自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计毕业设计

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1、自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计毕 业 设 计题目： 自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计 学 生： 陈玉鹍 学 号： 200905020112 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 物流工程 指导教师： 杨 玮 2013年 6月 3日 III自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计摘 要 自动化立体仓库控制系统是能自动存储和取出物料的系统，是企业管理信息系统的组成部分之一。自动化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入库作业，由电子计算机进行管理和控制，不需人工搬运作业而实现收发作业的仓库。 自动化立体仓库中最重要设备就是仓储堆垛机，仓储堆垛机是实现整个仓库系统自动

2、功能的关键设备，担负着出库、进库等任务，是自动化立体仓库的核心部件，本文详细介绍了用PLC实现对仓储堆垛机系统控制的设计，将PLC技术和变频控制技术相结合，仓储堆垛机控制系统可以实现如下控制功能：三维运动、精确定位、速度调节功能、急停功能、报警功能。 本文介绍自动化立体堆垛机控制系统开发过程，以一拖集团高架库采购项目为工作对象，结合本人的实际调研和开发工作，提出了一套完整的控制系统设计方案。重点设计了自动化立体仓库控制系统部分的系统分析、硬件选型、程序编写等方面。 文中遵循的设计流程和方法虽然针对一拖集团采购项目，但使用的方法具有普遍性，并遵照国际标准，可广泛应用于其他类型的自动化立体仓库。关

3、键词：自动化立体仓库，堆垛机，PLC，定位控制系统Design of Stacker Control System in Automated WarehouseABSTRACT Automated warehouse control system is able to automatically store and retrieve materials systems, enterprise management information system is one of the components. Automated warehouse is the use of top shelf st

4、orage of goods, with the lifting, handling, transport machinery and equipment for cargo storage operations carried out by the computer management and control, without manual handling operations achieved transceiver operating warehouse.Automated warehouse equipment is the most important storage stack

5、er, stacker storage warehouse system is to achieve automatic functions throughout the key equipment, to carry out the library into the library and other tasks, is the core component of automated warehouse, the paper describes in detail with PLC control system for warehouse stacker design of the PLC

6、technology and frequency control technology, warehouse stacker control system can achieve the following control functions: three-dimensional motion, precise positioning, speed adjustment function, emergency stop function, alarm function.This article describes the automated stacker control system dev

7、elopment process to elevated YTO Group procurement project for the object library, combined with my practical research and development work, proposes a complete control system design. Focus on the design of the automated warehouse control system portion of system analysis, hardware selection, progra

8、mming and other aspects.This paper follows the design process and method, although for YTO Group procurement projects, but the method used is universal, and in accordance with international standards, can be widely applied to other types of automated warehouse.KEY WORDS：automated warehouse，stacker，P

9、LC，position control system目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 自动化立体仓库堆垛机发展11.2 本文的研究重点21.3 本立体仓库背景和要求22 巷道式堆垛机控制系统需求分析42.1 主要技术参数和指标42.2 堆垛机运动分析53 巷道式堆垛机控制系统硬件选型73.1 堆垛机电机选型73.2 变频器的选择83.3 认址器的选择103.4 PLC选择及配置123.4.1 CPU概述123.4.2 CPU型号的选择133.5 安全系统133.6 通信方式144 堆垛机控制程序设计154.1编程软件及语言概述154.2 系统控制要求164.3 分析控制方案1

10、64.4 系统工作流程174.5 I/O分配204.6 子程序编写215 总结26致谢27参考文献28附录I键盘扫描子程序29附录II 坐标值计算子程序30附录III 位置控制子程序32附录IV 入、出库控制子程序34附录V 控制主程序3839自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计1 绪论 自动化立体仓库控制系统是企业或公司管理信息系统的组成部分之一，通常归结在仓库管理信息系统之下。与仓库管理信息系统不同之处在于，它不仅含有对底自动化设备的控制和管理，而且是针对某一具体的自动化仓库的基本数据管理系统，从关系上来看，它相对而言是比较独立的一个子系统1。自动化仓库控制系统的主要任务是对一具体仓库中的材

