PLC在仓库码垛机中研发设计应用已读.docx
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PLC在仓库码垛机中研发设计应用已读
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
第一章绪论………………………………………………………………………1
1.1自动化立体仓库的概述………………………………………………………1
1.1.1自动化立体仓库的组成…………………………………………………………1
1.1.2自动化立体仓库的优点…………………………………………………………2
1.1.3自动化立体仓库的发展…………………………………………………………2
1.2码垛机的概述…………………………………………………………………2
1.2.1码垛机的发展…………………………………………………………………3
1.2.2码垛机研究技术的现状…………………………………………………………3
第二章码垛机控制系统的硬件设计………………………………………4
2.1控制技术要求和系统总体设计…………………………………………………4
2.2码垛机的位置控制………………………………………………………………5
2.2.1定位控制…………………………………………………………………………6
2.2.2认址检测方式……………………………………………………………………6
2.2.3认址方式确认……………………………………………………………………7
2.2.4码垛机速度曲线分析……………………………………………………………8
2.3PLC及资源配置…………………………………………………………………8
2.3.1S7-200系列PLC概述……………………………………………………………9
2.3.2CPU型号选择……………………………………………………………………9
2.3.3PLC模块选择…………………………………………………………………10
2.4码垛机变频调速系统设计……………………………………………………11
2.4.1变频器选型…………………………………………………………………11
2.4.2水平方向变频调速系统设计…………………………………………………11
2.4.3垂直方向变频调速系统设计…………………………………………………13
2.5码垛机货叉控制系统设计……………………………………………………14
2.6安全检测传感器的应用………………………………………………………15
2.7通信方案的确定………………………………………………………………16
2.8输入输出点的分配……………………………………………………………16
第三章码垛机程序控制设计………………………………………………18
3.1码垛机自检和复位/归位程序…………………………………………………20
3.1.1码垛机自检程序………………………………………………………………20
3.1.2码垛机复位/归位程序…………………………………………………………21
3.2自动方式下的码垛机运行控制………………………………………………21
3.2.1初始化程序设计………………………………………………………………22
3.2.2运行方式选择程序……………………………………………………………23
3.2.3自动控制中的寻址定位…………………………………………………………23
3.3手动方式下的码垛机运行控制………………………………………………25
3.3.1手动控制中的寻址定位程序……………………………………………………25
3.3.2手动方式下的货叉运行控制……………………………………………………26
3.4步进电机驱动程序……………………………………………………………27
结束语……………………………………………………………………………28
致谢………………………………………………………………………………29
附录………………………………………………………………………………30
参考资料…………………………………………………………………………32
1.2.2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5~50m/min提升至4~160m/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4~16m/min提升至0~25m/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4~35m/min；在码垛机自动控制方面还采用闭环控制变频调速系统、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0~80m/min；货叉速度一直保持在0~30m/min；认址采用光电探测，精度不足，认址出错率高。
