畢業(yè)設(shè)計碼垛機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計(論文)碼垛機控制系統(tǒng)設(shè)計學 號：10131203姓 名：石澤旭專 業(yè)：電氣工程及其自動化系 別：機械與電氣工程系指導(dǎo)教師：王雷鋼講師 二一四年六月 北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文）成績評議題目： 碼垛機控制系統(tǒng)設(shè)計 系別： 機械與電氣工程系 專業(yè)：電氣工程及其自動化 姓名：石澤旭 學號：10131203 指導(dǎo)教師建議成績：73評閱教師建議成績：76答辯小組建議成績：70總成績：73答辯委員會主席簽字：年 月 日北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書姓名石澤旭學號10131203專業(yè)電氣工程及其自動化設(shè)計（論文）題目碼垛機控制系統(tǒng)設(shè)計題目性質(zhì)設(shè)計； 論文題目來源 教學； 科研；

2、 生產(chǎn)； 其他 指導(dǎo)教師職 稱工作單位備注王雷鋼講師清華大學信息科學與工程學院畢業(yè)設(shè)計(論文)的內(nèi)容和要求：內(nèi)容：1 介紹自動化立體倉庫和碼垛機的一般概念和基本組成，以及國內(nèi)外立體倉庫和碼垛機的發(fā)展現(xiàn)狀，簡單介紹了立體倉庫的發(fā)展方向。2 對碼垛機在水平方向和垂直方向運行進行速度控制，根據(jù)運行的目的地址和當前地址之間的比較，選擇合適的變頻器，對電機的運行速度進行控制。并在應(yīng)用新的定位方式的基礎(chǔ)上，對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行位置速度雙閉環(huán)控制，并解決新方案中的硬件設(shè)置問題。由plc輸出高速脈沖和貨叉方向改變信號控制步進電動機左伸和右伸，以及貨叉的伸縮速度。3 設(shè)計了碼垛機運行系統(tǒng)的控制程序，包括碼垛機各種

3、工作方式下的控制程序。要求：1.了解生產(chǎn)設(shè)備電控設(shè)計的一般步驟；2.能夠進行plc控制系統(tǒng)的搭建；3.進行對碼垛系統(tǒng)的控制工藝流程分析，確定包裝碼垛系統(tǒng)原理。4.能夠?qū)Υa垛機控制系統(tǒng)分析并設(shè)計控制方案5.plc控制系統(tǒng)設(shè)計及方案論證，變頻器的選擇6.系統(tǒng)軟件分析，熟悉變頻器的應(yīng)用。畢業(yè)設(shè)計(論文)主要參考資料：1 陳建明，巫付專，熊軍華等電氣控制與plc應(yīng)用m北京：電子工業(yè)出版社，20062 孫承志，徐智，張家海，吉順平西門子s7-200/300/400plc基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)m 北京：機械工業(yè)出版社，20093 馬秀坤 ，石雪濤，馬學軍.s7-200plc與數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的原理及應(yīng)用m 北京：國防

4、工業(yè)出版社，20094 劉昌棋，董良自動化立體倉庫設(shè)計m北京：機械工業(yè)出版社，2004：13-21，132-138，166-1685 王勇軍，周奇才自動化倉庫碼垛機的高速運行控制技術(shù)研究j起重運輸機械，2003(1)：27-296 周興萬自動化立體倉庫中碼垛機的位置定位和速度控制j基礎(chǔ)自動化，1998，6：487 陳曉軍plc控制技術(shù)在立體倉庫碼垛機中的應(yīng)用j工業(yè)技術(shù)，2007，34：11畢業(yè)設(shè)計(論文)應(yīng)完成的工作：1.設(shè)計完成碼垛機plc控制系統(tǒng)硬、軟件系統(tǒng)；2.以plc控制完成機械的工作流程；3.優(yōu)化路徑的計算4.電路系統(tǒng)等供電設(shè)計，plc控制系統(tǒng)設(shè)計及方案論證。進度安排：2012年12

5、月：文獻調(diào)研，方案設(shè)計。2013年01月：撰寫開題報告。2013年.02月：分析碼垛機工作原理，并根據(jù)原理繪制電路系統(tǒng)的供電設(shè)計。2013年03月：對碼垛控制系統(tǒng)的運行過程分析及控制系統(tǒng)功能，系統(tǒng)硬件分析控制參數(shù)選擇及電控系統(tǒng)的需求，plc的選型，確定此系統(tǒng)的布置形式，并用軟件進行調(diào)試。2013年04月：整理并修改畢業(yè)設(shè)計論文。2013年05月：完成畢業(yè)設(shè)計論文，準備答辯。指導(dǎo)教師簽字： 日期： 年 月 日系意見：簽字：系（蓋章）日期： 年 月 日北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告姓名石澤旭學號10131203專業(yè)電氣工程及其自動化設(shè)計（論文）題目碼垛機控制系統(tǒng)設(shè)計1. 畢業(yè)設(shè)計(論

6、文)的目的及意義（含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）：碼垛機控制系統(tǒng)適用于石油化工、化肥、糧食、港口等行業(yè)，可對pp、pe粒子、pvc、化肥、糧食等粉狀、顆粒狀物料進行全自動包裝碼垛作業(yè)，通過可編程序控制器、對整個生產(chǎn)線的工作過程進行自動控制，對運行過程中出現(xiàn)的故障或供料不足等，進行聲光報警。它是集喂料、流量測量和控制于一身的設(shè)備。自動控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用，如果能提高系統(tǒng)的自動化程度，就有著重要的現(xiàn)實意義。在我國控制系統(tǒng)的研制較晚，主要是自用設(shè)備，屬革新產(chǎn)品，未進入市場，“八五”期間呈全方位發(fā)展態(tài)勢，“九五”期間進入轉(zhuǎn)型期，逐步成為高科技、高效益、現(xiàn)代化、國防化的產(chǎn)業(yè)。 總的來說,

