基于plc的自动化立体仓库巷道式堆垛机控制系统设计

基于plc的自动化立体仓库巷道式堆垛机控制系统设计内容摘要：

堆垛机的高度可达 40m，事实上，如果不受仓库建筑和费用的约束，堆垛机的高度可以不受限制。 有轨巷道式堆垛机替 代桥式堆垛机主力地位的原因如下： （ 1） 与巷道堆垛机相比，自重很大，必须用比较坚固的建筑结构支持。 （ 2） 为使堆垛机的大梁通过，在仓库顶部与货架之间要有很大的空间。 （ 3） 堆垛机的通道宽度大，作业范围要受大梁的跨度的限制。 与巷道无轨堆垛机相比，有轨巷道堆垛机在结构上有很大的不同。 它采用钢轮在钢轨上运行，而巷倒无轨堆垛机则采用轮胎，因此在轮压不同时会产生不同的变形量；有轨堆垛机采用立柱，无轨堆垛机采用多级门架，当门架伸出时，由于门架间的间隙，货叉尖的水平和垂直位移会随门架升降高度的变化而变化。 凡此种种因素都对巷道无轨堆垛机的 货叉在垂直和水平方向上的定位精度产生影响。 堆垛机的特点 有轨巷道堆垛机的主要用途是在高层货架的巷道内来回运行，将位于巷道口入库台上的货物存入货位；或者将货位内的货物取出送到巷道口的出库台上。 （ 1） 整体结构高而窄。 由于采用有轨巷道堆垛机的高架仓库货架很高，而巷道很窄，堆垛机的宽度一般只与所搬运的单元货物的宽度相同。 （ 2） 结构的刚度和精度要求高。 堆垛机的金属结构设计除需满足强度要求外，结构的静刚度，动刚度是一项非常重要的指标。 制动时，机架顶端水平位移一般要求不超过 20mm，结构振动衰减时间要短。 载货台在 立柱上的升降导轨的不垂直度一般要求不超过 3～ 5mm。 （ 3） 取物装置复杂。 堆垛机配备有特殊的取物装置，常用的有伸缩货叉，伸缩平板和可对物料箱或特殊形状货物作业的机器手，工作时，能对两侧货架作业，存取货物。 （ 4） 堆垛机的电力拖动系统要同时满足快速，平稳和准确三个方面的要求。 即要求堆垛机的工作速度高，启，制动快，尽量缩短作业周期；还要求平稳性好，启，制动要平稳，以防货物单元在载货台上发生滑移或使装在托盘上的货物发生倒塌，并减少结构的动载荷；同时要求具有较高的停车准确性，能保证载货台停在指定的货位，停车的精度在 5～ 10mm。 安全要求高。 特别是有升降司机室的堆垛机。 变频器的了解 变频器简介 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, Availability, Serviceability，可靠性、可使用性、可维修性 )功能得以充实。 由于通用变频器具有调速范围宽、调速精度高、动态响应 快、运行效率高、功率因数高、操作方便且便于同其他设备接口等一系列优点，所以应用越来越广泛，社会经济效益十分显著。 (1)按照主电路工作方式分类。 当按照主电路工作方式进行分类时，变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器。 电压型变频器的特点是将直流电压源转换为交流电源，而电流型变频器的特点则是将直流电流源转换为交流电源。 ①电压型变频器。 在电压型变频器中，整流电路或者斩波电路产生逆变电路所需要的直流电压，并通过中间电路的电容进行平滑后输出。 整流电路和直流中间电路起直流电压源的作用，而电 压源输出的直流电压在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电压。 在电压型变频器中，由于能量回馈给直流中间电路的电容，并使直流电压上升，还需要有专用的放电电路，以防止换流器件因电压过高而被破坏。 ②电流型变频器。 在电流型变频器中，整流电路给出直流电流，并通过中间电路的电抗将电流进行平滑后输出。 整流电路和直流中间电路起电流源的作用，而电流源输出的交流电流在逆变电路中被转换为所需要的交流电流，并被分配给各输出相后作为交流电流提供给电动机。 在电流型变频器中，电动机定子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式实现 的。 对于电流型变频器来说，在电动机进行制动的过程中可以通过将直流中间电路的电压反向的方式使直流电路变为逆变电路，并将负载的能量回馈给电源。 由于在采用电流控制方式时可以将能量回馈给电源，而且在出现负载短路等情况时也更容易处理，电流型控制方式更适合子大容量变频器。 (2)按照开关方式分类。 按照逆变电路的开关方式对变频器进行分类，则变频器可以分为 PAW 控制方式， PWM控制方式和高载频 PWM控制方式三手中。 ① PAM 控制 PAM 控制是 Pulse Amplitude Modulation(脉冲振幅调制 )控制的简称，是 一种在整流电路部分对输出电压 (电流 )的幅值进行控制，而在逆变电路部分对输出频率进行控制的控制方式。 因为在 PAM 控制的变频器中逆变电路换流器件的开关频率即为变频器的输出频率，所以这是一种同步调节方式。 ② PWM 控制 PWM 控制是 Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制 )控制的简称，是在逆变电路部分同时对输出电压 (电流 )的幅值和频率进行控制的控制方式。 