巷道式双立柱堆垛机控制系统设计

徐州工程学院毕业设计(论文)图书分类号：密 级：摘要随着计算机信息技术的发展，现代企业生产规模的不断扩大和竞争的日益加剧，市场对企业物流系统提出了新的要求，自动化立体仓库越来越受到关注并得到广泛应用。堆垛机是立体仓库的关键起重，搬运设备。本文论述了自动化立体仓库中堆垛机控制系统的原理，结构和特点，介绍堆垛机的控制系统的设计，以及堆垛机的速度控制和精确定位方法。针对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。并给出了PLC控制程序梯形图。关键词：堆垛机；PLC；控制系统 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徐州工程学院毕业设计(论文)目 录1 绪论11.1自动化立体仓库系统概述11.1.1 堆垛机的分类11.1.2 堆垛机的组成11.2 课题的背景及国内外研究现状31.2.1 课题背景31.2.2 堆垛机系统在国内外的研究状况31.3 本课题的研究目的及主要研究内容42 堆垛机系统的方案设计52.1 堆垛机系统52.2堆垛机控制系统的功能要求62.3堆垛机的速度控制方案72.3.1变频调速技术的优点72.3.2变频器的基本结构82.3.3 变频调速的工作原理82.4系统主控制器的选择方案设计92.4.1 PLC简介92.4.2 PLC各部分功能112.5 堆垛机的定位控制方案122.6 本章小结123 系统硬件设计143.1 堆垛机控制系统结构143.2 电动机的选型153.3 变频器的选型163.3.1 VS-616G5型变频器的特点163.3.2 VS-616G5型变频器的标准规格163.3.3 VS-616G5型变频器的端子配备163.3.4 变频器的容量计算183.3.5 PG速度控制卡的选择193.3.6变频器制动电阻参数的计算203.4 PLC的选型203.4.1 FX-2N系列PLC的特点203.4.2机型的配置213.5 堆垛机控制系统其它主要硬件的选取213.5.1旋转编码器213.5.2 光电开关223.5.3 电磁闸223.5.4 断路器、接触器233.6 堆垛机控制系统的电气原理图234 堆垛机控制系统软件设计244.1 程序设计软件244.2 机型的配置及I/O点数的分配254.3 堆垛机控制系统程序设计26结论33致谢34附录36附录1 36附录2 44431 绪论自动化立体仓库是物料搬运、仓储科学的一门综合科学技术工程。它以高层立体货架为主要标志，以成套先进的搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术为主要手段，是实现搬运、存取机械化、自动化，储存管理现代化的新型仓库。它具有占地面积小、储存量大、周转快的优点，是集信息、存储、管理于一体的高技术密集型机电一体化产品。将自动化立体仓库应用在立体库中，利用它自身的优势，可以实现货物的自动存取。1.1 自动化立体仓库系统概述1.1.1 堆垛机的分类堆垛机是自动化立体仓库中货物进出仓库的主要执行设备。按规模进行分类，高度10m以下的为低层型，1020m的为中层型，20m以上的为高层型。按驱动方式分类，分为下部驱动式、上部驱动式和上下部驱动式三种。就结构而言，高度在6m以下的小型堆垛机一般是桅杆式的，而高度大于6m的堆垛机则一般采用箱式框架结构形式。堆垛机的动作可分为单循环和复合循环两种。前者是分别实现入库动作和出库动作后者可以实现连续出入库动作。堆垛机的运转方式可分为自动操作和手动操作两种。高级机种中还有一种是手动定位停止，货物的出入库可以采取自动或半自动的形式。1.1.2 堆垛机的组成巷道式堆垛机基本结构一般主要由机架、运行机构、起升机构、载货台、货叉、电气设备以及各种安全保护装置等部分组成（如图1所示) 1上横梁 2. 松绳及过载保护装置 3. 立柱 4. 提升机构 5运行机构 6.伸缩货叉 7. 载货台 8. 电气柜 9. 下横梁 图1-1 堆垛机结构图(l)机架堆垛机的机架由立柱、上横梁和下横梁组成一个框架。整机结构高而窄。机架可以分为单立柱和双立柱两种类型。双立柱结构的机架由两根立柱和上、下横梁组成一个长方形的框架。这种结构强度和刚性都比较好，适用于起重量较大或起升高度比较高的场合。单立柱式堆垛机机架只有一根立柱和一根下横梁，整机重量比较轻，制造工时和材料消耗少，结构更加紧凑且外形美观。堆垛机运动时，司机的视野比较宽阔，但刚性稍差。由于载货台与货物对单立柱的偏心作用，以及行走、制动和加速减速的水平惯性力的作用对立柱会产生动、静刚度方面的影响。当载货台处于立柱最高位置时挠度和振幅达到最大值。这在设计时需加以校核计算。堆垛机的机架沿天轨运行。为防止框架倾倒，上梁上装有导引轮。(2)运行机构运行机构主要由电动机(带制动器)、减速器、车轮组成。目前常采用的下部支承及驱动的堆垛机。运行机构安装在下横梁一端，下部车轮为主动轮，另一端为被动轮。有时堆垛机为了实现转巷道作业，被动轮安装在转向轮座上，可以保证在转巷道时有较小的回转半径。堆垛机的水平运行速度:国内最高达到100m/min，国外(日本)已达到160m/min.最低速度4m/min。目前运行机构一般都用变频调速。(3)起升机构堆垛机的起升机构由电动机、制动器、减速机、卷筒或链轮、钢丝绳或链条以及滑轮等零部件组成。目前，常用带制动器的电机。