（机械工程专业论文）堆垛机提升系统控制策略研究与应用.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 摘噩 摘要 交流变频调速技术，是一门综合性的技术。由于在各种异步电动机调速系统 中效率最高，同时性能也是最好，是现代电力传动技术的重要发展方向。近年来， 随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，变频器已经广泛的用于 交流电机的速度控制，在这一领域日益发挥重要的作用。 本文对交流变频调速系统进行了回顾与展望，简单论述了变频调速的基本原 理，同时描述了变频器驱动电机的特性。介绍了玉溪红塔集团生产二部自动化立 体仓库，重点是对堆跺机提升系统控制策略进行分析研究。通过对堆垛机的提升 控制系统进行可靠性分析，对比行驶和伸叉控制系统，找出提升控制系统中控制 方法最薄弱的环节，建立了提升控制系统的改进模型，提出了提升控制系统的改 进方案，对堆垛机的升降电机控制采用交流变频调速方法，代替原系统中提升电 机的变级调速控制，以使堆垛机在升降时获得更高的定位精度和运行速度。 本文基于g p d 3 4 0 2 变频器的变频调速方式进行应用开发，对堆跺机提升电机 采用变频调速控制，采用g p d 3 4 0 2 变频器及p l c ，组建开环调速系统，分别应用恒 压频比、无速度传感器、矢量控制、转差补偿控制技术。经过对原系统的p i 。c 进 行扩展，并应用目立p l c 相关软件对变频器进行了通讯控制，应用结构化程序设 计，编制出控制梯形图，成功地对堆垛机提升电机进行变频调速控制。通过实际 系统的运行和调试，堆垛机的提升控制系统在控制中获得了更高的定位精度和更 快的运行速度。 关键词：交流变频调速系统，提升系统，变频器，堆跺机，控制。 论文类型：应用研究 重庆大学工程硕士学位论文 a b s 仃a c t a b s t r a c t t h ea cv v v f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) s p e e dr e g u l a t i o ni sa i n t e g r a t e dt e c h n o l o g y d u et ot h eh i g h e s te f f i c i e n c ya n dt h eb e s tc a p a b i l i t yi nt h e a cs p e e dc o n t r o ls y s t e m t h ea cv v v fs p e e dr e g u l a t i o ni s r e g a r d e da s a i m p o r t a n tf i e l di nm o d e r ne l e c t r i c a lt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h e i m p r o v e m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，m i c r o e l e c t r o n i c sa n dm o d e r nc o n t r o lt h e o r y , t h ef r e q u e n c yc o n v e r t e rh a sb e e np u ti nw i d eu s ei ns p e e dr e g u l a t i o no fa c m o t o r s ，a n di sp l a y i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l d i na d d i t i o n t h es y s t e mo fa cv v v fs p e e dr e g u l a t i o ni sr e v i e w e da n d p r o s p e c t e d t h eb a s i cp r i n c i p l eo fv v v fa n dt h ec a p a c i t yo fm o t o ro ft h e f r e q u e n c yc o n v e r t e ra r ed i s c u s s e d 。a n dt h ea u t o - s o l i ds t o r a g ei nd e p a r t m e n ti i i ny u x ih o n g t ag r o u pi si n t r o d u c e di nt h et h e s i s t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fh o i s ts y s t e mo fs t a c k e rc r a n ei s s t u d i e d t h r o u g h r e l i a b i l i t ya n a l y s i n go fc o n t r o ls y s t e mo fh o i s t ，c o m p a r i s o no fr u