堆垛机控制系统设计说明

理工大学毕业设计题目： 自动化立体仓库双轨道堆垛机 控制系统设计院、系： 自动化学院、自动化系 姓名： 裴晓强指导教师： 吕 宁系主任： 王海英2012年06月20日55 / 62理工大学毕业设计（论文）任务书学生： 裴晓强 学号：0812011244学 院： 自动化 专业：自动化任务起止时间：2012 年 2 月 27 日 至 2012 年 6 月 20 日毕业设计（论文）题目：自动化立体仓库双轨堆垛机控制系统设计毕业设计工作容：设计一种基于PLC的有巷轨道堆垛机控制系统。完成电气系统结构设计、运行方式设计、控制流程设计等功能。重点研究水平与垂直定位问题。具体时间安排如下：2月27日-3月31日：查阅资料，翻译外文资料，调研了解领域国外研究现状。4月1日-4月30日：系统总体方案设计；5月1日-5月31日：器件选型，系统功能结构设计 ；6月1日-6月25日：撰写论文，答辩资料：1、占营，郭向亮自动化立体仓库堆垛机优化控制技术自动控制2006 2、昌棋，董良自动化立体仓库设计：机械工业，20043、继志，郭敬自动化立体仓库的关键技术.起重运输机械，2007.14、何献忠，卫萍，颖慧等可编程控制器应用技术清华大学，2007指导教师意见：签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日 教务处制表自动化立体仓库双轨道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。而堆垛机是立体仓库的关键组成部分，堆垛机性能的优劣对整个立体仓库的运行起到至关重要的作用，所以设计与开发自动化程度较高的堆垛机控制系统成为当前立体仓库的发展趋势，开展与此有关的研究具有重要的理论和应用价值。对提高生产率、降低成本有着重要意义。近些年来，越来越多的企业在企业生产与管理的不断提高中慢慢的认识到物流系统的改善与合理性对企业的发展非常重要。在自动化立体仓库中堆垛机是非常重要的起重堆垛设备，它能够在自动化立体的巷道中来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存入货格；或者相反取出货格的货物运送到巷道口。 本设计详细论述了双轨道堆垛机控制系统设计的方案。设计的重点放在三个部分：升降机构、行走机构、货叉伸缩机构的PLC控制上。首先，我们提出了各个机构的总体设计方案以与其在系统运行中的相关原理；其次，在整个控制系统中我们以三菱FX2N系列PLC作为核心控制元件，从而对变频器进行速度控制，通过认址挡板和计数器来实现在取货和存货中对各个货格地址的认定，当PLC接受到键盘输入的命令后，则开始进行相应的工作，以完成货物的存取功能；最后，为了保证整个控制系统运行的稳定性和可靠性，我们还采用了限位开关对其进行限位保护。关键词可编程控制器；堆垛机；变频器；认址The Control System Design of Double Track Stacker in Automatic Stereoscopic WarehouseAbstractIn modern logistics warehousing systems,automated storage is increasinglywidespread.Hay stackers are the keyequipment, Performance of the stacker plays an important role. Design andDevelopment of a higher degree of automation Stacker Control System become Warehouse trendof development,Therefore related research has important theory and application value. To improve productivity, reduce costs of great significance.In recent years, more and more enterprises release that it is very important to improve the rationality of the development of enterprises in enterprise production and management which continue to improve slowly. stacking crane is a very important lifting and stacking apparatus in stereoscopic warehouse, it can tunnel back and forth on automatic three-dimensional, it can deposited the goods in the prices of goods which located in the lane crossing; or take out the goods from shelf delivery to the roadway crossing.This design was discussed