徐州工程學院畢業(yè)設計(論文)圖書分類號：密 級：摘要隨著計算機信息技術的發(fā)展，現代企業(yè)生產規(guī)模的不斷擴大和競爭的日益加劇，市場對企業(yè)物流系統(tǒng)提出了新的要求，自動化立體倉庫越來越受到關注并得到廣泛應用。堆垛機是立體倉庫的關鍵起重，搬運設備。本文論述了自動化立體倉庫中堆垛機控制系統(tǒng)的原理，結構和特點，介紹堆垛機的控制系統(tǒng)的設計，以及堆垛機的速度控制和精確定位方法。針對立體倉庫的存取特點，對堆垛機的硬件部分進行設備選型與參數計算，設計出電氣原理圖。并給出了PLC控制程序梯形圖。關鍵詞：堆垛機；PLC；控制系統(tǒng) Abstract With the development of computer information technology , 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 lifting equipment in automated high-rise warehouse .This paper 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 equipment selection and the parameter computation on the hardware of Storage and Retrieval Machine ,had drawn the electrical principle diagram. The design of control system for SRM is discussed .The program of the PLC is also given. KEY WORDS: SRM PLC technology control system II徐州工程學院畢業(yè)設計(論文)目 錄1 緒論11.1自動化立體倉庫系統(tǒng)概述11.1.1 堆垛機的分類11.1.2 堆垛機的組成11.2 課題的背景及國內外研究現狀31.2.1 課題背景31.2.2 堆垛機系統(tǒng)在國內外的研究狀況31.3 本課題的研究目的及主要研究內容42 堆垛機系統(tǒng)的方案設計52.1 堆垛機系統(tǒng)52.2堆垛機控制系統(tǒng)的功能要求62.3堆垛機的速度控制方案72.3.1變頻調速技術的優(yōu)點72.3.2變頻器的基本結構82.3.3 變頻調速的工作原理82.4系統(tǒng)主控制器的選擇方案設計92.4.1 PLC簡介92.4.2 PLC各部分功能112.5 堆垛機的定位控制方案122.6 本章小結123 系統(tǒng)硬件設計143.1 堆垛機控制系統(tǒng)結構143.2 電動機的選型153.3 變頻器的選型163.3.1 VS-616G5型變頻器的特點163.3.2 VS-616G5型變頻器的標準規(guī)格163.3.3 VS-616G5型變頻器的端子配備163.3.4 變頻器的容量計算183.3.5 PG速度控制卡的選擇193.3.6變頻器制動電阻參數的計算203.4 PLC的選型203.4.1 FX-2N系列PLC的特點203.4.2機型的配置213.5 堆垛機控制系統(tǒng)其它主要硬件的選取213.5.1旋轉編碼器213.5.2 光電開關223.5.3 電磁閘223.5.4 斷路器、接觸器233.6 堆垛機控制系統(tǒng)的電氣原理圖234 堆垛機控制系統(tǒng)軟件設計244.1 程序設計軟件244.2 機型的配置及I/O點數的分配254.3 堆垛機控制系統(tǒng)程序設計26結論33致謝34附錄36附錄1 36附錄2 44431 緒論自動化立體倉庫是物料搬運、倉儲科學的一門綜合科學技術工程。它以高層立體貨架為主要標志，以成套先進的搬運設備為基礎，以先進的計算機控制技術為主要手段，是實現搬運、存取機械化、自動化，儲存管理現代化的新型倉庫。它具有占地面積小、儲存量大、周轉快的優(yōu)點，是集信息、存儲、管理于一體的高技術密集型機電一體化產品。將自動化立體倉庫應用在立體庫中，利用它自身的優(yōu)勢，可以實現貨物的自動存取。1.1 自動化立體倉庫系統(tǒng)概述1.1.1 堆垛機的分類堆垛機是自動化立體倉庫中貨物進出倉庫的主要執(zhí)行設備。按規(guī)模進行分類，高度10m以下的為低層型，1020m的為中層型，20m以上的為高層型。按驅動方式分類，分為下部驅動式、上部驅動式和上下部驅動式三種。就結構而言，高度在6m以下的小型堆垛機一般是桅桿式的，而高度大于6m的堆垛機則一般采用箱式框架結構形式。堆垛機的動作可分為單循環(huán)和復合循環(huán)兩種。前者是分別實現入庫動作和出庫動作后者可以實現連續(xù)出入庫動作。堆垛機的運轉方式可分為自動操作和手動操作兩種。高級機種中還有一種是手動定位停止，貨物的出入庫可以采取自動或半自動的形式。1.1.2 堆垛機的組成巷道式堆垛機基本結構一般主要由機架、運行機構、起升機構、載貨臺、貨叉、電氣設備以及各種安全保護裝置等部分組成（如圖1所示) 1上橫梁 2. 松繩及過載保護裝置 3. 立柱 4. 提升機構 5運行機構 6.伸縮貨叉 7. 載貨臺 8. 電氣柜 9. 下橫梁 圖1-1 堆垛機結構圖(l)機架堆垛機的機架由立柱、上橫梁和下橫梁組成一個框架。整機結構高而窄。機架可以分為單立柱和雙立柱兩種類型。雙立柱結構的機架由兩根立柱和上、下橫梁組成一個長方形的框架。