基于PLC的堆垛机定位控制系统的设计.docx
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基于PLC的堆垛机定位控制系统的设计
基于PLC的堆垛机定位控制系统的设计
摘要：
立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。
堆垛机是自动化立体仓库的主要作业机械，是自动化立体仓库的核心部件。
巷道堆垛机是实现整个仓库系统“自动”功能的关键设备，对其控制系统的研究具有广阔的应用前景。
本设计以西门子公司S7-200系列PLC为例，设计了巷道式堆垛机的定位控制系统，通过控制系统的硬件和软件的设计，实现了货物入库﹑出库等控制的目的。
该系统具有操作简便,自动化程度高,运行速度快、可靠性高等特点。
关键词：
立体仓库；PLC；巷道式堆垛机；定位方法
DesignofPositionControlSystemofStackeronPLC
ZhaoLi-hua
CollegeofPhysicsandElectronicInformationElectricalEngineeringandAutomationNo:
060544081
Tutor:
WangXi-juan
Abstract:
Thecreationanddevelopmentofstereoscopicwarehouseistherequestofmodernlogisticssystemdevelopmentandtheresultofinformationtechniqueprogress.Stackeristhecorepartofautomationstereoscopicwarehouse,whichcarriesonmanymainmissionsfortheautomationstereoscopicwarehouse.Themostimportantpartofthewholewarehousesystemislanedtypeofstacker.Theresearchofitscontrollingsystemhaswildlyapplicationforeground.ThispapertooktheexampleofSiemenscompany’sS7-200series
PLC,itresearchedthepositioncontrolsystemoflanedtypeofstacker.UsingPLCascontroller, realized the result of auto control in tridimensional depository by designing hardware and software of control system. The control includes input goods, output goods, and so on.Thissystemhadafeatureofeasytooperate,automatic,highspeedandhighreliableoperation.
Keywords:
Stereoscopicwarehouse;PLC;Lanedtypeofstacker;Posotioningmethod
1引言
自动化立体仓库是自控技术在物流管理上的一个很好的应用，它不仅具有节省用地、减轻劳动强度、提高物流效率、降低储运损耗、减少流动资金积压等功能，而且在沟通物流信息、保证生产均衡、合理利用资源、进行科学储备与生产经营决策等方面发挥着独特的作用。
自动化立体仓库融计算机网络数据库管理技术、自动控制技术、通讯技术、机电技术为一体，科技含量高，具有一定的复杂性。
本设计的对象堆垛机是自动化立体仓库的主要存取设备，直接执行出、入库等任务的操作，控制系统的灵活性和稳定性直接影响着整个系统的运行状况。
[1]
1.1自动化立体仓库定义
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，它以高层货架，成套先进的搬运设备，和先进的计算机控制技术组成了高效率和大容量的存储系统，适应了现代化生产的需求。
自动化立体仓库由PLC、堆垛机、计算机、货架、出入库输送机等设备构成。
其中PLC是控制核心，堆垛机是立体仓库的主要存取设备，它是由机架、行走机构、升降机构、载货台、机械手（货叉）构成。
堆垛机执行PLC命令去存取货物，同时在上位机可进行实时监控。
与传统的货物仓库相比,自动化立体仓库大大提高了空间利用率，加快了货物的存取,提高了生产效率。
[2]
1.2主要设计内容
本设计主要设计PLC在巷道式堆剁机定位控制系统中的应用。
其中堆剁机设计成4自由度的系统,货物放在升降台的机械手（货叉）上能实现上下、左右及前后的运动，输入对应的仓库号就可以存/取货物。
2巷道式堆垛机定位控制的总体设计
2.1巷道式堆垛机概况
堆垛机是自动化立体仓库中的主要设备,仓库中所有货物的入库、出库等作业都必须通过堆垛机完成。
自动化立体仓库具有占地面积小、自动化程度高等优点，它可以由上位机管理系统对整座仓库进行统一调度和控制，有着十分广泛的应用。
堆垛机控制系统的工作效率、可靠性及稳定性等的好坏在自动化立体仓库系统中起着至关重要的作用。
随着微电子技术的应用和发展，计算机控制的堆垛机日益增多，电子技术和控制技术都有了很大的提高，使堆垛机在精确定位的同时提高了搜索能力和运行速度，得到了更短的操作周期和更大的生产能力。
现在巷道式堆垛机的起升速度己经可以达到90m/min，运行速度达到240m/min,货叉伸缩速度达到30m/min。
现在运用的控制方式用PLC（可编程控制器）作执行机的控制器控制。
PLC具有可靠性高、通用性强、维护工作量小等优点，它由于可读性好，可靠性高，编程简单在实际中已经大量应用。
[3-4]
2.2巷道堆垛机机械结构
堆垛机基本结构主要由机架、行走机构、升降机构、载货台、机械手（货叉）、等装置组成。
机架：
堆垛机的机架是由立柱、上横梁及下横梁组成的长方形机架结构。
机架沿天地轨运行，为防止机架倾倒，在横梁上都装有导向轮。
行走机构：
行走机构由电机变速箱、行走轮、导向轮等组成。
在下横梁下有行走轮，其侧面有导向轮，保证堆垛机能正常行驶。
升降机构：
升降机构主要由驱动链轮，升降链轮，升降链条等组成。
升降链条与载货台相连接，与升降链轮，上下横梁的链轮及载货台组成封闭结构。
载货台:
载货台为装载平台，在侧面有导向轮以保证其能正常行驶在升降轨道上。
.