11、料、货位等基本信息进行管理，优化仓库存储的效率，管理材料的在库情况并控制仓库中的自动化设备，实现仓库中材料的自动出入库操作和存储操作。1.1 自动化立体仓库堆垛机发展初期的立体仓库使用的堆垛机以桥式起重机为基础，这种堆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堆垛机，随后巷道式堆垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式堆垛机。1967年日本安装了高度10-15米的高层堆垛机，1969年出现了联机全自动化仓库，我国是在上世纪70年代初期开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。目前的堆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

12、大程度的提高。巷道式堆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、下两层分别用巷道堆垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力。按现行机械行业标准，有轨巷道式堆垛机分类方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。无论何种类型的堆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。体现堆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，堆垛机的运行驱动己由20世纪70年代的子母电动

13、机改为变频调速，速度由5-50m/min提升至4-160m/min，国外小载重量的堆垛机最高可达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：在堆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，目前国产堆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，认址差错率高。1.2 本文的研究重点 本文以一拖集

14、团高架库采购项目为研究对象，主要设计内容为： （a）明确项目控制部分的要求和需求分析； （b）对控制系统的硬件进行选型，重点研究电机、变频器、认址器、PLC的选型方法； （c）对系统动作分解，根据动作特点进行整合； （d）编写PLC控制程序。1.3 本立体仓库背景和要求一拖集团采购中心高架库是在1992年初步建成投产使用，很多机械、电子元件都已老化破损，这对日常的使用带来了很多问题，例如通讯不畅，定位不准，经常性报故障，死机等。使原本为了高效率管理物资而建立的立体仓库效率大大降低，远远不能适应现代化的高速发展模式，严重影响了整个企业的效率和经济利益。同时随着现代物流仓储管理理念的更新，原有的物

15、流管理思路已经不能跟上当前现代化物流管理的需求。一拖集团公司根据公司自身物料管理特性、操作便捷性习惯提出了符合一拖公司立体仓库的需求，为提高本公司的物流效率和准确性，满足本公司国际化道路的发展要求，集团公司针对采购中心立体仓库现状进行改造，实现有效地利用空间和高效的存取货物，实现最佳的社会效益和经济效益。主要设计对象是轨巷道堆垛机系统，仓库采用东进西出方式存取货物，但应能实现有故障时可东进东出或西进西出、西进东出。要实现以下所有功能： （a）控制系统要求分自动和手动模式（安全模式）。 （b）自动模式下，出入库堆垛机需自动定位，并记录货物。 （c）若被选择仓位内已有货物时，则该入库操作不被执行。

16、（d）载货台若无货物，则下一个入库操作将不被执行。（e）当载货台上有货物时，出库环节不执行任何操作。（f）若被选择仓位内无货物时，则该出库操作不被执行。（g）配备标准安全保护。系统严格要求满足最大入库能力和高峰出库能力同时进行的能力需要，并有一定的余量满足未来业务发展的要求。系统货架规格如表1-1，堆垛机的要求参数如表1-2，动态运行情况下满足的要求如表1-3。表1-1 货架规格序号货物名称型号和规格数量1货架系统7680个货位1套2出入库台4台3天地轨1套4巷道堆垛机系统Q=1000kg,H=15.99m运行：0-150m/min起升：0-60m/min货叉：0-40/20m/min4台表1

17、-2 堆垛机参数有轨巷道堆垛机数 量4台提升能力1000kg结构形式单立柱载荷处理装置伸缩货叉堆垛机高度1599mm巷道宽度1330mm表1-3 动态数据运行速度Vx4-150m/min 变频调速 起升速度Vy2-60m/min 变频调速伸缩叉速度Vz0-40/20m/min 变频调速运行加速度ax0.5m/s2伸缩叉加速度（有货）az0.5m/s2 定位精度：X：3mm；Y：3mm；Z：3mm。 控制方式：手动、单机自动、联机全自动。 货叉运行控制同步误差：小于5mm，运行重复回位精度：10mm，货叉上平面高低差：不大于2mm。堆垛机速度控制要求实现模拟量闭环无极调速功能。 由于每台堆垛机的

