毕业设计码垛机控制系统设计.doc

毕业设计(论文)码垛机控制系统设计学 号：10131203姓 名：石泽旭专 业：电气工程及其自动化系 别：机械与电气工程系指导教师：王雷钢讲师 二一四年六月 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）成绩评议题目： 码垛机控制系统设计 系别： 机械与电气工程系 专业：电气工程及其自动化 姓名：石泽旭 学号：10131203 指导教师建议成绩：73评阅教师建议成绩：76答辩小组建议成绩：70总成绩：73答辩委员会主席签字：年 月 日北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）任务书姓名石泽旭学号10131203专业电气工程及其自动化设计（论文）题目码垛机控制系统设计题目性质设计； 论文题目来源 教学； 科研； 生产； 其他 指导教师职 称工作单位备注王雷钢讲师清华大学信息科学与工程学院毕业设计(论文)的内容和要求：内容：1 介绍自动化立体仓库和码垛机的一般概念和基本组成，以及国内外立体仓库和码垛机的发展现状，简单介绍了立体仓库的发展方向。2 对码垛机在水平方向和垂直方向运行进行速度控制，根据运行的目的地址和当前地址之间的比较，选择合适的变频器，对电机的运行速度进行控制。并在应用新的定位方式的基础上，对变频调速系统进行位置速度双闭环控制，并解决新方案中的硬件设置问题。由plc输出高速脉冲和货叉方向改变信号控制步进电动机左伸和右伸，以及货叉的伸缩速度。3 设计了码垛机运行系统的控制程序，包括码垛机各种工作方式下的控制程序。要求：1.了解生产设备电控设计的一般步骤；2.能够进行plc控制系统的搭建；3.进行对码垛系统的控制工艺流程分析，确定包装码垛系统原理。4.能够对码垛机控制系统分析并设计控制方案5.plc控制系统设计及方案论证，变频器的选择6.系统软件分析，熟悉变频器的应用。毕业设计(论文)主要参考资料：1 陈建明，巫付专，熊军华等电气控制与plc应用m北京：电子工业出版社，20062 孙承志，徐智，张家海，吉顺平西门子s7-200/300/400plc基础与应用技术m 北京：机械工业出版社，20093 马秀坤 ，石雪涛，马学军.s7-200plc与数字调速系统的原理及应用m 北京：国防工业出版社，20094 刘昌棋，董良自动化立体仓库设计m北京：机械工业出版社，2004：13-21，132-138，166-1685 王勇军，周奇才自动化仓库码垛机的高速运行控制技术研究j起重运输机械，2003(1)：27-296 周兴万自动化立体仓库中码垛机的位置定位和速度控制j基础自动化，1998，6：487 陈晓军plc控制技术在立体仓库码垛机中的应用j工业技术，2007，34：11毕业设计(论文)应完成的工作：1.设计完成码垛机plc控制系统硬、软件系统；2.以plc控制完成机械的工作流程；3.优化路径的计算4.电路系统等供电设计，plc控制系统设计及方案论证。进度安排：2012年12月：文献调研，方案设计。2013年01月：撰写开题报告。2013年.02月：分析码垛机工作原理，并根据原理绘制电路系统的供电设计。2013年03月：对码垛控制系统的运行过程分析及控制系统功能，系统硬件分析控制参数选择及电控系统的需求，plc的选型，确定此系统的布置形式，并用软件进行调试。2013年04月：整理并修改毕业设计论文。2013年05月：完成毕业设计论文，准备答辩。指导教师签字： 日期： 年 月 日系意见：签字：系（盖章）日期： 年 月 日北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）开题报告姓名石泽旭学号10131203专业电气工程及其自动化设计（论文）题目码垛机控制系统设计1. 毕业设计(论文)的目的及意义（含国内外的研究现状分析）：码垛机控制系统适用于石油化工、化肥、粮食、港口等行业，可对pp、pe粒子、pvc、化肥、粮食等粉状、颗粒状物料进行全自动包装码垛作业，通过可编程序控制器、对整个生产线的工作过程进行自动控制，对运行过程中出现的故障或供料不足等，进行声光报警。它是集喂料、流量测量和控制于一身的设备。自动控制系统在工业生产中发挥着越来越重要的作用，如果能提高系统的自动化程度，就有着重要的现实意义。在我国控制系统的研制较晚，主要是自用设备，属革新产品，未进入市场，“八五”期间呈全方位发展态势，“九五”期间进入转型期，逐步成为高科技、高效益、现代化、国防化的产业。 总的来说,我国包装设备制造工业经近20年的努力，在数量、质量、水平方面均有较大的进展，为我国建立一个门类齐全、技术先进、水平相当、独立完善的生产系统奠定了坚实的基础。2. 