晶英石板堆垛机控制系统设计(开题报告)

1、 本科生毕业设计（论文）开题报告学生姓名： 高成 导师姓名、职称： 肖纯 教授 所属学院： 自动化学院 专业班级： 自动化1101班 设计（论文）题目：晶英石板堆垛机控制系统设计2016年 2月28日 开题报告填写要求1开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在毕业设计开始后两周内完成。2开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（禁止打印在其它纸上后剪贴），完成后应及时交给指导教师审阅。3“设计的目的及意义”至少800字，“基本内容和技术方案”至少400字。进度安排应尽可能详细。4指导教师意见：学生的调研是否充分

2、？基本内容和技术方案是否已明确？是否已经具备开始设计（论文）的条件？能否达到预期的目标？是否同意进入设计（论文）阶段？1、 目的及意义（含国内外的研究现状分析）水泥混凝土制品是以水泥为基材经过深加工制成的工业产品，属建筑材料工业的一部分。由于水泥混凝土制品具有优良的物理、力学性能和耐久性能，能按设计要求制成所需的形状，能耗低、使用寿命长、维修费用少，节约金属材料和木材等独特的优点。所以，在我国的城乡房屋建设、农田水利建设、能源、交通、通讯等工程建设领域中得到极为广泛的应用，为我国的国民经济发展和人民生活水平的提高发挥着非常重要的作用。在建筑工业化、住宅产业化、墙体材料革新和绿色建筑、低碳生态等

3、一系列国家发展政策的推动下，混凝土制品机械行业近年来发展迅速，在我国形成了很大的产业规模，巨大市场需求使混凝土制品机械品种、规格、整机性能等均得到快速提升，国际上知名的混凝土制品生产设备企业均进入我国市场，如美国贝赛尔、德国玛莎、海斯、日本虎牌、德国安夫曼、威克曼、希而科等，为我国混凝土制品机械发展起到了极大的促进作用。行业内骨干企业的产品质量和技术性能以及质量稳定性可以与国际同行相媲美，但部分混凝土制品机械生产企业山于经营规模小，技术力量薄弱，生产装备投入不足，导致生产出的机械产品质量稳定性和可靠性差。低质量设备生产出来的混凝土制品，无论是从产品外观上，还是从产品内在质量上，都难以稳定地达到

4、制品标准要求，从而造成砌块建筑、预制建筑墙体时常出现渗、漏、裂等问题，再加上砌体建筑、预制建筑施工技术水平的参差不齐，给砌块建筑、预制建筑声誉造成严重不良影响，降低了混凝土制品在建筑围护结构和预制建筑中的推广使用。在以“科学可持续发展”、“节能减排低碳生态”为主题的新经济时代，特别是国家“十二五”“调整产业结构、转变发展模式”发展战略的进一步实施，混凝土制品机械行业的重要地位必将逐步显现。劳动力资源短缺、人工成本增加、混凝土制品生产企业劳动环境差将为混凝土制品机械向机械化、自动化和智能化转型提供原动力和广阔市场空间。为了提高混凝土石板的制作生产效率和让人从繁重的劳动解脱出来，混凝土石板的制作生

5、产必然要向机械化、自动化和智能化的方面发展，这样才能满足建筑建材市场日益扩大的需求。在这样的生产量巨大的时代，混凝土石板的生产存储是个迫于解决的问题，所以仓库自动化是水泥制品的一个重要趋势。目前水泥生产的自动化水平较低，水泥石板存放运输存在较大的难度，所以采用多功能堆垛机不仅可以解决生产拆卸模具的问题，还能在混凝土石板的搬运存放起到极大的作用。堆垛机技术是伴随着自动化仓储技术慢慢发展起来的。最近几年国内的自动仓储技术得到了快速发展，堆垛机也在行走速度、定位精度和减噪等技术指标上有了很大的改进，并在机械制造、汽车、纺织、铁路、烟草等行业得到了广泛应用。但是跟国外比较，我国堆垛机存在最低存取货物高

6、度比较高，高速运行时噪音比较大，而且稳定性差等问题，所以我国堆垛机在综合性能方面还亟待改善。本课题研究的目的和意义在于，在物流仓储技术的快速发展和大规模普及应 用的大背景下，结合晶英石板生产的实际需要，对堆垛机的机械结构和控制系统进行设计研究，研发出一套有效的切合石板生产实际的自动化控制方案，以满足工程设计的要求。2、设计任务和技术方案本课题的研究内容主要包括以下内容：了解堆垛机生产线相关工艺，分析系统功能需求并进行相关设计，包括各类电机伺服选型、传感器和极限开关等，并根据功能需求确定PLC输入输出点数，合理选择PLC及CPU的型号、确定HMI型号；利用AutoCAD软件设计系统电气控制图，利

