巷道式雙立柱堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 圖書分類號(hào)： 密 級(jí)： 摘要 隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，市場(chǎng)對(duì)企業(yè)物流系統(tǒng)提出了新的要求，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫越來越受到關(guān)注并得到廣泛應(yīng)用。堆垛機(jī)是立體倉(cāng)庫的關(guān)鍵起重，搬運(yùn)設(shè)備。本文論述了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫中堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的原理，結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，介紹堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及堆垛機(jī)的速度控制和精確定位方法。針對(duì)立體倉(cāng)庫的存取特點(diǎn)，對(duì)堆垛機(jī)的硬件部分進(jìn)行設(shè)備選型與參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)出電氣原理圖。并給出了PLC控制程序梯形圖。 關(guān)鍵詞：堆垛機(jī)；PLC；控制系統(tǒng)

2、 Abstract With the development of computer information technology , increasingly expanding of modern enterprise production scale and more fierce market competition , new requirements of enterprise logistics by market are emerging , and automated high-rise warehouses gains mo

3、re attention and have been used widely , SRM is the most important conveying and lifting equipment in automated high-rise warehouse .This paper introduces the control of the SRM that is used in an automated space warehouse. In view of the store and fetch characteristic in the Automated High-rise Sto

4、rage .The paper had carried on the equipment selection and the parameter computation on the hardware of Storage and Retrieval Machine ,had drawn the electrical principle diagram. The design of control system for SRM is discussed .The program of the PLC is also given. KEY WORDS: SRM PLC technol

5、ogy control system II 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 目 錄 1 緒論 1 1.1自動(dòng)化立體倉(cāng)庫系統(tǒng)概述 1 1.1.1 堆垛機(jī)的分類 1 1.1.2 堆垛機(jī)的組成 1 1.2 課題的背景及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.2.1 課題背景 3 1.2.2 堆垛機(jī)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的研究狀況 3 1.3 本課題的研究目的及主要研究?jī)?nèi)容 4 2 堆垛機(jī)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 5 2.1 堆垛機(jī)系統(tǒng) 5 2.2 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的功能要求 6 2.3 堆垛機(jī)的速度控制方案 7 2.3.1變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 7 2.3.2變頻器的基本結(jié)構(gòu) 8

6、 2.3.3 變頻調(diào)速的工作原理 8 2.4系統(tǒng)主控制器的選擇方案設(shè)計(jì) 9 2.4.1 PLC簡(jiǎn)介 9 2.4.2 PLC各部分功能 11 2.5 堆垛機(jī)的定位控制方案 12 2.6 本章小結(jié) 12 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 14 3.1 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 14 3.2 電動(dòng)機(jī)的選型 15 3.3 變頻器的選型 16 3.3.1 VS-616G5型變頻器的特點(diǎn) 16 3.3.2 VS-616G5型變頻器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格 16 3.3.3 VS-616G5型變頻器的端子配備 16 3.3.4 變頻器的容量計(jì)算 18 3.3.5 PG速度控制卡的選擇 19 3.3.6變頻器制動(dòng)電

7、阻參數(shù)的計(jì)算 20 3.4 PLC的選型 20 3.4.1 FX-2N系列PLC的特點(diǎn) 20 3.4.2機(jī)型的配置 21 3.5 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)其它主要硬件的選取 21 3.5.1旋轉(zhuǎn)編碼器 21 3.5.2 光電開關(guān) 22 3.5.3 電磁閘 22 3.5.4 斷路器、接觸器 23 3.6 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的電氣原理圖 23 4 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 24 4.1 程序設(shè)計(jì)軟件 24 4.2 機(jī)型的配置及I/O點(diǎn)數(shù)的分配 25 4.3 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 26 結(jié)論 33 致謝 34 附錄 36 附錄1 36 附錄2 44

8、 43 1 緒論 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫是物料搬運(yùn)、倉(cāng)儲(chǔ)科學(xué)的一門綜合科學(xué)技術(shù)工程。它以高層立體貨架為主要標(biāo)志，以成套先進(jìn)的搬運(yùn)設(shè)備為基礎(chǔ)，以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為主要手段，是實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、存取機(jī)械化、自動(dòng)化，儲(chǔ)存管理現(xiàn)代化的新型倉(cāng)庫。它具有占地面積小、儲(chǔ)存量大、周轉(zhuǎn)快的優(yōu)點(diǎn)，是集信息、存儲(chǔ)、管理于一體的高技術(shù)密集型機(jī)電一體化產(chǎn)品。將自動(dòng)化立體倉(cāng)庫應(yīng)用在立體庫中，利用它自身的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)存取。 1.1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫系統(tǒng)概述 1.1.1 堆垛機(jī)的分類 堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫中貨物進(jìn)出倉(cāng)庫的主要執(zhí)行設(shè)備。按規(guī)模進(jìn)行分類，高度10m以下的為低層型，10～20m的為中層型，20m以上的

9、為高層型。按驅(qū)動(dòng)方式分類，分為下部驅(qū)動(dòng)式、上部驅(qū)動(dòng)式和上下部驅(qū)動(dòng)式三種。 就結(jié)構(gòu)而言，高度在6m以下的小型堆垛機(jī)一般是桅桿式的，而高度大于6m的堆垛機(jī)則一般采用箱式框架結(jié)構(gòu)形式。 堆垛機(jī)的動(dòng)作可分為單循環(huán)和復(fù)合循環(huán)兩種。前者是分別實(shí)現(xiàn)入庫動(dòng)作和出庫動(dòng)作后者可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)出入庫動(dòng)作。 堆垛機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式可分為自動(dòng)操作和手動(dòng)操作兩種。高級(jí)機(jī)種中還有一種是手動(dòng)定位停止，貨物的出入庫可以采取自動(dòng)或半自動(dòng)的形式。 1.1.2 堆垛機(jī)的組成 巷道式堆垛機(jī)基本結(jié)構(gòu)一般主要由機(jī)架、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、載貨臺(tái)、貨叉、電氣設(shè)備以及各種安全保護(hù)裝置等部分組成（如圖1所示) 1．上橫梁

10、 2. 松繩及過載保護(hù)裝置 3. 立柱 4. 提升機(jī)構(gòu) 5．運(yùn)行機(jī)構(gòu) 6.伸縮貨叉 7. 載貨臺(tái) 8. 電氣柜 9. 下橫梁 圖1-1 堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)圖 (l)機(jī)架 堆垛機(jī)的機(jī)架由立柱、上橫梁和下橫梁組成一個(gè)框架。整機(jī)結(jié)構(gòu)高而窄。機(jī)架可以分為單立柱和雙立柱兩種類型。雙立柱結(jié)構(gòu)的機(jī)架由兩根立柱和上、下橫梁組成一個(gè)長(zhǎng)方形的框架。這種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性都比較好，適用于起重量較大或起升高度比較高的場(chǎng)合。單立柱式堆垛機(jī)機(jī)架只有一根立柱和一根下橫梁，整機(jī)重量比較輕，制造工時(shí)和材料消耗少，結(jié)構(gòu)更加緊湊且外形美觀。堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，司機(jī)的視野比較寬闊，但剛性稍差。由于