基本内容和技术方案：1 介绍自动化立体仓库和码垛机的一般概念和基本组成，以及国内外立体仓库和码垛机的发展现状，简单介绍了立体仓库的发展方向。2 对码垛机在水平方向和垂直方向运行进行速度控制，根据运行的目的地址和当前地址之间的比较，选择合适的变频器，对电机的运行速度进行控制。并在应用新的定位方式的基础上，对变频调速系统进行位置速度双闭环控制，并解决新方案中的硬件设置问题。由plc输出高速脉冲和货叉方向改变信号控制步进电动机左伸和右伸，以及货叉的伸缩速度。3 设计了码垛机运行系统的控制程序，包括码垛机各种工作方式下的控制程序。技术方案：（1）进行对码垛系统的控制工艺流程分析，确定码垛系统原理。（2）完成对包装码垛控制系统的运行过程分析及控制系统功能，系统硬件分析控制参数选择及电控系统的需求，plc的选型，确定此系统的布置形式。（3）电路系统等供电设计，plc控制系统设计及方案论证。（4）系统软件分析，系统状态流程图设计。3. 主要参考文献：1 陈建明，巫付专，熊军华等电气控制与plc应用m北京：电子工业出版社，20062 孙承志，徐智，张家海，吉顺平西门子s7-200/300/400plc基础与应用技术m 北京：机械工业出版社，20093 马秀坤 ，石雪涛，马学军.s7-200plc与数字调速系统的原理及应用m 北京：国防工业出版社，20094 刘昌棋，董良自动化立体仓库设计m北京：机械工业出版社，2004：13-21，132-138，166-1685 王勇军，周奇才自动化仓库码垛机的高速运行控制技术研究j起重运输机械，2003(1)：27-296 周兴万自动化立体仓库中码垛机的位置定位和速度控制j基础自动化，1998，6：487 陈晓军plc控制技术在立体仓库码垛机中的应用j工业技术，2007，34：114. 进度安排：2012年12月：文献调研，方案设计。2013年01月：撰写开题报告。2013年.02月：分析码垛机工作原理，并根据原理绘制电路系统的供电设计2013年03月：对码垛控制系统的运行过程分析及控制系统功能，系统硬件分析控制参数选择及电控系统的需求，plc的选型，确定此系统的布置形式，并用软件进行调试2013年04月：整理并修改毕业设计论文。2013年05月：完成毕业设计论文，准备答辩。5. 指导教师意见：该同学充分、全面地查阅了码垛机控制设计的相关资料，在此基础上提出了可行的技术方案，时间进度合理，严格按照进度安排执行同意开题。指导教师签字： 日期： 年 月 日6. 系意见： 签字：系（盖章）日期： 年 月 日北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）指导教师评阅意见姓名石泽旭学号10131203专业电气工程及其自动化指导教师王雷钢职称讲师单位清华大学指导教师职称单位毕业设计（论文）题目码垛机控制系统设计指导教师评语：石泽旭同学论文选题为码垛机控制系统设计，符合专业培养目标毕业论文，基本能够达到综合训练目标。该生查阅相关文献资料，基本能够综合运用所学理论知识撰写论文，理论分析正确。文章篇幅完全符合学院规定，内容较为完整，层次结构安排科学，逻辑关系清楚，完成仿真。语言表达流畅，格式符合规范要求。同意石泽旭同学提交答辩是否同意答辩：是论文成绩：73指导教师（签名）： 年 月 日北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）评阅教师评阅意见姓名石泽旭学号10131203专业电气工程及其自动化评阅教师刘宝元职称助教单位北京交通大学海滨学院评阅教师李婧职称助教单位北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）题目码垛机控制系统设计对论文的评语：石泽旭同学毕业论文的选题码垛机控制系统设计，论文探讨了码垛机控制系统的分析和设计方法，具有一定实用价值。该同学收集的数据资料较翔实，分析和论证有一定深度，结论正确合理。论文的写作基本规范。存在问题是对存在问题的探讨还可进一步深入，对存在问题原因的分析还可进一步展开。综上所述，石泽旭同学已经掌握了本专业的基础理论和相关专业知识，该同学写作的毕业论文已经达到本科毕业论文水平，可以提交答辩。是否同意安排论文答辩：同意论文成绩：76评阅教师（签名）： 年 月 日北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）答辩小组评议意见姓名石泽旭学号10131203专业电气工程及其自动化毕业设计（论文）题目码垛机控制系统设计答 辩 小 组 成 员:姓 名职 称工作单位备注路勇副教授 北京交通大学组长李婧助教 北京交通大学海滨学院答辩秘书陈雷讲师北京交通大学海滨学院组员张义伟助教北京交通大学海滨学院组员答辩小组评语：该论文在前人工作的基础上作了系统的归纳和总结，具有一定的综合应用能力，得到一定的科研训练。