單立柱巷道式堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),單立柱巷道式堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),立柱,巷道,堆垛,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 單立柱巷道式堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) DESIGN OF CONTROL SYSTEM ABOUT DETACHED COLUMN TUNNEL TYPE HAY STACKER 學(xué)生姓名 學(xué)院名稱 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 指導(dǎo)教師 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 摘要 在現(xiàn)代的物流倉儲系統(tǒng)中，自動化立體倉庫應(yīng)用日益廣泛。而堆垛機(jī)性能的優(yōu)劣，對整個立體庫的正常運(yùn)行起著重要的作用。但就我國現(xiàn)有生產(chǎn)力發(fā)展水平來看，在自動化立體倉庫中設(shè)計(jì)出造價低廉、工作可靠的堆垛機(jī)替代原有倉庫的控制和管理，能更加適應(yīng)某些中小企業(yè)要求投資少見效快的目標(biāo)。本論文就實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的堆垛機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在堆垛機(jī)控制系統(tǒng)（Storage and Retrieval Machine control system，以下簡稱SRMC系統(tǒng)）的開發(fā)應(yīng)用中，將PLC技術(shù)和變頻控制技術(shù)相結(jié)合，重點(diǎn)研究基于旋轉(zhuǎn)編碼器與光電開關(guān)的組合進(jìn)行堆垛機(jī)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 本文主要的研究工作如下： (1)深入研究實(shí)際生產(chǎn)過程中堆垛機(jī)的工作情況，指出其在運(yùn)行、定位及故障指示等方面的不足之處，并從硬件改進(jìn)和軟件設(shè)計(jì)兩個方面給出具體的實(shí)施方案； (2)針對自動化立體倉庫的存取特點(diǎn)，對堆垛機(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，提出一套SRMC系統(tǒng)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(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)SRMC系統(tǒng)的PLC控制程序，隨時改進(jìn)控制思路和控制程序系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞: 堆垛機(jī)；PLC技術(shù)；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(tǒng)概述 1 1.1.1自動化技術(shù)在倉儲領(lǐng)域的發(fā)展 1 1.1.2自動化倉庫的分類 2 1.2堆垛機(jī)簡介 3 1.2.1堆垛機(jī)的發(fā)展 3 1.2.2巷道式堆垛機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀 3 1.2.3單立柱巷道式堆垛機(jī)結(jié)構(gòu) 4 1.2.4堆垛機(jī)的發(fā)展趨勢 6 1.3課題研究意義及主要研究內(nèi)容 6 2 SRMC系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 7 2.1 SRMC系統(tǒng) 7 2.2 SRMC系統(tǒng)的功能要求 8 2.3堆垛機(jī)的速度控制方案 9 2.3.1變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 9 2.3.2變頻器的基本結(jié)構(gòu) 10 2.4系統(tǒng)主控制器的選擇方案設(shè)計(jì) 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(diǎn) 13 2.4.5 PLC控制系統(tǒng)的類型選擇 13 2.5堆垛機(jī)的定位控制方案 14 2.6本章小結(jié) 16 3 SRMC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 17 3.1 SRMC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 17 3.2電動機(jī)的選型 18 3.3變頻器的選型 19 3.3.1變頻器的特點(diǎn) 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(diǎn) 20 3.4.2機(jī)型的配置及I/O點(diǎn)數(shù)的分配 20 3.5 SRMC系統(tǒng)其它主要硬件的選取 22 3.5.1旋轉(zhuǎn)編碼器 22 3.5.2光電開關(guān) 23 3.5.3電磁閘 23 3.5.4斷路器、接觸器 23 3.6本章小結(jié) 23 4 SRMC系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 24 4.1堆垛機(jī)速度曲線模型的設(shè)計(jì) 24 4.1.1現(xiàn)有速度曲線的分析 25 4.1.2速度曲線改進(jìn)的函數(shù)分析過程 25 4.1.3改進(jìn)的速度曲線特點(diǎn) 28 4.2主控制器PLC的程序設(shè)計(jì) 28 4.2.1 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的主要工作 28 4.2.2本程序設(shè)計(jì)使用軟件 28 4.2.3程序設(shè)計(jì)方法選擇 29 4.2.4程序設(shè)計(jì)過程 31 4.3本章小結(jié) 35 結(jié)論 36 致謝 37 參考文獻(xiàn) 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(tǒng))儲存物資，用電子計(jì)算機(jī)控制管理和用自動控制堆垛運(yùn)輸車進(jìn)行存取作業(yè)的倉庫。自動化倉庫是生產(chǎn)物流的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著物資的接受、分類、計(jì)量、包裝、分揀配送、存檔等多種功能。是實(shí)現(xiàn)高效率物流和大容量儲藏，適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和商品流通的有效手段。有軌巷道堆垛起重機(jī)是隨著立體倉庫的出現(xiàn)而發(fā)展起來的專用起重機(jī)，通常簡稱為堆垛機(jī)。堆垛機(jī)是立體倉庫中最重要的起重運(yùn)輸設(shè)備，主要用途是在高層貨架倉庫的巷道內(nèi)沿軌道運(yùn)行，將位于巷道口的貨物存入貨格或取出貨格內(nèi)的貨物運(yùn)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(xiàn)出來的[1][2]。 