【正文】 功能塊圖（FBD)和語句表（STL)編程語言編程。 PLC的編程語言S7200 PLC有兩種指令集：IEC11313指令集合SIMATIC指令集。PLC的下端(輸入端)為繼電器、晶體管和晶閘管等控制部件，而上端一般是面向用戶的微型計算機(jī)。PLC之所以有生命力，在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場和市場的要求：高可靠性、強(qiáng)抗各種干擾的能力、編程安裝使用簡便、低價格長壽命。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、強(qiáng)功能等方面有了質(zhì)的飛躍，使早期的PLC從最初的邏輯控制、順序控制，發(fā)展成為具有邏輯判斷、定時、計數(shù)、記憶和算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信及PID回路調(diào)節(jié)等功能的現(xiàn)代PLC。上世紀(jì)60年代末，它不斷吸收微計算機(jī)技術(shù)使之功能不斷增強(qiáng)，逐漸適合復(fù)雜的控制任務(wù)。 PLC的發(fā)展 PLC是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的[20]。它是一個以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時/計數(shù)和接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機(jī)編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)，調(diào)試與查錯也都很方便。包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，堆垛機(jī)的控制方式、通訊方案、認(rèn)址方式及變頻器的選擇，并設(shè)置了相應(yīng)的安全保護(hù)措施。（14）操作功能：AOP盤、BOP控制盤、電位器與外接端子操作。 （12）模擬量輸出：2路(0～20) mA模擬量輸出。 （10）數(shù)字量輸出：8路繼電器輸出。 （8）控制作用：V/F，矢量—轉(zhuǎn)矩、光電編碼器反饋的速度控制等。 （6）輸出電流：。 （4）輸出電壓：3相0380V AC可調(diào)。 （2）輸入電流：。2 變頻器的選型 本文根據(jù)綜合考慮選擇西門子MM440變頻器，MM440型使用PID控制器，具PID微調(diào)等功能，MM440可用于矢量控制，可以實(shí)現(xiàn)高性能的應(yīng)用，帶內(nèi)置制動單元，可以快速制動。整流電路和直流中間電路起電流源的作用，而電流源輸出的交流電流在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為所需要的交流電流，并被分配給各輸出相后作為交流電流提供給電動機(jī)。在電壓型變頻器中，由于能量回饋給直流中間電路的電容，并使直流電壓上升，還需要有專用的放電電路，以防止換流器件因電壓過高而被破壞。 （1）電壓型變頻器：在電壓型變頻器中，整流電路或者斬波電路產(chǎn)生逆變電路所需要的直流電壓，并通過中間電路的電容進(jìn)行平滑后輸出。 圖212 變頻器的構(gòu)成 變頻器的選型 1 變頻器的分類 按照主電路工作方式進(jìn)行分類，變頻器可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器。變頻器的主電路，包括整流電路和逆變電路兩部分?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪δ孀兤鞯拈_關(guān)控制，對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能，從而實(shí)現(xiàn)對主電路的控制。控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個部分，是變頻器的核心部分。 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 變頻器是把工頻電流(50Hz或60HZ)變換成各種頻率的交流電流，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)變速運(yùn)行的設(shè)備。這種自我保護(hù)的功能，不僅保護(hù)了變頻器，還保護(hù)了電機(jī)[17]。與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點(diǎn)，如：調(diào)速范圍廣、輸出平滑性好、機(jī)械特性較硬、能很好地 實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)的無級調(diào)速、可實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能、可方便地進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速等尤其當(dāng)電機(jī)帶動較大負(fù)載啟動時，會有較大的沖擊電流，若采用變頻器控制，可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的軟啟動，減小沖擊電流，從而解決了大負(fù)載的啟動問題。（2）提高效率 ① 保證加工工藝中的最佳運(yùn)行； ② 適應(yīng)負(fù)載不同工作情況下的最佳轉(zhuǎn)速； ③ 使原有設(shè)備的增速運(yùn)轉(zhuǎn)。變頻器傳動具有固有的優(yōu)勢，應(yīng)用在不同生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備上體現(xiàn)不同的功能，總體來說，變頻器傳動具有以下幾個效能。由于通用變頻器具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(tài)效率高、功率因數(shù)高、操作方便且便于同其它設(shè)備接口連接等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用越來越廣泛，社會經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。中、小容量范圍內(nèi)，采用自動關(guān)斷器件的全數(shù)字控制PWM變頻器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通用化。隨著對于電動機(jī)調(diào)速性能的要求逐漸提高，變頻調(diào)速技術(shù)得到了長足的發(fā)展[14,15]。