在论文答辩过程中，基本上能叙述出所撰写论文的原理和应用，但表述不熟悉，没有实物和仿真，回答问题欠妥当。答辩组长（签名）： 年 月 日答辩成绩70毕业设计（论文）诚信声明本人声明所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学海滨学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 毕业设计（论文）使用授权书本人完全了解北京交通大学海滨学院有关保管、使用论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；学校可允许论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容。本人签名： 日期：摘 要 在现代的物流仓储系统中，自动化立体仓库应用日益广泛。而码垛机是立体仓库的关键组成部分，码垛机性能的优劣对整个立体仓库的运行起到至关重要的作用，所以设计与开发自动化程度较高的码垛机控制系统成为当前立体仓库的发展趋势，开展与此有关的研究具有重要的理论和应用价值。本文基于现代物流技术的应用和发展要求，介绍自动化立体仓库的应用及其功能和作用，结合现代科技的发展，着重研究自动化立体仓库码垛机控制系统的控制技术。详细阐述了本控制系统的设计思想，以及整个系统的硬件实现和软件设计。论文依据立体仓库的有关设计参数，对码垛机电气控制的硬件系统进行了设计，为了提高码垛机的性能，采用了转速、位置反馈的双闭环控制，以满足系统的调速要求。系统的水平认址采用激光测距传感器定位，垂直认址采用光电开关和认址片组合定位。变频调速系统由s7-226plc及其扩展模块em235通过变频器mm440控制交流电动机，采用光电编码器反馈转速信号，实现转速闭环控制。货叉伸叉系统由s7-226plc通过步进电动机驱动器sh-20403控制二相混合式步进电动机。根据系统的控制要求进行了plc、变频器、电机和电机驱动器的选型，并给出了系统的硬件接线图，然后利用西门子的编程软件step7设计了码垛机控制程序。关键词：控制系统，自动化立体仓库，码垛机，传感器，plciabstractin modern logistics warehousing systems, automated storage is increasingly widespread. hay stackers are the key equipment, performance of the stacker plays an important role. design and development of a higher degree of automation stacker control system become warehouse trend of development, therefore related research has important theory and application value. this paper introduces application and performance of automated high-rise warehouse basing on application and development requirement of modern logistics techniques. and puts emphasis on the researching of control techniques in automated high-rise warehouse stacker combining modern science and techniques. this paper elaborated on the design of the system of control, as well as the implementation of the systems hardware and the design of the software.based on the parameter related to the automated storage, this paper presented the hardware system of stacker electrical control. speed of the stacker was the basic. in order to improve the performance of the stacker, the system adopts