机械手：
机械手能实现上下、左右及前后的运动，主要完成存取货物的操作。
[5]
2.3定位控制系统总体设计
随着企业现代化生产规模的不断扩大，立体仓库成了生产物流系统中的一个重要的环节。
立体仓库以它很小的占地面积和很高的空间利用率，逐渐代替了平面仓库。
为满足现代化生产和流通的需要，就采用了以计算机控制技术为主要控制手段的自动化立体仓库。
自动化立体仓库是一种多层存放货物的高层仓库系统，是现在物流系统的主要设备。
作为一个定位控制系统，必须实现的目标如下：
（1）能满足控制系统要求的自动、手动控制功能；
（2）能根据使用者发出的指令做出相应的动作；
（3）能够根据实际的情况进行自动的校正。
本设计的智能立体仓库主要有货架、堆垛机、自动控制装置等部分组成，有自动和手动两种操作方式。
堆垛机是可以三维运动的门框式巷道堆垛机，它由固定在小车上的门式框架、沿门式框架上的垂直导轨作上下运动的升降台和在升降台上作伸缩运动的机械手（货叉）等三部分组成。
货物放在升降台的货叉上能实现上下、左右及前后的运动。
本设计将整个定位控制的全过程分成多个阶段：
小车前进到指定的货架列的过程，将货物抬升到指定的行的过程，机械手放置或取回货物的过程，放置或取回货物之后返回的过程。
前进的过程：
在这个过程中，无论是自动状态还是手动状态，小车都是从起始点出发，经过位置的校对，到达预先指定的货架的列。
抬升货物的过程：
在这个过程中，货物被抬升到指定的行。
存取货物的过程：
在这个过程中，通过控制机械手的运动，使机械手到达预先指定的位置，然后根据实际的需要完成存放或者取得货物的操作。
返回的过程：
在完成制定的操作之后，返回到起始的位置。
[6-7]
3定位控制系统的硬件设计
PLC操作、维护简单，程序直观，设计周期短，电路简单的特点很适合堆剁机控制系统。
它对环境要求不高，抗干扰性强，对操作人员和维护人员的要求也不高，安装、调试相对简单且设备数量少，因此选PLC为定位控制单元。
定位控制方式分为自动控制操作和手动控制操作。
其中自动和手动之间互锁。
当有存取操作时，PLC会接收和分析操作人员在控制面板按钮或上位机输入的指令，做出合理的控制安排：
判断检测元件的状态，读取仓库机械驱动部分的信息；然后，将信息反馈到执行元件，实现其位置移动，完成货物的存取操作。
本设计中PLC主要完成对货叉位置及运行状态的检测和存取的操作。
用各种光电开关、行程开关检测位置状态，用接触器、继电器执行对拖动电机的起停控制。
对机械手的操作就是控制小车电机（横移电机）和升降电机，使它们在不同时间实现正反转，然后再通过伸缩手臂来抓取货物。
而且升降、横移动作和机械手的伸缩动作必须是互锁的，即当前进或者升降动作时，机械手不能进行伸缩动作，当机械手进行伸缩动作时，不能进行前进或者升降动作。
水平方向的前后运动，由小车电机进行驱动，小车电机为220W的三相交流异步电动机。
堆垛机的垂直方向，由升降电机驱动升降台做升降运动，提升速度小于5m/min，提升功率也是220W的三相交流异步电动机。
固定在升降台上的机械手可以带动货物一起做伸缩运动，伸缩量为左右各300mm，用于货物的存取操作。
同时，通过键盘可以输入作业地址（某个仓库号）、作业指令（存、取），在输入作业地址、作业指令时操作面板可以马上显示出来，实现了简单的人机对话，保证了输入的作业地址和作业指令的准确性，提高了堆垛机运行的可靠性。
用数字和指示灯来显示各种信息，输入的数值和指令马上可以显示出来，校对容易。
另外，为了更好地进行自动或手动操作，在每个仓库上加一个检测开关，这些开关均接个显示灯，用来检测某个仓库是否有物。
[8]
3.1PLC的选型和资源配置
根据实际的控制点数和系统需要实现的控制要求，在本设计中选用西门子的S7-200系列的PLC作为控制系统。
3.1.1S7-200系列PLC概述
S7-200系列PLC是德国西门子公司生产的一种超小型PLC,超小型是指其功能具有大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的价格一样。
可以单机运行，也可以输入/输出扩展。