1.1自動化立體倉庫系統(tǒng)概述 1.1.1自動化技術(shù)在倉儲領(lǐng)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(jì)算機(jī)進(jìn)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(jìn)入20世紀(jì)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(jī)械廠建成我國第一座自動化立體倉庫，但我國在這一領(lǐng)域發(fā)展速度比較緩慢。 自動化技術(shù)在倉儲領(lǐng)域的發(fā)展可分為五個階段:人工倉儲階段、機(jī)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(yùn)送、存儲、管理及控制主要是靠人工實(shí)現(xiàn)，具有初期設(shè)備投資經(jīng)濟(jì)性好、控制的實(shí)時性和直觀性等優(yōu)勢。 第二階段—機(jī)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(jī)械手、吊車、堆垛機(jī)和升降機(jī)來移動和搬運(yùn)，用貨架托盤和可移動貨架存儲物料，通過人工操作機(jī)械存取設(shè)備，用限位開關(guān)、螺旋機(jī)械制動和機(jī)械監(jiān)視器等控制設(shè)備運(yùn)行。機(jī)械化滿足了人們對速度、精度、高度、重量、重復(fù)存取和搬運(yùn)等要求。 第三階段—自動化倉儲技術(shù)階段:50年代末和60年代，采用自動導(dǎo)引小車(AGV)、自動貨架、自動存取機(jī)器人、自動識別和自動分揀等系統(tǒng)。70年代和80年代，旋轉(zhuǎn)式貨架、移動式貨架、巷道式堆垛機(jī)和其他搬運(yùn)設(shè)備也加入了自動控制的行列。但此時的自動化是各個設(shè)備的局部并各自獨(dú)立應(yīng)用，被稱為“自動化孤島”。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對物料控制和管理的實(shí)時化、協(xié)調(diào)一體化逐漸成為倉儲自動化技術(shù)的核心。計(jì)算機(jī)之間、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)之間、機(jī)械設(shè)備的控制器之間以及它們與主計(jì)算機(jī)之間的通訊可以及時匯總信息，管理人員通過倉庫計(jì)算機(jī)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(shù)的應(yīng)用己成為倉儲技術(shù)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(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，柔性制造系統(tǒng) (Flexible Manufacturing System)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) (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(yùn)倉儲技術(shù)要具有更可靠、更實(shí)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(tǒng)有機(jī)協(xié)作，這樣的總體效益和生產(chǎn)應(yīng)變能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過各部分獨(dú)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(jī)械)和自然(或人類)兩種方式。內(nèi)容涉及智能物料儲運(yùn)設(shè)計(jì)和智能物料儲運(yùn)作業(yè)。目前，人們在人工智能及物料儲運(yùn)領(lǐng)域中的專家系統(tǒng)的技術(shù)方面正進(jìn)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(diǎn)放在開發(fā)性能可靠的新產(chǎn)品和采用高技術(shù)上。近年來，國內(nèi)外在建設(shè)物流系統(tǒng)及自動化倉庫方面更加注重實(shí)用性和安全性。 大型自動化倉庫系統(tǒng)已不在是發(fā)展方向。美國 Hallmark公司安裝的多達(dá)120個巷道的系統(tǒng)己達(dá)到了頂峰，甚至10~20個巷道的系統(tǒng)也不是首選了。為了適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的新形勢，出現(xiàn)了規(guī)模更小、反應(yīng)速度更快、用途更廣的自動化倉庫系統(tǒng)。它是把先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到分段輸送和按預(yù)定線路輸送方面，保持了高度的柔性和高生產(chǎn)率，滿足了工業(yè)庫存搬運(yùn)的需要。 標(biāo)準(zhǔn)的模塊式自動化倉庫系統(tǒng)已引起人們的關(guān)注，這種系統(tǒng)在硬件和軟件方面比傳統(tǒng)的根據(jù)用戶要求而提供的自動化倉庫有更多的現(xiàn)成產(chǎn)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(shù)，提高信息的傳輸速度和準(zhǔn)確性。采用射頻數(shù)據(jù)通信技術(shù)，數(shù)據(jù)的采集、處理和交換能夠在搬運(yùn)工具與中央計(jì)算機(jī)之間快速進(jìn)行，使物品的存取和發(fā)送信息做到快速、實(shí)時、可靠和準(zhǔn)確。我國正在發(fā)展這方面技術(shù)，將其應(yīng)用到新建庫和己建庫原有通信系統(tǒng)以改善倉庫管理，提高倉庫作業(yè)效率。 現(xiàn)在，對自動化倉庫系統(tǒng)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(chǎn)和銷售活動的功能，即起到所謂“經(jīng)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(gòu)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(chǎn)性倉庫和流通性倉庫。 (5)按自動化倉庫與生產(chǎn)聯(lián)接的緊密程度分為獨(dú)立型，半緊密型和緊密型倉庫[6]。 1.2堆垛機(jī)簡介 1.2.1堆垛機(jī)的發(fā)展 初期的立體倉庫使用的堆垛機(jī)以橋式起重機(jī)為基礎(chǔ)。這種堆垛機(jī)是從起重機(jī)的大梁上懸掛一個門架(立柱)，利用門架的上下和旋轉(zhuǎn)來搬運(yùn)貨物。1960年左右在美國出現(xiàn)了沒有大梁的巷道式堆垛機(jī)。這種堆垛機(jī)是在地面的導(dǎo)軌上行走，利用貨架上部的導(dǎo)軌防止傾倒，或者是在上部導(dǎo)軌上行走，利用地面導(dǎo)軌防止傾倒。1967年日本開始安裝了高度20~25m高層堆垛機(jī)，1969年出現(xiàn)了聯(lián)機(jī)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(jī)的可靠性和技術(shù)方面的問題，巷道式堆垛機(jī)隨之逐漸的取代了橋式起重機(jī)。我國是在70年代初期開始研究采用巷道式堆垛機(jī)的立體倉庫。