11、載貨臺(tái)與貨物對(duì)單立柱的偏心作用，以及行走、制動(dòng)和加速減速的水平慣性力的作用對(duì)立柱會(huì)產(chǎn)生動(dòng)、靜剛度方面的影響。當(dāng)載貨臺(tái)處于立柱最高位置時(shí)撓度和振幅達(dá)到最大值。這在設(shè)計(jì)時(shí)需加以校核計(jì)算。堆垛機(jī)的機(jī)架沿天軌運(yùn)行。為防止框架傾倒，上梁上裝有導(dǎo)引輪。 (2)運(yùn)行機(jī)構(gòu) 運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)(帶制動(dòng)器)、減速器、車輪組成。目前常采用的下部支承及驅(qū)動(dòng)的堆垛機(jī)。運(yùn)行機(jī)構(gòu)安裝在下橫梁一端，下部車輪為主動(dòng)輪，另一端為被動(dòng)輪。有時(shí)堆垛機(jī)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)巷道作業(yè)，被動(dòng)輪安裝在轉(zhuǎn)向輪座上，可以保證在轉(zhuǎn)巷道時(shí)有較小的回轉(zhuǎn)半徑。 堆垛機(jī)的水平運(yùn)行速度:國(guó)內(nèi)最高達(dá)到100m/min，國(guó)外(日本)已達(dá)到160m/min.最低速度

12、4m/min。目前運(yùn)行機(jī)構(gòu)一般都用變頻調(diào)速。 (3)起升機(jī)構(gòu) 堆垛機(jī)的起升機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速機(jī)、卷筒或鏈輪、鋼絲繩或鏈條以及滑輪等零部件組成。目前，常用帶制動(dòng)器的電機(jī)。減速機(jī)的采用視傳動(dòng)比需要和結(jié)構(gòu)布置而定。蝸輪蝸桿減速器結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡(jiǎn)單，但傳動(dòng)效率較低。行星齒輪減速器則在電機(jī)軸方向尺寸較大。目前，也常用專門生產(chǎn)的“三合一”(即電機(jī)、制動(dòng)器、卷筒合一)起升卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，它相對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊。其它零部件如鋼絲繩、滑輪都選用標(biāo)準(zhǔn)件。 起升機(jī)構(gòu)速度:國(guó)內(nèi)最高達(dá)30m/min，國(guó)外(如日本)最高達(dá)40——48m/min。 起升機(jī)構(gòu)的調(diào)速:以前曾用過子母電機(jī)或變極電機(jī)，目前多用變頻調(diào)速。 (4

13、)載貨臺(tái) 載貨臺(tái)是貨物單元承載裝置，通過鋼絲繩或鏈條與起升機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)。載貨臺(tái)沿立柱上的導(dǎo)軌升降。貨叉機(jī)構(gòu)安裝在載貨臺(tái)上，有司機(jī)室的堆垛機(jī)，司機(jī)室也裝在載貨臺(tái)上。有揀選功能的堆垛機(jī)，揀選平臺(tái)也安裝在載貨臺(tái)上。載貨臺(tái)通常有一個(gè)剛性框架，為沿導(dǎo)軌運(yùn)行而裝有導(dǎo)輪。 (5)貨叉伸縮機(jī)構(gòu) 貨叉伸縮機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是能夠雙向伸出，以便向兩側(cè)貨格送人(取出)貨箱?？s回后，貨叉連同載貨臺(tái)一起隨大車在巷道內(nèi)運(yùn)行。為此，貨叉伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求是:貨叉完全伸出后，其長(zhǎng)度須為原來長(zhǎng)度的兩倍以上。貨叉全收回后，結(jié)構(gòu)尺寸需盡量小。 貨叉伸縮速度一般為8——10m/min，高的可達(dá)30m/min左

14、右，但通常需調(diào)速控制，調(diào)速范圍為:30m/min——2m/min。 (6) 電氣設(shè)備 主要包括電力拖動(dòng)、控制、檢測(cè)和安全保護(hù)等強(qiáng)、弱電電氣設(shè)備，三個(gè)主要機(jī)構(gòu)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用變頻調(diào)速控制，從而滿足堆垛機(jī)高速運(yùn)行、換速平穩(wěn)、低速停準(zhǔn)的要求。檢測(cè)系統(tǒng)必須具有堆垛機(jī)自動(dòng)認(rèn)址、貨虛實(shí)探測(cè)、貨箱位置檢查等功能。 對(duì)堆垛機(jī)的控制，目前國(guó)內(nèi)外常用PLC(可編程邏輯控制器)控制。PLC的模塊化結(jié)構(gòu)以及遠(yuǎn)程通訊功能可以較好滿足堆垛機(jī)單機(jī)自動(dòng)控制、全自動(dòng)(整個(gè)倉(cāng)庫系統(tǒng))控制的要求。 (7)安全及聯(lián)鎖機(jī)構(gòu) 堆垛機(jī)是一種起重機(jī)械，它要在又高又窄的巷道內(nèi)高速運(yùn)行。為了保證人身及設(shè)備的安全，堆垛

15、機(jī)必須配備完善的硬件及軟件的安全保護(hù)裝置，并在電氣控制上采取一系列聯(lián)鎖和保護(hù)措施。除了一般起重機(jī)常備的安全保護(hù)措施(如各機(jī)構(gòu)的終端限位和緩沖、電機(jī)過熱和過電流保護(hù)、控制電路的零位保護(hù)等)外，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，增設(shè)各種保護(hù)。 主要的安全保護(hù)裝置有: ①終端限位保護(hù)在行走、升降和伸縮的終端都設(shè)有限位保護(hù)。 ②聯(lián)鎖保護(hù)行走與升降時(shí)，貨叉伸縮驅(qū)動(dòng)電路切斷;相反，貨叉縮時(shí)，行走與升降電路切斷。行走與升降運(yùn)動(dòng)可同時(shí)進(jìn)行。 ③正位檢測(cè)控制只有當(dāng)堆垛機(jī)在垂直和水平方向停準(zhǔn)時(shí)，貨叉才能伸縮。即貨又運(yùn)動(dòng)是條件控制，以認(rèn)址裝置檢測(cè)到確已停準(zhǔn)的信息為貨叉運(yùn)動(dòng)的必要條件。 ④載貨臺(tái)斷繩保護(hù)當(dāng)鋼絲繩斷裂時(shí)，斷繩

