自动化立体仓库的设计与应用毕业论文.doc

沈阳理工大学学士学位论文自动化立体仓库的设计与应用毕业论文目 录1绪 论11.1自动化仓库介绍11.2自动化立体仓库系统的国内外发展现状11.3本设计的研究意义和可行性22总体方案设计42.1本设计的内容及主要思路42.2自动化立体仓库系统的控制原理52.3堆垛机的伺服控制63系统的组成及硬件连接设计73.1工控器件简介73.1.1工控计算机73.1.2欧姆龙PLC简介73.1.3伺服控制系统83.2硬件设备选型93.2.1PLC选型93.2.2伺服驱动器和伺服电机的选型103.3硬件连接设计113.3.1主电路设计113.3.2I/O端子分配113.3.3PLC与触摸屏连接123.3.4PLC与伺服驱动器的连接133.4货叉的控制143.4.1货叉的液压控制143.4.2货叉的转动控制154数学建模175人机交互界面设计215.1PC与HMI间的通讯215.2触摸屏的界面设计215.2.1主界面设计及地址分配215.2.2水平和竖直参数界面设置225.2.3存货和取货参数界面设置245.2.4 手动参数界面设置256PLC控制程序设计276.1PLC指令系统276.1.1子程序指令介绍276.1.2数据传送（MOV）指令276.1.3数据移位指令(SFT)与计数器指令（CNT）276.1.4无符号比较指令(CMP)和ACC指令、PRV指令286.1.5动作模式控制INI和频率设定SPED316.2PLC程序设计326.2.1主程序设计326.2.2取货子程序设计366.2.3水平子程序设计和返回水平子程序设计396.2.4判断有无货子程序426.2.5手动子程序446.2.6重复输出程序457程序调试及说明47结束语48致 谢49参考文献50附录A：英文原文51附录B：汉语翻译58631 绪 论1.1 自动化仓库介绍自动化立体仓库系统【1】（Automated Storage and Retrieval System, AS/RRS）是在不直接进行人工处理的情况下能自动存储和取出物料的系统，这个定义覆盖了不同复杂程度及规格多样的系统，自动化立体仓库由计算机进行管理和控制，不必搬运即可实现收发作业的仓库。立体仓库【2】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，所以称为“立体仓库”。目前，这类仓库最大高度达到40多米，最大库存可大至数万甚至十多万个货物单位，可以做到无人操作，按计划入库和出库的全自动控制，并且可以实现仓库的计算机网络化管理。仓库一般由高层货架、仓储机械设备、建筑物及控制和管理设施等部分组成。货架的形式有很多样，材料一般用钢材或钢筋混凝土制作，钢货架的优点是构件尺寸小，仓库空间利用率高，制作方便，安装建设周期短，而且随着高度的增加，钢货架比混凝土货架的优越性更明显。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，货箱与托盘的基本功能是盛放小件物料，同时还应便于运输车和堆垛机的插取与存放。搬运设备是自动化仓库中的重要设备，它们一般由电力驱动，通过手动或自动控制实现把货物从一处搬到另一处。输送系统必须具备高度的可靠性，在立体仓库内，一般只有一套输送系统，一旦发生故障，就会使整个仓库受到影响。所以，要求输送系统的各个环节上的设备可靠、耐用、维修方便，对输送系统设置手动控制做后备。1.2 自动化立体仓库系统的国内外发展现状目前，自动化立体仓库在发达国家已相当普遍，日本是自动化仓库发展最快，建造数量最多的国家。此外美国、德国、瑞士、意大利、英国和法国等国家也建造了许多自动化仓库。发展至今，自动化仓库在设计、制造、自动化控制和计算机管理方面的技术也日趋成熟。据不完全统计，目前我国已建立的立体仓库近300个，其中全自动化的立体仓库有30多个。1995年建成的仪征化纤工业联合公司涤纶长丝自动化立体仓库是目前由国内独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体仓库。这些立体仓库广泛使用在机械制造业、电器制造业、航空巷、轻工和化工企业、商储业、军需部门等各个行业。截止到2006年底，全国自动化立体库的保有量已超过500座。2006年建设的自动化立体库在80座以上，主要集中在机械制造、汽车、烟草、食品加工、服装生产、医药生产及流通等行业，与2005年相比，整个市场有了很大发展。