n n i n ga n df o r k m o v e m e n ts y s t e m ，t h ew e a k n e s so fc o n t r o l l i n gm e t h o d o l o g yo fh o i s ts y s t e mi s f o u n da n dt h e nc r e a t e st h ei m p r o v i n gm o d e la n dt h ep r o p o s a lo fc o n t r o l l i n g s y s t e mo fh o i s t i nw h i c hu s ea cv v v fs p e e dr e g u l a t i o ni n s t e a do fv a r i a b l es p e e d r e g u l a t i o n s oa st og e tt h es t a c k e rc r a n ew i t hb e t t e ro r i e n t a t i o np r e c i s i o na n d r u n n i n gs p e e d t h eg p d 3 4 0 2i n v e r t e ra n dp l cb e i n gs e l e c t e dt os e tu po p e n 1 0 0 pa n d c l o s e d - l o o ps p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m s ，a p p l y i n g t h ei n v a r i a b l ev ，fc o n t r o l ， s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o l ，s l i pc o m p e n s a t i o n ，p r o c e s sp ia n dn e t w o r kc o n t r o l t e c h n o l o g i e sc o n t r o lt h eh o i s tm o t o ro ft h es t a c k e rc r a n e t h ec o n t r o l l i n gt r a p e z i a i sf i n i s h e db ye x t e n s i o no ff o r m e rp l c a p p l y i n gt h es o f tw a r eo fh i t a c h ip l ct o c o n t r o lt h ei n v e r t e rc o r r e s p o n d i n g l y , a n ds t r u c t u r ep r o c e s sd e s i g n t h e nt h eh o i s t m o t o ro ft h es t a c k e rc r a n ei sc o n t r o l l e ds u c c e s s f u l l yb yt h ew v fs p e e d r e g u l a t i o na n dt h eb e t t e ro r i e n t a t i o np r e c i s i o na n dr u n n i n gs p e e do fs t a c k e rc r a n e a r ee x p r e s s e di nt h ep r a c t i c e k e yw o r d s ：a c v v v f s p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m ；h o i s ts y s t e m ；i n v e r t e r ； s t a c k e rc r a n e ；c o n t r o l t y p eo ft h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i i 嚣庆人学工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 自动化立体仓库是一种功能多、规模大、利用率高的物资配运中心，广泛地 运用于大型仓库，能按照编制的入库单出库单自动地把物件从入口处搬运到目的 货位或从指定货位把物件搬运到出口处。自动化立体仓库作为现代物流系统中的 主要组成部分，是一种多层次存放货物的高架仓库系统，由自动控制与管理系统、 货架、巷道式堆垛机、出入库输送机等设备构成，能按指令自动完成货物的存储 作业，并能对库存货物进行自动管理、是企业现代化的重要手段之一。有轨巷道 堆垛起重机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，通常简称为堆垛机。 堆垛机是立体仓库中最重要的起重运输设备，是代表立体仓库特征的标志。其主 要用途是在高层货架仓库的巷道内沿轨道运行，将位于巷道口的货物存入货格； 或者相反，取出货格内的货物运送到巷道口，完成出入库作业。