這種結構強度和剛性都比較好，適用于起重量較大或起升高度比較高的場合。單立柱式堆垛機機架只有一根立柱和一根下橫梁，整機重量比較輕，制造工時和材料消耗少，結構更加緊湊且外形美觀。堆垛機運動時，司機的視野比較寬闊，但剛性稍差。由于載貨臺與貨物對單立柱的偏心作用，以及行走、制動和加速減速的水平慣性力的作用對立柱會產生動、靜剛度方面的影響。當載貨臺處于立柱最高位置時撓度和振幅達到最大值。這在設計時需加以校核計算。堆垛機的機架沿天軌運行。為防止框架傾倒，上梁上裝有導引輪。(2)運行機構運行機構主要由電動機(帶制動器)、減速器、車輪組成。目前常采用的下部支承及驅動的堆垛機。運行機構安裝在下橫梁一端，下部車輪為主動輪，另一端為被動輪。有時堆垛機為了實現轉巷道作業(yè)，被動輪安裝在轉向輪座上，可以保證在轉巷道時有較小的回轉半徑。堆垛機的水平運行速度:國內最高達到100m/min，國外(日本)已達到160m/min.最低速度4m/min。目前運行機構一般都用變頻調速。(3)起升機構堆垛機的起升機構由電動機、制動器、減速機、卷筒或鏈輪、鋼絲繩或鏈條以及滑輪等零部件組成。目前，常用帶制動器的電機。減速機的采用視傳動比需要和結構布置而定。蝸輪蝸桿減速器結構緊湊、安裝簡單，但傳動效率較低。行星齒輪減速器則在電機軸方向尺寸較大。目前，也常用專門生產的“三合一”(即電機、制動器、卷筒合一)起升卷揚機構，它相對結構緊湊。其它零部件如鋼絲繩、滑輪都選用標準件。起升機構速度:國內最高達30m/min，國外(如日本)最高達4048m/min。起升機構的調速:以前曾用過子母電機或變極電機，目前多用變頻調速。(4)載貨臺載貨臺是貨物單元承載裝置，通過鋼絲繩或鏈條與起升機構聯(lián)結。載貨臺沿立柱上的導軌升降。貨叉機構安裝在載貨臺上，有司機室的堆垛機，司機室也裝在載貨臺上。有揀選功能的堆垛機，揀選平臺也安裝在載貨臺上。載貨臺通常有一個剛性框架，為沿導軌運行而裝有導輪。(5)貨叉伸縮機構貨叉伸縮機構是堆垛機的主要工作機構，其結構特點是能夠雙向伸出，以便向兩側貨格送人(取出)貨箱?？s回后，貨叉連同載貨臺一起隨大車在巷道內運行。為此，貨叉伸縮機構的設計要求是: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，結構尺寸需盡量小。貨叉伸縮速度一般為810m/min，高的可達30m/min左右，但通常需調速控制，調速范圍為:30m/min2m/min。(6) 電氣設備主要包括電力拖動、控制、檢測和安全保護等強、弱電電氣設備，三個主要機構的電力拖動系統(tǒng)，目前國內外普遍采用變頻調速控制，從而滿足堆垛機高速運行、換速平穩(wěn)、低速停準的要求。檢測系統(tǒng)必須具有堆垛機自動認址、貨虛實探測、貨箱位置檢查等功能。對堆垛機的控制，目前國內外常用PLC(可編程邏輯控制器)控制。PLC的模塊化結構以及遠程通訊功能可以較好滿足堆垛機單機自動控制、全自動(整個倉庫系統(tǒng))控制的要求。(7)安全及聯(lián)鎖機構堆垛機是一種起重機械，它要在又高又窄的巷道內高速運行。為了保證人身及設備的安全，堆垛機必須配備完善的硬件及軟件的安全保護裝置，并在電氣控制上采取一系列聯(lián)鎖和保護措施。除了一般起重機常備的安全保護措施(如各機構的終端限位和緩沖、電機過熱和過電流保護、控制電路的零位保護等)外，還應根據實際需要，增設各種保護。主要的安全保護裝置有:終端限位保護在行走、升降和伸縮的終端都設有限位保護。聯(lián)鎖保護行走與升降時，貨叉伸縮驅動電路切斷;相反，貨叉縮時，行走與升降電路切斷。行走與升降運動可同時進行。正位檢測控制只有當堆垛機在垂直和水平方向停準時，貨叉才能伸縮。即貨又運動是條件控制，以認址裝置檢測到確已停準的信息為貨叉運動的必要條件。載貨臺斷繩保護當鋼絲繩斷裂時，斷繩保護機構動作，機械夾軌上移，載貨臺被卡在導軌上而阻止其墜落。正常工作時在彈簧力作用下夾軌塊、凸輪)與導軌分離。斷電保護載貨臺升降過程中若斷電，則采用機械式制動裝置使載貨臺停止不致墜落。聲光信號堆垛機開動前響鈴聲，或閃燈光，以警告巷道內的檢修人員和過往行人引起注意。1.2 課題的背景及國內外研究現狀1.2.1 課題背景立體倉庫的產生和發(fā)展是現代物流體系發(fā)展的要求和信息技術進步的結果。隨著立體倉庫的越來越多，立體倉儲技術已成為一門新興的學科。堆垛機是自動化倉庫的主要作業(yè)機械，擔負著出庫，入庫等任務，是立體倉庫的核心部件。自動化倉庫的發(fā)展就是以堆垛機的發(fā)展為主要標志的，目前巷道式堆垛機為主要發(fā)展方向。1.2.2 堆垛機系統(tǒng)在國內外的研究狀況目前，堆垛機產品己經走入系列化，運行噪聲低，備有各種安全保護裝置，調速性能好，一般都具有完善的貨物位置檢測和貨物尺寸檢測等功能。國外立體倉庫普遍采用抗干擾能力強、工作可靠的可編程控制器來控制巷道堆垛機以及出入庫系統(tǒng)，并且用計算機進行貨位管理和庫存管理，倉庫管理計算機與上級管理機聯(lián)網并能與控制系統(tǒng)相接，實現在線控制。而在堆垛機方面，不斷推出具有新的物理外形和更高性能的設備。最新的開發(fā)包括提高電子和控制技術，在使堆垛機具有更高定位精度的同時，提高搜索能力和運行速度，以期獲得更短的操作周期和更大的生產能力。目前，巷道式堆垛機的起升速度己經可以達到90m/min，運行速度達到240m/min，貨叉伸縮速度達到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進行搬運作業(yè)的方法提高出入庫的能力。