單立柱巷道式堆垛機控制系統設計

單立柱巷道式堆垛機控制系統設計,單立柱巷道式堆垛機控制系統設計,立柱,巷道,堆垛,控制系統,設計 單立柱巷道式堆垛機控制系統設計 DESIGN OF CONTROL SYSTEM ABOUT DETACHED COLUMN TUNNEL TYPE HAY STACKER 學生姓名 學院名稱 機電工程學院 專業(yè)名稱 機械設計制造及其自動化 指導教師 徐州工程學院畢業(yè)設計(論文) 摘要 在現代的物流倉儲系統中，自動化立體倉庫應用日益廣泛。而堆垛機性能的優(yōu)劣，對整個立體庫的正常運行起著重要的作用。但就我國現有生產力發(fā)展水平來看，在自動化立體倉庫中設計出造價低廉、工作可靠的堆垛機替代原有倉庫的控制和管理，能更加適應某些中小企業(yè)要求投資少見效快的目標。本論文就實現這一目標的堆垛機控制系統進行了設計。在堆垛機控制系統（Storage and Retrieval Machine control system，以下簡稱SRMC系統）的開發(fā)應用中，將PLC技術和變頻控制技術相結合，重點研究基于旋轉編碼器與光電開關的組合進行堆垛機定位系統的設計。 本文主要的研究工作如下： (1)深入研究實際生產過程中堆垛機的工作情況，指出其在運行、定位及故障指示等方面的不足之處，并從硬件改進和軟件設計兩個方面給出具體的實施方案； (2)針對自動化立體倉庫的存取特點，對堆垛機的硬件部分進行設備選型與參數計算，設計出電氣原理圖，提出一套SRMC系統的硬件配備方案； (3)在三菱GX-Developer軟件開發(fā)環(huán)境下，采用流程圖的設計方法，設計SRMC系統的PLC控制程序，隨時改進控制思路和控制程序系統。 關鍵詞: 堆垛機；PLC技術；自動化控制；速度控制 Abstract In modern logistic warehouse’s system, automatic high- rise warehouse was widely applied. The features of stacker crane were the key Point to the function of the high- rise warehouse . According to the national existing current economic condition, to study one kind of great tonnage stacker control system which cost inexpensive and moved stable was useful to some small or medium enterprises whose aim was investing less while profiting lots. This paper introduced the design of stacker crane control system, unified the PLC technology and the frequency conversion control technology, the key research based on the transformation on S shape running rate curve of frequency changer, as well as combined the revolves encoder and the photo electricity switch to constructs the Storage and Retrieval Machine’s accurate positioning system. The paper’s main research work is as follows: (1)Researching the Storage and Retrieval Machine’s working condition in the actual production process, The paper pointed out the deficiency in the movement, localization and failure indication, and put forward the concrete implementation plan from two aspects on the hardware improvement and software design； (2)In view of the store and fetch characteristic in the Automated High-rise air conditioning Storage, The paper has carried on the equipment shaping and the parameter computation on the hardware of Storage and Retrieval Machine, has drawn the electrical principle diagram, and reasonably installed them together, composed the hardware system. Put forward the hardware allocated plan which is quite feasible on the Storage and Retrieval Machine in the current； (3)Under the Mitsubishi GX-Developer software development environment, for the realization of this design, we has established the Storage and Retrieval Machine control system procedure on PLC, by