立体仓库巷道堆垛机的控制系统设计_本科毕业设计(编辑修改稿)

立体仓库巷道堆垛机的控制系统设计_本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

机构、行走机构以及安全保护装置等组成。 存、取货物机构是堆垛机存、取货物的执行机构，装设在载货台上，主要功能即实现货物的搬运和存取。 目前最常用的是三级直线差动式伸缩货叉。 它由上叉、中叉、下叉和起导向作用的滚针轴承等构成。 其结构如图 所示。 提升机构的主要功能是实现堆垛机存取货机构的垂直运动，目前有部分堆垛机的提升机构是靠起重链柔性件来进行牵引。 升降机构主要由升降链轮，升降链条和驱动链轮等组成。 载货台和升降链条连接在一起，升降 链条与载货台、上下横梁的链轮及升降链轮组成封闭式结构。 行走机构的主要功能是实现堆垛机沿巷道方向的水平运动。 本文设计的堆垛机运行机构由电机变速箱、行走轮、导向轮等组成。 下横梁下方有行走轮，导向轮在其侧面，确保堆垛机可以正常行走 3。 其结构如图 所示。 图 图 （上）图 （下） 立体仓库巷道堆垛机的控制系统设计 4 堆垛机在国内外的发展现状 根据物流设备的发 展形势，对比国内外技术水平及研发情况等有关资料的分析，目前国内堆垛机与国际先进水平相比，主要的差距在于综合性能上的差距：重点体现在机构行走和升降的速度、货叉伸缩的速度、运行时的平稳性、振动和噪声。 在结构上也存在较大的劣势：国外产品结构设计合理，且更加灵巧，本人国产品相对来说笨重，不够小巧。 本文研究的主要内容 本文设计的是一两排四层三列式立体仓库巷道式堆垛机的电气控制系统，并实现货物存取的模拟控制。 主要工作包括：分析对比各类立体仓库的控制技术，确定实现方案；进行堆垛机的机械结构分析；进行堆垛机的控制 系统设计；用组态软件设计人机界面，对货物存取过程进行仿真控制。 2 仓储堆垛机的控制 堆垛机主要运动及控制方式 本文设计的堆垛机在收到控制系统的指令后可以来回穿梭运行于自动化立体仓库的巷道中，能够将位于入库口的货物存入货仓，或者相反取出货仓内的货物运送到出库上海建桥学院本科毕业设计（论文） 5 口。 堆垛机的主要运动 自动化立体仓库堆垛机的主要运动：堆垛机主体沿巷道前后方向运行；位于主柱上的 升降台沿上下方向的运行；升降台上的货叉能左右伸缩以存取巷道上的货架上的货箱。 堆垛机的控制方式 自动化立体仓库拥有较多的控制方式，时至今日有三种较为主流的控制方式： PLC控制、单片机控制和继电器控制。 本次采用 PLC 控制。 堆垛机认址方式 认址方式的介绍 堆垛机进行货物存、取前必须先走到指定的货位。 它到达与否的判定，在操作时必须自动进行。 为此．货架上的每一个货位必须具有堆垛 机能识别的编码。 巷道左右 2 排货架依次设定为 1 排、 2 排；堆垛机水平运行方向设定为入库口、 1列～ 3 列和出库口；垂直升降方向设定为 1 层～ 4 层，最底层取作 1 层。 把排、列、层比作空间直角坐标系 X、 Y、 Z方向，就能确定每一个货位的编号。 堆垛机可以自动检测它当前所处位置的坐标，使其能走到指定货位。 其中 X方向即排数，对于堆垛机的货叉来说只有左和右 2 个运动方向，因此只需要检测 Z坐标即层数与 Y 坐标即列数。 这 2 个坐标的检测也是一般情况下遇到的认址问题。 现在科技含量较高的检测元件是光电开关，它是利用安装于轨道上对应货架每一列的 行走认址片及安装在堆垛机立柱上对应货架每一层的升降认址片，相应光电开关在每次通过认址片时会进行透光或挡光，使光电开关的状态发生变化，利用计算机对此变化状态进行统计，根据相应算法可得到堆垛机的 Y 和 Z方向的坐标，从而获知堆垛机当前所在的列数和层数。 当光电开关的状态变化时，自动控制系统怎样正确识别堆垛机所在位置的编码是自动认址的主要问题。 对此，可以采用 2种方式：绝对认址或相对认址。 绝对认址采用得到的用 N个光电开关的通、断状态组合来获取 Y或 Z的坐标。 行走和升降机构分别用一组光电开关和认址装置（认址片和光电开关视层 数、列数而定）来获取堆垛机的当前地址（如图 所示），认址装置上的认址片和每个地址编码一一对应。 