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1、摘 要 随着企业现代化生产规模的不断扩大，立体仓库已成为生产物流系统中的一个重要且不可缺少的环节，堆垛机是其关键设备。本文利用PLC及触摸屏对堆垛机进行了货物的存取控制。系统选用日本欧姆龙（OMRON）PLC，威伦通公司的MT8000系列触摸屏，松下MINAS-A4系列交流伺服驱动系统作为核心组件；完成了堆垛机的功能设计和控制系统的总体方案设计。针对本文设计的特点要求，详细论述了PLC外电路的设计、相关数学模型的建立、人机交互界面的设计以及PLC控制程序的设计。其中的PLC外电路设计主要完成了输入输出端子分配和连接设计；数学建模主要包括交流伺服电动机控制堆垛机水平运动和垂直运动速度曲线的数学建
2、模；人机交互界面的设计包括实现运动所需的各种参数的设置及自动控制、手动控制参数；PLC控制设计的重点是程序结构设计、高速计数器脉冲的读取、交流伺服电动机的加减速控制及个别指令的运用。本文设计的控制系统可以实现堆垛机货物存取的手动及自动功能，具有友好的人机交互界面，满足功能要求。关键词：立体仓库；人机交互界面；PLC；堆垛机ABSTRACTWith the continuous expansion of enterprise modern production, stereoscopic warehouse has become a production logistics system in
3、an important and indispensable link, the stacker is the key equipment.This paper, by using PLC and touch screen on the stacker of the access control of the goods. System choose Japan OMRON (OMRON) PLC, wei lun tong company MT8000 series touch screen, panasonic MINAS - A4 series ac servo drive system
4、 as the core component; Completed the stacker function design and the overall design of control system.According to the characteristics of this design requirement, detailed discusses the PLC external circuit design, the establishment of the relevant mathematical model, the design of the human-comput
5、er interaction interface and the design of the PLC control program. External circuit design is mainly completed the PLC input and output terminal distribution and connection design; Mathematical modeling includes ac servo motor control stacker horizontal movement and vertical movement speed curve of
6、 mathematical modeling; Human-computer interaction interface design including the implementation of every parameter setting for movement and automatic control, manual control parameters; PLC control design is the focus of the program structure design, high speed counter pulse reading, deceleration o
