单立柱巷道式堆垛机控制系统设计

摘要在现代的物流仓储系统中，自动化立体仓库应用日益广泛。而堆垛机性能的优劣，对整个立体库的正常运行起着重要的作用。但就我国现有生产力发展水平来看，在自动化立体仓库中设计出造价低廉、工作可靠的堆垛机替代原有仓库的控制和管理，能更加适应某些中小企业要求投资少见效快的目标。本论文就实现这一目标的堆垛机控制系统进行了设计。在堆垛机控制系统（StorageandRetrievalMachinecontrolsystem，以下简称SRMC系统）的开发应用中，将PLC技术和变频控制技术相结合，重点研究基于旋转编码器与光电开关的组合进行堆垛机定位系统的设计。本文主要的研究工作如下：(1)深入研究实际生产过程中堆垛机的工作情况，指出其在运行、定位及故障指示等方面的不足之处，并从硬件改进和软件设计两个方面给出具体的实施方案；(2)针对自动化立体仓库的存取特点，对堆垛机的硬件部分进行设备选型与参数计算，设计出电气原理图，提出一套SRMC系统的硬件配备方案；(3)在三菱GX-Developer软件开发环境下，采用流程图的设计方法，设计SRMC系统的PLC控制程序，随时改进控制思路和控制程序系统。关键词:堆垛机；PLC技术；自动化控制；速度控制AbstractInlogisticwarehouse’ssystem,automatichigh-risewarehousewaswidelyapplied.ThefeaturesofstackercranewerethekeyPointtothefunctionofthehigh-risewarehouse.Accordingtothenationalexistingcurrenteconomiccondition,tostudyonekindofgreattonnagestackercontrolsystemwhichcostinexpensiveandmovedstablewasusefultosomesmallormediumenterpriseswhoseaimwasinvestinglesswhileprofitinglots.Thispaperintroducedthedesignofstackercranecontrolsystem,unifiedthePLCtechnologyandthefrequencyconversioncontroltechnology,thekeyresearchbasedonthetransformationonSshaperunningratecurveoffrequencychanger,aswellascombinedtherevolvesencoderandthephotoelectricityswitchtoconstructstheStorageandRetrievalMachine’saccuratepositioningsystem.Thepaper’smainresearchworkisasfollows:(1)ResearchingtheStorageandRetrievalMachine’sworkingconditionintheactualproductionprocess,Thepaperpointedoutthedeficiencyinthemovement,localizationandfailureindication,andputforwardtheconcreteimplementationplanfromtwoaspectsonthehardwareimprovementandsoftwaredesign；(2)InviewofthestoreandfetchcharacteristicintheAutomatedHigh-riseairconditioningStorage,ThepaperhascarriedontheequipmentshapingandtheparametercomputationonthehardwareofStorageandRetrievalMachine,hasdrawntheelectricalprinciplediagram,andreasonablyinstalledthemtogether,composedthehardwaresystem.PutforwardthehardwareallocatedplanwhichisquitefeasibleontheStorageandRetrievalMachineinthecurrent；(3)UndertheMitsubishiGX-Developersoftwaredevelopmentenvironment,fortherealizationofthisdesign,wehasestablishedtheStorageandRetrievalMachinecontrolsystemprocedureonPLC,bymonitoringandpracticing,foundtheproblem,improvedthecontrolmentalityandthecontrolprocedureasnecessary.KeywordsStorageandRetrievalMachinePLCtechnologyAutomatedcontrolSpeedcontrol目录1绪论 11.1自动化立体仓库系统概述 11.1.1自动化技术在仓储领域的发展 11.1.2自动化仓库的分类 21.2堆垛机简介 31.2.1堆垛机的发展 31.2.2巷道式堆垛机的技术现状 31.2.3单立柱巷道式堆垛机结构 41.2.4堆垛机的发展趋势 61.3课题研究意义及主要研究内容 62SRMC系统的方案设计 72.1SRMC系统 72.2SRMC系统的功能要求 82.3堆垛机的速度控制方案 92.3.1变频调速技术的优点 92.3.2变频器的基本结构 102.4系统主控制器的选择方案设计 102.4.1可编程控制器概述 112.4.2PLC的基本组成 112.4.3PLC各部分的功能 112.4.4PLC的主要特点 132.4.5PLC控制系统的类型选择 132.5堆垛机的定位控制方案 142.6本章小结 163SRMC系统硬件设计 173.1SRMC系统总体结构 173.2电动机的选型 183.3变频器的选型 193.3.1变频器的特点 193.3.2变频器型号以及PG速度控制卡的选择 193.4PLC型号选择 203.4.1FX-2N系列PLC的特点 203.4.2机型的配置及I/O点数的分配 203.5SRMC系统其它主要硬件的选取 223.5.1旋转编码器 223.5.2光电开关 233.5.3电磁闸 233.5.4断路器、接触器 233.6本章小结 234SRMC系统软件设计 244.1堆垛机速度曲线模型的设计 244.1.1现有速度曲线的分析 254.1.2速度曲线改进的函数分析过程 254.1.3改进的速度曲线特点 284.2主控制器PLC的程序设计 284.2.1PLC控制系统程序设计的主要工作 284.2.2本程序设计使用软件 284.2.3程序设计方法选择 294.2.4程序设计过程 314.3本章小结 35结论 36致谢 37参考文献 38附录 40附录1 40附录2 501绪论自动化立体仓库又称立体库、高层货架仓库、自动仓储AS/RS(AutomaticStorage&RetrievalSystem)。它是一种用高层立体货架(托盘系统)储存物资，用电子计算机控制管理和用自动控制堆垛运输车进行存取作业的仓库。自动化仓库是生产物流的重要组成部分，担负着物资的接受、分类、计量、包装、分拣配送、存档等多种功能。