巷道式立体仓库输送装置的控制电路设计--毕业论文.doc

大学本科毕业设计(论文) 第40页本科毕业设计（论文）巷道式立体仓库输送装置的控制电路设计论文真实性承诺及指导教师声明学生论文真实性承诺本人郑重声明：所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。毕业生签名： 日 期： 指导教师关于学生论文真实性审核的声明本人郑重声明：已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核，确定其内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。指导教师签名： 日 期： 摘 要随着企业现代化生产规模的不断扩大，立体仓库己成为生产物流系统中的一个重要且不可缺少的环节,堆垛机是其关键设备。设计与开发自动化堆垛机控制系统成为当前立体仓库的发展趋势，因此开展与此有关的研究具有重要的理论和应用价值。在本设计中，介绍了自动化立体仓库的应用及其功能和作用，着重研究了自动化立体仓库堆垛机控制系统的电路设计。首先，根据总体方案，确定共有14个数字量输入信号以及14个数字量输出信号，因此选择了研华USB-4750数据采集卡，确定了堆垛机控制系统的信号采集检测核心。其次，根据堆垛机的技术要求，本设计在确定堆垛机的参数之后，从堆垛机的位置控制、速度控制、信号检测等几个方面进行总体方案的确立。本设计中采用以光电开关和认址片为基础的相对定位认址方案；堆垛机的速度控制采用变频调速的方法，实现了对运行、起升、货叉三个电机精确的速度控制，其中水平运行设定四种速度，起升运行设定三种速度，货叉运行设定两种速度；此外，选择合适电器元器件，实现了堆垛机的原点检测、货叉到位检测和电动机运行状况检测。最后，本设计根据设计要求，完成了以工控计算机为上位机，数据采集卡为堆垛机运动控制器件的立体仓库堆垛机控制系统的电路设计，具有一定的理论和应用价值。关键词：自动化立体仓库；堆垛机；电路设计；变频调速；数据采集卡AbstractAs the expanding of the modern enterprise industrial scale, warehouse has become the most important and indispensability tache of the logistics system, which key equipment is hay stacker system. Design and development of a higher degree of automation stacker control system become warehouse trend of development, therefore related research has important theory and application value.This paper introduces application and performance of automated warehouse and puts emphasis on the researching of circuit design in automated warehouse stacker control system.Firstly, there are 14 digital inputs and 14 digital outputs according to the global project. So the Advantech data acquisition card USB-4750 was chosen, which is the kernel of data acquisition and detection.Then, according to the technical requirements of stacking machine, after the parameters of hay stacker was determined, the paper analyzes hay stacker of locating, speed and data detection, and determine the overall plan. This design adopted the project of relative localization, on the basis of photoelectric switch and localization card. As for speed control, frequency conversion control was chosen to accomplish the control of operation, hoisting and fork electric machine, which set 4 kind of speed for operation,3 