2 0 世纪7 0 年代初 期，我国开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库，据不完全统计，到目前已建成 三百余座。堆垛机作为立体仓库中最重要的起重运输设备，随着自动化技术的进 步，其本身也得到了较快的发展。 1 1 立体仓库简介 1 1 1 自动化技术在仓储领域的发展 自动化技术在仓储领域( 包括主体仓库) 中的发展可分为五个阶段：人工仓 储阶段、机械化仓储阶段、自动化仓储阶段、集成化仓储阶段和智能自动化仓储 阶段。在9 0 年代后期及2 1 世纪的若干年内，智能自动化仓储将是自动化技术的 主要发展方向。 第一阶段，物资的输送、存储、管理和控制主要靠人工实现，其实时性和直 观性是明显的优点。人工仓储技术在初期设备投资的经济指标也具有优越性。 第二阶段，物料可以通过各种各样的传送带，工业输送车、机械手、吊车、 堆垛机和升降机来移动和搬运，用货架托盘和可移动货架存储物料，通过人工操 作机械存取设备，用限位开关，螺旋机械制动和机械监视器等控制设备的运行。 机械化满足了人们对速度、精度、高度、重量、重复存取和搬运等要求。 第三阶段是自动化仓储技术阶段，自动化技术对仓储技术的发展起了重要的 促进作用。5 0 年代末和6 0 年代，相继研制和采用了自动导引小车( a v g ) 、自动 货架、自动存取机器人、自动识别和自动分拣等系统。7 0 年代和8 0 年代，旋转 式货架、移动式货架、巷道式堆垛机和其他搬运设备都加入了自动控制的行列， 但这时只是各个设备的局部自动化并各自独立应用，被称为“自动化孤岛”。随 着计算机技术的发展，工作重点转向物资的控制和管理要求实时，协调和体化， 住处自动化技术逐渐成为仓储自动化技术的核心。计算机之间、数据采集点之间、 重庆人学j ：程硕士学位论文第一章绪论 机械设备的控制器之间以及它们与主计算机之间的通讯可以及时地汇总信息，仓 库计算机及时地记录订货和到货时间，显示库存量，计划人员可以方便地做出供 货决策，他们知道正在生产什么、订什么货、什么时间发什么货、管理人员随时 掌握货源及需求。信息技术的应用已成为仓储技术的重要支柱。 第四阶段是集成自动化仓储技术阶段，在7 0 年代末和8 0 年代，自动化技术 被越来越多地用到生产和分配领域，显然，“自动化孤岛”需要集成化，于是便 形成了“集成系统”的概念。在集成化系统中，整个系统的有机协作，使总体效 益和生产的应变能力大大超过各部分独立效益的总和。 集成化仓库技术作为计算机集成制造系统( c i m s - - c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u c a c t u r i n gs y s t e m ) 中物资存储的中心受到人们的重视。虽然人们在8 0 年 代已经注意到系统集成化，但至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多。在集 成化系统里包括了人、设备和控制系统。 第五阶段是智能自动化仓储技术，人工智能技术的发展，使自动化技术向 更高级的阶段智能自动化方向发展。现在，智能自动化仓储技术还处于初绂 发展阶段，到二十一世纪仓储技术的智能化将具有广阔的应用前景。 1 1 2 自动化仓库的分类 自动化仓库的分类方式有： 1 按建筑形式分为整体和分离式。 2 按货物存取行式为单元架式，移动货架式和拣选货架式。 3 按货架构造形式分为单元货格式，贯通式水平循环式和垂直循环式仓库。 4 按所起的作用分为生产性仓库和流通性仓库。 5 按自动化仓库与生产联接的紧密程度分为独立型，半紧密型和紧密型仓库。 1 1 3 红塔集团自动化物流系统 红塔集团自动物流系统是1 9 9 6 年从韩国三星公司引进，是国内第一套大规模 的连接高架自动成品仓库、辅料仓库以及车间a g v 三位为一体的自动物流系统， 具有二十世纪九十年代初国际先进水平。玉溪红塔集团自动化物流系统的特点足 采用自动高架仓库、运输带和a g v 自动物流运输车一体化为卷接包生产车间服务， 集成品仓库、辅料仓库和生产车间为一个生产整体，这个生产整体的各个部分的 物流储存、流动、供料全部由物流系统自动完成。物流系统包含的设备有：成品 仓库、辅料仓库、辊链式输送机、a g v 小车控制系统和计算机控制及信息通讯系 统。 1 成品仓库 一个含5 台堆垛机和6 0 8 0 个货位的成品仓库，用于存放卷烟成品。堆垛机为 双柱、双又及双货位运载，货架分8 层，每个货位一个托盘可装载6 0 0 公斤( 装成 重庆大学工程硕士学位论文第一章绪论 品2 8 件) 。配备计算机数据库及控制系统统计和控制成品的出库、入库时间。入 库采用就近堆放，出库顺序采取先进先出的原则。 2 辅料仓库 一个含3 台堆垛机和5 1 8 4 个货位的辅料仓库，用于存放卷烟辅料，诸如卷烟 纸、滤嘴棒盘纸、水松纸、铝纸、小盒、条盒、纸箱等等。空气调节系统对辅料 仓库的温度和湿度进行控制，使各种辅料存入仓库后存放3 天以上再进入生产线， 这样辅料的材质指标满足生产工艺要求( 温度、湿度等) ，可以降低废品率，减少 辅料损耗。堆垛机为双柱、双叉及双货位运载，货架高1 8 米分1 2 层，每个货位 一个托盘可装载6 0 0 公斤料。 3 辊链式输送机 一套辊链式输送机，用于连接成品库进口、辅料库出口和a g v 自走车系统， 完成出、入库的货盘输送工作。