【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。 作為一個定位控制系統(tǒng)，必須實現(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)實際的情況進行自動的校正。 而本文設(shè)計的智能立體倉庫遠(yuǎn)沒有那么復(fù)雜，主要有貨架、堆垛機、自動控制裝置等部分組成，有自動和手動兩種操作方式。堆垛機是可以三維運動的門框式巷道堆垛機，它由固定在小車上的門式框架、沿門 式框架上的垂直導(dǎo)軌作上下運動的升降臺和在升降青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 8 臺上作伸縮運動的貨叉（機械手）等三部分組成。貨物放在升降臺的貨叉上能實現(xiàn)上下、左右及前后的運動。 根據(jù)設(shè)計要求將整個定位控制的全過程分成多個階段：小車前進到指定的貨架列的過程，將貨物抬升到指定的行的過程，機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。在各個階段，對象的特性相對穩(wěn)定，并且在前進和抬升貨物的過程中控制方面是基本一致的。 下面對各個階段進行簡單的介紹。 ：在這個過程中，無論是自動或是手動狀態(tài)，小車都是有起始點出發(fā)，經(jīng)過位置的校對 ，到達預(yù)先制定的貨架的列。 ：在這個過程中，貨物被抬升到指定的行。 ：在這個過程中，通過控制機械手臂的運動，是機械手到達預(yù)先指定的位置，然后根據(jù)實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)計方案 控制核心單元的選擇 控制核心單元是整個控制系統(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，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。它具有價格低廉、維護技術(shù)要求不高的優(yōu)點，但功能不易擴展、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。 單片機就是在一塊硅片上集成了中央處理器，隨機存儲器，程序存儲器，定時器和各種 I/O 接口的計算機。單片機具有體積小、價格 低、性能強、速度快、用途廣、靈活性強等優(yōu)點。最值得一提的是單片機具有強大的存儲擴展能力，有能力滿足不同的存儲需要。理論上也可用于堆剁機控制系統(tǒng)，但由于其開發(fā)周期較長、調(diào)試耗時較多、抗干擾能力較弱等原因，在立體倉庫的實際控制系統(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)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 9 定時、計數(shù)、算術(shù)運算等功能，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，其技術(shù)成熟，性價比高在工業(yè)控制領(lǐng)域以基本取代了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)邏輯控制和順序控制 [6]。 對以上三種主控制單元進行比較和分析， PLC 操作、維護簡單，程序直觀，設(shè)計周期短，電路簡單的特點很適合堆剁機控制系統(tǒng)。它對環(huán)境要求不高，抗干擾性強，對操作人員以及維護人員的要求也不高，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 堆垛機 位置控制系統(tǒng)主要由 PLC 組成。 可編程序控制器（ PLC）是一種以微機處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計算機。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)，不必使用各種計算機使用的語言，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有： ，抗干擾能力強。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，其平均無故障時間 都大大超過了 IEC 規(guī)定的 10 萬小時。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)計和差異設(shè)計 (如德國Pilz 公司的 PLC），進一步提高了可靠性。 ，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、時間繼電器、計數(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)計人員只要有 PLC 就可以進行控制系統(tǒng)的設(shè)計并可在實驗室進行模擬調(diào)試。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 10 ，維修工作量小。 PLC 有完善的自診斷、履歷情報存儲及監(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、計數(shù)、算術(shù)運算等功能外，配合特殊功能模塊還可以實現(xiàn)點位控制、 PID 運算、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，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，在性價比上要高于繼電器控制和單片機控制 ,其開發(fā)潛力要差于單片機，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)計方案 可編 程控制器是掃描工作方式，能同時對多個模塊進行控制，在整個程序掃描時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入不同的分支程序。主程序包含有多個分支程序，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)，同時也方便以后系統(tǒng)擴展對軟件的修改。 系統(tǒng)對堆垛機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，初始化復(fù)位，手 /自動的選擇主要有主程序完成。主要設(shè)計有如下子程序：自動子程序、手動子程序、步進電機驅(qū)動子程序等。 堆垛機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，堆垛機向入庫口伸叉，伸叉到位即取得貨物，然后小車向前運動，到達相應(yīng)的列時停止，升降臺開始上升，同理到達相應(yīng)的層時停止，即到達貨架的指定位置了，這時伸叉電機驅(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，手動的前后上下運動主要是通過按動控制面板上按鈕來控制小車、升降臺運動的方向和到達位置的。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 11 第三章 定位控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 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， PLC 會接收和分析操作人員在控制面板按鈕或上位機輸入的指令，做出合理的工控安排：判斷檢測元件的狀態(tài)，讀取倉庫機械驅(qū)動部分的信息；然后，將信息反饋到執(zhí)行元件，實現(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)行對拖動電機的起?？刂啤ω洸妫C械手）的操作就是控制橫移電機（小車電機）和升降電機，使它們在不同時間實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，然后再通過伸縮手臂來抓取貨物。而且升降 、橫移動作和機械手的伸縮 動作必須是互鎖的，即當(dāng)前進或者升降動作時，機械手不能進行伸縮動作，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。 水平方向的前后運動，有小車電機進行驅(qū)動，小車電機為 220W 的三相交流異步電動機。堆垛機的垂直方向，有提升電機驅(qū)動升降臺做升降運動，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。固定在升降臺上的機械手可帶動貨物一起做伸縮運動，伸縮量為左右各 300mm，用于貨物的存取操作。 同時，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（某個倉庫號）、作業(yè)指令（存、?。?，在輸入作業(yè)地址、作業(yè)指令時操作面板可以馬上顯示出來，實現(xiàn)了簡單的人機對話，保證了輸入的作業(yè)地址和作業(yè)指令的準(zhǔn)確性，提高了堆垛機運行的可靠性。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，為了更好地進行自動或手動操作，在每個倉庫上加一個檢測開關(guān)，這些開關(guān)均接個顯示燈，用以檢測某個倉庫是否有物。 PLC 的選型和資源配置 根據(jù)實際的控制點數(shù)和系統(tǒng)需要實現(xiàn)的控制要求，在本設(shè)計中選用西門子的 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，而價格卻和小型 PLC 的價格一樣?？梢詥螜C運行，也可以輸入 /青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 12 輸出擴展。它結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運行速度快，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，具有強大的多種集成功能和實時特性，配有功能豐富的擴展模塊，性能價格比非常高。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界面可供選擇，可以很容易的組成 PLC 網(wǎng)絡(luò)。同時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)計時更加簡單，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，即主機中包含一定數(shù)量的 I/O輸入輸出，同時還可以擴展各種功能模塊。 基本單元有時又稱作 CPU 模塊，也有的稱之為主機或本機。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。它實際上就是一個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨的完 成一定的控制任務(wù)。 主機 I/O 數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時，用戶可以根據(jù)需要擴展各種 I/O 模塊，所