减速机的采用视传动比需要和结构布置而定。蜗轮蜗杆减速器结构紧凑、安装简单，但传动效率较低。行星齿轮减速器则在电机轴方向尺寸较大。目前，也常用专门生产的“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。其它零部件如钢丝绳、滑轮都选用标准件。起升机构速度:国内最高达30m/min，国外(如日本)最高达4048m/min。起升机构的调速:以前曾用过子母电机或变极电机，目前多用变频调速。(4)载货台载货台是货物单元承载装置，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升降。货叉机构安装在载货台上，有司机室的堆垛机，司机室也装在载货台上。有拣选功能的堆垛机，拣选平台也安装在载货台上。载货台通常有一个刚性框架，为沿导轨运行而装有导轮。(5)货叉伸缩机构货叉伸缩机构是堆垛机的主要工作机构，其结构特点是能够双向伸出，以便向两侧货格送人(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。为此，货叉伸缩机构的设计要求是:货叉完全伸出后，其长度须为原来长度的两倍以上。货叉全收回后，结构尺寸需尽量小。货叉伸缩速度一般为810m/min，高的可达30m/min左右，但通常需调速控制，调速范围为:30m/min2m/min。(6) 电气设备主要包括电力拖动、控制、检测和安全保护等强、弱电电气设备，三个主要机构的电力拖动系统，目前国内外普遍采用变频调速控制，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、货虚实探测、货箱位置检查等功能。对堆垛机的控制，目前国内外常用PLC(可编程逻辑控制器)控制。PLC的模块化结构以及远程通讯功能可以较好满足堆垛机单机自动控制、全自动(整个仓库系统)控制的要求。(7)安全及联锁机构堆垛机是一种起重机械，它要在又高又窄的巷道内高速运行。为了保证人身及设备的安全，堆垛机必须配备完善的硬件及软件的安全保护装置，并在电气控制上采取一系列联锁和保护措施。除了一般起重机常备的安全保护措施(如各机构的终端限位和缓冲、电机过热和过电流保护、控制电路的零位保护等)外，还应根据实际需要，增设各种保护。主要的安全保护装置有:终端限位保护在行走、升降和伸缩的终端都设有限位保护。联锁保护行走与升降时，货叉伸缩驱动电路切断;相反，货叉缩时，行走与升降电路切断。行走与升降运动可同时进行。正位检测控制只有当堆垛机在垂直和水平方向停准时，货叉才能伸缩。即货又运动是条件控制，以认址装置检测到确已停准的信息为货叉运动的必要条件。载货台断绳保护当钢丝绳断裂时，断绳保护机构动作，机械夹轨上移，载货台被卡在导轨上而阻止其坠落。正常工作时在弹簧力作用下夹轨块、凸轮)与导轨分离。断电保护载货台升降过程中若断电，则采用机械式制动装置使载货台停止不致坠落。声光信号堆垛机开动前响铃声，或闪灯光，以警告巷道内的检修人员和过往行人引起注意。1.2 课题的背景及国内外研究现状1.2.1 课题背景立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。随着立体仓库的越来越多，立体仓储技术已成为一门新兴的学科。堆垛机是自动化仓库的主要作业机械，担负着出库，入库等任务，是立体仓库的核心部件。自动化仓库的发展就是以堆垛机的发展为主要标志的，目前巷道式堆垛机为主要发展方向。1.2.2 堆垛机系统在国内外的研究状况目前，堆垛机产品己经走入系列化，运行噪声低，备有各种安全保护装置，调速性能好，一般都具有完善的货物位置检测和货物尺寸检测等功能。国外立体仓库普遍采用抗干扰能力强、工作可靠的可编程控制器来控制巷道堆垛机以及出入库系统，并且用计算机进行货位管理和库存管理，仓库管理计算机与上级管理机联网并能与控制系统相接，实现在线控制。而在堆垛机方面，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到90m/min，运行速度达到240m/min，货叉伸缩速度达到30m/min。在有的高度较大的立体仓库中，已采用上、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的能力。我国是从20世纪70年代初期开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。1980年，由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成了我国第一座自动化立体仓库，并在北京汽车制造厂投产。从此以后，立体仓库在我国得到了迅速的发展。目前，浙江海通集团是国内最早建造2000吨立体自动化低温冷库的企业，其中采用了由电脑程序控制、5台自动巷道堆垛机无人操作自动进出库等先进技术。目前，在国内立体仓库堆垛机的驱动机构中，电机减速机普遍采用德国、日本、意大利的产品，也有少数采用国内的电机减速机。由于堆垛机是立体仓库中最重要的运输设备，各项技术参数和综合性能的要求都非常严格，如无故障率应大于97,停准精度10mm，以及噪音要求等。这就要求电机减速机的可靠性非常高。因此，现阶段在驱动机构中电机减速机的选用上，多选用国外先进的产品，以保证堆垛机的整机性能。随着现代工业生产的发展，堆垛机技术在不断地提高和完善。