for hoisting and 2 for fork. Besides the system completed the function of origin detection, fork reached detection and the condition of electric machine.Finally, according to the requirements, this design accomplished circuit design of automated warehouse stacker control system, in which industrial computer served as host computer and data acquisition card served as controller, which has theory and application valueKey words: Automated Warehouse; Stacker; Circuit Design; Data Acquisition Card; Frequency Conversion Speed目 录第一章 绪论11.1 自动化立体仓库概述11.1.2 自动化立体仓库的构成11.1.3 巷道式立体仓库控制系统21.2 自动化立体仓库的发展现状和趋势21.3 主要研究内容及研究意义3第2章 巷道式立体仓库的总体方案52.1 巷道式立体仓库主要参数设计52.1.1 立体仓库货架参数52.1.2 堆垛机的构成及参数（400）62.2 位置控制方案82.2.1 认址方案的比较82.2.2 认址方案的确定92.3 速度控制方案112.3.1交流异步电机变频调速原理112.3.2 堆垛机速度控制曲线设计122.4 信号检测方案15第3章 数据采集卡的选型163.1 数据采集卡简介163.2 数据采集卡的选择17第4章 信号检测电路的设计204.2位置检测电路204.1.1 光电开关的选型204.1.2 位置检测的电路设计224.2 货物检测电路234.3原点、货叉到位检测电路244.3.1 原点检测电路简介244.3.2 货叉到位检测电路简介254.3.3行程开关的选型254.3.4 原点、货叉到位检测电路设计254.4电机运行状况检测电路26第5章 执行部分电路的设计275.1电机型号选择275.1.1运行电机的选型275.1.2起升电机的选型305.1.3货叉电机的选择305.2.1 变频器的控制方式315.2.2变频器的选型325.2.3 变频器制动电阻参数的计算335.3.3 变频器检测输出335.4其他各元器件选型335.4.1 断路器335.4.2 固态继电器345.4.3 接触器345.4.4 热继电器355.4.5 其他355.5执行部分电路接线图36结 论37致 谢39参考文献40第一章 绪论1.1 自动化立体仓库概述自动化立体仓库是一种新型的仓储技术，是现代物流系统中的一个重要组成部分，它又称为高层货架仓库、立库、自动存储/检索系统(Automated Storage/Retrieval System，即AS/RS)。它是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工程。它以高层货架为主要标志，以成套先进搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术为主要手段，由此组成高效率的物流、大容量的科学的存储，以适应现代化生产的需求。实践已充分证明，使用自动化立体仓库能够产生很大的社会效益和经济效益，效益主要来自以下几个方面：1. 高层货架存储。由于使用高层货架，充分利用了仓库地面和空间，存储区可以大幅度地向空间扩展，因此节省了库存占地面积，提高了空间利用率。2. 自动存取AS/RS。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，降低了操作人员的工作强度。3. 计算机控制与管理。计算机能够准确无误地对仓库的各种信息进行存储和管理，降低了操作人员的劳动强度。4. 作业效率明显提高。能充分保证先进先出。（FIFO-First In and First Out）的合理作业原则，从时间控制上防止货物堆积而产生的变质、生锈或发霉的情况。5. 节约费用随着经济的高速发展，我国有关行业开始重视立体仓库的研究，对于促进传统观念的转变、提高现代化物流意识，形成新型的商品流通产业等方面均产生了强劲的推动作用。1.1.2 自动化立体仓库的构成自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。它主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统组成，还有与之配套的供电系统、空调系统、消防报警系统、称重计量系统、信息通信系统等。1. 货物储存系统本系统由立体货架的货位(托盘或货箱)组成。货架按照排、列、层组合而成立体仓库储存系统。