7、我國包裝設(shè)備制造工業(yè)經(jīng)近20年的努力，在數(shù)量、質(zhì)量、水平方面均有較大的進展，為我國建立一個門類齊全、技術(shù)先進、水平相當、獨立完善的生產(chǎn)系統(tǒng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。2. 基本內(nèi)容和技術(shù)方案：1 介紹自動化立體倉庫和碼垛機的一般概念和基本組成，以及國內(nèi)外立體倉庫和碼垛機的發(fā)展現(xiàn)狀，簡單介紹了立體倉庫的發(fā)展方向。2 對碼垛機在水平方向和垂直方向運行進行速度控制，根據(jù)運行的目的地址和當前地址之間的比較，選擇合適的變頻器，對電機的運行速度進行控制。并在應(yīng)用新的定位方式的基礎(chǔ)上，對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行位置速度雙閉環(huán)控制，并解決新方案中的硬件設(shè)置問題。由plc輸出高速脈沖和貨叉方向改變信號控制步進電動機左伸和右伸，以

8、及貨叉的伸縮速度。3 設(shè)計了碼垛機運行系統(tǒng)的控制程序，包括碼垛機各種工作方式下的控制程序。技術(shù)方案：（1）進行對碼垛系統(tǒng)的控制工藝流程分析，確定碼垛系統(tǒng)原理。（2）完成對包裝碼垛控制系統(tǒng)的運行過程分析及控制系統(tǒng)功能，系統(tǒng)硬件分析控制參數(shù)選擇及電控系統(tǒng)的需求，plc的選型，確定此系統(tǒng)的布置形式。（3）電路系統(tǒng)等供電設(shè)計，plc控制系統(tǒng)設(shè)計及方案論證。（4）系統(tǒng)軟件分析，系統(tǒng)狀態(tài)流程圖設(shè)計。3. 主要參考文獻：1 陳建明，巫付專，熊軍華等電氣控制與plc應(yīng)用m北京：電子工業(yè)出版社，20062 孫承志，徐智，張家海，吉順平西門子s7-200/300/400plc基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)m 北京：機械工業(yè)出版社

9、，20093 馬秀坤 ，石雪濤，馬學軍.s7-200plc與數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的原理及應(yīng)用m 北京：國防工業(yè)出版社，20094 劉昌棋，董良自動化立體倉庫設(shè)計m北京：機械工業(yè)出版社，2004：13-21，132-138，166-1685 王勇軍，周奇才自動化倉庫碼垛機的高速運行控制技術(shù)研究j起重運輸機械，2003(1)：27-296 周興萬自動化立體倉庫中碼垛機的位置定位和速度控制j基礎(chǔ)自動化，1998，6：487 陳曉軍plc控制技術(shù)在立體倉庫碼垛機中的應(yīng)用j工業(yè)技術(shù)，2007，34：114. 進度安排：2012年12月：文獻調(diào)研，方案設(shè)計。2013年01月：撰寫開題報告。2013年.02月：分析

10、碼垛機工作原理，并根據(jù)原理繪制電路系統(tǒng)的供電設(shè)計2013年03月：對碼垛控制系統(tǒng)的運行過程分析及控制系統(tǒng)功能，系統(tǒng)硬件分析控制參數(shù)選擇及電控系統(tǒng)的需求，plc的選型，確定此系統(tǒng)的布置形式，并用軟件進行調(diào)試2013年04月：整理并修改畢業(yè)設(shè)計論文。2013年05月：完成畢業(yè)設(shè)計論文，準備答辯。5. 指導(dǎo)教師意見：該同學充分、全面地查閱了碼垛機控制設(shè)計的相關(guān)資料，在此基礎(chǔ)上提出了可行的技術(shù)方案，時間進度合理，嚴格按照進度安排執(zhí)行同意開題。指導(dǎo)教師簽字： 日期： 年 月 日6. 系意見： 簽字：系（蓋章）日期： 年 月 日北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師評閱意見姓名石澤旭學號101312

11、03專業(yè)電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師王雷鋼職稱講師單位清華大學指導(dǎo)教師職稱單位畢業(yè)設(shè)計（論文）題目碼垛機控制系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)教師評語：石澤旭同學論文選題為碼垛機控制系統(tǒng)設(shè)計，符合專業(yè)培養(yǎng)目標畢業(yè)論文，基本能夠達到綜合訓練目標。該生查閱相關(guān)文獻資料，基本能夠綜合運用所學理論知識撰寫論文，理論分析正確。文章篇幅完全符合學院規(guī)定，內(nèi)容較為完整，層次結(jié)構(gòu)安排科學，邏輯關(guān)系清楚，完成仿真。語言表達流暢，格式符合規(guī)范要求。同意石澤旭同學提交答辯是否同意答辯：是論文成績：73指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱教師評閱意見姓名石澤旭學號10131203專業(yè)電氣工程及其自動化評閱教

