自动化立体仓库输送系统设计

摘 要摘 要企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得仓库成为生产物流系统中的一个重要且不可缺少的环节。立体仓库正以它最小的占地面积和最佳的空间利用率，逐步替代面积利用率极低且陈旧落后的平面仓库，这种替代促使仓储物流业的水平提高。为满足现代化生产和物流的需要，就必须采用以计算机控制技术为主要手段的自动化立体仓库。随着国民经济的飞速发展，自动化立体仓库已在各行各业中得到越来越广泛的应用。自动化立体仓库由高层货架、巷道堆垛机、自动入库、自动出库、计算机控制管理系统以及其他辅助设备组成。本文的仓库模型是根据自动化立体仓库运行的基本原理而设计的。整个控制系统中以西门子S7-200系列PLC为控制核心，通过对电机的驱动和空间认址，设计自动化立体仓库输送系统。设计内容主要包括堆垛机控制系统和出入库控制系统。通过对堆垛机和出入库库台的控制，完成了立体仓库输送系统。该系统具有结构简单、使用直观方便等优点。关键字：自动化立体仓库，PLC，堆垛机，出入库货台IVAbstractAbstractAs a result of the unceasing increase of production size warehouse have became an important and indispensable part of organizations. Stereoscopic warehouse is at its smallest area and the best utilization of space, and gradually replace the area of very low utilization rate of the plane and obsolete warehouse, this alternative to the warehousing and logistics industry to raise the level. And this kind of replacing improves the level of warehousing and logistics industry. Therefore, we must take automatic high-rise warehouse to satisfy the needs of modern production and circulation. With the rapid development of the national economy, the automated warehouse will certainly be more widely applied in all walks of life.Automated warehouse is consist of top shelf, stacker, automatic storage, automatic database, computer control and management system and other auxiliary equipment. The storage model is based on the automated warehouse operation of the basic principles and design. The whole control system of Siemens S7-200 series PLC as the control core, the motor drive and space address recognition, design automation stereoscopic warehouse delivery system. The warehouse system is finished through the control of the stacker and warehousing. The system has the advantages of simple structure, visual and convenient use etc.Key words: automated warehouse, PLC, stacker, warehousing base station目 录目 录摘 要IABSTRACTII目 录第一章 绪 论11.1 目的和意义11.2 研究现状与问题21.3 内容安排31.4 系统的功能及特点3第二章 系统方案论证52.1总体方案52.2 系统总体设计方案6第三章 硬件设计及理论分析83.1 