我國是從20世紀70年代初期開始研究采用巷道式堆垛機的立體倉庫。1980年，由北京機械工業(yè)自動化研究所等單位研制建成了我國第一座自動化立體倉庫，并在北京汽車制造廠投產。從此以后，立體倉庫在我國得到了迅速的發(fā)展。目前，浙江海通集團是國內最早建造2000噸立體自動化低溫冷庫的企業(yè)，其中采用了由電腦程序控制、5臺自動巷道堆垛機無人操作自動進出庫等先進技術。目前，在國內立體倉庫堆垛機的驅動機構中，電機減速機普遍采用德國、日本、意大利的產品，也有少數采用國內的電機減速機。由于堆垛機是立體倉庫中最重要的運輸設備，各項技術參數和綜合性能的要求都非常嚴格，如無故障率應大于97,停準精度±10mm，以及噪音要求等。這就要求電機減速機的可靠性非常高。因此，現階段在驅動機構中電機減速機的選用上，多選用國外先進的產品，以保證堆垛機的整機性能。隨著現代工業(yè)生產的發(fā)展，堆垛機技術在不斷地提高和完善。世界主要工業(yè)國家都把著眼點放在開發(fā)性能可靠的新產品和采用高新技術上，更加注重實用性和安全性10。因此，我們應當看到自身與世界先進技術的差距，總結經驗，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。在使堆垛機具有更高定位精度的同時，提高運行速度，以獲得更短的操作周期和更大的生產能力。相信通過我們的不斷努力，更加高速、安全、可靠的堆垛機將不斷從國外引進消化到國內，使我國的堆垛機技術發(fā)展到一個新的階段。1.3 本課題的研究目的及主要研究內容綜合運用交流變頻調速、PLC控制、位置檢測等技術，為堆垛機的正常運行設計一套比較完整的控制系統(tǒng)，使其更好地擔負起出、入庫的任務。具體包括以下內容：(1)通過對堆垛機現有的運行速度曲線進行的分析研究，設計出一種適合本系統(tǒng)的堆垛機速度曲線模型，確定變頻器的控制參數，構建交流變頻調速控制系統(tǒng)；(2)在堆垛機的位置檢測方面，綜合運用旋轉編碼器、PG卡以及利用PLC中的高速計數器單元，來實現對于堆垛機位置的精確控制；(3)根據堆垛機的實際工作情況，對PLC控制系統(tǒng)進行設計。運用流程圖法，建立各運動階段的流程圖，編制出控制程序，使PLC控制系統(tǒng)更加完善，更好地控制整個系統(tǒng)的運行。2 堆垛機系統(tǒng)的方案設計本章詳細描述了堆垛機的控制系統(tǒng)，著重論述了如何對堆垛機控制系統(tǒng)進行方案設計，分別從堆垛機的速度控制、系統(tǒng)主控制器的選擇及堆垛機的定位控制方案三個方面進行闡述。2.1 堆垛機系統(tǒng)目前，堆垛機的控制方式大致可以分為手動操作、半自動控制、全自動控制、遠距離控制與計算機控制等。計算機控制的控制系統(tǒng)，考慮到備用情況，一般由三級組成。最低一級是利用堆垛機上的控制盤手動操作，其次是為了遙控利用安置在地上的控制盤的數字開關進行操作，最高一級采用計算機控制，三級可以轉換運轉。如圖21所示。 圖21 SRMC系統(tǒng)采用遙控時，也必須具有低級的手動操作功能，采用自動控制時使用機上控制盤，但控制方法，在本質上與遙控基本相同，因此以遙控為中心來敘述堆垛機的控制系統(tǒng)。圖22所示為在自動運轉情況下以及特殊情況下的堆垛機作業(yè)循環(huán)的作業(yè)流程圖堆垛機按行走、升降、貨叉伸縮等三種操作，根據指令自動定位，進行叉取作業(yè)。當用戶發(fā)出存貨要求時，系統(tǒng)根據倉庫貨位情況，給出貨物的存放地址，上位機根據堆垛機的當前位置，經過貨位地址變換，給出相對于堆垛機當前位置的貨位地址，發(fā)出存貨指令給堆垛機。堆垛機控制系統(tǒng)接收信號后，在貨物輸入口接收貨物，堆垛機行走，同時載貨臺沿立柱作升降運動。當運動到達目的貨位時，貨叉開始伸縮運動，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。圖22堆垛機系統(tǒng)自動運轉流程圖當系統(tǒng)出現故障時，用戶需對系統(tǒng)進行檢修，可以通過控制面板上的按鈕進行堆垛機的升、降、急停以及貨叉的伸、縮等手動控制操作。2.2 堆垛機控制系統(tǒng)的功能要求堆垛機系統(tǒng)是立體倉庫貨物存取任務的最終執(zhí)行者，其主要運動包括：(1)堆垛機沿貨架巷道（列方向）的前后高低速運動；(2)堆垛機沿立柱（層方向）的上下升降運動；(3)安裝在堆垛機載貨臺上的貨叉機構的伸縮運動。因此，堆垛機控制系統(tǒng)的功能主要應包含以下幾方面的內容：(1)自動控制功能：運用地面控制臺系統(tǒng)，完成貨物的自動出入庫任務。此時可以接受地面控制臺的各種命令操作，如：入庫、出庫、運行到目標列層、進、退、升、降等；(2)手動控制功能：僅能通過控制面板的按鈕進行進、退、升、降、急停等控制操作此功能主要用于系統(tǒng)的檢修與調試；(3)安全保護功能：實時監(jiān)測各關鍵器件的使用情況及系統(tǒng)的運行情況，出現故障時及時報警。對于以上的各種控制功能，主要應由以下幾個方面來完成：(1)速度控制：堆垛機工作時在各種方向上的運行速度；(2)定位控制：以適合的速度運行并精確地定位在貨格或入出庫口處；(3)通訊功能：與上位機及其它倉庫設備的通訊；(4)保護功能：具有一定機械和電氣方面的保護功能；(5)人機界面：通過I/O設備，提供本機狀態(tài)信息或遙控操作。