the system design program in detail which in most enterprises generally use about stacking crane. Our design focus on three parts: elevating mechanism, running mechanism, fork telescoping mechanism control.First, we put forward the overall design scheme of every organization and its operation theory in the system; secondly, we select and design the hardware about this system ,including indeed the searching address system, the mode selection of PLC ,the mode selection of frequency transformer, the selection of motor and the way of selection about how to control the frequency transformer by PLC. we use Mitsubishi FX2N series PLC as the core control elementin the whole control system, and we can make speed control to a frequency transformer, we can get the realization of the collection and inventory of all goods cell by addressing baffle and counter, when PLC receive keyboard input command, begin corresponding work, in order to complete the goods access function; finally, on the base of acquaintance about the control procedure of stacking crane and mode selection of hardware on this control system we have designed flow chart about three-direction motion of stacking crane, deposited and take out the goods, addressing confirm and speed control and then we have designed the process of this control system.Keywords programmable control; stacker;frequency transformer; addressing confirm目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 自动化立体仓库的定义11.2 自动化立体仓库的特点11.3 堆垛机的发展与其研究现状21.4 本课程的研究目标与容21.4.1 研究目标21.4.2 研究的容3第2章 堆垛机运行系统机械结构的确定42.1 堆垛机的结构42.2 堆垛机的运行功能分析42.3 行走机构模块52.4 起升机构模块52.5 载货台模块52.5.1 模块的结构52.5.2 关于载货台的安全保护措施52.6 载货台保护装置62.6.1 滑楔式安全防坠器62.6.2 偏心轮式安全防坠器62.6.3 销式安全防坠器62.6.4 安全防坠器总体方案的确定62.7 货叉机构模块72.8 本章小结7第3章 堆垛机控制系统的硬件设计83.1 堆垛机的位置检测83.2 光电传感器103.3 变频器的选择113.3.1 变频器的结构与工作原理113.3.2 变频器的分类123.3.3 PLC概述133.3.4 PLC的选型143.3.5 PLC对变频器的控制163.3.6 通讯方案的确定183.3.7 PLC原理图193.4 本章小结19第4章 堆垛机控制软件设计204.1 货架格局204.2 控制面板214.3 堆垛机控制流程图224.3.1 入库控制流程图224.3.2 出库控制流程图234.4 I/O分配表244.5 堆垛机控制系统部分程序分析244.6 本章小结29结论30致31参考文献32附录A33附录B39附录C42第1章 绪论随着经济全球化和信息技术的迅速发展，企业生产资料的获取与产品营销围日趋扩大，社会生产、物资流通，商品交易与其管理方式正在并将继续发生深刻的变革。与此相适应，被普遍认为企业在降低物质消耗、提高劳动生产率以外的“第三利润源”的现代物流业正在全世界围广泛兴起。迈向2l世纪的物流技术，不仅是企业战略的“商务物流”，而且是向整个社会实现物资供给的“社会物流”。当今社会仓储、物流等概念已经逐渐为广大公众所了解，其相应的管理技术也在许多大、中型企业中付诸实施。