堆垛机控制单元83.1.1堆垛机83.1.2堆垛机系统控制方式103.2 输送控制单元113.3 立体仓库控制系统123.4 其他硬件设备133.3.1 PLC133.3.2 变频器143.3.3 控制电机15第四章 系统软件设计174.1 堆垛机控制系统设计174.2 控制系统的软件设计184.2.1 水平运动控制模块214.2.2 精确认址模块224.2.3速度控制模块254.2.4堆跺机车取货叉运行模块274.3 操作模式294.3.1手动控制294.3.2自动控制294.3.3 点动控制304.3 现场干扰消除31总 结33参考文献34致 谢35第一章 绪 论第一章 绪 论1.1目的和意义自动化立体仓库又称立库、高层货架仓库、自动化仓库。它是一种用高层立体货架存储物资，用自动控制的巷道堆垛起重机及其他机械进行搬运存取作业，用计算机控制管理的仓库。图1-1 立体仓库示意图自动化立体仓库利用高层立体货架，以成套搬运设备为基础，以计算机控制技术为主要手段组成的高效率物流、大容量储藏系统。自动化立体仓库以先进的计算机控制技术为主要手段，由此组成高效率的物流、大容量的科学的存储，以适应现代化生产的需求，其示意图如图1-1所示1。通过高层货架存储，使存储区大幅度地向高空发展，提高了空间利用率； 通过自动存取系统,加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度提高仓库的管理水平；由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，可少了浪费，保证均衡生它，也提高了操作人员素质和管理人员的水平。自动化立体仓库（AS/RS系统，Automatic Storage/Retrieval System）基于高层货架、采用电子计算机进行控制管理、采用自动化存储输送设备自动进行存取作业的仓储系统。自动化立体仓库是实现高效率物流和大容量的关键系统，在自动化生产和商品流通中具有举足轻重的作用2。与传统仓库相比具有明显的优点：1占地面积小。2作业效率高。3功能强。4省力,省能。5提高作业质量与水平。6节省运营费用。本文以PLC作为核心控制器，介绍了基于PLC控制的输送系统的设计思路。该系统简洁明了、可实现仓库远程控制等特点。结构简单，工作稳定，有很好的应用价值和应用前景。1.2 研究现状与问题立体仓库是二战之后根据生产提升和技术发展而迅速发展出现的。最早的立体仓库出现在美国军工制造中。上世纪中期，美国出现了利用堆垛起重机搬运的立体仓库；随后又在立体仓库中引用了计算机管理技术，从此立体仓库趋于自动智能化。从这以后，自动化立体仓库在一些发达国家开始高速发展，而且形成自动化立体仓库这一专门专业。70后代以来，发达国家大力推广商品物流自动化、高速化、信息化，在各大城市纷纷建立了大型自动化立体仓库。进入80年代，自动化立体仓库在世界各国发展迅速，使用范围涉及几乎所有行业。到目前为止立体仓库已经功能强大并且应用十分广泛3。相对国外发达国家而言，我国的自动化仓库的发展起步较晚，自1974年在郑州纺织机械厂建成我国第一座自动化立体仓库以来，我国自动化仓库领域的发展速度比较缓慢。至1980年我国已经建成和正在施工建设的自动化立体仓库达到21座。我国的自动化仓库大部分是简易的中低层小型分离式仓库。货架只有单元货架和重力货架两种。作业方式几乎都是巷道堆垛机配以小车、叉车或输送机等周边设备。这些仓库主要分布在机械制造业，其次是商业、电气行业。仓库的控制以手动控制为主，能够单机自动远距离控制的目前只有北京汽车制造厂零件库、长沙火车站库和天津储运公司库。由于自动化立体仓库的众多优点，它已成为众多企业里面必备不可的仓储技术。毫无疑问，随着国民经济的发展，经济体制日趋完善，和大大提高的企业生产水平，自动化立体仓库，将会有一个更好的应用和发展。1.3 内容安排本文以电气控制与PLC为基础，通过可编程逻辑控制器PLC完成自动化立体仓库输送系统电路的电路设计。首先，通过分析和比较，确定符合设计要求的系统总体设计方案，并设计出系统的总体结构框图。其次，完成各个组成部分的电路设计。其中包括堆垛机系统控制、输送车控制电路、上位机控制系统。最后，完成控制技术先进的自动化立体仓库输送系统。1.4 系统的功能及特点本课题主要研究中小型自动化立体仓库的自动控制系统，具有专用的人机信息交流界面控制面板，可以实现手动和自动货物存取功能。存取货物还可以实现全自动，为节省PLC成本，采用西门子的矩阵输入指令等高级宏指令，扩展了PLC的输入和输出点数。而且利用PLC软件实现货架上有无货物的检测，节省了货物检测传感器的成本投入，步进电机也是通过PLC软件进行控制其正转、翻转和加减速。