【正文】 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如 31 所示： 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 上位機CPU 226EM 221EM 235EM 235輸入?yún)^(qū)手動開關(guān)光電編碼器限位開關(guān) 指示燈 、 繼電器步進(jìn)電機驅(qū)動器MM 440 變頻器MM 440 變頻器二相混合式步進(jìn)電機三相交流異步電動機單相交流異步電動機輸出區(qū)RS 485 圖 31 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 4 碼垛機控制程序設(shè)計 S7200 可編程控制器 [。 表 31 擴展模塊選型表 系列號 類別 描述 選型型號 數(shù)量 EM221 輸入擴展模塊 DI16 6ES72211BH220XA0 1 EM235 輸入 /輸出擴展模塊 AI4/AO1 6ES72350KD220XA0 2 由于 CPU226 的輸入點只有 24 個，不能滿足設(shè)計的輸入點的需要，所以加入一個 EM221 模塊，該模塊有 16 個數(shù)字輸入點，總體上可以滿足系統(tǒng)輸入的要求。 PLC 模塊選型 由于 S7200CPU226 的集成 24 輸入 /16 輸出不能滿足設(shè)計的要求，所以又選用了 EM221 擴展模塊和 EM235 擴展模塊，正好滿足設(shè)計的需要。 ⑥ 數(shù)字量輸入 /輸出點： CPU226 具有 24 輸入 /16 輸出，輸出點為 24V 直流雙向偶看光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流兩種類型，可擴展模塊為 7 個 。 ④ 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)。 ② 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(dá) 20KHZ，用于控制步進(jìn)電機或伺服電機，實現(xiàn)定位任務(wù)。 （ 2） 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 24 輸入 /16 輸出，最大可以擴展為 248 點數(shù)字量或 35 點模擬量。 ③ CPU 224：它在 CPU 222 的基礎(chǔ)上使主機的輸入輸出點數(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(jìn)一步增加，還增加了一些數(shù)學(xué)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)。 ① CPU 221： CPU 221 具有 6 輸入 /4 輸出，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。其速度快，具有極強的通訊能力。輸入部分則輸出控制信號，控制工業(yè)過程中的設(shè)備。 CPU 型號選擇 （ 1）西門子 CPU 的介紹 SIMATIC S7200[2]的 CPU 模塊包括一個中央處理單元 、電源以及數(shù)字 I/O 點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設(shè)備中。 （ 4）相關(guān)設(shè)備：相關(guān)設(shè)備是為了充分和方便的利用 SIMATIC S7200 系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)和使用的一些設(shè)備，主要有編程設(shè)備、人際操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。 （ 2）擴展單元：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，所能連接的擴展單元的數(shù)量和實際所能使用的 I/O 點數(shù)是多種因素共同決定的。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。 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。特別是 S7200CPU22*系列 PLC[28](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)。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。 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。 由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 連接， 即可投入運行。 ④ 編程簡單易學(xué)； PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 ③ 采用模塊化結(jié)構(gòu)； 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 另外為了提高操作性能，它還有多種人 機對話的接口模塊 。 ② 豐富的 I/O 接口模塊； PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強電或弱電等。 （ 6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬 件發(fā)生異常情況， CPU 立即采用有效措施，以防止故障擴大。 （ 4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 3 PLC 及資源配置 PLC 控制的優(yōu)點及 S7200 系列概述 ① 高可靠性； （ 1）所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內(nèi)部電路之間電氣上隔離。 