2. 货物存取和传送系统本系统承担货物存取、出入库的功能，它由有轨或无轨堆垛机、出入库输送机、装卸机械等组成。出入库输送机可根据货物的特点采用带输送机、机动辊道、链传动输送机等，主要将货物输送到堆垛机上下料位置和货物出入库位置。3. 控制和管理系统中央控制计算机是自动化立体仓库的控制中心，它沟通并协调管理计算机、堆垛机、出入库输送机等的联系；控制和监视整个自动化立体仓库的运行，并根据管理计算机或自动键盘的命令组织流程，以及监视现场设备运行情况和现场设备状态、监视货物流向及收发货显示，与管理计算机、堆垛机和现场设备通信联系，还具有对设备进行故障检测及查询显示等功能。1.1.3 巷道式立体仓库控制系统巷道堆垛机是立体仓库成套设备中的主机，是一种在轨道上运行的起重机械，它能在三维空间上（行走、升降、两侧向伸缩）按照一定的顺序组合进行往复运动，以完成对集装单元或拣选货物的入库、出库和倒库功能。从功能上堆垛机可以分为以下几部分：三维动作控制即控制在水平、垂直、左右方向的运行；位置控制即堆垛机的在货架的定位；通讯功能即堆垛机与上位机和其他仓库设备的通讯；保护报警功能即提供各种电机保护，保证堆垛机运行安全；人机界面功能即通过人机界面向操作人员提供堆垛机的状态信息。从机构上堆垛机一般由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本设备组成。运行机构与起升机构使堆垛机到达指定货位，载货台及货叉伸缩机构与起升机构组合完成存取作业。从结构形式上来看，目前立体仓库堆垛机有双立柱结构和单立柱结构。1. 双立柱堆垛机。双立柱结构的堆垛机机架由两根立柱和上横梁、下横梁组成一个长方形框架。双立柱堆垛机的最大优点是强度和刚性都比较好，并且运行平稳。一般对于起重高度较高、起重量较大和水平运行速度高的立体仓库堆垛机多采用双立柱结构。2. 单立柱堆垛机。单立柱结构的堆垛机机架由一根立柱和下横梁组成。它不适于起重重量大和水平运行速度高的场合。1.2 自动化立体仓库的发展现状和趋势自动化技术在仓储领域中的发展可分为五个阶段：人工仓储阶段、机械化仓储阶段、自动化仓储阶段、集成化仓储阶段和智能自动化仓储阶段。在 20 世纪 90 年代后期及21世纪的若干年内，智能自动化仓储将是自动化技术的主要发展方向。下面介绍以下各个发展阶段的技术特点：第一阶段：物资的输送、存储、管理和控制主要是由人工操作，其优点是实时性和直观性。人工仓储技术在初期设备投资的经济指标也具有优越性。第二阶段：物料可以通过传送带、工业输送车、机械手、吊车、堆垛机和升降机来移动和搬运，用货架托盘和可移动货架存储物料，通过人工操作机械存取设备，用限位开关，螺旋机械制动和机械监视器等控制设备的运行。机械化满足了人们对速度、精度、高度、重量、重复存取和搬运等要求。第三阶段是自动化仓储技术阶段：自动化技术对仓储技术的发展起了重要的推动作用。在 20 世纪 60 年代，相继研制和采用了自动导引小车(AGV)、自动货架、自动存取机器人、自动识别和自动分拣等系统。20 世纪 70 年代和 80 年代，旋转式货架、移动式货架、巷道式堆垛机和其他搬运设备都加入了自动控制的行列，但这时只是各个设备的局部自动化并各自独立应用，被称为。自动化孤岛。随着计算机技术的发展，工作重点转向物资的控制和管理要求实时、协调和一体化，自动化技术逐渐成为仓储自动化技术的核心。信息技术的应用已成为仓储技术的重要支柱。第四阶段是集成自动化仓储技术阶段：在 20 世纪 80 年代，自动化技术被越来越多地用到生产和分配领域，显然，。自动化孤岛。需要集成化，于是便形成了。集成系统。的概念。在集成化系统中包括了人、设备和控制系统。整个系统的有机协作，使总体效益和生产的应变能力大大超过各部分独立效益的总和。集成化仓库技术作为计算机集成制造系统(CIMSComputer Integrate Manufacturing System)中物资存储的中心受到人们的重视。虽然在 80 年代系统集成化己经引起注意，但至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多。第五阶段是智能自动化仓储技术：人工智能技术的发展，使自动化技术向更高级的阶段智能自动化方向发展。现在，智能自动化仓储技术已经有了较快发展，未来仓储技术的智能化将具有广阔的应用前景。1.3 主要研究内容及研究意义以研华数据采集卡为计算机测控核心，对巷道式立体仓库输送装置进行控制电路设计，结合同组同学的机械部分设计和测控软件开发，将整个巷道式立体仓库控制系统智能化。巷道式立体仓库输送装置的控制电路结合机电设备，实现巷道式立体仓库输送装置的位置控制，速度控制，电动运行信号检测等。在位置控制方面，在堆垛机工作时，控制系统结合传感器信号和程序以实现堆垛机的认址功能。具体在设计过程中分析不同种类的认址方式，比较其优缺点，选择切实可行，高效节约的方案。在速度控制方面，控制系统运用变频调速原理，对堆垛机在水平、起升、货叉方向实现比较精确的速度控制，以达到堆垛机高速运行、换速平稳、低速停准的要求。