堆垛机和辊链式输送机的电控系统采用可编程逻 辑控制器( p l c ) 为主控器件，实现计算机集成监控系统。 4 a g v 无人自动导引车系统 玉溪红塔烟草集团生产二部的卷包车间包含2 6 辆自动导引车及2 6 个自动充 电站，在车间生产线上和成品库入口及辅料库出口处，设置了4 5 0 多个成品与辅 料的输送站台。自动导引车为左、右伸叉式，载重量为6 0 0 公斤，最大行走速度l 米秒，单向行驶。a g v 是整个物流系统的大动脉，它由电源动力装置、光电检测 装置，电磁导引信号接收装置、自动取放物品装置等构成。 5 中心计算机管理和控制系统 一套中心计算机控制系统控制包括两个高架仓库和自动导引车等整个的自 动化物流系统运行。中心计算机管理和控制系统实际上为典型的计算机局域咧， 其硬件配置为： 两台主控计算机a l p h as e v e r2 1 0 04 2 3 3 ，1 2 8 m b 内存，采用o s f i 操作 系统，开发语苦编程为c 语言，数据库管理系统为s y b a s e ； 一台高架库物流数据库服务器和一台生产线系统控制服务器，具有与厂级 计算机管理系统联网能力。 1 2 堆垛机简介 1 2 1 堆垛机的发展 初期的立体仓库使用的堆垛机，以桥式起重机为基础。这种堆垛机是从起 重机的大梁上悬挂一个门架( 立柱) ，利用门架的上下和旋转运动来搬运货物。1 9 6 0 年左右在美国出现了没有大梁的巷道式堆垛机。这种堆垛机是在地面的导轨上行 走，利用货架上部的导轨防止倾倒，或者是在上部导轨上行走，利用地面导轨防 止倾倒。在日本从1 9 6 7 年开始安装了高度为2 0 2 5 米高层堆垛机，1 9 6 9 年出 重庆大学工程硕士学位论文 第一章绪论 现了联机全自动化仓库。特别是1 9 7 3 年建成了一座贮藏生鲜食品的自动化冷藏库。 这是世界上第一座- - 4 0 的极低温仓库，解决了低温条件下堆垛机的可靠性和技 术方面的问题，取得了引人注目的成就。随着立体仓库的发展，巷道式堆垛机逐 渐代替了桥式堆垛机。我国是7 0 年代初期开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。 1 9 8 0 年，由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成的我国第一座自动化立体 仓库在北京汽车制造厂投产。从此以后，立体仓库在我国得到了迅速的发展。据 不完全统计，目前我国已建成的立体仓库近三百座，其中全自动的立体仓库有3 0 多个。我国的自动化仓库技术已实现了与其他信息决策系统的集成，正在做智能 控制和模糊控制的研究工作。 1 2 2 巷道式堆垛机的技术现状 按现行机械行业标准，有轨巷道堆垛机分类方式多种多样，如按支承方式、 用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。但无论何种类型的堆垛机般都由 水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。 在目前立体仓库应用中，堆垛机最常见的是按结构形式和运行轨迹分类。 一、 有轨巷道堆垛起重机的结构形式 从结构形式上区别，目前立体仓库中堆垛机有双立柱结构和单立柱结构。 1 双立柱堆垛机。双立柱结构的堆垛机机架由两根立柱和上横梁、下横粱组 成一个长方形框架。立柱形式有方管和圆管。方管兼作起升导轨，圆管附加起升 导轨。双立柱堆垛机的最大优点就是强度和刚性都比较好，并且运行平稳。一般 对于起重高度较高、起重量较大和水平运行速度高的立体仓库堆垛机多采用双立 柱结构。双立柱堆垛机的起升机构，普遍采用链条传动，由电机减速机驱动链轮 转动，通过链条牵引载货台沿立柱或起升机导轨作升降运动。由于链条牵引载货 台或配重装置，受空间尺寸限制，传动和布置较复杂，但定位较准确。 2 单立柱堆垛机。单立柱结构的堆垛机机架由一根立柱和下横梁组成。赢柱 多采用较大的h 型钢或焊接制作，立柱上附加导轨。整机重量较轻，消耗材料少， 因此制造成本相对较低，但刚性稍差。由于载货台及货物对立柱的偏心作用，以 及行走、制动时产生的水平惯性力作用，使单立柱堆垛机在使用上有局限性。彳i 适于起重重量大和水平运行速度高的堆垛机。单立柱堆垛机的起升结构，普遍采 用钢丝绳传动由电机减速机驱动卷筒转动，通过钢丝绳牵引载货台沿立柱或起 升钢轨作升降运动。对于钢丝绳传动，传动和布置相对容易，但定位准确性稍差。 二、 有轨巷道堆垛起重机的运行轨迹 堆垛机水平驱动装置一般安装在堆垛机下横粱上，通过电机减速机驱动车轮 转动，使堆垛机沿水平方向运行。此种地面驱动方式使用最为普遍。一般采用两 个承重车轮，沿敷设在地面上的轨道( 通常亦叫做地轨) 运行。通过下部两组水 重庆人学工程硕土学位论义 第一章绪论 平轮沿轨道运行导向，在堆垛机顶部两组导向轮沿上轨道( 通常亦叫做天轨) 运 行辅助导向。 按其运行轨迹形式区别，有直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机。 1 直线运行堆垛机。直线运行型堆垛机只能在巷道内直线轨道上运行，不能 自行转换轨道。只能通过其他输送设备转换巷道，如堆垛机转运车。直线型堆垛 机可以实现高速运行，能够满足出入库频率较高的立体仓库作业，应用最为广泛。 