7、f the ac servo motor control and the use of the individual instructions.This paper designed control system can realize stacker goods access of manual and automatic functions, has friendly man-machine interface, meet the functional requirements.Key words: Stereoscopic warehouse; The human-computer in
8、teraction interface; Programmable logic controller; Stacker目 录1绪 论11.1自动化仓库介绍11.2自动化立体仓库系统的国内外发展现状11.3本设计的研究意义和可行性22总体方案设计42.1本设计的内容及主要思路42.2自动化立体仓库系统的控制原理52.3堆垛机的伺服控制63系统的组成及硬件连接设计73.1工控器件简介73.1.1工控计算机73.1.2欧姆龙PLC简介73.1.3伺服控制系统83.2硬件设备选型93.2.1PLC选型93.2.2伺服驱动器和伺服电机的选型103.3硬件连接设计113.3.1主电路设计113.3.2I/
9、O端子分配113.3.3PLC与触摸屏连接123.3.4PLC与伺服驱动器的连接133.4货叉的控制143.4.1货叉的液压控制143.4.2货叉的转动控制154数学建模175人机交互界面设计215.1PC与HMI间的通讯215.2触摸屏的界面设计215.2.1主界面设计及地址分配215.2.2水平和竖直参数界面设置225.2.3存货和取货参数界面设置245.2.4 手动参数界面设置256PLC控制程序设计276.1PLC指令系统276.1.1子程序指令介绍276.1.2数据传送（MOV）指令276.1.3数据移位指令(SFT)与计数器指令（CNT）276.1.4无符号比较指令(CMP)和AC
10、C指令、PRV指令286.1.5动作模式控制INI和频率设定SPED316.2PLC程序设计326.2.1主程序设计326.2.2取货子程序设计366.2.3水平子程序设计和返回水平子程序设计396.2.4判断有无货子程序426.2.5手动子程序446.2.6重复输出程序457程序调试及说明47结束语48致 谢49参考文献50附录A：英文原文51附录B：汉语翻译581 绪 论1.1 自动化仓库介绍自动化立体仓库系统【1】（Automated Storage and Retrieval System, AS/RRS）是在不直接进行人工处理的情况下能自动存储和取出物料的系统，这个定义覆盖了不同复杂
11、程度及规格多样的系统，自动化立体仓库由计算机进行管理和控制，不必搬运即可实现收发作业的仓库。立体仓库【2】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库和入库作业的仓库。这类仓库主要通过高层货架充分利用空间进行存取货物，所以称为“立体仓库”。目前，这类仓库最大高度达到40多米，最大库存可大至数万甚至十多万个货物单位，可以做到无人操作，按计划入库和出库的全自动控制，并且可以实现仓库的计算机网络化管理。仓库一般由高层货架、仓储机械设备、建筑物及控制和管理设施等部分组成。货架的形式有很多样，材料一般用钢材或钢筋混凝土制作，钢货架的优点是构件尺寸小，仓库空间利用率高，制作方便，安装
12、建设周期短，而且随着高度的增加，钢货架比混凝土货架的优越性更明显。为了提高货物装卸、存取效率，自动化立体仓库一般使用货箱或托盘盛放货物，货箱与托盘的基本功能是盛放小件物料，同时还应便于运输车和堆垛机的插取与存放。搬运设备是自动化仓库中的重要设备，它们一般由电力驱动，通过手动或自动控制实现把货物从一处搬到另一处。输送系统必须具备高度的可靠性，在立体仓库内，一般只有一套输送系统，一旦发生故障，就会使整个仓库受到影响。所以，要求输送系统的各个环节上的设备可靠、耐用、维修方便，对输送系统设置手动控制做后备。1.2 自动化立体仓库系统的国内外发展现状目前，自动化立体仓库在发达国家已相当普遍，日本是自动化
13、仓库发展最快，建造数量最多的国家。此外美国、德国、瑞士、意大利、英国和法国等国家也建造了许多自动化仓库。发展至今，自动化仓库在设计、制造、自动化控制和计算机管理方面的技术也日趋成熟。据不完全统计，目前我国已建立的立体仓库近300个，其中全自动化的立体仓库有30多个。1995年建成的仪征化纤工业联合公司涤纶长丝自动化立体仓库是目前由国内独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体仓库。这些立体仓库广泛使用在机械制造业、电器制造业、航空巷、轻工和化工企业、商储业、军需部门等各个行业。截止到2006年底，全国自动化立体库的保有量已超过500座。2006年建设的自动化立体库在80座以上，主要集中在机械制造