2.3 堆垛機的速度控制方案在果蔬氣調立體倉庫中，交流異步電動機是堆垛機系統(tǒng)中的驅動部件。一般情況下，其調速方式分為：電機減速器調速、變極調速、串阻調速、串極調速、滑差電機調速和變頻調速等。用減速器進行調速，調速設備不僅體積大，調速效率低，而且容易發(fā)生機械故障。其它幾種調速方法與變頻調速方法相比，使用起來又非常不便。隨著對于電動機調速性能要求的逐步提高，變頻調速技術得到了長足的發(fā)展。2.3.1變頻調速技術的優(yōu)點變頻調速技術是一門綜合性的技術，它建立在控制技術、電子電力技術、微電子技術和計算機技術的基礎上。與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機進行調速控制，有許多優(yōu)點，如：調速范圍廣、輸出平滑性好、機械特性較硬、能很好地實異步電動機的無級調速、可實現有效的節(jié)能、可方便地進行恒轉矩調速和恒功率調速等。尤其當電機帶動較大負載啟動時，會有較大的沖擊電流，若采用變頻器控制，可以實現電動機的軟啟動，減小沖擊電流，從而解決了大負載的啟動問題。另外，變頻器還具有很強的保護功能，在電機運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別（如電網瞬時電壓降低，電網缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機短路等），并立即封鎖輸出電壓。這種自我保護的功能，不僅保護了變頻器，還保護了電機。綜上所述，變頻調速技術不僅在性能上大大優(yōu)于以往的交流電機調速方式，并且將會逐步取代直流電機的調速方式，用交流異步電機取代直流電機，將會使調速系統(tǒng)變得更加簡單。2.3.2變頻器的基本結構變頻器是把工頻電流（50HZ或60HZ）變換成各種頻率的交流電流，以實現電機變速運行的設備。變頻器一般由控制電路和主電路構成?？刂齐娐钒ㄖ骺刂齐娐?、信號檢測電路、門極驅動電路、外部接口電路以及保護電路等幾個部分，是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?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δ孀兤鞯拈_關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能，從而實現對主電路的控制。圖23所示為通用變頻器的結構原理。圖23變頻器的構成變頻器的主電路，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，且對直流電進行平滑濾波，然后逆變電路再將此直流電變換成實際需要的各種頻率的交流電，從而驅動電動機的運轉。2.3.3 變頻調速的工作原理當在一臺三相異步電動機的定子繞組上加上三相交流電壓時，該電壓將產生一個旋轉磁場，其速度由定子電壓的頻率所決定。當磁場旋轉時，位于該磁場中的轉子繞組將切割磁力線，并在轉子繞組中產生相應的感應電動勢和感應電流，而此感應電流又將受到旋轉磁場的作用而產生電磁力，即轉矩，使轉子跟隨旋轉磁場旋轉。當將三相異步電動機繞組的任意兩相進行交換時，所產生的旋轉磁場的方向將發(fā)生改變。因此，電動機的轉向也將發(fā)生改變。異步電動機定子磁場的轉速被稱為異步電動機的同步轉速，其同步轉速由電動機的磁極對數和電源頻率所決定： 式（2.1）式中：-電機的同步轉速f-供電電源頻率（Hz）P-電機定子磁極對數一般情況下，異步電動機的轉速總是小于其同步轉速，異步電機的實際轉速可由下式給出： 式（2.2） 式中：n-電機實際轉速s-轉差率（同步電動機時，s=0）由式(2-2)可知，若改變參數f，s中的任意一個就可以改變電動機的轉速，即對異步電動機進行調速控制。因此，可以通過改變該電源的頻率來實現對異步電動機的調速控制。從某種意義上說，變頻器就是一個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速方法，從本質上講，是一種無級、平滑而又經濟的調速方法。變頻時使電壓按不同規(guī)律變化，可以實現恒轉矩或恒功率調速，以實現不同負載的要求，這些均早已被人們所認識和掌握。隨著可控硅靜止變頻裝置的出現，解決了運行性能較為理想的變頻電源問題，使異步電動機變頻調速技術獲得了進一步的發(fā)展，為其廣泛地應用開辟了新的途徑，特別是較為理想地解決了普通鼠籠式電動機的變頻調速問題。因此，在本堆垛機控制系統(tǒng)中，我們選擇變頻調速的方式對電動機進行速度的控制。2.4系統(tǒng)主控制器的選擇方案設計在當今的工業(yè)控制領域，有相當多的控制手段和設備，比如：繼電器控制、個人計算機控制、單板機控制、集散控制系統(tǒng)（DCS）以及可編程控制器（PLC）控制等等。PLC的梯形圖與繼電器控制線路圖十分相似，同時，信號的輸入/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、設計施工周期短、調試修改方便，而且體積小、功耗低、使用維護方便，但價格高于繼電器。與個人計算機相比，PLC是一種用于工業(yè)自動化控制的專用微機控制系統(tǒng)，結構簡單，抗干擾能力強，價格也較低。單板機結構簡單、價格低，在數據采集與處理等方面優(yōu)于PLC，但不如PLC容易掌握，抗干擾性能也較差。集散控制系統(tǒng)在回路調節(jié)、模擬量控制方面較PLC有一定優(yōu)勢，但PLC在開關量控制、順序控制等方面又優(yōu)于前者。