世界主要工业国家都把着眼点放在开发性能可靠的新产品和采用高新技术上，更加注重实用性和安全性10。因此，我们应当看到自身与世界先进技术的差距，总结经验，找出不足，打破传统思路推出具有新的外形和更高性能的堆垛机。在使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。相信通过我们的不断努力，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，使我国的堆垛机技术发展到一个新的阶段。1.3 本课题的研究目的及主要研究内容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，使其更好地担负起出、入库的任务。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，确定变频器的控制参数，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，使PLC控制系统更加完善，更好地控制整个系统的运行。2 堆垛机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。2.1 堆垛机系统目前，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、远距离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21所示。 图21 SRMC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22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。堆垛机控制系统接收信号后，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。图22堆垛机系统自动运转流程图当系统出现故障时，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。2.2 堆垛机控制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伸缩运动。因此，堆垛机控制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。2.3 堆垛机的速度控制方案在果蔬气调立体仓库中，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。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23所示为通用变频器的结构原理。图23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。2.3.3 变频调速的工作原理当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极对数和电源频率所决定： 式（2.1）式中：-电机的同步转速f-供电电源频率（Hz）P-电机定子磁极对数一般情况下，异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出： 式（2.2） 式中：n-电机实际转速s-转差率（同步电动机时，s=0）由式(2-2)可知，若改变参数f，s中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。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，在本堆垛机控制系统中，我们选择变频调速的方式对电动机进行速度的控制。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。2.4.1 PLC简介2.4.1.1 PLC的定义可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，主要用于顺序控制，虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能进行逻辑运算。PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器，可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体，易于扩展其功能的原则设计。事实上，PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以I/O等模块，可以方便地用于工业控制领域的装置。因此PLC实际上就是：“工业专用计算机”。其硬件结构与微机室基本一致。其基本结构如下图所示。电源模块CPU模块编程器输出模块输入模块指示灯接触器继电器图2-4 PLC系统的基本结构电源2.4.1.2 PLC工作原理PLC采用巡回扫描的工作机制,经过输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段，这是一个扫描周期，PLC就是这样周而复始的执行扫描周期的，简单的说，PLC是系统程序的管理下，依据用户程序的安排，结合输入信号的变化，确定输出口工作的 ，当然这不是其全部内容，全部内容要复杂一些.2.4.1.3 PLC的特点抗干扰能力强，可靠性高；控制系统结构简单，通用性强；编程方便，易于扩展；功能完善；设计、施工、调试的周期短；体积小维护方便，能耗低。