是实现高效率物流和大容量储藏，适应现代化生产和商品流通的有效手段。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，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取出货格内的货物运送到巷道口，完成出入库作业。立体库的优势是通过它体现出来的[1][2]。1.1自动化立体仓库系统概述1.1.1自动化技术在仓储领域的发展1959年美国开发了世界上最早的自动化立体仓库，并在1963年最早使用计算机进行自动化立体仓库的控制管理。后来德国和日本也相继开发了自动化立体仓库。进入20世纪80年代，自动化立体仓库在世界各国发展迅速，使用范围涉及几乎所有行业。1974年在郑州纺织机械厂建成我国第一座自动化立体仓库，但我国在这一领域发展速度比较缓慢。自动化技术在仓储领域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。第一阶段—人工仓储阶段:物资的运送、存储、管理及控制主要是靠人工实现，具有初期设备投资经济性好、控制的实时性和直观性等优势。第二阶段—机械化仓储阶段: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—自动化仓储技术阶段:50年代末和60年代，采用自动导引小车(AGV)、自动货架、自动存取机器人、自动识别和自动分拣等系统。70年代和80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也加入了自动控制的行列。但此时的自动化是各个设备的局部并各自独立应用，被称为“自动化孤岛”。随着计算机技术的发展，对物料控制和管理的实时化、协调一体化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、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汇总信息，管理人员通过仓库计算机及时记录订货和到货时间，显示库存量，以便随时掌握货源及需求。信息技术的应用己成为仓储技术的重要支柱。第四阶段—集成自动化仓储阶段:70年代末和80年代，随着现代工业生产的发展，柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem)、计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem)和工厂自动化(FactoryAutomation)对自动化仓库提出更高的要求，搬运仓储技术要具有更可靠、更实时的信息，工厂和仓库中的物流必须伴随着并行的信息流。“自动化孤岛”需要集成化，使整个系统有机协作，这样的总体效益和生产应变能力远远超过各部分独立效益的总和。第五阶段—智能自动化仓储阶段:它包括人工(或机械)和自然(或人类)两种方式。内容涉及智能物料储运设计和智能物料储运作业。目前，人们在人工智能及物料储运领域中的专家系统的技术方面正进行着大量的工作。我国自动化仓库正处在不断发展和完善阶段，世界主要工业国家把着眼点放在开发性能可靠的新产品和采用高技术上。近年来，国内外在建设物流系统及自动化仓库方面更加注重实用性和安全性。大型自动化仓库系统已不在是发展方向。美国Hallmark公司安装的多达120个巷道的系统己达到了顶峰，甚至10~20个巷道的系统也不是首选了。为了适应工业发展的新形势，出现了规模更小、反应速度更快、用途更广的自动化仓库系统。它是把先进的控制技术应用到分段输送和按预定线路输送方面，保持了高度的柔性和高生产率，满足了工业库存搬运的需要。标准的模块式自动化仓库系统已引起人们的关注，这种系统在硬件和软件方面比传统的根据用户要求而提供的自动化仓库有更多的现成产品，其价格一般也比较适中。国外自动化仓库发展的一个方面是普遍采用扫描技术，提高信息的传输速度和准确性。采用射频数据通信技术，数据的采集、处理和交换能够在搬运工具与中央计算机之间快速进行，使物品的存取和发送信息做到快速、实时、可靠和准确。我国正在发展这方面技术，将其应用到新建库和己建库原有通信系统以改善仓库管理，提高仓库作业效率。现在，对自动化仓库系统的要求，与最初因节省土地和节省劳动力而受到欢迎的情况不同，要求具有控制生产和销售活动的功能，即起到所谓“经营型仓库”的作用[5]。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[6]。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来搬运货物。1960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。1967年日本开始安装了高度20~25m高层堆垛机，1969年出现了联机全自动化仓库。1973年建成了世界上第一座-401.2.2巷道式堆垛机的技术现状按现行机械行业标准，有轨巷道式堆垛机分类方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。无论何种类型的堆垛机一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动轨迹分类。(1)有轨巷道堆垛机的结构形式按结构形式可分为双立柱结构和单立柱结构。l)双立柱堆垛机:双立柱结构的堆垛机机架由两根立柱和上、下横梁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。双立柱堆垛机的最大优点是强度和刚性都较好，且运行平稳。适合起重高度较高、起重量较大和水平运行速度高的堆垛机。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。立柱多采用较大的H型钢或焊接制作，立柱上附加导轨。单立柱堆垛机的起升结构，普遍采用钢丝绳传动，由电机减速器驱动卷筒转动，通过钢丝绳牵引载货台沿立柱或起升导轨作升降运动。对于钢丝绳传动，传动和布置相对容易，但定位准确性差。单立柱结构的堆垛机整机重量轻，消耗材料少，故制造成本低，但刚性较差。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一定的局限性。(2)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梁上，通过电机减速机驱动车轮转动，使堆垛机沿水平方向运行。采用两个承重车轮，沿敷设在地面上的轨道(地轨)运行。通过下部两组水平轮沿轨道运行导向，在堆垛机顶部两组导向轮沿上轨道(天轨)运行辅助导向。按其运行轨迹形式可分为直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机。l)直线运行型堆垛机:它只能在巷道内直线轨道上运行，不能自行转换轨道。转换轨道只能通过其它输送设备，如堆垛机转运车。直线型堆垛机可实现高速运行，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:它的车轮与下横梁是通过垂直轴铰接的，能够在环形或其它曲线轨道上运行，即可以走曲线，不通过其它输送设备便可以从一个巷道自行转移到另一个巷道，又称为转轨堆垛机。此种堆垛机的转弯半径受到场地的限制，且转弯时速度特别慢，只适用于出入库频率较低的立体仓库。(3)堆垛机动态性能现状体现堆垛机动态性能优劣的指标主要有:运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、振动与噪音、认址精度等。