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PLC在仓库码垛机中的设计应用(已读)
- 2020-09-18 01:41-

  PLC在仓库码垛机中的设计应用(已读)_能源/化工_工程科技_专业资料。目录 摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ 第一章 绪论 ………………………………………………………………………1 1.1 自动化立体仓库的概述 ……………………………

  目录 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 2.3 PLC 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 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 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 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 PLC 在仓库码垛机中的设计应用 1 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。 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 PLC 在仓库码垛机中的设计应用 3 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。 ⑥ PLC 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。 监控计算机 码垛机水平认 址系统 码垛机纵 向认址系 统 S7-200 PLC 码垛机货 物检测系 统 码垛机限 位保护系 统 码垛机纵 向变频系 统 码垛机水平变 频系统 码垛机货 叉控制系 统 码垛机纵 码垛机水 向运行机 平运行机 构 构 图 2.1 系统结构图 码垛机货 叉运行机 构 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 控制器 调速系统 M 编码器 速度检测 认址器 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 所示, 梯形速度曲线码垛机以加速度 am 启动加速,当匀加速到最大运行速度 vm 时,保 持该速度运行一段时间,再以 am 匀减速运行,直到零速停靠。 V A B S1 S2 C S3 S 图 2.4 梯形速度曲线PLC 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 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 PLC 在仓库码垛机中的设计应用 5 系列号 类别 EM221 输入扩展模块 描述 DI16 选型型号 数量 6ES7221-1BH22-0XA0 1 EM235 输入/输出扩展 AI4/AO1 6ES7235-0KD22-0XA0 2 模块 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: 上位机 输入区 RS-485 输出区 手动开关 光电编码器 限位开关 CPU226 EM221 EM235 EM235 指示灯、继电器 步进电机驱动器 MM440变频器 MM440变频器 二相混合式 步进电机 三相交流异 步电动机 单相交流异 步电动机 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 A 。 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:V F ,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) V 模拟量输入。 模拟量输出:2 路(0~20) mA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 UK 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, ng 为速度给定量,UK 为 PLC 输出的控制量, u 为变频器输出电压, n 为 被控量,控制算法为 PID。 ng 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 扰动 e PLC UK 控制器 变频器 主电路 u 三相异步电 n 动机(负载 (PID 算法) (IGBT 逆变器) 系统) PLC 在仓库码垛机中的设计应用 7 - nf 光电编码器反馈 图 2.6 PLC 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。 参数号 P0003 P0004 P0700 P1000 P1300 P2010 P2011 表 2-3 变频器参数设定 设定值 3 0 2 2 1 6 0 功能说明 专家模式,使能读/写所有参数 全参数 外部按钮或上位机启动/停止系统 上位机或 PLC 程序给定设定 带磁通电流的 V/f 控制方式 通讯波特率设为 9600 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。 K 1 2 C M 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 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 PLC 在仓库码垛机中的设计应用 9 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 所示。 