根据自动化立体仓库运行的基本原理，通过大学阶段所学的知识设计一套基于PLC的自动化立体仓库运动的控制系统，具有根据用户的输入，三个坐标方向电机能够准确移动、定位以实现物品的正确存放功能。具体完成的任务如下：1命令键盘的设计；2熟练掌握PLC程序设计方法；3应用PLC完成硬件电路的设计；4编写输送系统的各个工程子程序；5在立体仓库模型上进行物品装卸试验。通过对仓库模型控制系统的设计研究，能够对自动化立体仓库设计的基本工作原理有一定的认识，并且对大学阶段所学知识能够进一步的深化，对理论知识和实际应用之间的相互转化有更具体的理解，特别是对PLC技术、数字电路、机电一体化技术有了更进一步的认识。以及PLC的程序设计有了更认真地学习和运用。另外，通过对此课题的学习研究，还可以培养自己独立解决实际问题的能力，为以后学习打下基础。- 4 -第二章 系统方案论证第二章 系统方案论证2.1总体方案目前自动化立体仓库已随着经济的发展开始越来越流行起来，其设计也在不断的趋向于完美化，本仓库模型系统的设计也有很多不同的方法。我们对仓库模型控制作了两种设计方案，并对其进行了研究和讨论。图2-1 系统的总体结构图方案一：基于单片机的仓库模型控制系统的设计。方案二：基于PLC仓库模型控制系统设计。它具有很多其他设计方法不可比拟的优点。两种方案的区别主要在于使用哪种控制器，单片机还是PLC。方案一采用单片机作为主控制器来控制步进电机的控制系统，系统所要设计的控制电路较多，较为复杂。而且整个控制系统的开发周期长。由于需设计的电路居多，所以系统的软件程序设计复杂，难于实现。方案二采用PLC实现控制，它具有很多其他设计方法不可比拟的优点：1可靠性高、环境适应性强：可编程控制器输入/输出端口均采用继电器和光电耦合器件，采取了隔离和抗干扰措施，所以具有很高的抗干扰能力； 2通用性好：由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU模块、电源模块、PID模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，在不同的控制中采用相应的控制模块。3使用方便、灵活：对于不同的控制系统硬件结构的选择，如果输入/输出的微小变化，只需修改相应的程序可以不需要修改系统连接，减少了现场工作量，调试到使用，灵活方便。4具有顺序、周期性的工作特征。 5体积小：由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化。 综上所述：我们选择方案二，即PLC作为设计中的主控制系统，能够很好的满足设计要求，达到设计的目的。2.2 系统总体设计方案系统总体结构设计原理及说明。系统总体结构框图如下图2-2所示。图2-2 系统总体结构图 研究中小型自动化立体仓库的自动控制系统，具有专用的人机信息交流界面控制面板，可以实现手动和自动货物存取功能。存取货物还可以实现全自动，为节省PLC成本，采用西门子的矩阵输入指令等高级宏指令，扩展了PLC的输入和输出点数。而且利用PLC软件实现货架上有无货物的检测，节省了货物检测传感器的成本投入，步进电机也是通过PLC软件进行控制其正转、翻转和加减速4。- 7 -第三章 硬件设计及理论分析第三章 硬件设计及理论分析本系统由堆跺机、高层立体货架、输送车、入货台及其出货台等部分组成。所设计的系统由上位机监控系统与下位机PLC运行系统两大部分组成。其中，上位机监控系统用于模拟工业现场情况，可以实时反映堆跺机系统的工作状况；下位机系统用于完成取货送货任务5。其中最主要的硬件控制系统主要是堆垛机控制系统、输送设备控制系统和出入货系统。仓库的平面布置如图3-1所示。1立体货架 2堆垛机 3出入库输送系统 4AGV或其他搬运设备 5管理控制中心图3-1立体仓库平面布置简图3.1 堆垛机控制单元3.1.1堆垛机自动化立体仓库的核心设备是堆垛机，它是自动化立体仓库的主要作业机械，通过手动操作、全自动操作实现把货物从一处搬运到另一处。堆垛机控制系统的工作效率、可靠性及稳定性等的优点在自动化立体仓库系统中起着至关重要的作用6。本设计中采用巷道式堆垛起重机（有轨堆垛机）如图3-2所示。堆垛机主要由下横梁、货叉机构、立柱、上横梁、平运行机构、起升机构、电护装置和电气控制系组成。堆垛机主体结构主要由上横梁、立柱、下横梁和控制柜支座组成。上、下横梁是由钢板和型钢焊接成箱形结构，截面性能好，下横梁上两侧的运行堆垛机由行走电机通过驱动轴轮轴孔在落地铣床一次装夹加工完成，确保了主、被动轮轴线的平行，从而提高了整机运行平稳性；立柱是由方钢管制作，在方钢管两侧一次焊接两条导轨(材质16Mn)，导轨表面进行硬化处理，耐磨性好。在焊接中采用了具有特殊装置的自动焊接技术，有效克服了整体结构的变形；上横梁焊于立柱之上，立柱与下横梁通过法兰定位，用高强度螺栓连接，整个主体结构具有重量轻、抗扭、抗弯、刚度大、强度高等特点7。