18、结构、运动要求等都完全相同，因此只需设计一套控制系统，其他三台是第一台的复制。货架一共7680个货格，共8个货架，则每个货架有960个货格（1280），由于每个货位都需要记录储存情况，且堆垛机到达每个货位的运行过程大体相同，本程序仅选取前12个货位为例进行编辑，其他货位相同。2 巷道式堆垛机控制系统需求分析 本文设计的堆垛机控制系统是针对单立柱有轨巷道堆垛机如图2-1，堆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。由堆垛机运行机构特点及工作要求可知，能否保证堆垛机的稳定工作，关键在堆垛机的三维位置移动定位的精确性。 图2-1 单立柱有轨巷道堆垛机结构图2.

19、1 主要技术参数和指标（1）堆垛机运行速度范围 （a）水平方向：4m/min-150m/min； （b）垂直方向：2m/min-60/min； （c）货叉：40、60m/min。（2）堆垛机的控制方式有自动和手动控制 （a）手动方式通过堆垛机的转换开关及按钮控制堆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。 （b）单机自动用人机界面对堆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

20、运行工况，故障及历史故障查询等功能。（3）主要的控制任务是由PLC来完成（a）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。（b）位置技术及判断：沿着堆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堆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，堆垛机停车。（c）速度调整和准确停车：根据堆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，在停车之前先把堆垛机的运行速度降低到低速档，使堆垛机

21、以低速接近目标位置，保证堆垛机的稳定性。（d）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。（e）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。2.2 堆垛机运动分析（1）水平运动分析 堆垛机水平行走机构主要完成列寻址，即在立体库中将货物运到指定的列。堆垛机启动之后，堆垛机的水平行走机构经过变频器加速，到达一定的列数之后速度稳定，在到达指定列之前减速，直到在指定列停止。列数的计算是通过采取恰当的认址方式实现的。（2）起升运动分析 起升机构的工作速度在2-60m/min。不管选用多大的工作速度，都备有低速档，主要用于平稳停准和取放货

22、物时的“微升降”作业。在堆垛机的起重、行走和伸叉(叉取货物)三种驱动中，起重的功率最大。（3）货叉运动分析 货叉是直接放置货物的装置，可以向堆垛机两侧伸缩。货叉的运行准确度对货物的存取至关重要，因为货叉运行时候一旦出现差错很容易造成货物损害。货叉在存货时到达货位，经过抬叉、伸叉、放叉、收叉四个动作，取货时经过伸叉、抬叉、收叉、放叉。一般在存取货物时，由于货位的宽度不大，所以按给定速度匀速运动。 根据以上分析，对堆垛机运行的控制采用闭环控制系统。系统由电动机提供动力驱动，由变频器进行无级调速，认址器进行位置定位跟速度反馈，其系统原理图如图2-2所示：PLC变频器M认址器认址功能程序模块功能程序模

23、块速度调整+速度调整位置调整+位置调整位置反馈速度反馈图2-2 闭环控制系统原理图3 巷道式堆垛机控制系统硬件选型 通过前面对于堆垛机系统的分析，本章将根据库中的实际工作环境，选择适合本系统的设备型号以及参数，完成堆垛机控制系统的硬件设计。3.1 堆垛机电机选型 在堆垛机运行过程中，电机频繁起动、制动、正转、反转，而且负荷变化大，对电机要求较高。 （a）水平运行机构电机的功率计算公式如下： (3-1) (3-2) 式中： Q堆垛机总重，设为1500kg； u运行摩擦系数，设为0.3； d运行轮轴直径，设为50mm； f滚动摩擦系数，设为0.1； r车轮半径，设为50mm； 运行效率，设为0.9