变频调速器 RSUVW AC220 运 行 电 容 单相电容式 运转电动机 图 2.8 变频器与单相电容式运转电动机的接线 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 S7-200 CPU226,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 2-4 PLC(CPU226)输入输出 I/O 点分 输入部分 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 十六 键盘值 1 位 进制 键盘值 2 位 显示 键盘值 3 位 键盘值 4 位 机械手到位限位 机械手回位限位 货台是否有物 自动/手动(1/0) 小车前限 小车后限 升降台上限 升降台下限 层寻址 1 层寻址 2 列寻址 1 输出部分 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q2.0 机械手控制脉冲 机械手方向改变 升降台上升 升降台下降 小车向前运动 小车向后运动 存物指示灯 取物指示灯 BCD 输出 显示 BCD 码 1 位 BCD 码 2 位 BCD 码 3 位 BCD 码 4 位 小车停止向前运动 小车停止向后运动 手动时层到位指示灯 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 PLC 在仓库码垛机中的设计应用 I1.7 列寻址 2 Q2.1 11 手动时列到位指示灯 表 2-5 EM 221 模块 I/O 点分配 1 水平左限位 I3.0 2 水平右限位 I3.1 3 垂直上限位 I3.2 4 垂直下限位 I3.3 5 水平前对准 I3.4 6 水平认址计数 I3.5 7 纵向认址上对准 I3.6 8 纵向认址计数 I3.7 9 纵向认址下对准 I4.0 10 左端歪斜传感器 I4.1 11 右端歪斜传感器 I4.2 12 左探有货传感器 I4.3 13 右探有货传感器 I4.4 14 低速按钮 I4.5 15 中速按钮 I4.6 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/WIN 32 编程软件是基于 Windows 的应用软件, 由西门子公司专为 SIMATIC S7-200 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 开始 系统上电 码垛机自检子程序 码垛机运行 方式选择 自动方式 执行手动操作子程序 Y 送货任务N 执行送货子程序 N 取货任务 Y 执行取货子程序 向上位机上传码垛机状态 图 3.1 主程序流程图 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 PLC 在仓库码垛机中的设计应用 13 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。 开始 检测安全关机标志位 上次安全关 Y 机? N 检测货叉位置及货叉负载 N 存在不安全因 素? Y 故障报警,等待故障处理 结束 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,则可以再松开重 新启动按钮后,再短按一次重新启动按钮(小于 3s),就可停止系统回归原位。 归位按钮 按下 重启信号 N 计时时间到? Y 重启信号定时 到? N 返回原位 N 到达原位/重启 按钮按下? Y 结束 图 3.3 复位程序流程图 3.2 自动方式下的码垛机运行控制 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 Y 启动初化、 归位程序 PLC 在仓库码垛机中的设计应用 15 码垛机执行自动入库作业的初始条件为码垛机位于入库口,升降台位于最下 位置,入库台车在码垛机前进方向的右边,车上有货物,码垛机货叉上无货物。 操作开始先在上位机的监控界面上输入待入库目标货位的列、层数,选择入库动 作,然后按下运行键,系统开始执行入库作业。于是码垛机向入库口的货位伸叉, 伸叉到位后货叉向上托起,托到货物后码垛机收叉,然后货叉托着货物回到货叉 中位,货叉停止,载着货物的码垛机向目的货位移动,到达目的货位之后检测目 标货位是否有货,如无货码垛机向入库目标货位伸叉,伸叉到位后货叉下降,将 货物放到货位上后码垛机收叉,然后货叉回到货叉中位,货叉停止,码垛机返回 到入库口位置待命,准备下一次作业。出库的作业顺序与入库的作业顺序类似。 3.2.1 初始化程序设计 这段程序主要是对所需的计数器、寄存器进行初始化复位。 网络 1 和 2 是对两个计数器进行复位,其中计数器 C2 是对输入的仓库号的 列数进行计数,C3 是对输入仓库号的层数进行计数。 网络 3 中 VW100,VW102 分别放置输入的列数和层数,VB100 中放置键盘的十 六进制输入值。 Network 1 SM0.1 SM0.0 Network 2 SM0.1 SM0.0 C2 CU CTU R +0 PV C3 CU CTU R +0 PV 3.2.2 运行方式选择程序 当 I0.7 得电时,选择自动方式,然后调用自动子程序(SBR_0),I0.7 失电 时,即选择了手动运行方式,然后调用手动子程序(SBR_1)。 3.2.3 自动控制中的寻址定位 自动控制子程序中的网络,采用两对光电开关来定位,当两对同时闭合时, 说明已经到达所到的列或层。 网络 11,C2 中的计数脉冲数和 VW100 中输入的仓库的列数进行比较,相等 时说明已经到达列,小车停止前进,到达列标志 M30.0。 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 PLC 在仓库码垛机中的设计应用 17 网络 12,C3 中的计数脉冲数和 VW102 中输入的仓库的层数进行比较,相等 时说明已经到达层,升降台停止上升,到达层标志 M30.1。 网络 13 中,当列和层都到位时,调用步进电机子程序,机械手前伸取/放货 物。