在信号检测方面，控制系统结合变频器自身的检测功能，将检测到的电动机运行信号反馈至数据采集卡，实现整个控制系统的优化。此外，还综合考虑巷道式立体仓库的实际工作情况，增加检测装置对堆垛机工作中的极限位置，起始原点，货叉原点进行设计，确保立体仓库能准确地进行存货，取货工作。整个设计联系实际，利用数据采集卡，在巷道式立体仓库输送装置的控制电路方面进行研究，对立体仓库的建造和维护具有一定的参考价值。该套控制系统能够实现货物的自动存取，运行速度快，提高了劳动生产率，降低了工作人员的劳动强度，合理减少库存，加快了企业资金周转。第2章 巷道式立体仓库的总体方案堆垛机具有三大机构：运行机构、起升机构、货叉伸缩机构。欲实现整个系统高效的自动化运行，主要是对堆垛机进行精确快速的位置、速度控制，达到以适当的速度向空闲储货单元取货，从目的储货单元取货的工作过程。在堆垛机工作过程中，运行机构与起升机构使堆垛机运动至达目标货位；货叉伸缩机构与起升机构组合完成存取货物。这三大机构是由堆垛机控制系统控制的。因为堆垛机是在狭长的巷道中运行，两边是固定货架，堆垛机要在货架中左右伸缩取货、放货，为使堆垛机能准确存取货物，避免机械碰撞，在设计堆垛机的自动控制系统时，关键在于其准确可靠的认址和定位，保证准确无误地定位在目的货格。本文中巷道式立体仓库的自动控制系统，以能发出操控命令的计算机电脑作为上位机，能实现数据采集和控制输出的数据采集卡作为下位机，结合各机电设备实现巷道式立体仓库输送装置的位置控制，速度控制，电动运行信号检测等。2.1 巷道式立体仓库主要参数设计货架和巷道式堆垛机是巷道式立体仓库的主要组成部分，现对货架和巷道式堆垛机进行具体参数设计。2.1.1 立体仓库货架参数托盘是用于集装、堆放、搬运和运输的放置作为单元负荷的货物和制品的水平平台装置，现已广泛应用于生产、运输、仓储和流通等领域。托盘的尺寸标准是物流单元化重要的标准。目前，全世界主要的工业国家都有自己的标准托盘，但所用尺寸各国不同。每个国家都希望自己国内已普遍使用规格成为国际标准，以便在国际经济交流中更为有利。国际标准组织无法统一，只能接受既成事实，做到相对统一。中国联运通用平托盘主要尺寸及公差国家标准（GB/T2934-1996）。目前套用原ISO规定的4种并列的标准，即1200800，12001000，12191016，11401140（单位均为mm）。在本课题中选用尺寸为12001000，如图2-1所示。图2-1 标准12001000托盘仓库的货架采用焊接结构，为两排，每排30列，每列16层，共有货位960个。每个货位可存储单元重量为0.6，共可存储货物576。货架相关具体参数如下：货架整体尺寸：长宽高=40000120013000（）；储货单元尺寸：长宽高）；总装货物重量：960单元货位0.6=576。2.1.2 堆垛机的构成及参数（400）1. 堆垛机的构成本文巷道式立体仓库的堆垛机由机架即车身、运行机构、起升机构、载货台及货叉伸缩机构、和电气系统五部分组成，如图2-2所示。堆垛机的机架是由上横梁、下横梁和立柱组成的一个框架。整个机架结构高而窄。机架采用双立柱结构，由两根立柱和上、下横梁组成一个长方形的框架。堆垛机的运行机构和运行的车轮安装在下横梁上。运行机构采用两个承重轮地面驱动式，沿地面轨道运行。在堆垛机顶部有两组水平轮沿天轨（在堆垛机上方辅助其运行的轨道）导向。堆垛机的起升机构是由卷筒或链轮和减速电机、以及柔性件组成，常用的柔性件有钢丝绳和起重链等。载货台主要由动滑轮、货叉、断绳保护装置组成，在载货台两侧安装安全保护装置，台面上安装货叉。货叉主要由电机减速器、链轮、链连接装置、叉板、活动导轨、固定导轨、辊轮轴承和一些定位装置组成。图2-2 有轨巷道堆垛机堆垛机的机架是由上横梁、下横梁和立柱组成的一个框架。整个机架结构高而窄。机架采用双立柱结构，由两根立柱和上、下横梁组成一个长方形的框架。堆垛机的运行机构和运行的车轮安装在下横梁上。运行机构采用两个承重轮地面驱动式，沿地面轨道运行。在堆垛机顶部有两组水平轮沿天轨(在堆垛机上方辅助其运行的轨道)导向。堆垛机的起升机构是由卷筒或链轮和减速电机、以及柔性件组成，常用的柔性件有钢丝绳和起重链等。载货台主要由动滑轮、货叉、断绳保护装置组成，在载货台两侧安装安全保护装置，台面上安装货叉。货叉主要由电机减速器、链轮、链连接装置、叉板、活动导轨、固定导轨、辊轮轴承和一些定位装置组成。堆垛机的机架是由上横梁、下横梁和立柱组成的一个框架。整个机架结构高而窄。机架采用双立柱结构，由两根立柱和上、下横梁组成一个长方形的框架。堆垛机的运行机构和运行的车轮安装在下横梁上。运行机构采用两个承重轮地面驱动式，沿地面轨道运行。在堆垛机顶部有两组水平轮沿天轨(在堆垛机上方辅助其运行的轨道)导向。堆垛机的起升机构是由卷筒或链轮和减速电机、以及柔性件组成，常用的柔性件有钢丝绳和起重链等。载货台主要由动滑轮、货叉、断绳保护装置组成，在载货台两侧安装安全保护装置，台面上安装货叉。货叉主要由电机减速器、链轮、链连接装置、叉板、活动导轨、固定导轨、辊轮轴承和一些定位装置组成。电气系统主要包括电力拖动、检测、控制和安全保护。