目前我国有能力承接立体仓库设计的单位已达数十家，主要有原机电部系统背景的起重机研究所、北京自动化研究所、上海自动化研究所、中国机械工程学会物料搬运学会、中国物流研究会仓储专业委员会、全军仓库机械自动化学会等。近年来我国自动化仓库技术【3】发展很快，已实现了与其它信息决策系统的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。尽管如此，至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与发达国家相比，无论从数量上还是建设水平上都有比较大的差距。这些差距主要表现在：1） 发展速度慢。目前，我们国家自动化仓库的数量和生产能力还不能满足今后我国经济发展的需求。2） 仓库形式和设备的品种、规格少，还不能满足各方面的需求。3） 应用先进控制技术和驱动技术的不多。例如，在国内堆垛机多采用两速、三速电机拖动，水平速度6080米/分，垂直运行速度1660米/分，货叉速度410米/分，速度不高，工作效率也不太高，经济效益也不太好。4） 研究开发和创新能力不强。自动化立体仓库正处于不断发展和完善的阶段，大型自动化立体仓库已经不是发展方向，而规模小、反应速度更快、用途更广泛的自动化仓库是未来的发展方向。它结合先进的控制技术，应用到分段输送和按预定线路输送方面，保持了高度的柔性和高生产率，满足了工业库存搬运的需要。1.3 本设计的研究意义和可行性自动化立体仓库是利用自动化存储设备同计算机管理系统的协作来实现立体仓库的高层合理化、存取自动化以及操作简便化。自动化立体仓库主要由货架、巷道式堆垛起重机（堆垛机）、入(出)库工作站台、调度控制系统以及管理系统组成。货架一般为钢结构或钢筋混凝土结构的结构体，货架内部空间作为货位存放位置，堆垛机穿行于货架之间的巷道中，可由入库站台取货并根据管理调度任务将货位存储到指定货位，或到指定货位取出货物并送至出库站台。国内外其它行业采用自动化仓库的情况已经充分证明，使用自动化立体仓库能够产生巨大的社会效益和经济效益。这些效益主要表现在以下几个方面:(l)由于使用高层货架，存储区可以大幅度地向空间扩展，充分利用仓库地面和空间，因此节省了库存占地面积，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地对仓库的各种信息进行存储和管理，降低了操作人员的劳动强度，从而提高仓库的管理水平；(4) 作业效率明显提高，能充分保证“先进先出”的合理作业原则。由于通过计算机管理实现自动作业，可以方便地实施货位和帐目的科学管理，改善库存结构，避免盲目压货，并改善劳动环境；(5)节约费用，随着经济的高速发展，我国有关行业开始重视立体库的研究，对于促进传统观念的转变、提高现代化物流意识，形成新型的商品流通产业等方面都能产生了强劲的推动作用。此课题的控制系统主要由PLC来控制，目前PLC生产厂商较多，易于购买，且使用寿命长和低故障率是世人所公认的。又因PLC控制程序能够实现生产过程的优化，降低物流系统的故障率，提高生产质量和生产效率。PLC不用进行额外布线，可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。2 总体方案设计 自动化立体仓库出入库流程的设计，是自动化立体仓库设计的重点，在自动化立体仓库设计初期就应当满足基本的出入库要求作为设计原则。在自动化立体仓库的设计过程中，应根据自动化立体仓库的不同特点，以及其他诸多因素，设计出入库流程。2.1 本设计的内容及主要思路本课题设计的自动化立体仓库为四行四列小型仓库。编号从0-15，从下到上为分别第一行到第四行，从左到右分别为第一列到第四列，取货或存货时行和列在变化，用i表示行，用j表示列。该自动化立体仓库主体由四层十六仓位库体、运动机械、导轨、伺服驱动及电气控制等部分组成。立体仓库总体布局如图2.1所示。图 2.1 自动化立体仓库总体布局图通过对本课题的分析，堆垛机需要水平运动、垂直运动，而且均要求位置控制和速度控制，所以采用两个伺服驱动器分别控制两个伺服电动机实现；货叉的左转右转用普通电动机正转反转来控制；货叉的伸出、缩回和微抬、微降用液压系统来控制。货格的长度、高度，以及堆垛机的水平速度、竖直速度、水平加速度、竖直加速度，还有存取货物的行、列等信息的输入和显示都由人机交互系统实现，系统共设计了两种工作模式：自动运行模式、手动运行模式。自动运行模式即为工业生产中的工作模式，当输入行和列取货时，系统开始判断该货格有没有货，如果无货，触摸屏报警灯亮并显示重新输入，如果有货，开始计算运动参数，通过读取伺服电动机自带的编码器脉冲与计算参数比较，进而实现水平运动和垂直运动。