计算机自控技术的飞速发展，为现代企业的物流管理提供了重要的技术支持。自动化立体仓库就是自控技术在物流管理上的一个很好的应用。自动化立体仓库不仅具有节省用地、减轻劳动强度、提高物流效率、降低储运损耗、减少流动资金积压等功能，而且在沟通物流信息、衔接产需、保证生产均衡、合理利用资源、进行科学储备与生产经营决策等方面发挥着独特的作用，使人们真正享受到现代计算机技术应用于企业物流管理的益处。1.1 自动化立体仓库的定义自动化立体仓库又称为自动存储/检索系统(AutomatedStorage/Retrieval System，即AS/RS)，是由计算机控制的机电一体化系统，尤其具有优化的仓库管理和自动化操作。它由计算机控制立体仓库的堆垛机来操纵存货、取货、加减速过程与认址的控制，使货物能自动化出入库，再经传输机械将货物传送到场地或从场地存入立体仓库；同时对立体仓库的仓储物流数据进行计算机管理。生产的高度机械化，自动化必然要求物资的筹措供应分发与时、迅速、准确。这就促使立体仓库技术得到迅速的发展，并已成为工厂设计中高科技的一个象征。它具有信息处理、系统监控、系统控制、系统管理、信息反馈、物流数据采集与跟踪管理系统等主要功能，同时可以根据用户的特殊要求来设置其他功能。自动化立体仓库系统的使用要：短(要求作业周期短)、频(出入库频繁)、快(系统响应快)、强(控制实时性强)。为了提高仓库作业的自动化管理水平，越来越多的立体仓库普遍运用了计算机控制的自动化立体仓库系统，这一系统的仓库布置和设计，与使用机械化操作的设施是一样的，不同之处在于所有的程序由计算机指导和监控。只需在上位机输入目的货格的坐标，就可以进行观摩和作业，由上位机控制PLC，实现自动化控制1。1.2 自动化立体仓库的特点1.高层货架储存。由于使用高层货架储存货物，存储区可以大幅度的向高空发展，充分利用仓库地面和其空间，因此节省了库存占地面积，提高了空间利用率。2.高效率作业。自动存取自动化立体仓库使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提高了作业效率。3.计算机控制。计算机能准确无误的对各种信息进行储存和管理，囚此能减少货单处理和信息处理过程中的差错。4.高效益存取。作业效率明显提高能充分保证“先进先出”的合理作业原则。由于计算机管理、自动作业，可以方便地实施货位和帐目的科学管理，改善库存结构，避免盲目压货，并改善劳动环境。1.3 堆垛机的发展与其研究现状堆垛机的机械部分由运行机构、起升机构、伸叉机构与载货台和机架组成。它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。尽管各厂家各有独创，结构形式有些差异，但可以说小异，所有的堆垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成。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。1960年左右，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上的导轨上行走，利用货架上边的导轨防止倾倒或者相反，在上边的导轨上行走，利用地面的导轨防止倾倒。随着立体仓库的发展，巷道式堆垛机逐渐代替了受重量和跨度限制的桥式堆垛机。目前在堆垛机方面也不断推出具有新的物理外形和更高性能的设备。最新的开发包括提高电子和控制技术，在使堆垛机具有更高定位精度的同时，提高搜索能力和运行速度，以期获得更短的操作周期和更大的生产能力。目前，巷道式堆垛机的起升速度己经可以达至90mmin，运行速度达至240mmin，货叉伸缩速度达至30mmin。在有的高度较大的立体仓库中，采用上、下两层分别用巷道堆垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力。现在运用比较成熟的控制方式是用PLC(可编程控制器)作执行机的控制器，或单机控制，或由PLC配置通讯模块联机控制。由于PLC专为工业环境下应用设计，具有可靠性高、通用性强、维护工作量小等优点。监控机对堆垛机的控制通过与PLC通信实现。PLC由于体积小，可读性好，可靠性高，抗干扰能力强，编程简单而在工程实际量应用。PLC控制中堆垛机的认址方式一般采用绝对认址与相对认址混合方式，位置定位通过两对光电开关实现。但是这种方案的缺点是；堆垛机的认址需要较多的认址片，硬件成本比较高；其控制方式为开环控制，控制精度较低，不便于实现堆垛机的实时监控。基于上述情况，对堆垛机的控制方案进行研究具有一定的实际意义2。1.4 本课程的研究目标与容1.4.1 研究目标设计安全可靠，具有经济性能和操作性能良好的堆垛机控制系统。全文着重对堆堆机整体结构、货架结构以与PLC构成的控制器进行合理的设计，采取相应的算法与可行措施，确保系统具有精确、可靠、先进的性能。控制功能主要通过软件来实现，简化了安装过程，降低了安装成本，增加了系统的适应性，这在仓库柔性化的发展趋势下具有广阔前景。1.4.2 研究的容课题的主要任务是基于西门子FX2N-80MR系列PLC的立体仓库堆垛机控制系统的设计。仓位的主体框架主要以9个仓位号为例，实现在人不干预的条件下堆垛机能自动的存取货物，实现工艺流程上的自动控制。主要研究的有以下重要问题：1. 