16、保護(hù)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，機(jī)械夾軌上移，載貨臺(tái)被卡在導(dǎo)軌上而阻止其墜落。正常工作時(shí)在彈簧力作用下夾軌塊、凸輪)與導(dǎo)軌分離。 ⑤斷電保護(hù)載貨臺(tái)升降過程中若斷電，則采用機(jī)械式制動(dòng)裝置使載貨臺(tái)停止不致墜落。 ⑥聲光信號(hào)堆垛機(jī)開動(dòng)前響鈴聲，或閃燈光，以警告巷道內(nèi)的檢修人員和過往行人引起注意。 1.2 課題的背景及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 課題背景 立體倉(cāng)庫的產(chǎn)生和發(fā)展是現(xiàn)代物流體系發(fā)展的要求和信息技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。隨著立體倉(cāng)庫的越來越多，立體倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)已成為一門新興的學(xué)科。堆垛機(jī)是自動(dòng)化倉(cāng)庫的主要作業(yè)機(jī)械，擔(dān)負(fù)著出庫，入庫等任務(wù)，是立體倉(cāng)庫的核心部件。自動(dòng)化倉(cāng)庫的發(fā)展就是以堆垛機(jī)的發(fā)展為主要標(biāo)志的，目前巷

17、道式堆垛機(jī)為主要發(fā)展方向。 1.2.2 堆垛機(jī)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的研究狀況 目前，堆垛機(jī)產(chǎn)品己經(jīng)走入系列化，運(yùn)行噪聲低，備有各種安全保護(hù)裝置，調(diào)速性能好，一般都具有完善的貨物位置檢測(cè)和貨物尺寸檢測(cè)等功能。國(guó)外立體倉(cāng)庫普遍采用抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠的可編程控制器來控制巷道堆垛機(jī)以及出入庫系統(tǒng)，并且用計(jì)算機(jī)進(jìn)行貨位管理和庫存管理，倉(cāng)庫管理計(jì)算機(jī)與上級(jí)管理機(jī)聯(lián)網(wǎng)并能與控制系統(tǒng)相接，實(shí)現(xiàn)在線控制。而在堆垛機(jī)方面，不斷推出具有新的物理外形和更高性能的設(shè)備。最新的開發(fā)包括提高電子和控制技術(shù)，在使堆垛機(jī)具有更高定位精度的同時(shí)，提高搜索能力和運(yùn)行速度，以期獲得更短的操作周期和更大的生產(chǎn)能力。目前，巷道式堆垛機(jī)的

18、起升速度己經(jīng)可以達(dá)到90m/min，運(yùn)行速度達(dá)到240m/min，貨叉伸縮速度達(dá)到30m/min。在有的高度較大的立體倉(cāng)庫中，已采用上、下兩層分別用巷道堆垛機(jī)進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)的方法提高出入庫的能力。 我國(guó)是從20世紀(jì)70年代初期開始研究采用巷道式堆垛機(jī)的立體倉(cāng)庫。1980年，由北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所等單位研制建成了我國(guó)第一座自動(dòng)化立體倉(cāng)庫，并在北京汽車制造廠投產(chǎn)。從此以后，立體倉(cāng)庫在我國(guó)得到了迅速的發(fā)展。目前，浙江海通集團(tuán)是國(guó)內(nèi)最早建造2000噸立體自動(dòng)化低溫冷庫的企業(yè)，其中采用了由電腦程序控制、5臺(tái)自動(dòng)巷道堆垛機(jī)無人操作自動(dòng)進(jìn)出庫等先進(jìn)技術(shù)。 目前，在國(guó)內(nèi)立體倉(cāng)庫堆垛機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，電機(jī)減

19、速機(jī)普遍采用德國(guó)、日本、意大利的產(chǎn)品，也有少數(shù)采用國(guó)內(nèi)的電機(jī)減速機(jī)。由于堆垛機(jī)是立體倉(cāng)庫中最重要的運(yùn)輸設(shè)備，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和綜合性能的要求都非常嚴(yán)格，如無故障率應(yīng)大于97％,停準(zhǔn)精度±10mm，以及噪音要求等。這就要求電機(jī)減速機(jī)的可靠性非常高。因此，現(xiàn)階段在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中電機(jī)減速機(jī)的選用上，多選用國(guó)外先進(jìn)的產(chǎn)品，以保證堆垛機(jī)的整機(jī)性能。 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，堆垛機(jī)技術(shù)在不斷地提高和完善。世界主要工業(yè)國(guó)家都把著眼點(diǎn)放在開發(fā)性能可靠的新產(chǎn)品和采用高新技術(shù)上，更加注重實(shí)用性和安全性[10]。因此，我們應(yīng)當(dāng)看到自身與世界先進(jìn)技術(shù)的差距，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，找出不足，打破傳統(tǒng)思路推出具有新的外形和更高性能的堆垛機(jī)

20、。在使堆垛機(jī)具有更高定位精度的同時(shí)，提高運(yùn)行速度，以獲得更短的操作周期和更大的生產(chǎn)能力。相信通過我們的不斷努力，更加高速、安全、可靠的堆垛機(jī)將不斷從國(guó)外引進(jìn)消化到國(guó)內(nèi)，使我國(guó)的堆垛機(jī)技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的階段。 1.3 本課題的研究目的及主要研究?jī)?nèi)容 綜合運(yùn)用交流變頻調(diào)速、PLC控制、位置檢測(cè)等技術(shù)，為堆垛機(jī)的正常運(yùn)行設(shè)計(jì)一套比較完整的控制系統(tǒng)，使其更好地?fù)?dān)負(fù)起出、入庫的任務(wù)。具體包括以下內(nèi)容： (1)通過對(duì)堆垛機(jī)現(xiàn)有的運(yùn)行速度曲線進(jìn)行的分析研究，設(shè)計(jì)出一種適合本系統(tǒng)的堆垛機(jī)速度曲線模型，確定變頻器的控制參數(shù)，構(gòu)建交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)； (2)在堆垛機(jī)的位置檢測(cè)方面，綜合運(yùn)用旋轉(zhuǎn)編碼器、P

21、G卡以及利用PLC中的高速計(jì)數(shù)器單元，來實(shí)現(xiàn)對(duì)于堆垛機(jī)位置的精確控制； (3)根據(jù)堆垛機(jī)的實(shí)際工作情況，對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)用流程圖法，建立各運(yùn)動(dòng)階段的流程圖，編制出控制程序，使PLC控制系統(tǒng)更加完善，更好地控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。 2 堆垛機(jī)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 本章詳細(xì)描述了堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)，著重論述了如何對(duì)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，分別從堆垛機(jī)的速度控制、系統(tǒng)主控制器的選擇及堆垛機(jī)的定位控制方案三個(gè)方面進(jìn)行闡述。 2.1 堆垛機(jī)系統(tǒng) 目前，堆垛機(jī)的控制方式大致可以分為手動(dòng)操作、半自動(dòng)控制、全自動(dòng)控制、遠(yuǎn)距離控制與計(jì)算機(jī)控制等。計(jì)算機(jī)控制的控制系統(tǒng)，考慮到備用情況，一般由三級(jí)組成

