毕业设计码垛机控制系统设计

毕业设计(论文)

码垛机控制系统设计

学 号： 10131203

姓 名： 石泽旭

专 业： 电气工程及其自动化

系 别： 机械与电气工程系

指导教师： 王雷钢 讲师

二○一四年六月

北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）成绩评议

题目：

码垛机控制系统设计

系别： 专业：

机械与电气工程系 电气工程及其自动化

姓名：石泽旭 学号：10131203

指导教师建议成绩：73

评阅教师建议成绩：76

答辩小组建议成绩：70

总成绩：73

答辩委员会主席签字：

年 月 日

北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）任务书

姓名 石泽旭 学号 10131203 专业 电气工程及其自动化

设计（论文）题目 码垛机控制系统设计

题目

性质

题目

来源

指导教师 职 称 工作单位 备注

王雷钢 讲师 清华大学信息科学与工程学院

√设计； □ 论文

□ 教学；√ 科研；□ 生产； □ 其他

毕业设计(论文)的内容和要求：

内容：

1 介绍自动化立体仓库和码垛机的一般概念和基本组成，以及国内外立体仓库和码垛

机的发展现状，简单介绍了立体仓库的发展方向。

2 对码垛机在水平方向和垂直方向运行进行速度控制，根据运行的目的地址和当前地

址之间的比较，选择合适的变频器，对电机的运行速度进行控制。并在应用新的定位方式

的基础上，对变频调速系统进行位置速度双闭环控制，并解决新方案中的硬件设置问题。

由PLC输出高速脉冲和货叉方向改变信号控制步进电动机左伸和右伸，以及货叉的伸缩速

度。

3 设计了码垛机运行系统的控制程序，包括码垛机各种工作方式下的控制程序。

要求：

1.了解生产设备电控设计的一般步骤；

2.能够进行PLC控制系统的搭建；

3.进行对码垛系统的控制工艺流程分析，确定包装码垛系统原理。

4.能够对码垛机控制系统分析并设计控制方案

控制系统设计及方案论证，变频器的选择

6.系统软件分析，熟悉变频器的应用。

毕业设计(论文)主要参考资料：

[1] 陈建明，巫付专，熊军华等．电气控制与PLC应用[M]．北京：电子工业出版社，2006

[2] 孙承志，徐智，张家海，吉顺平．西门子S7-200/300/400PLC基础与应用技术[M]． 北

京：机械工业出版社，2009

[3] 马秀坤 ，石雪涛，马学军.S7-200PLC与数字调速系统的原理及应用[M]． 北京：国防

工业出版社，2009

[4] 刘昌棋，董良．自动化立体仓库设计[M]．北京：机械工业出版社，2004：13-21，132-138，

166-168

[5] 王勇军，周奇才．自动化仓库码垛机的高速运行控制技术研究[J]．起重运输机械，

2003(1)：27-29

[6] 周兴万．自动化立体仓库中码垛机的位置定位和速度控制[J]．基础自动化，1998，6：

48

[7] 陈晓军．PLC控制技术在立体仓库码垛机中的应用[J]．工业技术，2007，34：11

毕业设计(论文)应完成的工作：

1.设计完成码垛机PLC控制系统硬、软件系统；

2.以PLC控制完成机械的工作流程 ；

3.优化路径的计算

4.电路系统等供电设计，PLC控制系统设计及方案论证。

进度安排：

2012年12月：文献调研，方案设计。

2013年01月：撰写开题报告。

2013年.02月：分析码垛机工作原理，并根据原理绘制电路系统的供电设计。

2013年03月：对码垛控制系统的运行过程分析及控制系统功能，系统硬件分析控制参

数选择及电控系统的需求，PLC的选型，确定此系统的布置形式，并用软件进行调试。

2013年04月：整理并修改毕业设计论文。

2013年05月：完成毕业设计论文，准备答辩。

指导教师签字：

日期： 年 月 日

系意见：

签字：

系（盖章）

日期： 年 月 日

北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）开题报告

姓名 石泽旭 学号 10131203 专业 电气工程及其自动化

设计（论文）题目 码垛机控制系统设计

1. 毕业设计(论文)的目的及意义（含国内外的研究现状分析）：

码垛机控制系统适用于石油化工、化肥、粮食、港口等行业，可对PP、PE粒子、PVC、

化肥、粮食等粉状、颗粒状物料进行全自动包装码垛作业，通过可编程序控制器、对整个

生产线的工作过程进行自动控制，对运行过程中出现的故障或供料不足等，进行声光报警。

它是集喂料、流量测量和控制于一身的设备。自动控制系统在工业生产中发挥着越来越重

要的作用，如果能提高系统的自动化程度，就有着重要的现实意义。

在我国控制系统的研制较晚，主要是自用设备，属革新产品，未进入市场，“八五”期

间呈全方位发展态势，“九五”期间进入转型期，逐步成为高科技、高效益、现代化、国防

化的产业。 总的来说,我国包装设备制造工业经近20年的努力，在数量、质量、水平方面

均有较大的进展，为我国建立一个门类齐全、技术先进、水平相当、独立完善的生产系统

奠定了坚实的基础。

2. 基本内容和技术方案：

1 介绍自动化立体仓库和码垛机的一般概念和基本组成，以及国内外立体仓库和码垛

机的发展现状，简单介绍了立体仓库的发展方向。

2 对码垛机在水平方向和垂直方向运行进行速度控制，根据运行的目的地址和当前地

址之间的比较，选择合适的变频器，对电机的运行速度进行控制。并在应用新的定位方式

的基础上，对变频调速系统进行位置速度双闭环控制，并解决新方案中的硬件设置问题。

由PLC输出高速脉冲和货叉方向改变信号控制步进电动机左伸和右伸，以及货叉的伸缩速

度。

3 设计了码垛机运行系统的控制程序，包括码垛机各种工作方式下的控制程序。技术

方案：

（1）进行对码垛系统的控制工艺流程分析，确定码垛系统原理。

（2）完成对包装码垛控制系统的运行过程分析及控制系统功能，系统硬件分析控制参数

选择及电控系统的需求，PLC的选型，确定此系统的布置形式。

（3）电路系统等供电设计，PLC控制系统设计及方案论证。

（4）系统软件分析，系统状态流程图设计。

3. 主要参考文献：

[1] 陈建明，巫付专，熊军华等．电气控制与PLC应用[M]．北京：电子工业出版社，2006

[2] 孙承志，徐智，张家海，吉顺平．西门子S7-200/300/400PLC基础与应用技术[M]． 北

京：机械工业出版社，2009

[3] 马秀坤 ，石雪涛，马学军.S7-200PLC与数字调速系统的原理及应用[M]． 北京：国

防工业出版社，2009

[4] 刘昌棋，董良．自动化立体仓库设计[M]．北京：机械工业出版社，2004：13-21，132-138，

166-168

[5] 王勇军，周奇才．自动化仓库码垛机的高速运行控制技术研究[J]．起重运输机械，

2003(1)：27-29

[6] 周兴万．自动化立体仓库中码垛机的位置定位和速度控制[J]．基础自动化，1998，6：

48

[7] 陈晓军．PLC控制技术在立体仓库码垛机中的应用[J]．工业技术，2007，34：11

4. 进度安排：

2012年12月：文献调研，方案设计。

2013年01月：撰写开题报告。

2013年.02月：分析码垛机工作原理，并根据原理绘制电路系统的供电设计

2013年03月：对码垛控制系统的运行过程分析及控制系统功能，系统硬件分析控制

参数选择及电控系统的需求，PLC的选型，确定此系统的布置形式，并用软件进行调试

2013年04月：整理并修改毕业设计论文。

2013年05月：完成毕业设计论文，准备答辩。

5. 指导教师意见：

该同学充分、全面地查阅了码垛机控制设计的相关资料，在此基础上提出了可行的技

术方案，时间进度合理，严格按照进度安排执行同意开题。

指导教师签字： 日期： 年 月 日

6. 系意见：

签字：

系（盖章）

日期： 年 月 日