堆垛机的行走、升降、伸叉的电气控制。2. 堆垛机的自动寻址。3. 变频器在堆垛机中的选择与应用。4. 熟练掌握PLC程序设计方法。5. 设计出相应的程序，并且通过调试。6. 堆垛机的保护装置。第2章 堆垛机运行系统机械结构的确定2.1 堆垛机的结构单立柱堆垛机是由下横梁，立柱和带货叉的载货台组成。装在下横梁上的行走轮在固定于地面上的轨道行驶，立柱顶端装有导轮，它行走在巷道顶部的工字钢中。下横梁上装有行驶机构，主，从动行走轮，电机，控制部件等。在堆垛机的两端都装有导向轮组，夹持在安装与货架的天轨和安装在地面上的地轨之上；水平行走的电动机对地面导向轮组进行驱动，在天轨和地轨的约束下使得堆垛机在巷道水平行走；起升电机驱动着系着钢丝绳或链条的载货台使其沿着立柱两侧的导轨完成升降运动；货叉电动机驱动着行程倍增结构，使得货叉完成左右存取货物的运动。2.2 堆垛机的运行功能分析堆垛机工作的基本功能是，在计算机控制系统或者人工控制的状态下根据所发出的指令来对货物进行存取。巷道堆垛机的运动可以分解为沿货架巷道的水平方向的行走、沿堆垛机立体导轨的垂直升降运动和对出入库货物的存取方向。三种运动分别在控制系统的控制下完成对货物的存取工作。一般堆垛机水平运动的方向称为X方向，货物升降的方向称为Y方向，货叉运动的方向称为Z方向。有轨巷道堆垛机沿X、Y和Z三个方向的直线运动完成货物的搬运是有轨巷道堆垛机的基本功能。有轨巷道堆垛机总功能可分解为沿X方向的运动的分功能、沿Y方向的运动的分功能和沿Z方向的运动分功能，如图2-1所示：图2-1有轨巷道堆垛机总功能沿X方向的水平运动的分功能主要由堆垛机的行走机构来完成，行走机构主要由电机、主动行走轮、被动行走轮、行走轮轴、轴承等主要零部件成。电动机装在主动行走轮上，驱动有轨巷道堆垛机在地轨上运行，当电机断时，电动机能够自动制动，使有轨巷道堆垛机停止在立体库的巷道中。沿Y方向的起升运动的分功能主要由起升机构来实现。起升机构主要有起升电机、卷筒、钢丝绳等零部件组成。钢丝绳与载货台相连接，与上横梁的链轮组成封闭结构。当电动机通过钢丝绳传动带动载货台在立柱的导轨上进行上下运动。沿Z方向伸缩的运动分功能主要由货叉机构来完成货物的存取，货叉主要由电动机、下叉、中叉、上叉、链传动机构与齿轮齿条传动组等零部件组成3。2.3 行走机构模块行走机构模块是有轨巷道堆垛机的重要组成部分，它主要由下横梁、主动行走轮组、被动行走轮组、下横梁导向轮与缓冲器等零部件组成。下横梁作为支撑机构，是堆垛机的承载构件，要有足够的强度和刚度。主动行走轮组和被动行走轮组是堆垛机的重要部件，主、被动行走轮组结构基本一样，主要由行走轮、行走轮轴、轴承等零件组成。通过电动机驱动主动行走轮组来使堆垛机在水平轨道上运动；法兰盘固定在下横梁的上部，用来固定电机。下横梁导向轮组通过支架固定在下横梁上，两组导向轮组夹在地轨两端，起到导向的作用。缓冲器同上横梁的一样，主要用来吸收堆垛机运行到巷道两端时发生碰撞产生的能量。2.4 起升机构模块有轨巷道堆垛机的起升机构模块主要完成堆垛机的载货台的升降运动，起升机构是由驱动电机、卷筒、滑动轮组和钢丝绳组成，其结构比较简单。2.5 载货台模块2.5.1 模块的结构载货台是用来支撑货叉装置和承载货物单元的，通过起升机构的牵引力作用在链条的连接沿立柱导轨做上下垂直运动的部件。表2-1载货台的结构和作用载货台结构组成载货台作用固定链条和货叉，承受货叉和货物重量。组成包含多个导向轮组导向轮组作用与立柱导轨接触，立柱和载货台模块组成导向轮组、轴承与导向轮等。2.5.2 关于载货台的安全保护措施根据有关安全规的规定，载货台除了按起升结构标准设计外，还应具备如下条件：1. 要有两根以上的提升钢丝绳或链条2. 钢丝绳或链条的安全系数必须在10以上。3. 当载货台的钢丝绳或链条松绳或者断裂时，载货台在下降时要有安全防坠器对其进行保护。4. 要有升降极限限位开关与机械缓冲双重保护。当载货台超出正常行程并达到上、下极限时，触发该开关，自动切断提升电机电源，使其停止运行。5. 配有货叉装置的载货台应保证只有在货叉缩回事才能行走。2.6 载货台保护装置要使堆垛机在起重机载货台架上运行安全可靠，根据5319.2一91堆垛起重机安全规中5.1.2条规定，当承载钢丝绳断裂时，断绳保护装置应能可靠地动作，断绳保护装置产生的制动力应不小于被制动部分全部载荷的1.25倍，同时，在安全规5.1条中还要求安全装置应具有不依赖其他动力、独立可靠地工作的性能。目前，钢丝绳提升式施工升降机安全防坠器按制动形式不同，大致分为滑楔式、偏心轮式与销式三类。2.6.1 滑楔式安全防坠器滑楔式安全防坠器结构主要由动滑楔、定滑楔与控制系统组成。其制动原理为：当控制机构将动滑楔向上推动时，动滑楔相对定滑楔产生水平位移，动滑楔与导轨接触后产生摩擦力，摩擦力阻滞动滑楔随吊笼一起下滑，而此时动滑楔与定滑楔相对水平位移继续增大，导致动滑楔与导轨摩擦力也继续增大，直至制动为止。这类安全防坠器制动快捷迅速，平稳冲击小，但对动滑楔的制作精度、导轨的直线度和平整度要求较高。2.6.2 偏心轮式安全防坠器偏心轮式安全防坠器结构的制动机构由偏心轮机构组成，其制动原理为：当控制机构将偏心轮向上旋转后，偏心轮与滑轨接触，产生摩擦，随着吊笼继续下滑，偏心轮继续旋转，由于偏心的原因，偏心轮对导轨的正压力增大，摩擦力也继续增大，直至制动为止。