仓库管理_立体仓库电控系统研究论文

哈尔滨工程大学 硕士学位论文 立体仓库电控系统研究 姓名：周耀辉 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：王立权;李晶 20060301 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。而堆垛机性 能的优劣，对整个立体库的正常运行起着重要的作用。但就我国现有生产力发 展水平来看，在自动化立体仓库中设计出造价低廉、工作可靠的堆垛机替代 原有仓库的控制和管理，能更加适应某些中小企业要求投资少见效快的目标。 本论文就实现这一目标的堆垛机控制系统进行了设计。 论文依据立体仓库的有关设计参数，对堆垛机电气控制的硬件系统进行 了设计。包括系统控制结构图、堆垛机手动、自动及单机触摸屏控制方式、 红外线信号传输方式及选择光电测距的认址方式，配合使用较为成熟的中低 档型P L C - - S 3 0 0 与$ 2 0 0 ，使整个堆垛机的控制即在性能上满足设计要求，又 符合企业低造价的要求。 论文对交流调速系统的控制方案进行了论述和分析。确定了电机驱动形 式并设置了相应的安全保护措施。为满足堆垛机的速度控制要求，采用矢量 变频技术实现了堆垛机的平滑起动，消除了机械冲击，同时对电机本身起到 了保护作用。对于大吨位、低速运行的堆垛机采用矢量变频调速的半闭环调 速系统，解决了精确定位问题。 论文对堆垛机的软件系统进行了设计，包括变频器的选择型号、参数设 定、调试、P L C 的选型及程序编制。采用现行的现场总线P R O F I B U S 总线技术 解决了数据传输问题，利用S t e p 7 编程软件的结构化编程，同时S 7 一P L C S I M 仿真软件在P L E 硬件组态的情况下，对编制的程序块进行功能测试，缩短了 工程现场调试的时间。 本项研究成果通过实际的运行和调试，堆垛机工作稳定，工作效率提高， 达到了预期控制指标。 关键词：矢量变频；堆垛机；控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 A b s t r a c t I nm o d e m l o g i s t i cw a r e h o u s e ss y s t e m ，a u t o m a t i ch i g h - r i s ew a r e h o u s ew a s w i d e l ya p p l i e d T h ef e a t u r e so fs t a c k e rc m n e w e r et h ek e yp o i n tt ot h ef u n c t i o no f t h eh i g h - r i s ew a r e h o u s e A c c o r d i n gt ot h en a t i o n a le x i s t i n gc u r r e n te c o n o m i c c o n d i t i o n ，t os t u d yo n ek i n do fg r e a tt o n n a g es t a c k e rc o n t r o ls y s t e mw h i c hc o s t i n e x p e n s i v ea n dm o v e ds t a b l ew a su s e f u lt o s o m es m a l lo rm e d i u me n t e r p r i s e s w h o s ea i mW a si n v e s t i n gl e s sw h i l ep r o f i t i n gl o t s T h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h e d e s i g no f s t a c k e rc l a u ec o n t r o ls y s t e m B a s e dO i lt h ep a r a m e t e rr e l a t e dt h eh J i g h - r i s ew a r e h o u s e ，t h i sp a p e rp r e s e n t e d t h eh a r d w a r es y s t e mo fs t a c k e re l e c t r i c a lc o n t r o l ，i n c l u d i n gs y s t e ms t r u c t u r e d r a w i n g , t h es t a c k e rc o n t r o lm o d e ，t h ei n f r a r e ds i g n a l i n gw a y a