12、師劉寶元職稱助教單位北京交通大學海濱學院評閱教師李婧職稱助教單位北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文）題目碼垛機控制系統(tǒng)設(shè)計對論文的評語：石澤旭同學畢業(yè)論文的選題碼垛機控制系統(tǒng)設(shè)計，論文探討了碼垛機控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法，具有一定實用價值。該同學收集的數(shù)據(jù)資料較翔實，分析和論證有一定深度，結(jié)論正確合理。論文的寫作基本規(guī)范。存在問題是對存在問題的探討還可進一步深入，對存在問題原因的分析還可進一步展開。綜上所述，石澤旭同學已經(jīng)掌握了本專業(yè)的基礎(chǔ)理論和相關(guān)專業(yè)知識，該同學寫作的畢業(yè)論文已經(jīng)達到本科畢業(yè)論文水平，可以提交答辯。是否同意安排論文答辯：同意論文成績：76評閱教師（簽名）： 年 月 日北京交

13、通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯小組評議意見姓名石澤旭學號10131203專業(yè)電氣工程及其自動化畢業(yè)設(shè)計（論文）題目碼垛機控制系統(tǒng)設(shè)計答 辯 小 組 成 員:姓 名職 稱工作單位備注路勇副教授 北京交通大學組長李婧助教 北京交通大學海濱學院答辯秘書陳雷講師北京交通大學海濱學院組員張義偉助教北京交通大學海濱學院組員答辯小組評語：該論文在前人工作的基礎(chǔ)上作了系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，具有一定的綜合應(yīng)用能力，得到一定的科研訓練。在論文答辯過程中，基本上能敘述出所撰寫論文的原理和應(yīng)用，但表述不熟悉，沒有實物和仿真，回答問題欠妥當。答辯組長（簽名）： 年 月 日答辯成績70畢業(yè)設(shè)計（論文）誠信聲明本人聲明所呈

14、交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，畢業(yè)設(shè)計（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京交通大學海濱學院或其他教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關(guān)責任。本人簽名： 日期： 畢業(yè)設(shè)計（論文）使用授權(quán)書本人完全了解北京交通大學海濱學院有關(guān)保管、使用論文的規(guī)定，其中包括：學校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學位論文的原件與復(fù)印件；學?？梢圆捎糜坝?、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存論文；學?？稍试S論文被查閱或借閱；學?？梢詫W術(shù)交流為目的，復(fù)制贈送和交換學

15、位論文；學?？梢怨紝W位論文的全部或部分內(nèi)容。本人簽名： 日期：摘 要 在現(xiàn)代的物流倉儲系統(tǒng)中，自動化立體倉庫應(yīng)用日益廣泛。而碼垛機是立體倉庫的關(guān)鍵組成部分，碼垛機性能的優(yōu)劣對整個立體倉庫的運行起到至關(guān)重要的作用，所以設(shè)計與開發(fā)自動化程度較高的碼垛機控制系統(tǒng)成為當前立體倉庫的發(fā)展趨勢，開展與此有關(guān)的研究具有重要的理論和應(yīng)用價值。本文基于現(xiàn)代物流技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展要求，介紹自動化立體倉庫的應(yīng)用及其功能和作用，結(jié)合現(xiàn)代科技的發(fā)展，著重研究自動化立體倉庫碼垛機控制系統(tǒng)的控制技術(shù)。詳細闡述了本控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，以及整個系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)和軟件設(shè)計。論文依據(jù)立體倉庫的有關(guān)設(shè)計參數(shù)，對碼垛機電氣控制的硬件系統(tǒng)

16、進行了設(shè)計，為了提高碼垛機的性能，采用了轉(zhuǎn)速、位置反饋的雙閉環(huán)控制，以滿足系統(tǒng)的調(diào)速要求。系統(tǒng)的水平認址采用激光測距傳感器定位，垂直認址采用光電開關(guān)和認址片組合定位。變頻調(diào)速系統(tǒng)由s7-226plc及其擴展模塊em235通過變頻器mm440控制交流電動機，采用光電編碼器反饋轉(zhuǎn)速信號，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。貨叉伸叉系統(tǒng)由s7-226plc通過步進電動機驅(qū)動器sh-20403控制二相混合式步進電動機。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求進行了plc、變頻器、電機和電機驅(qū)動器的選型，并給出了系統(tǒng)的硬件接線圖，然后利用西門子的編程軟件step7設(shè)計了碼垛機控制程序。關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)，自動化立體倉庫，碼垛機，傳感器，plci

17、abstractin modern logistics warehousing systems, automated storage is increasingly widespread. hay stackers are the key equipment, performance of the stacker plays an important role. design and development of a higher degree of automation stacker control system become warehouse trend of development,

18、 therefore related research has important theory and application value. this paper introduces application and performance of automated high-rise warehouse basing on application and development requirement of modern logistics techniques. and puts emphasis on the researching of control techniques in a

19、utomated high-rise warehouse stacker combining modern science and techniques. this paper elaborated on the design of the system of control, as well as the implementation of the systems hardware and the design of the software.based on the parameter related to the automated storage, this paper present

20、ed the hardware system of stacker electrical control. speed of the stacker was the basic. in order to improve the performance of the stacker, the system adopts the speed, position, double feedback control. the horizontal recognize addresses of system using laser rangefinder sensor positioning, and v

21、ertical recognition using photoelectric switches and address piece combination addressing. speed-adjusted system by s7-226plc and its extension module em235 through transducer mm440 control ac motor. goods fork system is by s7-226plc binary system through stepping motor driver sh - 20403 control two

22、-phase hybrid stepping motor. according to the requirements of the control system, this paper completed the selection of plc，frequency converter, the motor and its controller. and presents the system hardware hookup. then use the software of siemens step7 designs the stacker control procedures.keywo