monitoring and practicing, found the problem, improved the control mentality and the control procedure as necessary. Keywords Storage and Retrieval Machine PLC technology Automated control Speed control II 目 錄 1 緒論 1 1.1自動化立體倉庫系統概述 1 1.1.1自動化技術在倉儲領域的發(fā)展 1 1.1.2自動化倉庫的分類 2 1.2堆垛機簡介 3 1.2.1堆垛機的發(fā)展 3 1.2.2巷道式堆垛機的技術現狀 3 1.2.3單立柱巷道式堆垛機結構 4 1.2.4堆垛機的發(fā)展趨勢 6 1.3課題研究意義及主要研究內容 6 2 SRMC系統的方案設計 7 2.1 SRMC系統 7 2.2 SRMC系統的功能要求 8 2.3堆垛機的速度控制方案 9 2.3.1變頻調速技術的優(yōu)點 9 2.3.2變頻器的基本結構 10 2.4系統主控制器的選擇方案設計 10 2.4.1可編程控制器概述 11 2.4.2 PLC的基本組成 11 2.4.3 PLC各部分的功能 11 2.4.4 PLC的主要特點 13 2.4.5 PLC控制系統的類型選擇 13 2.5堆垛機的定位控制方案 14 2.6本章小結 16 3 SRMC系統硬件設計 17 3.1 SRMC系統總體結構 17 3.2電動機的選型 18 3.3變頻器的選型 19 3.3.1變頻器的特點 19 3.3.2 變頻器型號以及PG速度控制卡的選擇 19 3.4 PLC型號選擇 20 3.4.1 FX-2N系列PLC的特點 20 3.4.2機型的配置及I/O點數的分配 20 3.5 SRMC系統其它主要硬件的選取 22 3.5.1旋轉編碼器 22 3.5.2光電開關 23 3.5.3電磁閘 23 3.5.4斷路器、接觸器 23 3.6本章小結 23 4 SRMC系統軟件設計 24 4.1堆垛機速度曲線模型的設計 24 4.1.1現有速度曲線的分析 25 4.1.2速度曲線改進的函數分析過程 25 4.1.3改進的速度曲線特點 28 4.2主控制器PLC的程序設計 28 4.2.1 PLC控制系統程序設計的主要工作 28 4.2.2本程序設計使用軟件 28 4.2.3程序設計方法選擇 29 4.2.4程序設計過程 31 4.3本章小結 35 結論 36 致謝 37 參考文獻 38 附錄 40 附錄1 40 附錄2 50 I 1 緒論 自動化立體倉庫又稱立體庫、高層貨架倉庫、自動倉儲AS/RS(Automatic Storage & Retrieval System)。它是一種用高層立體貨架(托盤系統)儲存物資，用電子計算機控制管理和用自動控制堆垛運輸車進行存取作業(yè)的倉庫。自動化倉庫是生產物流的重要組成部分，擔負著物資的接受、分類、計量、包裝、分揀配送、存檔等多種功能。是實現高效率物流和大容量儲藏，適應現代化生產和商品流通的有效手段。有軌巷道堆垛起重機是隨著立體倉庫的出現而發(fā)展起來的專用起重機，通常簡稱為堆垛機。堆垛機是立體倉庫中最重要的起重運輸設備，主要用途是在高層貨架倉庫的巷道內沿軌道運行，將位于巷道口的貨物存入貨格或取出貨格內的貨物運送到巷道口，完成出入庫作業(yè)。立體庫的優(yōu)勢是通過它體現出來的[1][2]。 1.1自動化立體倉庫系統概述 1.1.1自動化技術在倉儲領域的發(fā)展 1959年美國開發(fā)了世界上最早的自動化立體倉庫，并在1963年最早使用計算機進行自動化立體倉庫的控制管理。后來德國和日本也相繼開發(fā)了自動化立體倉庫。進入20世紀80年代，自動化立體倉庫在世界各國發(fā)展迅速，使用范圍涉及幾乎所有行業(yè)。 1974年在鄭州紡織機械廠建成我國第一座自動化立體倉庫，但我國在這一領域發(fā)展速度比較緩慢。 自動化技術在倉儲領域的發(fā)展可分為五個階段:人工倉儲階段、機械化倉儲階段、自動化倉儲階段、集成化倉儲階段和智能自動化倉儲階段。 第一階段—人工倉儲階段:物資的運送、存儲、管理及控制主要是靠人工實現，具有初期設備投資經濟性好、控制的實時性和直觀性等優(yōu)勢。 第二階段—機械化倉儲階段:物料可以通過各種各樣的傳送帶、工業(yè)輸送車、機械手、吊車、堆垛機和升降機來移動和搬運，用貨架托盤和可移動貨架存儲物料，通過人工操作機械存取設備，用限位開關、螺旋機械制動和機械監(jiān)視器等控制設備運行。機械化滿足了人們對速度、精度、高度、重量、重復存取和搬運等要求。 第三階段—自動化倉儲技術階段:50年代末和60年代，采用自動導引小車(AGV)、自動貨架、自動存取機器人、自動識別和自動分揀等系統。70年代和80年代，旋轉式貨架、移動式貨架、巷道式堆垛機和其他搬運設備也加入了自動控制的行列。但此時的自動化是各個設備的局部并各自獨立應用，被稱為“自動化孤島”。隨著計算機技術的發(fā)展，對物料控制和管理的實時化、協調一體化逐漸成為倉儲自動化技術的核心。計算機之間、數據采集點之間、機械設備的控制器之間以及它們與主計算機之間的通訊可以及時匯總信息，管理人員通過倉庫計算機及時記錄訂貨和到貨時間，顯示庫存量，以便隨時掌握貨源及需求。信息技術的應用己成為倉儲技術的重要支柱。 第四階段—集成自動化倉儲階段:70年代末和80年代，隨著現代工業(yè)生產的發(fā)展，柔性制造系統 (Flexible Manufacturing System)、計算機集成制造系統 (Computer Integrated Manufacturing System)和工廠自動化 (Factory Automation)對自動化倉庫提出更高的要求，搬運倉儲技術要具有更可靠、更實時的信息，工廠和倉庫中的物流必須伴隨著并行的信息流?！白詣踊聧u”需要集成化，使整個系統有機協作，這樣的總體效益和生產應變能力遠遠超過各部分獨立效益的總和。 第五階段—智能自動化倉儲階段:它包括人工(或機械)和自然(或人類)兩種方式。內容涉及智能物料儲運設計和智能物料儲運作業(yè)。