在电力拖动方面，目前采用较多的方案是交流变极调速、交流变频调速和可控硅直流调速，涡流调速己很少使用。根据堆垛机的实际工作过程，本文巷道式立体仓库堆垛机的电力拖动系统需要满足高速运行、换速平稳、低速停准三个方面的要求。对堆垛机的控制一般采用可编程控制器、单片机、单板机和计算机等。2. 堆垛机相关参数根据堆垛机在实际工作过程的性能要求，确定其具体工作参数如表2-1所示。表2-1 堆垛机相关参数额定载重量600（）行走速度5-80最大水平行程41停准精度起升，运行货叉起升速度4-12最大提升高度12.5供电方式采用安全防爆滑触线三相四线供电货叉速度4-8货叉作业最大距离1.22.2 位置控制方案定位控制就是确定堆垛机停止在目的货位的功能。具体地，根据安装在堆垛机和货架上的传感器检测的位置信号，输入到下位机数据采集卡，再根据计算机程序得出现在堆垛机的位置信息，进而判断堆垛机是否已经到达目标货位，从而实现堆垛机的认址。2.2.1 认址方案的比较安装在堆垛机上的传感器不断检测位置信息，通过堆垛机控制系统计算并判断是否到位。一般有以下几种位置检测方法：1. 绝对认址：将每一个货位赋予唯一的开关状态，给每个货位制作一个专用的认址片，堆垛机上相应安装一个识别器，通常是二进制编码板（用个光电开关的通断组合为个货位地址）和一组光电开关的组合，通过读取认址片的代码来判断堆垛机的当前位置。这种认址方式编程控制简单且可靠性较高，但是每个位置的认址片不同，结构比较复杂，加工制作、安装调试成本费也较高；当货位较多时需要较多的认址器，增加了由于硬件原因的运行不可靠性。2. 相对认址：相对认址时每个货位的认址片结构相同。堆垛机每通过一个地址都计数一次，就对地址编码进行加1 或减1，一直移动到目的地址为止。这种相对地址的优点是运算电路简单，价格低廉，可靠性高。相对认址方式有多种实现方案。通用的做法是为所有货位制作相同的认址片，堆垛机上安装两只光电开关，当两只开关同时被遮挡即表明堆垛机正对准某一货位，程序中使用计数器记录堆垛机经过的认址片数量，从而实现自动寻址。实际应用中大多采用这种方式。3. 其他认址方法：编码器定位法，激光测距定位法。这两种定位方法的测量精度很高，但是它们都对轨道平直度、震动、堆垛机与天地轨间隙产生的摇摆等因素要求较高，并且激光测距仪的成本较高。2.2.2 认址方案的确定结合本课题中巷道式立体仓库的设计要求和使用要求及实际应用中的定位效果，决定采用光电开关和认址片相结合的相对认址的定位方法。它能够实现堆垛机高速运行与精确定位（起升，运行，货叉）的要求。1. 水平认址堆垛机的水平列定位采用一个光电开关和认址片来定位。为了简化堆垛机控制系统测控软件部分，将堆垛机由原点到目标位置的运动过程设计为先运动至水平目标位置到位后，再启动起升电机，运动至垂直方向的目标货位，由水平目标位置运动回原点时，先启动起升电机，堆垛机运动至第一层，水平方向再向原点运动。因此，水平方向上，只需在每一列货架的第一层安装上一片认址片即可，在堆垛机上安装一个红外光电开关。向水平方向目标位置运行时，光电开关用来计数，由原点运动向水平目标位置时，计数器加1，由水平目标位置运动向原点时，计数器减1。一般的情况下堆垛机是快速运行，当堆垛机运行到距目的地址还差 23 个货位时，由快速均匀减速到中速，以中速继续向前运行，距目的地址还差 1个货位时，由中速均匀减速到慢速向前运行，当堆垛机运动至水平目标位置，光电开关检测到认址片，信号由低电平跳变至高电平传送给数据采集卡，再由数据线将信号传送至计算机，根据程序，计数加1，同时停止水平电机的运行，由于之前堆垛机已经降速，并且在设计电路中加入了能耗制动，所以该方案能实现目标位置精确停车的工作过程，如图2-3所示。（a）堆垛机运动至水平目标位置前（b）堆垛机运动至水平目标位置，光电开关被遮光，停车实现水平定位图2-3 水平认址过程堆垛机由目标位置运动向原点的过程中，停车和由原点到目标位置的运动不完全相同。光电开关检测到认址片信号，计数器减1，当堆垛机运动至水平方向第一个货位时，减速继续向前行驶，运动至作为原点的开关时停止运动。2. 垂直认址堆垛机在垂直方向上的层定位与水平方向相同，也是使用认址片与光电开关来定位。在堆垛机的立柱上与各层相对应的位置安装认址片，由安装在与载货台上的光电开关检测来定位。在定位方式上，垂直方向上与水平方向有所区别，因为每个货格都有高位、低位两个位置。高位为放货开始伸叉或取货完毕收叉的位置，低位为取货开始伸叉或放货完毕收叉的位置。为使货叉能顺利完成作业，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。垂直方向的定位由载货台上的光电开关和货架上的认址片实现。根据高低位的工作要求，在载货台上安装两个光电开关，货架上安装一个认址片就可以实现高地位的定位，但是由于两个光电开关定位精度不高，所以在本设计中选用在载货台上安装三个光电开关，货架上安装一个认址片实现垂直方向认址、定位的方案。其安装的相对位置与认址片的关系如图 2-4 所示。（a）高位定位（b）低位定位图2-4 层定位三光电开关分布图光电开关A2，A3 用来定位货叉高位，A1，A2 用来定位货叉低位。