在这种控制方式中，以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压 (电流 )的目的。 ③高载频 PWM 控制这种控 制方式原理上实际是对 PWM 控制方式的改进，是为了降低电动机运转噪音而采用的一种控制方式。 在这种控制方式中，载频被提高到入耳可以听到的频率 (1020KHz)以上，从而达到降低电动机噪音的目的。 这种控制方式主要用于低噪音型的变频器，也将是今后变频器的发展方向。 由于这种控制方式对换流器件的开关速度有较高的要求，所用换流器件只能使用具有较高开关速度的 IGBT 和MOSFET 等半导体元器件，目前在大容量变频器中的利用仍然受到一定限制。 但是，随着电力电子技术的发展，具有较高开关速度的换流元器件的容量将越来越大，所以预计 采用这种控制方式的变频器也将越来越多。 PWM 控制和高载频 PWM 控制都属于异步调速方式，即变频器的输出频率不等于逆变电路换流器件的开关频率。 (3)按照工作原理分类。 按照工作原理对变频器进行分类，按变频器技术 的发展过程可以分为 U/f 控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式三种。 ① U/f 控制变频器 Ulf 控制是一种比较简单的控制方式。 它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使 U/f(电压和频率的比 )的值保持一定而得到所需的转矩特性。 采用 Ulf 控制方式的变频器控制电路成本较低，多用于对精度要求 不太高的通用变频器。 ②转差频率控制变频器转差频率控制方式是对 Ulf 控制的一种改进。 在采用这种控制方式的变频器中，电动机的实际速度由安装在电动机上的速度传感器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率的和被自动设定。 从而达到在进行调速控制的同时控制电动机输出转矩的目的。 转差频率控制是利用了速度传感器的速度闭环控制，并可以在一定程度上对输出转矩进行控制，所以和 Ulf 控制方式相比，在负载发生较大变化时仍能达到较高的速度和具有较好的转矩特性。 但是，由于采用这种控制方式时需要在电动机 上安装速度传感器，并需要根据电动机的特性调节转差，通常多用于厂家指定的专用电动机，通用性较差。 ③矢量控制变频器矢量控制是 70年代由西德 B 1 aschke 等人首先提出来的对交流电动机的一种新的控制思想和控制技术，也是交流电动机的一种理想的调速方法。 矢量控制的基本思想是将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量 (励磁电流 )和与其相垂直的产生转矩的电流分量 (转矩电流 )并分别加以控制。 由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量，这种控制方式被称为矢量控制方式。 矢量控制方 式使对异步电动机进行高性能的控制成为可能。 采用矢量控制方式的交流调速系统不仅在调速范围上可以与直流电动机相匹敌，而且可以直接控制异步电动机产生的转矩。 所以已经在许多需要进行精密控制的领域得到了应用。 (4)按照用途分类。 按照用途对变频器进行分类时变频器可以分为以下几种类型。 ①通用变额器顾名思义，通用变频器的特点是其通用性。 这里通用性指的是通用变频器可以对普通的异步电动机进行调速控制。 ②高性能专用变频器随着控制理论，交流调速理论和电力电子技术的发展，异步电动机的矢量控制方式得到了充分地重视和发展，采用矢 量控制方式高性能变频器和变频器专用电动机所组成的调速系统在性能上己经达到和超过了直流伺服系统。 ③高频变频器在超精密加工和高性能机械区域中常常要用到高速电动机。 为了满足这些高速电动机驱动的需要，出现了采用 PAM控制方式的高速电动机驱动用变频器。 这类变频器的输出频率可以达到 3KHz，所以在驱动两极异步电动机时电动机的最高转速可以达到 180000r/min. ④单相交频器和三相变频器交流电动机可以分为单相交流电动机和三相交流电动机两种类型，与此相对应，变频器也分为单相变频器和三相变频器。 二者的工作原理相同，但电 路的结构不同。 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。 节能应用主要体现在提高运行可靠性、台数控制和调速控制并用。 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 设备的合理化 改善和适应环境 交流变频调速技术是现 代电力传动技术的重要发展方向。 近十多年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，变频器己经广泛地用于交流电动机的速度控制。 