7、用TIA编写系统控制程序并进行系统仿真； 研究“一轨双车”系统工作效率的优化算法，运用TIA模块化编程实现并进行必要的仿真验证。技术方案确定如下： 功能分析堆垛机主要完成的任务是将已灌满混凝土（晶英石板原料）的磨具拆开，并将模具板和产品板分开放置，模具板放置皮带机上，产品板放置运送小车上。待拆物由51块钢制模具板和50块晶英石板组成，总量约5吨，拆前需将其竖立起来。所以需要完成的任务就是拆前竖立起模具与产品板，利用堆垛机将产品板与模具板分开并分别放置在指定位置。主要包括四个主要的动作过程，分别是未拆物竖立旋转运动、堆垛机的上下运动、物品板的抓拿操作，以及堆垛机水平行走。为了实现相应的功能必须对

8、系统进行硬件设计和软件设计。 未拆物竖立旋转装置在拆拿模具板与产品板之前需要将它们的未拆物竖立起来，为此利用一个电机带动旋转平台，以实现目的。旋转装置的旋转角度的测量尤为重要，旋转角度不够90无法将未拆物放稳，就不能继续之后的抓拿工作；如果电机旋转角度超出90，旋转平台可能将受到挤压而损坏。为了实现旋转平台的精准定位，选择一款合适的工业用角度传感器，用来实现角度的实时监测以保证工作安全精准。除此方案外，还可以使用伺服系统来带动目标板旋转。 堆垛机上下伸缩运动竖直方向的控制目标是实现载货台在竖直方向上寻址，确保在预定货位对应的高度处停准。伸缩运动主要是由一台电机完成，而下降高度的测量则可选择使用

9、旋转编码器。旋转编码器可以安装在电机上测量电机旋转周数，以换算伸缩装置的下降距离。伸缩运动中最为重要的是监测抓拿装置与目标板的接触距离，只有精确的测量才能让抓拿装置与目标紧密贴合实现抓取。但是由于开始时吸盘与目标物的距离未知，所以可以选择在吸盘上方增加一组光电开关，当吸盘与目标板接触时，光电开关输出开关信号给PLC，PLC再发出指令让电机缓慢停止并开始吸合操作。此次设计中使用的板材抓取装置是吸盘，这是与目标板 特性相符合的。目标板是由模具板和经营石板组成的，两者都是较为光滑的板材且质地较为坚硬，使用吸盘能较好地接触目标板材。 物品板的抓拿操作在完成吸盘的伸缩运动且接触到目标板后，接下来的操作就

10、是使用吸盘紧紧吸合目标板，如果要完成这样的操作需要在吸盘内腔装设一组气压传感器，用来测量吸盘在吸合过程中的内腔压力。只有在合理的设计内腔真空度大小才能使物品板紧贴吸盘以不致在运送过程中掉落，两个夹持吸盘会设定不同的真空吸力，因为模具与产品在重量和材质上是不同的。在做好吸合操作后，接下来便要在物品板到达指定位置后放置，这个过程需要光电接近开关率先判断放置高度是否合理，在满足高度的情况下，需要将吸盘的真空解除即去吸合过程。需要使用配合吸盘的特性，PLC给予指令让吸盘上的电磁阀逐渐打开使吸盘与物品板分离，这个过程需要一定的柔度，不然会使物品损坏，所以电磁阀开度的快慢需要精确的尝试设计。 堆垛机水平行

11、走这里的堆垛机是两台，工作在同一条导轨上，属于一轨双车的调度问题。一号车先工作取模具，二号车在一号车的取货处拿取产品板，这样重复操作直至取货处的板材被取完工作才算结束。一轨双车的示意图如图1所示。图1 “一轨双车”示意图一轨双车的最基本要求是不能撞车，为此需要人为设计两者的互相配合的行车路线，具体的轨迹需要在现场考察后作出。桥式轨道运行还需要小车的行进要有区间，避免不必要的路程以增加工作效率。处于安全生产的考虑，小车的水平行进方向还要增加极限保护开关，避免小车因失控而撞车。到此四个主要动作任务的方案设计基本完成，有些细节问题需要在工程方案实施后再作相关的改进。 硬件设计根据系统功能要求，系统硬

12、件设计包括各类电机伺服选型、传感器和极限开关等，并根据功能需求确定PLC输入输出点数，合理选择PLC及CPU的型号、确定HMI型号。系统硬件框图如图2所示。图2 系统硬件框图系统硬件设计考虑到了各类硬件之间的作用关系，并根据功能实现的可行性，可对相关硬件进行初设计。对于PLC主机设计需要综合考虑输入输出点数、价格等因素，而本系统的控制速度要求不高，点数较少，所以可以考虑使用西门子S7-200，其CPU可以选择224或226系列。与其对应的HMI可选西门子系列，也可以考虑选择相关的兼容产品。直流电机功率、电磁阀选取需要根据吸盘的使用功率，也就是由吸取货物重量决定的。吸盘的具体参数需要根据吸取货物