这三个光电开关在垂直方向升降运行时，在其停高位和停低位时所起的作用不同，见下表 2-2，以取货为例，当堆垛机的货叉低于目的位置时，载货台上升，当 A1 进入目的认址片时计数器加1,Al 进入目的层认址片后，堆垛机开始减速，以低速运行，当 A2 进入认址片停车。当货叉位置高于目的地址时，载货台下降当A2 进入认址片，计数器减1,A2 进入目的层认址片时，开始减速，Al 进入认址片，停车。表2-2 三开关层定位信号状态上升下降光电开关状态高位定位低位定位光电开关状态高位定位低位定位Al计数、减速运行A2计数、减速运行Al A2定位、停止A2 A1定位、停止A2计数、减速运行A3计数、减速运行A2 A3定位、停止A3 A2定位、停止2.3 速度控制方案为了节省堆垛机工作时间，提高工作时间，自动控制系统需要对堆垛机进行较为精确的速度控制，采用交流变频调速方案。2.3.1交流异步电机变频调速原理变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的，当在定子绕组接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气间隙内会产生一个同步转速为N的旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，转子绕组在旋转磁场作用下切割磁力线产生感应电势，出线感应电流。感应电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，是电机转动起来。 （2-1）式中 三相交流电频率，一般为50Hz；为磁极对数。由式（2-1）可知磁极对数越多，转速N就越慢。转子的实际转速n比磁场的同步转速N要慢，这就是异步电机的特性，这个差别用转差率s表示： （2-2）加上电源转子未转动瞬间，这时；启动后的极端情况，则，即s在0-1之间变化。综合上述两式可得： （2-3）由式（2-3）可以看出，电机磁极对数对于电机而言已经是确定不变的，转差率s变化不大，则电机转速与电源频率成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机同步转速进而达到异步电机调速的目的。根据堆垛机工作要求，选择适当型号的变频器、三相交流异步电机，设计出合理的控制电路，就可以组成交流变频调速系统，完成运行电机、起升电机、货叉电机的调速要求。2.3.2 堆垛机速度控制曲线设计本文堆垛机的水平速度、起升速度、货叉速度均采用变频调速控制，三个方向运动控制曲线如下：1. 水平运动水平运动设定四种速度，如图 3-5 所示。根据当前列数与目地列数的比较，程序进行判断和频率调节，从而达到水平方向上的精确定位。图3-5 水平速度控制曲线：堆垛机从静止到 80m/min 所用的加速时间；：堆垛机运行在 80m/min(最高速度)时间，由当前列数与目地列数之间的比较得来；：堆垛机从 80m/min 切换到 40m/min 所用的减速时间；：堆垛机运行 40m/min 时间；：堆垛机从 40m/min 切换到 16m/min 所用的减速时间；：堆垛机运行在 16m/min 时间；：堆垛机从 16m/min 切换到 5m/min 所用的减速时间；：堆垛机运行在定位频率时间。：堆垛机定位时的减速时间。2. 起升运动起升设定三种速度，如图 3-6 所示。根据当前层数与目地层数的比较，程序进行判断和频率调节，从而达到垂直方向上的精确定位。图3-6 起升速度控制曲线：载货台从静止到 10m/min 所用的加速时间；：载货台运行在 10m/min (最高速度)时间，由当前层数与目地层数之间的比较得来；：载货台从 10m/min 切换到 5m/min 所用的减速时间；：载货台运行 5m/min 时间；：载货台从 5m/min 切换到 2m/min 所用的减速时间；：载货台运行在 2m/min 时间；：载货台定位时的减速时间。3. 货叉运动货叉速度设定两种速度，如图 3-7 所示。因为每个储货单元的尺寸是相同的即货叉每次运动的路程是不变的，则每次工作时，通过程序计时来控制货叉不同速度运动的时间即可，不再需要额外的传感器。图3-7 货叉速度控制曲线：货叉从静止到 10m/min 所用的加速时间；：货叉运行在 10m/min 时间，同货叉的最大行程来确定时间：货叉由 10m/min 减到 4m/min 的减速时间；：货叉 4m/min 运行时间；：货叉定位时的减速时间。2.4 信号检测方案堆垛机运行过程中控制系统需要检测的信号主要有原点检测、货物检测、货叉到位检测、电机运行状况信号检测。这些检测信号是堆垛机自动控制系统所必需的，它们由数据采集卡输入端传入，再经数据线将信号传送至工控计算机，程序再根据这些信号判断堆垛机不同的运行状态和位置，得出下一步运行指令，进而指导、控制堆垛机的工作过程。根据堆垛机的工作要求，选用行程开关作为原点检测和货叉相关检测元件，电机运行状况信号由变频器输出端电机反馈信号提供即可。第3章 数据采集卡的选型堆垛机控制系统要完成堆垛机的自动运行工作的功能，各种相关实时信号的采集是极其重要的。