22、。最低一級(jí)是利用堆垛機(jī)上的控制盤手動(dòng)操作，其次是為了遙控利用安置在地上的控制盤的數(shù)字開關(guān)進(jìn)行操作，最高一級(jí)采用計(jì)算機(jī)控制，三級(jí)可以轉(zhuǎn)換運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖2－1所示。 圖2－1 SRMC系統(tǒng) 采用遙控時(shí)，也必須具有低級(jí)的手動(dòng)操作功能，采用自動(dòng)控制時(shí)使用機(jī)上控制盤，但控制方法，在本質(zhì)上與遙控基本相同，因此以遙控為中心來敘述堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)。 圖2－2所示為在自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下以及特殊情況下的堆垛機(jī)作業(yè)循環(huán)的作業(yè)流程圖堆垛機(jī)按行走、升降、貨叉伸縮等三種操作，根據(jù)指令自動(dòng)定位，進(jìn)行叉取作業(yè)。 當(dāng)用戶發(fā)出存貨要求時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)倉(cāng)庫貨位情況，給出貨物的存放地址，上位機(jī)根據(jù)堆垛機(jī)的當(dāng)前位置，經(jīng)過

23、貨位地址變換，給出相對(duì)于堆垛機(jī)當(dāng)前位置的貨位地址，發(fā)出存貨指令給堆垛機(jī)。堆垛機(jī)控制系統(tǒng)接收信號(hào)后，在貨物輸入口接收貨物，堆垛機(jī)行走，同時(shí)載貨臺(tái)沿立柱作升降運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到達(dá)目的貨位時(shí)，貨叉開始伸縮運(yùn)動(dòng)，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。 圖2－2堆垛機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)流程圖 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，用戶需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢修，可以通過控制面板上的按鈕進(jìn)行堆垛 機(jī)的升、降、急停以及貨叉的伸、縮等手動(dòng)控制操作。 2.2 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的功能要求 堆垛機(jī)系統(tǒng)是立體倉(cāng)庫貨物存取任務(wù)的最終執(zhí)行者，其主要運(yùn)動(dòng)包括： (1)堆垛機(jī)沿貨架巷道（列方向）的前后高低速運(yùn)動(dòng)； (2)堆垛機(jī)沿立

24、柱（層方向）的上下升降運(yùn)動(dòng)； (3)安裝在堆垛機(jī)載貨臺(tái)上的貨叉機(jī)構(gòu)的伸縮運(yùn)動(dòng)。 因此，堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的功能主要應(yīng)包含以下幾方面的內(nèi)容： (1)自動(dòng)控制功能：運(yùn)用地面控制臺(tái)系統(tǒng)，完成貨物的自動(dòng)出入庫任務(wù)。此時(shí)可以接受地面控制臺(tái)的各種命令操作，如：入庫、出庫、運(yùn)行到目標(biāo)列層、進(jìn)、退、升、降等； (2)手動(dòng)控制功能：僅能通過控制面板的按鈕進(jìn)行進(jìn)、退、升、降、急停等控制操作此功能主要用于系統(tǒng)的檢修與調(diào)試； (3)安全保護(hù)功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各關(guān)鍵器件的使用情況及系統(tǒng)的運(yùn)行情況，出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)報(bào)警。對(duì)于以上的各種控制功能，主要應(yīng)由以下幾個(gè)方面來完成： (1)速度控制：堆垛機(jī)工作時(shí)在各種方向上的運(yùn)行

25、速度； (2)定位控制：以適合的速度運(yùn)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(jī)及其它倉(cāng)庫設(shè)備的通訊； (4)保護(hù)功能：具有一定機(jī)械和電氣方面的保護(hù)功能； (5)人機(jī)界面：通過I/O設(shè)備，提供本機(jī)狀態(tài)信息或遙控操作。 2.3 堆垛機(jī)的速度控制方案 在果蔬氣調(diào)立體倉(cāng)庫中，交流異步電動(dòng)機(jī)是堆垛機(jī)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)部件。一般情況下， 其調(diào)速方式分為：電機(jī)減速器調(diào)速、變極調(diào)速、串阻調(diào)速、串極調(diào)速、滑差電機(jī)調(diào)速和變頻調(diào)速等。用減速器進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速設(shè)備不僅體積大，調(diào)速效率低，而且容易發(fā)生機(jī)械故障。其它幾種調(diào)速方法與變頻調(diào)速方法相比，使用起來又非常不便。隨著對(duì)于電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能要求的

26、逐步提高，變頻調(diào)速技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 2.3.1變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 變頻調(diào)速技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，利用變頻器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點(diǎn)，如：調(diào)速范圍廣、輸出平滑性好、機(jī)械特性較硬、能很好地實(shí)異步電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速、可實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能、可方便地進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速等。尤其當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)較大負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，會(huì)有較大的沖擊電流，若采用變頻器控制，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，減小沖擊電流，從而解決了大負(fù)載的啟動(dòng)問題。另外，變頻器還具有很強(qiáng)的保護(hù)功能，在電機(jī)運(yùn)行過程中能隨時(shí)檢測(cè)到各種故障，并顯示故障類別（

27、如電網(wǎng)瞬時(shí)電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機(jī)短路等），并立即封鎖輸出電壓。這種自我保護(hù)的功能，不僅保護(hù)了變頻器，還保護(hù)了電機(jī)。 綜上所述，變頻調(diào)速技術(shù)不僅在性能上大大優(yōu)于以往的交流電機(jī)調(diào)速方式，并且將會(huì)逐步取代直流電機(jī)的調(diào)速方式，用交流異步電機(jī)取代直流電機(jī)，將會(huì)使調(diào)速系統(tǒng)變得更加簡(jiǎn)單。 2.3.2變頻器的基本結(jié)構(gòu) 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(shí)現(xiàn)電機(jī)變速 運(yùn)行的設(shè)備。變頻器一般由控制電路和主電路構(gòu)成。控制電路包括主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、門極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分，是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻

28、器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪?duì)逆變器的開關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路的控制。圖2－3所示為通用變頻器的結(jié)構(gòu)原理。 圖2－3變頻器的構(gòu)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(duì)直流電進(jìn)行平滑濾波，然后逆變電路再將此直流電變換成實(shí)際需要的各種頻率的交流電，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 2.3.3 變頻調(diào)速的工作原理 當(dāng)在一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組上加上三相交流電壓時(shí)，該電壓將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其速度由定子電壓的頻率所決定。當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，位于該磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)子繞組將切割磁力線，并

29、在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，而此感應(yīng)電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電磁力，即轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)將三相異步電動(dòng)機(jī)繞組的任意兩相進(jìn)行交換時(shí)，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向?qū)l(fā)生改變。因此，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。 異步電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動(dòng)機(jī)的 磁極對(duì)數(shù)和電源頻率所決定： 式（2.1） 式中：------------電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 f------------供電電源頻率（Hz） P------------電機(jī)定子

30、磁極對(duì)數(shù) 一般情況下，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可由下 式給出： 式（2.2） 式中：n------------電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速 s------------轉(zhuǎn)差率（同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，s=0） 由式(2-2)可知，若改變參數(shù)f，s中的任意一個(gè)就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。因此，可以通過改變?cè)撾娫吹念l率來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。從某種意義上說，變頻器就是一個(gè)可以任意改變頻率的交流電源。 綜上所述，采用改變供電電源頻率的調(diào)速方法，從本質(zhì)