2 曲线运行型堆垛机。睦线运行型堆垛机车轮与下横粱是通过垂直轴铰接的， 能够在环形或其他曲线轨道上运行，即可以走曲线，不通过其他输送设备便可以 从一个巷道自行转移到另一个巷道。此种堆垛机通常亦叫做转轨堆垛机。曲线运 行型堆垛机在使用上有局限性，只适用于出入库频率较低的立体仓库。因为不但 场地要受到转弯半径的限制，而且转弯时速度特另0 慢，不能满足出入库频率高的 立体仓库作业。 三、堆垛机的技术参数 堆垛机作为立体仓库中重要的运输设备，其各项技术参数的选用，将直接影 响到整座立体仓库的运行效率和经济效益。合理的选择各项参数，将大大提高整 个系统的运行效率和经济效益。我国现阶段立体仓库中。堆垛机技术参数的选用 = ，和世界先进水平相比，存在着较大的差别。 1 堆垛机的速度参数。与堆垛机的速度有关的参数，主要指水平运行速度、 起升速度和货叉伸缩速度。这三项参数的高低，直接关系到出入库频率的高低。 2 堆垛机的尺寸参数。堆垛机的尺寸参数较多，例如起升高度、下降深度、 整机全长、最低货位极限高度等。其中最低货位极限高度，即货叉上表面从最低 一层货格的低位到地轨安装水平面的垂直距离。该参数涉及合理利用有效空间， 增加库容量，亦是评价堆垛机设计水平的标准之一。目前，国内立体仓库堆垛机 的最低货位极限高度普遍偏高。 3 堆垛机的货叉下挠度。货叉下挠度，是堆垛机的一项非常重要的性能参数， 直接关系到堆垛机是否能正常工作。因结构型式、材料及加工热处理工艺的限制， 同等状况下，目前国内立体堆垛机的货叉下挠度要比国外大2 0 3 0 。改进货叉 结构，合理选材，提高工艺手段，是减少货叉下挠度，保证堆垛机工作性能的重 要措施。 4 堆垛机的噪音。堆垛机在高速运行和升降中，特别是在同时进行时，由于 车轮与轨道摩擦和提升链条或钢丝绳的振动、摩擦等。将产生较大的噪音。标准 中规定，堆垛机在工作时，其噪声值不高于8 4 分贝。目前立体仓库实际应用表明， 对于行走速度不超过8 0 米分钟的，还可以保证，超过1 0 0 米分钟以上的，一般 难以保证。 重庆大学_ t 程硕土学位论文第一章绪论 四、有轨巷道堆垛起重机的驱动机构 目前，国内立体仓库堆垛机的驱动机构中，电机减速机普遍采用德国、i ；= l 本、 意大利的产品，也有少数采用国内的电机减速机。由于堆垛机是立体仓库中最重 要的运输设备、各项技术参数和综合性能要求都非常严格，如无故障率应大于9 7 ， 停准精度l o m m ，以及噪音要求等。这就要求电机减速机的可靠性非常高。因此， 现阶段在驱动机构中电机减速机的选用上，多选用国外先进的产品，以保证堆垛 机的整机性能。 1 2 3 红塔集团的堆垛机 红塔集团生产二部自动化仓库共有8 台巷道式双立柱堆垛机，成品库5 台， 辅料库3 台，全部是韩国三星公司制造，1 9 9 6 年年底投产使用。它们负责整个生 产二部卷烟原辅材料及成品的出入库工作。由于二部的产量较大，3 9 台套卷接机 组的日产量在4 0 0 0 个大箱左右，成品库量设计能力1 8 0 万大箱，因此堆垛机的工 作频繁，使用频率非常高。在实际的生产中，堆垛机可以完成车间的生产要求， 但是其定位精度不高( 达不到l o m m ) ，可靠性低，导致存储货物的错牌及损坏较 严重。 1 双立柱巷道式堆垛机主要技术性能与参数 额定起升重量( k g ) 1 2 0 0 托盘尽寸axb ( m m ) 1 2 0 0 , 1 0 0 0 1 5 0 货叉类型t y p eo fs h u t t l e双货叉 水平运行速度( m m in ) r u n n i n gs p e e d1 0 0 5 ( 变频调速) 超升速度( m m i n ) l i f t i n gs p e e d2 4 6 ( 双速) 货叉伸缩速度( m m i n ) s h u t t l es p e e d2 0 ( 变频调速) 总功率( k w ) t o t a lp o w e r 1 8 整机全高( i n ) t o t a lh e ig h t 1 8 导电方式t y p eo fp o w e rs u p p l y 滑导线 通讯方式t y p eo fc o m m u n i c a t i o n远红外通讯 2 货叉装置 货叉装置是堆垛机存取货物的执行机构，装设在载货台h 。本机构采用三级 直线差动式伸缩货叉，由上叉、中叉、下又及起导向作用的滚针轴承等组成，以 减少巷道的宽度，且使之具有足够的伸缩行程。 电动机为y e j 系列电磁制动三相异步电动机，结构紧凑，重量轻，且在电动 机输出轴端装有离合器，以防止货叉伸缩时发生卡住或遇障碍而损坏货叉和电动 机。本机构采用摆线针轮减速器。货叉行程通过行程开关控制。 3 载货台总成 6 重庆大学r 程硕上学位论文第一帝绪论 载货台总成主要由导轮架、载货台体、导向座、支撑轮装置及滑轮组等组成； 其上装有货叉装置、断绳保护装置、起升的主侧导向轮、升降认址装置、货物位 置异常检测装置等。 4 上横梁总成 上横梁总成主要由上横梁、上导轮支架、上导轮及滑轮组等组成。上横梁是 由槽钢焊接的开口断面，其与立柱间通过法兰、高强度螺栓联结。 5 松绳过载装置 松绳过载装置是控制堆垛机载货台受载情况的保护装置，其作用是当载货台 上承受载荷超过最大或最小允许值时通过起升链条的拉力大小，调节装置中的弹 簧产生不同行程，从而切断起升装置电机回路电源，使装置及时停止运转。 