图3-2堆垛机结构堆跺机系统可以完成与上位机的交互，根据输入的菜单进行无人话操作，也可以根据操作员的输入自动进行甩手操作，在特殊情况下可以进行，人工操作，当然在系统出现故障时可以进行在维修状态下的点动操作等等。堆跺机系统与出入货系统紧密联系，出入货系统是堆跺机和输送系统联系的纽带。在出库时，堆垛机将货物从货架按指令取送到出入货系统，货物运再由输送系统进行货物分配运送到仓库以外；在入库时，堆垛机接收指令，先将货物从输送系统接收，再根据指令将货物按工作方式送到目的地址，完成入库过程。利用可编程序控制器(PLC)控制出入库堆垛机，使之完成水平方向行走、垂直升降、货叉伸缩旋转的三维运动；采用先进的变频调速控制系统控制驱动电机，调速精度高。货架使用高层货架存储货物，存储区可以大幅度地向高空发展，充分利用仓库地面和空间，因此节省了库存占地面积，提高了空间利用率。整个仓库分为入/出库区、货物整理缓冲区、出入库输送系统、巷道堆垛机。货物整理缓冲区用来存放将要运输到仓库的货物。堆垛机控制柜采用两台变频器控制。一台变频器控制行走电机和货叉电机互锁，这种方式既降低了成本，又避免了货叉取送货时，行走电机突然动作的可能，保证了堆垛机的安全，也增加了堆垛机的平稳性。另一台变频器控制升降电机8。3.1.2堆垛机系统控制方式堆垛机是立体仓库控制系统的主要设备，它在输送系统中完成取货与送货任务。其控制设计方式主要包括自动、手动、点动。自动控制方式时，上位计算机机将目的作业命令和地址发送到堆垛机上，然后堆垛机响应执行，在运行过程中，上位计算机对堆垛机的运行情况进行实时模拟监控；手动控制是由操作员直接在堆垛机操作面板上设定作业命令。在对堆垛机的控制系统中，PLC对堆垛机的控制包括：1作业命令设置确定作业方式，全自动还是手动；确定作业指令，取货还是存货；确定堆垛机所在位置坐标。2位置计数控制识别位点片，沿方向设置堆垛机和货物升降平台方向检测堆垛机和货物单元和货物位置的位置，以确定PLC识别一块位置。堆垛机在各个方向运动时，每经过一个货位光电脉冲就加1或者减1得到地址。每一个识别一块地盘计算确认接入系统。达到预定的识别位点片，自动停车堆垛机。3定位减速控制在减速定位过程中，为了确保定位的速度和准确性，需要根据运动位置估计和位置反馈来实现增长，从而实现减速控制和准确定位。实验结果表明，定位误差可以控制在允许的误差范围之内。4安全保护控制堆垛机水平方向的运动、堆垛机垂直方向的运动以及货叉伸缩旋转等都需要有限位安全保护控制。包括：利用堆垛机的水平运动限位开关，用来限制水平方向是否超出预期运行范围，每件轨道的两端各有一个限位片，在堆垛机下面有两个接触开关，当堆垛机运行范围超出安全区域时，接触开关将会接触限位片，电源会马上被切断，防止堆垛机从导轨上滑落或与轨道摩擦相撞；堆垛机上面下面设置位置限位开关，用来防止竖直方向超出安全区域，工作原理与堆垛机水平方向上的限位开关相同，防止竖直方向上超出安全范围9。5此外还有工作故障报警控制功能为了确保自动化立体仓库的正常运行，堆垛机必须配备有故障报警功能，对堆垛机限位保护、过载保护、断电保护。3.2 输送控制单元输送机控制系统是自动化立体仓库的另一个核心装置，负责将把仓库中被自动堆垛机拣选出的货物从取货台取出，按指令送到指定出货口；同时，将从外部输入的货物从进货口取出送到指令指定的入货地点。在本设计中，仓库的出入库输送设备选择了链式输送机。在立体仓库中，输送机周围配备了大量的位置检测传感器，以确保输送的加速和减速的准确性，以提高输送机的运行精度。除此之外，输送货物超限检测传感器输送车的顶部确保货物出库入库操作的顺利进行。图3-3为立体仓库的部分输送设备俯视图。1 输送机 2 货架 3 堆垛机 4 巷道图3-3输送机设备俯视图3.3 立体仓库控制系统自动化立体仓库管理计算机PLC设备4设备3设备2设备1图3-4计算机三级管理方式自动化立体仓库的计算机管理模式如图3-4所示。所设计的自动化立体仓库包括上位机监控管理系统、PLC程序设计控制系统、各级设备的三级管理方式。上位机监控管理系统除了要处理全部货物数据外，还要在货物入出库等作业时向仓库内的有关设备发出各种相应作业命令，主程序流程如图3-5所示。图3-5主程序流程图3.4 其他硬件设备表3-1 硬件清单机械部件一个有13个方格组成的货架、滚珠丝杠两根、滑杠六根、普通丝杠一根、货叉一个、支架台一个、I/O面板两块、货物托架四块电气部件一块PLC和EM223扩展模块、一个220V交流转5V和24V直流的电源盒、步进电机及驱动模块两对、直流电机一个、双相24V继电器两个、行程开关15个3.3.1 PLCPLC是为在工业环境下应用而设计的。