24、； 运行机构的最大速度，为150m/min。 代入公式（3-1）、（3-2）计算得Wr=228，P=6.21kw。 选择S3工作制：断续周期工作制，按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段停机、断能时间。电机的基准负载持续率FC为40%，根据水平行走机构所需功率选择YZR160L-6型电机，电机属性如表3-1。表3-1水平行走驱动电机属性电机型号工作方式基准负载持续率工作电压额定功率额定转速运行效率YZR160L-6断续周期工作S340%380V11KW945r/min80% （b）起升机构运行时最大的功率公式为（3-3）： (3-3)式中： w堆垛机重量，为1500

25、kg； g载货重量1000kg； 最高档速度60m/min； 运行效率0.95。 计算得P=25.80kw，根据起升机构运行所需功率YZR225M-6型电机，电机属性见表3-2表3-2 垂直行走驱动电机属性电机型号工作方式基准负载持续率工作电压额定功率额定转速运行效率YZR225M-6断续周期工作S340% 380V30KW962r/min88% （c）货叉的伸缩距离较短，载货匀速为20m/min。 货叉伸缩功率公式如（3-4）， (3-4)式中： w货叉可动部分重量70kg； g载货重量1000kg； 速度20m/min； 伸缩效率0.85。 计算得P=kw 根据功率要求所选电机为YEJ16

26、0M-6，属性见表3-3。表3-3 货叉驱动电机属性型号额定功率额定电流转速效率功率因数制动力矩YEJ160M-67.5kw17.0A970r/min86%0.78150NM3.2 变频器的选择 交流异步电机的转速，是其定子绕组上交流电源频率的函数。所以只要均匀地改变定子绕组的供电频率，就可以平稳地改变电机的同步转速。考虑到存堆垛机的结构及运动特点，采用变频调速。 本文选择西门子MM440变频器，MM440型使用PID控制器，具PID微调等功能，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表3-4。表3-4 变频器参数输入电压3相380VA

27、C，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. 1A输出控制输出电压、频率可调控制作用V/F，矢量一转矩、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PID算法变频器主电路三相异步电动机认址器反馈扰动uen 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0-150m/min，系统采用转速闭环控制

28、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高速计数口，构成闭环变频调速系统。系统如图3-2所示，为速度给定量，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。垂直方向同理。图3-2 PLC变频调速闭环系统结构图3.3 认址器的选择 要完成对堆垛机自动控制系统的设计，首先要保证堆垛机能够准确到达目标位置，所以在设计堆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堆垛机准确无误的定位在目标货位。定位控制就是确定堆垛机停止在目标货位

29、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，使堆垛机自动找到被指定到达的位置；二是自动准确停准，即堆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堆垛机能识别的编码，所以将货架两侧编成X1、X2，沿堆垛机运行方向将货架编为0-Y列，垂直方向编为0-Z层。这样每个货位就有了独立的三维坐标地址，堆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，反应到堆垛机上只是货叉左伸、右伸运动，此方向不用检测，所以实际上堆垛机位置的检测只是对Y、Z位置的检测。 主要的认址检测方式有以下几种：（1） 绝对认址 将每一个货位赋予唯一的开关状态，

30、给每个货位制作一个专用的认址片，堆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堆垛机的当前位置。（2） 相对认址 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 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。堆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，可以得到堆垛机的相对运行位置。（4） 激光测距定位 近年来应用于堆垛机准确定位的新技术，用激光测距仪通过测量堆垛机

31、到基准点的距离和事先存储的位置数据比较来确定堆垛机的当前位置。这种方法的精度很高，但是使用时堆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，表3-5是他们之间的比较对照：表3-5 认址方式对比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mmmm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 认址方式确认： 激光测距传感器的精度最高，虽然成本较高，但使用寿命长，因此水平、垂直方向均采用激光测距传感器

32、，如图3-3。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堆垛机上，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，从而使道堆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巷道堆垛机端部缓冲制动器的情况。因此，在巷道堆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。图