随着科学技术的不断进步，自动化立体仓库的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断提高。例如，堆垛机的运行驱动己由20世纪70年代的子母电动机改为变频调速，速度由5~50m/min提升至4~160m/min，国外小载重量的堆垛机最高可达300m/min;提升驱动己由20世纪70年代的双速电动机改进为变频调速，速度由4~16m/min提升至0~25m/min;货叉运行也由单速电动机驱动改进为变频调速，速度由8m/min如提升至4~35m/min;在堆垛机自动控制方面还采用了激光测距定位系统、闭环控制变频调速系统、Profibus总线控制等先进技术。尽管如此，目前国产堆垛机的运行速度最高仍保持在160m/min，由于整机刚度低，无隔振减振措施，运行摆动幅度大;提升速度在0~80m/min;货叉速度一直保持在根据市场预测，传统技术制造的20世纪70年代水平的堆垛机将被淘汰，高速度、高科技含量的新型堆垛机将迅速占据市场。我国堆垛机综合性能急待改善。根据物流设备发展趋势，针对近几年用户的反映，结合国内外技术现状及发展情况等有关情报资料分析，找出我们存在的主要差距为:①综合性能差距：主要体现在运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、振动和噪音;②结构的差距：国外产品结构合理，比较精巧，我国产品结构相对笨重[25]。1.2.3单立柱巷道式堆垛机结构单立柱巷道式堆垛机（简称为堆垛机）主要由起升机构、运行机构、货叉伸缩机构、机架金属机构（立柱及下横梁）、载货台、电气设备和安全及连锁保护机构等组成。这类型的堆垛机最显著的特点是机架由一根立柱和下横梁组成，见图1-1。1.地轨2.下横梁3.载货台4.货叉机构5.提升滑轮6.天轨7.立柱8.控制柜9.起升电机10.行驶机构和驱动轮图1-1单立柱巷道式堆垛机的结构(1)起升机构起升机构实现堆垛机的升降运动，一般由电动机、制动器、减速机、卷筒或链轮以及柔性件组成。目前，常用厂家专门生产的“三合一”（即电机、制动器、卷筒合一）起升卷扬机构，它相对结构紧凑。为减少起升机构电动机功率，常设置质量等于载货台质量和一半起重量的配重。起升机构一般设置在立柱下部或下横梁上，以便于维护。(2)水平运行机构水平运行机构主要由电动机、减速器、行走轮组成。在堆垛机的下横梁上装有水平运行机构和支撑堆垛机在钢轨上运行的车轮。按运行机构所在的位置不同可以分为地面驱动式，顶部驱动式和中部驱动式几种，其中地面运行式使用最广泛。在这种运行方式中，堆垛机的上、下横梁分别有两组导向轮。(3)载货台及货叉伸缩机构载货台是货物单元的承载装置，通常是一个刚性框架，通过钢丝绳或链条与起升机构联结，载货台沿立柱上的导轨上下升降。货叉伸缩机构是堆垛机的主要工作机构，安装在载货台上，其结构特点是能够双向伸出，以便向两侧货格送入（取出）货箱。缩回后，货叉连同载货台一起随大车在巷道内运行。(4)金属结构金属结构是堆垛机的安装基础，承受和传递堆垛机所担负的各机构的重量以及载重量，金属结构一般采用优质钢材，联结部分采用焊接，这样可以简化结构节省工料，且不削弱杆件截面，易于加工制造，缩短工期，而且可以减轻自重。单立柱结构主要由立柱和下横梁组成，其上横梁很短，有的甚至没有上横梁。这种结构形式的堆垛机，起升高度较小，起重量不大，占用空间小，因而运行起来较为灵活，广泛用于中小型立体仓库。(5)电气设备电气设备主要包括电力拖动、控制、检测和安全保护等，目前国内外普遍采用的是变频调速控制，从而满足堆垛机高速运行、换速平稳、低速停准的要求。检测系统必须具有堆垛机自动认址、货位虚实探测、货箱位置检查等功能。(6)安全及联锁机构为了保证人身及设备的安全，堆垛机必须配备有完善的硬件和软件的安全保护措施，并在电气控制上采取一系列联锁和保护措施。主要的安全保护装置有：端限位保护、联锁保护、正位检测控制、载货台断绳保护和断点保护等。1.2.4堆垛机的发展趋势随着我国加入WTO，加快了经济全球化进程，进一步促进了物资流通，货物储运发送量越来越大。可以预测，今后市场对仓储物流设备的需求量将有更大幅度的增长，而且将在存取率、自动化程度、信息化程度等方面提出更高的要求。为实现物流的高效率，必须提高堆垛机的存取速度。要求堆垛机的运行速度达到160~200m/min以上、运行平稳可靠、认址准确、起动制动灵敏、运行振动小、噪音低于84dB等综合性能的提高，需要多项技术的创新和改进，更需要新技术的支持。相信通过我们的不懈努力，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。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，使有轨巷道堆垛机发展到一个新阶段。1.3课题研究意义及主要研究内容本课题主要用于某食品气调库的改造项目，该气调库主要用于存放各种易腐败的食品,目前主要通过人工操纵叉车进行货物的存取，存在着工作效率低下，对工人健康不利等缺点。本课题结合本气调库的实际情况，基于对立体库电气控制系统的研究，综合运用交流变频调速、PLC控制、位置检测等技术，为堆垛机的正常运行设计一套比较完整的控制系统。具体包括以下内容：(1)通过对堆垛机现有的运行速度曲线进行的分析研究，设计出一种适合本系统的堆垛机速度曲线模型，确定变频器型号，构建交流变频调速控制系统；(2)在堆垛机的位置检测方面，综合运用旋转编码器、PG卡以及利用PLC中的高速计数器单元，来实现对于堆垛机位置的精确控制；(3)根据堆垛机的实际工作情况，对PLC控制系统进行设计。运用流程图法，建立各运动阶段的流程图，编制出控制程序和故障检测程序，使PLC控制系统更加完善，更好地控制整个系统的运行；2SRMC系统的方案设计本章详细描述了堆垛机的控制系统，着重论述了如何对堆垛机控制系统进行方案设计，分别从堆垛机的速度控制、系统主控制器的选择及堆垛机的定位控制方案三个方面进行阐述。2.1SRMC系统目前，堆垛机的控制方式大致可以分为手动操作、半自动控制、全自动控制、远程控制与计算机控制等。计算机控制的控制系统，考虑到备用情况，一般由三级组成。最低一级是利用堆垛机上的控制盘手动操作，其次是为了遥控利用安置在地上的控制盘的数字开关进行操作，最高一级采用计算机控制，三级可以转换运转。如图2-1所示。图2-1SRMC系统采用遥控时，也必须具有低级的手动操作功能，采用自动控制时使用机上控制盘，但控制方法，在本质上与遥控基本相同，因此以遥控为中心来叙述堆垛机的控制系统。图2-2所示为在自动运转情况下以及特殊情况下的堆垛机作业循环的作业流程图。堆垛机按行走、升降、货叉伸缩等三种操作，根据指令自动定位，进行叉取作业。当用户发出存货要求时，系统根据仓库货位情况，给出货物的存放地址，上位机根据堆垛机的当前位置，经过货位地址变换，给出相对于堆垛机当前位置的货位地址，发出存货指令给堆垛机。SRMC系统接收信号后，在货物输入口接收货物，堆垛机行走，同时载货台沿立柱作升降运动。当运动到达目的货位时，货叉开始伸缩运动，执行存货操作，完成操作后在此位待命或返回至规定位置。用户发出取货要求，给出货位地址（货位地址用相应的排号、列号、层号组成）后，上位机（计算机）根据堆垛机当前位置，经过货位地址变换，给出相对于堆垛机当前位置的货位地址，发出取货指令给堆垛机。SRMC系统接收信号后，堆垛机行走，同时载货台沿立柱作升降运动。当运动到达目的货位时，货叉开始伸缩运动，执行取货操作，堆垛机将所取货物送至货物输出口，然后在此位待命或返回至规定位置[10]。当系统出现故障时，用户需对系统进行检修，可以通过控制面板上的按钮进行堆垛机的升、降、急停以及货叉的伸、缩等手动控制操作[8][9]。