n dr e c o g n i z et h e s i t ew a yt h ec h o i c e I np a r t i c u l a r $ 3 0 0a n d $ 2 0 0c o o r d i n a t eU S e ，c a u s e dt h ee n t i r e s t a c k e rt h ec o n t r o ln a m e l yt os a t i s f yt h ed e s i g nr e q u e s ti nt h ep e r f o r m a n c e ，a l s o c o n f o r m e dl o wc o s to fc o n s t r u c t i o nr e q u k e m e n tt ot h ee n t e r p r i s e T h e p a p e r h a dc a r r i e dO i lt h ee l a b o r a t i o na n dt h ea n a l y s i se m p h a t i c a l l yt ot h e e x i s t i n gA Cv e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e mc o n t r o lp l a n T h ed r i v ew a yo ft h em o t o r w a sc o n f i r m e d A n da c c o r d i n gt oi t , s o m es e c u r i t ys a f e g u a r d sw e r ea d o p t e d I n n e e do ft h ec o n t r o lt ot h ev e l o c i t yo ft h es t a c k e rc r a n e ，t h ep a r t i c u l a rv e c t o r c o n t r o lt e c h n o l o g yw a sa p p l i e d ，r e a l i z i n gt h es t a c k e rc r a n e ) ss m o o t hs t a r t i n g ， e l i m i n a t i n gt h em e c h a n i c a li m p u l s e , a n da l s op r o t e c t i n gt h em o t o ri t s e l f A tt h e s a m et i m e ，u s i n gt h ev e , c t o rf r e q u e n c yc o n v e r s i o ni nv e l o c i t ym o d u l a t i o n t e c h n o l o g yi nt h ek e yc o n t r o ls o l v e dt h ep i n p o i n t i n gq u e s t i o nr e g a r d i n gg r e a t t o n n a g e ，l O Ws p e e dm o v e m e n t s t a c k e L T h ep a p e rs t a t e dt h es o f t w a r ed e s i g no ft h es t a c k e rc r a n e ，i n c l u d i n gt h e c h o i c eo ft h et r a n s d u c e rt y p e ，t h ee n a c t m e n ta n dt h ed e b u g g i n go ft h ep a r a m e t e r s ， t h ec h o i c eo ft h eP L Ct y p ea n dt h ep r o g r a m m i n g U s e dt h ee x i s t i n gp o p u l a rf i e l d b u sP R O F I B U Sm a i nl i n et e c h n o l o g yW a sav e r y9 0 0 ds o l u t i o nt ot h ed a t a t r a n s m i s s i o nq u e s t i o n T h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g eW a sw i l l f u l l ys e l e c t e d ，w h i c h W a su s i n gt h e S t e p 7p r o g r a m m i n gs o f t w a r ea n dc o n v e n i e n t l yf o r t h ef i e l d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e n g i n c c r i n g A tt h e s a m et i m e , t h eS 7 一P U ：s I Ms i m u l a t i o ns o f t w a r ei nt h e s i t u a t i o nw h i c ht h eP L Ch a r d w a r ec o n n e c t s 。