【正文】 最后感謝 機電學(xué)院 和我的母校 — 陜西科技大學(xué) 四年來對我的大力栽培 。 然后還要感謝大學(xué)四年來所有的老師，為我們打下 物流工程 專業(yè)知識的基礎(chǔ)；同時還要感謝所有的同學(xué)們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。 其次要感謝 威仁倉儲的劉勇總監(jiān)，畢業(yè)實習(xí)階段多次威仁倉儲實地考察，收集資料，劉總每次都熱情款待。我的設(shè)計較為復(fù)雜煩瑣，但是 楊 老師仍然細心地糾正 說明書 中的錯誤。 在這里 首先要感謝我的導(dǎo)師 楊瑋 老師。盡管如此，本系統(tǒng)仍然存在許多需要改進的地方，如本系統(tǒng)為提高自動化立體系統(tǒng)的工作效率，可以改進堆垛機自動完成貨位的選擇問題，可以進一步設(shè)計上位機的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，增強系統(tǒng)的功能和畫面的友好性。 （ c）利用編程軟件 STEP7 Micro/Win32 進行 PLC 程序設(shè)計，采用子程序的設(shè)計方法，程序結(jié)構(gòu)清晰且便于調(diào)試。本文主要完成了以下內(nèi)容 ： （ a）根據(jù)系統(tǒng)的控制需求，確認系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。 圖 410 編譯工具 圖 411 編譯結(jié)果 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 26 5 總結(jié) 我國對于自動 化立體倉庫的需求越來越大，對其功能和性能的要求越來越高。 子程序 STL 語句如下見附錄 IV。 考慮載貨臺在轉(zhuǎn)接貨物時為了防止與貨物發(fā)生碰撞，取貨時 Y 軸實際行走的距離應(yīng)該比實際坐標偏差小，放貨時 Y 軸實際行走的距離應(yīng)該比實際坐標偏差大。入庫和出庫過程是同一個過程的不同表現(xiàn)形式。 出庫操作動作順序包括： X 軸電動機右行 Y 軸電動機上升 Z 軸電動機前伸 Y 軸電動機上升 Z 軸電動機回縮 X 軸電動機左行 Y 軸電動機下降 軸電動機前伸 Y 軸電動機下降 Z 軸電動機回縮 復(fù)位。入庫操作是指將載貨臺上的貨物送入到指定的倉位中去，出庫操作是指將指定倉位中的貨物送入到載貨臺上。子程序 STL 語句見附錄 III。 圖 48 入庫倉位 x軸坐標及 x軸方向庫位間距 （ 4）位置控制子程序 在倉庫的控制系統(tǒng)中，由于起重機運行于各個倉位之間，而每個倉位的坐標是一個定位，故要求其位置控制最好在一個絕對系統(tǒng)下工作，這樣，通過輸入不同的倉位坐標陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 24 值，系統(tǒng)能自動完成起重機的上下以及左右行進工作。在程序中， X軸坐標值分別存放在數(shù)據(jù)寄存區(qū) VD61 VD6 VD62 VD628 中， Y 軸的坐標值分別存放在數(shù)據(jù)寄存區(qū) VD600、 VD60 VD60 VD612 中。 圖 47 加減速時間設(shè)置 （ 3）坐標定位子程序 0 號倉位即入庫倉位的坐標是 (300， 200)mm，倉庫的上下層及左右層之間的間隔是1000mm，各倉位坐標是基本參數(shù) ，其中 x 軸方向上的入庫坐標（原點坐標）及庫位間距分別為 300、 1000，設(shè)置如 圖 48。設(shè)定的電機速度為 4150m/min，經(jīng)計算約等于每秒 641067 個脈沖 ，見圖 46。在程序中， X 軸坐標值分別存放在數(shù)據(jù)寄存區(qū) VD61 VD6 VD62 VD628 中， Y 軸的坐標值分別存放在數(shù)據(jù)寄存區(qū) VD600、VD60 VD60 VD612 中。子程序的入口參數(shù)為指定的倉位號。當(dāng)系統(tǒng)運行過程中達到某個軸的限位時，立即停止當(dāng)前軸的動作。在程序設(shè)計中常利用傳感器實現(xiàn)系統(tǒng)的定位以及限位保護。 圖 45 傳送指令 （ 2）傳感器檢測子程序 傳感器一般是用于定位及限位作用的。類似的指令還有 MOV_B 等。子程序是用于判斷哪個按鍵被按下。其中數(shù)碼顯示采用 BCD 編碼方式。見圖 44。界面截圖見圖 43。將各元器件與 PLC 的 I/O 點連接，以實現(xiàn) PLC對各功能的控制， I/O分配表見表 42。將按鈕、各軸的安全限位、檢測結(jié)果、輸入值設(shè)定為輸入值，統(tǒng)計得共 16個輸入點。 自動控制的主要內(nèi)容為貨物的存、取及安全保護，具體控制分析見表 41： 表 41 控制動作分析表 主要內(nèi)容 控制分解 行走 水平行走 垂直升降 左右伸縮 定位 水平方向定位 垂直方向定位 伸縮方向控制 安全保護 各軌道的兩端限定堆垛機運行極限（ 6個限位開關(guān)） 貨架占有及貨叉位置監(jiān)測裝置（光電傳感器） 系統(tǒng)工作流程 根據(jù)控制系統(tǒng)運動要求，分解整理后得到堆垛機工作流程圖，入庫流程見圖 41，出庫流程見圖 42。 