2.2SRMC系统的功能要求堆垛机系统是立体仓库货物存取任务的最终执行者，其主要运动包括：(1)堆垛机沿货架巷道（列方向）的前后高低速运动；(2)堆垛机沿立柱（层方向）的上下升降运动；(3)安装在堆垛机载货台上的货叉机构的升降伸缩运动[8]。因此，SRMC系统的功能主要应包含以下几方面的内容：(1)自动控制功能：运用地面控制台系统，完成货物的自动出入库任务。此时可以接受地面控制台的各种命令操作，如：入库、出库、运行到目标列层、进、退、升、降等；(2)手动控制功能：仅能通过控制面板的按钮进行进、退、升、降、急停等控制操作。此功能主要用于系统的检修与调试；(3)安全保护功能：实时监测各关键器件的使用情况及系统的运行情况，出现故障时及时报警。对于以上的各种控制功能，主要应由以下几个方面来完成：(1)速度控制：堆垛机工作时在各种方向上的运行速度；(2)定位控制：以适合的速度运行并精确地定位在货格或入出库口处；(3)通讯功能：与上位机及其它仓库设备的通讯；(4)保护功能：具有一定机械和电气方面的保护功能；(5)人机界面：通过I/O设备，提供本机状态信息或遥控操作[10]。2.3堆垛机的速度控制方案在立体仓库中，交流异步电动机是堆垛机系统中的驱动部件。一般情况下，其调速方式分为：电机减速器调速、变极调速、串阻调速、串极调速、滑差电机调速和变频调速等。用减速器进行调速，调速设备不仅体积大，调速效率低，而且容易发生机械故障。其它几种调速方法与变频调速方法相比，使用起来又非常不便。随着对于电动机调速性能要求的逐步提高，变频调速技术得到了长足的发展。2.3.1变频调速技术的优点变频调速技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如：调速范围广、输出平滑性好、机械特性较硬、能很好地实现异步电动机的无级调速、可实现有效的节能、可方便地进行恒转矩调速和恒功率调速等。尤其当电机带动较大负载启动时，会有较大的冲击电流，若采用变频器控制，可以实现电动机的软启动，减小冲击电流，从而解决了大负载的启动问题。另外，变频器还具有很强的保护功能，在电机运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压。这种自我保护的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机。综上所述，变频调速技术不仅在性能上大大优于以往的交流电机调速方式，并且将会逐步取代直流电机的调速方式，用交流异步电机取代直流电机，将会使调速系统变得更加简单。综上所述，采用改变供电电源频率的调速方法，从本质上讲，是一种无级、平滑而又经济的调速方法。变频时使电压按不同规律变化，可以实现恒转矩或恒功率调速，以实现不同负载的要求，这些均早已被人们所认识和掌握。随着可控硅静止变频装置的出现，解决了运行性能较为理想的变频电源问题，使异步电动机变频调速技术获得了进一步的发展，为其广泛地应用开辟了新的途径，特别是较为理想地解决了普通鼠笼式电动机的变频调速问题。因此，在本SRMC系统中，我们选择变频调速的方式对电动机进行速度的控制[16][20]。2.3.2变频器的基本结构变频器是把工频电流（50HZ或60HZ）变换成各种频率的交流电流，以实现电机变速运行的设备。变频器一般由控制电路和主电路构成。控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能，从而实现对主电路的控制。图2-3所示为通用变频器的结构原理。图2-3变频器的构成变频器的主电路，包括整流电路和逆变电路两部分。其中，整流电路是把输入到变频器的工频交流电变换成直流电，且对直流电进行平滑滤波，然后逆变电路再将此直流电变换成实际需要的各种频率的交流电，从而驱动电动机的运转。2.4系统主控制器的选择方案设计在当今的工业控制领域，有相当多的控制手段和设备，比如：继电器控制、个人计算机控制、单板机控制、集散控制系统（DCS）以及可编程控制器（PLC）控制等等。PLC的梯形图与继电器控制线路图十分相似，同时，信号的输入/输出形式及控制功能也是相同的，但两种控制方式又有不同之处。PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便，但价格高于继电器。与个人计算机相比，PLC是一种用于工业自动化控制的专用微机控制系统，结构简单，抗干扰能力强，价格也较低。单板机结构简单、价格低，在数据采集与处理等方面优于PLC，但不如PLC容易掌握，抗干扰性能也较差。集散控制系统在回路调节、模拟量控制方面较PLC有一定优势，但PLC在开关量控制、顺序控制等方面又优于前者。综上所述，可编程控制器作为一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，具有其独特的优点[23][24]。2.4.1可编程控制器概述可编程控制器（ProgrammableController），简称PLC，是一种以数字计算机为基础的通用型工业控制装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种型的机械或生产过程，具有适用于各类控制所必需的高可靠性、配置扩充的灵活性。对于工程技术人员来说，它具有简单易学、使用维修方便等特点。PLC自问世以来，经过30多年的发展，己经成为最受欢迎的工业控制类产品，较好地解决了工业控制领域中普遍关心的安全、可靠、方便、灵活、经济等问题[21]。2.4.2PLC的基本组成PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10cm[11]。无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。2.4.3PLC各部分的功能(1)中央处理单元（CPU）CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心，按照系统程序所赋予的功能，可以完成以下任务：①接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；②诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；③用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；④PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；⑤将用户程序的执行结果送至输出端。现代PLC使用的CPU主要有以下几种：①通用微处理器，如80801等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统和丰富的软硬件资源；②单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能I/O模块；③位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用[12]。