这类安全防坠器的制动迅速平稳，但对偏心轮制作精度、滑轨的直线度和平整度要求较高，加工难度大。2.6.3 销式安全防坠器销式安全防坠器机构的制动器由销机构组成，其制动原理为：当控制机构将销弹出后，根部卡在吊笼横梁上，端部卡在塔身横杆上而制动。这类安全防坠装置制动时间短，结构简单，比较经济实用。但销对塔身横杆由于消耗重力功和惯性动能而产生很大冲击，故要求滑销、吊笼横梁和塔身的强度较高。2.6.4 安全防坠器总体方案的确定通过对现有制动形式的研究与分析，这里安全防坠器采用了瞬时式楔块制动。该安全防坠器主要由驱动机构、传动机构和制动机构三部分组成。1驱动机构是当提升钢丝绳断裂时安全防坠器动作的动力源。它的形式有电动、液压、气动，还可以采用弹簧、人工控制形式。对于驱动机构的设计，应尽量使其结构简单、动作灵敏，并根据实际情况合理地选用驱动形式。这里采用弹簧作为安全防坠器的驱动机构；2传动机构的作用是实现由发动机构到制动机构之间运动的传递，其形式有很多种，这里设计的传动机构主要由连杆构成，这是因为连杆机构具有传动准确、工作灵活可靠，便于安装调试的优点；3制动机构的作用是当升降机发生故障时，在驱动机构的带动下完成对载货台的制动，安全防坠器制动机构形式的选择取决于提升设备的形式和布置方式以与轨道的形式。轨道一般分为软性轨道和刚性轨道，软性轨道主要是钢丝绳。升降机采用钢丝绳提升载货台，轨道采用刚性轨道，材料为冷拉钢板。由于导轨表面的光滑度，以与导轨与塔身之间的连接板都会影响载货台的上下运动，因此为了防止载货台在上下运动过程中出现被卡、搁的情况，将制动楔块做成非封闭的形式。采用双向制动机构，该机构有两个相对的动滑楔，布置在导轨两侧，两个动滑楔由导轨两侧等距抱紧。动滑楔与导轨表面相接触，具有承载能力大，制动准确，工作可靠的优点。2.7 货叉机构模块货叉安装于载货台上，可以双向伸出以便货格存取货物。货叉机构是由动力驱动和上、中、下叉，双轨，导向轮组和链传动机构组成。由于在设计货叉时其本身的长度要小于巷道的宽度，以防止堆垛机在运行时与巷道两边的货架发生碰撞；但是在取货时货叉的行程又要大于巷道的宽度，以便进行货物的存取。因此在结构上设计成行程倍增机构，以便满足货叉功能要求。采用三级直线差动式货叉机构，传动方式采用齿轮齿条式或者链轮链条式。这种结构的货叉工作原理是电机驱动齿轮旋转，通过齿轮齿条啮合传动驱动中叉运动，安装在上叉上的链轮链条机构在中叉的驱动下，推动上叉运动。由于安装在上叉上链轮链条机构相当于一组动滑轮机构，实现了行程和速度的倍增4。2.8 本章小结本章首先对堆垛机运行系统的坐标与方向做出了规定，然后对堆垛机沿X轴上的行走机构、Y轴方向上的起升机构、Z轴方向上的货叉机构三个重要运动部分的机械结构进行了简单的介绍，同时为载货台在运行时的安全，本章对载货台保护装置进行了简单的介绍。第3章 堆垛机控制系统的硬件设计由上一章我们已经了解了堆垛机的运行机构中重要部件的组成原理，以与其机械保护装置。但是仅仅知道这些还是不够的，堆垛机要想在人不直接参与的情况下对指定的货物进行存取作业，还需要控制元器件以与相关程序对其进行控制和约束。机械部件和控制系统的元器件在其正常工作过程中就像躯体和思想灵魂的关系一样，密不可分，缺一不可。堆垛机正常工作的目的，是对指定的货物进行定向的存取，然而在众多货格中能够正常工作，这就需要堆垛机有能够确认货格地址的功能，即堆垛机控制系统的认址、寻址。而堆垛机准确的行走到货格前，叉车对货物进行精准的存取，这就需要堆垛机有能够准确停车的功能，即堆垛机的定位。3.1 堆垛机的位置检测自动控制的堆垛机必须具有自动认址系统。自动认址系统可分为数字式和非数字式两大类，而数字式认址又可分为相对数字认址系统和绝对数字认址系统。1相对数字认址系统。每个货格都有一个层号以与一个列号。当操作人员将货格的地址输入的时候，计数器就记下了所输入地址的列数和层数。从中减去堆垛机在接受这个作业命令时所处位置的列数和层数后，其差值就分别代表堆垛机从目前所处位置走到目的地址需沿巷道纵长方向经过的列数和沿垂直方向经过的层数。堆垛机沿巷道运行时，每经过1个货列就计1个数。计够了一定的数（离目的地的距离）就减速，到达了目的地就停止。在货台升降时，也用同样的方法认址。2绝对数字认址系统。每一个货位的列数和层数分别用编码表示。堆垛机运行时就用相应的检测装置，对标号牌进行读数，检测所在的实际地址，然后送入地址运算程序与目的地址比较。当其差值为一定数值时即进行减速，差值为零时，发出机构停止的信号。3非数字式认址系统。在每个货格前装一个发号元件（如干簧管）。当堆垛机来到目的地址前时，磁场使堆垛机上的检测元件动作，堆垛机即能确认已到了目的地址。在本设计控制系统中我们采用绝对数字认址系统来实现堆垛机控制系统的定位。在控制系统设计中我们在水平方向采用两对光电开关和认址挡板的组合来进行定位。两对光电开关之间的距离为180mm , 挡光板的长度为200mm。运行时,前面的光电开关用来计数,一般的情况下是快速运行,当计数到位后(即第一个光电管被挡光,距准确位置还有190mm)减速到慢速,再以慢速向前继续运行,当后面的光电开关被挡光后刹车定位。此种方法的定位精度为10mm。允许最高速度为400m/ min。此种定位方法的优点是:在运行到位前,堆垛机是以较高的速度来接近目的地址,当第二对光电开关被挡光后,再由慢速刹车定位,慢速运行的时间可通过改变加速度的大小来实现。