23、rds：control system，automated storage and retrieval system，stacker，sensor, plciv目 錄摘 要iabstractii目 錄iii1 緒論11.1 碼垛機概述11.1.1 碼垛機的發(fā)展11.1.2 碼垛機技術(shù)的研究現(xiàn)狀11.2 自動化立體倉庫的概述21.2.1 自動化立體倉庫的組成21.2.2 自動化立體倉庫的優(yōu)點31.2.3 自動化立體倉庫的發(fā)展41.3 研究的主要內(nèi)容42 碼垛機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計52.1 控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設(shè)計52.2 碼垛機位置控制72.2.1 定位控制72.2.2 認址檢測方式82.2.3

24、認址方式確認92.2.4 碼垛機速度曲線分析112.3安全檢測傳感器的應(yīng)用112.4 元器件的選型122.5 通信方案的確定132.6 輸入輸出點分配142.7 本章小節(jié)153 plc及資源配置163.1 plc控制的優(yōu)點及s7-200系列概述163.2 s7-200系列plc概述173.3 cpu型號選擇183.4 plc模塊選型194碼垛機控制程序設(shè)計214.1 碼垛機自檢和復(fù)位/歸位程序234.1.1 碼垛機自檢程序234.1.2 碼垛機復(fù)位/歸位程序244.2 自動方式下的碼垛機運行控制254.2.1 列向運行plc程序?qū)崿F(xiàn)254.2.2 行向運行plc程序?qū)崿F(xiàn)284.2.3 貨叉伸縮

25、控制plc程序?qū)崿F(xiàn)304.3 手動方式下的碼垛機運行控制334.4 碼垛機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計344.4.1 變頻器的選型354.4.2 水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計364.4.3 垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計384.5 碼垛機貨叉控制系統(tǒng)設(shè)計404.6 本章小節(jié)415.總結(jié)43參考文獻44致 謝46附錄一 碼垛機入庫作業(yè)流程圖47附錄二48中文翻譯48附錄 三49 北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文）1 緒論1.1 碼垛機概述碼垛機是自動化立體倉庫系統(tǒng)8的重要組成部分，它是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部件，存貨時將貨物從出入貨臺準確的存放到貨位里，取貨時將貨物從貨位中取回到出入貨臺。無論何種類型的碼垛機，一般都由水平

26、行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、載貨臺及貨叉機構(gòu)、機架和電氣設(shè)備等基本部分組成。它是在所謂高層、高速、高密度儲藏的概念下的產(chǎn)物。盡管各廠家各有獨創(chuàng)，結(jié)構(gòu)形式有些差異，但可以說大同小異，所有的碼垛機都不外乎由機架、載貨臺、伸縮貨叉、軌道和控制系統(tǒng)等部分組成。1.1.1 碼垛機的發(fā)展初期的立體倉庫使用的碼垛機以橋式起重機為基礎(chǔ)，這種碼垛機是從起重機的大梁上懸掛一個門架，利用門架的上下和旋轉(zhuǎn)來搬運貨物。1960年左右在美國出現(xiàn)了巷道式碼垛機，隨后巷道式碼垛機逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式碼垛機。1967年日本安裝了高度1015米的高層碼垛機，1969年出現(xiàn)了聯(lián)機全自動化倉庫6，我國是在上世紀70年代初期開始研

27、究采用巷道式碼垛機的立體倉庫。目前的碼垛機技術(shù)取得了重大的發(fā)展，控制技術(shù)、定位精度、運行速度都得到了很大程度的提高。巷道式碼垛機的起升速度已經(jīng)可以達到90m/min，運行速度達到240m/min，在有的立體倉庫中采用上、下兩層分別用巷道碼垛機9進行搬運作業(yè)的方法提高出入庫能力。1.1.2 碼垛機技術(shù)的研究現(xiàn)狀按現(xiàn)行機械行業(yè)標準，有軌巷道式碼垛機分類方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結(jié)構(gòu)、運行軌跡等分類。無論何種類型的碼垛機一般都由水平行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、載貨臺及貨叉機構(gòu)、機架和電氣設(shè)備等基本部分組成。體現(xiàn)碼垛機動態(tài)性能優(yōu)劣的指標主要有：運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、認址精度等。隨

28、著科學技術(shù)的不斷進步，自動化立體倉庫的技術(shù)水平和倉儲機械設(shè)備的動態(tài)性能也在不斷提高。例如，碼垛機的運行驅(qū)動己由20世紀70年代的子母電動機改為變頻調(diào)速，速度由550m/min提升至4160m/min，國外小載重量的碼垛機最高可達300m/min；提升驅(qū)動己由20世紀70年代的雙速電動機改進為變頻調(diào)速，速度由416m/min提升至025m/min；貨叉運行也由單速電動機驅(qū)動改進為變頻調(diào)速，速度由8m/min提升至435m/min；在碼垛機自動控制方面還采用閉環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)5、profibus總線控制等先進技術(shù)。盡管如此，目前國產(chǎn)碼垛機的運行速度最高仍保持在160m/min；提升速度在080m

29、/min；貨叉速度一直保持在030m/min；認址采用光電探測，精度不足，認址差錯率高。1.2 自動化立體倉庫的概述在現(xiàn)代物流系統(tǒng)中，自動化立體倉庫是一個重要的組成部分，它是一種新型的倉儲技術(shù)。自動化立體倉庫4又稱為自動存儲/檢索系統(tǒng)（automated storage &retrieval system，as/rs）。它是物料搬運和倉儲科學中的一門綜合科學技術(shù)工程。它以高層貨架為主要標志，配以成套的先進搬運設(shè)備，以先進的計算機控制技術(shù)為主要手段，由此組成高頻率、大容量的科學存儲，以適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)、物資交流和倉儲的需求。 1.2.1 自動化立體倉庫的組成立體倉庫是指：采用高層貨架儲存貨物，用起