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀 按現(xiàn)行機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有軌巷道式堆垛機(jī)分類方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行軌跡等分類。無論何種類型的堆垛機(jī)一般都由水平行走機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、載貨臺及貨叉機(jī)構(gòu)、機(jī)架和電氣設(shè)備等基本部分組成。在目前立體倉庫應(yīng)用中，堆垛機(jī)最常見的是按結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動軌跡分類。 (1)有軌巷道堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)形式 按結(jié)構(gòu)形式可分為雙立柱結(jié)構(gòu)和單立柱結(jié)構(gòu)。 l)雙立柱堆垛機(jī):雙立柱結(jié)構(gòu)的堆垛機(jī)機(jī)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(dǎo)軌，圓管附加起升導(dǎo)軌。雙立柱堆垛機(jī)的起升機(jī)構(gòu)普遍采用鏈條傳動，由電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)動，通過鏈條牽引載貨臺沿立柱或起升機(jī)導(dǎo)軌作升降運(yùn)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(fù)雜，但定位較準(zhǔn)確。雙立柱堆垛機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度和剛性都較好，且運(yùn)行平穩(wěn)。適合起重高度較高、起重量較大和水平運(yùn)行速度高的堆垛機(jī)。 2)單立柱堆垛機(jī):單立柱結(jié)構(gòu)的堆垛機(jī)機(jī)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(dǎo)軌。單立柱堆垛機(jī)的起升結(jié)構(gòu)，普遍采用鋼絲繩傳動，由電機(jī)減速器驅(qū)動卷筒轉(zhuǎn)動，通過鋼絲繩牽引載貨臺沿立柱或起升導(dǎo)軌作升降運(yùn)動。對于鋼絲繩傳動，傳動和布置相對容易，但定位準(zhǔn)確性差。單立柱結(jié)構(gòu)的堆垛機(jī)整機(jī)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(chǎn)生的水平慣性力作用，使單立柱堆垛機(jī)在使用上有一定的局限性。 (2)有軌巷道堆垛起重機(jī)的運(yùn)行軌跡 堆垛機(jī)水平驅(qū)動裝置一般安裝在堆垛機(jī)下橫梁上，通過電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，使堆垛機(jī)沿水平方向運(yùn)行。采用兩個承重車輪，沿敷設(shè)在地面上的軌道(地軌)運(yùn)行。通過下部兩組水平輪沿軌道運(yùn)行導(dǎo)向，在堆垛機(jī)頂部兩組導(dǎo)向輪沿上軌道(天軌)運(yùn)行輔助導(dǎo)向。按其運(yùn)行軌跡形式可分為直線運(yùn)行型堆垛機(jī)和曲線運(yùn)行型堆垛機(jī)。 l)直線運(yùn)行型堆垛機(jī):它只能在巷道內(nèi)直線軌道上運(yùn)行，不能自行轉(zhuǎn)換軌道。轉(zhuǎn)換軌道只能通過其它輸送設(shè)備，如堆垛機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)車。直線型堆垛機(jī)可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，能夠滿足出入庫頻率較高的立體倉庫作業(yè)，應(yīng)用最為廣泛。 2)曲線運(yùn)行型堆垛機(jī):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(yùn)行，即可以走曲線，不通過其它輸送設(shè)備便可以從一個巷道自行轉(zhuǎn)移到另一個巷道，又稱為轉(zhuǎn)軌堆垛機(jī)。此種堆垛機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑受到場地的限制，且轉(zhuǎn)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(jī)動態(tài)性能現(xiàn)狀 體現(xiàn)堆垛機(jī)動態(tài)性能優(yōu)劣的指標(biāo)主要有:運(yùn)行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、振動與噪音、認(rèn)址精度等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動化立體倉庫的技術(shù)水平和倉儲機(jī)械設(shè)備的動態(tài)性能也在不斷提高。例如，堆垛機(jī)的運(yùn)行驅(qū)動己由20世紀(jì)70年代的子母電動機(jī)改為變頻調(diào)速，速度由5~50m/min提升至4~160m/min，國外小載重量的堆垛機(jī)最高可達(dá)300m/min;提升驅(qū)動己由20世紀(jì)70年代的雙速電動機(jī)改進(jìn)為變頻調(diào)速，速度由4~16 m/min提升至0~25m/min;貨叉運(yùn)行也由單速電動機(jī)驅(qū)動改進(jìn)為變頻調(diào)速，速度由8m/min如提升至4~35m/min;在堆垛機(jī)自動控制方面還采用了激光測距定位系統(tǒng)、閉環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)、Profibus總線控制等先進(jìn)技術(shù)。盡管如此，目前國產(chǎn)堆垛機(jī)的運(yùn)行速度最高仍保持在160m/min，由于整機(jī)剛度低，無隔振減振措施，運(yùn)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(rèn)址采用光電探測，精度不足，認(rèn)址差錯率高[7]。 根據(jù)市場預(yù)測，傳統(tǒng)技術(shù)制造的20世紀(jì)70年代水平的堆垛機(jī)將被淘汰，高速度、高科技含量的新型堆垛機(jī)將迅速占據(jù)市場。我國堆垛機(jī)綜合性能急待改善。根據(jù)物流設(shè)備發(fā)展趨勢，針對近幾年用戶的反映，結(jié)合國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展情況等有關(guān)情報(bào)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(xiàn)在運(yùn)行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、振動和噪音;②結(jié)構(gòu)的差距：國外產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理，比較精巧，我國產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對笨重[25]。 