14、、汽车、烟草、食品加工、服装生产、医药生产及流通等行业，与2005年相比，整个市场有了很大发展。目前我国有能力承接立体仓库设计的单位已达数十家，主要有原机电部系统背景的起重机研究所、北京自动化研究所、上海自动化研究所、中国机械工程学会物料搬运学会、中国物流研究会仓储专业委员会、全军仓库机械自动化学会等。近年来我国自动化仓库技术【3】发展很快，已实现了与其它信息决策系统的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。尽管如此，至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与发达国家相比，无论从数量上还是建设水平上都有比较大的差距。这些差距主要表现在：1） 发展速度慢。目前，我们国家自
15、动化仓库的数量和生产能力还不能满足今后我国经济发展的需求。2） 仓库形式和设备的品种、规格少，还不能满足各方面的需求。3） 应用先进控制技术和驱动技术的不多。例如，在国内堆垛机多采用两速、三速电机拖动，水平速度6080米/分，垂直运行速度1660米/分，货叉速度410米/分，速度不高，工作效率也不太高，经济效益也不太好。4） 研究开发和创新能力不强。自动化立体仓库正处于不断发展和完善的阶段，大型自动化立体仓库已经不是发展方向，而规模小、反应速度更快、用途更广泛的自动化仓库是未来的发展方向。它结合先进的控制技术，应用到分段输送和按预定线路输送方面，保持了高度的柔性和高生产率，满足了工业库存搬运的
16、需要。1.3 本设计的研究意义和可行性自动化立体仓库是利用自动化存储设备同计算机管理系统的协作来实现立体仓库的高层合理化、存取自动化以及操作简便化。自动化立体仓库主要由货架、巷道式堆垛起重机（堆垛机）、入(出)库工作站台、调度控制系统以及管理系统组成。货架一般为钢结构或钢筋混凝土结构的结构体，货架内部空间作为货位存放位置，堆垛机穿行于货架之间的巷道中，可由入库站台取货并根据管理调度任务将货位存储到指定货位，或到指定货位取出货物并送至出库站台。国内外其它行业采用自动化仓库的情况已经充分证明，使用自动化立体仓库能够产生巨大的社会效益和经济效益。这些效益主要表现在以下几个方面:(l)由于使用高层货架
17、，存储区可以大幅度地向空间扩展，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；(2) 自动存取自动化立体仓库使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提高了作业效率；(3) 计算机控制与管理计算机能够准确无误地对仓库的各种信息进行存储和管理，降低了操作人员的劳动强度，从而提高仓库的管理水平；(4) 作业效率明显提高，能充分保证“先进先出”的合理作业原则。由于通过计算机管理实现自动作业，可以方便地实施货位和帐目的科学管理，改善库存结构，避免盲目压货，并改善劳动环境；(5)节约费用，随着经济的高速发展，我国有关行业开始重视立体库的研究，对于促进传统观念的转变、提高现代化物流意识，
18、形成新型的商品流通产业等方面都能产生了强劲的推动作用。此课题的控制系统主要由PLC来控制，目前PLC生产厂商较多，易于购买，且使用寿命长和低故障率是世人所公认的。又因PLC控制程序能够实现生产过程的优化，降低物流系统的故障率，提高生产质量和生产效率。PLC不用进行额外布线，可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。2 总体方案设计 自动化立体仓库出入库流程的设计，是自动化立体仓库设计的重点，在自动化立体仓库设计初期就应当满足基本的出入库要求作为设计原则。在自动化立体仓库的设计过程中，应根据自动化立体仓库的不同特点，以及其他诸多因素，设计出入库流程。2.1 本
19、设计的内容及主要思路本课题设计的自动化立体仓库为四行四列小型仓库。编号从0-15，从下到上为分别第一行到第四行，从左到右分别为第一列到第四列，取货或存货时行和列在变化，用i表示行，用j表示列。该自动化立体仓库主体由四层十六仓位库体、运动机械、导轨、伺服驱动及电气控制等部分组成。立体仓库总体布局如图2.1所示。图 2.1 自动化立体仓库总体布局图通过对本课题的分析，堆垛机需要水平运动、垂直运动，而且均要求位置控制和速度控制，所以采用两个伺服驱动器分别控制两个伺服电动机实现；货叉的左转右转用普通电动机正转反转来控制；货叉的伸出、缩回和微抬、微降用液压系统来控制。货格的长度、高度，以及堆垛机的水平速