北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）指导教师评阅意见

姓名 石泽旭 学号 10131203 专业 电气工程及其自动化

指导教师 王雷钢 职称 讲师 单位 清华大学

指导教师 职称 单位

码垛机控制系统设计 毕业设计（论文）题目

指导教师评语：

石泽旭同学论文选题为码垛机控制系统设计，符合专业培养目标毕业论文，基本能够

达到综合训练目标。该生查阅相关文献资料，基本能够综合运用所学理论知识撰写论文，

理论分析正确。文章篇幅完全符合学院规定，内容较为完整，层次结构安排科学，逻辑关

系清楚，完成仿真。语言表达流畅，格式符合规范要求。同意石泽旭同学提交答辩

是否同意答辩：是

论文成绩：73

指导教师（签名）：

年 月 日

北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）评阅教师评阅意见

姓名 石泽旭 学号 10131203 专业 电气工程及其自动化

评阅教师 刘宝元 职称 助教 单位 北京交通大学海滨学院

评阅教师 李婧 职称 助教 单位 北京交通大学海滨学院

码垛机控制系统设计 毕业设计（论文）题目

对论文的评语：

石泽旭同学毕业论文的选题码垛机控制系统设计，论文探讨了码垛机控制系统的分析

和设计方法，具有一定实用价值。该同学收集的数据资料较翔实，分析和论证有一定深度，

结论正确合理。论文的写作基本规范。存在问题是对存在问题的探讨还可进一步深入，对

存在问题原因的分析还可进一步展开。

综上所述，石泽旭同学已经掌握了本专业的基础理论和相关专业知识，该同学写作的

毕业论文已经达到本科毕业论文水平，可以提交答辩。

是否同意安排论文答辩：同意

论文成绩：76

评阅教师（签名）：

年 月 日

北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）答辩小组评议意见

姓名 石泽旭 学号 10131203 专业 电气工程及其自动化

毕业设计（论文）题目 码垛机控制系统设计

答 辩 小 组 成 员:

姓 名 职 称 工作单位 备注

路勇 副教授 北京交通大学 组长

助教 北京交通大学海滨学院 答辩秘书

讲师 北京交通大学海滨学院 组员

助教 北京交通大学海滨学院 组员

李婧

陈雷

张义伟

答辩小组评语：

该论文在前人工作的基础上作了系统的归纳和总结，具有一定的综合应用能力，得到一

定的科研训练。在论文答辩过程中，基本上能叙述出所撰写论文的原理和应用，但表述不熟

悉，没有实物和仿真，回答问题欠妥当。

答辩组长（签名）：

年 月 日

答辩成绩 70

毕业设计（论文）诚信声明

本人声明所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导教师的指导下，独立进行

研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，毕

业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得

北京交通大学海滨学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名： 日期：

毕业设计（论文）使用授权书

本人完全了解北京交通大学海滨学院有关保管、使用论文的规定，其中包括：

①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用

影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；③学校可允许论文被查阅或借阅；

④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论

文的全部或部分内容。

本人签名： 日期：

摘 要

在现代的物流仓储系统中，自动化立体仓库应用日益广泛。而码垛机是立体仓

库的关键组成部分，码垛机性能的优劣对整个立体仓库的运行起到至关重要的作

用，所以设计与开发自动化程度较高的码垛机控制系统成为当前立体仓库的发展

趋势，开展与此有关的研究具有重要的理论和应用价值。本文基于现代物流技术

的应用和发展要求，介绍自动化立体仓库的应用及其功能和作用，结合现代科技

的发展，着重研究自动化立体仓库码垛机控制系统的控制技术。详细阐述了本控

制系统的设计思想，以及整个系统的硬件实现和软件设计。

论文依据立体仓库的有关设计参数，对码垛机电气控制的硬件系统进行了设

计，为了提高码垛机的性能，采用了转速、位置反馈的双闭环控制，以满足系统

的调速要求。系统的水平认址采用激光测距传感器定位，垂直认址采用光电开关

和认址片组合定位。变频调速系统由S7-226PLC及其扩展模块EM235通过变频器

MM440控制交流电动机，采用光电编码器反馈转速信号，实现转速闭环控制。货

叉伸叉系统由S7-226PLC通过步进电动机驱动器SH-20403控制二相混合式步进

电动机。根据系统的控制要求进行了PLC、变频器、电机和电机驱动器的选型，

并给出了系统的硬件接线图，然后利用西门子的编程软件step7设计了码垛机控制

程序。

关键词：控制系统，自动化立体仓库，码垛机，传感器，PLC

ABSTRACT

In 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 Warehou trend of development, Therefore related rearch

has important theory and application value. This paper introduces application and

performance of automated High-ri Warehou basing on application and development

requirement of modern logistics techniques. And puts emphasis on the rearching of

control techniques in automated High-ri Warehou stacker combining modern

science and techniques. This paper elaborated on the design of the system of control, as

well as the implementation of the system's hardware and the design of the software.

Bad on the parameter related to the automated storage, this paper prented 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 address of system using lar

rangefinder nsor positioning, and vertical 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-pha hybrid stepping motor. According to the requirements of the control

system, this paper completed the lection of PLC，frequency converter, the motor and

its controller. And prents the system hardware hookup. Then u the software of

Siemens step7 designs the stacker control procedures.