第二章码垛机控制技术的硬件设计
2.1控制技术要求和系统总体设计
（1）本系统中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S7-200PLC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/min~360m/min；
垂直方向：
2m/min~80/min；
货叉：
2m/min~60/min
（2）本文码垛机的控制方式有自动和手动控制。
①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。
②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）在本文设计的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。
①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。
②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。
③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。
④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。
⑤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。
⑥PLC还有工作故障报警功能。
本系统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。
采用组态系统建立监控界面，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。
图2.1系统结构图
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。
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
2.2.4码垛机速度曲线分析
常见的速度运行曲线有三种，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。
V
AB
C
S1S2S3S
图2.4梯形速度曲线
2.3.3PLC的模块选型
由于S7-200-CPU226的集成24输入/16输出不能满足设计的要求，所以又选用了EM221扩展模块和EM235扩展模块，正好满足设计的需要。
所选模块型号如表2-2所示。
表2-2扩展模块选型表
系列号
类别
描述
选型型号
数量
EM221
输入扩展模块
DI16
6ES7221-1BH22-0XA0
1
EM235
输入/输出扩展模块
AI4/AO1
6ES7235-0KD22-0XA0
2
由于CPU226的输入点只有24个，不能满足设计的输入点的需要，所以加入一个EM221模块，该模块有16个数字输入点，总体上可以满足系统输入的要求。
另外加入两个EM235模拟量输入/输出模块是为控制水平和垂直运行的交流电机。
系统总体结构图如2.5所示：
图2.5系统总体结构图
2.4码垛机变频调速系统设计
为了实现码垛机的准确定位，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，由于水平和垂直运行电机分别采用三相交流异步电动机和单相交流异步电动机，所以对这两个方向的速度控制采用闭环变频调速控制。
2.4.1变频器的选型
（1）变频器的概念
变频器的工作原理是通过改变交流电频率方式实现交流电的控制。
变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功率。
（2）变频器的选型
本文根据综合考虑选择西门子MM440变频器，MM440型使用PID控制器，具PID微调等功能，MM440可用于矢量控制，可以实现高性能的应用，带内置制动单元，可以快速制动。
MM440变频器各项参数指标如下：
输入电压：
3相380VAC，50Hz。
输入电流：
2.8A。
输出功率：
0.75KW。
输出电压：
3相（0-380）VAC可调。
输出频率：
（0-650）Hz可调。
输出电流：
2.1
。
输出控制：
变频器由微机处理器控制绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的脉冲宽度调制频率，实现输出电压、频率可调。
控制作用：
，矢量—转矩、光电编码器反馈的速度控制等。
数字量输入：