它结构小巧，可靠性高，运行速度快，继承和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势，又有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性。
S7-200硬件系统的主机中包含一定数量的I/O输入输出，同时还可以扩展各种功能模块。
（1）基本单元基本单元有时又称作CPU模块、主机或本机，它包括CPU、存储器、基本输入输出点和电源等，是PLC的主要部分。
它是一个完整的控制系统，可以单独地完成一定的控制任务。
（2）扩展单元主机I/O数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是多种条件共同决定的。
（3）特殊功能模块当需要完成某些特殊功能的控制任务时，特殊功能模块可以与SIMATICS7-200主机相连，它是为完成某种特殊的控制任务而设制的一种装置。
（4）相关设备相关设备是为了充分和方便的利用SIMATICS7-200系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人际操作界面和网络设备等。
（5）工业软件工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要有标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。
[9-10]
3.1.2CPU型号的选择
SIMATICS7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个独立的设备中。
CPU负责执行程序，对工业自动化控制任务或过程进行控制。
从CPU的模块看，S7-200系列小型可编程控制器的CPU22*模块的速度快，具有很强的通讯能力。
它有四种不同结构配置的CPU单元。
（1）CPU221CPU221具有6输入/4输出，共计10个点的I/O，无扩展能力，有6KB程序和数据存储空间。
还具有4个独立的30kHz高数计数器，2路独立的20kHz高数脉冲输出端，非常适合小点数的控制系统。
（2）CPU222CPU222除了具有CPU221的功能外，它有8输入/6输出，共计14点I/O，可以扩展8路模拟量和最多64个I/O,因此使用更广泛。
（3）CPU224它在CPU222的基础上使主机的输入输出点数增为24点，最大可扩展为168点数字量或者35点模拟量的输入和输出；存储量更大，还增加了一些数学指令和高数计数器的数量，具有更强的控制能力。
（4）CPU226这种模块在CPU224的基础上功能又进一步增强，主机输入和输出点增加到40点，最大可扩展为248点数字量和35点模拟量；增加了通讯口的数量，通讯能力更增强；它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。
根据控制点数来计算，选用CPU-224这个型号的CPU。
[11]
CPU224（扩展）分别对左右、上下及机械手电机模块进行控制，并对检测信号及外部输入数据和控制信号进行处理，实现对左右运动、机械手驱动、升降台提升机保护等控制的基本要求。
表1所示是CPU224的技术参数。
表1CPU224的技术参数
技术参数
说明
本机数字输入
十四路数字量输入
本机数字输出
十路数字量输入
高速计数器（32位值）
6个高速计数器
脉冲输出
2个，20kHz脉冲速率
模拟电位器
1个，8位分辨率
时间中断
2个，1ms分辨率
边沿中断
4个上升沿和/或4个下降沿
可选择的输入滤波器时间
7个，范围0.2ms-12.8ms
3.1.3其他功能模块的配置
位控模块是S7-200的具有特殊功能的模块，能够产生移动控制所需的脉冲串，它的组态信息存储在S7-200的V存储区。
位模块的特性如下：
（1）提供高速控制从每秒12个脉冲到每秒200000个脉冲；
（2）支持急停或加减速功能；
（3）提供可组态的测量系统，可以使用工程单位如英寸或厘米，也可以使用脉冲数；
（4）支持手动的位控方式；
（5）提供连续操作；[12]
3.2堆垛机位置的定位方法
堆垛机的定位主要有认址装置组成，认址装置由认址片和认址器组成。
认址器现在大多数为红外线光电开关或者光电传感器。