2.4.1.4 PLC的性能(1)硬件指标硬件指标主要包括环境温度、环境湿度、抗震、抗冲击、抗噪声干扰、耐压、接地要求和使用环境等。由于PLC是专门为适应恶劣的工业环境而设计的，因此PLC一般都能满足以上硬件指标的要求。(2)软件指标编程语言不同的PLC，具有不同的编程语言。常用的编程语言有梯形图、语句表、功能块图3种。用户存储器容量和类型用户存储器用来存储用户通过编程器输入的程序。其存储容量通常以字、步或KB为单位计算。常用的用户存储器类型有RAM、EEPRAM、EPRAM3种。I/O总数PLC有开关量和模拟量两种I/O。对开关量I/O总数，通常用最大I/O点数表示；对模拟量I/O总数，通常用最大I/O通道表示。指令数用来表示PLC的功能。一般指令越多，其功能越强。软元件的种类和点数指辅助继电器、定时器、状态、数据寄存器和各种特殊继电器等。扫描速度以“ s/步”表示。PLC的扫描速度越快，其输出对输入的响应越快。2.4.1.5 PLC的发展趋势PLC总的发展趋势向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体有以下几方面：向小型化、专用化、低成本方向发展；向大容量；向高速度方向发展；智能型I/O模块的发展；基于PC的编程软件取代编程器；PLC编程语言标准化；PLC通信易用化；组态软件与PLC的软件化；PLC与现场总线相结合。2.4.2 PLC各部分功能2.4.2.1 中央处理单元（CPU）CPU的主要任务有控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接受现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和语法错误。2.4.2.2 存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放有PLC生产厂家编写的系统程序，使PLC具有基本功能，用户不能直接改写。用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两部分，用来存放用户针对具体控制任务，使用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。2.4.2.3 输入输出单元PLC的输入和输出信号类型可是开关量、模拟量和数字量。输入/输出单元从广义上包括两部分：一是与控制设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入单元用来接收来自用户的各种信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时PLC从输入映像寄存器读取输入信号并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器有输出点相应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行文件。2.4.2.4 电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。2.4.2.5 扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。2.5 堆垛机的定位控制方案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2-5所示。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。图2-5光电编码示意图目前，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，安装限位开关的定位方法，不仅废工废料，而且每个开关的实际安装距离，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。3 系统硬件设计通过前面对于堆垛机系统的设计，本章将详细分析系统中各个组成硬件的原理与特点，并根据库中的实际工作环境，选择适合本系统的设备型号以及参数，完成堆垛机控制系统的硬件设计，最后设计出电气原理图。3.1 堆垛机控制系统结构 图3-1 硬件结构框图图31为采用可编程控制器（PLC）作为主控制器的立体库的堆垛机控制系统结构框图。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：PLC检测系统工作正常,允许变频器工作的信号；堆垛机运行方向的信号；堆垛机运行速度的信号；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：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）；堆垛机速度信号；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）；减速及停车状态信号。