6 断绳安全保护装置 断绳保护装置是由螺杆、压缩弹簧、左右安全钳及连杆机构等组成，主要原 理是载货台上滑轮组的u 形板联结座下装有螺杆和压缩弹簧，当起升链条受载货 台和货物重量的作用力时，使压缩弹簧处于压缩状念，旦当链条断裂，即滑轮 组失去载货台和货物的重力作用，同时压缩弹簧失放，使连杆机构动作，把安全 钳中的楔块向上运动，由于楔块的斜面作用使断绳保护装置夹紧在起升导轨上， 从而保证载货台在断绳时不致坠落。 7 立柱总成 立柱总成是由立柱、拖链支板及配重等组成。立柱包括立柱上、下法兰及导 轨等它是由工字钢和钢板焊接而成的箱式矩形断面并采用冷拉扁钢作为起升导 轨，抗扭、抗弯刚度大，耐磨性好。立柱与上、下横梁间通过法兰由高强度螺栓 联结。 8 起升装置 起升装置是由a s 型固定式电动葫芦、电机支座等组成，用于驱动载货台升降 运动，并通过电机支座用螺栓固定在立柱下端。 9 电气装置 本堆垛机电气控制方式有： 1 ) 手动控制。 2 ) 半自动控制。 3 ) 全自动控制，机上自动控制，远距离集中控制( 包括计算机管理和控制) 。 以上各种控制方式可根据用户要求进行组合，同时在使用一种控制方式时， 町为其他方式留有接口，扩大了选择控制方式的范围。 1 0 运行机构 本机构主要由被动轮支架、被动车轮、下部导轮装置、主动轮支架、主动车 曼垦查兰土堡堡主兰些堕苎。：二二墨二：至塑笙 轮、立轴及减速器组件等零部件组成。 1 1 下横梁总成 下横梁总成是由下横梁、聚氨脂缓冲器等组成。下横梁包括下横梁法兰及卜- 下轴承座，它是由钢板焊接的箱式矩形断面，具有较大的抗扭、抗弯刚度。下横 粱总成与立柱间通过法兰用高强度螺栓联结。 1 2 4 巷道式堆垛机的发展趋势 随着现代工业生产的发展，有轨巷道堆垛起重机技术在不断提高和完善。世 界主要工业国家都把着眼点放在开发性能可靠的新产品和采用高新技术上，更加 注重实用性和安全性。在堆垛机方面，我们应当看到和世界先进国家的差距，总 结经验，找出不足，打破传统思路，推出具有新的外形和更高性能的堆垛机。在 使用堆垛机具有更高定位精度的同时，提高运行速度，以获得更短的操作周期和 更大的生产能力。 相信，通过我们的不断努力，更加高速、安全、可靠的堆垛机将不断从国外 引进消化到国内，使有轨巷道堆垛起重机发展到一个新阶段。 1 3 课题背景、意义及研究内容 1 3 1 课题背景、意义 堆垛机提升系统控制策略研究与应用来自于玉溪红塔集团高架库q c 小 组承担的2 0 0 0 年q c 课题降低成品错损率。此q c 课题的内容是通过加强对 人员和设备的管理，重点是技术改进堆垛机的工作状况，最大限度地降低成品错 损率，以提高自动化仓库的工作质量和工作效率。 堆垛机是自动化立体仓库的主要搬运设备。它在高层货架的巷道内来回穿梭 运行，负责货物的存取。目前应用最广的是巷道式堆垛机，它由运行机构、升降 机构、装有存取货机构的载货台、机架和电气设备5 部分组成。目前，自动化仓库 作为商品流通的有效环节，对企业经营做出了很大的贡献，但从另方面来讲， 随着系统的高度发展，管理水平的提高，可靠性又产生了问题，系统的集中化程 度越高规模越大，就越容易失去灵活性。如自动化系统中的一部分发生故障或 部分流程停顿，整个系统就陷于瘫痪，造成很大损失。红塔集团生产二部高架库 堆垛机在使用的几年中，堆垛机的最大问题是在于定位精度不高，其在设计的定 位精度是l o m m ，但在实际工作中，这样的定位精度还达不到我们的要求，其直 接带来的问题是：一是损坏托盘及货物，引起托盘及货物从高空跌落，不仅造成 托盘及货物损坏，还会危及设备和操作人员的安全作业；1 二是造成库存货物的错 牌串号，影响库存数据的准确性，给生产和销售带来错误数据情报，同时给货物 的交割、发放添加诸多不便。因此，对系统的可靠性的要求越来越高，研究本课 题的意义就在于，从提高堆垛机的工作可靠性出发，对堆垛机的提升控制进行技 重庆大学丁程硕士学位论文 第- 章绪论 术改造，从而改善堆垛机的运行精度和定位精度，以达到降低生产成本，提高工 作质量的目的。 1 3 2 本课题研究内容 本文基于对堆垛机提升系统控制策略进行研究，通过对比堆垛机行走系统自 动控制方法，主要利用交流变频调速技术、p l c 控制技术，肘堆垛机的升降电机构 建一套完整的交流变频调速控制系统，以代替原系统中升降电机的双速调速控制。 具体包括以下内容： ( 1 ) 对变频器调速控制原理及变频器驱动电机的特性进行探讨。 有关本部分的详细内容请参见第二章的相关部分。 ( 2 ) 对堆垛机提升系统控制策略进行分析研究，决定对提升电机采用变频调速控 制，构建交流变频调速控制系统，对相关设备进行选型和安装。 有关本部分的详细内容请参见第三章的相关部分。 ( 3 ) 根据堆垛机的实际工作状况，确定变频器的控制参数。对原系统p l c 进行扩 展，编制控制程序，使变频器基于p l c 的控制之下。 有关本部分的详细内容请参见第四章的相关部分。 9 重庆大学t 程硕士学位论文 第二章变额渊速原删 第2 章变频调速原理 本章介绍基于变频变压原理对电机调速控制的变频器，及其基本电路的工作 原理。变频器是x , j - 电机驱动的电源变换装置( 电机电源从横压横频交换成变频变 压输出) ，其输入电源为工频电源，但电流波形不同于正弦波，而其输出波形也 不同于输入波形。