PLC（Programmable Logic Controller)即可编程逻辑控制器，它以中央处理器CPU为核心部件，包括了运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的新型工业控制装置。它具有抗干扰能力强、可靠性高、控制系统结构简单通用性强、编程方便、使用方便、功能强大、调试周期短、维护简单等优点，目前已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。目前，PLC已成为现代化工业发展中最常用的电气控制设备。它采用可编程序式存储器，用来在其内部存储、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟的输入和输出控制各种工业生产过程。其特点：1抗干扰强，可靠性高。2模块化组合结构，小型化以及其低价位使之很受欢迎PLC可以在线进行修改，柔性好。本文选用西门子公司的S7-200系列CPUPLC(交流电源、直流输入、继电器输出，点数24点输入、16点输出)，另外加两块模拟量输入、输出模块。其基本指令处理速度每条指令执行时间0.1Bus，程序容量为2K。3.3.2 变频器步进电机的变频调速，其性能比以往的通信速度模式，驱动系统是简单，不需要启动和减速电机附加装置，并简化了驱动器，它是很容易实现系统在线的无极变频器与异步电动机相结合，可以实现对生产机械的调速传动控制，简称为变频器传动。变频器传动具有固有的优势，应用在不同的生产机械或设备上体现不同的功能，总体来说，变频器传动具有以下几个效能11。1节能应用主要体现在提高运行可靠性、台数控制和调速控制并用。2提高生产效率（1） 保证加工工艺中的最佳运行（2） 适应负载不同工作情况下的最佳转速（3） 使原有设备的增速运转3设备的合理化4改善和适应环境调速，从而成为用于电机控制的最新趋势。本文使用的西门子MM420变频器型矢量控制变频器，其出色地控制性能达到等于或者优于直流机的控制特性，可以进行转矩控制，在电机静止状态的情况下，能控制它所产生的静止转矩。3.3.3 控制电机。图3-6 步进电机电气图步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。必须有一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在本设计中通过PLC给驱动器的信号来控制步进电机的运行实现立体仓库叉车的定位）因为其适用于开环控制，通过实验和计算基本确定能够达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。脉冲分配器按照运行指令，再利用功率放大器向步进电机的各相绕组发出放大信号，控制步进电机运行；并且完成电机正转、反转和定位功能。采用二相八拍混合式步进电机，主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。电机电气图如图3-6所示11。3.3.4 光电传感器本设计中具有垂直和水平两种方向的认址检测、货位左右与高度的安全检测、货物是否正的检测、载货台上是否有货物的检测。此外，还需要货叉位置、电机故障、输送车的速度限制以及是否需要停车等检测，用来保证堆垛机可以正常运行，设计中采用光电检测，提高了运行可靠性和监测反应速度。对射式是发射端发出红光或红外，接收端接收。有物体经过光线切断，便输出信号11。- 16 -第四章 系统软件设计第四章 系统软件设计4.1 堆垛机控制系统设计堆垛机系统包括机械、电路、PLC和检测四部分组成。PLC完成对堆垛机的直接控制和状态记录，每个堆垛机控制系统均采用德国西门子公司S7-200可编程控制器作为控制核心。硬件连接图如图4-1所示。图4-1 系统硬件连接图每个堆垛机PLC配置如下：中央处理模块(CPU)：选用CPU226，共1块；数字量输入/输出模块(DI/DO)：选用EM223共2块、EM221共2块。可以增加处理8点输入信号和8点输出信号。为了使堆垛机在不同的情况下都能够正常运行，堆垛机的控制方式主要有联机自动控制和手动控制两种。根据堆垛机运行时需要进行位置控制、速度改变控制等特点，故采用模块单元化设计方案。其中包括水平三个方向运动控制模块、堆垛机与轨道精确认址模块、运行速度控制模块、堆跺机车取货叉运行模块、堆跺机车取货叉运行模块、报警子程序、通信子程序。过载保护、立体限位保护、互锁及联锁等系统的基本功能由主程序完成。行走电机通过驱动轴带动堆垛机在下导轨X轴、Y轴方向运动行走，提升电机通过链条带动堆垛机载货台在垂直方向做升降运动，载货台上的货叉做伸缩运动。上述的三维运动可以指定的货物从货架中取出，或作按指令送达指定的货物位置。行走认址器用于控制堆垛机水平行走位置，提升认址器用于控制载货台升降位置。