M30.2 是取/放完成标志,当取放完成时,手臂缩回(如网络 14),并置动作 完成标志 M30.3。 3.3 手动方式下的码垛机运行控制 3.3.1 手动控制中的寻址定位 手动控制子程序中,手动运动时经过每一列或层时指示灯都会亮(网络 1 中 Q2.0\Q2.1 分别接层/列显示灯),灯亮后才可以伸缩机械手臂(见网络 2 中)。 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 PLC 在仓库码垛机中的设计应用 19 3.3.2 手动方式下的货叉运行控制 手动方式下货叉的运行控制是分步进行的,货叉的任何两个动作均不联动。 程序流程图如 3.4 所示。 手动状态 N 堆垛机到位且允许 货叉动作? Y N 控制按钮 被按下? Y 货叉动作 N 货叉动作 到位? Y 货叉动作结束 图 3.4 手动方式货叉运行程序图 3.4 步进电机驱动程序 将 16#85 送给 SMB67 是设置 PTO 的控制字节,选择 PTO 方式,时基为 1us。然后 设置周期为 50us,脉冲数为 70000 个。 当动作完成时,完成标志 M30.3 置 1,然后返回起点。 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 PLC 在仓库码垛机中的设计应用 21 结束语 码垛机是立体仓库的主要输送设备,同时也是提高整个仓库运行效率的关键 所在。本文设计了码垛机的电控系统,针对码垛机运行速度与认址精度的要求, 围绕码垛机运行系统的性能提升展开一系列的工作。同时本文主要完成了以下几 个方面的内容: (1)依据设计立体仓库的有关参数,对码垛机电气控制的硬件系统进行了 设计。采用了激光测距传感器在水平方向认址,提高了码垛机的认址精度及行系 统的可靠性,为以后运行速度的提升奠定了基础。同时在水平和垂直方向采用闭 环控制方式,实现高速运行、换速平稳、低速停准的控制要求。简单介绍了系统 的通信协议和方式,并设置了相应的安全保护措施。 (2)设计运行了系统在不同工作方式下的控制流程,应用 Step7 编程软件 编写了主要运行动作的 PLC 程序。PLC 的运用及其程序的简化,缩短了系统扫描 周期,使码垛机的控制运行更方便,动作更加简单、准确。 但是尽管如此本设计系统还是存在很多需要改进的地方,比如监控系统还需 要进一步的完善充实,码垛机运行的速度和位置精度还有待提高,出入库作业优 化调度方面需要做进一步的研究,这些对提高整个系统的运行效率有非常重要的 作用。 致谢 借此论文完成之际,谨向给予我悉心指导季祥老师致以衷心的感谢!从开始 论文题目的确定到设计内容的完善都倾注着季老师的心血。从我进入河南工院季 老师就一直是我们的任课老师,从专业基础课到专业课、实践课,每一步都体现 着季老师爱岗敬业、服务学生、忠于教学事业的精神。同时,季老师扎实的专业 知识和博大的知识量都给我留下了很深的印象。他一丝不苟的治学态度和宽厚的 待人作风都深深的影响了我,给即将离开大学步入社会的我树立了榜样! 感谢我的同学和朋友在论文写作过程中给予我的支持和帮助,是他们无私的 爱和关怀有效的保证了我项目的进度和课题的顺利完成。 还要感谢我的父母,是他们的无私支持,使我能够全身心的投入学习和工作 中,去除了身上的浮躁情绪,成为一个有责任心的青年。祝愿他们永远健康! 最后祝愿自己在以后的生活和工作中一切顺利,在未来的道路上走的更高更 远! 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 PLC 在仓库码垛机中的设计应用 23 附录一 码跺机水平、垂直运动在手动运行方式下的操作顺序如下图 3.4 所示,按前 进按钮,码跺机运动到目标;按后退按钮,码跺机后退到库台所在列;按上升按 钮,码跺机上升到目标;按下降按钮,码跺机下降到库台所在层。 手动状态 N 货物确认按钮 被按下? Y 货单处理与储存 N 堆垛机进退按 钮被按下? Y N 堆垛机水平运 动到位? Y 堆垛机升降按 N 钮被按下? Y 堆垛机垂直运 N 动馆到位? Y 两个方向均到 位? N Y 结束 垂直水平方向码垛机控制流程图 二 科学管理合组织,不断深化“双基”建设狠抓安全技术教育培训工作面落实手指口述确认操、岗位描规范提高员责任意识和整体能。 初始化 接收任务 N 行、列走到位? Y Y 货架是否有货? N 上位置 向货格方向伸叉 Y 货物是否歪斜? N N 定时到? Y 下位置 放货 N 叉回中定时到? Y 向地面控制台发送 任务完成信息 结束 码垛机入库流程图 货物有货警报 货物歪斜警报 PLC 在仓库码垛机中的设计应用 25 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,2006 [2] 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,2009 [3] 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,2009 [4] 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, 1998,6:48 [5] 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 [6] 西门子公司.SIMATIC S7-200 可编程序控制器系统手册,2004 [7] 西门子公司.MICROMASTER 440 变频器手册 [8] 吴丽,梅杨.电气控制与 PLC 应用技术.北京:机械工业出版社,2008 [9] 廖常初.可编程控制器应用技术[M].重庆:重庆大学出版社,1998 [10] 熊肖磊.巷道码垛起重机的认址方式与调速[J],起重运输机械,1996,(8) [11] 葛永国.自动化立体仓库控制系统程序设计与故障诊断[D].天津大学, 2003-12 [12] 郑凤翼,郑丹丹,赵春江. PLC 控制系统梯形图和语句表[M],北京:人 民邮电出版社,2006 [13] 王晓辉. 自动化立体仓库码垛机控制系统的设计 制造业自动化,2002(9): 70