30、重、裝卸、運輸機械設(shè)備進行貨物出庫和入庫作業(yè)的倉庫。這類倉庫主要通過高層貨架充分利用空間進行存取貨物，所以被成為立體倉庫。目前，立體倉庫最大高度能達到40多米，最大庫存數(shù)可達數(shù)萬個貨物單位，可以實現(xiàn)按計劃入庫和出庫的全自動化控制，以及無人操作的計算機網(wǎng)絡(luò)化管理。其主要的組成部分有高層貨架、倉儲機械設(shè)備、控制及管理設(shè)施。（1）貨架 倉儲技術(shù)的發(fā)展由平面轉(zhuǎn)向高層立體化以后，高層貨架為倉庫的主體和標志，貨架越高，存儲量越大。貨架在物流及倉儲中占有非常重要的地位，目前的貨架具有多種功能，以滿足機械化和自動化的要求。主要的貨架類型有單元式貨架、貫通式貨架與旋轉(zhuǎn)式貨架。為了提高貨物裝卸、存取效率，自動化立

31、體倉庫一般使用貨箱或托盤盛放貨物。貨箱和托盤的基本功能是盛放小件物料，同時還應(yīng)便于運輸車和碼垛機的插取和存放。（2）倉儲機械設(shè)備 自動化立體倉庫的主要搬運設(shè)備是巷道式碼垛機17，其主要用途是在高層貨架的巷道內(nèi)來回穿梭運行，將位于巷道口的貨物存放入貨格中，或者將貨物取出運送到巷道口。輸送系統(tǒng)必須是具有高度的可靠性，在立體倉庫中一般只有一套輸送系統(tǒng)，所以應(yīng)保證輸送系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)上的設(shè)備可靠、耐用、維修方便，并且還應(yīng)該對輸送系統(tǒng)設(shè)置手動控制做后備。自動化立體倉庫中的貨物輸送裝置主要有傳送帶、各種流動小車及agv等，短距離的傳送還可以采用機器人。（3）控制及管理設(shè)施 控制管理系統(tǒng)5采用分布式控制，即由管

32、理計算機、中央控制計算機和直接控制碼垛機、入/出庫輸送機等現(xiàn)場設(shè)備的控制器組成控制系統(tǒng)。管理計算機是立體倉庫的管理中心，承擔著入/出庫管理、盤庫管理、查詢、打印及顯示、經(jīng)濟技術(shù)指標的計算分析等功能，包括在線管理和離線管理；中央控制計算機是立體倉庫的控制中心，他溝通并協(xié)調(diào)管理計算機、碼垛機、入/出輸送機等設(shè)備之間的聯(lián)系，控制和監(jiān)視著整個立體倉庫系統(tǒng)的運行。1.2.2 自動化立體倉庫的優(yōu)點事實證明采用自動化立體倉庫能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1） 層貨架：立體倉庫由于使用了高層貨架存儲貨物，存儲區(qū)可以大幅度的向空間發(fā)展，充分利用了倉庫的空間，提高了空間利用率。（2）

33、 自動存?。鹤詣踊Ⅲw倉庫使用機械和自動化設(shè)備，運行和處理速度快，提高了作業(yè)效率。（3） 計算機控制與管理：計算機能夠準確無誤的對倉庫的各種信息進行存儲和管理，不僅降低了操作人員的勞動強度，還減少了貨單處理和信息處理過程中的差錯，從而提高了倉庫的管理水平。（4） 節(jié)約成本：作業(yè)效率的提高勢必會降低貨物儲存的成本費用，由此也提高了企業(yè)的現(xiàn)代化物流意識。1.2.3 自動化立體倉庫的發(fā)展高層貨架倉庫的出現(xiàn)和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)以后生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。在生產(chǎn)發(fā)張的實際需要和科技水平發(fā)展的現(xiàn)實可能下，五十年代初開始出現(xiàn)了自動化立體倉庫。1950年美國首先產(chǎn)生手動控制的橋式碼垛機起重機，與此同時提出了高層

34、貨架的概念，被認為是自動化倉庫的雛形。1960年以后巷道式碼垛機逐漸代替了橋式碼垛機，此后碼垛機的使用范圍和性能有了很大的發(fā)展，尤其是在日本，自動化立體倉庫發(fā)展迅速，目前日本的自動化倉庫技術(shù)和自動化倉庫的擁有量都位居世界前列。自動化技術(shù)在倉儲領(lǐng)域中的發(fā)展分為五個階段：人工倉儲階段、自動化倉儲階段、集成化倉儲階段和智能化階段。其中智能自動化倉儲在九十年代后期以及二十一世紀的若干年內(nèi)，是倉儲自動化技術(shù)的主要發(fā)展方向。我國對自動化立體倉庫及其物料搬運設(shè)備的研制并不晚，1963年研制成第一臺橋式碼垛起重機(機械部北京起重運輸機械研究所)，1973年開始研制我國第一座由計算機控制的自動化立體倉庫(高巧米

35、，機械部起重所負責)，該庫1980年投入運行。1.3 研究的主要內(nèi)容課題的研究目標是設(shè)計安全可靠，具有經(jīng)濟性能和操作性能良好的碼垛機控制系統(tǒng)。 主要內(nèi)容如下：(1) 介紹自動化碼垛機和立體倉庫的一般概念和基本組成，以及國內(nèi)外碼垛機和立體倉庫的發(fā)展現(xiàn)狀，簡單介紹了碼垛機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。(2) 對碼垛機在水平方向和垂直方向運行進行速度控制，根據(jù)運行的目的地址和當前地址之間的比較，選擇合適的變頻器，對電機的運行速度進行控制。并在應(yīng)用新的定位方式的基礎(chǔ)上，對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行位置速度雙閉環(huán)控制，并解決新方案中的硬件設(shè)置問題。由plc輸出高速脈沖和貨叉方向改變信號控制步進電動機左伸和右伸，以及貨叉的伸