完成数据采集，发出具体的控制信号就要用到数据采集卡，所以数据采集卡是整个堆垛机控制系统的核心组成部分。3.1 数据采集卡简介数据采集(Data Acquisition,简称DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。例如，在一些工业现场中，设备长时间运行容易出现故障，为了监控这些设备，通常利用数据采集装置来采集它们的运行状态并送给工控计算机，通过运行在工控计算机上的特定软件对这些数据进行分析，以此判断当前运行设备的状况，进而采取相应措施。该设计就是一个典型的基于工控计算机的数据采集系统。数据采集卡(Data Acquisition Card,简称DAC)，即实现数据采集功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。例如，设计所采用的数据采集卡就是通过计算机的USB接口同计算机实现通信的。目前，数据采集卡，绝大多数集中在模拟量、数字量、热电阻、热电偶等信号采集领域。其中模拟量采集卡和数字量采集卡使用最为广泛。虽说是采集卡，但实际应用中数据采集卡经常需要输出控制信号。同样，输出的控制信号又分为模拟量和数字量，因此数据采集卡的输出端口分为了模拟量输出（Analog Output ，简称AO）及数字量输出（Digital Output,简称DO）。在设计中，只有数字量信号的采集，输出的控制信号也只需要数字信号，因此在设计中选用了只有数字量输入和数字量输出功能的数据采集卡。图3-1 PCI接口的数据采集卡图3-2 USB接口的数据采集卡3.2 数据采集卡的选择对数据采集卡的分类，按照接口来说，有ISA、PCI、USB等。按照输入/输出信号类型分，有模拟量的数据采集卡、数字量的数据采集卡、多功能数据采集卡等。除了了解数据采集卡的分类之外，数据采集卡的选择还必须综合考虑。在选取数据采集卡时，通常考虑以下参数：1. 总线类型。目前应用较广的总线结构包括PCI、PXI、USB、ISA等，不同的总线具有不同的传输速度、电气特性、结构尺寸、配置过程等，用户要根据自己所需的特性来选择。选择数据采集卡接口类型时，不仅要考虑所用计算机的接口类型还要考虑接口本身的优劣，比如ISA接口的数据采集卡一般是不常用的，因为随着计算机产品本身的更新换代，具有ISA接口的计算机已经很少见了；PCI接口的数据采集卡与工控计算机的连接需要将工控计算机主机箱打开，插在PCI插槽上，过程较为繁琐；USB接口的数据采集卡可经USB 电缆直接连入计算机，同时它也具有体积小、即插即用、传输速度快、便携等特点，因此USB接口的数据采集卡使用也相当广泛。因此，在本设计中选用USB接口的数据采集卡。2. 模拟量（数字量）输入/输出通道数。根据整个系统的总体方案确定所需的输入/输出通道个数，确定模拟量输入端的接线方式（单端或者差分），选择数据采集卡。本设计中共需16个数字量输入通道和14个数字量输出通道。3. 采样频率。所谓采样频率是指数据采集卡一秒钟采集数据的次数。根据耐奎斯特采样理论，采样频率必须是信号中最高有效频率的两倍以上，否则会产生信号混叠现象。因此需要根据所采集信号的频率来选择数据采集卡。数据采集卡的频率通常在几K到几百K，甚至几M、几百M不等，但数据采集卡的价格往往随采样频率的增加大幅度提高，因此在符合耐奎斯特采样理论的前提下，应尽量选用采样频率适中的数据采集卡。4. 分辨率。数据采集卡分辨率用ADC（Analog to Digital Converter,模数转换器）的数字bit位数表示。例如设计所选用的USB-4750数据采集卡的ADC位数为32，所以它的分辨率就是。分辨率越高，即ADC的位数越多，输入信号的细分程度就越高，能够识别的信号变化量就越小。5. 量程，即数据采集卡允许输入信号的范围。在确定了ADC分辨率的情形下，应按照保证信号量化噪声较低，选择一个合适的量程，再通过信号调理将被采集信号调理在这个合理的量程内。当然除了对比数据采集卡的主要参数有时也需要考虑输入阻抗、输出阻抗、单端输入、双端输入等，因此数据采集卡的选择需要相互对比、综合考虑。在设计中，根据总体方案，共需16个数字量输入、16个数字量输出端口，采样频率和精度无严格要求，输入量程为0-5V，因此选用了研华USB-4750数据采集卡（见图3-3）。研华USB-4750是一款功能强大的USB接口的数据采集卡，它有32个隔离数字量输入/输出通道，支持干湿接点，可编程计数器等功能。图3-3 研华USB-4750数据采集卡图3-4 研华USB-4750I/O针脚接口研华USB-4750数据采集卡数字量输入支持干/湿接点。每个数字量输入通道都支持干接点或0-5 VDC的湿接点输入。外部电路内无电压时，干接点性能允许通道对外部电路内的变化（如关闭外部电路内的一个开关）做出响应。图3-5中的外部电路同时含有干、湿接点组件，并作为输入源被连接至模块的一个数字量输入通道。研华USB-4750数据采集卡隔离数字量输出。USB-4750 的8个隔离输出通道都配有复合晶体管。