用減速器進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速設(shè)備不僅體積大，調(diào)速效率低，而且容易發(fā)生機(jī)械故障。 堆垛機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 在普通立體倉庫中，交流異步電動機(jī)是堆垛機(jī)系統(tǒng)中的驅(qū)動部件。當(dāng)要求堆垛機(jī)到達(dá)某一目的地址時，根據(jù)激光測距傳感器反饋回來的堆垛機(jī)距的離信號與速度信號，調(diào)整變頻器的頻率值，使堆垛機(jī)先以較高的速度運(yùn)行到接近目的地址的位置，然后平穩(wěn)的減速到較低的速度運(yùn)行，在到達(dá)目的地址的時候制動停準(zhǔn)。要求堆垛機(jī)以某一以速度運(yùn)行時，根據(jù)激光測圖211 閉環(huán)控制系統(tǒng)圖距傳感器反饋回來的堆垛機(jī)當(dāng)前速度信號，實(shí)時調(diào)整變頻器的頻率值，使堆垛機(jī)迅速達(dá)到某一穩(wěn)定速度平穩(wěn)的運(yùn)行。 堆垛機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng) 如圖211所示的控制系統(tǒng)中，為了有效的提升巷道堆垛機(jī)的作業(yè)效率和停準(zhǔn)精度，采用“激光測距傳感器+變頻器”的閉環(huán)控制方式。 斷繩保護(hù)堆垛機(jī)提升鋼繩斷裂時，切斷電機(jī)和電機(jī)制動器的電源，使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，防止載貨臺下降。圖210 貨物突出檢查傳感器 安全保護(hù) 聯(lián)鎖保護(hù)⑴ 如下情況時，水平及升降運(yùn)動將被鎖定：貨叉沒在中位；貨叉正在運(yùn)行；貨物尺寸，重量超差。由此突 出的貨物就成為堆垛機(jī)垂直方向運(yùn)行的障礙，可能導(dǎo)致堆垛機(jī)或者貨架損壞。傳感器安裝示意圖如圖29所示。以免造成錯誤動作，損失機(jī)械。如圖28所示，梯形速度曲線堆垛機(jī)以加速度啟動加速，當(dāng)勻加速到最大運(yùn)行速度時，保持該速度運(yùn)行一段時間，再以勻減速運(yùn)行，直到零速?？?。 圖27 堆垛機(jī)垂直方向認(rèn)址傳感器分布圖表23 三個開關(guān)進(jìn)行垂直認(rèn)址的狀態(tài)表上升下降傳感器存貨高位取貨地位存貨高位取貨地位A1……計數(shù)、減速、定位……定位、停止A2計數(shù)、減速、定位 定位、停止定位、停止計數(shù)、減速、定位A3定位、停止……計數(shù)、減速、定位…… 堆垛機(jī)速度曲線分析常見的速度運(yùn)行曲線有三種，分別為三角形與梯形速度曲線、拋物線與直線形速度曲線、正弦形速度曲線。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27所示。為使貨叉能完成作業(yè)，堆垛機(jī)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)堆垛機(jī)縱向方向的層定位采用光電開關(guān)和認(rèn)址片組合定位，即在堆垛機(jī)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(diǎn)的測定位置，將影響實(shí)際要求的測定距離，從而使道堆垛機(jī)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(diǎn)撞擊巷道堆垛機(jī)端部緩沖制動器的情況。激光測距傳感器安裝在堆垛機(jī)上，目標(biāo)放射板安裝在巷道末端。這種方法的精度很高，但是使用時堆垛機(jī)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。堆垛機(jī)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，可以得到堆垛機(jī)的相對運(yùn)行位置。（3）編碼器定位法：編碼器定位方式主要有兩種：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?yàn)樨浖軆蓚?cè)分為XX2，只有兩個方向，反應(yīng)到堆垛機(jī)上只是貨叉左伸、右伸運(yùn)動，此方向不用檢測，所以實(shí)際上堆垛機(jī)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堆垛機(jī)能識別的編碼，所以將貨架兩側(cè)編成XX2，沿堆垛機(jī)運(yùn)行方向?qū)⒇浖芫帪?～Y列，垂直方向編為0～Z層。圖25 堆垛機(jī)位置速度控制框架 定位控制定位控制就是確定堆垛機(jī)停止在目標(biāo)貨位的功能。另外為了提高存取效率和保證堆垛機(jī)的穩(wěn)定性，必須對堆垛機(jī)三個機(jī)構(gòu)的速度進(jìn)行合理有效的控制，其中速度位置檢測是堆垛機(jī)自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。 堆垛機(jī)的位置控制由堆垛機(jī)的作業(yè)流程分析，堆垛機(jī)是由水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)、縱向起升機(jī)構(gòu)和貨叉伸縮機(jī)構(gòu)三部分組成的，水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)和垂直起升機(jī)構(gòu)使堆垛機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置，貨叉伸縮機(jī)構(gòu)完成存取貨任務(wù)。而且Modbus協(xié)議編程簡單、容易實(shí)現(xiàn)。許多工控產(chǎn)品，例如PLC、變頻器、人機(jī)界面、DCS和自動化儀表等，都在廣泛地使用Modbus協(xié)議。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(jìn)行應(yīng)答。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。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(jī)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(jī)，系統(tǒng)的擴(kuò)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(qiáng)，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3臺堆垛機(jī)控制系統(tǒng)連接，要求物理層的協(xié)議必須支持一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信。