綜上所述，可編程控制器作為一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置，具有其獨特的優(yōu)點。2.4.1 PLC簡介2.4.1.1 PLC的定義可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，主要用于順序控制，雖然采用了計算機的設計思想，但實際上只能進行邏輯運算。PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的一種數字運算操作的電子裝置，是帶有存儲器，可以編制程序的控制器。它能夠存儲和執(zhí)行指令，進行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術等操作，通過數字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械和生產過程。PLC及其有關的外圍設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體，易于擴展其功能的原則設計。事實上，PLC就是以嵌入式CPU為核心，配以I/O等模塊，可以方便地用于工業(yè)控制領域的裝置。因此PLC實際上就是：“工業(yè)專用計算機”。其硬件結構與微機室基本一致。其基本結構如下圖所示。電源模塊CPU模塊編程器輸出模塊輸入模塊指示燈接觸器繼電器圖2-4 PLC系統(tǒng)的基本結構電源2.4.1.2 PLC工作原理PLC采用巡回掃描的工作機制,經過輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段，這是一個掃描周期，PLC就是這樣周而復始的執(zhí)行掃描周期的，簡單的說，PLC是系統(tǒng)程序的管理下，依據用戶程序的安排，結合輸入信號的變化，確定輸出口工作的 ，當然這不是其全部內容，全部內容要復雜一些.2.4.1.3 PLC的特點抗干擾能力強，可靠性高；控制系統(tǒng)結構簡單，通用性強；編程方便，易于擴展；功能完善；設計、施工、調試的周期短；體積小維護方便，能耗低。2.4.1.4 PLC的性能(1)硬件指標硬件指標主要包括環(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是專門為適應惡劣的工業(yè)環(huán)境而設計的，因此PLC一般都能滿足以上硬件指標的要求。(2)軟件指標編程語言不同的PLC，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。用戶存儲器容量和類型用戶存儲器用來存儲用戶通過編程器輸入的程序。其存儲容量通常以字、步或KB為單位計算。常用的用戶存儲器類型有RAM、EEPRAM、EPRAM3種。I/O總數PLC有開關量和模擬量兩種I/O。對開關量I/O總數，通常用最大I/O點數表示；對模擬量I/O總數，通常用最大I/O通道表示。指令數用來表示PLC的功能。一般指令越多，其功能越強。軟元件的種類和點數指輔助繼電器、定時器、狀態(tài)、數據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，其輸出對輸入的響應越快。2.4.1.5 PLC的發(fā)展趨勢PLC總的發(fā)展趨勢向高集成度、小體積、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編程語言標準化；PLC通信易用化；組態(tài)軟件與PLC的軟件化；PLC與現場總線相結合。2.4.2 PLC各部分功能2.4.2.1 中央處理單元（CPU）CPU的主要任務有控制用戶程序和數據的接收與存儲；用掃描的方式通過I/O部件接受現場信號的狀態(tài)或數據，并存入輸入映像寄存器或數據存儲器中；診斷PLC內部電路的工作故障和語法錯誤。2.4.2.2 存儲器PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。系統(tǒng)存儲器用來存放有PLC生產廠家編寫的系統(tǒng)程序，使PLC具有基本功能，用戶不能直接改寫。用戶存儲器包括用戶程序存儲器和數據存儲器兩部分，用來存放用戶針對具體控制任務，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的輸入和輸出信號類型可是開關量、模擬量和數字量。輸入/輸出單元從廣義上包括兩部分：一是與控制設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，如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器信號。通過接口電路將這些信號轉換成中央處理器能夠識別處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運行時PLC從輸入映像寄存器讀取輸入信號并進行處理，將處理結果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器有輸出點相應的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器、指示燈等被控設備的執(zhí)行文件。