堆垛机测控系统设计

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1、齐鲁工业大学齐鲁工业大学齐鲁工业大学过程控制技术过程控制技术课程设计作业课程设计作业题 目：堆垛机测控系统设计堆垛机测控系统设计 专 业：机械工程学院机械设计制造及其自动化班 级： 机械专 11-2 姓 名： 李宇凯 学 号： 7 指导教师： 张志秀 齐鲁工业大学齐齐 鲁鲁 工工 业业 大大 学学 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书学院 机械与汽车工程学院 专业 机械设计制造及其自动化 姓名 李宇凯 班级 机械专 11- 2 学号 7题目 堆垛机测控系统设计一、主要内容1、工艺过程简述：堆垛机是立体仓库的重要设备之一，在两排货架之间的巷道中运行，与输送机配合完成出入库、移库等任务。本设计

2、主要作出入库设计。堆垛机接受立体仓储系统主机出入库命令，堆垛机上的 PLC 指令分析包括的出库（入库）功能、货物输出到不同站台（入库则是到站台取货） ，PLC 按照指令中的排、列、层，结合堆垛机所在位置，判断出堆垛机的运动方向。先水平电机启动到达指令中的排、列处，同时垂直电机把货叉提升到指令中的层处。货叉电机按照出库(入库)指令，到货架子上取货（把货物放到货架子上） 。2、根据设计任务书要求查阅相关资料； 3、分析过程、动作特点，确定控制系统结构；4、选取控制系统主机、传感器、执行环节的元器件型号，并编制控制系统设备表；5、绘制控制系统原理图；6、编写课程设计说明书；二、基本要求1、设计采用

3、PLC 及其输入输出模块，实现测控系统；2、绘制控制系统原理图，编制控制系统设备表； 3、设计说明书一份；三、主要参考资料 1、王毅等.过程装备控制技术及应用.化学工业出版社.2009.7 2、林敏，丁金华，田涛.计算机控制技术及工程应用.国防工业出版社.2006.9；3、于海生.计算机控制技术.机械工业出版社.2007.1；4、王兆义.可编程控制器教程.机械工业出版社.2004.2； 5、http:/ 年 1 月 6 日至 2014 年 1 月 10 日指导老师： 张志秀 系主任： 方斌 齐鲁工业大学目录第一章 堆垛机的相关1.1 堆垛机的概述1.2 堆垛机的发展1.3 堆垛机技术的研究现状

4、第二章 堆垛机控制系统的硬件设计2.1 控制技术要求和系统总体设计2.2 堆垛机位置控制2.3 PLC 及资源配置2.3.1 S7-200 系列 PLC 概述2.3.2 CPU 型号选择2.3.3 PLC 模块选型2.4 堆垛机变频调速系统设计2.4.1 变频器的选型2.4.2 水平方向变频调速系统设计2.4.3 垂直方向变频调速系统设计2.5 堆垛机货叉控制系统设计2.6 安全检测传感器的应用2.7 元器件的选型2.8 通信方案的确定2.9 输入输出点分配第三章 堆垛机控制程序设计3.1 堆垛机自检和复位/归位程序3.1.1 堆垛机自检程序3.1.2 堆垛机复位/归位程序3.2 自动方式下的

5、堆垛机运行控制3.2.1 列向运行 PLC 程序实现3.2.2 行向运行 PLC 程序实现3.2.3 货叉伸缩控制 PLC 程序实现齐鲁工业大学3.3 手动方式下的堆垛机运行控制总结教材及参考资料附页齐鲁工业大学- 1 -第一章第一章 绪论绪论1.1 堆垛机概述堆垛机概述堆垛机是自动化立体仓库系统的重要组成部分，它是整个系统的执行部件，存货时将货物从出入货台准确的存放到货位里，取货时将货物从货位中取回到出入货台。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。它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。尽管各厂家各有独创，结构形式有些差

6、异，但可以说大同小异，所有的堆垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成。1.2 堆垛机的发展堆垛机的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 1015 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大程度的提高。巷道式堆垛机的起

7、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。1.3 堆垛机技术的研究现状堆垛机技术的研究现状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 2

8、0 世纪 70 年代的子母电动机改为变频调速，速度由 550m/min 提升至 4160m/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，速度由齐鲁工业大学- 2 -416m/min 提升至 025m/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 435m/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 080m/min；货叉速度一直保持在 030m/min；认址采用光电

9、探测，精度不足，认址差错率高。第二章第二章 堆垛机控制系统的硬件设计堆垛机控制系统的硬件设计2.1 控制技术要求控制技术要求和系统总体设计和系统总体设计（1）本系统中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。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。

10、主要技术指标和和主要设计参数堆垛机运行的速度范围：水平方向：2m/min360m/min；垂直方向：2m/min80/min；货叉：2m/min60/min（2）本文堆垛机的控制方式有自动和手动控制。 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。 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运行工况，故障及历史故障查询

11、等功能。（3）在本文设计的堆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。 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。齐鲁工业大学- 3 - 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。 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

12、，在停车之前先把堆垛机的运行速度降低到低速档，使堆垛机以低速接近目标位置，保证堆垛机的稳定性。 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。 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。 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。采用组态王 6.52 建立监控界面，同时将运行系统的状态反馈到监控计算机。堆垛机采用西门子公司的 S7-200 型 PLC 控制，与变频器结合对堆垛机

13、进行变频调速。系统结构拓扑图如图 2.1 所示。监控计算机S7-200 PLC堆垛机水平 认址系统堆垛机纵向 认址系统堆垛机纵向 变频系统堆垛机水平 变频系统堆垛机货叉 控制系统堆垛机纵向 运行机构堆垛机水平 运行机构堆垛机货叉 运行机构堆垛机货物 检测系统堆垛机限位 保护系统齐鲁工业大学- 4 -图 2.1 系统结构拓扑图2.2 堆垛机位置控制堆垛机位置控制由堆垛机的作业流程分析，堆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堆垛机到达目标位置，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

14、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。另外为了提高存取效率和保证堆垛机的稳定性，必须对堆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堆垛机自动控制系统的关键部分。堆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。执行机构输入编码器速度检测位置检测图 2.2 堆垛机位置速度控制框图2.3 PLC 及资源配置及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 作为控制中心。2.3.1 S

15、7-200 系列系列 PLC 概述概述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/输出扩控制器调速系统M认址器齐鲁工业大学- 5 -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，又极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩展模块，性能价格比非常高。因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。特别是 S7-200CPU22*系列 PLC(它是 21*系列的替代产品） ，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，可以很容易的组成 PLC 网络。同时具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得 S7-22*系列 PLC 来完成控制系统的设计时更加简单，系统的集成非常方便，几乎可以完成任何功能的控制任务。S7-200 硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即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，也有的称之为主机或本机。特包括 CPU、存储器、基本输入输出点和电源等，使 PLC 的主要部分。它实际上就是一个完整的控制系统，可以单独的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