【導讀】在現(xiàn)代的物流倉儲系統(tǒng)中，自動化立體倉庫應(yīng)用日益廣泛。的發(fā)展趨勢，開展與此有關(guān)的研究具有重要的理論和應(yīng)用價值。代科技的發(fā)展，著重研究自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的控制技術(shù)。闡述了本控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，以及整個系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)和軟件設(shè)計。系統(tǒng)的水平認址采用激光測距傳感器定位，垂直認址采用光電。開關(guān)和認址片組合定位。變頻調(diào)速系統(tǒng)由S7-200PLC及其擴展模塊EM235通過變。頻器MM440控制交流電動機，采用光電編碼器反饋轉(zhuǎn)速信號，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求進行了PLC、變頻器、電機和電機驅(qū)動器的選型，

　　

【正文】 于它接在單相電源上，故稱為單相異步電動機。 圖 是電容分組式單相異步電動機原理圖。 單相異步電動機的突出特點是沒有啟動轉(zhuǎn)矩和固定的轉(zhuǎn)向。為此要設(shè)置啟動裝置，以及電機中產(chǎn)生一個與主磁場在空間和時間上不同相得磁場，從而形遼寧石油化工大學畢業(yè)設(shè)計 25 成一定大小的旋轉(zhuǎn)磁場以產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩。 單相異步電動機因有反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，與相同容量的三相異步電機比較，具有勵磁電流大、功率因數(shù)低、過載能力小、效率也比較低等缺點。但因其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，使數(shù)瓦至三百瓦左右的小功率電機得以廣泛采用。 圖 電容分組式單相異步電動機原理圖 1— 工作繞組； 2— 起動繞組 K— 離心式開關(guān)； C— 電容器 單相交流電動機的變頻調(diào)速與三相交流電動機的變頻調(diào) 速不同，將單相220V 輸入、三相輸出的變頻器的三個輸出端子（ U、 V、 W），接任意兩端。輸出單相變頻調(diào)速電源在輸出端上串上一個足夠電感量的電感，用于隔離電動機電容對變頻器的危害作用（同時對變頻器的高載波率起到一定的濾波作用），并保護電動機電容，此電路只適用于小功率單相電容運轉(zhuǎn)式和罩極式電動機，不適用于帶離心開關(guān)的單相電動機。另外，變頻器的輸出電壓和電動機的輸出電壓相匹配，變頻器要留有足夠的容量（應(yīng)比電動機的使用功率大三倍）。串聯(lián)的電感要有足夠的電感量和通過電流的流量，電感的磁性材料應(yīng)與變頻器的載波率相匹配。 根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標要求，單相異步電動機選用許昌萬通電機制造有限1CK2M遼寧石油化工大學畢業(yè)設(shè)計 26 公司生產(chǎn)的 YY7112 型電機，額定功率 250W，額定電流 ，效率 67，功率因數(shù) ，額定轉(zhuǎn)速 2800，堵轉(zhuǎn)電流 10A，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩 ，最大轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩 。 變頻器和單相電容式運轉(zhuǎn)電動機的接線如 圖 所示。 變頻調(diào)速器R S U V W單相電容式運轉(zhuǎn)電動機運行電容AC 220 圖 變頻器與單相電容式運轉(zhuǎn)電動機的接線圖 堆垛機貨叉控制系統(tǒng)設(shè)計 步進電動機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。步進電機定子的各相繞組按 照一定的順序通電、斷電，從而帶動轉(zhuǎn)子按既定的方向一步一步轉(zhuǎn)動固定的角度，這個角度被稱為“步距角”，通常用 ? 表示。步進電機的轉(zhuǎn)子上均勻的分布著許多小齒，相鄰的兩個小齒的中心線間的角度稱為齒距角?( 360? ? 轉(zhuǎn) 動 齒 數(shù))。對于 m 相 n 拍的步進電機來說，則轉(zhuǎn)子走過了 n個步距角 ? ，所以步距角 ? ?360nn??? ? ?轉(zhuǎn) 子 步 數(shù) （ 21） 本文選用的 S7226 型 PLC 可以通過 和 兩個輸出端輸出脈沖串遼寧石油化工大學畢業(yè)設(shè)計 27 （ PTO）和脈寬調(diào)制（ PWM）。本文選用 PTO 控制方式，所以 PLC 的輸出端 用做高頻脈沖輸出端，電機選用森創(chuàng)兩相混合式電動機 42BYG，步距角為? ? ? ?1 .8 0 .9整 步 半 步,該電機使用配套的 SH20403 兩相混合式步進電動機細分驅(qū)動器。 