c a r r i e do nt h ef u n c t i o nt e s tt ou s e r s b l o c k , t h i sp o m ta l s oi n c r e a s e di nt h eS U C C E S Sr a t eo ft h ep r o j e c ts c e n ed e b u g g i n g T 1 l er e s e a r c h i n gp r o d u c t i o nw a se x p e r i m e n t e da n dd e b u g g e dp r a c t i c a l l y T 1 l e s t a c k e rw o r k e ds t a b l ea n de f f i c i e n t l y I th a da c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dc o n t r o l l i n g t a r g e t s K e y w o r d s ：v e c t o rf r e q u e n c y ；s t a c k e rc r a n e ；c o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经公开发表的作品成果。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。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：骥 日期：y 形年岁月I ? 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 自动化立体仓库又称立库、高层货架仓库、自动仓储A S R S ( A u t o m a t i c S t o r a g e R e t r i e v a lS y s t e m ) 。它是一种用高层立体货架( 托盘系统) 储存 物资，用电子计算机控制管理和用自动控制堆垛运输车进行存取作业的仓库。 自动化仓库是生产物流的重要组成部分，担负着物资的接受、分类、计量、 包装、分拣配送、存档等多种功能。是实现高效率物流和大容量储藏，适应 现代化生产和商品流通的有效手段。有巷道堆垛起重机是随着立体仓库的出 现而发展起来的专用起重机，通常简称为堆垛机。堆垛机是立体仓库中最重 要的起重运输设备，主要用途是在高层货架仓库的巷道内沿轨道运行，将位 于巷道口的货物存入货格；或取出货格内的货物运送到巷道口，完成出入库 作业。立体库的优势是通过它体现出来的。 1 1 自动化立体仓库概述 1 1 1 自动化技术在仓储领域的发展 1 9 5 9 年美国开发了世界上最早的自动化立体仓库，并在1 9 6 3 年最早使 用计算机进行自动化立体仓库的控制管理。后来德国和日本也相继开发了自 动化立体仓库。进入2 0 世纪8 0 年代，自动化立体仓库在世界各国发展迅速， 使用范围涉及几乎所有行业。 1 9 7 4 年在郑州纺织机械厂建成我国第一座自动化立体仓库，但我国在这 一领域发展速度比较缓慢1 】【2 】。 自动化技术在仓储领域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。 第一阶段人工仓储阶段：物资的运送、存储、管理及控制主要是靠 人工实现，具有初期设备投资经济性好、控制的实时性和直观性等优势。 第二阶段机械化仓储阶段：物料可以通过各种各样的传送带、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。 第三阶段自动化仓储技术阶段：5 0 年代末和6 0 年代，采用自动导 1 哈尔滨T 程大学硕士学位论文 引小车( A G V ) 、自动货架、自动存取机器人、自动识别和自动分拣等系统。 7 0 年代和8 0 年代，旋转式货架、移动式货架、巷道式堆垛机和其他搬运设 备也加入了自动控制的行列。但此时的自动化是各个设备的局部并各自独立 应用，被称为“自动化孤岛”。随着计算机技术的发展，对物料控制和管理的 实时化、协调一体化逐渐成为仓储自动化技术的核心。