6路带隔离的数字量输入。
数字量输出：
8路继电器输出。
模拟量输入：
2路（0~10）
模拟量输入。
模拟量输出：
2路（0~20）
模拟量输出。
通讯接口：
RS485通讯、USS协议。
操作功能：
AOP盘、BOP控制盘、电位器与外接端子操作。
2.4.2水平方向变频调速系统设计
水平行走电机采用220W的三相交流异步电动机，运行速度要求为2m/min~360m/min，系统采用转速闭环控制方式。
S7-200PLC的模拟量输出信号
作为MM440变频器的模拟量输入，来控制变频器输出频率和输出电压的变化，从而控制三相异步电动机的运行；电动机转速由光电编码器检测并反馈到PLC得高速计数口I1.4和I1.5，构成闭环变频调速系统。
系统方框图如图2.6所示，
为速度给定量，
为PLC输出的控制量，
为变频器输出电压，
为被控量，控制算法为PID。
扰动
-
图2.6PLC变频调速闭环系统结构图
（1）运用指令系统中的PID指令，偏差信号按照PID算法计算出控制量，用传送指令输出电压控制量到变频器的模拟量输入AIN1口。
（2）运用指令系统中的HDEF、HSC指令，进行高速计数中断程序设计，高速计数器设为HSC0和模式9，增计数，实时采集并存储光电编码器反馈的A、B两相正交脉冲数。
（3）在上位机监控系统中，实时测取系统各参数和输出特性，并能在上/下位机进行系统控制。
（4）采用模块化程序结构设计出控制程序，包括主程序、子程序和中断程序。
采用带传感器矢量控制闭环调速，能满足像码垛机这样动态特性要求较高，并且在低频时输出高转矩以及转速精度要求较高的场合。
由于码垛机在工作过程中是频繁启动和停车的，在高速运行的状态下还要求码垛机能够快速精准地停在目的地，因此在制动方面采用了动能制动，将电动机运行在发电状态下所回馈的能量消耗在制动电阻中，从而达到快速停车的目的。
变频器参数设定如表2-3所示。
表2-3变频器参数设定
参数号
设定值
功能说明
P0003
3
专家模式，使能读/写所有参数
P0004
0
全参数
P0700
2
外部按钮或上位机启动/停止系统
P1000
2
上位机或PLC程序给定设定
P1300
1
带磁通电流的V/f控制方式
P2010
6
通讯波特率设为9600
P2011
0
MM440变频器通讯地址
2.4.3垂直方向变频调速系统设计
垂直运行电动机采用200W的单向交流异步电动机，运行速度要求为2m/min~80m/min。
垂直方向变频调速系统与水平方向变频调速系统结构相似，但是由于单相异步电动机和三相异步电动机有所区别，所以垂直变频调速系统和水平变频调速系统也有不同的地方。
从结构上看单相异步电动机与三相笼型异步电动机相似，其转子也为笼型，只是钉子绕组为单相工作绕组，但通常为起动的需要，定子上除了工作绕组外，还设有起动绕组，它的作用是产生起动转矩，一般只在起动时接入，当转速达到70%~80%的同步转速时，由离心开关将其从电源自动切除，所以正常工作时只有工作绕组在电源上运行。
但也有一些电容或电阻电动机，在运行时将起动绕组接于电源上，这实质上相当于一台两相电机，但由于它接在单相电源上，故称为单相异步电动机。
图2.7是电容分组式单相异步电动机原理图。
图2.7电容分组式单相异步电动机原理图
1—工作绕组；2—起动绕组
K—离心式开关；C—电容器
单相异步电动机的突出特点是没有启动转矩和固定的转向。
为此要设置启动装置，以及电机中产生一个与主磁场在空间和时间上不同相得磁场，从而形成一定大小的旋转磁场以产生启动转矩。
单相交流电动机的变频调速与三相交流电动机的变频调速不同，将单相220V输入、三相输出的变频器的三个输出端子（U、V、W），接任意两端。
输出单相变频调速电源在输出端上串上一个足够电感量的电感，用于隔离电动机电容对变频器的危害作用（同时对变频器的高载波率起到一定的滤波作用），并保护电动机电容，此电路只适用于小功率单相电容运转式和罩极式电动机，不适用于带离心开关的单相电动机。
另外，变频器的输出电压和电动机的输出电压相匹配，变频器要留有足够的容量（应比电动机的使用功率大三倍）。
串联的电感要有足够的电感量和通过电流的流量，电感的磁性材料应与变频器的载波率相匹配。
变频器和单相电容式运转电动机的接线如图2.8所示。
图2.8变频器与单相电容式运转电动机的接线图
2.7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。
2.8输入输出点的分配
码垛机控制系统采用的PLC是S7-200CPU226，总共使用了所有的24个输入点和11个输出点，具体I/O点分配如表2-4所示码垛机控制系统使用扩展I/O模块EM221，其I/O分配表如表2-5。
扩展模块EM235是模拟量4输入/1输出模块，在本文所设计的控制系统中，只用到两个扩展模块EM235的输出通道MO、VO，接变频器MM440的端口3和4。