13、的重量和面积来选取，不能太大或太小。系统中最为重要的是实现两个堆垛机的顺利运行，为此可以选取可靠性较高的伺服装置进行设计。根据堆垛机行驶要求，需要选取伺服电机参数，并根据电机参数选取相应的伺服驱动器。系统中堆垛机的定位控制主要依靠极限开关、光电编码器，各类传感器来实现。考虑到系统对象的特点-铁质板与水泥板，传感器的选取可以电感式、光电式类的传感器。 软件设计本研究对堆垛机进行控制系统的具体设的时候，上位机能够完成如下作业： 输入作业指令，分配作业指令，显示状态；PLC 把主要的控制任务予以很好地完成。PLC 控制堆垛机的主要任务有： 处理作业命令 根据传感器及开关传回信号，对当前作业的具体状态

14、以及具体指令予以确定。 处理定位检测 对传感器和光电开关的具体状态予以检测，进而对当前载货台以及堆垛机的具体位置进行判断。 停车和处理调速 按照堆垛机和目标地之间的具体距离，将速度信号输出，停车前，切换运行速度到低档，慢慢地和目标位置靠近，实现停车的准确，制动的迅速。 控制作业任务对应的具体顺序逻辑 按照指定指令和调度任务的具体策略。对逻辑控制的具体信号予以确定，将取货的具体作业予以很好地完成。如果将堆垛机的水平运动视为X轴运动，堆垛机伸缩运动视为Z轴运动，吸盘的抓拿叫作抓取操作，系统由手动操作和全自动控制模式，那么系统的程序流程图如图3所示。图3 （a）主系统流程图 （b）X/Z轴运动流程图

15、系统按照如上工作流程将完成设计目标，无论系统是正常工作还是出现异常状态，PLC都会快速处理解决问题，这都将依赖于系统通讯接口的可靠性。工业现场设计通讯线路时需要做好较好的隔离保护设施，一些线路需要经常检修维护，只有这样堆垛机才能按照给定完成任务。3、进度安排第1-4周 根据指导老师下达的任务书查阅相关资料，完成开题报告和技术方案；第4-6周 根据开题时计划的方案，学习相关知识，选择传感器类型；第7-10周 设计控制电路，绘制原理图；第11-12周 完成控制系统设计，通过硬件仿真测试；第13-14周 完成程序编写，进行仿真和调试；并且开始撰写毕业论文第15周 完成论文提交稿，参加答辩。4、 参考

16、文献1 廖常初. PLC梯形图的顺序控制设计法与顺序功能图J. 电气应用, 2004(10):51-53.2 王洪猛, 谢建君, 曾云. 基于PLC的过程控制系统设计与实现J. 自动化技术与应用, 2004, 23(7):25-27.3 周晓光. PLC选型和设计的要点J. 电梯工业, 2003(1):26-27.5 曲波. 工业常用传感器选型指南M. 清华大学出版社, 2002.6 范鲲. 基于西门子变频器的PLC控制程序设计J. 精密制造与自动化, 2009(02):39-41.7 李娟, 田立臣. 西门子S7-1500PLC在螺纹钢生产线中的应用J. 可编程控制器与工厂自动化, 2014

17、(6):3-5.8 刘安杰. 西门子PLC定时器应用原理与编程技巧J. 可编程控制器与工厂自动化, 2007(2):51-53.9 任永强, 汪超, 洪婉君, 王鹏. 基于遗传算法的立体仓库堆垛机路径规划J. 物流科技, 2015(8):2-5.10 徐白羽, 代存杰, 祁亚运. “一轨双车”在巷道堆垛自动化立体车库中的应用研究J. 重庆科技学院学报(自然科学版), 2014(12):1-4.11 海外新产品与新技术. 意大利的一种可拆卸混凝土砌块(砖)模具J. 建筑砌块与砌块建筑, 2013(1):1-2.12 奚飞达. 我国水泥混凝土制品标准化工作现状及发展趋势J. 混凝土世界, 2010

18、,2(8):71-74.13 Peng Shang, Zhiping Cui, Wentao Zang, Shaowen Song, Yuming Guan. Main structural design and motion simulation of stacker reclaimer based on Virtual Prototype Technology A. The 2nd International Conference on Materials Science and Manufacturing（ICMSM2013）C, 2013.14 Anonymous. SuperStacker Solves a Mines Milling Dilemma J. Engineering and Mining Journ