(2)存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下三种：①系统程序存储器：和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM；②用户程序存储器：用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池（锂电池）保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM；③工作数据存储器：工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式为每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/D转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。(3)I/O单元I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系，输入单元接收操作指令和现场的状态信息，如控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。2.4.4PLC的主要特点可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。(1)硬件方面：①隔离。在微处理器与I/O电路之间采用光电隔离减少外部干扰源对PLC的影响；②滤波。对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，减少高频干扰。有些模块还设置了连锁保护、自诊断电路等[12][27]。(2)软件方面：①设置故障检测与诊断程序；②当软故障条件出现时，立即把重要状态信息存入指定存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防止存储器信息被冲掉。这样，一旦外界调节正常后，便可以恢复故障发生前的状态，恢复原来的工作；③编程简单、使用方便。目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程；④设计安装容易、维护工作量少、功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。2.4.5PLC控制系统的类型选择一般来说，PLC控制系统有以下三种类型：(1)PLC构成的单机系统这种系统的被控对象是单一的机器生产或生产流水线，其控制器是由单台PLC构成，一般不需要与其它PLC或计算机进行通信。但是，设计者还要考虑将来是否联网的需要，如果有的话，应当选用具有通信功能的PLC。如图2-4所示。图2-4单机系统图2-5集中控制系统(2)PLC构成的集中控制系统这种系统的被控对象通常是由数台机器或数条流水线构成，该系统的控制单元由单台PLC构成，每个被控对象与PLC指定的I/O相连。由于采用一台PLC控制，因此，各被控对象之间的数据、状态不需要另外的通信线路。但是，这种系统也有一个缺点，一旦PLC出现故障，整个系统将停止工作。对于大型的集中控制系统，通常采用冗余系统克服上述缺点。如图2-5所示。(3)PLC构成的分布式控制系统这类系统的被控对象通常比较多，分布在一个较大的区域内，相互之间比较远，而且，被控对象之间经常地交换数据和信息。这种系统的控制器采用若干个相互之间具有通信功能的PLC构成，系统的上位机可以采用PLC，也可以采用工控机。如图2-6所示。图2-6分布式控制系统使用四台电机，两台变频器，单台PLC进行多个对象的控制，并且我们用一台微型计算机作为上位机，进行系统的运行监控，所以我们采用如图2-7所示的PLC控制系统。图2-7PLC控制系统2.5堆垛机的定位控制方案堆垛机的定位控制方法很多，现就几种典型方法介绍如下：(1)常规的限位开关定位方法堆垛机在运行过程中，要先确定目前的位置，然后才能根据目标信号决定控制状态。例如：堆垛机到某一层需要停下来时，首先在接近这一层时，要先从高速状态减速，到达平层位置时，再停车准备存取货物。因此，我们通常在每一层井道上安装三个限位开关，即上、下平层限位开关和平层限位开关。图2-8平层开关示意图如图2-8所示，当堆垛机在上升时，首先碰到下平层限位开关，此信号送到PLC输入端，PLC向变频器发出减速信号，变频器按照预先设定的减速曲线，控制堆垛机开始减速，当停下时，进入货物存取状态[13][14]。(2)认址片的定位方法[13]采用认址片的定位方法时，准确地认址定位是正确存取货物的关键。图2-9认址片结构认址片结构如图2-9所示，认址方法如下：在巷道地基上相对于每列货格安装固定的认址片（挡板），在堆垛机底部安装4个光电开关（GDl和GD2）与（GD3和GD4）随堆垛机一起前后运动，每经过列货格，光电开关通过认址档板发出脉冲信号到PLC从而达到列认址目的。同样，在堆垛机立柱上相对于每层安装认址片，在其升降台安装光电开关（GD5和GD6）随升降台一起上下运动，达到层认址的目的。光电开关的脉冲输入信号作为PLC内部认址计数器的计数信号，计数器的当前值作为速度控制的依据。当堆垛机到达目标货格即计数器的计数值计到零时，发出停车信号使其停止运行。升降台上的光电开关又用PLC内部的计数器接收光电脉冲，升降台每经过一层，计数器减1计数，从而达到层方向认址的目的。堆垛机对其定位精度要求是比较高的，一般误差不超过2mm。否则，由于误差的积累，在货叉存取货物时易碰到货架或发生其他事故。但当发出停车信号后，堆垛机由于惯性还会滑行一点，这样，光靠计数认址很难达到精确定位的目的。为此我们把认址片结构做成如图2-9所示的形式。用1号光电开关作为认址计数开关，计数到零时发出停车信号，然后再利用1号和2号开关作精确定位。如果1号与2号开关同时有信号，说明已停准；如果只2号开关有信号，说明己超过，点动堆垛机回退，再检测比较；如果只1号开关有信号，说明还未到中心点，点动堆垛机前进，再检测比较。这样达到准确定位的目的[15]。(3)采用光电编码器的位移定位方法光电编码器分为绝对脉冲编码器（APC）和增量脉冲编码器（SPC），两者一般都作为速度控制或位置控制系统的检测元件。编码器分为单路输出和双路输出两种。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。当采用光电编码器进行位移定位时，由于堆垛机的运行是由曳引电动机来拖动的，因此曳引电动机正反转动的角度也就决定了它所移动的距离，如图2-10所示。图2-10光电编码示意图在曳引电动机轴上安装一个光电盘，盘上同一圆周上均匀地打上许多小孔，曳引电动机旋转时，光电盘也跟着旋转，光电编码器根据转过小孔的数量，发出相应数量的脉冲信号，这样只要计算出脉冲数，就可知道堆垛机运行的距离，也就是堆垛机的实际位置。目前，PLC一般都具有高速脉冲输入端或专用计数单元，可用编码器测取堆垛机运行过程中的准确位置，并可直接与PLC的高速脉冲输入端相连，利用高速记数器的功能指令能很方便地实现堆垛机的定位。由以上的介绍，我们可以看出，安装限位开关或认址片的定位方法，不仅废工废料，而且每个开关或认址片的实际安装距离，均不可避免地存在一定量的误差，使得系统的安装调试变得复杂，而且定位质量难以保证。一旦系统要求改造，又要重新进行安装工作。而采用旋转编码器的位移定位方法，通过其发出的脉冲数可以很容易地确定堆垛机的当前位置，再经过给定速度曲线的计算，得出变频器应当输出的频率来进行调速，这种堆垛机的位移定位方法具有定位精度高、适应性强的优点，因此，我们采用此方案。2.6本章小结本章针对立体仓库中堆垛机的控制系统进行了方案设计。在速度控制方案方面，选取当前应用范围非常广泛的变频调速技术，它所具有的调速范围广、输出平滑性好、机械特性较硬、可实现异步电动机的无级调速以及可以进行恒转矩和恒功率调速等优点，使它完全可以胜任本设计中的速度控制要求。系统主控制器选择了在工业环境中广受欢迎的可编程控制器（PLC），并结合本设计的实际要求，设计了相应的PLC控制系统。