目前，人們在人工智能及物料儲運領域中的專家系統的技術方面正進行著大量的工作。 我國自動化倉庫正處在不斷發(fā)展和完善階段，世界主要工業(yè)國家把著眼點放在開發(fā)性能可靠的新產品和采用高技術上。近年來，國內外在建設物流系統及自動化倉庫方面更加注重實用性和安全性。 大型自動化倉庫系統已不在是發(fā)展方向。美國 Hallmark公司安裝的多達120個巷道的系統己達到了頂峰，甚至10~20個巷道的系統也不是首選了。為了適應工業(yè)發(fā)展的新形勢，出現了規(guī)模更小、反應速度更快、用途更廣的自動化倉庫系統。它是把先進的控制技術應用到分段輸送和按預定線路輸送方面，保持了高度的柔性和高生產率，滿足了工業(yè)庫存搬運的需要。 標準的模塊式自動化倉庫系統已引起人們的關注，這種系統在硬件和軟件方面比傳統的根據用戶要求而提供的自動化倉庫有更多的現成產品，其價格一般也比較適中。 國外自動化倉庫發(fā)展的一個方面是普遍采用掃描技術，提高信息的傳輸速度和準確性。采用射頻數據通信技術，數據的采集、處理和交換能夠在搬運工具與中央計算機之間快速進行，使物品的存取和發(fā)送信息做到快速、實時、可靠和準確。我國正在發(fā)展這方面技術，將其應用到新建庫和己建庫原有通信系統以改善倉庫管理，提高倉庫作業(yè)效率。 現在，對自動化倉庫系統的要求，與最初因節(jié)省土地和節(jié)省勞動力而受到歡迎的情況不同，要求具有控制生產和銷售活動的功能，即起到所謂“經營型倉庫”的作用[5]。 1.1.2自動化倉庫的分類 自動化倉庫的分類方式有: (1)按建筑形式分為整體和分離式。 (2)按貨物存取行式為單元架式，移動貨架式和揀選貨架式。 (3)按貨架構造形式分為單元貨格式，貫通式，水平循環(huán)式和垂直循環(huán)式倉庫。 (4)按所起的作用分為生產性倉庫和流通性倉庫。 (5)按自動化倉庫與生產聯接的緊密程度分為獨立型，半緊密型和緊密型倉庫[6]。 1.2堆垛機簡介 1.2.1堆垛機的發(fā)展 初期的立體倉庫使用的堆垛機以橋式起重機為基礎。這種堆垛機是從起重機的大梁上懸掛一個門架(立柱)，利用門架的上下和旋轉來搬運貨物。1960年左右在美國出現了沒有大梁的巷道式堆垛機。這種堆垛機是在地面的導軌上行走，利用貨架上部的導軌防止傾倒，或者是在上部導軌上行走，利用地面導軌防止傾倒。1967年日本開始安裝了高度20~25m高層堆垛機，1969年出現了聯機全自動化倉庫。1973年建成了世界上第一座-40℃的極低溫用于貯藏生鮮食品的自動化冷藏庫，解決了低溫條件下堆垛機的可靠性和技術方面的問題，巷道式堆垛機隨之逐漸的取代了橋式起重機。我國是在70年代初期開始研究采用巷道式堆垛機的立體倉庫。據不完全統計，目前我國已建成的立體倉庫近三百座，其中全自動的立體倉庫有30多個。 1.2.2巷道式堆垛機的技術現狀 按現行機械行業(yè)標準，有軌巷道式堆垛機分類方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結構、運行軌跡等分類。無論何種類型的堆垛機一般都由水平行走機構、起升機構、載貨臺及貨叉機構、機架和電氣設備等基本部分組成。在目前立體倉庫應用中，堆垛機最常見的是按結構形式和運動軌跡分類。 (1)有軌巷道堆垛機的結構形式 按結構形式可分為雙立柱結構和單立柱結構。 l)雙立柱堆垛機:雙立柱結構的堆垛機機架由兩根立柱和上、下橫梁組成一個長方形框架。立柱形式有方管和圓管。方管兼作起升導軌，圓管附加起升導軌。雙立柱堆垛機的起升機構普遍采用鏈條傳動，由電機減速機驅動鏈輪轉動，通過鏈條牽引載貨臺沿立柱或起升機導軌作升降運動。由于鏈條牽引載貨臺或配重裝置，受空間尺寸限制，傳動和布置較復雜，但定位較準確。雙立柱堆垛機的最大優(yōu)點是強度和剛性都較好，且運行平穩(wěn)。適合起重高度較高、起重量較大和水平運行速度高的堆垛機。 2)單立柱堆垛機:單立柱結構的堆垛機機架由一根立柱和下橫梁組成。立柱多采用較大的H型鋼或焊接制作，立柱上附加導軌。單立柱堆垛機的起升結構，普遍采用鋼絲繩傳動，由電機減速器驅動卷筒轉動，通過鋼絲繩牽引載貨臺沿立柱或起升導軌作升降運動。對于鋼絲繩傳動，傳動和布置相對容易，但定位準確性差。單立柱結構的堆垛機整機重量輕，消耗材料少，故制造成本低，但剛性較差。由于載貨臺及貨物對立柱的偏心作用，以及行走、制動時產生的水平慣性力作用，使單立柱堆垛機在使用上有一定的局限性。 (2)有軌巷道堆垛起重機的運行軌跡 堆垛機水平驅動裝置一般安裝在堆垛機下橫梁上，通過電機減速機驅動車輪轉動，使堆垛機沿水平方向運行。采用兩個承重車輪，沿敷設在地面上的軌道(地軌)運行。通過下部兩組水平輪沿軌道運行導向，在堆垛機頂部兩組導向輪沿上軌道(天軌)運行輔助導向。按其運行軌跡形式可分為直線運行型堆垛機和曲線運行型堆垛機。 l)直線運行型堆垛機:它只能在巷道內直線軌道上運行，不能自行轉換軌道。轉換軌道只能通過其它輸送設備，如堆垛機轉運車。直線型堆垛機可實現高速運行，能夠滿足出入庫頻率較高的立體倉庫作業(yè)，應用最為廣泛。 2)曲線運行型堆垛機:它的車輪與下橫梁是通過垂直軸鉸接的，能夠在環(huán)形或其它曲線軌道上運行，即可以走曲線，不通過其它輸送設備便可以從一個巷道自行轉移到另一個巷道，又稱為轉軌堆垛機。此種堆垛機的轉彎半徑受到場地的限制，且轉彎時速度特別慢，只適用于出入庫頻率較低的立體倉庫。 (3)堆垛機動態(tài)性能現狀 體現堆垛機動態(tài)性能優(yōu)劣的指標主要有:運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、振動與噪音、認址精度等。隨著科學技術的不斷進步，自動化立體倉庫的技術水平和倉儲機械設備的動態(tài)性能也在不斷提高。例如，堆垛機的運行驅動己由20世紀70年代的子母電動機改為變頻調速，速度由5~50m/min提升至4~160m/min，國外小載重量的堆垛機最高可達300m/min;提升驅動己由20世紀70年代的雙速電動機改進為變頻調速，速度由4~16 m/min提升至0~25m/min;貨叉運行也由單速電動機驅動改進為變頻調速，速度由8m/min如提升至4~35m/min;在堆垛機自動控制方面還采用了激光測距定位系統、閉環(huán)控制變頻調速系統、Profibus總線控制等先進技術。