33、3-3 激光测距传感器3.4 PLC选择及配置 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作为控制中心。 S7-200有很强大的指令系统，功能齐全的编程软件，同时有多种功能模块，便于组态网络，有良好的价值扩展性。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出， CPU 22

34、4，CPU 224XP，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。CPU 221-226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点，CPU 224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU 226具有24个输入点和16个输出点。2路高频率脉冲输出（最大20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天（1

35、0年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。STEP 7-Micro/WIN32 编程软件可以对所有的CPU 221/222/224/224XP/226功能进行编程。3.4.1 CPU概述 西门子S7-200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紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。 西门子第二代产品有四种不同结构配置的CPU单元。（a）CPU 221具有6IN/4OUT，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，一个RS-

36、485通讯/编程端口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯方式。非常适合小点数的控制系统。（b）CPU 222具有8IN/6OUT，共计14点I/O，可以扩展8路模拟量和最多64个I/O，因此使更广泛的全功能控制器。（c）CPU 224在CPU 222的基础上使主机的I/O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；存储量也进一步增加，还增加了一些数字指令和高数计数器的数量，具有较强的控制能力。（d）CPU 226在CPU 224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，通讯能力大大

37、增强；它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。3.4.2 CPU型号的选择 根据控制点数来计算，可以选用CPU226这个型号的CPU，CPU226有24IN/16OUT，最大可以扩展为248点数字量或35点模拟量。其特点如下：（a）集成的24V电源：可直接连接到传感器和变送器、执行器，可用作负载电源。（b）高速脉冲输出：具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHZ，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。（c）通信口：CPU226具有2个RS-485通信口，支持PPI、MPI协议，有自由口通信能力。（d）模拟电位器：CPU226有两个模拟电位器，用来改变特殊寄存器中的数值，以改

38、变程序运行的参数，如定时器、计数器的预设值，过程量的控制参数。（e）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。3.5 安全系统（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，当堆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，否则发出信号使堆垛机动作停止；出库时，若检测出相应货位无货物，则发出信号致堆垛机动作停止。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堆垛机

39、垂直方向的运行，导致货架或堆垛机的损害。在堆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堆垛机停止运行。（3）终端限位装置 堆垛机立柱导轨的极限位置设有限位开关，载货台到达各方向极限位置时相应电机紧急停转。水平、垂直以及伸缩方向两端各一个限位开关。3.6 通信方式 为了控制无人运转堆垛机，必须向堆垛机发送运转和作业的信息。一个指令执行完了之后，必须从堆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。堆垛机的信息传递顺序是：堆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。堆垛机控制盘在收到作业信息之后向地面控制盘

40、发出响应信息。堆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：（a）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4台堆垛机控制系统连接，要求物理层的协议必须支持一点对多点的通信。（b） 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、

41、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。4 堆垛机控制程序设计4.1编程软件及语言概述（1）软件介绍 STEP 7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinCC的编程、监控和参数设置，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。Step7 Micro版本适用于西门子S7-200的编程软件。 STE

42、P7- Micro/Win32的基本功能是协助用广完成丌发应用软件的任务，例如创建用广程序、修改和编辑源有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。同时还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。 程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免些语法和数据类型方面的错误。梯形图中的错误处的下方白动加红色曲线，语句表中错误行前有红色叉，且错误处的下方加红色曲线。软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。 联机方式：有编程软什的计算机与PLC连接，此时允许两者之间做直接通信。

43、 离线方式：有编程软件的计算机与PLC连接，此时能完成大部分基本功能。如编程、编泽和调试程序系统组态等。（2）编程语言 PLC的用户程序，是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制规范，按照实际需要使用的功能来设计的。只要用户能够掌握某种标准编程语言，就能够使用PLC在控制系统中，实现各种自动化控制功能。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3），PLC有五种标准编程语言：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）、结构文化本语言（ST）。这五标准编程语言，十分简单易学。 （a）梯形图语言是PLC程序