计算机之间、数据采 集点之间、机械设备的控制器之间以及它们与主计算机之间的通讯可以及时 汇总信息，管理人员通过仓库计算机及时记录订货和到货时间，显示库存量， 以便随时掌握货源及需求。信息技术的应用已成为仓储技术的重要支柱。 第四阶段集成自动化仓储阶段：7 0 年代末和8 0 年代，随着现代工 业生产的发展，柔性制造系统( F l e x i b l eM a n u f a c t u r i n gS y s t e m ) 、计算机 集成制造系统( C o m p u t e rI n t e g r a t e dM a n u f a c t u r i n gS y s t e m s ) 和工厂自动 化( F a c t o r yA u t o m a t i o n ) 对自动化仓库提出更高的要求，搬运仓储技术要 具有更可靠、更实时的信息，工厂和仓库中的物流必须伴随着并行的信息流。 “自动化孤岛”需要集成化，使整个系统有机协作，这样的总体效益和生产 应变能力远远超过各部分独立效益的总和。 第五阶段智能自动化仓储阶段：它包括人工( 或机械) 和自然( 或 人类) 两种方式。内容涉及智能物料储运设计和智能物料储运作业。目前， 人们在人工智能及物料储运领域中的专家系统的技术方面正进行着大量的工 作N i l l 0 1 。 我国自动化仓库正处在不断发展和完善阶段，世界主要工业国家把着眼 点放在开发性能可靠的新产品和采用高技术上。近年来，国内外在建设物流 系统及自动化仓库方面更加注重实用性和安全性。 大型自动化仓库系统已不在是发展方向。美国H a l l m a r k 公司安装的多达 1 2 0 个巷道的系统已达到了顶峰，甚至1 0 2 0 个巷道的系统也不是首选了。 为了适应工业发展的新形势，出现了规模更小、反应速度更快、用途更广的 自动化仓库系统。它是把先进的控制技术应用到分段输送和按预定线路输送 方面，保持了高度的柔性和高生产率，满足了工业库存搬运的需要。 标准的模块式自动化仓库系统已引起人们的关注，这种系统在硬件和软 件方面比传统的根据用户要求而提供的自动化仓库有更多的现成产品，其价 格一般也比较适中。 2 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 国外自动化仓库发展的一个方面是普遍采用扫描技术，提高信息的传输 速度和准确性。采用射频数据通信技术，数据的采集、处理和交换能够在搬 运工具与中央计算机之问快速进行，使物品的存取和发送信息做到快速、实 时、可靠和准确。我国正在发展这方面技术，将其应用到新建库和已建库原 有通信系统以改善仓库管理，提高仓库作业效率。 现在，对自动化仓库系统的要求，与最初因节省土地和节省劳动力而受 到欢迎的情况不同，要求具有控制生产和销售活动的功能，即起到所谓“经 营型仓库”的作用。 1 1 2 自动化立体仓库的分类和构成 ( 1 ) 自动化立体仓库的分类 自动化立体仓库一般有以下几种分类方式： 1 ) 按建筑形式可以分为整体式和分离式 整体式是指货架除了储存货物以外，还可以作为建筑物的支撑结构，就 像是建筑物的一部分，即库房与货架形成一体化结构。 分离式是指储存货物的货架独立存在，建立在建筑物内部。 2 ) 按货物存取形式可以分为单元货架式、移动货架式和拣选货架式 单元货架式是一种最常见的结构，货物先放在托盘或集装箱内，再装入 仓库货架的货位中。 移动货架式是由电动货架组成。货架可以在轨道上行走，由控制装置控 制货架的合拢和分离。作业时货架分开，在巷道中可进行作业；不作业时可 将货架合拢，只留一条作业巷道，从而节省仓库面积，提高空间利用率。 拣选货架式仓库的分拣机构是这种仓库的核心组成部分。它有巷道内分 拣和巷道外分拣两种方式。每种分拣方式又分为人工分拣和自动分拣。 3 ) 按货架构造形式可分为单元货位式、贯通式、水平循环式和垂直旋转 式 单元货位式仓库( 如图1 1 所示) 是使用最广、适用性较强的一种仓库 形式。其特点是货架沿仓库的宽度方向分成若干排，每两排货架为一组，其 间有一条巷道供堆垛起重机或其他起重机作业。每排货架沿仓库纵长方向分 为数列，沿垂直方向又分为若干层，从而形成大量货位，用以储存货物。 贯通式是将个体货架合并在一起，使同一层、同一列的货物互相贯通， 3 哈尔滨下程大学硕士学位论文 形成能依次存放多货物单元的通道。在通道一端，由一台入库起重机将货物 单元装入通道，而在另一端由出库起重机取货。根据货物单元在通道内移动 方式的不同，贯通式仓库又可进一步分为重力式货架仓库和梭式小车货架仓 库。 图1 1 单了c 货位式仓厍 水平循环货架仓库是指货架本身可以在水平面内沿环形路线来回运行的 仓库。它适用于小件物品的拣选作业。 垂直旋转货架仓库与水平循环货架仓库相似，只是把水平面内的旋转改 为垂直面的旋转。这种货架也可用于储存小件物品。 