1.2.3單立柱巷道式堆垛機(jī)結(jié)構(gòu) 單立柱巷道式堆垛機(jī)（簡稱為堆垛機(jī)）主要由起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)、機(jī)架金屬機(jī)構(gòu)（立柱及下橫梁）、載貨臺、電氣設(shè)備和安全及連鎖保護(hù)機(jī)構(gòu)等組成。這類型的堆垛機(jī)最顯著的特點(diǎn)是機(jī)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(jī)構(gòu) 5.提升滑輪 6.天軌 7.立柱 8.控制柜 9.起升電機(jī) 10.行駛機(jī)構(gòu)和驅(qū)動輪 圖1-1 單立柱巷道式堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu) (1)起升機(jī)構(gòu) 起升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的升降運(yùn)動，一般由電動機(jī)、制動器、減速機(jī)、卷筒或鏈輪以及柔性件組成。目前，常用廠家專門生產(chǎn)的“三合一”（即電機(jī)、制動器、卷筒合一）起升卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，它相對結(jié)構(gòu)緊湊。為減少起升機(jī)構(gòu)電動機(jī)功率，常設(shè)置質(zhì)量等于載貨臺質(zhì)量和一半起重量的配重。起升機(jī)構(gòu)一般設(shè)置在立柱下部或下橫梁上，以便于維護(hù)。 (2)水平運(yùn)行機(jī)構(gòu) 水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要由電動機(jī)、減速器、行走輪組成。在堆垛機(jī)的下橫梁上裝有水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)和支撐堆垛機(jī)在鋼軌上運(yùn)行的車輪。按運(yùn)行機(jī)構(gòu)所在的位置不同可以分為地面驅(qū)動式，頂部驅(qū)動式和中部驅(qū)動式幾種，其中地面運(yùn)行式使用最廣泛。在這種運(yùn)行方式中，堆垛機(jī)的上、下橫梁分別有兩組導(dǎo)向輪。 (3)載貨臺及貨叉伸縮機(jī)構(gòu) 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(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)，載貨臺沿立柱上的導(dǎo)軌上下升降。貨叉伸縮機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)，安裝在載貨臺上，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是能夠雙向伸出，以便向兩側(cè)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(nèi)運(yùn)行。 (4)金屬結(jié)構(gòu) 金屬結(jié)構(gòu)是堆垛機(jī)的安裝基礎(chǔ)，承受和傳遞堆垛機(jī)所擔(dān)負(fù)的各機(jī)構(gòu)的重量以及載重量，金屬結(jié)構(gòu)一般采用優(yōu)質(zhì)鋼材，聯(lián)結(jié)部分采用焊接，這樣可以簡化結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式的堆垛機(jī)，起升高度較小，起重量不大，占用空間小，因而運(yùn)行起來較為靈活，廣泛用于中小型立體倉庫。 (5)電氣設(shè)備 電氣設(shè)備主要包括電力拖動、控制、檢測和安全保護(hù)等，目前國內(nèi)外普遍采用的是變頻調(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。檢測系統(tǒng)必須具有堆垛機(jī)自動認(rèn)址、貨位虛實(shí)探測、貨箱位置檢查等功能。 (6)安全及聯(lián)鎖機(jī)構(gòu) 為了保證人身及設(shè)備的安全，堆垛機(jī)必須配備有完善的硬件和軟件的安全保護(hù)措施，并在電氣控制上采取一系列聯(lián)鎖和保護(hù)措施。主要的安全保護(hù)裝置有：端限位保護(hù)、聯(lián)鎖保護(hù)、正位檢測控制、載貨臺斷繩保護(hù)和斷點(diǎn)保護(hù)等。 1.2.4堆垛機(jī)的發(fā)展趨勢 隨著我國加入WTO，加快了經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程，進(jìn)一步促進(jìn)了物資流通，貨物儲運(yùn)發(fā)送量越來越大?？梢灶A(yù)測，今后市場對倉儲物流設(shè)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(shí)現(xiàn)物流的高效率，必須提高堆垛機(jī)的存取速度。要求堆垛機(jī)的運(yùn)行速度達(dá)到160~200m/min以上、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、認(rèn)址準(zhǔn)確、起動制動靈敏、運(yùn)行振動小、噪音低于84dB等綜合性能的提高，需要多項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新和改進(jìn)，更需要新技術(shù)的支持。相信通過我們的不懈努力，在使用堆垛機(jī)具有更高定位精度的同時，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。更加高速、安全、可靠的堆垛機(jī)將不斷從國外引進(jìn)消化到國內(nèi)，使有軌巷道堆垛機(jī)發(fā)展到一個新階段。 1.3課題研究意義及主要研究內(nèi)容 本課題主要用于某食品氣調(diào)庫的改造項(xiàng)目，該氣調(diào)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(jìn)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(diǎn)。本課題結(jié)合本氣調(diào)庫的實(shí)際情況，基于對立體庫電氣控制系統(tǒng)的研究，綜合運(yùn)用交流變頻調(diào)速、PLC控制、位置檢測等技術(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)。具體包括以下內(nèi)容： (1)通過對堆垛機(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，確定變頻器型號，構(gòu)建交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)； (2)在堆垛機(jī)的位置檢測方面，綜合運(yùn)用旋轉(zhuǎn)編碼器、PG卡以及利用PLC中的高速計(jì)數(shù)器單元，來實(shí)現(xiàn)對于堆垛機(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(tǒng)更加完善，更好地控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行； 2 SRMC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方面進(jìn)行闡述。 2.1 SRMC系統(tǒng) 目前，堆垛機(jī)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(yuǎn)程控制與計(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，一般由三級組成。