巷道式雙立柱堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、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) Abstract With the development of computer information tech

2、nology , 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 more attention and have been used widely , SRM is the most important conveying and lif

3、ting equipment in automated high-rise warehouse .Thispaper 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 Storage .The paper had carried on the equipmentselection and the parameter computation o

4、n the hardware of Storage and Retrieval Machine,haddrawn the electrical principle diagram.The design of control system for SRM is discussed .The program of the PLC is also given. KEY WORDS : SRMPLC technologycontrol system 目錄 1 緒論 3 1.1 自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)概述 4 1.1.1 堆垛機(jī)的分類 4 1.1.2 堆垛機(jī)的組成 4 1. 2

5、 課題的背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 6 1.1.1 課題背景 6 1.1.2 堆垛機(jī)系統(tǒng)在國內(nèi)外的研究狀況 6 1.3 本課題的研究目的及主要研究內(nèi)容 7 2 堆垛機(jī)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 7 2.1 堆垛機(jī)系統(tǒng) 8 2.2 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的功能要求 9 2.3 堆垛機(jī)的速度控制方案 10 2.3.1 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 10 2.3.2 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 11 2.3.3 變頻調(diào)速的工作原理 11 2. 4 系統(tǒng)主控制器的選擇方案設(shè)計(jì) 12 1.1.1 PLC 簡(jiǎn)介 12 1.1.2 PLC 各部分功能 14 1.5 堆垛

6、機(jī)的定位控制方案 15 1.6 本章小結(jié) 15 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 17 3.1 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 17 3.2 電動(dòng)機(jī)的選型 18 3.3 變頻器的選型 19 3.3.1 VS-616G5 型變頻器的特點(diǎn) 19 3.3.2 VS-616G5 型變頻器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格 19 3.3.3 VS-616G5 型變頻器的端子配備 19 3.3.4 變頻器的容量計(jì)算 21 3.3.5 PG 速度控制卡的選擇 22 3.3.6 變頻器制動(dòng)電阻參數(shù)的計(jì)算 23 3.4 PLC 的選型 23 3.4.1 FX-2N 系列 PLC的特點(diǎn)

7、 23 3.4.2 機(jī)型的配置 24 3.5 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)其它主要硬件的選取 24 3.5.1 旋轉(zhuǎn)編碼器 24 3.5.2 光電開關(guān) 25 3.5.3 電磁閘 25 3.5.4 斷路器、接觸器 26 3.6 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的電氣原理圖 26 4 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 27 4.1 程序設(shè)計(jì)軟件 27 4.2 機(jī)型的配置及 I/O 點(diǎn)數(shù)的分配 28 4.3 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 29 結(jié)論 36 致謝 37 附錄 39 附錄 1 39 附錄 2 錯(cuò)誤！未定義書簽。 1 緒論 自動(dòng)化立體倉庫

8、是物料搬運(yùn)、倉儲(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 .上橫梁2. 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 】2 L 1.1 自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)概述 1.1.1 堆

9、垛機(jī)的分類 堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉庫中貨物進(jìn)出倉庫的主要執(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 3]4]o 1.1.2 堆垛機(jī)的

10、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 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. 設(shè)備以及各種安全保護(hù)裝置等部分組成(如圖 1所示) 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

11、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：國內(nèi)最高達(dá)到100m/min,國外(日本)已達(dá)到160m/min.最低速 度4m/mi

12、n。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：國內(nèi)最高達(dá)30m/min,國外(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

13、多用變頻調(diào)速。 (4)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，其長度須為原來長度的兩倍以上。貨叉全收回后，結(jié) 構(gòu)尺寸需盡量小 。 貨叉伸縮速

14、度一般為 8—— 10m/min ， 高的可達(dá) 30m/min 左右， 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)倉庫系統(tǒng) ）控制的要求。 （

15、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)

16、，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)斷絕保護(hù)當(dāng)鋼絲繩斷裂時(shí)，斷絕保護(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 課題的背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 課題背景 立體倉庫的產(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 倉庫的越來越多，立體倉儲(chǔ)技術(shù)已

17、成為一門新興的學(xué)科。堆垛機(jī)是自動(dòng)化倉庫的主要作業(yè) 機(jī)械，擔(dān)負(fù)著出庫，入庫等任務(wù)，是立體倉庫的核心部件。自動(dòng)化倉庫的發(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。國外立體倉庫普遍采用抗干 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

18、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第一座自動(dòng)化立體倉庫，并在北京汽車制 造廠投產(chǎn)。從此以后，立體倉庫在我國得到了迅速的

19、發(fā)展。目前，浙江海通集團(tuán)是國內(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，在國內(nèi)立體倉庫堆垛機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，電機(jī)減速機(jī)普遍采用德國、日本、意大 利的產(chǎn)品，也有少數(shù)采用國內(nèi)的電機(jī)減速機(jī)。由于堆垛機(jī)是立體倉庫中最重要的運(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)精度士 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