通过认址器光电识别，以及光信号的转化，实现计算机控制，也可实现堆垛机的手动和半自动控制。图4-2 堆垛机控制硬件图4.2 控制系统的软件设计 立体仓库模型各元件与PLC的I/O连接如表4-1所示。表4-1 模型接线表输入部分输出部分I0.0回位限位Q0.0横轴脉冲I0.1到位限位Q0.1竖轴脉冲I0.2是否有物Q0.2横轴方向I0I0.3故障急停Q0.3竖轴方向I0I1.1左限位Q0.5叉车收回I1.3下限位Q0.6叉车前伸注：PLC主机输出的1L、2L、输入1M、2M、3M、4M分别与电源L+相连 输出的3L、4L、5L、6L、1M、2M与电源M相连I2.0I3.4接012号仓限位。立体仓库模型程序中地址说明如表4-2所示。表4-2 地址说明表地址说明地址说明地址说明M0.0手动自动切换开关M0.1故障检修M0.2取指令M0.3送指令M0.4取y轴脉冲M0.5送y轴脉冲M0.6取指示灯M0.7送指示灯M1.0x轴脉冲子程序调用M1.1y轴脉冲子程序调用M1.2点动x轴向左M1.3点动y轴向下M1.4点动x轴向右M1.5点动y轴向上M1.6点动伸叉M1.7点动收叉M2.0vw60中第一列仓位M2.1vw60中第二列仓位M2.2vw60中第三列仓位M2.3vw60中第一行仓位M2.4vw60中第二行仓位M2.5vw60中第三行仓位M2.6vw60中第四行仓位M3.0vw50中第一列仓位M3.1vw50中第二列仓位M3.2vw50中第三列仓位M3.3vw50中第一行仓位M3.4vw50中第二行仓位M3.5vw50中第三行仓位M3.6vw50中第四行仓位M9.0仓库有物取允许M9.1仓库无物送允许M9.2手动伸叉标志M9.3手动收叉标志M9.4点动伸叉标志M9.5点动收叉标志M10.0初始回零M10.1自动时结束回零M10.2自动取操作标志M10.3自动送操作标志M10.4自动时取记忆M10.5自动时送记忆M10.65S后自动存标志S0.0手动S0.1自动VW50选中仓位寄存地址VW60叉车所在仓位寄存地址VW70自动仓位选择暂存T37手动取伸叉延时T38手动送伸叉延时T39自动取延时T40自动送延时T41自动等待时间C0自动时叉车伸收次数M4.0M8.6为脉冲方向控制标志；M11.0M12.4为触摸屏012号仓位地址PLC在立体仓库系统中起到了主要的控制作用，通过对PLC的编程设计使立体仓库的自动化更加完善和强大，操作起来更加的方便稳定，根据实际情况对立体仓库应该具有的基本功能进行实现，从时间、经济、可操作性进行分析设计，实现了自动和手动及故障检修功能。自动功能方便快捷的对货物进行存储，具体工作流程：货物放到中转仓等待人员操作，如果在一定时间内无任何操作则自动存储货物到最小号的空仓位，在等待的过程中，操作人员可以根据自身意愿指定存取的仓位。手动功能更加快速的实现了货物在仓位之间的调整，大大缩短了操作时间。故障检修功能完全的实现了点动功能，方便了操作人员对设备的检修和维护12。根据堆垛机运行时需要进行位置控制、速度改变控制等特点,故采用模块单元化设计方案。其中包括过载保护、立体限位保护、互锁及联锁等系统的基本功能由主程序完成。需要设计的子程序包括：水平三个方向运动控制模块、堆垛机与轨道精确认址模块、运行速度控制模块、堆跺机车取货叉运行模块、堆跺机车取货叉运行模块、报警子程序、通信子程序。程序中实现各种功能和调用子程序的是主程序，主程序按照实现的功能分类又分为三个部分：手动、自动、点动。其中点动功能是在发生故障的情况下提供给技术人员对程序及设备进行检修维护时所要使用的功能，所以就其运行还可分为故障和无故障两大方面，在故障状态下可以随意的进行点动操作，只有在无故障的情况下才可以进行手动和自动操作，并可以自由的切换运行。这样使程序更加模块化，提高了程序复杂繁多时所带来的稳定性。各种功能的实现都是在满足条件时对子程序的调用完成的，如下图4-3程序是对子程序SBR_0进行的调用，其中这个子程序的调用是在满足S0.0置位的情况下才能运行到这个网络，满足所选的仓位和当前所在仓位不相同时就调用子程序进行叉车的定位运行。图4-3 调用定位子程序实现定位功能最重要的程序是子程序SBR_0，其程序主要思想是通过对所选仓位所在的行和列进行交叉计算得到的，例如：如下图4-4程序所示，寄存目标仓位号的寄存器VW50中的数值为1、4、7、10号仓位时属于第一列，M3.0置位导通，然后是通过当前仓位号存储寄存器VW60中的数值对X轴的步进电机进行脉冲数传送，当在初始位置时则把初始位置到达中转仓位的脉冲数和两个仓位之间运行时的仓位数相加送给寄存等待发送给X轴步进电机脉冲数的寄存器VD300中同时置位M4.6来控制步进电机运行的方向，同理当前在中转仓位时则直接发送仓位之间所需的脉冲数即可，假如相隔两个仓位的位置则发送两倍仓位之间脉冲数即可到达指定仓位，通过加法指令、传送指令、和乘法指令对脉冲数进行计算实现准确定位。