当到达指定货格时，货叉开始伸出-微抬-微降-缩回，取出货物，系统再一次读取编码器脉冲，通过计算返回到原位，实现取货过程。存货过程和取货过程方式类似。 手动模式用于维修排障时用，或测试堆垛机的各个动作是否能正常实现。2.2 自动化立体仓库系统的控制原理该控制系统由三部分组成：人机交互界面、可编程控制器（PLC）、伺服驱动系统；自动化立体仓库系统的控制主要分为两部分：堆垛机的水平运动控制和竖直运动控制，其中水平运动和竖直运动为进给运动。堆垛机的控制过程包括如下内容：当工作人员通过触摸屏输入好参数之后，数据通过RS232通讯线送入PLC进行处理，堆垛机先水平运动，当实际运动位移达到水平计算位移时，堆垛机开始竖直运动，当实际运动到计算位移时，运动停止，然后开始进行取货或存货。取货或存货结束后，堆垛机先竖直返回，然后水平返回。在实际操作中，堆垛机的运动控制可通过人机界面向PLC传送数据，PLC对其输入的数据进行处理，然后向各个伺服驱动器发出脉冲控制信号让伺服电机旋转，再通过各电机轴自带的光电编码器进行采样，将位置与速度反馈给伺服驱动器。该过程中，水平位移和竖直位移均由与伺服电机同轴连接的编码器与伺服驱动器实现精确控制，从而使整个系统之间构成半闭环。货叉的转动是由普通电机的正反转【4】实现的。该系统的控制原理图如图2.2所示，伺服电机1控制堆垛机水平进给运动，伺服电机2控制堆垛机竖直进给运动。普通电机控制货叉的旋转。液压缸1控制货叉的伸缩，液压缸2控制货叉的升降。具体驱动型号第三章给出。本控制系统的核心控制器采用欧姆龙PLC，相关参数由触摸屏传送给PLC，各伺服系统均由一个伺服驱动器和一个伺服电机组成，其中水平进给和竖直进给运动都带有一个减速装置，且PLC向驱动器发出脉冲和方向信号，经由伺服控制系统控制伺服电机，驱动齿轮带动堆垛机运动，把电机的旋转运动转化为堆垛机的往返移动，分别带动堆垛机水平前进、返回和竖直前进、返回，货叉的旋转是采用普通电动机正反转控制系统实现的。图 2.2 自动化立体仓库控制系统原理图MINAS-A4系列驱动器有三种基本的控制方式：位置控制模式、速度控制模式、扭矩控制模式。速度控制和扭矩控制模式均采用模拟量进行控制，位置模式则是通过脉冲信号进行控制的，具体采用何种控制方式要按照具体应用环境分析，根据要求的运动功能来进行选择。该系统要求堆垛机在运行的过程中根据行和列计算的位移行走，对位置的控制有较高的要求，因此采用位置模式进行控制比较合理。2.3 堆垛机的伺服控制本课题堆垛机的运动主要有堆垛机的水平和竖直驱动，这两个运动均采用交流伺服系统控制，由PLC作为核心控制器，根据要求选择位置控制模式，驱动电机旋转，电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。3 系统的组成及硬件连接设计本文所述系统由PLC、伺服驱动器及伺服电动机、普通电动机、液压系统、行程开关、指示灯、按钮开关、拨动开关、旋转开关等成熟的工控器件组成，本章主要对组成的硬件系统进行简要介绍，说明这些器件在系统中的用途，并详细介绍硬件连接设计，以及欧姆龙PLC、伺服电动机的具体参数设置。3.1 工控器件简介在工业自动化领域，PLC是大多数自动化控制系统的基础设备，行程开关可以检测到系统的当前情况，给出相应的开关量，提供给控制器件进行处理。3.1.1 工控计算机IPC(Industry personal computer)简称工控机，伴随着PC产业的发展，工控机得到了长足的发展。工控机多在恶劣的环境下使用，易维护、散热、防尘性能好，尺寸限制严格。工控制是利用了个人计算机PCI总线和PC/104总线、采用功能板卡扩展控制I/O点来实现计算机控制的一种方便的控制设备。它具有工业现场应用特性，同时又极大地利用了PC机的软件环境，可以方便的选择各种制造商提供的产品。 3.1.2 欧姆龙PLC简介PLC（Programmable Logic Controller）【5】,中文全称为可编程逻辑控制器，是一种以计算机为基础的专用控制装置，专为工业环境下应用设计。它采用可编程的存储器，存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式输入输出，即可控制一台生产机械、一条生产线，也可控制一个生产过程。可编程控制器和它的有关设备，应该按照易于和工业控制系统连成一体，并易于扩充功能的设计原则。日本欧姆龙公司是世界著名PLC生产商之一，欧姆龙公司的PLC小型机与其他日本品牌的小型机一样非常有特色，某些欧美中大型机能实现的控制功能，用欧姆龙小型机就可以实现。