20、度、竖直速度、水平加速度、竖直加速度，还有存取货物的行、列等信息的输入和显示都由人机交互系统实现，系统共设计了两种工作模式：自动运行模式、手动运行模式。自动运行模式即为工业生产中的工作模式，当输入行和列取货时，系统开始判断该货格有没有货，如果无货，触摸屏报警灯亮并显示重新输入，如果有货，开始计算运动参数，通过读取伺服电动机自带的编码器脉冲与计算参数比较，进而实现水平运动和垂直运动。当到达指定货格时，货叉开始伸出-微抬-微降-缩回，取出货物，系统再一次读取编码器脉冲，通过计算返回到原位，实现取货过程。存货过程和取货过程方式类似。 手动模式用于维修排障时用，或测试堆垛机的各个动作是否能正常实现。2
21、.2 自动化立体仓库系统的控制原理该控制系统由三部分组成：人机交互界面、可编程控制器（PLC）、伺服驱动系统；自动化立体仓库系统的控制主要分为两部分：堆垛机的水平运动控制和竖直运动控制，其中水平运动和竖直运动为进给运动。堆垛机的控制过程包括如下内容：当工作人员通过触摸屏输入好参数之后，数据通过RS232通讯线送入PLC进行处理，堆垛机先水平运动，当实际运动位移达到水平计算位移时，堆垛机开始竖直运动，当实际运动到计算位移时，运动停止，然后开始进行取货或存货。取货或存货结束后，堆垛机先竖直返回，然后水平返回。在实际操作中，堆垛机的运动控制可通过人机界面向PLC传送数据，PLC对其输入的数据进行处理
22、，然后向各个伺服驱动器发出脉冲控制信号让伺服电机旋转，再通过各电机轴自带的光电编码器进行采样，将位置与速度反馈给伺服驱动器。该过程中，水平位移和竖直位移均由与伺服电机同轴连接的编码器与伺服驱动器实现精确控制，从而使整个系统之间构成半闭环。货叉的转动是由普通电机的正反转【4】实现的。该系统的控制原理图如图2.2所示，伺服电机1控制堆垛机水平进给运动，伺服电机2控制堆垛机竖直进给运动。普通电机控制货叉的旋转。液压缸1控制货叉的伸缩，液压缸2控制货叉的升降。具体驱动型号第三章给出。本控制系统的核心控制器采用欧姆龙PLC，相关参数由触摸屏传送给PLC，各伺服系统均由一个伺服驱动器和一个伺服电机组成，其
23、中水平进给和竖直进给运动都带有一个减速装置，且PLC向驱动器发出脉冲和方向信号，经由伺服控制系统控制伺服电机，驱动齿轮带动堆垛机运动，把电机的旋转运动转化为堆垛机的往返移动，分别带动堆垛机水平前进、返回和竖直前进、返回，货叉的旋转是采用普通电动机正反转控制系统实现的。图 2.2 自动化立体仓库控制系统原理图MINAS-A4系列驱动器有三种基本的控制方式：位置控制模式、速度控制模式、扭矩控制模式。速度控制和扭矩控制模式均采用模拟量进行控制，位置模式则是通过脉冲信号进行控制的，具体采用何种控制方式要按照具体应用环境分析，根据要求的运动功能来进行选择。该系统要求堆垛机在运行的过程中根据行和列计算的位
24、移行走，对位置的控制有较高的要求，因此采用位置模式进行控制比较合理。2.3 堆垛机的伺服控制本课题堆垛机的运动主要有堆垛机的水平和竖直驱动，这两个运动均采用交流伺服系统控制，由PLC作为核心控制器，根据要求选择位置控制模式，驱动电机旋转，电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。3 系统的组成及硬件连接设计本文所述系统由PLC、伺服驱动器及伺服电动机、普通电动机、液压系统、行程开关、指示灯、按钮开关、拨动开关、旋转开关等成熟的工控器件组成，本章主要对组成的硬件系统进行简要介绍，说明这些器件在系统中的用途，并
25、详细介绍硬件连接设计，以及欧姆龙PLC、伺服电动机的具体参数设置。3.1 工控器件简介在工业自动化领域，PLC是大多数自动化控制系统的基础设备，行程开关可以检测到系统的当前情况，给出相应的开关量，提供给控制器件进行处理。3.1.1 工控计算机IPC(Industry personal computer)简称工控机，伴随着PC产业的发展，工控机得到了长足的发展。工控机多在恶劣的环境下使用，易维护、散热、防尘性能好，尺寸限制严格。工控制是利用了个人计算机PCI总线和PC/104总线、采用功能板卡扩展控制I/O点来实现计算机控制的一种方便的控制设备。它具有工业现场应用特性，同时又极大地利用了PC机的