最低一級是利用堆垛機(jī)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(shù)字開關(guān)進(jìn)行操作，最高一級采用計(jì)算機(jī)控制，三級可以轉(zhuǎn)換運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖2-1所示。 圖2-1 SRMC系統(tǒng) 采用遙控時，也必須具有低級的手動操作功能，采用自動控制時使用機(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)指令自動定位，進(jìn)行叉取作業(yè)。 當(dāng)用戶發(fā)出存貨要求時，系統(tǒng)根據(jù)倉庫貨位情況，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)過貨位地址變換，給出相對于堆垛機(jī)當(dāng)前位置的貨位地址，發(fā)出存貨指令給堆垛機(jī)。SRMC系統(tǒng)接收信號后，在貨物輸入口接收貨物，堆垛機(jī)行走，同時載貨臺沿立柱作升降運(yùn)動。當(dāng)運(yùn)動到達(dá)目的貨位時，貨叉開始伸縮運(yùn)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(yīng)的排號、列號、層號組成）后，上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）根據(jù)堆垛機(jī)當(dāng)前位置，經(jīng)過貨位地址變換，給出相對于堆垛機(jī)當(dāng)前位置的貨位地址，發(fā)出取貨指令給堆垛機(jī)。SRMC系統(tǒng)接收信號后，堆垛機(jī)行走，同時載貨臺沿立柱作升降運(yùn)動。當(dāng)運(yùn)動到達(dá)目的貨位時，貨叉開始伸縮運(yùn)動，執(zhí)行取貨操作，堆垛機(jī)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(jī)系統(tǒng)自動運(yùn)轉(zhuǎn)流程圖 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，用戶需對系統(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、縮等手動控制操作[8][9]。 2.2 SRMC系統(tǒng)的功能要求 堆垛機(jī)系統(tǒng)是立體倉庫貨物存取任務(wù)的最終執(zhí)行者，其主要運(yùn)動包括： (1)堆垛機(jī)沿貨架巷道（列方向）的前后高低速運(yùn)動； (2)堆垛機(jī)沿立柱（層方向）的上下升降運(yùn)動； (3)安裝在堆垛機(jī)載貨臺上的貨叉機(jī)構(gòu)的升降伸縮運(yùn)動[8]。 因此，SRMC系統(tǒng)的功能主要應(yīng)包含以下幾方面的內(nèi)容： (1)自動控制功能：運(yùn)用地面控制臺系統(tǒng)，完成貨物的自動出入庫任務(wù)。此時可以接受地面控制臺的各種命令操作，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)時監(jiān)測各關(guān)鍵器件的使用情況及系統(tǒng)的運(yùn)行情況，出現(xiàn)故障時及時報(bào)警。 對于以上的各種控制功能，主要應(yīng)由以下幾個方面來完成： (1)速度控制：堆垛機(jī)工作時在各種方向上的運(yùn)行速度； (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[10]。 2.3堆垛機(jī)的速度控制方案 在立體倉庫中，交流異步電動機(jī)是堆垛機(jī)系統(tǒng)中的驅(qū)動部件。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。隨著對于電動機(jī)調(diào)速性能要求的逐步提高，變頻調(diào)速技術(shù)得到了長足的發(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)的交流拖動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機(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)現(xiàn)異步電動機(jī)的無級調(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)帶動較大負(fù)載啟動時，會有較大的沖擊電流，若采用變頻器控制，可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的軟啟動，減小沖擊電流，從而解決了大負(fù)載的啟動問題。另外，變頻器還具有很強(qiáng)的保護(hù)功能，在電機(jī)運(yùn)行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別（如電網(wǎng)瞬時電壓降低，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)，將會使調(diào)速系統(tǒng)變得更加簡單。 綜上所述，采用改變供電電源頻率的調(diào)速方法，從本質(zhì)上講，是一種無級、平滑而又經(jīng)濟(jì)的調(diào)速方法。變頻時使電壓按不同規(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機(jī)的變頻調(diào)速問題。因此，在本SRMC系統(tǒng)中，我們選擇變頻調(diào)速的方式對電動機(jī)進(jìn)行速度的控制[16][20]。 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、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路以及保護(hù)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(guān)控制、對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)動電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 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（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(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，但價格高于繼電器。與個人計(jì)算機(jī)相比，PLC是一種用于工業(yè)自動化控制的專用微機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，價格也較低。單板機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價格低，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，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)[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(shù)字計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)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(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種型的機(jī)械或生產(chǎn)過程，具有適用于各類控制所必需的高可靠性、配置擴(kuò)充的靈活性。