)節(jié)之一，再 FMS 和 FAS 中占有非常重要的地位。 作為一個(gè)定位控制系統(tǒng)，必須實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)如下： （ 1）能滿足一般控制系統(tǒng)要求的自動、手動的控制功能； （ 2）能根據(jù)使用者發(fā)出的指令做出相應(yīng)的動作； （ 3）能夠根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行自動的校正。 而本文設(shè)計(jì)的智能立體倉庫遠(yuǎn)沒有那么復(fù)雜，主要有貨架、堆垛機(jī)、自動控制裝置等部分組成，有自動和手動兩種操作方式。堆垛機(jī)是可以三維運(yùn)動的門框式巷道堆垛機(jī)，它由固定在小車上的門式框架、沿門 式框架上的垂直導(dǎo)軌作上下運(yùn)動的升降臺和在升降青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 臺上作伸縮運(yùn)動的貨叉（機(jī)械手）等三部分組成。貨物放在升降臺的貨叉上能實(shí)現(xiàn)上下、左右及前后的運(yùn)動。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求將整個(gè)定位控制的全過程分成多個(gè)階段：小車前進(jìn)到指定的貨架列的過程，將貨物抬升到指定的行的過程，機(jī)械手放置或取回貨物的過程，放置或取回貨物之后返回的過程。在各個(gè)階段，對象的特性相對穩(wěn)定，并且在前進(jìn)和抬升貨物的過程中控制方面是基本一致的。 下面對各個(gè)階段進(jìn)行簡單的介紹。 ：在這個(gè)過程中，無論是自動或是手動狀態(tài)，小車都是有起始點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過位置的校對 ，到達(dá)預(yù)先制定的貨架的列。 ：在這個(gè)過程中，貨物被抬升到指定的行。 ：在這個(gè)過程中，通過控制機(jī)械手臂的運(yùn)動，是機(jī)械手到達(dá)預(yù)先指定的位置，然后根據(jù)實(shí)際的需要完成存放或者取得貨物的操作。 ：在完成制定的操作之后，應(yīng)該返回到起始的位置。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 控制核心單元的選擇 控制核心單元是整個(gè)控制系統(tǒng)的“大腦”，隨控制形式的不同而不同，可以是繼電器組成的邏輯電路，可以是可編程控制器，也可以是單片機(jī)系統(tǒng)。 繼電器控制最早出現(xiàn)于 1863 年電磁繼電器 發(fā)明以后，在早期的立體倉庫中繼電器控制形式比較常用。繼電器控制系統(tǒng)就是把各種繼電器、接觸器、開關(guān)及其觸點(diǎn)，按照一定的邏輯關(guān)系連接在一起構(gòu)成具有簡單控制功能的邏輯電路。它具有價(jià)格低廉、維護(hù)技術(shù)要求不高的優(yōu)點(diǎn)，但功能不易擴(kuò)展、布線連接不易更新、可靠性不高，該控制方式只適用于工作模式固定、控制要求簡單的場合。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，誕生了許多其它形式的控制元器件，很快的取代了這種早期的控制形式。 單片機(jī)就是在一塊硅片上集成了中央處理器，隨機(jī)存儲器，程序存儲器，定時(shí)器和各種 I/O 接口的計(jì)算機(jī)。單片機(jī)具有體積小、價(jià)格 低、性能強(qiáng)、速度快、用途廣、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。最值得一提的是單片機(jī)具有強(qiáng)大的存儲擴(kuò)展能力，有能力滿足不同的存儲需要。理論上也可用于堆剁機(jī)控制系統(tǒng)，但由于其開發(fā)周期較長、調(diào)試耗時(shí)較多、抗干擾能力較弱等原因，在立體倉庫的實(shí)際控制系統(tǒng)中沒有得到廣泛的推廣應(yīng)用。 PLC 是一種數(shù)字式的電子裝置，它使用可編程序的存儲器以及存儲指令，完成邏輯、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入、輸出接口控制各種機(jī)械和生產(chǎn)過程。 PLC 的功能齊全，與其他控制器相比具有自診斷、報(bào)警、監(jiān)控等特有功能。具有應(yīng)用靈活、操作方便、容易維 修、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)成熟，性價(jià)比高在工業(yè)控制領(lǐng)域以基本取代了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)邏輯控制和順序控制 [6]。 對以上三種主控制單元進(jìn)行比較和分析， PLC 操作、維護(hù)簡單，程序直觀，設(shè)計(jì)周期短，電路簡單的特點(diǎn)很適合堆剁機(jī)控制系統(tǒng)。