图31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 电动机的选型本设计中电机应满足以下要求：自重：m1=4800 kg载重：m2=700 kg提升重量：m3=1200 kg水平额定速度：V1=0.5 m/s水平加减速率：a1=1.5 m/s2垂直额定速度：V2=0.5 m/s垂直加减速率：a2=1.5 m/s2行走轮径：D=300mm轴径：d=60mm货叉伸缩速度：V3=0.2 m/s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、货叉伸缩共3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；(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；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： 式(3.1)对于垂直运行电机，其功率的计算如下： P=m3gVmax/(1000)=10009.80.5/(10000.8)=6.13(kW) 式3.2）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7.5kW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132M-4额定功率： 额定转速： 额定电流： 3.3 变频器的选型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。对于果蔬气调立体库系统来讲，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 VS-616G5型变频器的特点本设计采用安川电机公司的VS-616G5型全数字通用变频器，它具有磁通矢量控制转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，能较容易地得到高起动转矩与较高的调速范围，能最大限度地提高电机功率因数和效率，同时降低了电机运行损耗，实现平稳操作和精确控制。通过合理的配置、设计和编程，可以满足系统静态和动态的性能要求，保证堆垛机按理想的速度曲线运行，达到较为理想的控制效果。VS-616G5型变频器的主要特点如下：(1)将无PG U/f控制、无PG矢量控制、有PG U/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。3.3.2 VS-616G5型变频器的标准规格VS-616G5型变频器的标准规格见表31。3.3.3 VS-616G5型变频器的端子配备对于控制回路端子来说，1：正转运行/停止指令；2：反转运行/停止指令；3：外部故障输入；4：异常复位；5：主速/辅助切换（多段速指令1）；6：多段速指令2；7：点动指令；8：外部基极封锁；9和10：运行中信号；11：顺控器控制输入公共端；12：屏蔽线的网线，选项接地线用端子；表31 VS-616G5型变频器的标准规格 项 目 规 格 电压V 220V 400V容量范围KVA 1.2110KVA 1.4460KVA 续表3-1 200V:三相 200/208/220V 电压频率 400V:三相 380/400/415/440/460V 电压允许变动 +10% -15%频率允许变动 +5% 正弦波PWM控制： 无传感器矢量控制（无PG） 控制方式 带传感器矢量控制（带PG） V/f控制 带传感器V/f控制（用参数切换）启动转矩 150%/1Hz(无PG 150%/Or/min(带PG)速度控制范围 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）以上频率控制范围 0.1400Hz频率精度 数字式指令0.01%（10C40C）（温度变动） 模拟式指令0.1%（25C10C）频率设定分辨率 数字式指令0.01Hz/100Hz（运算分辨率） 模拟式指令0.03Hz/60Hz输出频率分辨率 0.01Hz过载量 额定输出电流的1501min频率设定信号 10V10V，0V10V，4mA20mA加减速时间 0.016000.0s制动转矩 约20带制动选择150抑制高次 直流电抗器 内带（200V 24kVA 400V 26kVA以下可选择） 谐波电源 12相整流 不能变动主要控制功能 瞬停再起动，下降控制，转矩控制，零点伺服控制等 操作装置 16字2线日语液晶显示器 接通插件板可选择 16种（最多可装3块）保护功能 电机保护，变频器过载，瞬间过电流，电压下降，过电压，输入缺相 13和14：主速频率指令；15：15V电源输出；16：多功能模拟量输入；17：控制用公共端；18、19和20：故障输出信号；21：频率表输出；22：公共端；23：电流监视；25：零速检出；26：速度一致检出；27：开路集电极输出公共端；33：15V电源输出。主回路端子的功能见图上相关文字说明。3.3.4 变频器的容量计算变频器作为电机的供电电源时，其最好要有很高的容量，此时允许电机像工频供电那样，可以直接启动（在变频器的输出侧通断电机）。然而，考虑到变频器的经济性及尺寸大小等因素，过高地提高变频器的容量是不可取的。