采用绝对认址方式时，堆垛机控制系统的 PLC 编程较为简单，并且认址相对可靠，但是它每个位置的认址片都不相同，结构复杂，加上货位越多，所需的认址光电开关也会越多 4。 立体仓库巷道堆垛机的控制系统设计 6 相对认址是通过对光电开关在经过每一列或每一层的认址片时，通电状态翻转产生的电脉冲对地址编码进行加、减 1 的操作，产生堆垛机当前地址编码的一种方式 (如图 所示 )。 当堆垛 机行走或升降时，每产生一个脉冲，就对列数或层数加 1或减 1作为当前地址 5。 图 图 认址方式的确定 为完成对堆垛机的速度控制，必须要检测出堆垛机运行时的当前位置，本文设计的堆垛机电气控制系 统采用相对认址方式。 因为这种方式不管有多少货位，均只需 2个行走光电开关和 3～ 4 个升降光电开关，大大减少了光电开关的数目可得到广 泛应用。 具体如下： 1）水平认址系统 在堆垛机的水平轨道上，对应货架的每一列均要安装一个认址片，在堆垛机沿轨道上安装前、后两个光电开关。 当堆垛机运行停准的时候，前向光电和后向光电都会响应，即它们都为高电平。 PLC 的计数器可实现这种运算，而且定位用的光电开关也可用于停准检测，如图 所示。 （ 2）纵向认址系统 在堆垛机垂直立柱上，对应货架的每一层的均要安装一个认址片，在堆垛机的货台下面要安装上、中、下三个光电开关。 低位为取货开始伸叉或放货完毕收叉的位置，高位为放货开始伸叉或取货完毕收叉的位置。 为保证货叉完成 作业，堆垛机在垂直方向上必须要有检测装置准确检测货叉是否准确停在高位或低位。 所以要在堆垛机的货台下面安装三个光电开关，与升降台一起上升下降，中间的一个共用，其他两个分别为上位置和下位置。 存货开始或取货结束时，升降台货叉停在高位置，上面两个光电开关将在堆垛机升降过程中起作用；取货开始或存货结束时，货叉停在低位置，此时下面两个光电开关将在堆垛机升降过程中起作用，如图 6。 上海建桥学院本科毕业设计（论文） 7 图 堆垛机垂 直方向认址传感器分布图 堆垛机速度控制 堆垛机运行效率的高低关系着整个立体仓库的运行效率以及生产计划的完成。 堆垛机水平运行、载货台升降采用变频器控制速度；而货叉的伸缩运行距离较短采用固定速度。 系统通过光电传感器确定运行过程中堆垛机的位置。 传感器回馈堆垛机的运行速度，通过调整变频器的频率控制堆垛机的速度。 在保证精确定位的情况下，最大限度的提高堆垛机的运行速度，提高整体的运行效率。 变频调速的工作原理 变频调速技术常用于堆垛机的速度控制。 采用这种技术的交流异步电动机，其性能可以超过现有任何一种交流调速方式，比如变极、调压、串极等，也能和直流调速一较长短，而且不需要经常换碳刷，能够节省费用，并且驱动装置简单，不必使用电动机的启动与减速附加装置，是交流调速的最佳方案。 在堆垛机存取货物的过程中 ,行走和货叉伸缩运动是按照先后顺序动作的 ,行走电动机和货叉电动机如果使用同一台变频器并联运行可以减少使用成本 ,电动机功率按照大惯性负载启动的情况考虑 7。 由电机学原理可知变频器 的变频原理可表示为：  s1p60fn （ ） 式中 :f是电源频率， p 是电动机定子绕组的极对数， s是转差率。 从上式可以看出，在极对数和转差率不变的情况下，转速与电源的频率成正比，通过改变电动机的频率可以改变电动机的转速，达到控制堆垛机速度的 目的。 立体仓库巷道堆垛机的控制系统设计 8 速度曲线的设计 本系统堆垛机运行速度如图 、中速、低速三档，根据光电传感器反馈的信息判断与目标位置距离远近进行速度控制。 在距离目标位置较远时，为提高工作效率采用高速运行；在距离较近时，降低速度达到完全运行准确认址的目的。 由于堆垛机水平行走、载货台的垂直升降、货叉的左右伸缩三个运动的距离和运行速度不同，货叉的左右伸缩运行的距离较短，可采用固定速度低速运行，堆垛机水平行走速度、载货台垂直升降速度与目标位置和当前位置间的距离的相 关，关系如公式 和 所示，N为实时状态下堆垛机的位置与目标位置相差的层数或列数。 图 （ ） （ ） 半闭环控制 当堆垛机朝着某一目标位置行进时 ,按照事先编好的 PLC 程序中堆垛机速度的控制策略，再根据目标位置与光电传感器反馈回来的堆垛机的实际位置之间的差值即相差的列数或层数 ,选用变频器不同的频率 实现堆垛机运行时的速度控制。 