44、设计中最常用的编程语言。它是与继电器线路类似的一种编程语言。由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉，因此，梯形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用。梯形图编程语言的特点是：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是，梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，应用时，需要与原有继电器控制的概念区别对待。 （b）指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下，适合采用PLC手持编程器对用户程序进行编制。同时，指令表编程语言与梯形

45、图编程语言图一一对应，在PLC编程软件下可以相互转换。图3就是与图2PLC梯形图对应的指令表。指令表表编程语言的特点是：采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握；在手持编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的场合进行编程设计；与梯形图有一一对应关系。其特点与梯形图语言基本一致。 （c）功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种PLC编程语言。采用功能模块图的形式来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。功能模块图编程语言的特点：功能模块图程序设计语言的特点是：以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；功能模块是用图形的形式表达功能，直观性强，对于具有数字逻辑电路

46、基础的设计人员很容易掌握的编程；对规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间大大减少。 （d）顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间。用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。 （e）结构化文本语言是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言。它是

47、类似于高级语言的一种编程语言。在大中型的PLC系统中，常采用结构化文本来描述控制系统中各个变量的关系。主要用于其他编程语言较难实现的用户程序编制。4.2 系统控制要求（a）当选择开关置于自动位置时，系统复位到初始位置，各个轴回到原点。（b）执行入库指令：选择欲入库的仓位号，按动仓位号对应按钮，控制面板上的效码管显示仓位号；按动按钮，起动入库操作，当载货台上有货物时，起重机自动将货物送入到指定的仓位；若被选择仓位内已有货物时，则该入库操作不被执行；载货台若无货物，则下一个入库操作将不被执行。 （c）执行出库指令：选择欲出库的仓位号，按动仓位号对应按钮，控制面板上的数码管显示仓位号；按动按钮，当载

48、货台上有货物时，起重机不执行任何操作；若被选择仓位内无货物时，则该出库操作不被执行；当按下按钮，载货台上无货物，且该仓位内有货物时，起重机自动将货物从指定的仓位转移到载货台上。4.3 分析控制方案 本文设计的自动化立体仓库由四巷道组成，每个巷道有左右两列货架及一个堆垛机，每个堆垛机所需完成的任务相同，因此只设计一套堆垛机控制系统，其他三组相同。因此四个巷道各有由一个下位机控制，整个立体库由一个上位机进行管理监控。本文单纯设计单一堆垛机的PLC控制部分。 堆垛机控制系统主要工作方式为自动和手动，其中自动控制只需人工输入要存、取货物的货格位置，堆垛机将自动完成存、取货物的动作。而手动方式，则需人工

49、控制堆垛机的位置移动及货叉的伸、缩，此方式多用于维修、调试。 自动控制的主要内容为货物的存、取及安全保护，具体控制分析见表4-1：表4-1 控制动作分析表主要内容控制分解行走水平行走垂直升降左右伸缩定位水平方向定位垂直方向定位伸缩方向控制安全保护各轨道的两端限定堆垛机运行极限（6个限位开关）货架占有及货叉位置监测装置（光电传感器）4.4 系统工作流程根据控制系统运动要求，分解整理后得到堆垛机工作流程图，入库流程见图4-1，出库流程见图4-2。是是否否否水平及垂直运行到指定的列及层到达指定位置载货台调至托盘位置调整到位货叉伸出货叉伸出到位载货台下降下降到位货叉收回货叉收回到位结束是开始满足位置的

50、高度货叉伸出货叉伸出是否到位行至指定的入库台位置到达指定位置升降机构升至指定的入库台高度到达指定高度入库台位置高度的微调整载货台微调整是否到达位置货叉收回货叉是否到位是是是否否否是是是是是否否否否否图4-1 入库操作流程图图4是否否微提升，位置调整是是否到达指定位置微升起，调整位置货叉伸出伸出到位货叉伸出是开始到达指定位置微下降，位置调整到达微下降位置是否水平和垂直同时运动到指定列和层是否否是达到伸出位置否结束微下降，位置调整否达到微下降位置是到达微提升位置水平和垂直运行到出库台高度货叉到位出库台是货叉收入货叉到达位置否-2出库操作流程图4.5 I/O分配首先进行输入输出点的统计。将按钮、各轴