欧姆龙公司的PLC产品分为大、中和小型机，大、中型机采用模块式结构，小型机采用整体式结构。小型机：我国早期使用较多的欧姆龙小型PLC主要有CPM1A、CPM2A系列，其性价比高、社会拥有量大，现在已逐渐被功能更为强大的的升级产品CP1H、CP1L系列小型PLC取代。中型机：欧姆龙中型PLC主要有C200H、C200H、CQ1M、CJ1M、CJ1和CJ2系列等， C200H是C200H的升级产品，有品种齐全的通信模块，CJ系列PLC结构紧凑、功能强大，是近几年来畅销的机型。大型机：欧姆龙大型PLC主要有CV、CVM1、CVM1D、CS1和CS1D系列，CS1是大、中型机的代表，尽管CS1是中型机C200H的后续机型，但是在大型场合也可胜任，故归为大型机。CP1H/CP1L、CJ1和CS1系列分别是欧姆龙的小、中、大型PLC。CP1H/CP1L具有与CJ1、CS1几乎一样的内部存储结构，故可以实用CJ1、CS1一样的梯形图编程。利用欧姆龙CP1H系列PLC作为该立体化自动仓库系统的控制器，是考虑到其控制可靠性高、抗干扰能力强、编程简洁性、与伺服系统的易连接性、对外环境的要求较低、功能强、适应范围广，并且价格低廉，系统设计、调试和为维修比较方便。3.1.3 伺服控制系统伺服系统按照控制方式分为开环控制系统和闭环控制系统，其中闭环控制系统又可分为全闭环控制系统和半闭环控制系统。开环控制系统没有检测装置，其驱动电机一般为步进电机，闭环控制系统多采用直流或交流伺服电机驱动，两种系统都有各自的特点，它们具体区别见表3.1。综合比较，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。由于本课题有较高的精度要求，所以在本课题自动化立体仓库控制系统的设计过程中选用交流伺服电机驱动。 表3.1 步进电机、伺服电机的比较步进电机系统伺服电机系统力矩范围 中小力矩（一般在20Nm以下） 小中大，全范围 速度范围 低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM） 高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达12万转/分 控制方式 主要是位置控制 多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式 平滑性 低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善） 好，运行平滑 精度 一般较低，细分型驱动时较高 高（具体要看反馈装置的分辨率） 矩频特性 高速时，力矩下降快 力矩特性好，特性较硬 反馈方式 大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步 闭环方式，编码器反馈 编码器类型 光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型 响应速度 一般 快 耐振动 好 一般（旋转变压器型可耐振动） 温升 运行温度高 一般 维护性 基本可以免维护 较好 价格 低 高 3.2 硬件设备选型3.2.1 PLC选型堆垛机和出入库的控制系统采用欧姆龙系列可编程控制器（PLC）作为控制核心通过分析控制要求可知，自动化立体仓库控制系统需要23个输入，13个输出，不同厂家，不同系列的PLC，其内部的软继电器（编程元件）的功能和编号各不相同，因此在编程时，必须按照课题要求选择PLC型号【6】，并且熟悉所选用的PLC的每条指令涉及编程元件的功能和编号。由于伺服电机是通过高频率脉冲信号来控制转动的，故要想实现对其控制必须选择晶体管的PLC。由于输入端口比较多，需要拓展输入单元，由于CP1H 能够连接CPM1A 系列的扩展单元，拓展8点输入即可满足要求，所以选择CPM1A-8ED型号。根据本课题要求和表3.2、表3.3【7、8】所示，选择CP1H-XA40DT-D型号（晶体管输出，24输入、16输出）的PLC和CPM1A-8ED型号（晶体管8输出，8输入）。