2.4.2.4 電源部分PLC一般使用220V的交流電源，內部的開關電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V、12V、24V等直流電源，使PLC能正常工作。2.4.2.5 擴展接口擴展接口用于將擴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。2.5 堆垛機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。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉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量轉速，還可以判斷旋轉的方向。當采用光電編碼器進行位移定位時，由于堆垛機的運行是由曳引電動機來拖動的，因此曳引電動機正反轉動的角度也就決定了它所移動的距離，如圖2-5所示。在曳引電動機軸上安裝一個光電盤，盤上同一圓周上均勻地打上許多小孔，曳引電動機旋轉時，光電盤也跟著旋轉，光電編碼器根據轉過小孔的數量，發(fā)出相應數量的脈沖信號，這樣只要計算出脈沖數，就可知道堆垛機運行的距離，也就是堆垛機的實際位置。圖2-5光電編碼示意圖目前，PLC一般都具有高速脈沖輸入端或專用計數單元，可用編碼器測取堆垛機運行過程中的準確位置，并可直接與PLC的高速脈沖輸入端相連，利用高速記數器的功能指令能很方便地實現堆垛機的定位。由以上的介紹，我們可以看出，安裝限位開關的定位方法，不僅廢工廢料，而且每個開關的實際安裝距離，均不可避免地存在一定量的誤差，使得系統(tǒng)的安裝調試變得復雜，而且定位質量難以保證。一旦系統(tǒng)要求改造，又要重新進行安裝工作。而采用旋轉編碼器的位移定位方法，通過其發(fā)出的脈沖數可以很容易地確定堆垛機的當前位置，再經過給定速度曲線的計算，得出變頻器應當輸出的頻率來進行調速，這種堆垛機的位移定位方法具有定位精度高、適應性強的優(yōu)點，因此，我們采用此方案。2.6 本章小結本章針對立體倉庫中堆垛機的控制系統(tǒng)進行了方案設計。在速度控制方案方面，選取當前應用范圍非常廣泛的變頻調速技術，它所具有的調速范圍廣、輸出平滑性好、機械特性較硬、可實現異步電動機的無級調速以及可以進行恒轉矩和恒功率調速等優(yōu)點，使它完全可以勝任本設計中的速度控制要求。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（PLC），并結合本設計的實際要求，設計了相應的PLC控制系統(tǒng)。最后，在綜合比較了多種堆垛機的定位方法后，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，設計了一套比較合理的堆垛機控制系統(tǒng)方案。3 系統(tǒng)硬件設計通過前面對于堆垛機系統(tǒng)的設計，本章將詳細分析系統(tǒng)中各個組成硬件的原理與特點，并根據庫中的實際工作環(huán)境，選擇適合本系統(tǒng)的設備型號以及參數，完成堆垛機控制系統(tǒng)的硬件設計，最后設計出電氣原理圖。3.1 堆垛機控制系統(tǒng)結構 圖3-1 硬件結構框圖圖31為采用可編程控制器（PLC）作為主控制器的立體庫的堆垛機控制系統(tǒng)結構框圖。一臺作為上位監(jiān)控機的計算機通過RS232C接口與PLC相連，可以對整個系統(tǒng)進行全面的監(jiān)控管理。拖動系統(tǒng)主要由三相交流電源、變頻器、交流接觸器K1、K2和驅動電動機M等幾部分構成，與電動機同軸聯(lián)接的旋轉編碼器PG產生A、B兩相輸出脈沖,經PG卡進入變頻器，形成速度反饋。為使PLC對變頻器進行有效的速度閉環(huán)控制，PLC與變頻器之間還存在如下的信號傳輸。(1)：PLC發(fā)往變頻器的控制信號主要有：PLC檢測系統(tǒng)工作正常,允許變頻器工作的信號；堆垛機運行方向的信號；堆垛機運行速度的信號；堆垛機減速及平層停車信號。(2)：變頻器反饋給PLC的信號主要有：變頻器正常工作狀態(tài)信號（變頻器無報警輸出，允許PLC控制其運行）；堆垛機速度信號；速度一致信號（變頻器上的速度指令與電動機實際運行速度相匹配）；減速及停車狀態(tài)信號。圖31中，從變頻器的分頻器引入PLC的計數脈沖，通過高速計數器的脈沖計數，可實現對堆垛機位移的精確控制。3.2 電動機的選型本設計中電機應滿足以下要求：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/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根據本系統(tǒng)的實際情況，要完成堆垛機的出入庫貨物存取工作，擬選取水平、垂直、貨叉伸縮共3臺電機。首先，在選用電動機前應當考慮以下問題：(1)在機械與電氣方面對反復起動停止的操作都應有充分的耐久性；(2)應完全適合負載的速度與轉矩特性；(3)速度的可控性良好；(4)慣性矩小，體積小而且重量輕；(5)輸出軸的轉數應適宜于減速裝置的結構；通過分析水平運行電機的各種運行狀況，帶載加速功率應當是最大值，其計算如下： 式(3.1)對于垂直運行電機，其功率的計算如下： P=m3×g×Vmax/(1000×)=1000×9.8×0.5/(1000×0.8)=6.13(kW) 式3.2）通過計算分析可以清楚地發(fā)現，堆垛機垂直方向的運動較水平方向對于電動機的功率要求更高，因此只要把垂直方向的電機功率選擇好，就可以滿足其它運動對于電動機功率的要求?？