31、上講，是一種無級(jí)、平滑而又經(jīng)濟(jì)的調(diào)速方法。變頻時(shí)使電壓按不同規(guī)律變化，可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載的要求，這些均早已被人們所認(rèn)識(shí)和掌握。隨著可控硅靜止變頻裝置的出現(xiàn)，解決了運(yùn)行性能較為理想的變頻電源問題，使異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)獲得了進(jìn)一步的發(fā)展，為其廣泛地應(yīng)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(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速問題。 因此，在本堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中，我們選擇變頻調(diào)速的方式對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度的控制。 2.4系統(tǒng)主控制器的選擇方案設(shè)計(jì) 在當(dāng)今的工業(yè)控制領(lǐng)域，有相當(dāng)多的控制手段和設(shè)備，比如：繼電器控制、個(gè)人計(jì)算機(jī)控制、單板機(jī)控制、集散控制系統(tǒng)（DCS）以及可編程控制器（P

32、LC）控制等等。 PLC的梯形圖與繼電器控制線路圖十分相似，同時(shí)，信號(hào)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(shè)計(jì)施工周期短、調(diào)試修改方便，而且體積小、功耗低、使用維護(hù)方便，但價(jià)格高于繼電器。與個(gè)人計(jì)算機(jī)相比，PLC是一種用于工業(yè)自動(dòng)化控制的專用微機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格也較低。單板機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，在數(shù)據(jù)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(tǒng)在回路調(diào)節(jié)、模擬量控制方面較PLC有一定優(yōu)勢(shì)，但PLC在開關(guān)量控制、順序控制等方面又優(yōu)于前者。 綜上所述，可編程

33、控制器作為一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 2.4.1 PLC簡(jiǎn)介 2.4.1.1 PLC的定義 可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡(jiǎn)稱PLC，主要用于順序控制，雖然采用了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，但實(shí)際上只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算。 PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，是帶有存儲(chǔ)器，可以編制程序的控制器。它能夠存儲(chǔ)和執(zhí)行指令，進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)等操作，通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體

34、，易于擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計(jì)。 事實(shí)上，PLC就是以嵌入式CPU為核心，配以I/O等模塊，可以方便地用于工業(yè)控制領(lǐng)域的裝置。因此PLC實(shí)際上就是：“工業(yè)專用計(jì)算機(jī)”。其硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)室基本一致。其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 電源模塊 CPU 模塊 編程器 輸出模塊 輸入模塊 指示燈 接觸器 繼電器 圖2-4 PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 電源 2.4.1.2 PLC工作原理 PLC采用巡回掃描的工作機(jī)制,經(jīng)過輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段，這是一個(gè)掃描周期，PLC就是這樣周而復(fù)始的執(zhí)行掃描周期的，簡(jiǎn)單的說，PLC是系統(tǒng)程序的管理下，依據(jù)用戶程序的安排，結(jié)合輸入信

35、號(hào)的變化，確定輸出口工作的 ，當(dāng)然這不是其全部?jī)?nèi)容，全部?jī)?nèi)容要復(fù)雜一些. 2.4.1.3 PLC的特點(diǎn) 抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)；編程方便，易于擴(kuò)展；功能完善；設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短；體積小維護(hù)方便，能耗低。 2.4.1.4 PLC的性能 (1)硬件指標(biāo) 硬件指標(biāo)主要包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、抗震、抗沖擊、抗噪聲干擾、耐壓、接地要求和使用環(huán)境等。由于PLC是專門為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的，因此PLC一般都能滿足以上硬件指標(biāo)的要求。 (2)軟件指標(biāo) 編程語言　不同的PLC，具有不同的編程語言。常用的編程語言有梯形圖、語句表、功能塊圖3種。 用戶存儲(chǔ)器容

36、量和類型　用戶存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)用戶通過編程器輸入的程序。其存儲(chǔ)容量通常以字、步或KB為單位計(jì)算。常用的用戶存儲(chǔ)器類型有RAM、EEPRAM、EPRAM3種。 I/O總數(shù)　PLC有開關(guān)量和模擬量?jī)煞NI/O。對(duì)開關(guān)量I/O總數(shù)，通常用最大I/O點(diǎn)數(shù)表示；對(duì)模擬量I/O總數(shù)，通常用最大I/O通道表示。 指令數(shù)　用來表示PLC的功能。一般指令越多，其功能越強(qiáng)。 軟元件的種類和點(diǎn)數(shù)　指輔助繼電器、定時(shí)器、狀態(tài)、數(shù)據(jù)寄存器和各種特殊繼電器等。 掃描速度　以“ s/步”表示。PLC的掃描速度越快，其輸出對(duì)輸入的響應(yīng)越快。 2.4.1.5 PLC的發(fā)展趨勢(shì) PLC總的發(fā)展趨勢(shì)向高集成度、小體積、大容

37、量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體有以下幾方面：向小型化、專用化、低成本方向發(fā)展；向大容量；向高速度方向發(fā)展；智能型I/O模塊的發(fā)展；基于PC的編程軟件取代編程器；PLC編程語言標(biāo)準(zhǔn)化；PLC通信易用化；組態(tài)軟件與PLC的軟件化；PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合。 2.4.2 PLC各部分功能 2.4.2.1 中央處理單元（CPU） CPU的主要任務(wù)有控制用戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)；用掃描的方式通過I/O部件接受現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；診斷PLC內(nèi)部電路的工作故障和語法錯(cuò)誤。 2.4.2.2 存儲(chǔ)器 PLC的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。 系

38、統(tǒng)存儲(chǔ)器用來存放有PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，使PLC具有基本功能，用戶不能直接改寫。 用戶存儲(chǔ)器包括用戶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分，用來存放用戶針對(duì)具體控制任務(wù)，使用規(guī)定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序。 2.4.2.3 輸入輸出單元 PLC的輸入和輸出信號(hào)類型可是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出單元從廣義上包括兩部分：一是與控制設(shè)備相連接的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。 輸入單元用來接收來自用戶的各種信號(hào)，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器信號(hào)。通過接口電路將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠識(shí)別處理的信號(hào)，并存到輸入映像寄存器。運(yùn)行時(shí)PLC

39、從輸入映像寄存器讀取輸入信號(hào)并進(jìn)行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器有輸出點(diǎn)相應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、指示燈等被控設(shè)備的執(zhí)行文件。 2.4.2.4 電源部分 PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供5V、12V、24V等直流電源，使PLC能正常工作。 2.4.2.5 擴(kuò)展接口 擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 2.5 堆垛機(jī)的定位控制方案 采用光電編碼器的位移定位方法 光電編碼器分