堆垛机的纵向定位我们也采用光电开关和认址挡板组合定位，低位为放货完毕收叉或取货开始伸叉的位置，髙位为取货完毕收叉或放货开始伸叉的位置。为了保证货叉能完成作业，堆垛机在垂直方向上必须要提供使货叉能停在高位或低位的检测装置。所以在堆垛机的升降台上安装三个光电开关，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，升降台货叉停在髙位置，下面两个光电开关处于认址片；取货开始或存货结束时，货叉停在低位置，此时上面两个光电开关处于认址片。图3-1 纵向认址在堆垛机运行控制功能上，堆垛机的认址是非常重要的部分。我们采用光电开关和认知挡板来实现堆垛机在运行过程当中的定位。首先自动化立体仓库33的货格当中以6个认址设备来实现对9个货格的编号。横向认址设备我们分别放在堆垛机的轨道和滑轮（堆垛机移动）附近，来实现货格列数的编号，而纵向排数的编号我们则将认址设备分别放在纵向立柱与滑轨之上。堆垛机收到信号，从入口（原零点）开始向目标货格进军，在横向上，当堆垛机前光电开关接触到认址挡板时计数，当前光电开关接触到目标货格的认址挡板时，计数器动作并开始减速，当后光电开关也接触到目标认址挡板时，发出停车信号，堆垛机停止运行。在纵向，以上光电开关接触到认址挡板为计数信号，在取货定位时则以上光电开关接触到目标认址挡板，使得计数器开始动作并且堆垛机开始减速，以光电开关上对准（上光电开关和中光电开关都接触到认址挡板）作为停车信号。而在存货定位时，也是以上光电开关接触到目标认址挡板，使得计数器开始动作并且堆垛机开始减速，以光电开关下对准（下光电开关和中光电开关都接触到认址挡板）作为停车信号。而光电开关的上、下对准时堆垛机所行走的路程为堆垛机伸叉后提降货物的行程。3.2 光电传感器在堆垛机认址系统当中，我们提到了光电开关。光电开关也叫光电接近开关，是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。所有能够反射光线的物体都可以被检测到，不限于金属。光电开关将电能转化为光能经发射器射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。光电开关被应用于许多领域当中，如物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以与安全防护等。此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以与其它需要的场合作为防盗警戒之用。在被设计当中，光电开关主要用于堆垛机的位置检测和认址以与对货格有无货物进行检测的重要检测部件。光电开关有很多种类型，按照检测方式可分为漫反射式、对射式、镜面反射式和槽式光电开关四种类型。1漫反射式光电开关漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。如图3-2为漫反射原理图。图3-2 漫反射原理图2镜反射式光电开关镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。如图3-3为镜反射式光电开关。图3-3 镜反射式光电开关3对射式光电开关对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。图3-4对射式光电开关4.槽式光电开关槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。图3-5 槽式光电开关在本设计中货格货物检测我们采用漫反射式光电开关。认址系统我们采用镜反射式光电开关。3.3 变频器的选择3.3.1 变频器的结构与工作原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交直交方式(VVVF变频或矢量控制变频)，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、再次整流(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的5。变频器的类型繁多，目前市场上主流变频器的基本结构为：图3-6变频器的基本结构3.3.2 变频器的分类变频器的分类可以有很多种方式，下面就根据相应的分类方法对变频器进行分类。1. 按照主电路工作方式进行分类。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。2. 按照开关方式分类。在按照逆变电路的开关方式对变频器进行分类时，变频器可以分为PAW控制方式，PWM控制方式和高载频PWM控制方式三种。3. 按照工作原理分类。当按照工作原理对变频器进行分类时，按变频器技术的发展过程可以分为V/f控制方式、转差频率控制方式和失量控制方式三种。4. 按照用途分类。在上面介绍的变频器分类方式中我们是按照变频器的工作原理对其进行分类的，但是，对于一个变频器的用户来说，他更关心的也可能是变频器的用途而不是其工作原理。按照用途变频器可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器和单相变频器和三相变频器。