盡管如此，目前國產堆垛機的運行速度最高仍保持在160m/min，由于整機剛度低，無隔振減振措施，運行擺動幅度大;提升速度在0~80m/min;貨叉速度一直保持在0~30m/min;認址采用光電探測，精度不足，認址差錯率高[7]。 根據市場預測，傳統技術制造的20世紀70年代水平的堆垛機將被淘汰，高速度、高科技含量的新型堆垛機將迅速占據市場。我國堆垛機綜合性能急待改善。根據物流設備發(fā)展趨勢，針對近幾年用戶的反映，結合國內外技術現狀及發(fā)展情況等有關情報資料分析，找出我們存在的主要差距為:①綜合性能差距：主要體現在運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、振動和噪音;②結構的差距：國外產品結構合理，比較精巧，我國產品結構相對笨重[25]。 1.2.3單立柱巷道式堆垛機結構 單立柱巷道式堆垛機（簡稱為堆垛機）主要由起升機構、運行機構、貨叉伸縮機構、機架金屬機構（立柱及下橫梁）、載貨臺、電氣設備和安全及連鎖保護機構等組成。這類型的堆垛機最顯著的特點是機架由一根立柱和下橫梁組成，見圖1-1。 1.地軌 2.下橫梁 3.載貨臺 4.貨叉機構 5.提升滑輪 6.天軌 7.立柱 8.控制柜 9.起升電機 10.行駛機構和驅動輪 圖1-1 單立柱巷道式堆垛機的結構 (1)起升機構 起升機構實現堆垛機的升降運動，一般由電動機、制動器、減速機、卷筒或鏈輪以及柔性件組成。目前，常用廠家專門生產的“三合一”（即電機、制動器、卷筒合一）起升卷揚機構，它相對結構緊湊。為減少起升機構電動機功率，常設置質量等于載貨臺質量和一半起重量的配重。起升機構一般設置在立柱下部或下橫梁上，以便于維護。 (2)水平運行機構 水平運行機構主要由電動機、減速器、行走輪組成。在堆垛機的下橫梁上裝有水平運行機構和支撐堆垛機在鋼軌上運行的車輪。按運行機構所在的位置不同可以分為地面驅動式，頂部驅動式和中部驅動式幾種，其中地面運行式使用最廣泛。在這種運行方式中，堆垛機的上、下橫梁分別有兩組導向輪。 (3)載貨臺及貨叉伸縮機構 載貨臺是貨物單元的承載裝置，通常是一個剛性框架，通過鋼絲繩或鏈條與起升機構聯結，載貨臺沿立柱上的導軌上下升降。貨叉伸縮機構是堆垛機的主要工作機構，安裝在載貨臺上，其結構特點是能夠雙向伸出，以便向兩側貨格送入（取出）貨箱?？s回后，貨叉連同載貨臺一起隨大車在巷道內運行。 (4)金屬結構 金屬結構是堆垛機的安裝基礎，承受和傳遞堆垛機所擔負的各機構的重量以及載重量，金屬結構一般采用優(yōu)質鋼材，聯結部分采用焊接，這樣可以簡化結構節(jié)省工料，且不削弱桿件截面，易于加工制造，縮短工期，而且可以減輕自重。單立柱結構主要由立柱和下橫梁組成，其上橫梁很短，有的甚至沒有上橫梁。這種結構形式的堆垛機，起升高度較小，起重量不大，占用空間小，因而運行起來較為靈活，廣泛用于中小型立體倉庫。 (5)電氣設備 電氣設備主要包括電力拖動、控制、檢測和安全保護等，目前國內外普遍采用的是變頻調速控制，從而滿足堆垛機高速運行、換速平穩(wěn)、低速停準的要求。檢測系統必須具有堆垛機自動認址、貨位虛實探測、貨箱位置檢查等功能。 (6)安全及聯鎖機構 為了保證人身及設備的安全，堆垛機必須配備有完善的硬件和軟件的安全保護措施，并在電氣控制上采取一系列聯鎖和保護措施。主要的安全保護裝置有：端限位保護、聯鎖保護、正位檢測控制、載貨臺斷繩保護和斷點保護等。 1.2.4堆垛機的發(fā)展趨勢 隨著我國加入WTO，加快了經濟全球化進程，進一步促進了物資流通，貨物儲運發(fā)送量越來越大?？梢灶A測，今后市場對倉儲物流設備的需求量將有更大幅度的增長，而且將在存取率、自動化程度、信息化程度等方面提出更高的要求。為實現物流的高效率，必須提高堆垛機的存取速度。要求堆垛機的運行速度達到160~200m/min以上、運行平穩(wěn)可靠、認址準確、起動制動靈敏、運行振動小、噪音低于84dB等綜合性能的提高，需要多項技術的創(chuàng)新和改進，更需要新技術的支持。相信通過我們的不懈努力，在使用堆垛機具有更高定位精度的同時，提高運行速度，以獲得更短的操作周期和更大的生產能力。更加高速、安全、可靠的堆垛機將不斷從國外引進消化到國內，使有軌巷道堆垛機發(fā)展到一個新階段。 1.3課題研究意義及主要研究內容 本課題主要用于某食品氣調庫的改造項目，該氣調庫主要用于存放各種易腐敗的食品,目前主要通過人工操縱叉車進行貨物的存取，存在著工作效率低下，對工人健康不利等缺點。本課題結合本氣調庫的實際情況，基于對立體庫電氣控制系統的研究，綜合運用交流變頻調速、PLC控制、位置檢測等技術，為堆垛機的正常運行設計一套比較完整的控制系統。具體包括以下內容： (1)通過對堆垛機現有的運行速度曲線進行的分析研究，設計出一種適合本系統的堆垛機速度曲線模型，確定變頻器型號，構建交流變頻調速控制系統； (2)在堆垛機的位置檢測方面，綜合運用旋轉編碼器、PG卡以及利用PLC中的高速計數器單元，來實現對于堆垛機位置的精確控制； (3)根據堆垛機的實際工作情況，對PLC控制系統進行設計。運用流程圖法，建立各運動階段的流程圖，編制出控制程序和故障檢測程序，使PLC控制系統更加完善，更好地控制整個系統的運行； 2 SRMC系統的方案設計 本章詳細描述了堆垛機的控制系統，著重論述了如何對堆垛機控制系統進行方案設計，分別從堆垛機的速度控制、系統主控制器的選擇及堆垛機的定位控制方案三個方面進行闡述。 2.1 SRMC系統 目前，堆垛機的控制方式大致可以分為手動操作、半自動控制、全自動控制、遠程控制與計算機控制等。計算機控制的控制系統，考慮到備用情況，一般由三級組成。最低一級是利用堆垛機上的控制盤手動操作，其次是為了遙控利用安置在地上的控制盤的數字開關進行操作，最高一級采用計算機控制，三級可以轉換運轉。如圖2-1所示。 圖2-1 SRMC系統 采用遙控時，也必須具有低級的手動操作功能，采用自動控制時使用機上控制盤，但控制方法，在本質上與遙控基本相同，因此以遙控為中心來敘述堆垛機的控制系統。