光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
红外线光电开关是利用近红外线和红外线来检测、判别物体。
通过光电装置瞬间发射的微弱光束能被准确的发射和接收。
光电开关能够处理光的强度变化，利用光束来反射物体，使光束发射经过长距离后瞬间返回。
光电传感器由发送器、接收器和检测电路组成。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源、发光二极管和激光二极管。
接收器由光电二极管或光电三极管组成。
在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。
在它后面是检测电路，它能够滤出有效信号和应用该信号。
另外，光电传感器的结构元件中还有反射板和光导纤维。
三角反射板是结构牢固的反射装置，它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用的意义。
为了定位精确，水平和垂直方向均装有两台认址器（GD1和GD2与GD3和GD4）。
水平方向的认址器安装在堆垛机底部的横梁上，认址片对应各列货格的地面位置，GD1和GD2随堆垛机一起前后运动，每经过一列货格，光电开关通过认址档板发出一脉冲信号写到PLC，内部计数器相应的计数，达到列认址目的。
垂直方向的认址片安装在对应货格的堆垛机的立柱侧面。
GD3和GD4随升降台一起上下运动，每经过一层货格，光电开关通过认址档板发出一脉冲信号写到PLC，内部计数器相应的计数，达到层认址的目的。
[13]
3.3系统硬件设计
根据本次设计要求，电机的分类如下
（1）控制水平传送链的电机M1,M3,M4,M6,M7,M9。
（2）控制上下运行的升降台的电机M2,M5,M8，在升降台处装行程开关。
（3）控制升降台上水平运行滚筒的电机。
LA、LB、LC为三相动力电源，N为零线，在开关K0前安装熔断器FU1～FU3。
本设计中控制传送链水平运行的电机M1，M3，M4，M6，M7,M9,M22需要变频调速，所以将变频器与它们相连。
热继电器起到保护作用。
本次设计为三级调速，所以用到变频器的输出口2，3，4。
电动机M2,M5,M8控制升降台的运动，因为需要上下运动，不是单相运动，所以用开关k2,k3,k5,k6,k8,k9控制。
控制升降台水平运动的电机M11,M33只需要控制单向，不需要调速，所以只用热继电器保护。
本次设计采用外部制动器YB，由整流器VC提供电源。
控制水平电机的原理如图1所示，控制升降台电机的原理如图2所示。
图1控制水平电机的原理图
图2控制升降台电机原理图
3.4PLC的I/O资源配置
从控制方式选择上需要2个按钮，分别完成自动方式I0.0和手动方式I0.1的启动。
需要一个停止按钮I0.2。
限位开关有4个，高位限位开关I0.4、低位限位开关I0.5、左位限位开关I0.6和右位限位开关I0.7。
手动控制输入有5个按钮组成，手动下降按钮I1.0、手动上升按钮Il.1、手动抓紧按钮I1.2、手动左移按钮I1.3和手动右移按钮Il.4。
工作台上有工件检测器的输入信号I0.3。
共有l3个输入信号。
输出信号有下降驱动Q0.0、上升驱动Q0.1、右移驱动Q0.2、左移驱动Q0.3和机械手抓紧驱动Q0.4。
共有5个输出信号。
（如表2所示）
表2I/O地址分配表
输入
输出
I0.0
自动方式启动按钮
Q0.0
下降驱动
I0.1
手动方式启动按钮
Q0.1
上升驱动
I0.2
停止按钮
Q0.2
右移驱动
I0.3
工件检测器的输入信号
Q0.3
左移驱动
I0.4
高位限位开关
Q0.4
机械手抓紧驱动
I0.5
低位限位开关
I0.6
左位限位开关
I0.7
右位限位开关
I1.0
手动下降按钮
I1.1
手动上升按钮
I1.2
手动抓紧按钮
I1.3
手动左移按钮
I1.4
手动右移按钮
I/O口接线电路如图3所示：
图3I/O口接线电路图
4定位控制系统的软件设计
4.1程序流程图
总体来说软件系统就是在硬件系统的支撑下，向驱动单元发出控制指令，使执行机构在预想的过程中准确无误的完成控制任务。
即外部输入接点闭合，输出设备动作；外部输入接点断开，输出设备停止动作。
根据系统的总工作流程可以总结出总程序流程图如图4所示。