51、的安全限位、检测结果、输入值设定为输入值，统计得共16个输入点。将对电机的脉冲信号、记录表、指示灯等设定为输出值，统计得14个输出点。将各元器件与PLC的I/O点连接，以实现PLC对各功能的控制，I/O分配表见表4-2。表4-2 I/O分配表符号地址注释D0I0.0矩阵扫描第1列D1I0.1矩阵扫描第2列D2I0.2矩阵扫描第3列D3I0.3矩阵扫描第4列D4I0.4矩阵扫描第5列D5I0.5矩阵扫描第6列D6I0.6矩阵扫描第7列D7I0.7矩阵扫描第8列SQ5I1.0Z轴原点SQ6I1.1Z轴限位SNI1.2检测货台上是否有货物SW0I1.3手动控制开关SQ2I1.4x轴限位SQ1I1.5

52、x轴原点SQ4I1.6y轴限位SQ3I1.7y轴原点平移Q0.0平移电动机脉冲信号升降Q0.1升降电动机脉冲信号平移方向Q0.2平移电动机方向信号升降方向Q0.3升降电动机方向信号H0Q0.4矩阵扫描第1行H1Q0.5矩阵扫描第2行H2Q0.6矩阵扫描第3行H3Q0.7矩阵扫描第4行前伸Q1.1货叉前伸回缩Q1.2货叉回缩B00Q1.4数码显示区第0位B01Q1.5数码显示区第1位B02Q1.6数码显示区第2位B03Q1.7数码显示区第3位根据输入输出点，简单的进行控制系统的界面设计，通过有线方式与PLC相连，便于操作人员进行控制。界面截图见图4-3。图4-3 控制界面4.6 子程序编写根据系

53、统要求，分析得出需编写键盘装置扫描；传感器检测；坐标定位；位置控制；入、出库控制5个子程序，将子程序按规范命名，在工具栏中则可出现相应的子程序，方便调用。见图4-4。图4-4 编程界面（1）键盘装置扫描子程序 利用矩阵扫描和数码管显示组合，当按下矩阵键盘时，对应的数码管显示，通过扫描端口判断当前按钮的状态。其中数码显示采用BCD编码方式。VW238是用于存储当前的按键号；VW270是用于存储数码显示区的数据，通过位传送给输出端口，用于七段码显示。子程序是用于判断哪个按键被按下。其中使用了出送指令MOV_W，可将数据某个双字节数据传送到某个双字节地址里边去，例如见图4-5。类似的指令还有MOV_

54、B等。键盘扫描子程序STL语句见附录I。图4-5 传送指令（2）传感器检测子程序 传感器一般是用于定位及限位作用的。定位就是利用传感器来判定系统是否处于指定位置，而限位就是要求系统不能超过指定位置。在程序设计中常利用传感器实现系统的定位以及限位保护。 本系统分别用6个传感器检测3个轴的原点及限位，当系统初始化时，各个轴回到自己的原点。当系统运行过程中达到某个轴的限位时，立即停止当前轴的动作。 本程序采用子程序的方式进行编写。子程序的入口参数为指定的仓位号。出口参数包括该仓位的X轴坐标值和Y轴坐标值。在程序中，X轴坐标值分别存放在数据寄存区VD616、VD620、VD624、VD628中，Y轴的