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)對點(diǎn)的通信，而RS485能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)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(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。一個指令執(zhí)行完了之后，必須從堆垛機(jī)向地面發(fā)送響應(yīng)信號，即確認(rèn)信號，之后才能執(zhí)行下一個指令。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖24所示。表21 擴(kuò)展模塊選型表系列號類別描述數(shù)量EM221輸入擴(kuò)展模塊DI161EM235輸入/輸出擴(kuò)展模塊AI4/AO12圖24 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 由于CPU226的輸入點(diǎn)只有24個，不能滿足設(shè)計的輸入點(diǎn)的需要，所以加入一個EM221模塊，該模塊有16個數(shù)字輸入點(diǎn)，總體上可以滿足系統(tǒng)輸入的要求。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(kuò)展模塊和EM235擴(kuò)展模塊，正好滿足設(shè)計的需要。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸出/輸入點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。2個RS485通訊/編程口、具有即PID通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 PLC模塊選型 ，40個數(shù)字量I/O點(diǎn)。 （6）數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)：CPU226具有24輸入/16輸出，輸出點(diǎn)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(kuò)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(yùn)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(jī)或伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)定位任務(wù)。 CPU型號的選擇 根據(jù)控制點(diǎn)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(kuò)展為248點(diǎn)數(shù)字量或35點(diǎn)模擬量。 （3）CPU 224：它在CPU 222的基礎(chǔ)上使主機(jī)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)增為24點(diǎn)，最大可擴(kuò)展為168點(diǎn)數(shù)字量或者35點(diǎn)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(qiáng)的控制能力。非常適合小點(diǎn)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(diǎn)的I/O，無擴(kuò)展能力，有6KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間。其速度快，具有極強(qiáng)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 西門子CPU的介紹 SIMATIC S7200的CPU模塊包括一個中央處理單元、電源以及數(shù)字I/O點(diǎn)，這些都被集成在一個緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。⑷ 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。⑵ 擴(kuò)展單元：主機(jī)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(kuò)展各種I/O模塊，所能連接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實(shí)際所能使用的I/O點(diǎn)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(diǎn)和電源等，是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(jī)中包含一定數(shù)量的I/O輸入輸出，同時還可以擴(kuò)展各種功能模塊。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(jī)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(yùn)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(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時特性，配有功能豐富的擴(kuò)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。因此，S7200系列具有極高的性價比。SIMATIC S7200系列PLC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。長期以來，可編程控制器PLC始終是工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的核心控制系統(tǒng)，為工業(yè)自動化生產(chǎn)提供了非?？煽康膽?yīng)用控制，廣泛應(yīng)用于冶金、輕工業(yè)、機(jī)械制造等各個領(lǐng)域，極大的推進(jìn)機(jī)電一體化的進(jìn)程，提高了生產(chǎn)效率。系統(tǒng)結(jié)