對于工程技術(shù)人員來說，它具有簡單易學(xué)、使用維修方便等特點(diǎn)。PLC自問世以來，經(jīng)過30多年的發(fā)展，己經(jīng)成為最受歡迎的工業(yè)控制類產(chǎn)品，較好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的安全、可靠、方便、靈活、經(jīng)濟(jì)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(jī)系統(tǒng)基本相同。按結(jié)構(gòu)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(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立的I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。主機(jī)中，CPU是PLC的核心，I/O單元是連接CPU與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)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(yīng)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(lián)系。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴(kuò)展底板。CPU底板與擴(kuò)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(jié)構(gòu)類型的PLC，都可以根據(jù)需要進(jìn)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(jīng)中樞，它是PLC的運(yùn)算、控制中心，按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，可以完成以下任務(wù)： ①接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)； ②診斷電源、PLC內(nèi)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(shù)據(jù)寄存器保存起來； ④PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進(jìn)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(jié)果送至輸出端。 現(xiàn)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(qiáng)，還可以借用微機(jī)成熟的實(shí)時操作系統(tǒng)和豐富的軟硬件資源； ②單片機(jī)，如8051等。單片機(jī)由于集成度高、體積小、價格低和可擴(kuò)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(dú)立于微型機(jī)的另一分支。它主要追求運(yùn)算速度快，它以4位為一片。用幾個位片級聯(lián)，可以組成任意字長的微處理器。改變程序存儲器的內(nèi)容，可以改變計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。位片式結(jié)構(gòu)可以使用多個微處理器，將控制任務(wù)劃分為若干個可以并行處理的部分，幾個微處理器同時進(jìn)行處理。這種高運(yùn)算速度與可以適應(yīng)用戶需要的指令系統(tǒng)相結(jié)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(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下三種： ①系統(tǒng)程序存儲器：和各種計(jì)算機(jī)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(tǒng)程序，系統(tǒng)程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統(tǒng)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(jù)控制功能要求而編制的應(yīng)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(jīng)常改動、調(diào)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(shù)據(jù)，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(hù)RAM，以免電源掉電時，丟失用戶程序。當(dāng)用戶程序調(diào)試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序?qū)懭隕PROM； ③工作數(shù)據(jù)存儲器：工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲在RAM中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)，開辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表。 元件映象寄存器用來存儲PLC的開關(guān)量輸入/輸出和定時器、計(jì)數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部繼電器的ON/OFF狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù)，它的標(biāo)準(zhǔn)格式為每一個數(shù)據(jù)占一個字。它存儲用戶程序執(zhí)行時的某些可變參數(shù)值，如定時器和計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值和設(shè)定值。它還用來存放A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果等。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在停電時用后備電池維持其當(dāng)前值，在停電時可以保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲器區(qū)域稱為數(shù)據(jù)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(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系，輸入單元接收操作指令和現(xiàn)場的狀態(tài)信息，如控制按鈕、操作開關(guān)和限位開關(guān)、光電管、繼電器觸點(diǎn)、行程開關(guān)、接近開關(guān)等信號，并通過輸入電路的濾波、光電隔離和電平轉(zhuǎn)換等將這些信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)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(diǎn) 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，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(tǒng)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(shè)置了連鎖保護(hù)、自診斷電路等[12][27]。 (2)軟件方面： ①設(shè)置故障檢測與診斷程序； ②當(dāng)軟故障條件出現(xiàn)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(jìn)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(diào)節(jié)正常后，便可以恢復(fù)故障發(fā)生前的狀態(tài)，恢復(fù)原來的工作； ③編程簡單、使用方便。目前大多數(shù)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(jù)具體問題設(shè)計(jì)了如步進(jìn)梯形指令等，進(jìn)一步簡化了編程； ④設(shè)計(jì)安裝容易、維護(hù)工作量少、功能完善、通用性強(qiáng)、體積小、能耗低、性能價格比高。 2.4.5 PLC控制系統(tǒng)的類型選擇 一般來說，PLC控制系統(tǒng)有以下三種類型： (1)PLC構(gòu)成的單機(jī)系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的被控對象是單一的機(jī)器生產(chǎn)或生產(chǎn)流水線，其控制器是由單臺PLC構(gòu)成，一般不需要與其它PLC或計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。但是，設(shè)計(jì)者還要考慮將來是否聯(lián)網(wǎng)的需要，如果有的話，應(yīng)當(dāng)選用具有通信功能的PLC。如圖2-4所示。 圖2-4 單機(jī)系統(tǒng) 圖2-5集中控制系統(tǒng) (2)PLC構(gòu)成的集中控制系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的被控對象通常是由數(shù)臺機(jī)器或數(shù)條流水線構(gòu)成，該系統(tǒng)的控制單元由單臺PLC構(gòu)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(shù)據(jù)、狀態(tài)不需要另外的通信線路。但是，這種系統(tǒng)也有一個缺點(diǎn)，一旦PLC出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將停止工作。對于大型的集中控制系統(tǒng)，通常采用冗余系統(tǒng)克服上述缺點(diǎn)。如圖2-5所示。 (3)PLC構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng) 這類系統(tǒng)的被控對象通常比較多，分布在一個較大的區(qū)域內(nèi)，相互之間比較遠(yuǎn)，而且，被控對象之間經(jīng)常地交換數(shù)據(jù)和信息。這種系統(tǒng)的控制器采用若干個相互之間具有通信功能的PLC構(gòu)成，系統(tǒng)的上位機(jī)可以采用PLC，也可以采用工控機(jī)。如圖2-6所示。 圖2-6分布式控制系統(tǒng) 使用四臺電機(jī)，兩臺變頻器，單臺PLC進(jìn)行多個對象的控制，并且我們用一臺微型計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控，所以我們采用如圖2-7所示的PLC控制系統(tǒng)。 圖2-7 PLC控制系統(tǒng) 2.5堆垛機(jī)的定位控制方案 堆垛機(jī)的定位控制方法很多，現(xiàn)就幾種典型方法介紹如下： (1)常規(guī)的限位開關(guān)定位方法 堆垛機(jī)在運(yùn)行過程中，要先確定目前的位置，然后才能根據(jù)目標(biāo)信號決定控制狀態(tài)。例如：堆垛機(jī)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(dá)平層位置時，再停車準(zhǔn)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(guān)，即上、下平層限位開關(guān)和平層限位開關(guān)。 圖2-8平層開關(guān)示意圖 如圖2-8所示，當(dāng)堆垛機(jī)在上升時，首先碰到下平層限位開關(guān)，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(yù)先設(shè)定的減速曲線，控制堆垛機(jī)開始減速，當(dāng)停下時，進(jìn)入貨物存取狀態(tài)[13][14]。 (2)認(rèn)址片的定位方法[13] 采用認(rèn)址片的定位方法時，準(zhǔn)確地認(rèn)址定位是正確存取貨物的關(guān)鍵。 圖2-9認(rèn)址片結(jié)構(gòu) 認(rèn)址片結(jié)構(gòu)如圖2-9所示，認(rèn)址方法如下：在巷道地基上相對于每列貨格安裝固定的認(rèn)址片（擋板），在堆垛機(jī)底部安裝4個光電開關(guān)（GDl和GD2）與（GD3和GD4）隨堆垛機(jī)一起前后運(yùn)動，每經(jīng)過列貨格，光電開關(guān)通過認(rèn)址檔板發(fā)出脈沖信號到PLC從而達(dá)到列認(rèn)址目的。同樣，在堆垛機(jī)立柱上相對于每層安裝認(rèn)址片，在其升降臺安裝光電開關(guān)（GD5和GD6）隨升降臺一起上下運(yùn)動，達(dá)到層認(rèn)址的目的。光電開關(guān)的脈沖輸入信號作為PLC內(nèi)部認(rèn)址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號，計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值作為速度控制的依據(jù)。當(dāng)堆垛機(jī)到達(dá)目標(biāo)貨格即計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值計(jì)到零時，發(fā)出停車信號使其停止運(yùn)行。 升降臺上的光電開關(guān)又用PLC內(nèi)部的計(jì)數(shù)器接收光電脈沖，升降臺每經(jīng)過一層，計(jì)數(shù)器減1計(jì)數(shù)，從而達(dá)到層方向認(rèn)址的目的。堆垛機(jī)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(dāng)發(fā)出停車信號后，堆垛機(jī)由于慣性還會滑行一點(diǎn)，這樣，光靠計(jì)數(shù)認(rèn)址很難達(dá)到精確定位的目的。為此我們把認(rèn)址片結(jié)構(gòu)做成如圖2-9所示的形式。用1號光電開關(guān)作為認(rèn)址計(jì)數(shù)開關(guān)，計(jì)數(shù)到零時發(fā)出停車信號，然后再利用1號和2號開關(guān)作精確定位。