表3.2 CP1H系列PLC的输入、输出继电器的数量类型类型名称电源电压型号通用内置输入通用内置输出X型基本型AC100-240VCP1H-X40DR-ADC输入24点继电器输出16点DC24VCP1H-X40DT-A晶体管（漏型）输出16点CP1H-X40DT1-A晶体管（源型）输出16点XA型带内置模拟输入输出端子型AC100-240VCP1H-XA40DR-A继电器输出16点DC24VCP1H-XA40DT-D晶体管（漏型）输出16点CP1H-XA40DT1-D晶体管（源型）输出16点Y型带脉冲输入输出专用端子型DC24VCP1H-Y20DT-DDC输入12点晶体管（漏型）输出8点表3.3 CPM1A 扩展单元的连接占有通道数拓展I/O单元单元名称单元型号消耗电流（mA）占有CH数DC5VDC24V输入输出输入输出40点单元CPM1A-40EDR80902CH2CHCPM1A-40EDT160-CPM1A-40EDT1160-输入输出20点单元CPM1A-20EDR103441CH1CHCPM1A-2EDT130-CPM1A-20EDT1130-输出16点单元CMP1A-16ER4290-2CH输入8点单元CMP1A-8ED18-1CH-输出8点单元CMP1A-8ER2644-1CHCMP1A-8ET75-CMP1A-8ETI75-3.2.2 伺服驱动器和伺服电机的选型由于伺服驱动器和伺服电机必须要配合使用，不同的工况条件下，所选择的伺服驱动器型号和伺服电机型号都不一样。为了满足本课题的要求，选择驱动器型号为C型三相220V(MCDDT3520)，因为伺服电机1和伺服电机2分别控制堆垛机的水平运动和竖直运动，这两个运动均需要有减速装置，所以均选择型号MSMDO42S1*，所选相关参数如表3.4所示。表3.4 伺服驱动器、伺服电机参数伺服驱动器适配电机型号类型输入电源型号电压额定功率额定转速编码器规格MCDDT3120C型单相100VMSMD041P1*100V400W3000rpm5线制，2500P/rMSMD041S1*7线制，17位MCDDT3520C型单相/三相200VMSMD082P1*200V750W5线制，2500P/rMSMD082S1*7线制，17位MSMD042P1*400W5000rpm5线制，2500P/rMSMD042S1*7线制，17位3.3 硬件连接设计3.3.1 主电路设计经过分析设计，硬件电路图包括伺服电动机1、伺服电动机2、伺服驱动器1、伺服驱动器2、普通电动机、可编程控制系统（PLC）、触摸屏与外接电源的连接，PLC与触摸屏选用24V外接电源，电机选用220V外接电源。伺服电动机由伺服驱动器控制与主电源连接。普通电动机控制货叉正反转，与380V外接电源连接。最终确定主电路连接图如图3.1所示。图 3.1 主电路3.3.2 I/O端子分配自动化立体仓库控制系统包括：伺服电动机启动、伺服电动机停止、SR-RDY准备好；存货、取货；货叉伸出、缩回；货叉微抬、微降；货叉左转、右转；旋转装置有限位开关，包括左转到位、右转到位；存货、取货有左限位、下限位；还有自动、手动两种工作模式等等输入，还有高速脉冲输出和控制液压系统中货叉伸缩、微降等等输出，自动化立体仓库控制系统具体I/O端子分配如表3.5所示。表3.5 自动化立体仓库控制采用的输入/输出设备和对应的PLC端子输入输出输入设备对应端子功能说明输出设备对应端子功能说明SQ10.00伸出限位开关脉冲输出0100.00SQ20.01缩回限位开关100.01SQ30.02微抬限位开关脉冲输出1100.02SQ40.03微降限位开关SQ50.04左转限位开关SQ60.05右转限位开关100.03SQ70.06左限位开关SQ80.07下限位开关FR0.08过载保护SB10.09转位停止KA1继电器100.04SRV1-ONSB20.10手动左转KA2继电器100.05SRV2-ONSB30.11手动右转KM1交流接触器100.06左转SB41.00手动上升KM2交流接触器100.07右转SB51.01手动下降YA1电磁铁101.00伸出SB61.02手动左行YA2电磁铁101.01缩回SB71.03手动右行YA3电磁铁101.02微抬SB81.04手动伸出YA4电磁铁101.03微降SB90.05手动缩回HL101.04伺服准备好指示灯SB100.10手动微抬SB110.11手动微降转换开关QS1.08手动1.09自动SB121.10伺服启动SB121.11伺服停止KA5触点2.00SR1-RDYKA6触点2.01SR2-RDY3.3.3 PLC与触摸屏连接在实际操作过程中，为了观察和使用方便，在PLC外部连接了触摸屏【9】，在触摸屏上，可以输入堆垛机水平和竖直的运行速度，随意输入行和列取货或存货，还可以在触摸屏上得知此货格是否有货，如果取货时无货报警灯闪烁，并提示重新输入，反之，存货时此货格如果有货，报警灯闪烁，并提示重新输入。