26、软件环境，可以方便的选择各种制造商提供的产品。 3.1.2 欧姆龙PLC简介PLC（Programmable Logic Controller）【5】,中文全称为可编程逻辑控制器，是一种以计算机为基础的专用控制装置，专为工业环境下应用设计。它采用可编程的存储器，存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式输入输出，即可控制一台生产机械、一条生产线，也可控制一个生产过程。可编程控制器和它的有关设备，应该按照易于和工业控制系统连成一体，并易于扩充功能的设计原则。日本欧姆龙公司是世界著名PLC生产商之一，欧姆龙公司的PLC小型机与其他日本品牌的小型机一样非常有特
27、色，某些欧美中大型机能实现的控制功能，用欧姆龙小型机就可以实现。欧姆龙公司的PLC产品分为大、中和小型机，大、中型机采用模块式结构，小型机采用整体式结构。小型机：我国早期使用较多的欧姆龙小型PLC主要有CPM1A、CPM2A系列，其性价比高、社会拥有量大，现在已逐渐被功能更为强大的的升级产品CP1H、CP1L系列小型PLC取代。中型机：欧姆龙中型PLC主要有C200H、C200H、CQ1M、CJ1M、CJ1和CJ2系列等， C200H是C200H的升级产品，有品种齐全的通信模块，CJ系列PLC结构紧凑、功能强大，是近几年来畅销的机型。大型机：欧姆龙大型PLC主要有CV、CVM1、CVM1D、C
28、S1和CS1D系列，CS1是大、中型机的代表，尽管CS1是中型机C200H的后续机型，但是在大型场合也可胜任，故归为大型机。CP1H/CP1L、CJ1和CS1系列分别是欧姆龙的小、中、大型PLC。CP1H/CP1L具有与CJ1、CS1几乎一样的内部存储结构，故可以实用CJ1、CS1一样的梯形图编程。利用欧姆龙CP1H系列PLC作为该立体化自动仓库系统的控制器，是考虑到其控制可靠性高、抗干扰能力强、编程简洁性、与伺服系统的易连接性、对外环境的要求较低、功能强、适应范围广，并且价格低廉，系统设计、调试和为维修比较方便。3.1.3 伺服控制系统伺服系统按照控制方式分为开环控制系统和闭环控制系统，其中
29、闭环控制系统又可分为全闭环控制系统和半闭环控制系统。开环控制系统没有检测装置，其驱动电机一般为步进电机，闭环控制系统多采用直流或交流伺服电机驱动，两种系统都有各自的特点，它们具体区别见表3.1。综合比较，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。由于本课题有较高的精度要求，所以在本课题自动化立体仓库控制系统的设计过程中选用交流伺服电机驱动。 表3.1 步进电机、伺服电机的比较步进电机系统伺服电机系统力矩范围 中小力矩（一般在20Nm以下） 小中大，全范围 速度范围 低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM） 高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达12万转/分 控制方式
30、主要是位置控制 多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式 平滑性 低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善） 好，运行平滑 精度 一般较低，细分型驱动时较高 高（具体要看反馈装置的分辨率） 矩频特性 高速时，力矩下降快 力矩特性好，特性较硬 反馈方式 大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步 闭环方式，编码器反馈 编码器类型 光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型 响应速度 一般 快 耐振动 好 一般（旋转变压器型可耐振动） 温升 运行温度高 一般 维护性 基本可以免维护 较好 价格 低 高 3.2 硬件设备选型3.2.1 PLC选型堆垛机和出入库的控制系统采用欧姆龙系列可编
31、程控制器（PLC）作为控制核心通过分析控制要求可知，自动化立体仓库控制系统需要23个输入，13个输出，不同厂家，不同系列的PLC，其内部的软继电器（编程元件）的功能和编号各不相同，因此在编程时，必须按照课题要求选择PLC型号【6】，并且熟悉所选用的PLC的每条指令涉及编程元件的功能和编号。由于伺服电机是通过高频率脉冲信号来控制转动的，故要想实现对其控制必须选择晶体管的PLC。由于输入端口比较多，需要拓展输入单元，由于CP1H 能够连接CPM1A 系列的扩展单元，拓展8点输入即可满足要求，所以选择CPM1A-8ED型号。根据本课题要求和表3.2、表3.3【7、8】所示，选择CP1H-XA40DT