36、縮速度。(3) 設(shè)計了碼垛機運行系統(tǒng)的控制程序，包括碼垛機各種工作方式下的控制程序。2 碼垛機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1 控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設(shè)計（1）碼垛機運行機構(gòu)由水平運行的行走機構(gòu)，垂直運行的起升機構(gòu)及取送貨的伸叉機構(gòu)三部分組成。水平部分運動電機和垂直部分運動電機分別采用220w的三相交流異步電動機和200w的單相交流異步電動機，由西門子s7-200plc3通過變頻器進行控制。伸叉機構(gòu)電機采用兩相混合式步進電機，由西門子s7-200通過步進電機驅(qū)動器進行控制。由碼垛機運行機構(gòu)特點及工作要求可知，能否保證碼垛機的穩(wěn)定工作，關(guān)鍵在碼垛機的三維位置移動定位的精確性。主要技術(shù)指標和和主要設(shè)計參數(shù)

37、碼垛機運行的速度范圍：水平方向：2m/min360m/min；垂直方向：2m/min80/min；貨叉：2m/min60/min（2）碼垛機的控制方式有自動和手動控制。 手動方式通過碼垛機的轉(zhuǎn)換開關(guān)及按鈕控制碼垛機水平和提升運動及貨叉伸縮。同時運動速度也可以手動選擇。手動操作時，系統(tǒng)應(yīng)給予相應(yīng)的警示信號。同時系統(tǒng)將解除大部分的保護控制。手動操作主要用于安裝、調(diào)試和排除故障。 單機自動用人機界面對碼垛機進行全自動的控制，控制系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)進行全自動的取送貨動作。界面操作時，應(yīng)具備對貨物的單送、單取操作。人機界面應(yīng)具備實時顯示設(shè)備運行工況，故障及歷史故障查詢等功能。（3）碼垛機控制系統(tǒng)中上

38、位機完成的只是數(shù)據(jù)輸入和傳送，主要的控制任務(wù)是由plc來完成。 作業(yè)命令處理：確定作業(yè)狀態(tài)時自動還是手動；確定作業(yè)指令是存貨入庫還是取貨出庫；確定作業(yè)地址包括列地址和層地址。 位置技術(shù)及判斷：沿著碼垛機的行進方向和載貨臺的升降方向設(shè)置認址片，plc通過檢測認址片來判斷碼垛機位置和載貨臺的位置，每經(jīng)過一個認址片，plc的高速計數(shù)器就自動計數(shù)一次，前進加一，后退減一，上升加一，下降減一。到達預(yù)定位置后，碼垛機停車。 速度調(diào)整和準確停車：根據(jù)碼垛機和目標位置的距離，plc輸出速度調(diào)整的控制信號給變頻器，通過變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，在停車之前先把碼垛機的運行速度降低到低速檔，使碼垛機以低速接近目標位置，

39、保證碼垛機的穩(wěn)定性。 作業(yè)任務(wù)的順序邏輯控制：按照入庫、出庫的作業(yè)順序，確定各輸出點的得電狀態(tài)，完成作業(yè)順序的邏輯控制。 安全保護：水平行走、載貨臺升降及貨叉的伸縮等都有限位保護。 plc還有工作故障報警功能。由上位監(jiān)控級與直接控制級組成。監(jiān)控級對通訊、流程進行控制，并進行實時圖像顯示，直接控制級是由plc(可編程序控制器)組成的控制系統(tǒng)對各設(shè)備進行單機自動操作。采用組態(tài)王6.52建立監(jiān)控界面，同時將運行系統(tǒng)的狀態(tài)反饋到監(jiān)控計算機。碼垛機采用西門子公司的s7-200型plc控制，與變頻器結(jié)合對碼垛機進行變頻調(diào)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖2-1所示。監(jiān)控計算機堆垛機貨叉控制系統(tǒng)統(tǒng)堆垛機水平變頻系統(tǒng)堆垛

40、機縱向變頻系統(tǒng)堆垛機貨叉運行機構(gòu)構(gòu)堆垛機水平運行機構(gòu)構(gòu)堆垛機縱向運行機構(gòu)構(gòu) s7-200 plc堆垛機縱向認址系統(tǒng)堆垛機水平認址系統(tǒng)堆垛機貨物檢測系統(tǒng)堆垛機限位保護系統(tǒng)圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖2.2 碼垛機位置控制由碼垛機的作業(yè)流程分析，碼垛機是由水平運行機構(gòu)、縱向起升機構(gòu)和貨叉伸縮機構(gòu)三部分組成的，水平運行機構(gòu)和垂直起升機構(gòu)使碼垛機到達目標位置，貨叉伸縮機構(gòu)完成存取貨任務(wù)。要完成對碼垛機自動控制系統(tǒng)的設(shè)計，首先要保證碼垛機能夠準確到達目標位置，所以在設(shè)計碼垛機自動控制系統(tǒng)時，關(guān)鍵在于準確可靠的認址和定位17保證碼垛機準確無誤的定位在目標貨位。另外為了提高存取效率和保證碼垛機的穩(wěn)定性，必須對碼