the speed, position, double feedback control. the horizontal recognize addresses of system using laser rangefinder sensor positioning, and vertical recognition using photoelectric switches and address piece combination addressing. speed-adjusted system by s7-226plc and its extension module em235 through transducer mm440 control ac motor. goods fork system is by s7-226plc binary system through stepping motor driver sh - 20403 control two-phase hybrid stepping motor. according to the requirements of the control system, this paper completed the selection of plc，frequency converter, the motor and its controller. and presents the system hardware hookup. then use the software of siemens step7 designs the stacker control procedures.keywords：control system，automated storage and retrieval system，stacker，sensor, plciv目 录摘 要iabstractii目 录iii1 绪论11.1 码垛机概述11.1.1 码垛机的发展11.1.2 码垛机技术的研究现状11.2 自动化立体仓库的概述21.2.1 自动化立体仓库的组成21.2.2 自动化立体仓库的优点31.2.3 自动化立体仓库的发展41.3 研究的主要内容42 码垛机控制系统的硬件设计52.1 控制技术要求和系统总体设计52.2 码垛机位置控制72.2.1 定位控制72.2.2 认址检测方式82.2.3 认址方式确认92.2.4 码垛机速度曲线分析112.3安全检测传感器的应用112.4 元器件的选型122.5 通信方案的确定132.6 输入输出点分配142.7 本章小节153 plc及资源配置163.1 plc控制的优点及s7-200系列概述163.2 s7-200系列plc概述173.3 cpu型号选择183.4 plc模块选型194码垛机控制程序设计214.1 码垛机自检和复位/归位程序234.1.1 码垛机自检程序234.1.2 码垛机复位/归位程序244.2 自动方式下的码垛机运行控制254.2.1 列向运行plc程序实现254.2.2 行向运行plc程序实现284.2.3 货叉伸缩控制plc程序实现304.3 手动方式下的码垛机运行控制334.4 码垛机变频调速系统设计344.4.1 变频器的选型354.4.2 水平方向变频调速系统设计364.4.3 垂直方向变频调速系统设计384.5 码垛机货叉控制系统设计404.6 本章小节415.总结43参考文献44致 谢46附录一 码垛机入库作业流程图47附录二48中文翻译48附录 三49 北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）1 绪论1.1 码垛机概述码垛机是自动化立体仓库系统8的重要组成部分，它是整个系统的执行部件，存货时将货物从出入货台准确的存放到货位里，取货时将货物从货位中取回到出入货台。无论何种类型的码垛机，一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。尽管各厂家各有独创，结构形式有些差异，但可以说大同小异，所有的码垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成。1.1.1 码垛机的发展初期的立体仓库使用的码垛机以桥式起重机为基础，这种码垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架，利用门架的上下和旋转来搬运货物。1960年左右在美国出现了巷道式码垛机，随后巷道式码垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式码垛机。