32、-D型号（晶体管输出，24输入、16输出）的PLC和CPM1A-8ED型号（晶体管8输出，8输入）。表3.2 CP1H系列PLC的输入、输出继电器的数量类型类型名称电源电压型号通用内置输入通用内置输出X型基本型AC100-240VCP1H-X40DR-ADC输入24点继电器输出16点DC24VCP1H-X40DT-A晶体管（漏型）输出16点CP1H-X40DT1-A晶体管（源型）输出16点XA型带内置模拟输入输出端子型AC100-240VCP1H-XA40DR-A继电器输出16点DC24VCP1H-XA40DT-D晶体管（漏型）输出16点CP1H-XA40DT1-D晶体管（源型）输出16点Y型
33、带脉冲输入输出专用端子型DC24VCP1H-Y20DT-DDC输入12点晶体管（漏型）输出8点表3.3 CPM1A 扩展单元的连接占有通道数拓展I/O单元单元名称单元型号消耗电流（mA）占有CH数DC5VDC24V输入输出输入输出40点单元CPM1A-40EDR80902CH2CHCPM1A-40EDT160-CPM1A-40EDT1160-输入输出20点单元CPM1A-20EDR103441CH1CHCPM1A-2EDT130-CPM1A-20EDT1130-输出16点单元CMP1A-16ER4290-2CH输入8点单元CMP1A-8ED18-1CH-输出8点单元CMP1A-8ER2644-
34、1CHCMP1A-8ET75-CMP1A-8ETI75-3.2.2 伺服驱动器和伺服电机的选型由于伺服驱动器和伺服电机必须要配合使用，不同的工况条件下，所选择的伺服驱动器型号和伺服电机型号都不一样。为了满足本课题的要求，选择驱动器型号为C型三相220V(MCDDT3520)，因为伺服电机1和伺服电机2分别控制堆垛机的水平运动和竖直运动，这两个运动均需要有减速装置，所以均选择型号MSMDO42S1*，所选相关参数如表3.4所示。表3.4 伺服驱动器、伺服电机参数伺服驱动器适配电机型号类型输入电源型号电压额定功率额定转速编码器规格MCDDT3120C型单相100VMSMD041P1*100V400
35、W3000rpm5线制，2500P/rMSMD041S1*7线制，17位MCDDT3520C型单相/三相200VMSMD082P1*200V750W5线制，2500P/rMSMD082S1*7线制，17位MSMD042P1*400W5000rpm5线制，2500P/rMSMD042S1*7线制，17位3.3 硬件连接设计3.3.1 主电路设计经过分析设计，硬件电路图包括伺服电动机1、伺服电动机2、伺服驱动器1、伺服驱动器2、普通电动机、可编程控制系统（PLC）、触摸屏与外接电源的连接，PLC与触摸屏选用24V外接电源，电机选用220V外接电源。伺服电动机由伺服驱动器控制与主电源连接。普通电动机
36、控制货叉正反转，与380V外接电源连接。最终确定主电路连接图如图3.1所示。图 3.1 主电路3.3.2 I/O端子分配自动化立体仓库控制系统包括：伺服电动机启动、伺服电动机停止、SR-RDY准备好；存货、取货；货叉伸出、缩回；货叉微抬、微降；货叉左转、右转；旋转装置有限位开关，包括左转到位、右转到位；存货、取货有左限位、下限位；还有自动、手动两种工作模式等等输入，还有高速脉冲输出和控制液压系统中货叉伸缩、微降等等输出，自动化立体仓库控制系统具体I/O端子分配如表3.5所示。表3.5 自动化立体仓库控制采用的输入/输出设备和对应的PLC端子输入输出输入设备对应端子功能说明输出设备对应端子功能说
37、明SQ10.00伸出限位开关脉冲输出0100.00SQ20.01缩回限位开关100.01SQ30.02微抬限位开关脉冲输出1100.02SQ40.03微降限位开关SQ50.04左转限位开关SQ60.05右转限位开关100.03SQ70.06左限位开关SQ80.07下限位开关FR0.08过载保护SB10.09转位停止KA1继电器100.04SRV1-ONSB20.10手动左转KA2继电器100.05SRV2-ONSB30.11手动右转KM1交流接触器100.06左转SB41.00手动上升KM2交流接触器100.07右转SB51.01手动下降YA1电磁铁101.00伸出SB61.02手动左行YA2
38、电磁铁101.01缩回SB71.03手动右行YA3电磁铁101.02微抬SB81.04手动伸出YA4电磁铁101.03微降SB90.05手动缩回HL101.04伺服准备好指示灯SB100.10手动微抬SB110.11手动微降转换开关QS1.08手动1.09自动SB121.10伺服启动SB121.11伺服停止KA5触点2.00SR1-RDYKA6触点2.01SR2-RDY3.3.3 PLC与触摸屏连接在实际操作过程中，为了观察和使用方便，在PLC外部连接了触摸屏【9】，在触摸屏上，可以输入堆垛机水平和竖直的运行速度，随意输入行和列取货或存货，还可以在触摸屏上得知此货格是否有货，如果取货时无货报警