最后，在综合比较了多种堆垛机的定位方法后，选择了定位精度更高，控制方法更加灵活的光电编码器的位移定位方法。最终，设计了一套比较合理的堆垛机控制系统方案。3SRMC系统硬件设计通过前面对于SRMC系统的设计，本章将详细分析系统中各个组成硬件的原理与特点，并根据货物存储系统的实际工作环境，选择适合本系统的设备型号以及参数，完成SRMC系统的硬件设计，最后设计出电气原理图。3.1SRMC系统总体结构图3-1SRMC系统结构框图图3-1为采用可编程控制器（PLC）作为主控制器的立体仓库的SRMC系统结构框图。一台作为上位监控机的计算机通过RS232C接口与PLC相连，可以对整个系统进行全面的监控管理。拖动系统主要由三相交流电源、变频器、交流接触器K1、K2和驱动电动机M等几部分构成，与电动机同轴联接的旋转编码器PG产生A、B两相输出脉冲,经PG卡进入变频器，形成速度反馈。为使PLC对变频器进行有效的速度闭环控制，PLC与变频器之间还存在如下的信号传输。(1)PLC发往变频器的控制信号主要有：①PLC检测系统工作正常,允许变频器工作的信号；②堆垛机运行方向的信号；③堆垛机运行速度的信号；④堆垛机减速及平层停车信号。(2)变频器反馈给PLC的信号主要有：①变频器正常工作状态信号（变频器无报警输出，允许PLC控制其运行）；②堆垛机速度信号；③速度一致信号（变频器上的速度指令与电动机实际运行速度相匹配）；④减速及停车状态信号。图3-1中，从变频器的分频器引入PLC的计数脉冲，通过高速计数器的脉冲计数，可实现对堆垛机位移的精确控制。3.2电动机的选型作为整个堆垛机系统的运动速度驱动者，电动机的合适选取十分重要。针对该立体仓库的实际工作情况，设计的堆垛机系统应当满足以下参数要求：自重：m1=4800kg载重：m2=700kg提升重量：m3=1200kg水平额定速度：V1=0.5水平加减速率：a1=1.5垂直额定速度：V2=0.5垂直加减速率：a2=1.5行走轮径：Ｄ=300mm轴径：ｄ=60mm货叉伸缩速度：V3=0.2根据本系统的实际情况，要完成堆垛机的出入库货物存取工作，拟选取水平、垂直、货叉伸缩及升降共4台电机。首先，在选用电动机前应当考虑以下问题：(1)在机械与电气方面对反复起动停止的操作都应有充分的耐久性；(2)应完全适合负载的速度与转矩特性，特别是起动转矩应有余裕；(3)速度的可控性良好；(4)惯性矩小，体积小而且重量轻；(5)输出轴的转数应适宜于减速装置的结构；(6)应有可靠的外壳保护结构。通过分析水平运行电机的各种运行状况，带载加速功率应当是最大值，其计算如下：=()×a×/(1000×η)＝5500×1.5×0.5/(1000×0.9)=4.58(kW)对于垂直运行电机，其功率的计算如下：=×g×/(1000×η)=1200×9.8×0.5/(1000×0.8)=7.35(kW)通过计算分析可以清楚地发现，堆垛机垂直方向的运动较水平方向对于电动机的功率要求更高，因此只要把垂直方向的电机功率选择好，就可以满足其它运动对于电动机功率的要求。考虑到可能发生的过载情况，对于垂直电机的选取，我们选择11kW的电动机。而对于水平电机和货叉电机，选择同样的电机也是完全满足要求的。因此，本设计所选择的电动机主要参数如下：电动机型号：Y型160M-4额定功率：=11kW额定转速：=1460r/min额定电流：In=22.6A3.3变频器的选型目前，交流调速传动已经上升为电气调速传动的主流。中、小容量范围内，采用自关断器件的全数字控制PWM变频器己经实现了通用化。全数字控制方式的软件功能不但考虑到通用变频器自身的内在性能，而且还融入了大量的实用经验和技术、技巧，使得通用变频器的RAS三性(Reliability,Ability,Serviceability，可靠性、可使用性、可维修性)功能得以充实。变频器的应用主要有两个方面：一方面是为了节能需要而进行的变频器的应用；另一方面是为了满足生产工艺调速的要求而进行的变频器的应用。对于立体库系统来讲，为了保证货物的高效存取，堆垛机的运行要求高速平稳，定位准确，需要使用变频器来驱动水平、垂直电机的运转。3.3.1变频器的特点变频器与异步电动机相结合，可以实现对生产机械的调速传动控制，简称为变频器传动。变频器传动具有固有的优势，应用在不同的生产机械或设备上体现不同的功能，总体来说，变频器传动具有以下几个效能。(l)节能应用主要的相关技术体现在提高运行可靠性、台数控制和调速控制并用；(2)提高生产效率；①保证加工工艺中的最佳运行②适应负载不同工作情况下的最佳转速③使原有设备的增速运转(3)设备的合理化；(4)改善和适应环境。3.3.2变频器型号以及PG速度控制卡的选择本论文采用安川矢量型变频器CIMR-G7A4015型，实现对水平机、提升电机，货叉电机的变频控制。通过多调速以实现水平方向和提升方向的定位精度。在选择与电机匹配的变频器时有两个要素:变频器功率必须大于等于电机功率;变频器额定电流必须大于等于电机额定电流。CIMR-G7A4015型变频器的主要特点如下：(1)将无PGU/f控制、无PG矢量控制、有PGU/f控制、有PG矢量控制的四种控制方式融为一体；(2)有丰富的内藏与选择功能；(3)由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小；(4)保护功能完善、维修性能好；(5)通过LCD操作装置，可提高操作性能。变频器的PG速度控制卡是使用了PG（脉冲发生器）来对电机的转速进行控制的。当旋转编码器的输出信号送到PG速度控制卡后，由速度卡将其转换成与实际转速相对应的数字信号，再送给变频器进行速度控制。同时，将两相脉冲分频后（分频的程度可以设置）作为两相脉冲的监视输出，我们利用脉冲的监视输出进行堆垛机的位置控制。CIMR-G7A3.4PLC型号选择目前，市场上存在着种类繁多的大、中、小型PLC，小到作为少量的继电器装置的替代品，大到作为分布式系统中的上位机，几乎可以满足工业控制的各种需要。那么，针对我们的实际情况，如何给本系统选择一个合适的PLC呢？PLC选型的一般流程如下：(1)定义PLC的I/O点数，包括开关量的I/O点数、模拟量的I/O点数以及特殊功能模块；(2)建立I/O分配表，绘制PLC的输入、输出接线图；(3)根据控制要求绘制程序的流程图，绘制用户程序，装入PLC的用户程序存储器，并进行初步测试，从而选择满足要求的PLC[17][18][19]。3.4.1FX-2N系列PLC的特点三菱FX-2N系列PLC采用紧凑的箱体式结构，安装方便。它可由不同点数的基本单元和扩展单元构成，主单元的输入输出点数比为1：1，并可按照实际需要，灵活进行配置和扩展。FX-2N系列还有很多的特殊功能单元，如：高速计数单元、位置控制单元、模拟量I/O单元等等，可通过扩展口等方式与主机相连。FX-2N系列的最大I/O点数为256点。程式容量为8000步，并可以扩展至16000步。对于本设计来说，完全可以满足要求[18][21]。环境规格是指PLC能正常工作的外部环境条件，FX-2N系列PLC能适应工业现场的恶劣条件，对环境的要求很低，一般的工业现场均可满足这些要求。对于某些立体仓库来讲，其内部的环境是低温潮湿，而FX-2N系列PLC可在温度为-20℃3.4.2机型的配置及I/O点数的分配本实验条件下，共有4台电机、2台变频器、6个限位开关、货架采用6层6列。需要40个数字量输入点，25个数字量输出点，共计65个I/O点。考虑到PLC输出需接电磁阀和接触器线圈，要求大电流输出，宜选择继电器输出型，这里选择三菱FX2N-80MR-001型PLC，其I/O点总数为80个[19]，可以满足系统的需求[31][32]。