它對環(huán)境要求不高，抗干擾性強(qiáng)，對操作人員以及維護(hù)人員的要求也不高，安裝、調(diào)試相對簡單且設(shè)備數(shù)量少，因此 PLC 是定位控制單元的首選。目前各廠家生產(chǎn)的立體倉庫基本上都采用 PLC 來作為堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的核心單元，只是在采用的品牌、型號上有些差異。 PLC 的特點(diǎn) 堆垛機(jī) 位置控制系統(tǒng)主要由 PLC 組成。 可編程序控制器（ PLC）是一種以微機(jī)處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實(shí)質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)。因而對于使用者來說，變成完全可以不考慮微處理器內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不必使用各種計(jì)算機(jī)使用的語言，而把 PLC 內(nèi)部看做是有許多“軟繼電器”等邏輯部件組成。 可編程控制器的主要特點(diǎn)有： ，抗干擾能力強(qiáng)。這往往是用戶選擇控制裝置的首要條件。 PLC 生產(chǎn)廠家在硬件和軟件上采取了一系列抗干擾措施，使它直接安裝于工業(yè)現(xiàn)場而穩(wěn)定可靠的工作。目前各廠家生產(chǎn)的 PLC，其平均無故障時(shí)間 都大大超過了 IEC 規(guī)定的 10 萬小時(shí)。而且為了適應(yīng)特殊場合的需要，有的 PLC 生產(chǎn)商還采用了冗余設(shè)計(jì)和差異設(shè)計(jì) (如德國Pilz 公司的 PLC），進(jìn)一步提高了可靠性。 ，應(yīng)用靈活。由于 PLC 產(chǎn)品均成系列化生產(chǎn)，品種齊全，多數(shù)采用模塊式硬件結(jié)構(gòu)，組合和擴(kuò)展方便，用戶可根據(jù)自己的需要靈活選用，以滿足系統(tǒng)大小不同及功能繁簡各異的控制系統(tǒng)要求。 ，易于使用。 PLC 的編程可采用與繼電器電路極為相似的梯形圖語言，直觀易懂，深受現(xiàn)場電氣技術(shù)人員的歡迎。近年來又發(fā)展了面向?qū)ο蟮捻樞蛄鞒虉D語言（ Sequential Function Chart），也稱功能圖，使編程更簡單方便。 、安裝、調(diào)試方便。 PLC 中含有大量的相當(dāng)于中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等的“軟元件”。又用程序（軟接線）代替硬接線，安裝接線工作量少。設(shè)計(jì)人員只要有 PLC 就可以進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 ，維修工作量小。 PLC 有完善的自診斷、履歷情報(bào)存儲及監(jiān)視功能。 PLC對其內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、異常狀態(tài)和 I/O 點(diǎn)的狀態(tài)均有顯示。工作人員通過它可以查出故障原因，便于迅速處理。 。除了基本的邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等功能外，配合特殊功能模塊還可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制、 PID 運(yùn)算、過程控制、數(shù)字控制等功能，為方便工廠管理又可與上位機(jī)通信，通過遠(yuǎn)程模塊還可以控制遠(yuǎn)方設(shè)備。 由于具有以上特點(diǎn)，使得 PLC 的應(yīng)用范圍極為廣泛，可以說只要有工廠，有控制要求，就會有 PLC 的應(yīng)用 [7]。 同樣，可編程控制器控制也有其不足的地方，在性價(jià)比上要高于繼電器控制和單片機(jī)控制 ,其開發(fā)潛力要差于單片機(jī)，通用性不好，不同廠家的可編程控制器以及其附屬單元都是固定專用等等。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 可編 程控制器是掃描工作方式，能同時(shí)對多個(gè)模塊進(jìn)行控制，在整個(gè)程序掃描時(shí)間里加上不同的輸入檢測信號，就可使程序按所檢測信號判斷進(jìn)入不同的分支程序。主程序包含有多個(gè)分支程序，這樣既提高了編程的靈活性又減少了不必要的代碼重復(fù)，同時(shí)也方便以后系統(tǒng)擴(kuò)展對軟件的修改。 系統(tǒng)對堆垛機(jī)的控制有手動和自動兩種工作方式，因此程序中采用子程序設(shè)計(jì)，初始化復(fù)位，手 /自動的選擇主要有主程序完成。主要設(shè)計(jì)有如下子程序：自動子程序、手動子程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動子程序等。 