紤]到可能發(fā)生的過載情況，對于垂直電機的選取，我們選擇7.5kW的電動機。而對于水平電機和貨叉電機，選擇同樣的電機也是完全滿足要求的。因此，本設計所選擇的電動機主要參數如下：電動機型號：Y型132M-4額定功率： 額定轉速： 額定電流： 3.3 變頻器的選型變頻器的應用主要有兩個方面：一方面是為了節(jié)能需要而進行的變頻器的應用；另一方面是為了滿足生產工藝調速的要求而進行的變頻器的應用。對于果蔬氣調立體庫系統(tǒng)來講，為了保證貨物的高效存取，堆垛機的運行要求高速平穩(wěn)，定位準確，需要使用變頻器來驅動水平、垂直電機的運轉。3.3.1 VS-616G5型變頻器的特點本設計采用安川電機公司的VS-616G5型全數字通用變頻器，它具有磁通矢量控制轉差補償、負載轉矩自適應等一系列先進功能，通過其本身的自動調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轉矩與較高的調速范圍，能最大限度地提高電機功率因數和效率，同時降低了電機運行損耗，實現平穩(wěn)操作和精確控制。通過合理的配置、設計和編程，可以滿足系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)的性能要求，保證堆垛機按理想的速度曲線運行，達到較為理想的控制效果。VS-616G5型變頻器的主要特點如下：(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)保護功能完善、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型變頻器的標準規(guī)格VS-616G5型變頻器的標準規(guī)格見表31。3.3.3 VS-616G5型變頻器的端子配備對于控制回路端子來說，1：正轉運行/停止指令；2：反轉運行/停止指令；3：外部故障輸入；4：異常復位；5：主速/輔助切換（多段速指令1）；6：多段速指令2；7：點動指令；8：外部基極封鎖；9和10：運行中信號；11：順控器控制輸入公共端；12：屏蔽線的網線，選項接地線用端子；表31 VS-616G5型變頻器的標準規(guī)格 項 目 規(guī) 格 電壓V 220V 400V容量范圍KVA 1.2110KVA 1.4460KVA 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 +10% -15%頻率允許變動 +5% 正弦波PWM控制： 無傳感器矢量控制（無PG） 控制方式 帶傳感器矢量控制（帶PG） V/f控制 帶傳感器V/f控制（用參數切換）啟動轉矩 150%/1Hz(無PG 150%/Or/min(帶PG)速度控制范圍 1:100(無PG) 1:1000(帶PG) 速度控制精度 ±0.2%(無PG) 0.02%(帶PG) 速度響應 5Hz（無PG） 30Hz（帶PG）轉矩極限 有轉矩精度 ±5%轉矩響應 20Hz（無PG）以上 150Hz（帶PG）以上頻率控制范圍 0.1400Hz頻率精度 數字式指令±0.01%（10C40C）（溫度變動） 模擬式指令±0.1%（25C±10C）頻率設定分辨率 數字式指令0.01Hz/100Hz（運算分辨率） 模擬式指令0.03Hz/60Hz輸出頻率分辨率 0.01Hz過載量 額定輸出電流的1501min頻率設定信號 10V10V，0V10V，4mA20mA加減速時間 0.016000.0s制動轉矩 約20帶制動選擇150抑制高次 直流電抗器 內帶（200V 24kVA 400V 26kVA以下可選擇） 諧波電源 12相整流 不能變動主要控制功能 瞬停再起動，下降控制，轉矩控制，零點伺服控制等 操作裝置 16字×2線日語液晶顯示器 接通插件板可選擇 16種（最多可裝3塊）保護功能 電機保護，變頻器過載，瞬間過電流，電壓下降，過電壓，輸入缺相 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；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文字說明。3.3.4 變頻器的容量計算變頻器作為電機的供電電源時，其最好要有很高的容量，此時允許電機像工頻供電那樣，可以直接啟動（在變頻器的輸出側通斷電機）。然而，考慮到變頻器的經濟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，會使其無故障完成驅動電機操作，這里首先要清楚以下內容。(1)變頻器的容量驅動電機的變頻器容量可以從操作方法決定的能量流動變化情況來進行理解。加速或恒速操作時變頻器的效能是輸出電流，也就是變頻器能夠給電機提供多大電流。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。減速操作時由于變頻器在減速操作時其驅動的電機變成發(fā)電機，能量的流動是從電機流向變頻器，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。減速時電機負載返回的部分能量由電機消耗，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，當電壓升到某一特定值時，就會產生再生能量消耗或能量返回供電電源側。(2)變頻器容量的確定變頻器的容量應該與其驅動的電機容量相匹配，另外變頻器的選擇要依據負載特性、操作方法等情況來決定。