KEYWORDS：，Automated Storage and Retrieval System，Stacker，

Control system

Sensor, PLC

目 录

摘 要 ............................................................................................................................... i

ABSTRACT ...................................................................................................................... ii

目 录 ............................................................................................................................. iii

1 绪论 .............................................................................................................................. 1

1.1 码垛机概述 ............................................................................................... 1

1.1.1 码垛机的发展 ................................................................................ 1

1.1.2 码垛机技术的研究现状 ................................................................ 1

1.2 自动化立体仓库的概述 ........................................................................... 2

1.2.1 自动化立体仓库的组成 ................................................................ 2

1.2.2 自动化立体仓库的优点 ................................................................ 3

1.2.3 自动化立体仓库的发展 ................................................................ 4

1.3 研究的主要内容 ....................................................................................... 4

2 码垛机控制系统的硬件设计 ...................................................................................... 5

2.1 控制技术要求和系统总体设计 ............................................................... 5

2.2 码垛机位置控制 ....................................................................................... 7

2.2.1 定位控制 ........................................................................................ 7

2.2.2 认址检测方式 ................................................................................ 8

2.2.3 认址方式确认 ................................................................................ 9

2.2.4 码垛机速度曲线分析 .................................................................. 11

2.3安全检测传感器的应用 .......................................................................... 11

2.4 元器件的选型 ......................................................................................... 12

2.5 通信方案的确定 ..................................................................................... 13

2.6 输入输出点分配 ..................................................................................... 14

2.7 本章小节 ................................................................................................. 15

3 PLC及资源配置 ......................................................................................................... 16

3.1 PLC控制的优点及S7-200系列概述 ..................................................... 16

3.2 S7-200系列PLC概述 ............................................................................. 17

3.3 CPU型号选择 .......................................................................................... 18

3.4 PLC模块选型 .......................................................................................... 19

4码垛机控制程序设计 ................................................................................................. 21

4.1 码垛机自检和复位/归位程序 ................................................................ 23

4.1.1 码垛机自检程序 .......................................................................... 23

4.1.2 码垛机复位/归位程序 ................................................................. 24

4.2 自动方式下的码垛机运行控制 ............................................................. 25

4.2.1 列向运行PLC程序实现 ............................................................. 25

4.2.2 行向运行PLC程序实现 ............................................................. 28

4.2.3 货叉伸缩控制PLC程序实现 ..................................................... 30

4.3 手动方式下的码垛机运行控制 ............................................................. 32

4.4 码垛机变频调速系统设计 ..................................................................... 34

4.4.1 变频器的选型 .............................................................................. 34

4.4.2 水平方向变频调速系统设计 ...................................................... 36

4.4.3 垂直方向变频调速系统设计 ...................................................... 38

4.5 码垛机货叉控制系统设计 ..................................................................... 40

4.6 本章小节 ................................................................................................. 41

5.总结 ............................................................................................................................. 43

参考文献 ........................................................................................................................ 44

致 谢 ............................................................................................................................ 46

附录一 码垛机入库作业流程图 ........................................................................ 47

附录二 ............................................................................................................................ 48

中文翻译 ........................................................................................................................ 48

附录 三 .......................................................................................................................... 49

1 绪论

1.1 码垛机概述

码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，

[8]

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。无论何种类型的码垛机，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，结构形式有些差异，但可以说大同小

异，所有的码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。

1.1.1 码垛机的发展

初期的立体仓库使用的码垛机以桥式起重机为基础，这种码垛机是从起重机

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

出现了巷道式码垛机，随后巷道式码垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式码

垛机。1967年日本安装了高度10~15米的高层码垛机，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码垛机的立体仓库。

[6]

目前的码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。巷道式码垛机的起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、下两层分别用巷道码垛机进行搬运作业的

[9]

方法提高出入库能力。

1.1.2 码垛机技术的研究现状

按现行机械行业标准，有轨巷道式码垛机分类方式很多，如按支承方式、用

途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。无论何种类型的码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。

体现码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，码垛机的运行驱动己由20世纪70

年代的子母电动机改为变频调速，速度由5~50m/min提升至4~160m/min，国外小

载重量的码垛机最高可达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4~16m/min提升至0~25m/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4~35m/min；在码垛机自动控制方

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

[5]

前国产码垛机的运行速度最高仍保持在160m/min；提升速度在0~80m/min；货叉

速度一直保持在0~30m/min；认址采用光电探测，精度不足，认址差错率高。

1.2 自动化立体仓库的概述

在现代物流系统中，自动化立体仓库是一个重要的组成部分，它是一种新型

的仓储技术。自动化立体仓库又称为自动存储/检索系统（Automated Storage

[4]

&Retrieval System，AS/RS）。它是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工

程。它以高层货架为主要标志，配以成套的先进搬运设备，以先进的计算机控制

技术为主要手段，由此组成高频率、大容量的科学存储，以适应现代化生产、物

资交流和仓储的需求。

1.2.1 自动化立体仓库的组成

立体仓库是指：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，所以被成为立体仓库。目前，立体仓库最大高度能达到40多米，最大库存

数可达数万个货物单位，可以实现按计划入库和出库的全自动化控制，以及无人

操作的计算机网络化管理。

其主要的组成部分有高层货架、仓储机械设备、控制及管理设施。

（1）货架

仓储技术的发展由平面转向高层立体化以后，高层货架为仓库的主体和标志，

货架越高，存储量越大。货架在物流及仓储中占有非常重要的地位，目前的货架

具有多种功能，以满足机械化和自动化的要求。主要的货架类型有单元式货架、

贯通式货架与旋转式货架。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。货箱和托盘的基本功能是盛放小件物料，同时还应便

于运输车和码垛机的插取和存放。

（2）仓储机械设备

自动化立体仓库的主要搬运设备是巷道式码垛机，其主要用途是在高层货

[17]

架的巷道内来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存放入货格中，或者将货物取出

运送到巷道口。输送系统必须是具有高度的可靠性，在立体仓库中一般只有一套

输送系统，所以应保证输送系统各个环节上的设备可靠、耐用、维修方便，并且

还应该对输送系统设置手动控制做后备。自动化立体仓库中的货物输送装置主要

有传送带、各种流动小车及AGV等，短距离的传送还可以采用机器人。

（3）控制及管理设施

控制管理系统采用分布式控制，即由管理计算机、中央控制计算机和直接

[5]