在本设计中，我选用三菱FRA540型全数字变频器，它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等先进功能，以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，特别适合交流感性类负载频繁变化的场合。另外，FRA540变频器的起动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点，控制精度可达0.010.02%，使得电机运行情况好。它可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。采用高性能IGBT，载波频率20KHZ，从而使变频器输出一个不失真的正弦流波形，使电机始终运行于静噪音状态9。FRA540变频器的特点如下：1. 包括电流矢量控制在的四种控制方式均实现了标准化。2. 有丰富的藏与选择功能。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。在本系统设计中，选用低压型FRA540型变频器变频的输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路采用交直交电路。FRA540型变频器的标准规格如下表所示：表3-1 变频器的性能指标电 压200 V400 V容量围1.2110KV1.4460KV电源电压频率200V：三相200/208/220V；400V：三相380/400/415V电压允许变动+10%，-15%频率允许变动5%控制特性控制方式1、正弦波PWM控制2、无传感器矢量控制（无PG)3、带传感器矢量控制（带PG)4、V/F控制5、带传感器V/F控制（用参数切换)启动转矩150%/1Hz(无PG) 150%/0r/min(带PG）速度控制围1:100(无PG) 1:1000(带PG）速度控制精度0.2%(无PG) 0.02%(带PG）速度响应5Hz(无PG) 30Hz(带PG）转矩极限有转矩精度5%转矩响应20Hz(无PG)以上 150Hz(带PG）以上频率控制围0.1400Hz频率精度(温度变动)数字式指令0.01%(-10C40C）模拟式指令0.1%(10C25C）频率设定分辨率(运输分辨率)数字式指令0.01Hz100Hz模拟式指令0.03Hz60Hz制动转矩约20% 带制动选择150%操作控制16字2线日语液晶显示器3.3.3 PLC概述可编程控制器，简称PLC，是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：1. 逻辑处理功能；2. 数据运算功能；3. 准确定时功能；4. 高速计数功能；5. 中断处理（可以实现各种外中断）功能；6. 程序与数据存储功能；7. 联网通信功能；8. 自检测、自诊断功能。PLC是专为工业应用而设计的,因此其主要特点是:1. 高可靠性,具有很强的抗干扰能力能在恶劣环境中可靠工作,平均无故障时间高,故障修复时间短.这是PLC优于微机控制的一大特点.2. 编程简单,使用方便.这是PLC优于微机的另一特点,大多数PLC采用继电器控制形成后梯形图编程方式,即继承了传统控制线路的清晰直观,有考虑到大多数工矿企业电气技术人员的读图的习惯和微机应用水平情况，因此受到普遍欢迎。3. 具备高灵活性，很强的信息处理能力和多功能。由于PLC采用了CRT显示和常规打字机键盘，实现现场输或修改，指令增强了人机通讯能力：加强了数据处理能力与同计算机通讯能力，使之可以与控制生产活动的整个计算机系统联成一体；增强了四则运算能力与更强的指令系统，使之能同提供数据的仪表设备一起工作，计算机处理测到的数据，采用大容量存储器使PLC增加了许多功能。4. 体积小，重量轻。5. 扩充方便，组合灵活。PLC产品一般都具有各种扩展单元，可以方便地组成适应不同输入和输出点数与不同输入/输出方式的系统。6. PLC是实现“机电一体化”的重要手段和发展方向，由于PLC是专为工业控制设计的专用计算机，其机构紧密，坚固，体积小巧，并由于具有很强的抗干扰能力，使之易于装入机械设备部，因而成为实现“机电一体化”较理想的控制设备。像PLC这样集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化与智能化创造了条件10。3.3.4 PLC的选型在进行PLC控制系统设计的时候，我们首先应该确定的就是控制方案，接下来就是PLC的选型。在进行设计选型时我们要重点参考工艺流程的特点和应用要求。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。1输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入40点，输出21点。2存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC存容量选择应能存储5000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。3控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。（1）控制功能PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。