如果1號與2號開關(guān)同時有信號，說明已停準(zhǔn)；如果只2號開關(guān)有信號，說明己超過，點(diǎn)動堆垛機(jī)回退，再檢測比較；如果只1號開關(guān)有信號，說明還未到中心點(diǎn)，點(diǎn)動堆垛機(jī)前進(jìn)，再檢測比較。這樣達(dá)到準(zhǔn)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(tǒng)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(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，由于堆垛機(jī)的運(yùn)行是由曳引電動機(jī)來拖動的，因此曳引電動機(jī)正反轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)旋轉(zhuǎn)時，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，這樣只要計(jì)算出脈沖數(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。 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)或認(rèn)址片的定位方法，不僅廢工廢料，而且每個開關(guān)或認(rèn)址片的實(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) 本章針對立體倉庫中堆垛機(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)異步電動機(jī)的無級調(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 SRMC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 通過前面對于SRMC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本章將詳細(xì)分析系統(tǒng)中各個組成硬件的原理與特點(diǎn)，并根據(jù)貨物存儲系統(tǒng)的實(shí)際工作環(huán)境，選擇適合本系統(tǒng)的設(shè)備型號以及參數(shù)，完成SRMC系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)出電氣原理圖。 3.1 SRMC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 圖3-1 SRMC系統(tǒng)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倉庫的SRMC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。一臺作為上位監(jiān)控機(jī)的計(jì)算機(jī)通過RS232C接口與PLC相連，可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)控管理。拖動系統(tǒng)主要由三相交流電源、變頻器、交流接觸器K1、K2和驅(qū)動電動機(jī)M等幾部分構(gòu)成，與電動機(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傳輸。 (1)PLC發(fā)往變頻器的控制信號主要有： ①PLC檢測系統(tǒng)工作正常,允許變頻器工作的信號； ②堆垛機(jī)運(yùn)行方向的信號； ③堆垛機(jī)運(yùn)行速度的信號； ④堆垛機(jī)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(bào)警輸出，允許PLC控制其運(yùn)行）； ②堆垛機(jī)速度信號； ③速度一致信號（變頻器上的速度指令與電動機(jī)實(shí)際運(yùn)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(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)對堆垛機(jī)位移的精確控制。 3.2電動機(jī)的選型 作為整個堆垛機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動速度驅(qū)動者，電動機(jī)的合適選取十分重要。針對該立體倉庫的實(shí)際工作情況，設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足以下參數(shù)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(jù)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、貨叉伸縮及升降共4臺電機(jī)。 首先，在選用電動機(jī)前應(yīng)當(dāng)考慮以下問題： (1)在機(jī)械與電氣方面對反復(fù)起動停止的操作都應(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，特別是起動轉(zhuǎn)矩應(yīng)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(zhuǎn)數(shù)應(yīng)適宜于減速裝置的結(jié)構(gòu)； (6)應(yīng)有可靠的外殼保護(hù)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： =()×a×/(1000×η)＝5500×1.5×0.5/(1000×0.9)=4.58(kW) 對于垂直運(yùn)行電機(jī)，其功率的計(jì)算如下： =×g×/(1000×η)=1200×9.8×0.5/(1000×0.8)=7.35(kW) 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)動較水平方向?qū)τ陔妱訖C(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)動對于電動機(jī)功率的要求。考慮到可能發(fā)生的過載情況，對于垂直電機(jī)的選取，我們選擇11kW的電動機(jī)。而對于水平電機(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)所選擇的電動機(jī)主要參數(shù)如下： 電動機(jī)型號：Y型160M-4 額定功率： =11kW 額定轉(zhuǎn)速： =1460r/min 額定電流：In=22.6A 3.3變頻器的選型 目前，交流調(diào)速傳動已經(jīng)上升為電氣調(diào)速傳動的主流。中、小容量范圍內(nèi)，采用自關(guān)斷器件的全數(shù)字控制PWM變頻器己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通用化。全數(shù)字控制方式的軟件功能不但考慮到通用變頻器自身的內(nèi)在性能，而且還融入了大量的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)、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(shí)。變頻器的應(yīng)用主要有兩個方面：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生產(chǎn)工藝調(diào)速的要求而進(jìn)行的變頻器的應(yīng)用。對于立體庫系統(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