同时本章对鼠笼三相异步电动机的基本特性，以及变频器驱动 时的电机特性进行了论述，并t h d ；提出了关于电机容量的选择原则和基本操作方 法。 变频器输入输出波形的这些特性是由其工作原理决定的，变频器的工作原理 与电机的选择、周围设备的配置及其电流、电压的测量等有紧密的关系。因此 了解变频器电路每一部分的工作原理及其联系是非常重要的。 2 1 变频器的构成 图2 1 所示为通用变频器的结构原理，通用变频器把工频电流( 5 0 h z 或 6 0 h z ) 变换成各种频率的交流电流 控制电路构成，主电路包括憨流 电路( 工频电源的交流电变 换成直流电且对宜流电进行 平滑滤波) 和逆变电路( 直 流电变换成各种频率的交流电) 两部分。控制电路完成对 主电路的控制，整流电路把交 流电变换成直流电，逆变电路 把直流电再变换成交流电。对 于通用变频器单元，变频器一 般是指包括整流电路和逆变电 路部分的装置。如上所述，变 以实现电机的变速运行。变频器由主电路和 主电路 变频器 图2 1 变频器的构成 频器的主电路是由两个电源变换器组成，两个变换器( 整流电路和逆变电路) 所 使用的电器元件及其特性是有很大区别的。 2 2 逆变器的电路原理 2 2 1 直流电变为交流电 逆变器是把直流电变换成交流电的装置，它的基本原理可参考单相交流电的 产生原理。直流电变换成交流电的方法如图2 2 所描述，其中用灯假设成电机负 载。连接到直流电源上的4 个开关s l 到s 4 交替地通断，就产生了交流电，其电 流波形如图2 3 所示。 重庆人学丁程硕士学位论文第二章变频调速原琏 ( 1 ) 接通s 1 、s 4 ，电流按a 方向流过灯l 。 ( 2 ) 接通s 2 、s 3 电流按b 方向流过灯l 。 这样交替地通断s 1 、s 4 和s 2 、s 3 开关组就产生交流电，其流过灯l 地电流 方向交替换向。 瞰电 图2 2 交流电的产生 f i g u r e 2 2t h eg e n e r a t i o no fa c 2 2 2 改变频率 图2 - 3 电流波形 通过改变开关通断的时间可以改变频率。 例如，s 1 和s 4 接通0 5 秒而s 2 和s 3 接通0 5 秒，交替进行就产生1 秒换 向一次的交流电，即频率为1 h z 的交流电，如图2 4 所示。 0 5 s 0 5 s 卜+ 一 图2 41 h z a c 波形 f i g u r e 2 41 h za cw a v e 一般s 1 、s 4 和s 2 、s 3 接通相同的时间，假设在一个周期内持续时问为t 。 如图2 5 ，则频率f 如下： 2 2 3 三相交流电流 三相逆变器的等效电路如图2 6 所示。 图2 5 f i g u r e 2 5 频率 f r e q u e n c y 重庆人学工程硕l 学位论文 第一章变频调速原理 抛 电警 图2 6 三相逆变器等效电路 f i g u r e 2 6t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f3 - p h a s ei n v e r t e r 如图2 7 所示，顺次通断开关s l 到s 6 ，在u - v ，v - w ，及w - u 端，产生等 效于逆变器的脉冲波形，该矩形波a c 电压给电机供电。通过改变开关通断周期， 可以得到要求的电机供电频率；而通过改变d c 电压，可以改变电机的供电电压。 叫 3 4 ：帅h 肿j m j “ io “ 二 m 鳃 ；= 一1 1 c ：= r j 图2 7 三相a c 电压的产生 f i g u r e 2 7t h eg e n e r a t i o no f3 - p h a s e a cv o l t a g e 2 2 。4 逆变器电路的构成 图2 8 联单晶体管逆变器 f i g u r e 2 8t h eu n i tt r a n s i s t o r i n v e r t e r 如图2 8 所示，用6 个晶体管代替6 个开关构成的电路，该电路联上三相电 机，晶体管的交替通断使电机运转。通过改变晶体管接通顺序，可以改变电机的 旋转方向。 晶体管有三个连接端：集电极( c ) ，发射极( e ) ，及基极( b ) 。当基极无 信号，c 、e 两端断路( 开关断开) ：基极有信号时，c 、e 两端接通( 开关 合上) 。即晶体管像开关s 那样，快速地完成通断功能。 变频器的保护功能，“晶体管基极关闭”表示为该基极信号( i g b t 为栅极信 号) 断开。对于变频器而言，6 个晶体管同时断开会使电机与变频器隔开，即电 机产生滑动直到停止。 2 2 5 改变a c 电压的几种方法 鼙 佛一 l一 o 重丛查堂三望竺主兰堡堡兰 。4 。 一一 塑三兰窒塑塑堡皇型 正如变频器驱动电机特性所述，变频器驱动标准电机时，其输出电压，必须 根据v f 模式进行改变。 由于变频器电路提供电压源输出，所以通用变频器称为电压源型变频器。电 压改变的方法有几种变频器类型，如下图所示： 控制电机的供给电压 改变d c 电压 改变晶体管的脉冲宽度 改变晶体管开关脉冲宽度，使输 出电压接近于正弦波 2 3 整流器电路的工作原理 如2 2 节所述，整流器是变频器中用来产生直流电的变流器。