首先，根據電機的容量來選擇變頻器的容量。其次，對于單個變頻器驅動單個電機的操作方法，可按下式來選擇：變頻器額定輸出電流電機最大負載電流×1.1變頻器規(guī)格給定值 實際測量 考慮畸波的增加系數最后，還要根據電機的基本操作模式（啟動、加速、恒速、減速及停止）進行變頻器的選擇51。在單臺變頻器驅動單臺電機的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動機的最大電流，或者是變頻器所適配的電動機功率大于當前該電動機的功率。容量選擇最好是采用大一個數量級選配。電動機若選11kW或15kW的異步電動機，即11kW的電動機選15kW的變頻器，15kW的電動機選18kW的變頻器比較好。我們選取了容量為11kW的異步電動機，其額定電流一般情況下，在果蔬氣調立體庫堆垛機系統(tǒng)中，控制運行電機的變頻器是連續(xù)工作的，其額定輸出電流： 式 (3.3)式中：為變頻器額定輸出電流，為電動機實際最大負載電流。根據現場測試的數據，升降電機的最大負載電流約為17A,代入上式（3.3）則有：171.1=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，最大適用電機功率為15Kw，完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。表32 CIMR-G5A型號變頻器參數表CIMR-G5A 額定輸出 電源 型號 最大適用 額定輸出 最大輸出 額定輸出 電壓(V) 允許 允許CIMR-G5A 電機功率 輸出功率 電流（A） 電壓(V) 頻率（HZ）頻率(HZ) 電壓 頻率型號 （KW） (KW) 波動 波動三相380/400/415/440/4640P7 0.75 2.6 3.4 三相380/ 400/415/440/460V，50/60Hz由參數設定，最高400Hz可對應41P5 1.5 3.7 4.8±5%±10%15%42P2 2.2 4.7 6.243P7 3.7 6.1 845P5 5.5 11 1447P5 7.5 14 184011 11 21 274015 15 26 344018 18.5 31 413.3.5 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）來對電機的轉速進行控制的。當旋轉編碼器的輸出信號送到PG速度控制卡后，由速度卡將其轉換成與實際轉速相對應的數字信號，再送給變頻器進行速度控制。同時，將兩相脈沖分頻后（分頻的程度可以設置）作為兩相脈沖的監(jiān)視輸出，我們利用脈沖的監(jiān)視輸出進行堆垛機的位置控制。CIMR-G5A 4015型變頻器的PG速度控制卡有四種，應根據用途正確選擇。對于本系統(tǒng)，考慮到變頻器有時需要在較低的頻率下運行，為保證電機在低頻運行時也能提供足夠的轉矩，保證垂直運行的堆垛機載貨臺不會因轉矩不夠而下墜，垂直電機必須使用恒轉矩或矢量控制的方法進行變頻。因此，我們選擇PG-B2型PG速度控制卡。表33 PG型號說明PG型號 應用特點PG-A2 A相（單）脈沖輸入，開路集電極或補碼輸出，V/f控制專用PG-B2 A相/B相脈沖輸入，補碼輸出對應，矢量控制專用PG-D2 A相（單）脈沖輸入，線驅動對應，V/f控制專用PG-X2 A相/B相/Z相脈沖輸入，線驅動對應，矢量控制專用 3.3.6變頻器制動電阻參數的計算當采用變頻器傳動的堆垛機電機急減速或向下運轉時，異步電動機將處于再生發(fā)電狀態(tài)。變頻器逆變器中的六個回饋二極管將傳動機構的機械能轉換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當中間直流回路電容電壓升到保護極限值后變頻器將過電壓跳閘。所以，變頻調速裝置還應具有一定的制動功能。在高性能的工程型變頻器中，對連續(xù)再生能量的處理大體有以下兩種方案：(1)采用動力制動的方式在中間直流回路設置電阻器，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，這種方式又稱為回饋制動。分析以上兩種制動方式，采用動力制動的方式，其控制簡單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動?；仞佒苿臃绞诫m然節(jié)能效果好，能連續(xù)長時制動，但控制復雜、成本較高考慮到節(jié)省技改投資，提高設備的可維修性和可靠性，我們采用動力制動方式。在選擇能耗制動電阻時，制動電阻的大小應使制動電流的值不超過變頻器額定電流的一半，即 其中，為額定情況下變頻器的直流母線電壓?？紤]到立體庫內的溫度濕度條件，按照制動單元和制動電阻選型及計算公式進行換算，CIMR-G5A 4015型變頻器配用1個RX20型耐潮被釉線繞電阻器，可以滿足本設計的要求。3.4 PLC的選型目前，市場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，大到作為分布式系統(tǒng)中的上位機，幾乎可以滿足工業(yè)控制的各種需要。那么，針對我們的實際情況，如何給本系統(tǒng)選擇一個合適的PLC呢？PLC選型的一般流程如下：(1)定義PLC的I/O點數，包括開關量的I/O點數、模擬量的I/O點數以及特殊功能模塊；(2)建立I/O分配表，繪制PLC的輸入、輸出接線圖；(3)根據控制要求繪制程序的流程圖，繪制用戶程序，裝入PLC的用戶