所有8个输出通道共享共集电极和用于电感负载的完整二极管。通道0-7共用COM0、通道8-15共用COM1。如果将外部电压（5-40 V）连接到隔离输出通道，电流将由外部电压源流向模块。请注意流经每个GND 针脚的电流不可超过100 mA。图3-6将外部输出负载连接到模块的一个隔离输出通道。图3-5 研华USB-4750数字量输入连接图3-5 研华USB-4750数字量输出通道连接第4章 信号检测电路的设计信号检测电路所得到的信号作为数据采集卡的输入信号，该部分电路设计是实现堆垛机控制系统的基础。本设计中堆垛机控制系统的信号检测电路包括位置信号检测电路，货物检测电路，原点、货叉到位检测电路，电机运行状况信号检测电路，各检测电路设计的主要任务包括：选择传感器和正确连接传感器与数据采集卡的信号输入电路。选择传感器应注意考虑实际适用性。正确连接信号输入电路，则需要根据所选传感器的输出信号类型，选择传感器是接入数据采集卡的数字量输入端，还是模拟量输入端。4.2位置检测电路在本设计中，堆垛机位置检测采用基于光电开关的相对认址方案。在此前的方案设计中已确定，在货架上第一层每个储货单元的适当位置安装相同的认址片，在堆垛机上对应位置安装一个光电开关以实现水平方向的认址，在货架的每个储货单元安装相同的认址片，堆垛机上对应的位置安装三个光电开关以实现起升方向的认址。4.1.1 光电开关的选型光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它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。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，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。作为光电传感器行业的全球领先者，欧姆龙以其产品的高质量与可靠性而闻名，其新一代光电传感器成为市场上种类最多、可靠易用的同类产品的代表。欧姆龙E3FA/RA系列光电传感器是实现合适功能且具有最佳性价比的机型。欧姆龙E3FA/RA小型圆柱型光电传感器尺寸与外形小巧，安装简单，设定操作简便直观。大而结实的旋钮方便安装人员对传感器进行调节，明亮的大功率红色LED清晰可见，即使在较长距离下也便于进行光轴对齐操作。传感器的LED状态指示灯同样具有较长的可见距离与较大的可见角度，易于对工作状态进行检查（见图4-1）。此外，欧姆龙E3FA/RA系列光电传感器的嵌入式安装选购件令安装过程更顺畅（见图4-2）。图4-1 欧姆龙E3FA/RA系列光电传感器明亮的指示灯图4-2 欧姆龙E3FA/RA系列光电传感器的安装欧姆龙E3FA/RA系列光电传感器具有高可靠性和增强的性能，其中包含对射型、回归反射型和扩散反射型（具有直视型和侧视型两种版本）。E3FA标准系列沿承了欧姆龙产品知广为人知的优秀品质，在可靠性方面高过市场标准，能满足各行各业的多种应用。E3RA系列提供了一个完整系列的侧视型传感器，具有更佳的安装灵活性，可满足特殊需求。根据本设计中堆垛机需要实现的相对认址的要求，选用欧姆龙E3FA/RA系列光电传感器中的直视型E3FA标准系列，又因为需要认址片与光电开关配合实现相对认址，所以选择E3FA标准系列中的回归反射型E3FA-RP11 2M（尺寸图如图4-3所示），认址片选用与E3FA-RP11 2M光电传感器配套的反射板E39-R1S（尺寸图如图4-4所示）。图4-3 光电传感器E3FA-RP11 2M尺寸图图4-4 反射板E39-R1S尺寸图4.1.2 位置检测的电路设计E3FA-RP11 2M光电传感器有两种工作模式:Light-ON和Dark-ON，它们的时序图、动作切换开关及输出电路如表4-1所示：表4-1 E3FA-RP11 2M光电传感器的工作模式表在本设计的堆垛机控制系统中，要实现相对认址的位置检测，就是让光电开关和认址片配合起来，堆垛机上光电开关的信号经过认址片时，输入数据采集卡的信号由低电平变为高电平，传给工控计算机，用程序实现控制，由此设计要求，选用E3FA-RP11 2M光电传感器Dark-ON的工作模式。在位置检测电路中，共需要E3FA-RP11 2M光电传感器4个（水平方向认址1个，垂直方向认址3个），E39-R1S反射板510个（水平方向认址30个，垂直方向认址480个）。因为E3FA-RP11 2M光电传感器需要的供电电压为DC 10-30V，在本设计中选用较为常用的24V直流电源。电路设计如图4-5所示：图4-5 位置检测电路设计4.2 货物检测电路当堆垛机执行工控计算机多发出的存货或取货信号时，首先就需要判断目的货位的储货情况。例如当工控计算机发出到某地址进行存货的信号时，首先应检测该目的货位是否有货物，如果没有货物，则程序顺利向后运行，控制堆垛机实现存货的工作过程；如果有货物，则不能再向该货位进行存货的工作，为避免损坏货架和堆垛机，此时程序会进行报警。同理，当工控计算机发出到某地址进行取货的信号时，首先应检测该目的货位是否有货物，如果有货物，则程序顺利向后运行，控制