堆垛機(jī)的初始位置位于入庫的口，升降臺位于“下位置”，入庫臺車上有貨物，小車 上無物。按下控制面板上相應(yīng)的鍵，堆垛機(jī)向入庫口伸叉，伸叉到位即取得貨物，然后小車向前運(yùn)動，到達(dá)相應(yīng)的列時(shí)停止，升降臺開始上升，同理到達(dá)相應(yīng)的層時(shí)停止，即到達(dá)貨架的指定位置了，這時(shí)伸叉電機(jī)驅(qū)動貨臺向前伸出可將貨物取出或送入，當(dāng)取到貨物或貨已送入，則鏟叉向后縮回，然后返回準(zhǔn)備下一次作業(yè)。自動過程主要是這樣的。而手動有些差別，手動的前后上下運(yùn)動主要是通過按動控制面板上按鈕來控制小車、升降臺運(yùn)動的方向和到達(dá)位置的。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 第三章 定位控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 定位控制方式分為自動控制操作和手動控制操作。其中自動和手動之 間互鎖。 當(dāng)有存取操作時(shí)， PLC 會接收和分析操作人員在控制面板按鈕或上位機(jī)輸入的指令，做出合理的工控安排：判斷檢測元件的狀態(tài)，讀取倉庫機(jī)械驅(qū)動部分的信息；然后，將信息反饋到執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)其位置移動，完成貨物的存取操作。 該系統(tǒng)中 PLC 主要完成對貨叉位置及運(yùn)行狀態(tài)的檢測和存取的操作。用各種光電開關(guān)、行程開關(guān)檢測位置狀態(tài)，用接觸器、繼電器執(zhí)行對拖動電機(jī)的起?？刂啤ω洸妫C(jī)械手）的操作就是控制橫移電機(jī)（小車電機(jī)）和升降電機(jī)，使它們在不同時(shí)間實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，然后再通過伸縮手臂來抓取貨物。而且升降 、橫移動作和機(jī)械手的伸縮 動作必須是互鎖的，即當(dāng)前進(jìn)或者升降動作時(shí)，機(jī)械手不能進(jìn)行伸縮動作，反之亦然。為了保證安全各控制按鈕之間必須有精確的邏輯互鎖和自鎖。 水平方向的前后運(yùn)動，有小車電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，小車電機(jī)為 220W 的三相交流異步電動機(jī)。堆垛機(jī)的垂直方向，有提升電機(jī)驅(qū)動升降臺做升降運(yùn)動，提升速度小于 5 米 /分，提升功率也是 220W 的三相交流異步電動機(jī)。固定在升降臺上的機(jī)械手可帶動貨物一起做伸縮運(yùn)動，伸縮量為左右各 300mm，用于貨物的存取操作。 同時(shí)，采用鍵盤來輸入作業(yè)地址、作業(yè)指令，鍵盤按鍵又 0 AF 等鍵可以使用，可以輸入作業(yè) 地址（某個(gè)倉庫號）、作業(yè)指令（存、?。?，在輸入作業(yè)地址、作業(yè)指令時(shí)操作面板可以馬上顯示出來，實(shí)現(xiàn)了簡單的人機(jī)對話，保證了輸入的作業(yè)地址和作業(yè)指令的準(zhǔn)確性，提高了堆垛機(jī)運(yùn)行的可靠性。用數(shù)字和指示燈來顯示各種信息，輸入的數(shù)值和指令馬上可以顯示出來，校對容易，對錯一目了然。另外，為了更好地進(jìn)行自動或手動操作，在每個(gè)倉庫上加一個(gè)檢測開關(guān)，這些開關(guān)均接個(gè)顯示燈，用以檢測某個(gè)倉庫是否有物。 PLC 的選型和資源配置 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)中選用西門子的 S7200系列的 PLC 作為控制 系統(tǒng)。 S7200 系列 PLC 概述 S7200 系列 PLC 是德國西門子公司生產(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 /青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 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，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 S722*系列 PLC 來完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)更加簡單，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。 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、存儲器、基本輸入輸出點(diǎn)和電源等，使 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)。 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