（2）编程功能离线编程方式：PLC和编程器共用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。（3）诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分诊断和外诊断。通过软件对PLC部的性能和功能进行诊断是诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间11。4PLC的选择（1）PLC的类型FX2系列可编程控制器主机分为16、24、32、64、80、128点六档，还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加I/O点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入。本课题设计的立体仓库控制系统有输入信号40个，输出信号21个。其中，外部输入元件包括：检测元件、按钮、取、送、急停、限位开关、超限位保护等等；输出有三个方向上三相异步电动机的正反向、动作指示、错误显示等等。按照上述配置，所选I/O点不得低于61点，结合实际情况，所选I/O点为80点。因此我所选型号为FX2N-80MR。（2）经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本课题所设计的立体仓库属于小型控制系统，结合经济性的考虑因此选择整体型PLC。根据我们设计的立体仓库其输入点数为40点、输出点数为21点，所以选择三菱FX2N-80MR。3.3.5 PLC对变频器的控制随着电力电子技术和自动控制技术的发展，电动机的调速已经发展到今天的变频器调速时代。并且在工业领域中得到了广泛的应用。在现在工业控制系统中，以PLC控制变频器实现电动机调速控制最为常见。PLC对变频器的控制从而实现对电动机的调速一般有三种方法：1. PLC输出的开关量控制的变频器调速。实现方法：PLC的输出点、COM点直接与变频器的STF(正转启动)、STR(反转启动)、RH(高速)、RM(中速)、RL(低速)、REX、输入端SG等端口分别相连接。PLC通过程序即可以控制变频器的启动、停止； 也可以控制变频器高速、中速、低速端子的不同组合实现多段速度运行。该方法的优点是编程较为简单易懂，且变频器的响应速度快，抗干扰能力强。可以实现单台与多台电动机的调速。在较为简单的变频调速系统中，该方法较为简单且比较容易编程。对于初学者来讲是一种较为容易掌握的方法。但是因为它是采用开关量来实施控制的，在很多的不足之处：其调速曲线不是一条连续平滑的曲线，也无法实现精细的速度调节。若要实现多台电动机的变频调速，要求PLC输入输出点数较多，需采用输入输出点数较多的PLC。在工业大型生产线上应用具有一定的局限性。若在要求调速较为精细、精确的生产线上，采用该方法就得不到良好的调速效果，那么下面就介绍更为精确一点的调速方法。2. PLC通过外加扩展DA转换模块控制的变频调速实现方法：本方法是通过PLC外接扩展数模转换特殊功能模块来实现的。可以通过FX系列PLC主机，配置FX1N-1DA-BD扩展模拟量输出板或模拟量输入输出混合模块FX0N-3A或FX2N-2DA或FX2N-4DA模块等来实现。该种方法的实现主要是对特殊功能模块的缓冲存储器(BFM)设置编程。该种方法优点是：PLC程序编制简单方便，调速曲线平滑连续、工作稳定。且一台PLC可以实现两台电动机的变频调速；也可以实现四台电动机的变频调速。所以在工业控制中该方法要比第一种方法应用围更广些。不足之处：在大规模生产线中，控制电缆较长，尤其是DA模块采用电压信号输出时，线路有较大的电压降，影响了系统的稳定性和可靠性。另外，从经济角度考虑，如控制8台变频器，需要2块FX2N-4DA模块或4块FX2N-2DA模块，且该扩展模块价格较贵，所以在需要控制多台电动机的调速的大规模生产中，该方法耗资较为昂贵；而且对于大规模自动化生产线，一方面变频器的数目较多，另一方面电机分布的距离不一致。采用D/A扩展模块做同步运动控制容易受到模拟量信号的波动和因距离不一致而造成的模拟量信号衰减不一致的影响，使整个系统的工作稳定性和可靠性降低。针对本方法存在的很大的不足，下面就介绍一种该系统成本低、信号传输距离远、抗干扰性较强的调速方法12。3. PLC通过RS485通讯实现变频调速本方法是PLC主机上装RS-485BD通讯适配器与变频器的485PU口相连接，通过PLC和变频器之间的RS485半双工串行通讯来实现电动机的变频调速。PLC和变频器之间的RS-485协议PLC和变频器之间进行通讯，通讯规格必须在变频器的初始化中设定，如果没有进行设定或有一个错误的设定，数据将不能进行通讯。且每次参数设定后，需复位变频器。确保参数的设定生效。该过程分5个阶段：1. 计算机发出通讯请求；2. 变频器处理等待；3. 变频器作出应答；4. 计算机处理等待；5. 计算机作出应答。根据不同的通讯要求完成相应的过程，如写变频器启、停控制命令时则只需完成1-3三个过程；监视变频器运行频率时则需完成1-5五个过程。不论是写数据还是读数据，均有PLC发出请求，变频器只是被动接受请求并作出应答。本设计采用PLC输出的开关量控制的变频器调速。实现方法：PLC的输出点、COM点直接与变频器的STF(正转启动)、STR(反转启动)、RH(高速)、RM(中速)、RL(低速)、REX、输入端SG等端口