55、坐标值分别存放在数据寄存区VD600、VD604、VD608、VD612中。 定位采用了s7-200自带的PTO定位模块，以水平方向为例，水平电机的步进角度为1.2，设定的电机速度为4-150m/min，经计算约等于每秒64-1067个脉冲，见图4-6。图4-6 PTO模块电机速度设置 要求加速度为0.5m/s2，经计算启动速度4m/min到最大速度100m/min则约需要3.2s，见图4-7。图4-7 加减速时间设置（3）坐标定位子程序0号仓位即入库仓位的坐标是(300，200)mm，仓库的上下层及左右层之间的间隔是1000mm，各仓位坐标是基本参数，其中x轴方向上的入库坐标（原点坐标）及库

56、位间距分别为300、1000，设置如图4-8。子程序的入口参数为指定的仓位号（本程序仅设计了前12个货位），出口参数包括该仓位的X轴坐标值和Y轴坐标值。在程序中，X轴坐标值分别存放在数据寄存区VD616、VD620、VD624、VD628中，Y轴的坐标值分别存放在数据寄存区VD600、VD604、VD608、VD612中。坐标值计算子程序见附录II。图4-8 入库仓位x轴坐标及x轴方向库位间距（4）位置控制子程序 在仓库的控制系统中，由于起重机运行于各个仓位之间，而每个仓位的坐标是一个定位，故要求其位置控制最好在一个绝对系统下工作，这样，通过输入不同的仓位坐标值，系统能自动完成起重机的上下以及

57、左右行进工作。 电动机根据系统提供的脉冲坐标数进行移动，当目标值大于当前值时，步进电动机正转；当目标值小于当前值时，电动机反转；当目标值与当前值相等时，电动机不动作。子程序STL语句见附录III。（5）入、出库控制子程序 仓库操作主要包括入库操作和出库操作。入库操作是指将载货台上的货物送入到指定的仓位中去，出库操作是指将指定仓位中的货物送入到载货台上。 入库操作动作顺序包括：X轴电动机右行-Z轴电动机前伸-Y轴电动机上升-Z轴电动机回缩-X轴电动机右行-Y轴电动机上升-Z轴电动机前伸-Y轴电动机下降-Z轴电动机回缩-复位。 出库操作动作顺序包括：X轴电动机右行-Y轴电动机上升-Z轴电动机前伸-

58、Y轴电动机上升-Z轴电动机回缩-X轴电动机左行-Y轴电动机下降-轴电动机前伸-Y轴电动机下降-Z轴电动机回缩-复位。 分析系统的入库操作和出库操作，都包括8个动作，动作过程是连贯无间断的，所用Z轴的动作过程以及次序都是完全一致的，最大的区别在于取货和放货时X轴与Y轴所行走的距离不一致。入库和出库过程是同一个过程的不同表现形式。因此安排入库操作和出库操作在一个子程序中完成，通过采用顺序指令依次完成8个连续的动作。 考虑载货台在转接货物时为了防止与货物发生碰撞，取货时Y轴实际行走的距离应该比实际坐标偏差小，放货时Y轴实际行走的距离应该比实际坐标偏差大。经过实际测量和试验，设定偏差为75mm，参数设

59、定见图4-9，这样第一次运动到目标仓位进行取货时，Y轴所走的实际行程l为： （4-1）式中： 目标坐标值； 当前坐标值。子程序STL语句如下见附录IV。图4-9偏差参数设定 程序编写完成后点击编译键见图4-10，进行程序编译调试，编译结果见图4-11。图4-10编译工具图4-11 编译结果5 总结 我国对于自动化立体仓库的需求越来越大，对其功能和性能的要求越来越高。本文在研究立体仓库的核心设备堆垛机的作业流程的基础上，根据系统的控制需要确认堆垛机在三维运行方向上的认址方式，采用激光测距技术和变频调速技术完成堆垛机的位置控制和速度控制，同时采用闭环控制方式，实现高速运行、换速平稳、低速停准的控制要求，提高了系统的控制精度与可靠性。本文主要完成了以下内容：（a）根据系统的控制需求，确认系统的总体设计方案。（b）完成可编程控制器以及传感器等硬件的选型和系统的详细设计。 （c）利用编程软件S