40、為絕對(duì)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(tǒng)的檢測(cè)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(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)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(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。 當(dāng)采用光電編碼器進(jìn)行位移定位時(shí)，由于堆垛機(jī)的運(yùn)行是由曳引電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)的，因此曳引電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也就決定了它所移動(dòng)的距離，如圖2-5所示。 在曳引電動(dòng)機(jī)軸上安裝一個(gè)光電盤，盤上同一圓周上均勻地打上許多小孔，曳引電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電盤也跟著旋轉(zhuǎn)，光電編碼器根據(jù)轉(zhuǎn)過小孔的數(shù)量，發(fā)出相應(yīng)數(shù)量的脈沖信號(hào)，這樣只要計(jì)算出

41、脈沖數(shù)，就可知道堆垛機(jī)運(yùn)行的距離，也就是堆垛機(jī)的實(shí)際位置。 圖2-5光電編碼示意圖 目前，PLC一般都具有高速脈沖輸入端或?qū)Ｓ糜?jì)數(shù)單元，可用編碼器測(cè)取堆垛機(jī)運(yùn)行過程中的準(zhǔn)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(shù)器的功能指令能很方便地實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的定位。 由以上的介紹，我們可以看出，安裝限位開關(guān)的定位方法，不僅廢工廢料，而且每個(gè)開關(guān)的實(shí)際安裝距離，均不可避免地存在一定量的誤差，使得系統(tǒng)的安裝調(diào)試變得復(fù)雜，而且定位質(zhì)量難以保證。一旦系統(tǒng)要求改造，又要重新進(jìn)行安裝工作。而采用旋轉(zhuǎn)編碼器的位移定位方法，通過其發(fā)出的脈沖數(shù)可以很容易地確定堆垛機(jī)的當(dāng)前位置，再經(jīng)過給定速度曲線

42、的計(jì)算，得出變頻器應(yīng)當(dāng)輸出的頻率來進(jìn)行調(diào)速，這種堆垛機(jī)的位移定位方法具有定位精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此，我們采用此方案。 2.6 本章小結(jié) 本章針對(duì)立體倉(cāng)庫中堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。在速度控制方案方面，選取當(dāng)前應(yīng)用范圍非常廣泛的變頻調(diào)速技術(shù)，它所具有的調(diào)速范圍廣、輸出平滑性好、機(jī)械特性較硬、可實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速以及可以進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，使它完全可以勝任本設(shè)計(jì)中的速度控制要求。系統(tǒng)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(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的PLC控制系統(tǒng)。最后，在綜合比較了多種堆垛機(jī)的定位方法后，選擇了定位精度更高，控制方法更加

43、靈活的光電編碼器的位移定位方法。最終，設(shè)計(jì)了一套比較合理的堆垛機(jī)控制系統(tǒng)方案。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 通過前面對(duì)于堆垛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本章將詳細(xì)分析系統(tǒng)中各個(gè)組成硬件的原理與特點(diǎn)，并根據(jù)庫中的實(shí)際工作環(huán)境，選擇適合本系統(tǒng)的設(shè)備型號(hào)以及參數(shù)，完成堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)出電氣原理圖。 3.1 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖3-1 硬件結(jié)構(gòu)框圖 圖3－1為采用可編程控制器（PLC）作為主控制器的立體庫的堆垛機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 一臺(tái)作為上位監(jiān)控機(jī)的計(jì)算機(jī)通過RS232C接口與PLC相連，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面

44、的監(jiān)控管理。拖動(dòng)系統(tǒng)主要由三相交流電源、變頻器、交流接觸器K1、K2和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)M等幾部分構(gòu)成，與電動(dòng)機(jī)同軸聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)編碼器PG產(chǎn)生A、B兩相輸出脈沖,經(jīng)PG卡進(jìn)入變頻器，形成速度反饋。為使PLC對(duì)變頻器進(jìn)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(hào)傳輸。 (1)：PLC發(fā)往變頻器的控制信號(hào)主要有： ①PLC檢測(cè)系統(tǒng)工作正常,允許變頻器工作的信號(hào)； ②堆垛機(jī)運(yùn)行方向的信號(hào)； ③堆垛機(jī)運(yùn)行速度的信號(hào)； ④堆垛機(jī)減速及平層停車信號(hào)。 (2)：變頻器反饋給PLC的信號(hào)主要有： ①變頻器正常工作狀態(tài)信號(hào)（變頻器無報(bào)警輸出，允許PLC控制其運(yùn)行）； ②堆垛機(jī)速度信號(hào)； ③速

45、度一致信號(hào)（變頻器上的速度指令與電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度相匹配）； ④減速及停車狀態(tài)信號(hào)。 圖3－1中，從變頻器的分頻器引入PLC的計(jì)數(shù)脈沖，通過高速計(jì)數(shù)器的脈沖計(jì)數(shù)， 可實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)位移的精確控制。 3.2 電動(dòng)機(jī)的選型 本設(shè)計(jì)中電機(jī)應(yīng)滿足以下要求： 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 m/s 水平加減速率：a1=1.5 m/s2 垂直額定速度：V2=0.5 m/s 垂直加減速率：a2=1.5 m/s2 行走輪徑：D=300mm 軸徑：d=60mm 貨叉伸縮速度：V3=0.2 m/s 根據(jù)

46、本系統(tǒng)的實(shí)際情況，要完成堆垛機(jī)的出入庫貨物存取工作，擬選取水平、垂直、 貨叉伸縮共3臺(tái)電機(jī)。 首先，在選用電動(dòng)機(jī)前應(yīng)當(dāng)考慮以下問題： (1)在機(jī)械與電氣方面對(duì)反復(fù)起動(dòng)停止的操作都應(yīng)有充分的耐久性； (2)應(yīng)完全適合負(fù)載的速度與轉(zhuǎn)矩特性； (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(zhuǎn)數(shù)應(yīng)適宜于減速裝置的結(jié)構(gòu)； 通過分析水平運(yùn)行電機(jī)的各種運(yùn)行狀況，帶載加速功率應(yīng)當(dāng)是最大值，其計(jì)算如下： 式(3.1) 對(duì)于垂直運(yùn)行電機(jī)，其功率的計(jì)算如下： P=m3×g×Vmax/(1000×η)=1000×9.8×0.5/(10

47、00×0.8)=6.13(kW) 式3.2） 通過計(jì)算分析可以清楚地發(fā)現(xiàn)，堆垛機(jī)垂直方向的運(yùn)動(dòng)較水平方向?qū)τ陔妱?dòng)機(jī)的功率要求更高，因此只要把垂直方向的電機(jī)功率選擇好，就可以滿足其它運(yùn)動(dòng)對(duì)于電動(dòng)機(jī)功率的要求?？紤]到可能發(fā)生的過載情況，對(duì)于垂直電機(jī)的選取，我們選擇7.5kW的電動(dòng)機(jī)。而對(duì)于水平電機(jī)和貨叉電機(jī)，選擇同樣的電機(jī)也是完全滿足要求的。因此，本設(shè)計(jì)所選擇的電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如下： 電動(dòng)機(jī)型號(hào)：Y型132M-4 額定功率： 額定轉(zhuǎn)速： 額定電流： 3.3 變頻器的選型 變頻器的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：一方面是為了節(jié)能需要而進(jìn)行的變頻器的應(yīng)用；另一方面是為了滿足