1967年日本安装了高度1015米的高层码垛机，1969年出现了联机全自动化仓库6，我国是在上世纪70年代初期开始研究采用巷道式码垛机的立体仓库。目前的码垛机技术取得了重大的发展，控制技术、定位精度、运行速度都得到了很大程度的提高。巷道式码垛机的起升速度已经可以达到90m/min，运行速度达到240m/min，在有的立体仓库中采用上、下两层分别用巷道码垛机9进行搬运作业的方法提高出入库能力。1.1.2 码垛机技术的研究现状按现行机械行业标准，有轨巷道式码垛机分类方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。无论何种类型的码垛机一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。体现码垛机动态性能优劣的指标主要有：运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、认址精度等。随着科学技术的不断进步，自动化立体仓库的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断提高。例如，码垛机的运行驱动己由20世纪70年代的子母电动机改为变频调速，速度由550m/min提升至4160m/min，国外小载重量的码垛机最高可达300m/min；提升驱动己由20世纪70年代的双速电动机改进为变频调速，速度由416m/min提升至025m/min；货叉运行也由单速电动机驱动改进为变频调速，速度由8m/min提升至435m/min；在码垛机自动控制方面还采用闭环控制变频调速系统5、profibus总线控制等先进技术。尽管如此，目前国产码垛机的运行速度最高仍保持在160m/min；提升速度在080m/min；货叉速度一直保持在030m/min；认址采用光电探测，精度不足，认址差错率高。1.2 自动化立体仓库的概述在现代物流系统中，自动化立体仓库是一个重要的组成部分，它是一种新型的仓储技术。自动化立体仓库4又称为自动存储/检索系统（automated storage &retrieval system，as/rs）。它是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工程。它以高层货架为主要标志，配以成套的先进搬运设备，以先进的计算机控制技术为主要手段，由此组成高频率、大容量的科学存储，以适应现代化生产、物资交流和仓储的需求。 1.2.1 自动化立体仓库的组成立体仓库是指：采用高层货架储存货物，用起重、装卸、运输机械设备进行货物出库和入库作业的仓库。这类仓库主要通过高层货架充分利用空间进行存取货物，所以被成为立体仓库。目前，立体仓库最大高度能达到40多米，最大库存数可达数万个货物单位，可以实现按计划入库和出库的全自动化控制，以及无人操作的计算机网络化管理。其主要的组成部分有高层货架、仓储机械设备、控制及管理设施。（1）货架 仓储技术的发展由平面转向高层立体化以后，高层货架为仓库的主体和标志，货架越高，存储量越大。货架在物流及仓储中占有非常重要的地位，目前的货架具有多种功能，以满足机械化和自动化的要求。主要的货架类型有单元式货架、贯通式货架与旋转式货架。为了提高货物装卸、存取效率，自动化立体仓库一般使用货箱或托盘盛放货物。货箱和托盘的基本功能是盛放小件物料，同时还应便于运输车和码垛机的插取和存放。（2）仓储机械设备 自动化立体仓库的主要搬运设备是巷道式码垛机17，其主要用途是在高层货架的巷道内来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存放入货格中，或者将货物取出运送到巷道口。输送系统必须是具有高度的可靠性，在立体仓库中一般只有一套输送系统，所以应保证输送系统各个环节上的设备可靠、耐用、维修方便，并且还应该对输送系统设置手动控制做后备。自动化立体仓库中的货物输送装置主要有传送带、各种流动小车及agv等，短距离的传送还可以采用机器人。（3）控制及管理设施 控制管理系统5采用分布式控制，即由管理计算机、中央控制计算机和直接控制码垛机、入/出库输送机等现场设备的控制器组成控制系统。管理计算机是立体仓库的管理中心，承担着入/出库管理、盘库管理、查询、打印及显示、经济技术指标的计算分析等功能，包括在线管理和离线管理；中央控制计算机是立体仓库的控制中心，他沟通并协调管理计算机、码垛机、入/出输送机等设备之间的联系，控制和监视着整个立体仓库系统的运行。1.2.2 自动化立体仓库的优点事实证明采用自动化立体仓库能够产生巨大的经济效益和社会效益，主要表现在以下几个方面：（1） 层货架：立体仓库由于使用了高层货架存储货物，存储区可以大幅度的向空间发展，充分利用了仓库的空间，提高了空间利用率。