图4-4 脉冲计算4.2.1 水平运动控制模块方向控制模块主要包括了堆垛机的三个运行的方向，即水平行走、垂直升降、货叉伸叉机构的三维运动，即：行走电机驱动堆垛机走行方向（水平方向X轴、Y轴方向）行走；升降电机驱动升降台升降方向（垂直Z轴方向）的上升或下降；货叉电机驱动货叉左右方向（伸叉及收叉）动作；需要用两台步进电机带动滚珠丝杠完成其水平方向和垂直方向的移动，需要一台直流电机来完成伸叉及收叉运动。堆垛机由上下两层组成，上层为货台，可前后伸缩，低层是滚珠丝杠组成的传动部分。当堆垛机的载物台到达指定位置时，叉车完成取货或送货任务并收叉回位。一台变频器控制行走电机和货叉电机互锁, 这种方式既降低了成本, 又避免了货叉取送货时, 行走电机突然动作的可能, 保证了堆垛机的安全, 也增加了堆垛机的平稳性。另一台变频器控制升降电机。图4-5 堆垛机水平方向运动如图4-5所示，在堆垛机运行的时候，由指定的目标地址和堆垛机当前的地址进行比较，如果得到的比较值是0的，那么堆垛机就前进；反之如果得到的比较值0，那么堆垛机后退；当比较值 0时，堆垛机不运行。当有复位信号时，堆垛机回到初始位置。4.2.2 精确认址模块由于堆垛机是以货架为目标进行作业，因此必须检测行走方向及升降方向的各个货位。本堆垛起重机采用每通过一个位置就记录一个数，一直移动到和预定位置号一致时停止移动的方法。通过精确认址使堆垛机找到被指定到达的位置；还能自动准确停位，即堆垛机找到指定位置后，停准位置不超出规定的精度。与堆垛机三个方向的运动相类似，货位的位置参数包括水平方向位置、垂直方向位置、叉车向左向右出叉位置。上级管理计算机发来存取指令和存取地址后，堆垛机向目标货架位置运行。与此同时，堆垛机上的传感器不断检测位置信息，计算判断是否到位。由于堆垛机是以货架为目标进行作业，因此就必须检测行走方向及升降方向的各个货位。认址装置由认址片和认址器组成，其中认址器采用对射式光电传感器。认址原理如下图，通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的.并且水平、垂直方向原理相同。1、认址片2、光电接收管3认址器4、光电发射管图4-6 认址原理图实现定位功能最重要的程序是子程序SBR_0，其程序主要思想是通过对所选仓位所在的行和列进行交叉计算得到的，例如：如下图4-7程序所示，寄存目标仓位号的寄存器VW50中的数值为1、4、7、10号仓位时属于第一列，M3.0置位导通，然后是通过当前仓位号存储寄存器VW60中的数值对X轴的步进电机进行脉冲数传送，当在初始位置时则把初始位置到达中转仓位的脉冲数和两个仓位之间运行时的仓位数相加送给寄存等待发送给X轴步进电机脉冲数的寄存器VD300中同时置位M4.6来控制步进电机运行的方向，同理当前在中转仓位时则直接发送仓位之间所需的脉冲数即可，假如相隔两个仓位的位置则发送两倍仓位之间脉冲数即可到达指定仓位，通过加法指令、传送指令、和乘法指令对脉冲数进行计算实现准确定位。相对认址是在巷道每列货架的相应位置及堆垛机的立柱上相应的每一层安装一个固定的认址挡板，在堆垛机侧部及升降台上各安装两个光电开关(其中一个兼作停准光电开关)，在堆垛机前后运动以及上下运动时每经过一个货位光电脉冲就加1或者减1得到地址。图4-7 脉冲计算精确认址控制程序如图4-8所示。堆垛机的主要控制器PLC在堆垛机完全停止后，检查认址器与认址片的动作状态，当停止位置超出误差范围时，发出修正信号修正停止位置。为证实堆垛机完全停止，设置了证实堆垛机停止的时间继电器T，根据指令使T动作，T的动作停止，就认为是完全停止。堆垛机在接受变速指令后，按实际需要调整变换点，不因中速，低速，微速等过程中行走时间长而增加仓库的作业周期。图4-8 精确认址控制程序在此模块中，细化到确认的地址模块通过使用两对光电开关完成目标。两对光电开关前后成一条直线的位置运行方向，光电开关的两对之间的距离180mm,光栅长度为200mm。在运行过程中，利用堆垛机前光电开关计算与挡板的距离。在一般的运行状态下，随着堆垛机与目的地址相差原来越短，为确保安全，堆垛机运行速度由快速状态逐渐减速到中速状态运行，以中速继续向前运行，当行驶到目的地址时，堆垛机运行速度再由中速状态减速到慢速状态运行，当后面的光电开关被挡光后堆垛机制动停止。此种方法的定位精度为10mm.允许最高速度为400m/min。立体库的堆垛机将列行走制动起始频率定为1.9Hz（低速时的频率为 2.0Hz），制动电压等级为5（制动电压等级有07），制动时间选择为1.0秒，堆垛机在低速状态下运行到目的地址（距目的停准位置偏差在10mm内）后，变频器的控制操作信号撤回，从而进一步降低变频器的运行频率，当堆垛机运行频率底于1.9Hz时，步进电机通过直流制动使运行频率继续降低，直到步进电机停止运行。