同时由于电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，作为交流变频调速系统核心的变频器的性能也得到了飞跃性的提高，并几乎应用扩展到了工业生产的所有领域。 其重要性和发展潜力不可忽视。 第一代具有通信功能的变频器带有一个独立的“速度包” (Speed Pod)。 第二代变频器的通信进入点对点模拟信号连接方式。 随着计算机技术的发展，带数字接口的变频器是当代变频器的通信方式，它具备网络通信能力。 当代通信产品能提供比用户所能使用的更多的数据和 1/O 选择，但传统的接口技术使用的是 RS485/422，它们的抗干扰能力和传输能力都不能满足工业现场的需要。 当实施控制的时候，通过 RS485 只能接收少量的实时信息，并且通过人机接口界面编程，无法实现变频器参数的在线监控和优化，从而影响整个控制系统性能和生产工艺水平的提高。 现在，由于现场总线和网络技术的发展，特别是美国罗克韦尔自动化的 Control Net 和 Device Net 技术，可将带数字接口的变频器集成到网络化的平台中，通过 PLC、人机界面 HIM，甚至与工 厂信息管理层共享实时数据，从而实现变频器参数的在线监控和优化。 对于多电动机的同步控制、协调控制、负载均衡分配和高速设备等应用场合，其关键参数 PID 可以按具体工况条件进行在线优化，对于实现系统控制性能和水平的提高有重要意义。 因而基于集成化网络的变频器控制将会成为当前世界自动化领域研究的热点。 美国罗克韦尔自动化公司的变频器均可通过各种类型的 SCAN port 通信模块与相应的网络连通，包括 Control Net, Device Net, DH, DH+和 RIO, DH485 网络，而且它们与法国 IE公司的 Modbus, Modbus Plus、美国 Metasys 公司，日本 OMRON 公司和德国西门子公司的 Profibus 均可连通。 本文 研究 主要的内容 本文立足于 我国中小型企业自动化立体仓库的现状以及智能控制技术的基础上，对自动化立体仓库条形码认址方式进行初步的探讨，论述立体仓库的堆垛机运行速度的模糊控制技术，利用先进的网络控制集成技术对自动化立体仓库控制系统的硬件、软件进行较完善的设计与研究。 本文研究工作的主要内容安排如下： 第 1章为绪论。 指出 自动化 立体仓库研究的科学理论意义和现实意义。 第 2章为自动化立体仓库 控制系统总体方案设计。 简要介绍了货物仓储作业流程，以及控制系统功能及主要参数，最后给出了控制系统的总体设计方案。 第 3章 为堆垛机的定位 与 速度模糊控制 技术。 探讨 条形码认址方式与编码 的设计方法，叙述了基于模糊理论的堆垛机速度控制的设计。 第 4章为自动化立体仓库控制系统的硬件设计。 硬件设计包括巷道式堆垛机控制的设计、 辊 道链条输送机控制的设计。 第 5章为自动化立体仓库控制系统的软件设计。 基于硬件设计的基础上，进行软件设计，堆垛机、输送机的触摸屏控制软件设计。 第 6章为控制系统 调试与运行。 在总结前一章的基础上，对控制 系统的硬件、软件进行调试。 包括：上位机系统监控软件的 调试与运行 ，堆垛机水平运行速度调试，输送机与上位机监控机之间的相互 通信调试，触摸屏监控软件的调试与运行。 结束语对全文的研究 工作进行归纳、总结，给出本文研究的主要结果， 提出本课题需要进一步完善的内容，对今后的研究方向给出建议。 第 2章 自动化立体仓库控制系统总体方案设计 货物仓储作业流程 针对江西赣州五环机器有限公司的自动化立体仓库的设计要求，自动化仓库系统的组成如图 21所示，系统由四部分构成：货架、货厢 ；巷道式堆垛机；出入库辊道链条输送机；设备监控系统。 图 21 自动化仓库系统的组成示意图 货架：用于存放货物。 其中货架是固定的，货物存放在货厢内。 其中仓库储存区（货架区）的仓位数量为 2排 30列 10层；巷道数 1个；货格形式为货厢。 出入库辊道链条输送机：入库时负责把货物送入库口，出库时再负责把货物运送到人工分拣台进行物资分发。 巷道堆垛机：用于固定货架区货物的自动存取，完成入库作业和出库作业等。 堆垛机是自动化立体仓库的主要设备，仓库所有货物的入库、出库等作业都必须通 过堆垛机完成。 堆垛机控制系统的工作效率、可靠性及稳定性等在自动化立体仓库系统中，起着至关重要的作用。 监控系统是自动化仓库的信息枢纽，是实现自动化仓库实时控制的重要组成部分。 它包括：信息自动检测与录入系统；设备自动控制系统和设备及货物运行实时监视系统等。 1） 货物入库流程 将货物搬运至巷道入库口输送台上，然后在输送台触摸屏选择入库功能。 在传输过程中，装在链式输送机上的条码阅读器对货厢上的条码标签进行扫描，将货厢内货物的品名、规格等条码信息读入，经入库员核实后，将货厢数量和货物类别由控制系自动化立体仓库 货架、货厢 出入库辊道链条输送机 巷道式 堆垛机 监控系统 统根据输入的信息自动分配 货位，并发出指令给堆垛机，由堆垛机将货厢运送至入库输送台，然后将货物装入货厢，再由堆垛机将已装入货物的货厢存入指定货位，完成入库专业。