控制码垛机、入/出库输送机等现场设备的控制器组成控制系统。管理计算机是立

体仓库的管理中心，承担着入/出库管理、盘库管理、查询、打印及显示、经济技

术指标的计算分析等功能，包括在线管理和离线管理；中央控制计算机是立体仓

库的控制中心，他沟通并协调管理计算机、码垛机、入/出输送机等设备之间的联

系，控制和监视着整个立体仓库系统的运行。

1.2.2 自动化立体仓库的优点

事实证明采用自动化立体仓库能够产生巨大的经济效益和社会效益，主要表

现在以下几个方面：

（1） 层货架：立体仓库由于使用了高层货架存储货物，存储区可以大幅度

的向空间发展，充分利用了仓库的空间，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的对仓库的各种信息进行存

储和管理，不仅降低了操作人员的劳动强度，还减少了货单处理和信息处理过程

中的差错，从而提高了仓库的管理水平。

（4） 节约成本：作业效率的提高势必会降低货物储存的成本费用，由此也

提高了企业的现代化物流意识。

1.2.3 自动化立体仓库的发展

高层货架仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产技术发展的结果。在

生产发张的实际需要和科技水平发展的现实可能下，五十年代初开始出现了自动

化立体仓库。1950年美国首先产生手动控制的桥式码垛机起重机，与此同时提出

了高层货架的概念，被认为是自动化仓库的雏形。1960年以后巷道式码垛机逐渐

代替了桥式码垛机，此后码垛机的使用范围和性能有了很大的发展，尤其是在日

本，自动化立体仓库发展迅速，目前日本的自动化仓库技术和自动化仓库的拥有

量都位居世界前列。

自动化技术在仓储领域中的发展分为五个阶段：人工仓储阶段、自动化仓储

阶段、集成化仓储阶段和智能化阶段。其中智能自动化仓储在九十年代后期以及

二十一世纪的若干年内，是仓储自动化技术的主要发展方向。

我国对自动化立体仓库及其物料搬运设备的研制并不晚，1963年研制成第一

台桥式码垛起重机(机械部北京起重运输机械研究所)，1973年开始研制我国第一座

由计算机控制的自动化立体仓库(高巧米，机械部起重所负责)，该库1980年投入

运行。

1.3 研究的主要内容

课题的研究目标是设计安全可靠，具有经济性能和操作性能良好的码垛机控

制系统。 主要内容如下：

(1) 介绍自动化码垛机和立体仓库的一般概念和基本组成，以及国内外码垛机

和立体仓库的发展现状，简单介绍了码垛机控制系统的发展方向。

(2) 对码垛机在水平方向和垂直方向运行进行速度控制，根据运行的目的地址

和当前地址之间的比较，选择合适的变频器，对电机的运行速度进行控制。并在

应用新的定位方式的基础上，对变频调速系统进行位置速度双闭环控制，并解决

新方案中的硬件设置问题。由PLC输出高速脉冲和货叉方向改变信号控制步进电

动机左伸和右伸，以及货叉的伸缩速度。

(3) 设计了码垛机运行系统的控制程序，包括码垛机各种工作方式下的控制程

序。

2 码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

（1）码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

[3]

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。由码垛机运行机构特点及工作要求可知，能否保证码

垛机的稳定工作，关键在码垛机的三维位置移动定位的精确性。

主要技术指标和和主要设计参数

码垛机运行的速度范围：

水平方向：2m/min~360m/min；

垂直方向：2m/min~80/min；

货叉：2m/min~60/min

（2）码垛机的控制方式有自动和手动控制。

① 手动方式通过码垛机的转换开关及按钮控制码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。

② 单机自动用人机界面对码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等功能。

（3）码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。

① 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。

② 位置技术及判断：沿着码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码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，码垛机停车。

③ 速度调整和准确停车：根据码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，在停车之前先把码垛机的运

行速度降低到低速档，使码垛机以低速接近目标位置，保证码垛机的稳定性。

④ 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。

⑤ 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。

⑥ PLC还有工作故障报警功能。

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。码垛机采用西门子公司的S7-200型PLC控制，与变频器结合对码垛机

进行变频调速。系统结构拓扑图如图2-1所示。

堆垛机纵向堆垛机水平堆垛机货叉

运行机构 运行机构 运行机构

图2-1 系统结构拓扑图

监控计算机

堆垛机水平

认址系统

S7-200 PLC

堆垛机纵向

认址系统

堆垛机

货物检

堆垛机

限位保

堆垛机纵向堆垛机水平堆垛机货叉

变频系统 变频系统 控制系统

2.2 码垛机位置控制

由码垛机的作业流程分析，码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码垛机到达目标位置，

货叉伸缩机构完成存取货任务。要完成对码垛机自动控制系统的设计，首先要保

证码垛机能够准确到达目标位置，所以在设计码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码垛机准确无误的定位在目标货位。另外为了提高

][17]

存取效率和保证码垛机的稳定性，必须对码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码垛机自动控制系统的关键部分。

码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 码垛机位置速度控制框图

控制器 调速系统 认址器

M

2.2.1 定位控制

定位控制就是确定码垛机停止在目标货位的功能。自动仓库的认址检测系统

有两项任务：一是实现自动寻址，使码垛机自动找到被指定到达的位置；二是自

动准确停准，即码垛机停准位置不超出规定的精度。为此，货架上的每个货位必

须具有码垛机能识别的编码，所以将货架两侧编成X1、X2，沿码垛机运行方向将

货架编为0~Y列，垂直方向编为0~Z层。这样每个货位就有了独立的三维坐标地

址，码垛机自动检测目前的坐标地址，使其能到达目标位置。因为货架两侧分为

X1、X2，只有两个方向，反应到码垛机上只是货叉左伸、右伸运动，此方向不用

检测，所以实际上码垛机位置的检测只是对Y、Z位置的检测。

2.2.2 认址检测方式

主要的认址检测方式有以下几种：

（1）绝对认址：绝对认址是将每一个货位赋予唯一的开关状态，给每个货位

制作一个专用的认址片，码垛机上相应安装一个识别器，通常是二进制编码板和

一组光电开关的组合，通过读取认址片的代码来判断码垛机的当前位置。

（2）相对认址：相对认址：相对认址时每个货位的认址片结构相同。每经过

一个货位，就对地址编码进行加1或减1，一直移动到和预定位置号一致时停止运

行。

（3）编码器定位法：编码器定位方式主要有两种：从动轮与轨道旋转计数

[13]