圖2-2所示為在自動運轉情況下以及特殊情況下的堆垛機作業(yè)循環(huán)的作業(yè)流程圖。堆垛機按行走、升降、貨叉伸縮等三種操作，根據指令自動定位，進行叉取作業(yè)。 當用戶發(fā)出存貨要求時，系統根據倉庫貨位情況，給出貨物的存放地址，上位機根據堆垛機的當前位置，經過貨位地址變換，給出相對于堆垛機當前位置的貨位地址，發(fā)出存貨指令給堆垛機。SRMC系統接收信號后，在貨物輸入口接收貨物，堆垛機行走，同時載貨臺沿立柱作升降運動。當運動到達目的貨位時，貨叉開始伸縮運動，執(zhí)行存貨操作，完成操作后在此位待命或返回至規(guī)定位置。用戶發(fā)出取貨要求，給出貨位地址（貨位地址用相應的排號、列號、層號組成）后，上位機（計算機）根據堆垛機當前位置，經過貨位地址變換，給出相對于堆垛機當前位置的貨位地址，發(fā)出取貨指令給堆垛機。SRMC系統接收信號后，堆垛機行走，同時載貨臺沿立柱作升降運動。當運動到達目的貨位時，貨叉開始伸縮運動，執(zhí)行取貨操作，堆垛機將所取貨物送至貨物輸出口，然后在此位待命或返回至規(guī)定位置[10]。 圖2-2 堆垛機系統自動運轉流程圖 當系統出現故障時，用戶需對系統進行檢修，可以通過控制面板上的按鈕進行堆垛機的升、降、急停以及貨叉的伸、縮等手動控制操作[8][9]。 2.2 SRMC系統的功能要求 堆垛機系統是立體倉庫貨物存取任務的最終執(zhí)行者，其主要運動包括： (1)堆垛機沿貨架巷道（列方向）的前后高低速運動； (2)堆垛機沿立柱（層方向）的上下升降運動； (3)安裝在堆垛機載貨臺上的貨叉機構的升降伸縮運動[8]。 因此，SRMC系統的功能主要應包含以下幾方面的內容： (1)自動控制功能：運用地面控制臺系統，完成貨物的自動出入庫任務。此時可以接受地面控制臺的各種命令操作，如：入庫、出庫、運行到目標列層、進、退、升、降等； (2)手動控制功能：僅能通過控制面板的按鈕進行進、退、升、降、急停等控制操作。此功能主要用于系統的檢修與調試； (3)安全保護功能：實時監(jiān)測各關鍵器件的使用情況及系統的運行情況，出現故障時及時報警。 對于以上的各種控制功能，主要應由以下幾個方面來完成： (1)速度控制：堆垛機工作時在各種方向上的運行速度； (2)定位控制：以適合的速度運行并精確地定位在貨格或入出庫口處； (3)通訊功能：與上位機及其它倉庫設備的通訊； (4)保護功能：具有一定機械和電氣方面的保護功能； (5)人機界面：通過I/O設備，提供本機狀態(tài)信息或遙控操作[10]。 2.3堆垛機的速度控制方案 在立體倉庫中，交流異步電動機是堆垛機系統中的驅動部件。一般情況下，其調速方式分為：電機減速器調速、變極調速、串阻調速、串極調速、滑差電機調速和變頻調速等。用減速器進行調速，調速設備不僅體積大，調速效率低，而且容易發(fā)生機械故障。其它幾種調速方法與變頻調速方法相比，使用起來又非常不便。隨著對于電動機調速性能要求的逐步提高，變頻調速技術得到了長足的發(fā)展。 2.3.1變頻調速技術的優(yōu)點 變頻調速技術是一門綜合性的技術，它建立在控制技術、電子電力技術、微電子技術和計算機技術的基礎上。與傳統的交流拖動系統相比，利用變頻器對交流電動機進行調速控制，有許多優(yōu)點，如：調速范圍廣、輸出平滑性好、機械特性較硬、能很好地實現異步電動機的無級調速、可實現有效的節(jié)能、可方便地進行恒轉矩調速和恒功率調速等。尤其當電機帶動較大負載啟動時，會有較大的沖擊電流，若采用變頻器控制，可以實現電動機的軟啟動，減小沖擊電流，從而解決了大負載的啟動問題。另外，變頻器還具有很強的保護功能，在電機運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別（如電網瞬時電壓降低，電網缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機短路等），并立即封鎖輸出電壓。這種自我保護的功能，不僅保護了變頻器，還保護了電機。綜上所述，變頻調速技術不僅在性能上大大優(yōu)于以往的交流電機調速方式，并且將會逐步取代直流電機的調速方式，用交流異步電機取代直流電機，將會使調速系統變得更加簡單。 綜上所述，采用改變供電電源頻率的調速方法，從本質上講，是一種無級、平滑而又經濟的調速方法。變頻時使電壓按不同規(guī)律變化，可以實現恒轉矩或恒功率調速，以實現不同負載的要求，這些均早已被人們所認識和掌握。隨著可控硅靜止變頻裝置的出現，解決了運行性能較為理想的變頻電源問題，使異步電動機變頻調速技術獲得了進一步的發(fā)展，為其廣泛地應用開辟了新的途徑，特別是較為理想地解決了普通鼠籠式電動機的變頻調速問題。因此，在本SRMC系統中，我們選擇變頻調速的方式對電動機進行速度的控制[16][20]。 2.3.2變頻器的基本結構 變頻器是把工頻電流（50HZ或60HZ）變換成各種頻率的交流電流，以實現電機變速運行的設備。變頻器一般由控制電路和主電路構成?？刂齐娐钒ㄖ骺刂齐娐?、信號檢測電路、門極驅動電路、外部接口電路以及保護電路等幾個部分，是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪δ孀兤鞯拈_關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能，從而實現對主電路的控制。圖2-3所示為通用變頻器的結構原理。 圖2-3變頻器的構成 變頻器的主電路，包括整流電路和逆變電路兩部分。其中，整流電路是把輸入到變頻器的工頻交流電變換成直流電，且對直流電進行平滑濾波，然后逆變電路再將此直流電變換成實際需要的各種頻率的交流電，從而驅動電動機的運轉。 2.4系統主控制器的選擇方案設計 在當今的工業(yè)控制領域，有相當多的控制手段和設備，比如：繼電器控制、個人計算機控制、單板機控制、集散控制系統（DCS）以及可編程控制器（PLC）控制等等。PLC的梯形圖與繼電器控制線路圖十分相似，同時，信號的輸入/輸出形式及控制功能也是相同的，但兩種控制方式又有不同之處。