根据本系统的输入输出信号情况，可编程控制器I/O点数的分配表如下:3-1输入部分分配表输入继电器信号名称输入继电器信号名称X000X001X002X003X004X005X006X007X010X011X012X013X014X015X016X017X020X021X022X023C252的A相输入C252的B相输入C252的复位输入C253的A相输入C253的B相输入C253的复位输入层点动按钮层选向列点动按钮目标位置选中第1层目标位置选中第2层目标位置选中第3层目标位置选中第4层目标位置选中第5层目标位置选中第6层层平层停车点伸叉开关取货货叉上限位开关存货X024X025X026X027X030X031X032X033X034X035X036X037X040X041X042X043X044X045X046X047货叉平层开关上行强迫换速开关下行强迫换速开关下行换速开关货叉伸出限位层起点开关左行强迫换速开关右行强迫换速开关左行换速开关列起点开关缩叉开关货叉缩回限位列选向目标位置选中第1列目标位置选中第2列目标位置选中第3列目标位置选中第4列目标位置选中第5列目标位置选中第6列列平层停车点3-2中间继电器分配表中间继电器信号名称中间继电器信号名称M0M1M2M3M4M5M6M8M9M10M11M12M13M14M15M17M18M19M20M22伸叉超时计1层计2层计3层计4层计5层计6层层到达，准备换速伸叉缩叉缩叉超时提叉降叉层计数点层换速点层换速层停车下行（反转）上行（正转）伸叉完毕M24M25M26M27M28M30M31M32M33M34M35M36M38M40M41M44M45M46M47M48列到达，准备换速列换速列停车右行（正转）左行（反转）列计数点计1列计2列计3列计4列计5列计6列列换速点提叉超时降叉超时层向运行超时列向运行超时层向换速超时列向换速超时取货存货指令冲突续表3-2M14层计数点M40提叉超时3-3输出部分分配表输出继电器信号名称输出继电器信号名称Y000Y001Y002Y003Y004Y005Y006Y007Y010Y011Y012Y013Y014伸叉缩叉提叉降叉层换速层停车下行（反转）上行（正转）列换速列停车右行（正转）左行（反转）层快车Y015Y020Y021Y030Y031Y032Y033Y034Y035Y036Y040Y041列快车层点动列点动数码管a段输出数码管b段输出数码管c段输出数码管d段输出数码管e段输出数码管f段输出数码管g段输出层电磁闸列电磁闸3-4其他部分分配表其它部分信号名称其它部分信号名称M8000M8200M8201C200C201C252C253T0T1运行监控C200方向切换C201方向切换层计数器列计数器层高速计数器列高速计数器伸叉定时器缩叉定时器T2T3T4T5T6T7T8T9层电磁闸延时器列电磁闸延时器提叉定时器降叉定时器层电磁闸打开定时器列电磁闸打开定时器层换速定时器列换速定时器3.5SRMC系统其它主要硬件的选取3.5.1旋转编码器堆垛机工作时所处的位置，需由电机旋转所发出的脉冲个数来反映。脉冲的发生一般由旋转编码器完成，也就是说，在堆垛机运行的PLC控制中，可以使用旋转编码器测取堆垛机运行过程中所处的实际位置，从而确定理想的换速点。旋转编码器的输出信号送给变频器PG速度卡，由速度卡将其转换成与实际转速相对应的数字信号再送到变频器内部进行速度控制，同时将两相脉冲分频后（分频的程度可以设置）作为脉冲的监视输出，输入到PLC中，进行堆垛机的位置控制。为提高检测位置的精度，应选用每转脉冲数较多的旋转编码器，一般选500（脉冲/旋转）以上的产品。这里，我们选用分辨率为1200（脉冲/旋转）的欧姆龙E6H-CWZ6C增量型编码器，它采用不需耦合器的空心轴，是小型、高分辨率的通用型旋转编码器，工作电压为DC24V，最高响应频率为100kHz，实施CE标识（EMC指令），适合EN/IEC规格，输出有-A，A及B，或A及B及Z方向，输出方式有集电极开路输出、电压输出及线性驱动器输出。它还可配一些耦合器，用于需要计数或变速的场合。3.5.2光电开关光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射作用，由同步回路选通来检测物体的，见图3-2。其物体不局限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测，是理想的电子开关量传感器。它能准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适应能力，也是一般机械式行程开关所不能相比的。图3-2镜反射式光电开关工作原理图考虑到气调库内的低温潮湿环境，选取瀛来机电公司的SKK05-1K型，输出形式为直流NPN三线常开，镜反射式光电开关共8个，检测距离为50cm。将光电开关安装于堆垛机的初始起点位置，货叉的上下前后四个极限位置，在堆垛机上安装两个分别控制行列，并在货架每层和每列相应的平层位置均安装镜反射器，通过输入信号到PLC使堆垛机相应地改变运动状态。3.5.3电磁闸本控制系统有两个电磁闸，作用是使堆垛机在行列方向上停车制动，选用QZ23JD2-L型双控电磁闸，AC220V。3.5.4断路器、接触器断路器能在主电路发生短路、过负荷和低电压时自动跳闸，从而保护电路。该系统中断路器选用上海蒙崎电气380VHYCM1L-63L型，运行短路分断能力为18KA。接触器是用来防止变频器电缆由于过载和短路而造成的损坏。在此，我们选择西门子3TF4622，线圈电压为220V系列。3.6本章小结本章针对立体仓库中的实际工作环境，选择了适合本系统的主要相关设备，并进行了相应参数的计算，对堆垛机的控制系统进行了硬件方面的设计。分别从电动机、变频器及其附属设备、PLC、旋转编码器、光电开关、电磁闸、断路器和接触器等方面，进行了比较合理的设备选型与参数计算[33]。根据实验条件下的I/O点数与I/O信号的特点，对PLC进行了I/O点的分配，并将所选的设备合理地进行接线连接，构建出系统的硬件系统，最后设计出主要设备的电气原理图。4SRMC系统软件设计一个完整的SRMC系统是由硬件与软件两大部分组成的。要实现系统所要求的功能，除了完成硬件部分的设计，还要配备完善的软件，系统才能正常工作。本章主要包括以下内容：对当前同类气调库内堆垛机的速度控制曲线进行改造，完成变频器的参数计算与设置，运用GX-Developer软件编写系统的控制程序，设计出满足系统功能要求的软件系统。本文中的控制系统要求实现的主要功能如下：(1)货叉控制；(2)层数与列数计算；(3)快车运行控制；(4)换速控制；(5)停车控制；(6)检修点动控制。4.1堆垛机速度曲线模型的设计堆垛机的控制系统主要由变频器、PLC及旋转编码器组成。变频器用来实现电机的调速。图4-1控制系统结构图本文所选用的安川CIMR-G7A4015通用变频器，具有可自行设置速度曲线的特点，能实现堆垛机的平稳操作和精确控制。另外，变频器通过与电动机同轴连接的旋转编码器和选配的PG卡，可以完成电机速度的检测与反馈，形成闭环系统。可编程控制器（PLC）负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起、停等信号，同时变频器也将工作状态信号送给PLC，形成双向联络关系，这是系统的核心。旋转编码器与电动机同轴连接,对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B两相脉冲，根据A、B脉冲的相序，可判断电动机的转动方向，并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此反馈信号送给变频器内部，以便进行运算调节。