【導(dǎo)讀】在現(xiàn)代的物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)應(yīng)用日益廣泛。的發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)展與此有關(guān)的研究具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。代科技的發(fā)展，著重研究自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的控制技術(shù)。闡述了本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，以及整個(gè)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的水平認(rèn)址采用激光測(cè)距傳感器定位，垂直認(rèn)址采用光電。開(kāi)關(guān)和認(rèn)址片組合定位。變頻調(diào)速系統(tǒng)由S7-200PLC及其擴(kuò)展模塊EM235通過(guò)變。頻器MM440控制交流電動(dòng)機(jī)，采用光電編碼器反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行了PLC、變頻器、電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選型，

　　

【正文】 于它接在單相電源上，故稱為單相異步電動(dòng)機(jī)。 圖 是電容分組式單相異步電動(dòng)機(jī)原理圖。 單相異步電動(dòng)機(jī)的突出特點(diǎn)是沒(méi)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和固定的轉(zhuǎn)向。為此要設(shè)置啟動(dòng)裝置，以及電機(jī)中產(chǎn)生一個(gè)與主磁場(chǎng)在空間和時(shí)間上不同相得磁場(chǎng)，從而形遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 成一定大小的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 單相異步電動(dòng)機(jī)因有反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，與相同容量的三相異步電機(jī)比較，具有勵(lì)磁電流大、功率因數(shù)低、過(guò)載能力小、效率也比較低等缺點(diǎn)。但因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，使數(shù)瓦至三百瓦左右的小功率電機(jī)得以廣泛采用。 圖 電容分組式單相異步電動(dòng)機(jī)原理圖 1— 工作繞組； 2— 起動(dòng)繞組 K— 離心式開(kāi)關(guān)； C— 電容器 單相交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速與三相交流電動(dòng)機(jī)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(gè)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(gè)足夠電感量的電感，用于隔離電動(dòng)機(jī)電容對(duì)變頻器的危害作用（同時(shí)對(duì)變頻器的高載波率起到一定的濾波作用），并保護(hù)電動(dòng)機(jī)電容，此電路只適用于小功率單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)式和罩極式電動(dòng)機(jī)，不適用于帶離心開(kāi)關(guān)的單相電動(dòng)機(jī)。另外，變頻器的輸出電壓和電動(dòng)機(jī)的輸出電壓相匹配，變頻器要留有足夠的容量（應(yīng)比電動(dòng)機(jī)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(guò)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(biāo)要求，單相異步電動(dòng)機(jī)選用許昌萬(wàn)通電機(jī)制造有限1CK2M遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 公司生產(chǎn)的 YY7112 型電機(jī)，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(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的接線如 圖 所示。 變頻調(diào)速器R S U V W單相電容式運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電容AC 220 圖 變頻器與單相電容式運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的接線圖 堆垛機(jī)貨叉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)定子的各相繞組按 照一定的順序通電、斷電，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子按既定的方向一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)固定的角度，這個(gè)角度被稱為“步距角”，通常用 ? 表示。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上均勻的分布著許多小齒，相鄰的兩個(gè)小齒的中心線間的角度稱為齒距角?( 360? ? 轉(zhuǎn) 動(dòng) 齒 數(shù))。對(duì)于 m 相 n 拍的步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，則轉(zhuǎn)子走過(guò)了 n個(gè)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(guò) 和 兩個(gè)輸出端輸出脈沖串遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jī)選用森創(chuàng)兩相混合式電動(dòng)機(jī) 42BYG，步距角為? ? ? ?1 .8 0 .9整 步 半 步,該電機(jī)使用配套的 SH20403 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。 圖 是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的接線圖。 二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是：恒流控制，極低的電源損 耗，極高的開(kāi)關(guān)頻率，驅(qū)動(dòng)電流和細(xì)分?jǐn)?shù)可由撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定，并具有半流鎖定功能，脫機(jī)控制功能，所有輸入信號(hào)與功率放大部分光電隔離。 PLCMA +A B +B 脈沖信號(hào)貨叉方向改變信號(hào)24 VDC公共端1 K 1 K42 BYG步進(jìn)電機(jī)SH 20403 驅(qū)動(dòng)器 圖 步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器接線圖 安全檢測(cè)傳感器的應(yīng)用 （ 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。以遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 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。 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(hào)符號(hào) 個(gè)數(shù) 規(guī)格符號(hào) 備注 PLC PLC 1 S7200 CPU226， AC/DC 繼電器輸出 擴(kuò)展模塊 1 1 EM221 16 路數(shù)字輸入 擴(kuò)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(hù)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 名稱 代號(hào)符號(hào) 個(gè)數(shù) 規(guī)格符號(hào) 備注 行程開(kāi)關(guān) SQ 14 LF0124LB 額定電壓 1030VDC 按鈕開(kāi)關(guān) SA KD2B21 帶自鎖， 24V 激光測(cè)距傳感器 1 ODSL8 型 檢測(cè)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(dòng)機(jī) M 1 Y26322 額定電壓 380V，額定功率300W 單相交流異步電動(dòng)機(jī) M 1 YY7112 額定電壓 380V，額定功率250W 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 1 SH20403 2470VDC 二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) M 1 42BYG 步距角 通信方案的確定 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(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： （ 1） 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 3 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)遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 對(duì)多點(diǎn)的通信。 （ 2） 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。為了利用計(jì)算機(jī)帶有的 RS232 接口與下層的各個(gè)模塊通信，在計(jì)算機(jī)上需要安裝 232485 轉(zhuǎn)換器。 在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)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(jì)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(biāo)準(zhǔn) 。 Modbus 串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主 從協(xié)議，采用請(qǐng)求 響應(yīng)方式，主站發(fā)出帶有從站地址的請(qǐng)求報(bào)文，具有該地址的從站收到后發(fā)出響應(yīng)報(bào)文進(jìn)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(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。許多工控產(chǎn)品，例如 PLC、變頻器、人機(jī)界面、 DCS 和自動(dòng)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(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。在筆者所研制的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、可靠。 輸入輸出點(diǎn)分配 為方 便系統(tǒng)施工時(shí)的硬件連接，方便上位機(jī)查詢、修改系統(tǒng)的輸入 /輸出點(diǎn)狀態(tài)，在 系統(tǒng)程序編寫前，需對(duì)系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行合理的規(guī)劃分配。分配 1/0點(diǎn)時(shí)，應(yīng)注意系 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 統(tǒng)公共點(diǎn)的帶載能力，以免燒毀設(shè)備。在進(jìn)行 1/0 分配時(shí)，將相同設(shè)備、相似功能的輸入輸出點(diǎn)集中在一起，即便于線路連接、記憶，又便于上位機(jī)查詢系統(tǒng)的工作狀態(tài)及設(shè)備的位置。 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)采用的 PLC 是 S7200 CPU226，總共使用了所有的 24 個(gè)輸入點(diǎn)和 11 個(gè)輸出點(diǎn)，具體 I/O 點(diǎn)分配如 表 所示堆垛機(jī)控制系統(tǒng)使用擴(kuò)展 I/O模塊 EM221，其 I/O 分配表如表 。擴(kuò)展模塊 EM235 是模擬量 4 輸入 /1 輸出模塊，在本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，只用到兩個(gè)擴(kuò)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(diǎn)分配 序號(hào) 控制元件 編程地址 序號(hào) 控制元件 編程地址 1 啟動(dòng) 19 貨叉右伸按鈕 2 停止 20 貨叉左伸按鈕 3 復(fù)位 21 貨叉原位按鈕 4 存貨 22 貨叉電機(jī)脈沖輸出 5 取貨 23 堆垛機(jī)上升 6 自動(dòng) 24 堆垛機(jī)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(jī)前進(jìn) 9 手動(dòng) 27 堆垛機(jī)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(zhǔn)指示燈 13 垂直編碼器反饋 A 31 垂直停準(zhǔn)指示燈 14 垂直編碼器反饋 B 32 警示燈 15 前進(jìn)按鈕 33 水平電動(dòng)機(jī)停機(jī) 16 后退按鈕 17 上升按鈕 18 下降按鈕 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 表 EM 221 模塊 I/O 點(diǎn)分配 序號(hào) 控制元件 編程地址 序號(hào) 控制元件 編程地址 1 水平左限位 9 縱向認(rèn)址下對(duì)準(zhǔn) 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(duì)準(zhǔn) 13 右探有貨傳感器 6 水平認(rèn)址計(jì)數(shù) 14 低速按鈕 7 縱向認(rèn)址上對(duì)準(zhǔn) 15 中速按鈕 8 縱向認(rèn)址計(jì)數(shù) 16 高速按鈕 本章小節(jié) 本章依據(jù)設(shè)計(jì)立體倉(cāng)庫(kù)的有關(guān)參數(shù)，對(duì)堆垛機(jī)電氣控制的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。包括堆垛機(jī)作業(yè)流程圖、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，堆垛機(jī)的控制方式、通訊 方案及認(rèn)址方式的選擇，并 設(shè)置了相應(yīng)的安全保護(hù)措施，對(duì)堆垛機(jī) PLC 控制系統(tǒng)輸入瑜出點(diǎn)的分配進(jìn)行了詳細(xì)論述。 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 第 4 章 堆垛機(jī)控制程序設(shè)計(jì) S7200 可編程控制器主要使用 STEP7Micro/WIN32 編程軟件進(jìn)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(jì)開(kāi)發(fā)，功能強(qiáng)大，主要由用戶用來(lái)開(kāi)發(fā)控制程序，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序執(zhí)行狀態(tài)。 它提供三種編輯器來(lái)創(chuàng)建你的程序：梯形圖 、語(yǔ)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(lái)瀏覽和編輯，但要遵守一些輸入規(guī)則。語(yǔ)句表編輯器按照文本語(yǔ)言的形式顯示程序，此編輯器允許你輸入指令助記條款來(lái)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(yǔ)言的圖形表達(dá)方式。它的指令語(yǔ)法與一個(gè)繼電器梯形邏輯圖相似，當(dāng)電信號(hào)通過(guò)各個(gè)觸點(diǎn)、復(fù)合元件以及輸出線圈時(shí)，梯形圖可以讓你追蹤電信號(hào)在電源示意線之間的流動(dòng)。 （ 2）語(yǔ)句表 (STL) 語(yǔ)句表 (STL)是 STEP7 編程語(yǔ)言的文本表達(dá)方式。與機(jī)器碼相似，如果一個(gè)程序是 用語(yǔ)句表編寫的， CPU 執(zhí)行程序時(shí)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(yǔ)言的圖形表達(dá)方式，使用與布爾代數(shù)相類似的邏輯框來(lái)表達(dá)邏輯。復(fù)合功能 (如數(shù)學(xué)功能 )可用邏輯框相連直接表達(dá)。 本文設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)控制系統(tǒng)采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式，其中自動(dòng)又有自動(dòng)入庫(kù)和自動(dòng)出庫(kù)兩種工作狀態(tài)。 （ 1）自動(dòng)：由操作員在