PLC在性能上比繼電器控制邏輯優(yōu)異，特別是可靠性高、設計施工周期短、調試修改方便，而且體積小、功耗低、使用維護方便，但價格高于繼電器。與個人計算機相比，PLC是一種用于工業(yè)自動化控制的專用微機控制系統，結構簡單，抗干擾能力強，價格也較低。單板機結構簡單、價格低，在數據采集與處理等方面優(yōu)于PLC，但不如PLC容易掌握，抗干擾性能也較差。集散控制系統在回路調節(jié)、模擬量控制方面較PLC有一定優(yōu)勢，但PLC在開關量控制、順序控制等方面又優(yōu)于前者。綜上所述，可編程控制器作為一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置，具有其獨特的優(yōu)點[23][24]。 2.4.1可編程控制器概述 可編程控制器（Programmable Controller），簡稱PLC，是一種以數字計算機為基礎的通用型工業(yè)控制裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種型的機械或生產過程，具有適用于各類控制所必需的高可靠性、配置擴充的靈活性。對于工程技術人員來說，它具有簡單易學、使用維修方便等特點。PLC自問世以來，經過30多年的發(fā)展，己經成為最受歡迎的工業(yè)控制類產品，較好地解決了工業(yè)控制領域中普遍關心的安全、可靠、方便、靈活、經濟等問題[21]。 2.4.2 PLC的基本組成 PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機系統基本相同。按結構形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。整體式PLC是將中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構成主機。另外還有獨立的I/O擴展單元與主機配合使用。主機中，CPU是PLC的核心，I/O單元是連接CPU與現場設備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機等外部設備的連接。組合式PLC將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能I/O單元、通信單元等分別做成相應的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯系。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴展底板。CPU底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10cm[11]。無論哪種結構類型的PLC，都可以根據需要進行配置與組合。 2.4.3 PLC各部分的功能 (1)中央處理單元（CPU） CPU在PLC中的作用類似于人體的神經中樞，它是PLC的運算、控制中心，按照系統程序所賦予的功能，可以完成以下任務： ①接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據； ②診斷電源、PLC內部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯誤； ③用掃描的方式接收輸入信號，送入PLC的數據寄存器保存起來； ④PLC進入運行狀態(tài)后，根據存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作； ⑤將用戶程序的執(zhí)行結果送至輸出端。 現代PLC使用的CPU主要有以下幾種： ①通用微處理器，如80801等。通用微處理器的價格便宜，通用性強，還可以借用微機成熟的實時操作系統和豐富的軟硬件資源； ②單片機，如8051等。單片機由于集成度高、體積小、價格低和可擴充性好，很適合在小型PLC上使用，也廣泛地用于PLC的智能I/O模塊； ③位片式微處理器，如AMD2900系列等。位片式微處理器是獨立于微型機的另一分支。它主要追求運算速度快，它以4位為一片。用幾個位片級聯，可以組成任意字長的微處理器。改變程序存儲器的內容，可以改變計算機的指令系統。位片式結構可以使用多個微處理器，將控制任務劃分為若干個可以并行處理的部分，幾個微處理器同時進行處理。這種高運算速度與可以適應用戶需要的指令系統相結合，很適合于以順序掃描方式工作的PLC使用[12]。 (2)存儲器 根據存儲器在系統中的作用，可以把它們分為以下三種： ①系統程序存儲器：和各種計算機一樣，PLC也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序，它們決定了PLC的功能，稱為系統程序，系統程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存儲器ROM或EPROM； ②用戶程序存儲器：用戶根據控制功能要求而編制的應用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經常改動、調試，故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的RAM。由于RAM掉電會丟失數據，因此使用RAM作用戶程序存儲器的PLC，都有后備電池（鋰電池）保護RAM，以免電源掉電時，丟失用戶程序。當用戶程序調試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序寫入EPROM； ③工作數據存儲器：工作數據是經常變化、經常存取的一些數據。這部分數據存儲在RAM中，以適應隨機存取的要求。在PLC的工作數據存儲區(qū)，開辟有元件映象寄存器和數據表。 元件映象寄存器用來存儲PLC的開關量輸入/輸出和定時器、計數器、輔助繼電器等內部繼電器的ON/OFF狀態(tài)。數據表用來存放各種數據，它的標準格式為每一個數據占一個字。它存儲用戶程序執(zhí)行時的某些可變參數值，如定時器和計數器的當前值和設定值。