20、完善。世界主要工業(yè)國家都把 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)。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)將不斷從國外引進(jìn)消化到國內(nèi)，使我國的堆垛機(jī)技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的階段 91 0 1.3 本課題的研究目的及主要研究內(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

21、擔(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、 PG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)

22、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。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。 計(jì)算機(jī) 八 _k 址垛機(jī) 地面控制盤 地面總控制盤＜一 堆垛機(jī) 地面控制盤 機(jī)上 控制盤 機(jī)上 控制盤 輸出裝置 輸出裝置 圖2—1 SRMC系統(tǒng)

23、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(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

24、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。 初始化 正常運(yùn)行 點(diǎn)動(dòng)檢修 后例行走 按給定速度曲線運(yùn)動(dòng) 是看到位 存貨 返回起始點(diǎn) 機(jī)的開 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)； 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)

25、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 (2)堆垛機(jī)沿立柱(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) 13】15】。 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

26、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 同。 2.3堆垛機(jī)的速度控制方案 在果蔬氣調(diào)立體倉庫中，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、用阻調(diào)速、用極調(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)

27、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 性能要求的逐步提高，變頻調(diào)速技術(shù)得到了長足的發(fā)展 17]18 ]0 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)行包轉(zhuǎn)矩調(diào)速和包功率調(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

28、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(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) 18]20 ]0 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

29、由控制電路和主電路構(gòu)成?？刂齐娐钒ㄖ骺刂齐娐贰⑿盘?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?？?制電路的優(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?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19 aL 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

30、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22123 L 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： n0 =60f /p 式（2.1） 式中：n0 電機(jī)

31、的同步轉(zhuǎn)速 f- 供電電源頻率（Hz） P 電機(jī)定子磁極對(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： n =n0(1 —s) =60f (1—s)/p 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)上講，是一種無級(jí)、平滑而又 經(jīng)濟(jì)的調(diào)速方法

32、。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(PL?？刂频鹊?。 PLC的梯形

33、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PLG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 24 旭5 1 0 綜上所述，

34、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)。 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PLG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 易于擴(kuò)展其功能的原則

35、設(shè)計(jì)。 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, 事實(shí)上，PLC就是以嵌入式CPU»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。 指示燈 圖2-4PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 接觸器 繼電器 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)合輸入信號(hào)的變化，確定輸出口

36、工作的，當(dāng)然這不是 其全部內(nèi)容，全部內(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PLG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)器容量和類

37、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 EEPRAMEPRAM3。 I/O總數(shù) PLC有開關(guān)量和模擬量兩種I/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

38、積、大容量、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®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；PLCf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)

39、器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。 系統(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

40、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。

41、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)

42、，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。 接收器 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， 定且定位質(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

43、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(duì)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(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（PL。，并結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求

44、，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) ??一相電源 控制怡號(hào) 反饋括號(hào) 計(jì)數(shù)味沖 C Il T ? 圖3-1硬件結(jié)構(gòu)框圖 圖3-1為采用可編程控制器（PL。作為主控制器的立體庫的堆

45、垛機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框 圖14 L 一臺(tái)作為上位監(jiān)控機(jī)的計(jì)算機(jī)通過 RS232Gg 口與PLC相連，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全 面的監(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僉測(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)。

46、（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

47、/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)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: Pbl =(m1 +m2) x

48、ot xvmax /(I000xn) = 5700x1.5x 0.5/900 = 4.75Kw^(3.1) 對(duì)于垂直運(yùn)行電機(jī)，其功率的計(jì)算如下: P=m3< gx Vmax/(1000 x 4 >9.8 ：0.5/(1000 0B)=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。考慮到可能發(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)

49、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：R -7.5Kw 額定轉(zhuǎn)速：ne =1440r/min 額定電流：1n =15.2A 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) 2”。 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

50、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??； (4)保護(hù)功

51、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；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

52、220V 400V 容量，也圍KVA 1.2 ?110KVA 1.4 ?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% 正弦波PW酷制： 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 15（ %/1Hz（ 無 PG} 150%/Or/min（ 帶 PG） 速度控制范圍 1 :10

53、0（ 無 PG） 1:1000（ 帶 PG） 速度控制精度 ±0.2%（無 PG） 0.02%（ 帶 PG） 速度響應(yīng) 5H z （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 數(shù)令± 0.01% （— 10C?+ 400） （溫度變動(dòng)） 模擬式指令± 0.1% （25C?士 100） 頻率設(shè)定分辨率 數(shù)字式指令 0.01Hz/100Hz （運(yùn)算分辨率） 模擬限令0.03Hz/60Hz 輸