圖 是步進電動機和驅(qū)動器的接線圖。 二相混合式步進電動機驅(qū)動器的特點是：恒流控制，極低的電源損 耗，極高的開關(guān)頻率，驅(qū)動電流和細分數(shù)可由撥碼開關(guān)設(shè)定，并具有半流鎖定功能，脫機控制功能，所有輸入信號與功率放大部分光電隔離。 PLCMA +A B +B 脈沖信號貨叉方向改變信號24 VDC公共端1 K 1 K42 BYG步進電機SH 20403 驅(qū)動器 圖 步進電機和驅(qū)動器接線圖 安全檢測傳感器的應(yīng)用 （ 1）貨架占有情況檢測 自動化倉庫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。以遼寧石油化工大學畢業(yè)設(shè)計 28 免造成誤動作，損傷機械。入庫操作時，當堆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)出信號使堆垛機動作停止；出庫時，若檢測出相應(yīng) 貨位無貨物，則發(fā)出信號致堆垛機動作停止。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 貨物存放在貨架上，可能由于異常的情況導致貨物突出貨架的情況。這些突出的貨物可能妨礙堆垛機垂直方向的運行，導致貨架或堆垛機的損害。在堆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)出信號致堆垛機停止運行。 元器件的選型 主要的元器件的選擇如下 表 所示。 表 元器件使用表 名稱 代號符號 個數(shù) 規(guī)格符號 備注 PLC PLC 1 S7200 CPU226， AC/DC 繼電器輸出 擴展模塊 1 1 EM221 16 路數(shù)字輸入 擴展模塊 2 2 EM235 4 模擬量輸入、 1 模擬量輸出 接觸器 KM 3 CJ20100 線圈電壓 220V 電阻 R 2 2K 限流保護器 FR 1 JRS4140365d 整定電流 80104A 熔斷器 FU 4 RLS1100 額定電壓 380V 額定電流20100A 指示燈 HL 5 AD1622G LED 顯示， 220V 遼寧石油化工大學畢業(yè)設(shè)計 29 名稱 代號符號 個數(shù) 規(guī)格符號 備注 行程開關(guān) SQ 14 LF0124LB 額定電壓 1030VDC 按鈕開關(guān) SA KD2B21 帶自鎖， 24V 激光測距傳感器 1 ODSL8 型 檢測距離 2545 米 光電傳感器 2 E3GMR19 光電編碼器 2 755A 增量式 三相交流異步電動機 M 1 Y26322 額定電壓 380V，額定功率300W 單相交流異步電動機 M 1 YY7112 額定電壓 380V，額定功率250W 步進電動機驅(qū)動器 1 SH20403 2470VDC 二相混合式步進電動機 M 1 42BYG 步距角 通信方案的確定 為了控制無人運轉(zhuǎn)堆垛機，必須向堆垛機發(fā)送運轉(zhuǎn)和作業(yè)的信息。一個指令執(zhí)行完了之后，必須從堆垛機向地面發(fā)送響應(yīng)信號，即確認信號，之后才能執(zhí)行下一個指令。堆垛機的信息傳遞順序是：堆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。堆垛機控制盤在收到作業(yè)信息之后向地面控制盤發(fā)出響應(yīng)信息。堆垛機根據(jù)作業(yè)信息進行作業(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)。 串行通信中最常用的物理層協(xié)議 為 RS232C 和 RS485。本文采用 RS485標準。主要基于以下兩點考慮： （ 1） RS232C 接口標準只能用于點對點的通信，而 RS485 能實現(xiàn)多點對多點的通信。 RS485 允許平衡電纜上連接 32 個發(fā)送器 /接收器。立體倉庫控制系統(tǒng)要求監(jiān)控系統(tǒng)和 3 臺堆垛機控制系統(tǒng)連接，要求物理層的協(xié)議必須支持一點遼寧石油化工大學畢業(yè)設(shè)計 30 對多點的通信。 （ 2） RS485 采用差動發(fā)送 /接收，所以共模抑制比高，抗干擾能力強。立體倉庫的工作環(huán)境較惡劣，熱、電、磁等干擾信號較多，要求通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力較強，才能保證數(shù)據(jù)的正確接收。 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。 由于 PLC 帶有串行通信接口，只需用 RS485 總線分別連接到計算機即可，可見系統(tǒng)的構(gòu)建十分簡單當需要增加新設(shè)備時，只需要將新設(shè)備也連接到計算機，系統(tǒng)的擴展也較容易。為了利用計算機帶有的 RS232 接口與下層的各個模塊通信，在計算機上需要安裝 232485 轉(zhuǎn)換器。 在自動化立體倉庫控制系統(tǒng)中選用 Modbus 通訊協(xié)議作為其通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。 