41、垛機三個機構(gòu)的速度進行合理有效的控制，其中速度位置檢測是碼垛機自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。碼垛機速度位置控制的實現(xiàn)方法如圖2-2所示，控制系統(tǒng)由plc控制器、調(diào)速系統(tǒng)、編碼器、認址片和認址器組成，實現(xiàn)位置和速度的雙閉環(huán)控制。m執(zhí)行機構(gòu)認址器調(diào)速系統(tǒng)控制器輸入編碼器速度檢測 位置檢測圖2-2 碼垛機位置速度控制框圖2.2.1 定位控制定位控制就是確定碼垛機停止在目標貨位的功能。自動倉庫的認址檢測系統(tǒng)有兩項任務(wù)：一是實現(xiàn)自動尋址，使碼垛機自動找到被指定到達的位置；二是自動準確停準，即碼垛機停準位置不超出規(guī)定的精度。為此，貨架上的每個貨位必須具有碼垛機能識別的編碼，所以將貨架兩側(cè)編成x1、x2，沿碼垛機

42、運行方向?qū)⒇浖芫帪?y列，垂直方向編為0z層。這樣每個貨位就有了獨立的三維坐標地址，碼垛機自動檢測目前的坐標地址，使其能到達目標位置。因為貨架兩側(cè)分為x1、x2，只有兩個方向，反應(yīng)到碼垛機上只是貨叉左伸、右伸運動，此方向不用檢測，所以實際上碼垛機位置的檢測只是對y、z位置的檢測。2.2.2 認址檢測方式主要的認址檢測方式有以下幾種：（1）絕對認址：絕對認址是將每一個貨位賦予唯一的開關(guān)狀態(tài)，給每個貨位制作一個專用的認址片，碼垛機上相應(yīng)安裝一個識別器，通常是二進制編碼板和一組光電開關(guān)的組合，通過讀取認址片的代碼來判斷碼垛機的當前位置。（2）相對認址：相對認址：相對認址時每個貨位的認址片結(jié)構(gòu)相同。每

43、經(jīng)過一個貨位，就對地址編碼進行加1或減1，一直移動到和預(yù)定位置號一致時停止運行。（3）編碼器定位法：編碼器定位方式13主要有兩種：從動輪與軌道旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式、鏈輪與鏈條旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式。從動輪與軌道旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式。碼垛機的從動輪上配有同軸旋轉(zhuǎn)編碼器，從動輪與軌道近似純滾動，因此通過對旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換，可以得到碼垛機的相對運行位置。（4）激光測距定位：激光測距定位19是近年來應(yīng)用于碼垛機準確定位的新技術(shù)，用激光測距儀通過測量碼垛機到基準點的距離和事先存儲的位置數(shù)據(jù)比較來確定碼垛機的當前位置。這種方法的精度很高，但是使用時碼垛機和激光發(fā)射器和反射板之間不允許有物體，否則會遮擋住激光的傳輸

44、路徑，使系統(tǒng)無法準確定位。以上是四種常見的認址檢測方式，四種方式各有優(yōu)劣，下面的表格2-1是他們之間的比較對照：表2-1 認址方式對比表認址器 光電開關(guān)旋轉(zhuǎn)編碼器激光測距傳感器認址方式相對認址 絕對認址 絕對認址絕對認址可靠性 較低 高 較高 最高認址精度 格 格 mm mm 系統(tǒng)成本 低 高 高 較高 數(shù)據(jù)接口 無 無 多種 多種 定位方式反射式 反射式接觸式 反射式 使用壽命 短 短 較長 長2.2.3 認址方式確認為完成對碼垛機的位置控制，必須能檢測出碼垛機的運行位置，碼垛機系統(tǒng)認址方式如下：（1）水平認址系統(tǒng) 水平方向采用激光測距傳感器15，當前數(shù)據(jù)為位移值，經(jīng)過plc計算后的數(shù)據(jù)為當

45、前速度值。激光測距傳感器安裝在碼垛機上，目標放射板安裝在巷道末端。在立體倉庫巷道通道中的激光測距范圍(激光發(fā)射器與反射板之間)內(nèi)不得有任何物體遮擋激光光線。激光測距的原理是通過發(fā)射出的激光光線長度來測定距離，其光線就好比一把光尺，如果物體遮擋激光光線，讓它脫離原標準原點的測定位置，將影響實際要求的測定距離，從而使碼垛機走位偏離所設(shè)定的位置，產(chǎn)生貨叉取/存儲錯位或起始點撞擊碼垛機端部緩沖制動器的情況。因此，在碼垛機工作時不允許有任何物體遮擋激光光線，對于激光光線通道應(yīng)采取隔離保護措施，保證激光測距的準確性和自動化系統(tǒng)的安全性。（2）縱向認址系統(tǒng)碼垛機縱向方向的層定位采用光電開關(guān)和認址片組合定位，

46、即在碼垛機的上下安裝兩個光電開關(guān)，在每層的貨位上安裝認址片。低位為取貨開始伸叉或放貨完畢收叉的位置，高位為放貨開始伸叉或取貨完畢收叉的位置。為使貨叉能完成作業(yè)，碼垛機在垂直方向上必須要提供使貨叉能停在高位或低位的檢測裝置。所以在碼垛機的升降臺上安裝三個光電開關(guān)，與升降臺一起上升下降，中間的一個共用，其他兩個分別為上位置和下位置。存貨開始或取貨結(jié)束時，升降臺貨叉停在高位置，下面兩個光電開關(guān)處于認址片內(nèi)；取貨開始或存貨結(jié)束時，貨叉停在低位置，此時上面兩個光電開關(guān)處于認址片內(nèi)，如圖2-3所示。 圖2-3 碼垛機垂直方向認址傳感器分布圖其認址狀態(tài)如表2-2所示：表2-2 認址狀態(tài)表 上升下降傳感器存貨