39、灯闪烁，并提示重新输入，反之，存货时此货格如果有货，报警灯闪烁，并提示重新输入。这样就可以很方便的观察货物的出入库情况，PLC和触摸屏之间通过RS232传送数据，PLC与触摸屏的连接如图3.2所示。图 3.2 PLC与触摸屏的连接3.3.4 PLC与伺服驱动器的连接 堆垛机的水平运动和竖直运动都是由伺服电动机驱动器实现的，伺服驱动器与PLC连接高速脉冲输出端接口是固定的，本课题需要两个伺服电动机来控制，即需要两个伺服驱动器，伺服驱动器1脉冲输出端接PLC的输出端为100.00,100.01；伺服驱动器2脉冲输出端接PLC输出端的100.02,100.03,图3.3为PLC与伺服驱动器1连接图，
40、伺服驱动器2与PLC连接与图3.3类似。图 3.3 PLC与伺服驱动器1的连接3.4 货叉的控制3.4.1 货叉的液压控制由实际分析可知，当堆垛机运动到指定货格位置时，货叉需要微抬、微降，伸出、缩回实现货物的进出，在本课题中，由液压系统【10、11】实现这些过程。图3.4为货叉伸出、缩回液压系统原理图，图3.5为货叉微抬、微降液压系统原理图。 图 3.4 货叉伸缩原理图 图 3.5 货叉抬降原理图1液压泵；2三位四通电磁换向阀； 1液压泵；2三位四通电磁换向阀； 3溢流阀；4液压缸。 3溢流阀；4液压缸。 图3.4、图3.5所示采用行程开关控制电磁换向阀【12】顺序动作回路。在图3.4中，当货
41、叉伸出按钮接通时，电磁阀1YA得电，缸4活塞先向右运动，当活塞杆上的挡块压下行程开关SQ1后，伸出停止，当货叉缩回按钮接通时，2YA得电，缸4活塞退回，当活塞上的挡块压下SQ2后，缩回停止。在这种回路中，调整挡块的位置可调整液压缸的行程，通过电控系统可任意改变动作顺序，方便灵活，应用广泛。同理，在图3.5中，当微降按钮接通时，3YA得电，缸4活塞先向右运动，当活塞上的挡块压下SQ4后，微降停止，当货叉微抬按钮接通时，4YA得电，缸4活塞退回，当活塞上的挡块压下SQ3，微抬停止。3.4.2 货叉的转动控制立体仓库需要控制货叉的左转和右转，以便进行取货和存货。本课题采用普通电动机的正转和反转分别来
42、控制货叉的左转和右转，图3.6为电机控制货叉左转和右转原理图。当左转按钮接通时，KM1线圈得电，其主触点闭合，继电器KA3得电，电机正向转动，带动货叉左转，同时串接在KM2线圈回路中的KM1的常闭触点断开，保证在KM1得电的前提下，KM2线圈不可能得电，以避免电动机短路，反之亦然。当左转到位时，左转停止，接着执行下一步命令，当右转按钮接通时，KM2线圈得电，其主触点闭合，继电器KA3得电，电机反向转动，带动货叉右转，转到右限位时停止转动。图 3.6 货叉左转右转原理图 4 数学建模 货格分布如图4.1所示 。图 4.1 货格分布示意图水平位移计算公式见公式4.1： （4.1）竖直位移计算公式见
43、公式4.2：（4.2）其中 L0堆垛机水平位置到第一个货格的距离（mm）；i 存货或取货输入的行数； j 存货或取货输入的列数； S0货格的宽度（mm）； S1货格的高度（mm）。本课题的数学建模包括水平运动数学建模和竖直运动数学建模。水平运动数学建模与竖直运动数学建模类似，下面详细说明水平运动的数学建模。水平运动和返回水平运动速度曲线如图4.2所示，当程序调用水平子程序时，堆垛机开始水平运动，OA为水平加速阶段，AB为水平匀速阶段，BC为减速阶段，BD为低速阶段，DE为运动停止阶段。当程序调用水平返回子程序时，堆垛机开始水平返回，EF为水平加速返回阶段，FG为水平返回匀速阶段，GH为水平返回
44、减速阶段，HJ为返回运动停止阶段。因为伺服电动机驱动堆垛机运动需要齿轮齿条实现，所以运算时需要考虑到齿轮的传动比i，与伺服电动机1连接的齿轮传动比为i1，系统的控制核心为PLC，图4.2中的加速阶段和减速阶段通过频率加减速控制ACC指令实现，所以需要将伺服电动机的速度转化为频率。图 4.2 水平运动和返回水平运动速度曲线示意图OB段长度为减速点位移，计算公式见4.3：（4.3）返回时减速点OH位移计算公式见4.4： （4.4）因为电动机的转速不是固定的，设伺服电动机1转速为，由于有传动比i1的存在，所以经过齿轮后的转速为,齿轮1直径为d1 ,齿轮齿数为Z1,齿轮模数为,则可列出齿轮周长公式见4.5、水平速度公式见4.6：