测定方式、链轮与链条旋转计数测定方式。从动轮与轨道旋转计数测定方式。码

垛机的从动轮上配有同轴旋转编码器，从动轮与轨道近似纯滚动，因此通过对旋

转编码器的转角的转换，可以得到码垛机的相对运行位置。

（4）激光测距定位：激光测距定位是近年来应用于码垛机准确定位的新技

[19]

术，用激光测距仪通过测量码垛机到基准点的距离和事先存储的位置数据比较来

确定码垛机的当前位置。这种方法的精度很高，但是使用时码垛机和激光发射器

和反射板之间不允许有物体，否则会遮挡住激光的传输路径，使系统无法准确定

位。

以上是四种常见的认址检测方式，四种方式各有优劣，下面的表格2-1是他们

之间的比较对照：

表2-1 认址方式对比表

认址器 光电开关 旋转编码器 激光测距传感器

认址方式 相对认址 绝对认址 绝对认址 绝对认址

可靠性 较低 最高 高 较高

认址精度 格 mm 格 Mm

系统成本 低 较高 高 高

数据接口 无 多种 无 多种

定位方式 反射式 反射式 反射式 接触式

使用寿命 短 长 短 较长

2.2.3 认址方式确认

为完成对码垛机的位置控制，必须能检测出码垛机的运行位置，码垛机系统

认址方式如下：

（1）水平认址系统

水平方向采用激光测距传感器，当前数据为位移值，经过PLC计算后的

[15]

数据为当前速度值。激光测距传感器安装在码垛机上，目标放射板安装在巷道末

端。在立体仓库巷道通道中的激光测距范围(激光发射器与反射板之间)内不得有任

何物体遮挡激光光线。激光测距的原理是通过发射出的激光光线长度来测定距离，

其光线就好比一把光尺，如果物体遮挡激光光线，让它脱离原标准原点的测定位

置，将影响实际要求的测定距离，从而使码垛机走位偏离所设定的位置，产生货

叉取/存储错位或起始点撞击码垛机端部缓冲制动器的情况。因此，在码垛机工作

时不允许有任何物体遮挡激光光线，对于激光光线通道应采取隔离保护措施，保

证激光测距的准确性和自动化系统的安全性。

（2）纵向认址系统

码垛机纵向方向的层定位采用光电开关和认址片组合定位，即在码垛机的上

下安装两个光电开关，在每层的货位上安装认址片。低位为取货开始伸叉或放货

完毕收叉的位置，高位为放货开始伸叉或取货完毕收叉的位置。为使货叉能完成

作业，码垛机在垂直方向上必须要提供使货叉能停在高位或低位的检测装置。所

以在码垛机的升降台上安装三个光电开关，与升降台一起上升下降，中间的一个

共用，其他两个分别为上位置和下位置。存货开始或取货结束时，升降台货叉停

在高位置，下面两个光电开关处于认址片内；取货开始或存货结束时，货叉停在

低位置，此时上面两个光电开关处于认址片内，如图2-3所示。

上对准光电上对准光电

中间计数光电中间计数光电

下对准光电

下对准光电

低位置

高位置

图2-3 码垛机垂直方向认址传感器分布图

其认址状态如表2-2所示：

表2-2 认址状态表

上升 下降

传感器 存货高位 取货低位 存货高位 取货低位

A1 计数、减速、定 定位、停止

……

位 ……

定位、停止 A2 计数、减速、定位、停止 计数、减速、定

定位 位

A3 计数、减速、定

…… 位 ……

2.2.4 码垛机速度曲线分析

常见的速度运行曲线有三种，分别为三角形与梯形速度曲线、抛物线与直

[29]