图4总程序流程图
根据堆垛机的工作过程可以总结出机械手程序流程图如图5所示。
图5机械手程序流程图
4.2定位控制系统的控制程序
定位控制系统的控制程序由主控制程序OB1、自动控制程序SBR0和手动控制程序SBR1组成。
0B1的任务是根据启动信号分别调用自动控制程序SBR0和手动控制程序SBR1。
4.2.1主控制程序OB1
Network1：
M0.0为自动方式标志，只有按下自动启动按钮I0.0时，才能使M0.0置位。
当按下停止按钮I0.2时,M0.0复位。
Network2：
M0.1为手动方式标志,只有按下手动启动按钮I0.1时,才能使M0.1置位。
当按下停止按钮I0.2时,M0.1复位。
Network3：
M0.0有效时，调自动控制程序SBR0。
Network4：
M0.1有效时，调手动控制程序SBR1。
Network5：
如果自动启动按钮I0.0和手动启动按钮I0.1同时下按的误操作出现时，立即停止程序的运行。
Network6：
执行停止操作。
4.2.2机械手自动控制程序SBR0
Network1：
机械手第一次下降控制（下降的主要条件是机械手在原点且工作台上有工件）。
Network2：
机械手抓紧控制（抓紧的主要条件是机械手下降到工作台上）。
Network3：
抓紧的时间控制。
Network4：
第一次上升控制（其主要条件是机械手T101计时时间到）。
Network5：
右移控制（其主要条件是机械手上升到位）。
Network6：
第二次下降控制（下降的主要条件是机械手右移到位）。
Network7：
放松控制（放松的主要条件是机械手下降到位）。
Network8：
放松时间控制。
Network9：
第二次上升控制（其主要条件是机械手T102计时时间到）。
Network10：
左移控制（左移的主要条件是机械手上升到位）。
Network11：
机械手回原位控制（回原位的主要条件是机械手左移到位）。
4.2.3机械手手动控制程序SBR1
Network1是手动下降控制。
Network2是手动上升控制。
Network3是手动抓紧控制和放松控制。
Network4是手动左移控制。
Network5是手动右移控制。
以上程序经模拟调试达到了很好的效果，机械手能够安全、稳定地运行，实现了机械手自动化和半自动化的控制要求。
5结论
自动化立体仓库在物流工业中的优越性是显而易见的，而且随着现代科学技术的发展，这种优越性越来越为明显。
随着控制技术的发展，其效率也有很大的提高。
而作为核心部件的堆垛机，其最重要的控制功能就是定位控制，即实现精确定位和速度控制。
本设计主要设计了巷道式堆垛机的定位控制，利用S7-200PLC作为控制核心可以实现对现场设备的运行状态进行直接的定位控制。
从堆垛机的工作过程出发，设计了利用PLC来控制堆垛机位置的方法。
这种设计方法具有很好的控制效果，达到了设计要求。
自动化物流仓储设备的技术进步主要依赖于信息技术、计算机技术和控制技术的发展。
巷道式堆垛机是典型的机电一体化产品,它的技术水平主要体现在控制系统的先进性,本系统设计的基本出发点是实用性与先进性相结合，在保证系统实用能力的前提下体现技术的先进性，并为系统技术的进步提供基础。
自动化立体仓库在我国的发展还很不太先进，制造工业和计算机集成制造技术在我国的发展，使自动化立体仓库向更高的水平发展。
现代工业的发展和各种高新技术的出现对自动化立体仓库提出了更高的要求。
要求实现系统的柔性化，采用灵活的输送设备和物流线路是实现物流和仓储自动化的趋势，现在自动化立体仓库已经开始进入了智能储运技术阶段。
在堆垛机方面，不断推出具有新的物理外形和更高性能的设备，主要包括提高电子技术和控制技术，使堆垛机具有更高定位精度的同时提高搜索能力和运行速度。
作业的基本要求是能够获得更短的操作周期和更强的操作能力，这就要求我们不断学习提高自己的专业素质，同时还要加强与国外物流企业的交流与合作，认真学习吸收国外的先进技术与经验，以提高我国的自动化立体仓库的管理与设计水平。
参考文献
[1]D.R.伍德利.物料搬运[C].北京:
机械工业出版,1
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