47、高位取貨低位存貨高位 取貨低位a1計數(shù)、減速、定位 定位、停止 a2計數(shù)、減速、定位定位、停止定位、停止計數(shù)、減速、定位a3 計數(shù)、減速、定位 2.2.4 碼垛機速度曲線分析常見的速度運行曲線29有三種，分別為三角形與梯形速度曲線、拋物線與直線形速度曲線、正弦形速度曲線。本文采用最常用的梯形速度曲線。如圖2-4所示，梯形速度曲線碼垛機以加速度啟動加速，當勻加速到最大運行速度時，保持該速度運行一段時間，再以勻減速運行，直到零速?？俊abcs1s2s3s圖2-4 梯形速度曲線2.3安全檢測傳感器的應(yīng)用（1）貨架占有情況檢測 自動化倉庫需要知道貨物是否存放在貨架，或者貨物在貨架的位置信息。以免造成

48、誤動作，損傷機械。入庫操作時，當碼垛機到達目標位置時，先檢測貨位是否有貨物，若沒有貨物，則進行伸叉作業(yè)，否則發(fā)出信號使碼垛機動作停止；出庫時，若檢測出相應(yīng)貨位無貨物，則發(fā)出信號致碼垛機動作停止。本文采用漫反射型的光電傳感器可以感知貨物在貨架的存在或者位置。（2）貨物突出貨架檢測貨物存放在貨架上，可能由于異常的情況導(dǎo)致貨物突出貨架的情況。這些突出的貨物可能妨礙碼垛機垂直方向的運行，導(dǎo)致貨架或碼垛機的損害。在碼垛機垂直軌道上頂端安裝長距離光電傳感器可以監(jiān)視貨物突出，一旦有突出，向上位機報警，控制系統(tǒng)發(fā)出信號致碼垛機停止運行。2.4 元器件的選型主要的元器件的選擇如下表2-3所示。表2-3 元器件使

49、用表名稱代號符號個數(shù)規(guī)格符號備注plcplc1s7-200cpu226，ac/dc繼電器輸出擴展模塊11em22116路數(shù)字輸入擴展模塊22em2354模擬量輸入、1模擬量輸出接觸器km3cj20-100線圈電壓220v電阻r22k限流保護器fr1jrs4-140365d整定電流80-104a熔斷器fu4rls1-100額定電壓380v額定電流20-100a指示燈hl5ad16-22gled顯示，220v名稱代號符號個數(shù)規(guī)格符號備注行程開關(guān)sq14lf-0124lb額定電壓10-30vdc按鈕開關(guān)sakd2b-21帶自鎖，24v激光測距傳感器1odsl8型檢測距離25-45米光電傳感器2e3g

50、-mr19光電編碼器2755a增量式三相交流異步電動機m1y2-632-2額定電壓380v，額定功率300w單相交流異步電動機m1yy7112額定電壓380v，額定功率250w步進電動機驅(qū)動器1sh-2040324-70vdc二相混合式步進電動機m142byg步距角0.9/1.82.5 通信方案的確定為了控制無人運轉(zhuǎn)碼垛機，必須向碼垛機發(fā)送運轉(zhuǎn)和作業(yè)的信息。一個指令執(zhí)行完了之后，必須從碼垛機向地面發(fā)送響應(yīng)信號，即確認信號，之后才能執(zhí)行下一個指令。碼垛機的信息傳遞順序是：碼垛機首先接受的作業(yè)信息是從什么地方取貨，之后把它存入什么貨位。碼垛機控制盤在收到作業(yè)信息之后向地面控制盤發(fā)出響應(yīng)信息。碼垛機

51、根據(jù)作業(yè)信息進行作業(yè)。作業(yè)完了之后，向地面發(fā)出“作業(yè)結(jié)束”信息。這樣把一系列作業(yè)進行完了之后，成為等待下一個作業(yè)信息的待機狀態(tài)。串行通信中最常用的物理層協(xié)議為rs-232c和rs-485。本文采用rs-485標準。主要基于以下兩點考慮：（1） rs-232c接口標準只能用于點對點的通信，而rs-485能實現(xiàn)多點對多點的通信。rs-485允許平衡電纜上連接32個發(fā)送器/接收器。立體倉庫控制系統(tǒng)要求監(jiān)控系統(tǒng)和3臺碼垛機控制系統(tǒng)連接，要求物理層的協(xié)議必須支持一點對多點的通信。（2） rs-485采用差動發(fā)送/接收，所以共模抑制比高，抗干擾能力強。立體倉庫的工作環(huán)境較惡劣，熱、電、磁等干擾信號較多，要求通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力較強，才能保證數(shù)據(jù)的正確接收。rs-485標準除上述優(yōu)點外，還具有傳輸速率高、傳輸距離遠等優(yōu)點。由于plc帶有串行通信接口，只需用rs-485總線分別連接到計算機即可，可見系統(tǒng)的構(gòu)建十分簡單當需要增加新設(shè)備時，只需要將新設(shè)備也連接到計算機，系統(tǒng)的擴展也較容易。為了利用計算機帶有的rs-232接口與下層的各個模塊通信，在計算機上需要安裝232-485轉(zhuǎn)換器。在自動化立體倉庫控制系統(tǒng)中選用modbus通訊協(xié)議作21為其通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。modbus通訊協(xié)議是modicon公司設(shè)計的一種適用于工業(yè)控制的主從結(jié)構(gòu)式串口通訊協(xié)議，