这样就可以很方便的观察货物的出入库情况，PLC和触摸屏之间通过RS232传送数据，PLC与触摸屏的连接如图3.2所示。图 3.2 PLC与触摸屏的连接3.3.4 PLC与伺服驱动器的连接 堆垛机的水平运动和竖直运动都是由伺服电动机驱动器实现的，伺服驱动器与PLC连接高速脉冲输出端接口是固定的，本课题需要两个伺服电动机来控制，即需要两个伺服驱动器，伺服驱动器1脉冲输出端接PLC的输出端为100.00,100.01；伺服驱动器2脉冲输出端接PLC输出端的100.02,100.03,图3.3为PLC与伺服驱动器1连接图，伺服驱动器2与PLC连接与图3.3类似。图 3.3 PLC与伺服驱动器1的连接3.4 货叉的控制3.4.1 货叉的液压控制由实际分析可知，当堆垛机运动到指定货格位置时，货叉需要微抬、微降，伸出、缩回实现货物的进出，在本课题中，由液压系统【10、11】实现这些过程。图3.4为货叉伸出、缩回液压系统原理图，图3.5为货叉微抬、微降液压系统原理图。 图 3.4 货叉伸缩原理图 图 3.5 货叉抬降原理图1液压泵；2三位四通电磁换向阀； 1液压泵；2三位四通电磁换向阀； 3溢流阀；4液压缸。 3溢流阀；4液压缸。 图3.4、图3.5所示采用行程开关控制电磁换向阀【12】顺序动作回路。在图3.4中，当货叉伸出按钮接通时，电磁阀1YA得电，缸4活塞先向右运动，当活塞杆上的挡块压下行程开关SQ1后，伸出停止，当货叉缩回按钮接通时，2YA得电，缸4活塞退回，当活塞上的挡块压下SQ2后，缩回停止。在这种回路中，调整挡块的位置可调整液压缸的行程，通过电控系统可任意改变动作顺序，方便灵活，应用广泛。同理，在图3.5中，当微降按钮接通时，3YA得电，缸4活塞先向右运动，当活塞上的挡块压下SQ4后，微降停止，当货叉微抬按钮接通时，4YA得电，缸4活塞退回，当活塞上的挡块压下SQ3，微抬停止。3.4.2 货叉的转动控制立体仓库需要控制货叉的左转和右转，以便进行取货和存货。本课题采用普通电动机的正转和反转分别来控制货叉的左转和右转，图3.6为电机控制货叉左转和右转原理图。当左转按钮接通时，KM1线圈得电，其主触点闭合，继电器KA3得电，电机正向转动，带动货叉左转，同时串接在KM2线圈回路中的KM1的常闭触点断开，保证在KM1得电的前提下，KM2线圈不可能得电，以避免电动机短路，反之亦然。当左转到位时，左转停止，接着执行下一步命令，当右转按钮接通时，KM2线圈得电，其主触点闭合，继电器KA3得电，电机反向转动，带动货叉右转，转到右限位时停止转动。图 3.6 货叉左转右转原理图 4 数学建模 货格分布如图4.1所示 。图 4.1 货格分布示意图水平位移计算公式见公式4.1： Li=L0+jS0 （4.1）竖直位移计算公式见公式4.2：（4.2） Lj=S02+i-1S0其中 L0堆垛机水平位置到第一个货格的距离（mm）；i 存货或取货输入的行数； j 存货或取货输入的列数； S0货格的宽度（mm）； S1货格的高度（mm）。本课题的数学建模包括水平运动数学建模和竖直运动数学建模。水平运动数学建模与竖直运动数学建模类似，下面详细说明水平运动的数学建模。水平运动和返回水平运动速度曲线如图4.2所示，当程序调用水平子程序时，堆垛机开始水平运动，OA为水平加速阶段，AB为水平匀速阶段，BC为减速阶段，BD为低速阶段，DE为运动停止阶段。当程序调用水平返回子程序时，堆垛机开始水平返回，EF为水平加速返回阶段，FG为水平返回匀速阶段，GH为水平返回减速阶段，HJ为返回运动停止阶段。因为伺服电动机驱动堆垛机运动需要齿轮齿条实现，所以运算时需要考虑到齿轮的传动比i，与伺服电动机1连接的齿轮传动比为i1，系统的控制核心为PLC，图4.2中的加速阶段和减速阶段通过频率加减速控制ACC指令实现，所以需要将伺服电动机的速度转化为频率。图 4.2 水平运动和返回水平运动速度曲线示意图LOB=Lj-10-V122aOB段长度为减速点位移，计算公式见4.3：（4.3）LOH=2Lj-10-V122a返回时减速点OH位移计算公式见4.4： （4.4）因为电动机的转速不是固定的，设伺服电动机1转速为n1，由于有传动比i1的存在，所以经过齿轮后的转速为n1i1,齿轮1直径为d1 ,齿轮齿数为Z1,齿轮模数为m1,则可列出齿轮周长公式见4.5、水平速度公式见4.6： C1=d1 （4.5） 式中 C1齿轮1周长（mm）；v1=n1C1i160d1齿轮1直径（mm）。 （4.6） 式中 v1 水平速度1（mm/s）；n1 伺服电机转速（r/min）。