它還用來存放A/D轉換得到的數字和數學運算的結果等。根據需要，部分數據在停電時用后備電池維持其當前值，在停電時可以保持數據的存儲器區(qū)域稱為數據保持區(qū)。 (3)I/O單元 I/O單元也稱為I/O模塊。PLC通過I/O單元與工業(yè)生產過程現場相聯系，輸入單元接收操作指令和現場的狀態(tài)信息，如控制按鈕、操作開關和限位開關、光電管、繼電器觸點、行程開關、接近開關等信號，并通過輸入電路的濾波、光電隔離和電平轉換等將這些信號轉換成CPU能夠接收和處理的信號。輸出單元將CPU送出的弱電控制信號通過輸出電路的光電隔離和功率放大等轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動接觸器、電磁閥、電磁鐵等執(zhí)行元件。 2.4.4 PLC的主要特點 可靠性高、抗干擾能力強，平均故障時間為幾十萬小時。而且PLC采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。 (1)硬件方面： ①隔離。在微處理器與I/O電路之間采用光電隔離減少外部干擾源對PLC的影響； ②濾波。對供電系統及輸入線路采用多種形式的濾波，減少高頻干擾。有些模塊還設置了連鎖保護、自診斷電路等[12][27]。 (2)軟件方面： ①設置故障檢測與診斷程序； ②當軟故障條件出現時，立即把重要狀態(tài)信息存入指定存儲器，禁止對存儲器進行任何不穩(wěn)定的讀寫操作，以防止存儲器信息被沖掉。這樣，一旦外界調節(jié)正常后，便可以恢復故障發(fā)生前的狀態(tài)，恢復原來的工作； ③編程簡單、使用方便。目前大多數PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式，很容易被操作人員接受。一些PLC還根據具體問題設計了如步進梯形指令等，進一步簡化了編程； ④設計安裝容易、維護工作量少、功能完善、通用性強、體積小、能耗低、性能價格比高。 2.4.5 PLC控制系統的類型選擇 一般來說，PLC控制系統有以下三種類型： (1)PLC構成的單機系統 這種系統的被控對象是單一的機器生產或生產流水線，其控制器是由單臺PLC構成，一般不需要與其它PLC或計算機進行通信。但是，設計者還要考慮將來是否聯網的需要，如果有的話，應當選用具有通信功能的PLC。如圖2-4所示。 圖2-4 單機系統 圖2-5集中控制系統 (2)PLC構成的集中控制系統 這種系統的被控對象通常是由數臺機器或數條流水線構成，該系統的控制單元由單臺PLC構成，每個被控對象與PLC指定的I/O相連。由于采用一臺PLC控制，因此，各被控對象之間的數據、狀態(tài)不需要另外的通信線路。但是，這種系統也有一個缺點，一旦PLC出現故障，整個系統將停止工作。對于大型的集中控制系統，通常采用冗余系統克服上述缺點。如圖2-5所示。 (3)PLC構成的分布式控制系統 這類系統的被控對象通常比較多，分布在一個較大的區(qū)域內，相互之間比較遠，而且，被控對象之間經常地交換數據和信息。這種系統的控制器采用若干個相互之間具有通信功能的PLC構成，系統的上位機可以采用PLC，也可以采用工控機。如圖2-6所示。 圖2-6分布式控制系統 使用四臺電機，兩臺變頻器，單臺PLC進行多個對象的控制，并且我們用一臺微型計算機作為上位機，進行系統的運行監(jiān)控，所以我們采用如圖2-7所示的PLC控制系統。 圖2-7 PLC控制系統 2.5堆垛機的定位控制方案 堆垛機的定位控制方法很多，現就幾種典型方法介紹如下： (1)常規(guī)的限位開關定位方法 堆垛機在運行過程中，要先確定目前的位置，然后才能根據目標信號決定控制狀態(tài)。例如：堆垛機到某一層需要停下來時，首先在接近這一層時，要先從高速狀態(tài)減速，到達平層位置時，再停車準備存取貨物。因此，我們通常在每一層井道上安裝三個限位開關，即上、下平層限位開關和平層限位開關。 圖2-8平層開關示意圖 如圖2-8所示，當堆垛機在上升時，首先碰到下平層限位開關，此信號送到PLC輸入端，PLC向變頻器發(fā)出減速信號，變頻器按照預先設定的減速曲線，控制堆垛機開始減速，當停下時，進入貨物存取狀態(tài)[13][14]。 (2)認址片的定位方法[13] 采用認址片的定位方法時，準確地認址定位是正確存取貨物的關鍵。 圖2-9認址片結構 認址片結構如圖2-9所示，認址方法如下：在巷道地基上相對于每列貨格安裝固定的認址片（擋板），在堆垛機底部安裝4個光電開關（GDl和GD2）與（GD3和GD4）隨堆垛機一起前后運動，每經過列貨格，光電開關通過認址檔板發(fā)出脈沖信號到PLC從而達到列認址目的。同樣，在堆垛機立柱上相對于每層安裝認址片，在其升降臺安裝光電開關（GD5和GD6）隨升降臺一起上下運動，達到層認址的目的。光電開關的脈沖輸入信號作為PLC內部認址計數器的計數信號，計數器的當前值作為速度控制的依據。當堆垛機到達目標貨格即計數器的計數值計到零時，發(fā)出停車信號使其停止運行。 升降臺上的光電開關又用PLC內部的計數器接收光電脈沖，升降臺每經過一層，計數器減1計數，從而達到層方向認址的目的。堆垛機對其定位精度要求是比較高的，一般誤差不超過2mm。否則，由于誤差的積累，在貨叉存取貨物時易碰到貨架或發(fā)生其他事故。但當發(fā)出停車信號后，堆垛機由于慣性還會滑行一點，這樣，光靠計數認址很難達到精確定位的目的。為此我們把認址片結構做成如圖2-9所示的形式。用1號光電開關作為認址計數開關，計數到零時發(fā)出停車信號，然后再利用1號和2號開關作精確定位。如果1號與2號開關同時有信號，說明已停準；如果只2號開關有信號，說明己超過，點動堆垛機回退，再檢測比較；如果只1號開關有信號，說明還未到中心點，點動堆垛機前進，再檢測比較。這樣達到準確定位的目的[15]。 (3)采用光電編碼器的位移定位方法 光電編碼器分為絕對脈沖編碼器（APC）和增量脈沖編碼器（SPC），兩者一般都作為速度控制或位置控制系統的檢測元件。編碼器分為單路輸出和雙路輸出兩種。