堆垛機控制系統(tǒng)主要工作方式 為自動和手動，其中自動控制只需人工輸入要存、取貨物的貨格位置，堆垛機將自動完成存、取貨物的動作。自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的設(shè)計 17 因此四個巷道各有由一個下位機控制，整個立體庫由一個上位機進行管理監(jiān)控。 （ c）執(zhí)行出庫指令：選擇欲出庫的倉位號，按動倉位號對應(yīng)按鈕，控制面板上的數(shù)碼管顯示倉位號；按動 按鈕，當(dāng)載貨臺上有貨物時，起重機不執(zhí)行任何操作；若被選擇倉位內(nèi)無貨物時，則該出庫操作不被執(zhí)行；當(dāng)按下按鈕，載貨臺上無貨物，且該倉位內(nèi)有貨物時，起重機自動將貨物從指定的倉位轉(zhuǎn)移到載貨臺上。 系統(tǒng)控制要求 （ a）當(dāng)選擇開關(guān)置于自動位置時，系統(tǒng)復(fù)位到初始位置，各個軸回到原點。在大中型的 PLC 系統(tǒng)中，常采用結(jié)構(gòu)化文本來描述控制系統(tǒng)中各個變 量的關(guān)系。 （ e） 結(jié)構(gòu)化 文本 語言是用結(jié)構(gòu)化的描述文本來描述程序的一種編程語言。這種編程語言使程序結(jié)構(gòu)清晰，易于閱讀及維護，大大減輕編程的工作量，縮短編程和調(diào)試時間。每一步代表一個控制功能任務(wù)，用方框表示。 （ d） 順序功能流程圖語言是為了滿足順序邏輯控制而設(shè)計的編程語言。采用功能模塊圖的形式來表示模 塊所具有的功能，不同的功能模塊有不同的功能。其特點與梯形圖語言基本一致。圖 3 就是與圖 2PLC 梯形圖對應(yīng)的指令表。在無計算機的情況下，適合采用 PLC 手持編程器對用戶程序陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 16 進行編制。 梯形圖編程語言與原有的繼電器控制的不同點是，梯形圖中的能流不是實際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實際存在的繼電器，應(yīng)用時，需要與原有繼電器控制的概念區(qū)別對待。由于電氣設(shè)計人員對繼電器控制較為熟悉，因此，梯形圖編程語言得到了廣泛的歡迎和應(yīng)用。 （ a） 梯形圖語言是 PLC 程序設(shè)計中最常用的編程語言。根據(jù)國際電工委員會制定的工業(yè)控制編程語言標準（ IEC11313）， PLC 有五種標準編程語言：梯形圖語言（ LD）、指令表語言（ IL）、功能模塊語言（ FBD）、順序功能流程圖語言（ SFC）、結(jié)構(gòu)文化本語言（ ST）。 （ 2）編程語言 PLC 的用戶程序，是設(shè)計人員根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝控制要求，通過 PLC 編程語言的編制規(guī)范，按照實際需要使用的功能來設(shè)計的。 離線方式：有編程軟件的計算機與 PLC 連接，此時能完成大部分基本功能。軟件功能的實現(xiàn)可以在聯(lián)機工作方式（在線方式）下進行，部分功能的實現(xiàn)也可以在離線工作方式下進行。 程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯誤。同時還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文 檔管理和加密等。 Step7 Micro版本適用于 西門子 S7200 的編程軟件。 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(dāng)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。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。立體倉庫控制系統(tǒng)要求監(jiān)控系統(tǒng)和 4 臺堆垛機控制系統(tǒng)連接，要求物理層的協(xié)議必須支持一點對多點的通信。主要基于以下兩點考慮： （ a） 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。 串行通信中最常用的物理層協(xié)議為 RS232C 和 RS485。作業(yè)完了之后，向地面發(fā)出“作業(yè)結(jié)束”信息。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。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。水平、垂直以及伸縮方向兩端各一個限位開關(guān)。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。 （ 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(dǎo)致貨物突出貨架的情況。入庫操作時，當(dāng)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。 安全系統(tǒng) （ 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。 （ d）模擬電位器： CPU226 有兩個模擬電位器，用來改變特殊寄存器中的數(shù)值，以改變程序運行的參數(shù)，如定時器、計數(shù)器的預(yù)設(shè)值，過程量的控制參數(shù)。 （ 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 20KHZ，用于控制步進電機或伺服電機，實現(xiàn)定位任務(wù)。 自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的設(shè)計 13 CPU 型號的選擇 根據(jù)控制點數(shù)來計算，可以選用 CPU226 這個型號的 CPU， CPU226 有 24IN/16OUT，最大可以擴展為 248 點數(shù)字量或 35 點模擬量。 （ c） CPU 224 在 CPU 222 的基礎(chǔ)上使主機的 I/O 點數(shù)增為 24 點，最大可擴展為 168點數(shù)字量或者 35 點模擬量的輸入和輸出；存儲量也進一步增加，還增加了一些數(shù)字指令和高數(shù)計數(shù)器的數(shù)量，具有較強的控制能力。非常適合小點數(shù)的控制系統(tǒng)。 （ a） CPU 221 具有 6IN/4OUT，共計 10 個點的 I/O，無擴展能力，有 6KB 程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 CPU負責(zé)執(zhí)行程序，以便對工業(yè)自動化控制任務(wù)或過程進行控制。 STEP 7Micro/WIN32 編程 軟件 可以對所有的 CPU 221/222/224/224XP/226 功能進行編程。選用電池模塊能延長存貯時間到 200 天（ 10 年壽命）。用于長時間數(shù)據(jù)后備。 CPU 221具有 6 個輸入點和 4 個輸出點， CPU 222 具有 8 個輸入點和 6 個輸出點， CPU 224 具有14 個輸入點和 10 個輸出點， CPU 224XP 具有 14 個輸入點和 10 個輸出點， CPU 226 具有 24 個輸入點和 16 個輸出點。可用作負載電源。因此 S7200 系列具有極高的性能 /價格比。 S7200 是一種小型的 可編程序控制器 ，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。 圖 33 激光測距傳感器 PLC 選擇及配置 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陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 12 系列的 PLC 作為控制中心。激光測距的原理是通過發(fā)射出的激光光線長度來測定距離，其光線就好比一把光尺，如果物體遮擋激光光線，讓它脫離原標準原點的測定位置，將影響實際要求的測定距離，從而使道堆垛機走位偏離所設(shè)定的位置，產(chǎn)生貨叉取、存儲錯位或起始點撞擊巷道堆垛機端部緩沖制動器的情況。 激光測距傳感器安裝在堆垛機上，目標放射板安裝在巷道末端。 以上是四種常見的認址檢測方式，四種方式各有優(yōu)劣，表 35 是他們之間的比較對照： 自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的設(shè)計 11 表 35 認址方式對比 認址器 光電開關(guān) 旋轉(zhuǎn)編碼器 激光測距傳感器 認址方式 相對認址 絕對認址 絕對認址 絕對認址 可靠性 較低 高 較高 最高 認址精度 格 格 mm mm 系統(tǒng)成本 低 高 高 較高 數(shù)據(jù)接口 無 無 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 長 認址方式確認： 激光測距傳感器的精度最高，雖然成本較高，但使用壽命長 ，因此水平、垂直方向均采用激光測距傳感器，如圖 33。 （ 4） 激光測距定位 近年來應(yīng)用于堆垛機準確定位的新技術(shù)，用激光測距儀通過測量堆垛機到基準點的距離和事先存儲的位置數(shù)據(jù)比較來確定堆垛機的當(dāng)前位置。從動輪與軌道旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式。每經(jīng)過一個貨位，就對地址編碼進行加 1 或減 1，一直移動到和預(yù)定位置號一致時 停止運行。 主要的認址檢測方式有以下幾種： （ 1） 絕對認址 將每一個貨位賦予唯一的開關(guān)狀態(tài)，給每個貨位制作一個專用的認址片，堆垛機上相應(yīng)安裝一個識別器，通常是二進制編碼板和一組光電開關(guān)的組合，通過讀取認址片的代碼來判斷堆垛機的當(dāng)前位置。這樣每個貨位就有了獨立的三維坐標地址，堆垛機自動檢測目前的坐標地址，使其能到 達目標位置。自動倉庫的認址檢測系統(tǒng)有兩項任務(wù)：一是實現(xiàn)自動尋址，使堆垛機自動找到被指定到達的位置；二是自動準確停準，即堆垛機停準位置不超出規(guī)定的精度。 圖 32 PLC 變頻調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 認址器的選擇 要完成對堆垛機自動控制系統(tǒng)的設(shè)計，首先要保證堆垛機能夠 準確到達目標位置，PID 算法 變頻器