（2） 自动存取：自动化立体仓库使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提高了作业效率。（3） 计算机控制与管理：计算机能够准确无误的对仓库的各种信息进行存储和管理，不仅降低了操作人员的劳动强度，还减少了货单处理和信息处理过程中的差错，从而提高了仓库的管理水平。（4） 节约成本：作业效率的提高势必会降低货物储存的成本费用，由此也提高了企业的现代化物流意识。1.2.3 自动化立体仓库的发展高层货架仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产技术发展的结果。在生产发张的实际需要和科技水平发展的现实可能下，五十年代初开始出现了自动化立体仓库。1950年美国首先产生手动控制的桥式码垛机起重机，与此同时提出了高层货架的概念，被认为是自动化仓库的雏形。1960年以后巷道式码垛机逐渐代替了桥式码垛机，此后码垛机的使用范围和性能有了很大的发展，尤其是在日本，自动化立体仓库发展迅速，目前日本的自动化仓库技术和自动化仓库的拥有量都位居世界前列。自动化技术在仓储领域中的发展分为五个阶段：人工仓储阶段、自动化仓储阶段、集成化仓储阶段和智能化阶段。其中智能自动化仓储在九十年代后期以及二十一世纪的若干年内，是仓储自动化技术的主要发展方向。我国对自动化立体仓库及其物料搬运设备的研制并不晚，1963年研制成第一台桥式码垛起重机(机械部北京起重运输机械研究所)，1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库(高巧米，机械部起重所负责)，该库1980年投入运行。1.3 研究的主要内容课题的研究目标是设计安全可靠，具有经济性能和操作性能良好的码垛机控制系统。 主要内容如下：(1) 介绍自动化码垛机和立体仓库的一般概念和基本组成，以及国内外码垛机和立体仓库的发展现状，简单介绍了码垛机控制系统的发展方向。(2) 对码垛机在水平方向和垂直方向运行进行速度控制，根据运行的目的地址和当前地址之间的比较，选择合适的变频器，对电机的运行速度进行控制。并在应用新的定位方式的基础上，对变频调速系统进行位置速度双闭环控制，并解决新方案中的硬件设置问题。由plc输出高速脉冲和货叉方向改变信号控制步进电动机左伸和右伸，以及货叉的伸缩速度。(3) 设计了码垛机运行系统的控制程序，包括码垛机各种工作方式下的控制程序。2 码垛机控制系统的硬件设计2.1 控制技术要求和系统总体设计（1）码垛机运行机构由水平运行的行走机构，垂直运行的起升机构及取送货的伸叉机构三部分组成。水平部分运动电机和垂直部分运动电机分别采用220w的三相交流异步电动机和200w的单相交流异步电动机，由西门子s7-200plc3通过变频器进行控制。伸叉机构电机采用两相混合式步进电机，由西门子s7-200通过步进电机驱动器进行控制。由码垛机运行机构特点及工作要求可知，能否保证码垛机的稳定工作，关键在码垛机的三维位置移动定位的精确性。主要技术指标和和主要设计参数码垛机运行的速度范围：水平方向：2m/min360m/min；垂直方向：2m/min80/min；货叉：2m/min60/min（2）码垛机的控制方式有自动和手动控制。 手动方式通过码垛机的转换开关及按钮控制码垛机水平和提升运动及货叉伸缩。同时运动速度也可以手动选择。手动操作时，系统应给予相应的警示信号。同时系统将解除大部分的保护控制。手动操作主要用于安装、调试和排除故障。 单机自动用人机界面对码垛机进行全自动的控制，控制系统根据用户输入的参数进行全自动的取送货动作。界面操作时，应具备对货物的单送、单取操作。人机界面应具备实时显示设备运行工况，故障及历史故障查询等功能。（3）码垛机控制系统中上位机完成的只是数据输入和传送，主要的控制任务是由plc来完成。 作业命令处理：确定作业状态时自动还是手动；确定作业指令是存货入库还是取货出库；确定作业地址包括列地址和层地址。 位置技术及判断：沿着码垛机的行进方向和载货台的升降方向设置认址片，plc通过检测认址片来判断码垛机位置和载货台的位置，每经过一个认址片，plc的高速计数器就自动计数一次，前进加一，后退减一，上升加一，下降减一。到达预定位置后，码垛机停车。 速度调整和准确停车：根据码垛机和目标位置的距离，plc输出速度调整的控制信号给变频器，通过变频器控制电机的转速，在停车之前先把码垛机的运行速度降低到低速档，使码垛机以低速接近目标位置，保证码垛机的稳定性。 作业任务的顺序逻辑控制：按照入库、出库的作业顺序，确定各输出点的得电状态，完成作业顺序的逻辑控制。 安全保护：水平行走、载货台升降及货叉的伸缩等都有限位保护。 plc还有工作故障报警功能。由上位监控级与直接控制级组成。