Modbus 通訊協(xié)議是 Modicon 公司設(shè)計的一種適用于工業(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)標準 。 Modbus 串行鏈路協(xié)議是一個主 從協(xié)議，采用請求 響應(yīng)方式，主站發(fā)出帶有從站地址的請求報文，具有該地址的從站收到后發(fā)出響應(yīng)報文進行應(yīng)答。采用該協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以互連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)集中監(jiān)控。許多工控產(chǎn)品，例如 PLC、變頻器、人機界面、 DCS 和自動化儀表等，都在廣泛地使用 Modbus 協(xié)議。本系統(tǒng)中使用的變頻器和 PLC 都支持 Modbus 協(xié)議。而且 Modbus 協(xié)議編程簡單、容易實現(xiàn)。在筆者所研制的自動化立體倉庫控制系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸準確、可靠。 輸入輸出點分配 為方 便系統(tǒng)施工時的硬件連接，方便上位機查詢、修改系統(tǒng)的輸入 /輸出點狀態(tài)，在 系統(tǒng)程序編寫前，需對系統(tǒng)的輸入輸出點進行合理的規(guī)劃分配。分配 1/0點時，應(yīng)注意系 遼寧石油化工大學畢業(yè)設(shè)計 31 統(tǒng)公共點的帶載能力，以免燒毀設(shè)備。在進行 1/0 分配時，將相同設(shè)備、相似功能的輸入輸出點集中在一起，即便于線路連接、記憶，又便于上位機查詢系統(tǒng)的工作狀態(tài)及設(shè)備的位置。 堆垛機控制系統(tǒng)采用的 PLC 是 S7200 CPU226，總共使用了所有的 24 個輸入點和 11 個輸出點，具體 I/O 點分配如 表 所示堆垛機控制系統(tǒng)使用擴展 I/O模塊 EM221，其 I/O 分配表如表 。擴展模塊 EM235 是模擬量 4 輸入 /1 輸出模塊，在本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)中，只用到兩個擴展模塊 EM235 的輸出通道 MO、VO，接變頻器 MM440 的端口 3和 4。 表 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 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 遼寧石油化工大學畢業(yè)設(shè)計 32 表 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(shè)計立體倉庫的有關(guān)參數(shù)，對堆垛機電氣控制的硬件系統(tǒng)進行了設(shè)計。包括堆垛機作業(yè)流程圖、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，堆垛機的控制方式、通訊 方案及認址方式的選擇，并 設(shè)置了相應(yīng)的安全保護措施，對堆垛機 PLC 控制系統(tǒng)輸入瑜出點的分配進行了詳細論述。 遼寧石油化工大學畢業(yè)設(shè)計 33 第 4 章 堆垛機控制程序設(shè)計 S7200 可編程控制器主要使用 STEP7Micro/WIN32 編程軟件進行編程和其它一些相關(guān)處理。 STEP7Micro/WIN 32 編程軟件是基于 Windows 的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為 SIMATIC S7200 系列可編程控制器設(shè)計開發(fā)，功能強大，主要由用戶用來開發(fā)控制程序，同時也可以實時監(jiān)控用戶程序執(zhí)行狀態(tài)。 它提供三種編輯器來創(chuàng)建你的程序：梯形圖 、語句表和功能塊圖。用任何一種程序編寫程序，都可以用另外一種程序編輯器來瀏覽和編輯，但要遵守一些輸入規(guī)則。語句表編輯器按照文本語言的形式顯示程序，此編輯器允許你輸入指令助記條款來創(chuàng)建你的控制程序。 （ 1）梯形邏輯 (LAD) 梯形邏輯 (LAD)是 STEP7 編程語言的圖形表達方式。它的指令語法與一個繼電器梯形邏輯圖相似，當電信號通過各個觸點、復合元件以及輸出線圈時，梯形圖可以讓你追蹤電信號在電源示意線之間的流動。 （ 2）語句表 (STL) 語句表 (STL)是 STEP7 編程語言的文本表達方式。與機器碼相似，如果一個程序是 用語句表編寫的， CPU 執(zhí)行程序時則按每一條指令一步一步地執(zhí)行。 （ 3）功能塊圖 (FBD) 功能塊圖 (FBD)是 STEP7 編程語言的圖形表達方式，使用與布爾代數(shù)相類似的邏輯框來表達邏輯。復合功能 (如數(shù)學功能 )可用邏輯框相連直接表達。 本文設(shè)計的堆垛機控制系統(tǒng)采用手動和自動兩種操作方式，其中自動又有自動入庫和自動出庫兩種工作狀態(tài)。 （ 1）自動：由操作員在