脉冲当量是相对于每一脉冲信号的机床运动部件的位移量，又称作最小设定单位，现设伺服电动机1自带编码器分辨率为P1,则脉冲当量计算公式见4.7: Pm1=C1i1P1 （4.7）式中 Pm1伺服电动机1脉冲当量；C1 齿轮1周长（mm）；i1 齿轮1传动比；P1伺服电动机编码器分辨率。水平速度和伺服电动机转速对应关系见公式4.8：n1=60v1i1C1 （4.8）fn1=n1Pm1转速转化为频率公式见公式(4.9)： （4.9）式中 fn1水平速度v1转化的频率（HZ）。将公式4.7、公式4.8代入公式4.9整理得fn1=i12C1260V1P1 （4.10） fa1=i1C1a1250Pm1加速度转化频率时，对应为每4ms的频率增量，所以加速度转化为频率公式见4.11：（4.11） 式中 a1水平加速度（mm/s2）。因为水平实时位移等于累计脉冲与脉冲当量的乘积，即L=Q1Pm1 （4.12）式中 Q1伺服电动机1累计脉冲个数。同理，v2转化频率见公式（4.13）：fn2=i12C1260v2P1 （4.13） 式中 fn2水平速度v2转化的频率。水平运动过程为开始ACC 加速，当达到v1转化的频率后开始匀速，当到达减速点B时ACC减速，减速到v2转化的频率时，低速匀速运动，当达到计算位移时，运动停止，当调用水平返回子程序时， 先ACC加速返回，当达到v1转化频率开始匀速，匀速到减速点H时，ACC减速，减速到v2转化的频率时，开始低速运行，匀速到左限位运动停止。 同理，竖直运动数学建模与水平运动数学建模计算过程相同，这里不再重复。5 人机交互界面设计人机交互（英文：Human-Computer Interaction或Human-Machine Interaction,简称HCI或HMI），是一门研究系统与用户之间的交互关系的学问。人机交互界面（Human-Computer Interface或Human-Machine Interface）大量运用在工业与商业上，简单的区分为“输入”（input）与“输出”（Output）两种，指的是由人来进行机械或设备的操作，如把手、开关、门、指令（命令）的下达等，而输出指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明提示等，好的人机界面会帮助用户更简单、更准确、更迅速的操作机械，也能使机械发挥到最大的性能并延长使用寿命，而且目前市面上所指的人机界面则多界狭义的只在软件人性化的操作接口上。5.1 PC与HMI间的通讯图5.1为PC与HMI间的通讯【13】连接，利用EB8000的在线模拟功能，PC可以透过以太网络撷取HMI上的数据，并将这些数据保存在PC上。图 5.1 PC与HMI间的通讯连接PC也可以利用控制HMI上的系统保留寄存器（LB与LW），直接控制HMI。相对的，HMI也可以直接控制PC的行为表现，例如要求PC储存HMI或PLC上的数据。5.2 触摸屏的界面设计根据本课题人机界面要求，可以设置为主界面、存货界面、取货界面、水平参数界面、竖直参数界面、水平返回参数界面、竖直返回参数界面、手动界面。5.2.1 主界面设计及地址分配主界面设置如图5.2所示 ，设置水平参数，设置竖直参数，手动设置、存货、取货按钮都是由功能键实现的。“功能键”元件提供窗口切换、调用其它窗口、关闭窗口等功能，也可用来设计键盘的按键。按下按钮时就会转到相应界面。在主界面中有16个指示灯，它们都是由位状态控制的，来显示相应货格有无货，“位状态指示灯”元件用来显示位寄存器的状态。状态为OFF，则显示所使用图形的状态0；状态为ON，则显示所使用图形的状态1。修改标签状态为0时对应无货，状态为1时对应有货。16个指示灯位地址分别对应W300.00,W300.01,W300.02,W300.03,W300.04,W300.05,W300.06,W300.07,W300.08,W300.09,W300.10.W300.11, W300.12,W300.13,W300.14, W300.15。图5.2 主界面5.2.2 水平和竖直参数界面设置水平参数界面设置如图5.3所示，设置竖直参数和主菜单是由功能键控制的，其余的都是由文本框和数值输入实现的，“数值输入”元件可以用来显示所指定寄存器内的数值，还可以使用键盘输入数据，来修改寄存器内的数据。例如点击v1所对应的数值输入框时，会自动出现键盘，此时可以输入数据，其它数值输入框格与此相同，图5.4为输入后显示界面，数值是根据用户需求设置的。