监控级对通讯、流程进行控制，并进行实时图像显示，直接控制级是由plc(可编程序控制器)组成的控制系统对各设备进行单机自动操作。采用组态王6.52建立监控界面，同时将运行系统的状态反馈到监控计算机。码垛机采用西门子公司的s7-200型plc控制，与变频器结合对码垛机进行变频调速。系统结构拓扑图如图2-1所示。监控计算机堆垛机货叉控制系统统堆垛机水平变频系统堆垛机纵向变频系统堆垛机货叉运行机构构堆垛机水平运行机构构堆垛机纵向运行机构构 s7-200 plc堆垛机纵向认址系统堆垛机水平认址系统堆垛机货物检测系统堆垛机限位保护系统图2-1 系统结构拓扑图2.2 码垛机位置控制由码垛机的作业流程分析，码垛机是由水平运行机构、纵向起升机构和货叉伸缩机构三部分组成的，水平运行机构和垂直起升机构使码垛机到达目标位置，货叉伸缩机构完成存取货任务。要完成对码垛机自动控制系统的设计，首先要保证码垛机能够准确到达目标位置，所以在设计码垛机自动控制系统时，关键在于准确可靠的认址和定位17保证码垛机准确无误的定位在目标货位。另外为了提高存取效率和保证码垛机的稳定性，必须对码垛机三个机构的速度进行合理有效的控制，其中速度位置检测是码垛机自动控制系统的关键部分。码垛机速度位置控制的实现方法如图2-2所示，控制系统由plc控制器、调速系统、编码器、认址片和认址器组成，实现位置和速度的双闭环控制。m执行机构认址器调速系统控制器输入编码器速度检测 位置检测图2-2 码垛机位置速度控制框图2.2.1 定位控制定位控制就是确定码垛机停止在目标货位的功能。自动仓库的认址检测系统有两项任务：一是实现自动寻址，使码垛机自动找到被指定到达的位置；二是自动准确停准，即码垛机停准位置不超出规定的精度。为此，货架上的每个货位必须具有码垛机能识别的编码，所以将货架两侧编成x1、x2，沿码垛机运行方向将货架编为0y列，垂直方向编为0z层。这样每个货位就有了独立的三维坐标地址，码垛机自动检测目前的坐标地址，使其能到达目标位置。因为货架两侧分为x1、x2，只有两个方向，反应到码垛机上只是货叉左伸、右伸运动，此方向不用检测，所以实际上码垛机位置的检测只是对y、z位置的检测。2.2.2 认址检测方式主要的认址检测方式有以下几种：（1）绝对认址：绝对认址是将每一个货位赋予唯一的开关状态，给每个货位制作一个专用的认址片，码垛机上相应安装一个识别器，通常是二进制编码板和一组光电开关的组合，通过读取认址片的代码来判断码垛机的当前位置。（2）相对认址：相对认址：相对认址时每个货位的认址片结构相同。每经过一个货位，就对地址编码进行加1或减1，一直移动到和预定位置号一致时停止运行。（3）编码器定位法：编码器定位方式13主要有两种：从动轮与轨道旋转计数测定方式、链轮与链条旋转计数测定方式。从动轮与轨道旋转计数测定方式。码垛机的从动轮上配有同轴旋转编码器，从动轮与轨道近似纯滚动，因此通过对旋转编码器的转角的转换，可以得到码垛机的相对运行位置。（4）激光测距定位：激光测距定位19是近年来应用于码垛机准确定位的新技术，用激光测距仪通过测量码垛机到基准点的距离和事先存储的位置数据比较来确定码垛机的当前位置。这种方法的精度很高，但是使用时码垛机和激光发射器和反射板之间不允许有物体，否则会遮挡住激光的传输路径，使系统无法准确定位。以上是四种常见的认址检测方式，四种方式各有优劣，下面的表格2-1是他们之间的比较对照：表2-1 认址方式对比表认址器 光电开关旋转编码器激光测距传感器认址方式相对认址 绝对认址 绝对认址绝对认址可靠性 较低 高 较高 最高认址精度 格 格 mm mm 系统成本 低 高 高 较高 数据接口 无 无 多种 多种 定位方式反射式 反射式接触式 反射式 使用寿命 短 短 较长 长2.2.3 认址方式确认为完成对码垛机的位置控制，必须能检测出码垛机的运行位置，码垛机系统认址方式如下：（1）水平认址系统 水平方向采用激光测距传感器15，当前数据为位移值，经过plc计算后的数据为当前速度值。激光测距传感器安装在码垛机上，目标放射板安装在巷道末端。在立体仓库巷道通道中的激光测距范围(激光发射器与反射板之间)内不得有任何物体遮挡激光光线。激光测距的原理是通过发射出的激光光线长度来测定距离，其光线就好比一把光尺，如果物体遮挡激光光线，让它脱离原标准原点的测定位置，将影响实际要求的测定距离，从而使码垛机走位偏离所设定的位置，产生货叉取/存储错位或起始点撞击码垛机端部缓冲制动器的情况。因此，在码垛机工作时不允许有任何物体遮挡激光光线，对于激光光线通道应采取隔离保护措施，保证激光测距的准确性和自动化系统的安全性。（2）纵向认址系统码垛机纵向方向的层定位采用光电开关和认址片组合定位，即在码垛机的上下安装两个光电开关，在每层的货位上安装认址片。低位为取货开始伸叉或放货完毕收叉的位置，高位为放货开始伸叉或取货完毕收叉的位置。