当堆垛机距离目标位置较远时，先用较高的速度使堆垛机接近目标位置 ,然后平稳地过渡到较低的速度运行 ,在到达目标位置时采取抱闸停准 8。 为了能较好地满足自动化仓库中堆垛机高速运上海建桥学院本科毕业设计（论文） 9 行、平稳换速、低速停准地调速控制要求，本文采用半闭环控制方式 ,如图 所示。 图 堆垛机控制系统半闭环控制原理 3 控制系统硬件部分设计 核 心元件简介 可编程控制器简介 可编程控制器（ Programmable Logic Controller,PLC)是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。 随着大立体仓库巷道堆垛机的控制系统设计 10 规模、超大规模集成电路技术和数字通信技术的进步和发展， PLC 技术不断进步，在工业生产中获得了极其广泛的应用 9。 S7200 系列 PLC 是德国西门子公司生产的一种超小型 PLC,大型和中型的 PLC 的功能应有尽有，而价格却和小型 PLC 的价格一样。 能够单机动作，也可以输入 /输出扩展。 它结构小巧，可靠性高，运行速度快，拥有媲美大型和中型 PLC 的技术优势，又有丰富的指令集，具有很强的实时特性和集成功能，配备有多种功能的扩展模块，性价比非常高。 变频器简介 变频器的工作原理是通过改变交流电频率方式实现交流电的控制。 变 频器的电路一般由 4 个部分组成：整流、中间直流环节、逆变和控制。 变频器作为功率的变换部件，可提供可控的高性能变压变频的交流电源。 电气设计一般原则 一般，电气控制系统应满足工业生产的加工工艺要求，线路以安全为先，可靠为主，操作简单，维护方便，节约成本等。 为此，必须正确设计控制电路，合理的选择电器元件。 一般在设计时应该遵循以下原则： 1)最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求。 在设计控制系统之前，首先要清楚控制系统的工作要求，对要使用的机械设备的工作性能，结构特点和实际工作情况有充分的了解。 从而作为 设计电气控制线路的依据。 2)在满足生产要求的前提下，力求使控制线路简洁明了和节约电器元件。 尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的环节和线路；尽量缩短连接导线的数量和长度；尽量减少电气的数量采用标准件；尽量减少不必要的触点，简化电路；线路在使用过程中除必要的电路必须通电以达到工作要求外，其余的尽量处于断电状态以节约电能，并延长电路的使用使命。 3)保证控制线路工作的可靠性。 选用的电器元件要可靠、牢固、动作时间少、抗干扰能力强；正确连接电器元件的线圈；正确连接电器的触点；在控制线路中，采用小容量继电器的触点来断开或 接通大容量接触器的线圈时，要计算继电器触点断开或接通容量是否足够；在频繁操作的可逆线路中，正反向接触器应加重型的接触器，且应有电气和机械的联锁；防止触点竞争现象；防止寄生电路。 4)控制线路工作的安全性。 电气控制线路应具有完善的保护环节，用以保护电网、电动机、控制电器以及其他电器元件，消除不正常工作时的有害影响，避免因误操作而发生故事。 在控制系统中，常用的保护环节有短路、过流、过载、过压、失压、弱磁、上海建桥学院本科毕业设计（论文） 11 超速、极限等。 有时设有合闸、正常工作、事故、分闸等指示信号。 5)操作和维修方便 10。 电器元件的选用 （ 1） 1个电源 :使用带有声光报警系统的交流 380V 三相三线电源。 （ 2） 2个指示灯 :1 个用于通电指示， 1 个用作警示灯。 （ 3） PLC 的选型：选用西门子公司生产的 S7 200 6ES7 CPU224 DC/DC/DC,14 输入 /10 输出型作为堆垛机自动控制系统的核心。 扩展模块选择 6ES7 EM223 8 入 /8出 24VDC，开关量型。 （ 4）变频器选型：按照变频器总电流不超过额定电流的基本原则 ,本人选用西门子司生产的 MM440 变频器作为行走电动机、货叉电动机和升降电动机的变频器。 因为在堆垛机存取货物的过程中 ,运行系统和货叉系统是按照先后顺序动作的 ,为减少开支 ,运行电动机和货叉电动机使用同一台变频器并联运行 ,运行电动机按照大惯性负载启动的情况。