48、生產(chǎn)工藝調(diào)速的要求而進(jìn)行的變頻器的應(yīng)用。對(duì)于果蔬氣調(diào)立體庫系統(tǒng)來講，為了保證貨物的高效存取，堆垛機(jī)的運(yùn)行要求高速平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，需要使用變頻器來驅(qū)動(dòng)水平、垂直電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 3.3.1 VS-616G5型變頻器的特點(diǎn) 本設(shè)計(jì)采用安川電機(jī)公司的VS-616G5型全數(shù)字通用變頻器，它具有磁通矢量控制轉(zhuǎn)差補(bǔ)償、負(fù)載轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)等一系列先進(jìn)功能，通過其本身的自動(dòng)調(diào)諧功能與無速度傳感器電流矢量控制，能較容易地得到高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與較高的調(diào)速范圍，能最大限度地提高電機(jī)功率因數(shù)和效率，同時(shí)降低了電機(jī)運(yùn)行損耗，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制。通過合理的配置、設(shè)計(jì)和編程，可以滿足系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能要求，保證堆垛機(jī)按理想的速

49、度曲線運(yùn)行，達(dá)到較為理想的控制效果。 VS-616G5型變頻器的主要特點(diǎn)如下： (1)將無PG U/f控制、無PG矢量控制、有PG U/f控制、有PG矢量控制的四種控制方式融為一體； (2)有豐富的內(nèi)藏與選擇功能； (3)由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積小； (4)保護(hù)功能完善、維修性能好； (5)通過LCD操作裝置，可提高操作性能。 3.3.2 VS-616G5型變頻器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格 VS-616G5型變頻器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格見表3－1。 3.3.3 VS-616G5型變頻器的端子配備 對(duì)于控制回路端子來說，1：正轉(zhuǎn)運(yùn)行/停止指令；2：反轉(zhuǎn)運(yùn)行/停止指令；3：外部故障輸入；

50、4：異常復(fù)位；5：主速/輔助切換（多段速指令1）；6：多段速指令2；7：點(diǎn)動(dòng)指令；8：外部基極封鎖；9和10：運(yùn)行中信號(hào)；11：順控器控制輸入公共端；12：屏蔽線的網(wǎng)線，選項(xiàng)接地線用端子； 表3－1 VS-616G5型變頻器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格 項(xiàng) 目 規(guī) 格 電壓V 220V 400V 容量范圍KVA 1.2～110KVA 1

51、.4～460KVA 續(xù)表3-1 200V:三相 200/208/220V 電壓頻率 400V:三相 380/400/415/440/460V 電壓允許變動(dòng) +10% -15% 頻率允許變動(dòng) +5%

52、 正弦波PWM控制： ①無傳感器矢量控制（無PG） 控制方式 ②帶傳感器矢量控制（帶PG） ③V/f控制 ④帶傳感器V/f控制（用參數(shù)切換） 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 150%/1Hz(無PG} 150%/Or/min(帶PG) 速度控制范圍 1:100(無PG)

53、1:1000(帶PG) 速度控制精度 ±0.2%(無PG) 0.02%(帶PG) 速度響應(yīng) 5Hz（無PG） 30Hz（帶PG） 轉(zhuǎn)矩極限 有 轉(zhuǎn)矩精度 ±5% 轉(zhuǎn)矩響應(yīng) 20Hz（無PG）以上 150Hz（帶PG）以上 頻率控制范圍 0.1～400Hz 頻率精度

54、 數(shù)字式指令±0.01%（－10C～＋40C） （溫度變動(dòng)） 模擬式指令±0.1%（25C～±10C） 頻率設(shè)定分辨率 數(shù)字式指令0.01Hz/100Hz （運(yùn)算分辨率） 模擬式指令0.03Hz/60Hz 輸出頻率分辨率 0.01Hz 過載量 額定輸出電流的150％1min 頻率設(shè)定信號(hào) －10V～10V，0V～10V，4mA～20mA 加減速時(shí)間

55、 0.01～6000.0s 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 約20％帶制動(dòng)選擇150％ 抑制高次 直流電抗器 內(nèi)帶（200V 24kVA 400V 26kVA以下可選擇） 諧波電源 12相整流 不能變動(dòng) 主要控制功能 瞬停再起動(dòng)，下降控制，轉(zhuǎn)矩控制，零點(diǎn)伺服控制等 操作裝置 16字×2線日語液晶顯示器 接通插件板可選擇 16種（最多可裝3塊） 保護(hù)功能 電機(jī)保護(hù)，變頻器過載，瞬間過電流，電壓下降，

56、過電壓，輸入缺相 13和14：主速頻率指令；15：＋15V電源輸出；16：多功能模擬量輸入；17：控制用公共 端；18、19和20：故障輸出信號(hào)；21：頻率表輸出；22：公共端；23：電流監(jiān)視；25： 零速檢出；26：速度一致檢出；27：開路集電極輸出公共端；33：－15V電源輸出。主回路端子的功能見圖上相關(guān)文字說明。 3.3.4 變頻器的容量計(jì)算 變頻器作為電機(jī)的供電電源時(shí)，其最好要有很高的容量，此時(shí)允許電機(jī)像工頻供電那樣，可以直接啟動(dòng)（在變頻器的輸出側(cè)通斷電機(jī)）。然而，考慮到變頻器的經(jīng)濟(jì)性

57、及尺寸大小等因素，過高地提高變頻器的容量是不可取的。變頻器容量的優(yōu)化選擇，會(huì)使其無故障完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)操作，這里首先要清楚以下內(nèi)容。 (1)變頻器的容量 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器容量可以從操作方法決定的能量流動(dòng)變化情況來進(jìn)行理解。 ①加速或恒速操作時(shí) 變頻器的效能是輸出電流，也就是變頻器能夠給電機(jī)提供多大電流。變頻器這種輸出電流的效能可以由額定輸出電流或過載能力來表示。 ②減速操作時(shí) 由于變頻器在減速操作時(shí)其驅(qū)動(dòng)的電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，能量的流動(dòng)是從電機(jī)流向變頻 器，同變頻器的加速或恒速操作相反。變頻器的作用是要消耗這些能量。減速時(shí)電機(jī)負(fù) 載返回的部分能量由電機(jī)消耗，而其余部分由變頻器消耗。另外

58、，由于這些返回的能量 使變頻器中平滑電容的電壓升高，當(dāng)電壓升到某一特定值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生再生能量消耗或 能量返回供電電源側(cè)。 (2)變頻器容量的確定 變頻器的容量應(yīng)該與其驅(qū)動(dòng)的電機(jī)容量相匹配，另外變頻器的選擇要依據(jù)負(fù)載特性、操作方法等情況來決定。 首先，根據(jù)電機(jī)的容量來選擇變頻器的容量。 其次，對(duì)于單個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)單個(gè)電機(jī)的操作方法，可按下式來選擇： 變頻器額定輸出電流≥電機(jī)最大負(fù)載電流×1.1 變頻器規(guī)格給定值 實(shí)際測(cè)量 考慮畸波的增加系數(shù) 最后，還要根據(jù)電機(jī)的基本操作模式（啟動(dòng)、加速、恒速、減速及停止）進(jìn)行變頻器的選擇[51]。 在單臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)單臺(tái)電機(jī)的情況下，變頻