为使货叉能完成作业，码垛机在垂直方向上必须要提供使货叉能停在高位或低位的检测装置。所以在码垛机的升降台上安装三个光电开关，与升降台一起上升下降，中间的一个共用，其他两个分别为上位置和下位置。存货开始或取货结束时，升降台货叉停在高位置，下面两个光电开关处于认址片内；取货开始或存货结束时，货叉停在低位置，此时上面两个光电开关处于认址片内，如图2-3所示。 图2-3 码垛机垂直方向认址传感器分布图其认址状态如表2-2所示：表2-2 认址状态表 上升下降传感器存货高位取货低位存货高位 取货低位a1计数、减速、定位 定位、停止 a2计数、减速、定位定位、停止定位、停止计数、减速、定位a3 计数、减速、定位 2.2.4 码垛机速度曲线分析常见的速度运行曲线29有三种，分别为三角形与梯形速度曲线、抛物线与直线形速度曲线、正弦形速度曲线。本文采用最常用的梯形速度曲线。如图2-4所示，梯形速度曲线码垛机以加速度启动加速，当匀加速到最大运行速度时，保持该速度运行一段时间，再以匀减速运行，直到零速停靠。vabcs1s2s3s图2-4 梯形速度曲线2.3安全检测传感器的应用（1）货架占有情况检测 自动化仓库需要知道货物是否存放在货架，或者货物在货架的位置信息。以免造成误动作，损伤机械。入库操作时，当码垛机到达目标位置时，先检测货位是否有货物，若没有货物，则进行伸叉作业，否则发出信号使码垛机动作停止；出库时，若检测出相应货位无货物，则发出信号致码垛机动作停止。本文采用漫反射型的光电传感器可以感知货物在货架的存在或者位置。（2）货物突出货架检测货物存放在货架上，可能由于异常的情况导致货物突出货架的情况。这些突出的货物可能妨碍码垛机垂直方向的运行，导致货架或码垛机的损害。在码垛机垂直轨道上顶端安装长距离光电传感器可以监视货物突出，一旦有突出，向上位机报警，控制系统发出信号致码垛机停止运行。2.4 元器件的选型主要的元器件的选择如下表2-3所示。表2-3 元器件使用表名称代号符号个数规格符号备注plcplc1s7-200cpu226，ac/dc继电器输出扩展模块11em22116路数字输入扩展模块22em2354模拟量输入、1模拟量输出接触器km3cj20-100线圈电压220v电阻r22k限流保护器fr1jrs4-140365d整定电流80-104a熔断器fu4rls1-100额定电压380v额定电流20-100a指示灯hl5ad16-22gled显示，220v名称代号符号个数规格符号备注行程开关sq14lf-0124lb额定电压10-30vdc按钮开关sakd2b-21带自锁，24v激光测距传感器1odsl8型检测距离25-45米光电传感器2e3g-mr19光电编码器2755a增量式三相交流异步电动机m1y2-632-2额定电压380v，额定功率300w单相交流异步电动机m1yy7112额定电压380v，额定功率250w步进电动机驱动器1sh-2040324-70vdc二相混合式步进电动机m142byg步距角0.9/1.82.5 通信方案的确定为了控制无人运转码垛机，必须向码垛机发送运转和作业的信息。一个指令执行完了之后，必须从码垛机向地面发送响应信号，即确认信号，之后才能执行下一个指令。码垛机的信息传递顺序是：码垛机首先接受的作业信息是从什么地方取货，之后把它存入什么货位。码垛机控制盘在收到作业信息之后向地面控制盘发出响应信息。码垛机根据作业信息进行作业。作业完了之后，向地面发出“作业结束”信息。这样把一系列作业进行完了之后，成为等待下一个作业信息的待机状态。串行通信中最常用的物理层协议为rs-232c和rs-485。本文采用rs-485标准。主要基于以下两点考虑：（1） rs-232c接口标准只能用于点对点的通信，而rs-485能实现多点对多点的通信。rs-485允许平衡电缆上连接32个发送器/接收器。立体仓库控制系统要求监控系统和3台码垛机控制系统连接，要求物理层的协议必须支持一点对多点的通信。（2） rs-485采用差动发送/接收，所以共模抑制比高，抗干扰能力强。立体仓库的工作环境较恶劣，热、电、磁等干扰信号较多，要求通信网络的抗干扰能力较强，才能保证数据的正确接收。rs-485标准除上述优点外，还具有传输速率高、传输距离远等优点。由于plc带有串行通信接口，只需用rs-485总线分别连接到计算机即可，可见系统的构建十分简单当需要增加新设备时，只需要将新设备也连接到计算机，系统的扩展也较容易。为了利用计算机带有的rs-232接口与下层的各个模块通信，在计算机上需要安装232-485转换器。在自动化立体仓库控制系统中选用modbus通讯协议作21为其通信网络数据链路层的协议。modbus通讯协议是modicon公司设计的一种适用于工业控制的主从结构式串口通讯协议，