表2-4PLC（CPU226）输入输出I/O点分
输入部分
输出部分
I0.0
十六
进制
显示
键盘值1位
Q0.0
机械手控制脉冲
I0.1
键盘值2位
Q0.1
机械手方向改变
I0.2
键盘值3位
Q0.2
升降台上升
I0.3
键盘值4位
Q0.3
升降台下降
I0.4
机械手到位限位
Q0.4
小车向前运动
I0.5
机械手回位限位
Q0.5
小车向后运动
I0.6
货台是否有物
Q0.6
存物指示灯
I0.7
自动/手动（1/0）
Q0.7
取物指示灯
I1.0
小车前限
Q1.1
BCD输出
显示
BCD码1位
I1.1
小车后限
Q1.2
BCD码2位
I1.2
升降台上限
Q1.3
BCD码3位
I1.3
升降台下限
Q1.4
BCD码4位
I1.4
层寻址1
Q1.5
小车停止向前运动
I1.5
层寻址2
Q1.6
小车停止向后运动
I1.6
列寻址1
Q2.0
手动时层到位指示灯
I1.7
列寻址2
Q2.1
手动时列到位指示灯
表2-5EM221模块I/O点分配
1
水平左限位
I3.0
9
纵向认址下对准
I4.0
2
水平右限位
I3.1
10
左端歪斜传感器
I4.1
3
垂直上限位
I3.2
11
右端歪斜传感器
I4.2
4
垂直下限位
I3.3
12
左探有货传感器
I4.3
5
水平前对准
I3.4
13
右探有货传感器
I4.4
6
水平认址计数
I3.5
14
低速按钮
I4.5
7
纵向认址上对准
I3.6
15
中速按钮
I4.6
8
纵向认址计数
I3.7
16
高速按钮
I4.7
第三章码垛机程序控制设计
S7-200可编程控制器主要使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程和其它一些相关处理。
STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为SIMATICS7-200系列可编程控制器设计开发，功能强大，主要由用户用来开发控制程序，同时也可以实时监控用户程序执行状态。
它提供三种编辑器来创建你的程序：
梯形图、语句表和功能块图。
用任何一种程序编写程序，都可以用另外一种程序编辑器来浏览和编辑，但要遵守一些输入规则。
语句表编辑器按照文本语言的形式显示程序，此编辑器允许你输入指令助记条款来创建你的控制程序。
本文设计的码垛机控制系统采用手动和自动两种操作方式，其中自动又有自动入库和自动出库两种工作状态。
（1）自动：
由操作员在下层控制台输入货单，发出运行命令，码跺机根据货单和命令自动运行完成任务，实现甩手操作。
（2）手动：
由操作员亲自驾驶码跺机进行取货和放货操作，其中可以操作货叉的升降、伸缩，码跺机的上升下降，前进，后退操作，来完成货单任务。
程序采用模块化的方式进行编写，最后再将程序的各个部分集成为能完成完整功能的完整的程序。
系统采用中间信号来实现对具体运行动作的控制，从而更准确更安全的完成作业;并采用指示灯在现场指示系统具体的工作状态，并将工作信息写入到内存中，方便上位机对码跺机系统的运行进行实时的监视。
图3.1是系统主程序流程图.
手动方式
自动方式
Y
N
N
Y
图3.1主程序流程图
3.1码垛机自检和复位/归位程序
3.1.1码垛机自检程序
码垛机每次开机上电时，PLC系统通电，然后执行用户编写的功能模块程序。
PLC系统上电后，首先执行图3.2码垛机自检程序。
码垛机自检子程序主要是判断上次系统是否正常关机，如果属于非正常关机，码垛机有无不安全因素（货叉是否在收叉位置，载货台上有无货物，货位位置是否正常等），如果存在不安全因素，码垛机开始报警，等待故障处理。
如果正常关机，则判断码垛机工作模式。
在手动操作模式下，执行手动操作子程序。
在自动模式下，则由码垛机机载控制柜上的触摸屏操作下发作业任务。
Y
N
N
Y
图3.2码垛机自检子程序流程图
3.1.2码垛机复位/归位程序
当码跺机在运行过程中出现错误时（如认址认数器计数错误等），若不及时纠正，就会使仓库管理出现混乱，所以就需要系统能通过控制按钮方便的恢复系统的部分数据或设置，及时恢复系统的正常运行。
根据不同错误的严重情况，设立系统归位和系统复位两种方式。
码跺机复位程序流程图如图3.3所示。
当按下归位按钮超过3s码跺机开始在水平与垂直两个方向同时以中速返回原位。
当码跺机经过强制限速点时，强制为低速，直到运动到原位停止。
到达原位后，复位计数器；当水平与垂直两个方向均到达原位后，归位动作完成。
若重新启动被按下超过3s，系统会执行初始化程序，对系统的各个内存区及自由端口进行重新定义，同时，系统会启动返回原位程序，以重新设定计数器的当前值；若不需要码跺机归位
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