线形速度曲线、正弦形速度曲线。本文采用最常用的梯形速度曲线。如图2-4所示，

梯形速度曲线码垛机以加速度启动加速，当匀加速到最大运行速度时，保持

av

mm

该速度运行一段时间，再以匀减速运行，直到零速停靠。

a

m

V

A B

C

S1 S2 S3 S

图2-4 梯形速度曲线

2.3安全检测传感器的应用

（1）货架占有情况检测

自动化仓库需要知道货物是否存放在货架，或者货物在货架的位置信息。以

免造成误动作，损伤机械。入库操作时，当码垛机到达目标位置时，先检测货位

是否有货物，若没有货物，则进行伸叉作业，否则发出信号使码垛机动作停止；

出库时，若检测出相应货位无货物，则发出信号致码垛机动作停止。本文采用漫

反射型的光电传感器可以感知货物在货架的存在或者位置。

（2）货物突出货架检测

货物存放在货架上，可能由于异常的情况导致货物突出货架的情况。这些突

出的货物可能妨碍码垛机垂直方向的运行，导致货架或码垛机的损害。在码垛机

垂直轨道上顶端安装长距离光电传感器可以监视货物突出，一旦有突出，向上位

机报警，控制系统发出信号致码垛机停止运行。

2.4 元器件的选型

主要的元器件的选择如下表2-3所示。

表2-3 元器件使用表

名称 代号符号 个数 规格符号 备注

PLC PLC 1 S7-200 CPU226，AC/DC继电

扩展模块1 1 EM221 16路数字输入

扩展模块2 2 EM235 4模拟量输入、1模拟

接触器 KM 3 CJ20-100 线圈电压220V

电阻 R 2 2K

限流保护器 FR 1 JRS4-140365d 整定电流80-104A

熔断器 FU 4 RLS1-100 额定电压380V额定电

指示灯 HL 5 AD16-22G LED显示，220V

名称 代号符号 个数 规格符号 备注

行程开关 SQ 14 LF-0124LB 额定电压10-30VDC

按钮开关 SA KD2B-21 带自锁，24V

1 ODSL8型 检测距离25-45米 激光测距传感器

2 E3G-MR19 光电传感器

2 755A 增量式 光电编码器

1 Y2-632-2 额定电压380V，额定三相交流异步电M

1 YY7112 额定电压380V，额定单相交流异步电M

1 SH-20403 24-70VDC 步进电动机驱动

1 42BYG 步距角0.9/1.8 二相混合式步进M

器输出

量输出

流20-100A

功率300W 动机

功率250W 动机

器

电动机

2.5 通信方案的确定

为了控制无人运转码垛机，必须向码垛机发送运转和作业的信息。一个指令

执行完了之后，必须从码垛机向地面发送响应信号，即确认信号，之后才能执行

下一个指令。码垛机的信息传递顺序是：码垛机首先接受的作业信息是从什么地

方取货，之后把它存入什么货位。码垛机控制盘在收到作业信息之后向地面控制

盘发出响应信息。码垛机根据作业信息进行作业。作业完了之后，向地面发出“作

业结束”信息。这样把一系列作业进行完了之后，成为等待下一个作业信息的待机

状态。

串行通信中最常用的物理层协议为RS-232C和RS-485。本文采用RS-485标

准。主要基于以下两点考虑：

（1） RS-232C接口标准只能用于点对点的通信，而RS-485能实现多点对多

点的通信。RS-485允许平衡电缆上连接32个发送器/接收器。立体仓库控制系统

要求监控系统和3台码垛机控制系统连接，要求物理层的协议必须支持一点对多

点的通信。

（2） RS-485采用差动发送/接收，所以共模抑制比高，抗干扰能力强。立体

仓库的工作环境较恶劣，热、电、磁等干扰信号较多，要求通信网络的抗干扰能

力较强，才能保证数据的正确接收。RS-485标准除上述优点外，还具有传输速率

高、传输距离远等优点。

由于PLC带有串行通信接口，只需用RS-485总线分别连接到计算机即可，可

见系统的构建十分简单当需要增加新设备时，只需要将新设备也连接到计算机，

系统的扩展也较容易。为了利用计算机带有的RS-232接口与下层的各个模块通信，

在计算机上需要安装232-485转换器。

在自动化立体仓库控制系统中选用Modbus通讯协议作为其通信网络数据

[21]

链路层的协议。Modbus通讯协议是Modicon公司设计的一种适用于工业控制的主

从结构式串口通讯协议，已经成为通用工业标准。Modbus串行链路协议是一个主

-从协议，采用请求-响应方式，主站发出带有从站地址的请求报文，具有该地址的

从站收到后发出响应报文进行应答。采用该协议，不同厂商生产的控制设备可以

互连成工业网络，实现集中监控。许多工控产品，例如PLC、变频器、人机界面、

DCS和自动化仪表等，都在广泛地使用Modbus协议。本系统中使用的变频器和

PLC都支持Modbus协议。而且Modbus协议编程简单、容易实现。在笔者所研制

的自动化立体仓库控制系统中得到了很好的应用，数据传输准确、可靠。

2.6 输入输出点分配

为方便系统施工时的硬件连接，方便上位机查询、修改系统的输入/输出点状

态，在系统程序编写前，需对系统的输入输出点进行合理的规划分配。分配1/0点

时，应注意系统公共点的带载能力，以免烧毁设备。在进行1/0分配时，将相同设

备、相似功能的输入输出点集中在一起，即便于线路连接、记忆，又便于上位机

查询系统的工作状态及设备的位置。

码垛机控制系统采用的PLC是S7-200 CPU226，总共使用了所有的24个输入

点和11个输出点，具体I/O点分配如表2-4所示码垛机控制系统使用扩展I/O模

块EM221，其I/O分配表如表2-5。扩展模块EM235是模拟量4输入/1输出模块，

在本文所设计的控制系统中，只用到两个扩展模块EM235的输出通道MO、VO，

接变频器MM440的端口3和4。

表2-4 PLC（CPU226）输入输出I/O点分配

序号 控制元件 编程地址 序号 控制元件 编程地址

1 启动 I0.0 19 货叉右伸按钮 I2.2

2 停止 I0.1 20 货叉左伸按钮 I2.3

3 复位 I0.2 21 货叉原位按钮 I2.4

4 存货 I0.3 22 货叉电机脉冲输出 Q0.0

5 取货 I0.4 23 堆垛机上升 Q0.1

6 自动 I0.5 24 堆垛机下降 Q0.2

7 水平编码器反馈AI0.6 25 货叉方向改变 Q0.3

8 水平编码器反馈B I0.7 26 堆垛机前进 Q0.4

9 手动 I1.0 27 堆垛机后退 Q0.5

10 货叉右伸到位 I1.1 28 低货位指示灯 Q0.6

11 货叉到中位 I1.2 29 高货位指示灯 Q0.7

12 货叉左伸到位 I1.3 30 水平停准指示灯 Q1.0

13 垂直编码器反馈A I1.4 31 垂直停准指示灯 Q1.1

14 垂直编码器反馈B I1.5 32 警示灯 Q1.2

15 前进按钮 I1.6 33 水平电动机停机 Q1.3

16 后退按钮 I1.7

17 上升按钮 I2.0

18 下降按钮 I2.1

表2-5 EM 221模块I/O点分配

序号 控制元件 编程地址 序号 控制元件 编程地址

水平左限位

水平右限位

垂直上限位

垂直下限位

水平前对准

水平认址计数

1 I3.0 9 纵向认址下对准 I4.0

2 I3.1 10 左端歪斜传感器 I4.1

3 I3.2 11 右端歪斜传感器 I4.2

4 I3.3 12 左探有货传感器 I4.3

5 I3.4 13 右探有货传感器 I4.4

6 I3.5 14 低速按钮 I4.5

7 I3.6 15 中速按钮 I4.6 纵向认址上对准

8 I3.7 16 高速按钮 I4.7 纵向认址计数

2.7 本章小节

本章依据设计立体仓库的有关参数，对码垛机电气控制的硬件系统进行

了设计。包括码垛机作业流程图、系统结构图，码垛机的控制方式、通讯方案及

认址方式的选择，并设置了相应的安全保护措施，对码垛机PLC控制系统输入瑜

出点的分配进行了详细论述。

3 PLC及资源配置

3.1 PLC控制的优点及S7-200系列概述

① 高可靠性；

（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部

电路之间电气上隔离。

（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.

（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

（4）采用性能优良的开关电源。

（5）对采用的器件进行严格的筛选。

（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即

采用有效措施，以防止故障扩大。

（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,

使可靠性更进一步提高。

② 丰富的I/O接口模块；

PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或

电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，

如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连

接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局

部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

③ 采用模块化结构；

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均

采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化PLC，

由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

④编程简单易学；

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，

不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

⑤安装简单，维修方便；

工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相

连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行

情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的

方法，使系统迅速恢复运行。

根据实际的控制点数和系统需要实现的控制要求，选用西门子的S7-200系列

的PLC作为控制中心。

3.2 S7-200系列PLC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），

[28]

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的要求时，用户可以根据需

要扩展各种I/O模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是多

种因素共同决定的。

（3）特殊功能模块：当需要完成某些特殊功能的控制任务时，可与SIMATIC

S7-200主机相连，已完成某种特殊的控制任务而特制的一种装置。

（4）相关设备：相关设备是为了充分和方便的利用SIMATIC S7-200系统的

硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人际操作界面和网

络设备等。

（5）工业软件：工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之相

[16]

配套的程序，它主要有标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。

3.3 CPU型号选择

（1）西门子CPU的介绍

SIMATIC S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，

[2]