变频器容量的优化选择，会使其无故障完成驱动电机操作，这里首先要清楚以下内容。(1)变频器的容量驱动电机的变频器容量可以从操作方法决定的能量流动变化情况来进行理解。加速或恒速操作时变频器的效能是输出电流，也就是变频器能够给电机提供多大电流。变频器这种输出电流的效能可以由额定输出电流或过载能力来表示。减速操作时由于变频器在减速操作时其驱动的电机变成发电机，能量的流动是从电机流向变频器，同变频器的加速或恒速操作相反。变频器的作用是要消耗这些能量。减速时电机负载返回的部分能量由电机消耗，而其余部分由变频器消耗。另外，由于这些返回的能量使变频器中平滑电容的电压升高，当电压升到某一特定值时，就会产生再生能量消耗或能量返回供电电源侧。(2)变频器容量的确定变频器的容量应该与其驱动的电机容量相匹配，另外变频器的选择要依据负载特性、操作方法等情况来决定。首先，根据电机的容量来选择变频器的容量。其次，对于单个变频器驱动单个电机的操作方法，可按下式来选择：变频器额定输出电流电机最大负载电流1.1变频器规格给定值 实际测量 考虑畸波的增加系数最后，还要根据电机的基本操作模式（启动、加速、恒速、减速及停止）进行变频器的选择51。在单台变频器驱动单台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的最大电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。容量选择最好是采用大一个数量级选配。电动机若选11kW或15kW的异步电动机，即11kW的电动机选15kW的变频器，15kW的电动机选18kW的变频器比较好。我们选取了容量为11kW的异步电动机，其额定电流一般情况下，在果蔬气调立体库堆垛机系统中，控制运行电机的变频器是连续工作的，其额定输出电流： 式 (3.3)式中：为变频器额定输出电流，为电动机实际最大负载电流。根据现场测试的数据，升降电机的最大负载电流约为17A,代入上式（3.3）则有：171.1=18.1（A）即变频器的额定输出电流必须大于18.1A。参考如下列表，我们选择VS-616G5系列的CIMR-G5A 4015型变频器，它的额定输出电流为34A，最大适用电机功率为15Kw，完全可以满足本系统的要求。表32 CIMR-G5A型号变频器参数表CIMR-G5A 额定输出 电源 型号 最大适用 额定输出 最大输出 额定输出 电压(V) 允许 允许CIMR-G5A 电机功率 输出功率 电流（A） 电压(V) 频率（HZ）频率(HZ) 电压 频率型号 （KW） (KW) 波动 波动三相380/400/415/440/4640P7 0.75 2.6 3.4 三相380/ 400/415/440/460V，50/60Hz由参数设定，最高400Hz可对应41P5 1.5 3.7 4.85%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速度控制卡的选择变频器的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-G5A 4015型变频器的PG速度控制卡有四种，应根据用途正确选择。对于本系统，考虑到变频器有时需要在较低的频率下运行，为保证电机在低频运行时也能提供足够的转矩，保证垂直运行的堆垛机载货台不会因转矩不够而下坠，垂直电机必须使用恒转矩或矢量控制的方法进行变频。因此，我们选择PG-B2型PG速度控制卡。表33 PG型号说明PG型号 应用特点PG-A2 A相（单）脉冲输入，开路集电极或补码输出，V/f控制专用PG-B2 A相/B相脉冲输入，补码输出对应，矢量控制专用PG-D2 A相（单）脉冲输入，线驱动对应，V/f控制专用PG-X2 A相/B相/Z相脉冲输入，线驱动对应，矢量控制专用 3.3.6变频器制动电阻参数的计算当采用变频器传动的堆垛机电机急减速或向下运转时，异步电动机将处于再生发电状态。变频器逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要的措施，当中间直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。所以，变频调速装置还应具有一定的制动功能。在高性能的工程型变频器中，对连续再生能量的处理大体有以下两种方案：(1)采用动力制动的方式在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉。(2)采用再生整流器的方式它是将连续再生能量送回电网，这种方式又称为回馈制动。分析以上两种制动方式，采用动力制动的方式，其控制简单、成本低，但节能效果不如回馈制动。回馈制动方式虽然节能效果好，能连续长时制动，但控制复杂、成本较高考虑到节省技改投资，提高设备的可维修性和可靠性，我们采用动力制动方式。在选择能耗制动电阻时，制动电阻的大小应使制动电流的值不超过变频器额定电流的一半，即 其中，为额定情况下变频器的直流母线电压。考虑到立体库内的温度湿度条件，按照制动单元和制动电阻选型及计算公式进行换算，CIMR-G5A 4015型变频器配用1个RX20型耐潮被釉线绕电阻器，可以满足本设计的要求。3.4 PLC的选型目前，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