59、器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動(dòng)機(jī)的最大電流，或者是變頻器所適配的電動(dòng)機(jī)功率大于當(dāng)前該電動(dòng)機(jī)的功率。容量選擇最好是采用大一個(gè)數(shù)量級(jí)選配。電動(dòng)機(jī)若選11kW或15kW的異步電動(dòng)機(jī)，即11kW的電動(dòng)機(jī)選15kW的變頻器，15kW的電動(dòng)機(jī)選18kW的變頻器比較好。我們選取了容量為11kW的異步電動(dòng)機(jī)，其額定電流 一般情況下，在果蔬氣調(diào)立體庫堆垛機(jī)系統(tǒng)中，控制運(yùn)行電機(jī)的變頻器是連續(xù)工作的，其額定輸出電流： 式 (3.3) 式中：為變頻器額定輸出電流，為電

60、動(dòng)機(jī)實(shí)際最大負(fù)載電流。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)，升降電機(jī)的最大負(fù)載電流約為17A,代入上式（3.3）則有： ≥171.1=18.1（A）即變頻器的額定輸出電流必須大于18.1A。參考如下列表，我 們選擇VS-616G5系列的CIMR-G5A 4015型變頻器，它的額定輸出電流為34A，最大適用 電機(jī)功率為15Kw，完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。 表3－2 CIMR-G5A型號(hào)變頻器參數(shù)表 CIMR-G5A 額定輸出 電源 型號(hào) 最大適用 額

61、定輸出 最大輸出 額定輸出 電壓(V) 允許 允許 CIMR-G5A 電機(jī)功率 輸出功率 電流（A） 電壓(V) 頻率（HZ）頻率(HZ) 電壓 頻率 型號(hào) （KW） (KW) 波動(dòng) 波動(dòng) 三相 380/ 400/ 415/ 440/ 46 40P7 0.75 2.6 3.4 三相380/ 400/ 415/ 440/ 460V， 50/60Hz 由參數(shù)設(shè) 定，最高 40

62、0Hz可對(duì) 應(yīng) 41P5 1.5 3.7 4.8 ±5% ± 10% ～ 15% 42P2 2.2 4.7 6.2 43P7 3.7 6.1 8 45P5 5.5 11 14 47P5 7.5 14 18 4011 11 21 27 4015 15 26 34 4018 18.5

63、 31 41 3.3.5 PG速度控制卡的選擇 變頻器的PG速度控制卡是使用了PG（脈沖發(fā)生器）來對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的。當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)送到PG速度控制卡后，由速度卡將其轉(zhuǎn)換成與實(shí)際轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，再送給變頻器進(jìn)行速度控制。同時(shí)，將兩相脈沖分頻后（分頻的程度可以設(shè)置）作為兩相脈沖的監(jiān)視輸出，我們利用脈沖的監(jiān)視輸出進(jìn)行堆垛機(jī)的位置控制。CIMR-G5A 4015型變頻器的PG速度控制卡有四種，應(yīng)根據(jù)用途正確選擇。 對(duì)于本系統(tǒng)，考慮到變頻器有時(shí)需要在較低的頻率下運(yùn)行，為保證電機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)也能提供足夠的轉(zhuǎn)矩，保證垂直運(yùn)行的堆垛機(jī)載貨臺(tái)不會(huì)因轉(zhuǎn)矩不夠而

64、下墜，垂直電機(jī)必須使用恒轉(zhuǎn)矩或矢量控制的方法進(jìn)行變頻。因此，我們選擇PG-B2型PG速度控制卡。 表3－3 PG型號(hào)說明 PG型號(hào) 應(yīng)用特點(diǎn) PG-A2 A相（單）脈沖輸入，開路集電極或補(bǔ)碼輸出，V/f控制專用 PG-B2 A相/B相脈沖輸入，補(bǔ)碼輸出對(duì)應(yīng)，矢量控制專用 PG-D2 A相（單）脈沖輸入，線驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)，V/f控制專用 PG-X2 A相/B相/Z相脈沖輸入，線驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)，矢量控制專用 3.3.6變頻器制動(dòng)電阻參數(shù)的

65、計(jì)算 當(dāng)采用變頻器傳動(dòng)的堆垛機(jī)電機(jī)急減速或向下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)。變頻器逆變器中的六個(gè)回饋二極管將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲(chǔ)能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當(dāng)中間直流回路電容電壓升到保護(hù)極限值后變頻器將過電壓跳閘。所以，變頻調(diào)速裝置還應(yīng)具有一定的制動(dòng)功能。 在高性能的工程型變頻器中，對(duì)連續(xù)再生能量的處理大體有以下兩種方案： (1)采用動(dòng)力制動(dòng)的方式 在中間直流回路設(shè)置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉。 (2)采用再生整流器的方式 它是將連續(xù)再生能量送回電網(wǎng)，這種方式又稱為回饋制動(dòng)。 分析以上兩種制動(dòng)方式，采用

66、動(dòng)力制動(dòng)的方式，其控制簡(jiǎn)單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動(dòng)?；仞佒苿?dòng)方式雖然節(jié)能效果好，能連續(xù)長(zhǎng)時(shí)制動(dòng)，但控制復(fù)雜、成本較高考慮到節(jié)省技改投資，提高設(shè)備的可維修性和可靠性，我們采用動(dòng)力制動(dòng)方式。 在選擇能耗制動(dòng)電阻時(shí)，制動(dòng)電阻的大小應(yīng)使制動(dòng)電流的值不超過變頻器額 定電流的一半，即 其中，為額定情況下變頻器的直流母線電壓。 考慮到立體庫內(nèi)的溫度濕度條件，按照制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻選型及計(jì)算公式進(jìn)行換算，CIMR-G5A 4015型變頻器配用1個(gè)RX20型耐潮被釉線繞電阻器，可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。 3.4 PLC的選型 目前，市場(chǎng)上存在著種類繁多的大、中、小型PLC，小到作為少量的繼電器裝置的替代品，大到作為分布式系統(tǒng)中的上位機(jī)，幾乎可以滿足工業(yè)控制的各種需要。那么，針對(duì)我們的實(shí)際情況，如何給本系統(tǒng)選擇一個(gè)合適的PLC呢？ PLC選型的一般流程如下： (1)定義PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，包括開關(guān)量的I/O點(diǎn)數(shù)、模擬量的I/O點(diǎn)數(shù)以及特殊功能模塊； (2)建立I/O分配表，繪制PLC的輸入、輸出接線圖； (3)根據(jù)控制要求繪制程序的流程圖，繪制用戶程序，裝入PLC的用戶