这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，以便对工业自动

化控制任务或过程进行控制。输入部分则输出控制信号，控制工业过程中的设备。

西门子第二代产品的CPU模块位CPU 22*，是在本世纪初投放市场的。其速

度快，具有极强的通讯能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元。

① CPU 221：CPU 221具有6输入/4输出，共计10个点的I/O，无扩展能力，

有6KB程序和数据存储空间。还具有4个独立的30kHz高数计数器，2路独立的

20kHz高数脉冲输出端，一个RS-485通讯/编程端口，具有PPI通讯协议、MPI通

讯协议和自由通讯方式。非常适合小点数的控制系统。

② CPU 222：CPU 222除了具有CPU 221的功能外，其不同在于：它有8输

入/6输出，共计14点I/O，可以扩展8路模拟量和最多64个I/O,因此使更广泛的

全功能控制器。

③ CPU 224：它在CPU 222的基础上使主机的输入输出点数增为24点，最大

可扩展为168点数字量或者35点模拟量的输入和输出；存储量也进一步增加，还

增加了一些数学指令和高数计数器的数量，具有较强的控制能力。

④ CPU 226：这种模块在CPU 224的基础上功能又进一步增强，主机输入和

输出点增加到40点，最大可扩展为248点数字量和35点模拟量；增加了通讯口

的数量，通讯能力大大增强；它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系

统。

（2）CPU型号的选择

根据控制点数来计算，可以选用CPU-226这个型号的CPU，CPU226有24输

入/16输出，最大可以扩展为248点数字量或35点模拟量。其特点如下：

① 集成的24V电源：可直接连接到传感器和变送器、执行器，可用作负载电

源。

② 高速脉冲输出：具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHZ，用

于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。

③ 通信口：CPU226具有2个RS-485通信口，支持PPI、MPI协议，有自由

口通信能力。

④ 模拟电位器：CPU226有两个模拟电位器，用来改变特殊寄存器中的数值，

以改变程序运行的参数，如定时器、计数器的预设值，过程量的控制参数。

⑤ 中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。

⑥ 数字量输入/输出点：CPU226具有24输入/16输出，输出点为24V直流双

向偶看光电耦合输入电路，输出有继电器和直流两种类型，可扩展模块为7个。

⑦ CPU226有6个30KHZ的高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更高的

脉冲信号。

3.4 PLC模块选型

由于S7-200-CPU226的集成24输入/16输出不能满足设计的要求，所以又选

用了EM221扩展模块和EM235扩展模块，正好满足设计的需要。所选模块型号

如表3-1所示。

表3-1 扩展模块选型表

系列号 类别 描述 选型型号 数量

EM221 输入扩展模块 DI16 6ES7221-1BH22-0XA0 1

EM235 输入/输出扩展模块 2 AI4/AO1 6ES7235-0KD22-0XA0

由于CPU226的输入点只有24个，不能满足设计的输入点的需要，所以加入

一个EM221模块，该模块有16个数字输入点，总体上可以满足系统输入的要求。

另外加入两个EM235模拟量输入/输出模块是为控制水平和垂直运行的交流电机。

系统总体结构图如3-1所示：

上位机

输入区

RS-485

指示灯、继电器

步进电机驱动器

输出区

手动开关

光电编码器

限位开关

CPU226

二相混合式

步进电机

EM221

EM235

EM235MM440变频器

MM440变频器

三相交流异

步电动机

单相交流异

步电动机

4码垛机控制程序设计

S7-200可编程控制器主要使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程和其

[11]

它一些相关处理。STEP7-Micro/WIN 32编程软件是基于Windows的应用软件，由

西门子公司专为SIMATIC S7-200系列可编程控制器设计开发，功能强大，主要由

用户用来开发控制程序，同时也可以实时监控用户程序执行状态。

它提供三种编辑器来创建你的程序：梯形图、语句表和功能块图。用任何一

种程序编写程序，都可以用另外一种程序编辑器来浏览和编辑，但要遵守一些输

入规则。语句表编辑器按照文本语言的形式显示程序，此编辑器允许你输入指令

助记条款来创建你的控制程序。

（1）梯形逻辑(LAD)

梯形逻辑(LAD)是STEP7编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一个继

电器梯形逻辑图相似，当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线圈时，梯形

图可以让你追踪电信号在电源示意线之间的流动。

（2）语句表(STL)

语句表(STL)是STEP7编程语言的文本表达方式。与机器码相似，如果一个程

序是用语句表编写的，CPU执行程序时则按每一条指令一步一步地执行。

（3）功能块图(FBD)

功能块图(FBD)是STEP7编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似

的逻辑框来表达逻辑。复合功能(如数学功能)可用逻辑框相连直接表达。

设计的码垛机控制系统采用手动和自动两种操作方式，其中自动又有自动入

库和自动出库两种工作状态。

（1）自动：由操作员在下层控制台输入货单，发出运行命令，堆跺机根据货

单和命令自动运行完成任务，实现甩手操作。

（2）手动：由操作员亲自驾驶堆跺机进行取货和放货操作，其中可以操作货

叉的升降、伸缩，堆跺机的上升下降，前进，后退操作，来完成货单任务。

程序采用模块化的方式进行编写，采用中间信号来实现对具体运行动作的控

制，从而更准确更安全的完成作业;并采用指示灯在现场指示系统具体的工作状态，

方便上位机对堆跺机系统的运行进行实时的监视。图4-1是系统主程序流程图。

码垛机自检子程序

开始

系统上电

执行手动操作子程序

Y

手动方式

码垛机运行

方式选择

自动方式

送货任务

N

执行送货子程序

取货任务

4.1 码垛机自检和复位/归位程序

4.1.1 码垛机自检程序

在码垛机主程序流程图4.1中，码垛机每次开机上电时，PLC系统通电，然后

执行用户编写的功能模块程序。PLC系统上电后，首先执行图4-2码垛机自检程序。

码垛机自检子程序主要是判断上次系统是否正常关机，如果属于非正常关机，码

垛机有无不安全因素，如果存在不安全因素，码垛机开始报警，等待故障处理。

如果正常关机，则判断码垛机工作模式。在手动操作模式下，执行手动操作子程

序。在自动模式下，则由码垛机机载控制柜上的触摸屏操作下发作业任务。

开始

检测安全关机标志位

上次安全关

机?

Y

检测货叉位置及货叉负载

存在不安全因

素?