54、出頻率分辨率 ? 0.01Hz 過我里 額定輸出電流的150%1min 頻率設(shè)定彳也 — 10V?10V, 0V?10V, 4m/V 20mA 加減速時(shí)間 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 （ 200V 24kVA 400V 26kVA 以卜可選擇） 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X2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，電仃降， 過電壓，輸入缺相

55、 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

56、 障完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)操作，這里首先要清楚以下內(nèi)容 19］。 (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，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)，

57、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X 1.1 I I I 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

58、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In =15.2A 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： ln v -1.1Imax 式（3.3）  式中：Ilnv為變頻器額定輸出電流 Imax為電動(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 Imax約為17A,代入上式（3.3）

59、則有： Iinv>17x1.1=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 型號(hào)最 CIMR-G5A 型號(hào) :適用 電機(jī)功率 （KW 額定輸出 電源 允許 電壓引 皮動(dòng)2 頁率 支動(dòng) 額定 輸出功率 （KW） 前出成人力 電流（A） 俞出額定輸 電壓（V） 出 電壓（V 版率（HZN ）允許 頁率（H

60、Z） 40P7 0.75 2.6 3.4 三相 380/ 400/ 415/ 440/ 46 由參數(shù) 設(shè) 定，最 高 400Hz 可對(duì) 應(yīng) 三相380/ 400/ 415/ 440/ 460V , 50/60HZ 41P5 1.5 3.7 4.8 42P2 2.2 4.7 6.2 + 10% 15% + 5% 43P7 3.7 6.1 8 45P5 5 i.5 11 14 47P5 7.5 14 18 4011 11 21 27 4015 15 26

61、34 4018 18.5 31 41 1.1.5 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

62、垂直運(yùn)行的堆垛機(jī)載貨臺(tái)不會(huì)因轉(zhuǎn)矩不夠而下墜，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 口門 脈沖輸入，開路集電極或補(bǔ)碼輸出， V/f控制專再 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（2P 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 1.1.6 變頻器制動(dòng)電阻參數(shù)的計(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

63、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)長時(shí)

64、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 Rs的大小應(yīng)使制動(dòng)電流Is的值不超過變頻器額 定電流的一半，即 Iz =Ud/R 5nv/2 = 34/2= 17(A) 其中，Ud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

65、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3°]? PLC選型的一般流程如下： ⑴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； ⑵建立I/O分配表，繪制PLC的輸入、輸出接線圖； 3.4.1 控制要求繪制程序的流程圖，繪制用戶程序，裝入 PLC的用戶程序存儲(chǔ)器并 進(jìn)行初步測(cè)試，從而選擇滿足要求的 PLC。 3.4.2 FX-2N 系列PLC的特點(diǎn) 三菱FX-2N系列PLC采用緊湊的箱體式結(jié)構(gòu)，安裝方便。它可由不同點(diǎn)數(shù)的基本單 元和擴(kuò)展單元構(gòu)成，主單元

66、的輸入輸出點(diǎn)數(shù)比為 1:1,并可按照實(shí)際需要，靈活進(jìn)行配 置和擴(kuò)展。FX-2N系列還有很多的特殊功能單元，如：高速計(jì)數(shù)單元、位置控制單元、模 擬量I/O單元等等，可通過擴(kuò)展口等方式與主機(jī)相連。 FX-2N系列的最大I/O點(diǎn)數(shù)為256 點(diǎn)。程式容量為8000步，并可以擴(kuò)展至16000步。對(duì)于本設(shè)計(jì)來說，完全可以滿足要求。 環(huán)境規(guī)格是指PLC能正常工作的外部環(huán)境條件，F(xiàn)X-2N系列PLC能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的 惡劣條件，對(duì)環(huán)境的要求很低，一般的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)均可滿足這些要求。對(duì)于本庫來講，其內(nèi) 部的環(huán)境是低溫潮濕，而 FX-2N系列PLC可在溫度為—20C,相對(duì)濕度為35%?85%RH （不結(jié)露）的環(huán)境下正常工作。故本設(shè)計(jì)選取三菱 FX-2N系列PLC作為系統(tǒng)的主控制器。 3.4.3 機(jī)型的配置 本設(shè)計(jì)中，共有3臺(tái)電機(jī)、2臺(tái)變頻器、6個(gè)限位開關(guān)、貨架采用6層6歹上需要40 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，25個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，共計(jì)65個(gè)I/O點(diǎn)。 考慮到PLC輸出需接電磁閥和接觸器線圈，要求大電流輸出，宜選擇繼電器輸出型， 這里選擇三菱FX2N-80MR-001型PLC,其I/O點(diǎn)總數(shù)為80個(gè)，可以滿足系統(tǒng)的需求。 3.5 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)其它主要硬件的選取 3.5.1 旋轉(zhuǎn)編碼器 堆垛機(jī)工作時(shí)