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉速，還可以判斷旋轉的方向。當采用光電編碼器進行位移定位時，由于堆垛機的運行是由曳引電動機來拖動的，因此曳引電動機正反轉動的角度也就決定了它所移動的距離，如圖2-10所示。 圖2-10光電編碼示意圖 在曳引電動機軸上安裝一個光電盤，盤上同一圓周上均勻地打上許多小孔，曳引電動機旋轉時，光電盤也跟著旋轉，光電編碼器根據轉過小孔的數量，發(fā)出相應數量的脈沖信號，這樣只要計算出脈沖數，就可知道堆垛機運行的距離，也就是堆垛機的實際位置。 目前，PLC一般都具有高速脈沖輸入端或專用計數單元，可用編碼器測取堆垛機運行過程中的準確位置，并可直接與PLC的高速脈沖輸入端相連，利用高速記數器的功能指令能很方便地實現堆垛機的定位。 由以上的介紹，我們可以看出，安裝限位開關或認址片的定位方法，不僅廢工廢料，而且每個開關或認址片的實際安裝距離，均不可避免地存在一定量的誤差，使得系統的安裝調試變得復雜，而且定位質量難以保證。一旦系統要求改造，又要重新進行安裝工作。而采用旋轉編碼器的位移定位方法，通過其發(fā)出的脈沖數可以很容易地確定堆垛機的當前位置，再經過給定速度曲線的計算，得出變頻器應當輸出的頻率來進行調速，這種堆垛機的位移定位方法具有定位精度高、適應性強的優(yōu)點，因此，我們采用此方案。 2.6本章小結 本章針對立體倉庫中堆垛機的控制系統進行了方案設計。在速度控制方案方面，選取當前應用范圍非常廣泛的變頻調速技術，它所具有的調速范圍廣、輸出平滑性好、機械特性較硬、可實現異步電動機的無級調速以及可以進行恒轉矩和恒功率調速等優(yōu)點，使它完全可以勝任本設計中的速度控制要求。系統主控制器選擇了在工業(yè)環(huán)境中廣受歡迎的可編程控制器（PLC），并結合本設計的實際要求，設計了相應的PLC控制系統。最后，在綜合比較了多種堆垛機的定位方法后，選擇了定位精度更高，控制方法更加靈活的光電編碼器的位移定位方法。最終，設計了一套比較合理的堆垛機控制系統方案。 3 SRMC系統硬件設計 通過前面對于SRMC系統的設計，本章將詳細分析系統中各個組成硬件的原理與特點，并根據貨物存儲系統的實際工作環(huán)境，選擇適合本系統的設備型號以及參數，完成SRMC系統的硬件設計，最后設計出電氣原理圖。 3.1 SRMC系統總體結構 圖3-1 SRMC系統結構框圖 圖3-1為采用可編程控制器（PLC）作為主控制器的立體倉庫的SRMC系統結構框圖。一臺作為上位監(jiān)控機的計算機通過RS232C接口與PLC相連，可以對整個系統進行全面的監(jiān)控管理。拖動系統主要由三相交流電源、變頻器、交流接觸器K1、K2和驅動電動機M等幾部分構成，與電動機同軸聯接的旋轉編碼器PG產生A、B兩相輸出脈沖,經PG卡進入變頻器，形成速度反饋。為使PLC對變頻器進行有效的速度閉環(huán)控制，PLC與變頻器之間還存在如下的信號傳輸。 (1)PLC發(fā)往變頻器的控制信號主要有： ①PLC檢測系統工作正常,允許變頻器工作的信號； ②堆垛機運行方向的信號； ③堆垛機運行速度的信號； ④堆垛機減速及平層停車信號。 (2)變頻器反饋給PLC的信號主要有： ①變頻器正常工作狀態(tài)信號（變頻器無報警輸出，允許PLC控制其運行）； ②堆垛機速度信號； ③速度一致信號（變頻器上的速度指令與電動機實際運行速度相匹配）； ④減速及停車狀態(tài)信號。 圖3-1中，從變頻器的分頻器引入PLC的計數脈沖，通過高速計數器的脈沖計數，可實現對堆垛機位移的精確控制。 3.2電動機的選型 作為整個堆垛機系統的運動速度驅動者，電動機的合適選取十分重要。針對該立體倉庫的實際工作情況，設計的堆垛機系統應當滿足以下參數要求： 自重：m1=4800 kg 載重：m2=700 kg 提升重量：m3=1200 kg 水平額定速度：V1=0.5 水平加減速率：a1=1.5 垂直額定速度：V2=0.5 垂直加減速率：a2=1.5 行走輪徑：Ｄ=300mm 軸徑：ｄ=60mm 貨叉伸縮速度：V3=0.2 根據本系統的實際情況，要完成堆垛機的出入庫貨物存取工作，擬選取水平、垂直、貨叉伸縮及升降共4臺電機。 首先，在選用電動機前應當考慮以下問題： (1)在機械與電氣方面對反復起動停止的操作都應有充分的耐久性； (2)應完全適合負載的速度與轉矩特性，特別是起動轉矩應有余裕； (3)速度的可控性良好； (4)慣性矩小，體積小而且重量輕； (5)輸出軸的轉數應適宜于減速裝置的結構； (6)應有可靠的外殼保護結構。 通過分析水平運行電機的各種運行狀況，帶載加速功率應當是最大值，其計算如下： =()×a×/(1000×η)＝5500×1.5×0.5/(1000×0.9)=4.58(kW) 對于垂直運行電機，其功率的計算如下： =×g×/(1000×η)=1200×9.8×0.5/(1000×0.8)=7.35(kW) 通過計算分析可以清楚地發(fā)現，堆垛機垂直方向的運動較水平方向對于電動機的功率要求更高，因此只要把垂直方向的電機功率選擇好，就可以滿足其它運動對于電動機功率的要求?？紤]到可能發(fā)生的過載情況，對于垂直電機的選取，我們選擇11kW的電動機。而對于水平電機和貨叉電機，選擇同樣的電機也是完全滿足要求的。 因此，本設計所選擇的電動機主要參數如下： 電動機型號：Y型160M-4 額定功率： =11kW 額定轉速： =1460r/min 額定電流：In=22.6A 3.3變頻器的選型 目前，交流調速傳動已經上升為電氣調速傳動的主流。中、小容量范圍內，采用自關斷器件的全數字控制PWM變頻器己經實現了通用化。全數字控制方式的軟件功能不但考慮到通用變頻器自身的內在性能，而且還融入了大量的實用經驗和技術、技巧，使得通用變頻器的RAS三性(Reliability, Ability, Serviceability，可靠性、可使用性、可維修性)功能得以充實。變頻器的應用主要有兩個方面：一方面是為了節(jié)能需要而進行的變頻器的應用；另一方面是為了滿足生產工藝調速的要求而進行的變頻器的應用。對于立體庫系統來講，為了保證貨物的高效存取，堆垛機的運行要求高速平穩(wěn)，定位準確，需要使用