N

Y

故障报警，等待故障处理

结束

图4-2 码垛机自检子程序流程图

4.1.2 码垛机复位/归位程序

当码跺机在运行过程中出现错误时，若不及时纠正，就会使仓库管理出现混

乱，所以就需要系统能通过控制按钮方便的恢复系统的部分数据或设置，及时恢

复系统的正常运行。据不同错误的严重情况，设立系统归位和系统复位两种方式。

码跺机复位程序流程图如图4-3所示。当按下归位按钮超过3s码跺机开始在

水平与垂直两个方向同时以中速返回原位。当码跺机经过强制限速点时，强制为

低速，直到运动到原位停止。到达原位后，复位计数器；当水平与垂直两个方向

均到达原位后，归位动作完成。若重新启动被按下超过3s，系统会执行初始化程

序，对系统的各个内存区及自由端口进行重新定义，同时，系统会启动返回原位

程序，以重新设定计数器的当前值；若不需要码跺机归位，则可以再松开重新启

动按钮后，再短按一次重新启动按钮(小于3s)，就可停止系统回归原位。

Y

Y

N

N

Y

图4-3 复位程序流程图

结束

到达原位/重启

按钮按下？

返回原位

重启信号定时

到？

启动初化、

归位程序

归位按钮

按下

重启信号

N

计时时间到？

4.2 自动方式下的码垛机运行控制

码垛机执行自动入库作业的初始条件为码垛机位于入库口，升降台位于最下

位置，入库台车在码垛机前进方向的右边，车上有货物，码垛机货叉上无货物。

操作开始先在上位机的监控界面上输入待入库目标货位的列、层数，选择入库动

作，然后按下运行键，系统开始执行入库作业。于是码垛机向入库口的货位伸叉,

伸叉到位后货叉向上托起，托到货物后码垛机收叉，然后货叉托着货物回到货叉

中位，货叉停止，载着货物的码垛机向目的货位移动，到达目的货位之后检测目

标货位是否有货，如无货码垛机向入库目标货位伸叉，伸叉到位后货叉下降，将

货物放到货位上后码垛机收叉，然后货叉回到货叉中位，货叉停止，码垛机返回

到入库口位置待命，准备下一次作业。出库的作业顺序与入库的作业顺序类似。

4.2.1 列向运行PLC程序实现

下面是一段小车沿列向自动运行的程序，这段程序分为两部分：

（1）首先考虑的问题是：小车处于前进或者是存放货物的过程，还是完成了

预定任务返回在的过程。但是由于PLC程序的执行特点是逐行扫描，所以仅仅判

断小车是处于前进过程还是返回过程是不够的，因为在返回过程中，还有货叉从

货架上缩回、升降台下降到初始位置等过程，所以，必须要在程序中能够将这3

种不同的运动区分开来。根据这种要求，在编写程序的时候加入了3个不同的

BOOL类型的变量M20.1、M20.3、M20.5，分别作为小车沿列向运行到位标志、

升降台行向运行标志、货叉到位标志。当变量为ON时，表示已完成该项动作，

为OFF时表明小车还没有完成动作。Q0.6是开关量输出，表示启动小车前进，小

车开始向前运动。程序如下所示，表4-1为网络的注释表。

网络6：列向自动运行

LD SM0.0

LPS

AN M20.7

AN M20.1

A M0.0

A M10.0 // 置Q0.6为ON，Q0.6为小车前向运行输出

S Q0.6, 1

LPP

A M20.7

AN M20.5

A M0.0

A M10.0

S Q0.7, 1 // 置Q0.7为ON，Q0.7为小车后退运行输出

地址 注释

M20.7 小车是否处于执行动作过程中；为ON则表示执行动作过程中

SM0.0 该值始终为1

M10.0 手、自动状态

Q0.5 小车向后状态

M20.1 列到位标志

Q0.4 小车向前运行

M20.5 物品到位标志

M0.0 运行状态

表4-1 网络1注释表

（2）当小车还处于取放货的动作未完成的阶段时，需要判断的是小车是否已

经完成了列的定位，如果未完成列的定位(M20.1为OFF)，那么启动小车前进的电

机，使小车向前运动。如果小车处于已经完成了取放货的动作时，那么判断小车

是否已经完成了由货架上返回的动作。如果小车完成了这些过程，那么将开始进

行后退运动，Q0.7表示启动小车后退电机，使小车向后运行并返回初始位置。程

序如下所示，表4-2为网络2注释表。

图4-4 列向自动运行梯形图

网络7：列向准确寻址

LD SM0.0

LPS

AN M20.7

AN M20.1

A M0.0

A M10.0

AR= VD1200,VD28

= Q1.6 // 输出停止向前运行信号

S M20.1, 1 // 设置达到标记

LPP

A M20.7

AN M20.1 // 输出停止向后运行信号

AN M20.3

A M0.0

A M10.0

AR= VD1200,0.0

= Q1.7

R M20.7, 1 // 清除达到标记

// 清除达到标记 R M20.1, 1

表4-2 网络2注释表

地址 注释

M20.7 小车是否处于执行动作过程中，ON则表示执行动作

SM0.0 该值始终为1

M10.0 手、自动状态

M20.1 列到位标志

VD28 水平目的距离

VD1200 激光测距传感器数值

M20.3 行到位标志

M0.0 运行状态

Q1.7 停止向后运行

Q1.6 停止向前运行

图4-5准确寻址PLC梯形图

4.2.2 行向运行PLC程序实现

行向运动是由三个光电开关定位，行向定位原理与列向定位原理相似，区别

在于，存货开始或是取货结束时，升降台货叉停在高位置，下面两个光电开关处

于认址片内；取货开始或存货结束时，货叉停在低位置，此时上面两个光电开关

处于起升认址片内，在定位停准后，存在货叉的上浮和下移动作。程序如下所示，

表4-3为网络3注释表。

网络3 行向准确寻址

LD SM0.0

LPS

LD I0.3 // 出入库选择

AN M20.7

AN M20.3

A M10.0

A C1 // 行计数器C1

A I2.2 // 下对准光电

LDN I0.2

AN M20.7

AN M20.3

A M10.0

A C1 // 行计数器C2

A I2.0 // 上对准光电

OLD

A M0.0

ALD

= Q2.0 // 行到位，停止上升

S M20.3, 1 // 置位行到位标记

LPP

A M20.7

AN M20.5

A M0.0

A M10.0

A C2

S Q2.1, 1 // 停止下降

R M20.1, 1

R M30.1, 1 // 下降计数器复位

表4-3 网络3注释表

地址 注释

M20.7 小车是否处于执行动作过程中，ON表示执行动作

SM0.0 该值始终为1

M10.0 手、自动状态

I0.3 出入库选择

M20.1 列到位标志

行向运行PLC程序实现的梯形图如下图