4 ) 按作用可以分为生产性仓库和流通性仓库 生产性仓库是指工厂内部为了协调工序和工序、车间和车间、外购件和 自制件物流不平衡而建立的仓库，它能保证各生产工序间进行有节奏的生产。 流通性仓库是一种服务性仓库，它是企业为了调节生产厂和用户问的供 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 需平衡而建立的仓库。这种仓库迸出货物比较频繁，吞吐量大，一般都和销 售部门有直接联系。 5 ) 按自动化仓库与生产连接的紧密程度可分为独立型、半紧密型和紧密 型仓库 独立型仓库也称为“离线”仓库，它是指从操作流程及经济性等方面来 说都相对独立的自动化仓库。这种仓库一般规模比较大，存储量较大，仓库 系统具有自己的计算机管理、监控、调度和控制系统。独立型仓库又可分为 存储型和中转型仓库。 半紧密型仓库是指它的操作流程、仓库的管理、货物的出入和经济性与 其他厂( 或部门、或上级单位) 有一定关系，但又未与其他生产系统直接相 联。 紧密型仓库也称“在线”仓库，它是那些与工厂内其他部门或生产系统 直接相联的立体仓库，两者间的关系紧密。 ( 2 ) 自动化仓库的构成 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。立体货架机械结构可分 为分离式、整体式和柜式三种，其高度分为高层货架( 1 2 m 以上) 、中层货架 ( 5 1 2 m ) 、低层货架( 5 m 以下) 。按货架形式分为单元货架、重力货架、活 动货架和拣选货架等。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。 堆垛机又称搬运车，其结构形式多种多样，通常可分为单柱、双柱结构； 有轨、无轨结构；有入、无人操作；入控、P c 控制、遥控等方式。行走动力 有电力、电瓶、内燃动力等；其运动方式有直线运动和回转运动，合起来可 以有四个自由度，也有多达六个自由度。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。装卸机械承 担货物出入库装车或卸车的工作，一般由行车、起重机、叉车等装卸机械组 成。 3 ) 控制和管理系统 本系统一般采用计算机控制和管理，视自动化立体仓库的不同情况，采 取不同的控制方式。自动化程度较高的立体仓库其控制系统采用集中控制、 分离式控制和分布式控制，即由管理计算机、中央控制计算机和堆垛机、出 入库输送机等直接控制的可编程序控制机械组成控制系统。 管理计算机是自动化立体仓库的管理中心，承担入库管理、出库管理、 盘库管理、查询、打印及显示、仓库经济技术指标计算分析管理功能，它包 括在线管理和离线管理。 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。 直接控制是P L C 操作的单机自动控制器，它直接应用于堆垛机和出入库 输送的控制系统，实现堆垛机从入库取货送到指定的货位，或从指定的货位 取出货物放置到出库取货台的功能。 1 ，2 堆垛机简介 1 2 1 堆垛机的发展 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来搬运货物。1 9 6 0 年左右在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的导轨 上行走，利用货架上部的导轨防止倾倒，或者是在上部导轨上行走，利用地 面导轨防止倾倒。1 9 6 7 年日本开始安装了高度2 0 2 5 m 高层堆垛机，1 9 6 9 年出现了联机全自动化仓库。1 9 7 3 年建成了世界上第一座一4 0 。C 的极低温用 于贮藏生鲜食品的自动化冷藏库，解决了低温条件下堆垛机的可靠性和技术 方面的问题，巷道式堆垛机随之逐渐的取代了桥式起重机。我国是在7 0 年代 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 初期开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。据不完全统计，目前我国已建 成的立体仓库近三百座，其中全自动的立体仓库有3 0 多个。 1 。2 2 巷道式堆垛机的技术现状 按现行机械行业标准，有轨巷道式堆垛机分类方式很多，如按支承方式、 用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。无论何种类型的堆垛机一般都由 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部分 组成。在目前立体仓库应用中，堆垛机最常见的是按结构形式和运动轨迹分 类。 ( 1 ) 有轨巷道堆垛机的结构形式 按结构形式可分为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、下横梁组 成一个长方形框架。