所以旋转编码器和PG卡实现了闭环运行。控制系统结构图如图4-1所示。4.1.1现有速度曲线的分析根据实际调查结果，现在很多气调自动化立体仓库堆垛机的速度控制方法还比较落后，堆垛机的速度控制曲线多数均为如图4-2(a)所示的形式，在A、B、C、D处加速度变化率为正、负无穷大，其它时刻则为0，存在着运行过程中速度起伏过大，稳定性差等问题。根据实际生产经验，一般情况下，气调立体仓库堆垛机的加、减速度应限制在1.5以内，且加速度变化率应限制在2.0以内，这样可以最大程度地避免货箱在堆垛机搬运过程中由于惯性造成的倾倒和碰撞，降低启停时对电气设备的电流冲击，尽量发挥各个设备的效能。这里，我们选择的CIMR-G7A4015型变频器，具有可以自行编制速度曲线的特点。针对以上情况，本文运用函数分析的方法，设计一种新型的速度控制曲线，以满足系统对于堆垛机速度控制性能的要求[3][4]。图4-2堆垛机的速度曲线图4.1.2速度曲线改进的函数分析过程(1)曲线的选择在如图4-2(b)所示的AE、FB、CG、HD四段，选用抛物线平滑地完成堆垛机的加速与减速，而EF、GH两段则选用曲线的切线来完成调速过程。根据系统实际要求所知：堆垛机X方向或Y方向的额定转速为0.5，为防止货箱倾倒和碰撞，最大的加速度和加速度变化率应为=1.5，=2.0。根据上述速度曲线的特点，可进行以下分析：加速段曲线AE：=k，可知此段=,=加速段切线EF：,则可知此段考虑到系统加速的快速性，可选择加速曲线FB与AE对称，即。匀速运行时堆垛机X方向或Y方向的额定转速是0.5，这要求B点加速度及加速度变化率均为0，即：匀速段曲线BC:根据以上分析可知：初步选择,计算如下:由于设定AE与FB对称，则有：可得各点参数如下:E点:F点:B点:可知，AE段:EF段:FB段:由于我们设定加速段和减速段曲线是对称的，由对称性可知：CG段:GH段:HD段:其中是电机以额定转速运行的时间。运用作图工具，速度曲线分段显示如图4-3所示。图4-3速度曲线分段显示(2)曲线的合理性检验①光滑性由以上计算得：满足，则两段曲线间存在切线，加速曲线光滑。由对称性可知，减速曲线也光滑。②最小间距可实现性。即在起动段，堆垛机沿X或Y方向走了0.264m的距离。由对称性，降速段也运行了0.264m，所以在这两个阶段，共运行了0.528m。由于本立体库单位层高与单位列宽均为1m，所以在堆垛机的额定转速为0.5，加、减速所用时间为1.056s的前提下，所设计的加减速曲线满足最小间距的要求。③稳定性在本设计中，曲线的A、B、C、D四个状态点，加速度的变化率均为0，在整个运行过程中加速度变化率最大值为，因此，我们所设计的加减速曲线满足系统运动的稳定性要求。4.1.3改进的速度曲线特点以上对于堆垛机速度曲线模型的设计，可以较好地改进PLC与变频器的整体配合效果。PLC根据实际控制的要求，向变频器发出正向运行、反向运行、减速及制动等信号，而变频器则根据我们设计的控制规律和控制算法，正确地控制电动机的运转与停止。这样的运行速度曲线，较好地解决了当前气调立体仓库堆垛机存在的运行过程中速度起伏过大，稳定性差的问题，基本实现了我们预想的目标。4.2主控制器PLC的程序设计4.2.1PLC控制系统程序设计的主要工作(1)主导思想：根据本堆垛机系统的工作要求，确定PLC程序需要解决的问题，制定合理的设计任务书。在程序的设计和调试阶段不断进行完善，进一步加深对某些概念和问题的理解，最终使设计的程序符合我们的控制要求；(2)软件设计：根据堆垛机系统的各种控制，即入库、出库、取货、存货、点动等控制，运用过载保护、限位保护、联锁及互锁等基本功能，确保所设计的软件能够使堆垛机在工作中可靠地运转。我们应用结构化程序设计，根据规范要求按功能块设计，整个程序结构分明，条理清晰，便于编写、检查、修改及维护；(3)软件调试：在程序编制完成后，首先进行模拟调试，通过PLC的输入输出点的控制来检查程序编制的正确与否，发现问题及时进行更改，然后进行现场调试，调试时充分考虑各种可能性，对系统的不同工作方式和各种限制条件逐一进行测试，发现问题及时更改程序，直至所编制的程序符合堆垛机系统的控制要求[26]。4.2.2本程序设计使用软件由于本设计选取三菱FX-2N系列PLC作为系统的主控制器，因此，程序设计软件选用当前比较流行的三菱GX-Developer编程工具，它是应用于三菱系列PLC的中文编程软件，可在Windows9x及以上操作系统运行。GX-Developer编程软件的主要功能[34]GX-Developer的功能十分强大，集成了项目管理、程序键入、编译链接、模拟仿真和程序调试等功能，其主要功能如下：①在GX-Developer中，可通过线路符号、列表语言及SFC符号来创建PLC程序，建立注释数据及设置寄存器数据；②创建PLC程序以及将其存储为文件，用打印机打印；③该程序可在串行系统中与PLC进行通讯、文件传送、操作监控以及各种测试功能。(2)编程系统的构成与配置[27]三菱GX-Developer编程系统主要由以下几个部分构成：计算机、接口单元、通讯电缆、系统操作软件及操作手册等。①计算机要求机型：IBMPC/AT（兼容）；CPU：486以上；内存：8兆或更高（推荐16兆以上）；显示器：分辨率为800×600点，16色或更高。②接口单元采用FX-232AWC型RS-232/RS-422转换器（便携式）或FX-232AW型RS-232C/RS-422换器（内置式），以及其他指定的转换器。③通讯电缆采用FX-422CAB型RS-422缆线（用于FX2，FX2C型PLC，0.3m）或FX-422CAB-150型RS-422缆线（用于FX2，FX2C型PLC，1.5m），以及其他指定的缆线。(3)GX-Developer编程软件的运行[28]安装好软件后，在计算机桌面上自动形成GX-Developer的图标，用鼠标双击该图标，可打开编程软件。执行菜单中[文件]-[退出]，将退出编程软件。执行菜单中[文件]-[新建]，可创建一个新的用户程序，在弹出的窗口中选择PLC的型号后单击[确认]，此时计算机屏幕的显示如图4-4所示。菜单中的其它命令与Windows软件的操作相似，不再说明。4.2.3程序设计方法选择目前，PLC应用程序的设计方法大体有以下几种：经验设计法、逻辑设计法和状态流程图设计法等[29]。(1)经验设计法实际上是沿用了传统继电器系统电气原理图的设计方法，即在一些典型单元电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断地修改和完善梯形图。经验设计法只能用来设计一些简单的程序或复杂系统的某一局部程序（如手动程序等）。如果用来设计复杂系统程序，存在以下问题：①考虑不周、设计麻烦、设计周期长用经验设计法设计，没有一套固定的方法和步骤可以遵循，具有很大的试探性和随意性。设计复杂系统的程序，要用大量的中间元件来完成记忆、联锁、互锁等功能。由于需要考虑的因素很多，它们往往又交织在一起，分析起来非常困难，并且很容易遗漏一些问题。修改某一局部程序时，很可能会对系统其它部分程序产生意想不到的影响，程序的修改也很麻烦，往往花了很长的时间，还得不到一个满意的结果。图4-4打开本软件时的屏幕显示②程序的可读性较差、系统维护困难用经验设计法设计的程序往往非常复杂。它是按照设计者的经验和习惯的思路进行设计。因此，即使是设计者的同行，要分析这种程序也很困难，更不用说维修人员了，这给PLC系统的维护和改进带来许多困难。(2)工业电气控制线路中，有不少都是通过继电器等电器元件来实现的。而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即吸合和断开，因此，用