表 24 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(fù)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(jìn) 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(zhǔn)指示燈 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 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 水平電動機停機 16 后退按鈕 17 上升按鈕 18 下降按鈕 表 25 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(rèn)址下對準(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 水平前對準(zhǔn) 13 右探有貨傳感器 6 水平認(rèn)址計數(shù) 14 低速按鈕 7 縱向認(rèn)址上對準(zhǔn) 15 中速按鈕 8 縱向認(rèn)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)，對碼垛機電氣控制的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。 碼垛機控制系統(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 24 所示碼垛機控制系統(tǒng)使用擴展 I/O 模塊 EM221，其 I/O 分配表如表 25。分配 1/0 點時，應(yīng)注意系統(tǒng)公共點的帶載能力，以免燒毀設(shè)備。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(zhǔn)確、 可靠。本系統(tǒng)中使用的變頻器和北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 PLC 都支持 Modbus 協(xié)議。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。 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(biāo)準(zhǔn)。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。 RS485 標(biāo)準(zhǔn)除上述優(yōu)點外，還具有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點。 （ 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。 RS485 允許平衡電纜上連接 32 個發(fā)送器 /接收器。本文采用 RS485 標(biāo)準(zhǔn)。這樣把一系列作業(yè)進(jìn)行完了之后，成為等待下一個作業(yè)信息的待機狀態(tài)。碼垛機根據(jù)作業(yè)信息進(jìn)行作業(yè)。碼垛機的信息傳遞順序是：碼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。 表 23 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(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 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(jìn)電動機驅(qū)動器 1 SH20403 2470VDC 二相混合式步進(jìn)電動機 M 1 42BYG 步距角 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 通信方案的確定 為了控制無人運轉(zhuǎn)碼垛機，必須向碼垛機發(fā)送運轉(zhuǎn)和作業(yè)的信息。在碼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)出信號致碼垛機停止運行。 （ 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)碼垛機到達(dá)目標(biāo)位置時，先檢測貨位是否有貨物，若沒有貨物，則進(jìn)行伸叉作業(yè)，否則發(fā)出信號 使碼垛機動作停止；出庫時，若檢測出相應(yīng)貨位無貨物，則發(fā)出信號致碼垛機動作停止。 V A B C S1 S2 S3 S 圖 24 梯形速度曲線 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。本文采用最常用的梯形速度曲線。存貨開始或取貨結(jié)束時，升降臺貨叉停在高位置，下面兩個光電開關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)；取貨開始或存貨結(jié)束時，貨叉停在低位置，此時上面兩個光電開關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)，如圖 23 所示。為使貨叉能完成北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 作業(yè)，碼垛機在垂直方向上必須要提供使貨叉能停在高位或低位的檢測裝置。 （ 2）縱向認(rèn)址系統(tǒng) 碼垛機縱向方向的層定位采用光電開關(guān)和認(rèn)址片組合定位，即在碼垛機的上下安裝兩個光電開關(guān)，在每層的貨位上安裝認(rèn)址片。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(biāo)準(zhǔn)原點的測定位置，將影響實際要求的測定距離，從而使碼垛機走位偏離所設(shè)定的位置，產(chǎn) 生貨叉取 /存儲錯位或起始點撞擊碼垛機端部緩沖制動器的情況。激光測距傳感器安裝在碼垛機上，目標(biāo)放射板安裝在巷道末端。這種方法的精度很高，但是使用時碼垛機和激光發(fā)射器和反射板之間不允許有物體，否則會遮擋住激光的傳輸路徑，使系統(tǒng)無法準(zhǔn)確定位。碼垛機的從動輪上配有同軸旋轉(zhuǎn)編碼器，從動輪與軌道近似純滾動，因此通過對旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換，可以 得到碼垛機的相對運行位置。 （ 3）編碼器定位法：編碼器定位方式 [13]主要有兩種：從動輪與軌道旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式、鏈輪與鏈條旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式。 （ 2）相對認(rèn)址：相對認(rèn)址：相對認(rèn)址時每個貨位的認(rèn)址片結(jié)構(gòu)相同。因為貨架兩側(cè)分為X X2，只有兩個方向，反應(yīng)到碼垛機上只是貨叉左伸、右伸運動，此方向不用檢測，所以實際上碼垛機位置的檢測只是對 Y、 Z 位置的檢測。為此，貨架上的每個貨位必須具有碼垛機能識別的編碼，所以將貨架兩側(cè)編成 X X2，沿碼垛機運行方向?qū)⒇浖芫帪?0~Y 列，垂直方向編為 0~Z 層。 執(zhí)行機構(gòu) 輸入 編碼器 速度檢測