当按下设置竖直参数或返回主菜单按钮时会转到对应界面。各参数对应地址见表5.1所示。竖直界面与水平界面类似，不再重复，地址分配见表5.2。 图 5.3 水平界面参数设置图 5.4 水平界面参数设置后表5.1 水平界面地址分配名称地址名称地址速度V1D300初始距离L0D307速度V2D301齿轮模数m1D304加速度a1D302齿轮齿数Z1D305编码器分辨率P1D303传动比i1D306货格长度S0D308表5.2 竖直界面地址分配名称地址名称地址速度V3D400货格高度S1D407速度V4D401齿轮模数m2D404加速度a2D402齿轮齿数Z2D405编码器分辨率P2D403传动比i2D4065.2.3 存货和取货参数界面设置存货界面和取货界面如图5.5、图5.6所示，在存货界面行和列为数值输入框，行列地址分别为D100、D101，存货确认为位地址，用来确定存货，位地址为W302.01，返回主菜单为功能键，图中闪烁时请重新输入是报警灯，由位状态地址实现，位状态为0时闪烁报警，位状态为1时显示无货，位地址为W301.01，16个指示灯和主界面的16个指示灯为同一地址，用来显示对应货格是否有货。取货界面和存货界面类似，行和列地址分别为D200、D201,报警灯位地址为W301.02,状态为0时显示闪烁时无货，请重新输入，位状态为1时显示有货，16个指示灯和主界面16个指示灯的位地址相同，取货确认位地址为W302.02。图5.7为存货数值输入后的显示界面，取货数值输入后和存货界面类似，此处不再重复。图 5.5 存货界面 图 5.6 取货界面图 5.7 存货界面参数设置后5.2.4 手动参数界面设置手动参数界面设置如图5.8，由于在水平界面和竖直界面中，两个伺服电动机和齿轮参数已经设置了地址，在手动程序中可以直接利用，而手动速度要求比较低，不能利用水平界面和竖直界面中的速度，所以在手动界面中只需设置手动速度就可以，手动速度地址为D450，当按下返回主菜单时返回主界面。图5.9为手动界面参数设置后界面，根据用户需求，速度自己设定。图5.8 手动界面图5.9 手动界面参数设置后6 PLC控制程序设计本章介绍自动化立体仓库控制系统编程过程涉及的主要指令介绍和各阶段的程序设计。6.1 PLC指令系统CP1系列PLC具有较丰富的指令集【14】，按功能大致可分为两大类：基本指令和特殊指令。 在本课题中判断货格有无货是难点，其中用到的比较重要的指令是数据移位指令、计数器指令、逻辑运算指令；在程序中，子程序的应用也是比较多的，这部分指令包括子程序调用、子程序定义、子程序返回；同时还有数据传送指令、数据转换指令、四则运算指令和数据比较指令等等。下面介绍本课题中涉及到的重点指令。6.1.1 子程序指令介绍在编程时经常会遇到相同的程序需要多次执行的情况，比如在取货和存货时都需要计算水平位移和竖直位移，编写时比较麻烦且程序容量大，解决这个问题的方法是将需要多次执行的程序段从主程序中分开出来，单独写成一个子程序，在主程序相应的位置调用出来即可。在本课题中，一共涉及到八个子程序，分别为取货子程序、存货子程序、水平子程序、返回水平子程序、竖直子程序、竖直返回子程序、判断有无货子程序、手动子程序。其中取货子程序、存货子程序、手动子程序是主程序里的子程序，其余的五个子程序是取货和存货程序中的子程序。子程序指令及使用如表6.1所示。6.1.2 数据传送（MOV）指令在本课题中多次用到数据传送（MOV）指令，主要是把一个地址中的数据放到另一个地址中，以便程序中可以进行运算。表6.2为该指令介绍。6.1.3 数据移位指令(SFT)与计数器指令（CNT）在本课题中，判断货格是否有货编程是难点，主要应用指令为数据移位指令（SFT）和计数器指令（CNT）。下面介绍这两种指令。表6.3为数据移位指令介绍，表6.4为计数器指令介绍。6.1.4 无符号比较指令(CMP)和ACC指令、PRV指令比较指令在水平子程序、竖直子程序、判断有无货子程序里均有应用，表6.5为无符号比较指令(CMP)的介绍。频率加减速控制ACC和脉冲当前读取值PRV在控制堆垛机的运行起到了至关重要的作用，下面介绍这两种指令。见表6.6、表6.7。表6.1 子程序指令介绍指令名称、格式与符号功能说明操作数子程序调用SBS NSBSN调用编号为N的子程序。在子程序中在调用其他的子程序称为嵌套，子程序调用指令的嵌套最多为16层0 255（十进制）子程序进入SBN NSBNN 开始编号为N的子程序0 255（十进制）子程序返回RETRET 子程序结束，并返回调用指令的下一条指令无操作数表6.2