这种方法实现一个稳定的定位堆垛机上的制动，减少了机械冲击，从而也延长堆垛机的工作时间。4.2.3速度控制模块为了保证输送车的执行效率，输送车需要以较高的速度运行，但是为了保证货物的运送的准确星输送车需要较低的速度以保证能够准确的停在各认址点上。所以本设计采用变频电机，使输送车可以采用高速、中速、低速三种不同的速度在轨道上运行。如果目的地点较远则采用高速，中速用于高速向低速的转换，低速用于精确停车。输送车高、中、低速的设定是根据目的认址点与当前认址点的距离来设计的。以输送车前进为例：令 W 目的地址当前地址，当W2时堆垛机为高速；当W2且1时堆垛机为中速；当W1时堆垛机为低速。“+”表示电机正转，堆垛机前进；“-”表示电机反转，堆垛机后退。图4-9 速度控制模块如图4-9所示，当M6.0，M6.1，M6.5，M6.6等高低速控制继电器长闭时，只要有一个低速的继电器M6.2或M6.4闭和，那么就会转入低速运行；还有在精确定位时，也是低速调整；还有在水平自动限速的情况下，也是低速运行。在最后的几个位置时，如果不执行强制限速，有可能出现事故，所以设计强制限速模块，如图4-10所示。图4-10 低速运行图4-11 强制限速4.2.4堆跺机车取货叉运行模块货叉运行包括了左右伸叉判断和货叉位置的判断。左右伸叉由运送货物的位置，以及是出入库台的出库台或入货台来决定伸叉的方向。当M0.6为0时，左伸叉；为1时，右伸叉。M0.7用来判断目的的位置，为0时在货架；为1时，在库台。当堆垛机上无货时，若去库台，则是去入库台取货，右伸叉；反之，左伸叉，如图4-12。图4-12 货叉右伸模块开机时，货叉在原位。当接收到运行的信号，开始工作的时候，进行响应。取货时的响应是先到指定的位置，待停稳后，货叉下降，然后伸出，然后上升至货底部，然后收回。当把货物放回的时候，是伸叉停稳，然后下降放货，回叉。这里有个逻辑，当货叉上探测到有货时，货叉的状态是在高位，动作是伸叉下降放货；当货叉探测到无货时，货叉状态是低位，执行的动作是伸叉上升取货（见图4-13）。由堆垛机的运行可知，堆垛机的货叉运动，升降台的运动均由PLC直接控制。由于其运行路程短故采用恒低速控制。图4-13 货叉上升运行4.3 操作模式4.3.1手动控制控制面板上的手动/自动切换开关选择到手动，即可启动PLC程序中的手动控制，通过界面上形象的立体仓库画面可以随意点击仓位即可以发送指令到PLC中运行程序控制步进电机运行到达指定位置，于此同时仓位显示当前叉车所在的仓位号，通过对取、送按钮的操作可以轻松的进行仓位之间货物的调整，更加节省了时间，其中实现手动功能选择的程序如下图4-13所示：然后就针对各项功能对子程序分别进行调用完成。图4-13 选择手动程序4.3.2自动控制控制面板上的手动/自动切换开关选择到自动，即可启动PLC程序中的自动控制，自动控制的实现主要有两方面无操作自动和有操作自动，其中无操作自动是程序自动监测到中转仓位是否有货物等待5S，如果没有任何操作程序就自动运行到达中转仓位取出货物存到最小号的空仓位中，完成存储任务后自动回到初始位置进行等待，如果在5S内有对其存储仓位选择操作和取、送指令发送，则程序根据所选操作进行运行，把中转仓位的物品存储到指定的仓位，完成操作回到初始位置等待下一个操作的运行，如果选中有物的仓位进行取操作，则监测中转仓无物即开始运行到达指定仓位取出物品送到中转仓位，完成后自动回到初始位置，自动功能实现了中转仓位和储物仓位之间的取、送。其中实现自动功能选择和等待5S的主要程序如下图4-14所示：图4-14 选择自动程序4.3.3 点动控制点动控制是在故障的状态下运行的功能，I0.3相当于故障状态下的急停开关，发现故障置位I0.3即可禁止手动和自动操作，由于故障检修和维护的需要设置了点动功能，这样可以更加快速方便的发现故障原因，及时的采取措施修理避免停工所带来的不必要经济损失。如下图4-14程序所示当发现故障急停时置位故障检修M0.1复位其它所有用到的中间继电器等指令，来停止工作进行故障维修。图4-14 故障初始化4.3 现场干扰消除 随着工业设备自动化控制技术的发展，可编程控制器(PLC)在工业设备控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统中一旦PLC运行受到外界影响不能正常运行，势必会对安全生产和经济运行造成严重影响，消除现场干扰是使用PLC不可忽视的操作。一方面要求我们在购买PLC时要选择更能抗干扰的品牌，另一方面在实际工作中要充分考虑可能影响PLC工作的各种因素，结合具体工作坏境进行设计。1电磁干扰类型及其影响2电磁干扰的主要来源（1）来自系统外引线的干扰