如图2 9 所 示，整流器由以下电路组成：1 ) 整流单元；2 ) 平滑电容；3 ) 开启电流吸收回 路。 i 一 r 国 图2 9 整流器电路 f i g u r e 2 9t h ec i r c u i to fr e c t i f i e r 2 3 1 整流器原理 当单相交流电整流成直流电时，整流器的交流输入电流波形如图2 1 0 所示。 # 霹 m t 1 t ；、 图2 1 0 整流器原理 图2 1 0t h ep r i n c i p l eo fr e c t i f i e r 1 3 毛 重庆大学1 程硕卜学位论文 第一章变频调速原理 ( 1 ) 当电压有效值为v ( 峰值为2 的正弦波电压有电源给整流器供电时，仅 单电源e 电压大于整流器输出d c 电压时( t l 部分) ，才有电流流过二极管d i 、 d 4 。 ( 2 ) a c 电压的负半周，二极管d 2 、d 3 在t 2 部分区向导通，a c 侧将产生负的 输入电流。 总之，整流器的a c 电源输入端的电流不是正弦波，而是含有高次谐波的畸 形电流波。 2 3 2 稳态时( 电机运转时) a c 输入电流 当三相a c 电源给由6 个二极管组成的全波整流桥供电时，二极管导通情况 如图2 1 0 所示。该输入电流同单相电源情况相似，也是畸波电流。平滑电容c 对三相整流器的输出直流电压进行平滑滤波，使之由较小的纹波，当变频器停止 使，由最大的d c 电压，为a c 输入电压的1 4 1 倍。当变频器运转时，d c 电压 根据输出情况( 扭矩、速度) 轻微变化。 2 4 变频器控制系统及自动调整功能 2 4 1v f 控制 为了实现变频调速，常规的通用变频器在变频控制示使电压与频率的比率不 变，为常数，如图2 1 1 所示的虚线部分，因此该系统称为v f 控制。 嘉区， 在此系统中，由于连线及电机绕组的电压降引起的有效电压衰减，使电机扭 矩不足。这一现象在低速时非常明显。因此预先估计电压降并增加电压以补偿低 速时扭矩的不足。如果扭矩提升设定太大，扭矩足够大，但电流也过大，会使变 频器发生o c t ( 过电流) 故障。为了使低速时产生更大的扭矩而不发生o c t 故障， 应该用磁通矢量控制或简单磁通矢量控制。 2 4 ，2 简单磁通矢量控制 简单磁通矢量控制系统通过把变频器的输出电流进行矢量计算划分成励磁 电流和扭矩成分电流，然后调节电压使产生的电机电流与负载扭矩匹配，从而改 1 4 重庆大学丁程硕士学位论文第二章变频调速原理 善低速扭矩特性。频率在6 h z 时，可以提供高达2 0 0 的扭矩。如果电机常数变 化不大，该控制不需设定和调整特定的电机常数，就可实现稳定、大容量的低速 扭矩，从而达到通用的效果。 1 矢量计算完成变频器的输出频率和输出电压产生每项电流的脉冲系列，把变 频器输出电流( 电机电流) 划分为励磁电流( 产生磁通的电流) 和扭矩成分电 流( 与负载电流成比率) 。 2 电机电流由于负载变化而变化时，电机的初次端电压降也随之变化，从而影 响励磁电流。电机初次端的电压降取决于电机的型号、初次配线常数及扭矩 成分电流，调节( 增加或减少) 变频器的输出电压，以使电机初次磁通保持 不变。 3 量计算所需的电机常数预先储存在变频器中，简单磁通矢量控制，可以仅通 过对电机性能的设定来进行。 2 4 3 磁通矢量控制 磁通矢量控制通过矢量计算把变频器的输出电流划分为励磁电流和扭矩成 分电流，并调节电压和频率使生成的电机电流与负载扭矩匹配，从而改善变频器 低速扭矩及调速精度。 1 变频器的输出频率，每相电流的相位及输出电压的矢量运算，把输出电流划 分为励磁电流和扭矩成分电流。 2 扭矩成分电流，对电机实际转速进行估计，完成输出频率的补偿( 加或减频 率) 而达到预期的速度( 转差补偿) 。 3 电机电流随负载变化而变化时，电机的初次端电压降也随之变化，从而影响 励磁电流的大小。该电压降取决于电机的类型，初次端的配线常数及扭矩成 分电流，对变频的输出电压进行补偿，以保持电机的初次磁通恒定。 2 5 变频器驱动电机的特性 2 5 1 电机结构 鼠笼电机结构坚固、简单，因此被广泛用于户外、水下及防爆场所。根据电 机的外壳结构，鼠笼电机主要分为全封闭外扇是式防滴保护式两类。图2 1 2 所 示为全封闭外扇式电机结构图。电机的内部结构粗略地划分为固定区域和转动区 域，每区域又分为机械部分和电气部分。轴连接的风扇对电机进行风冷。 i 一帆壳： 3 一转予铁心 5 一轴承架； 7 一中心高； 9 一接线盒： 1 1 一外扇。 图2 1 2 电机结构 f i g u r e 2 12 t h es t r u c t u r eo f m o t o r 2 一定子铁心 4 一定了绕组： 6 一轴承： 8 - 轴： l o 一端环风叶 重庆大学丁程硕士学位论义 第一章变频调速原理 当变频器驱动的电机低速运转时，由于转速降低，风冷效果变差，为了使电 机的温升控制在一特定的范围内，必须要减轻负载扭矩。 2 5 2 基本特性 1 电机转速 电机转速不仅取决于负载扭矩，而且取决于电机的极数和供电频率，如下式 所示： ：坚掣( 1 一s ) r m i n ( 2 1 ) 从式( 2 1 ) 得知，电机调速可以通过改变电机的供电频率、极对数、供电电 压来实现。 改变频率一变频器 改