立柱形式有方管和圆管。方管兼作起升导轨，圆管附加 起升导轨。双立柱堆垛机的起升机构普遍采用链条传动，由电机减速机驱动 链轮转动，通过链条牵引载货台沿立柱或起升机导轨作升降运动。由于链条 牵引载货台或配重装置，受空间尺寸限制，传动和布置较复杂，但定位较准 确。双立柱堆垛机的最大优点是强度和刚性都较好，且运行平稳。适合起重 高度较高、起重量较大和水平运行速度高的堆垛机。 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。 立柱多采用较大的H 型钢或焊接制作，立柱上附加导轨。单立柱堆垛机的起 升结构，普遍采用钢丝绳传动，由电机减速器驱动卷筒转动，通过钢丝绳牵 引载货台沿立柱或起升导轨作升降运动。对于钢丝绳传动，传动和布置相对 容易，但定位准确性差。单立柱结构的堆垛机整机重量轻，消耗材料少，故 制造成本低，但刚性较差。由于载货台及货物对立柱的偏心作用，以及行走、 制动时产生的水平惯性力作用，使单立柱堆垛机在使用上有一定的局限性。 ( 2 ) 有轨巷道堆垛起重机的运行轨迹 堆垛机水平驱动装置一般安装在堆垛机下横梁上，通过电机减速机驱动 车轮转动，使堆垛机沿水平方向运行。采用两个承重车轮，沿敷设在地面上 的轨道( 地轨) 运行。通过下部两组水平轮沿轨道运行导向，在堆垛机顶部 两组导向轮沿上轨道( 天轨) 运行辅助导向。 一按其运行轨迹形式可分为直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机。 7 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 1 ) 直线运行型堆垛机：它只能在巷道内直线轨道上运行，不能自行转换 轨道。转换轨道只能通过其它输送设备，如堆垛机转运车。直线型堆垛机可 实现高速运行，能够满足出入库频率较高的立体仓库作业，应用最为广泛。 2 ) 蓝线运行型堆垛机：它的车轮与下横梁是通过垂直轴铰接的，能够在 环形或其它曲线轨道上运行，即可以走曲线，不通过其它输送设备便可以从 一个巷道自行转移到另一个巷道，又称为转轨堆垛机。此种堆垛机的转弯半 径受到场地的限制，且转弯时速度特别慢，只适用于出入库频率较低的立体 仓库。 ( 3 ) 堆垛机动态性能现状 体现堆垛机动态性能优劣的指标主要有：运行速度、提升速度、货叉速 度、平稳性、振动与噪音、认址精度等。随着科学技术的不断进步，自动化 立体仓库的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断提高。例如，堆垛 机的运行驱动己由2 0 世纪7 0 年代的子母电动机改为变频调速，速度由5 5 0 m m i n 提升至4 1 6 0 m m i n ，国外小载重量的堆垛机最高可达3 0 0 m m i m 提升驱动已由2 0 世纪7 0 年代的双速电动机改进为变频调速，速度由4 1 6 m m i n 提升至O 2 5 m m i n ；货叉运行也由单速电动机驱动改进为变频调速， 速度由8 m m i n 提升至4 3 5 m m i n ：在堆垛机自动控制方面还采用了激光测 距定位系统、闭环控制变频调速系统、P r o f i b u s 总线控制等先进技术。尽管 如此，目前国产堆垛机的运行速度最高仍保持在1 6 0 m m i n ，由于整机刚度低， 无隔振减振措施，运行摆动幅度大；提升速度在O 8 0 m m i n ；货叉速度一直 保持在0 3 0 m m i n ：认址采用光电探测，精度不足，认址差错率高。 根据市场预测，传统技术制造的2 0 世纪7 0 年代水平的堆垛机将被淘汰， 高速度、高科技含量的新型堆垛机将迅速占据市场。我国堆垛机综合性能急 待改善。根据物流设备发展趋势，针对近几年用户的反映，结合国内外技术 现状及发展情况等有关情报资料分析，找出我们存在的主要差距为：综合 性能差距，主要体现在运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、振动和噪 音；o 结构的差距：国外产品结构合理，比较精巧，我国产品结构相对笨重。 l l I 1 2 ，3 堆垛机的发展趋势 随着我国加入W T O ，加快了经济全球化迸程，进一步促进了物资流通， 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 货物储运发送量越来越大。可以预测，今后市场对仓储物流设备的需求量将 有更大幅度的增长，而且将在存取率、自动化程度、信息化程度等方面提出 更高的要求。为实现物流的高效率，必须提高堆垛机的存取速度。要求堆垛 机的运行速度达到1 6 0 2 0 0 m m i n 以上、运行平稳可靠、认址准确、起动制 动灵敏、运行振动小、噪音低于8 4 d B 等综合性能的提高，需要多项技术的创 新和改进，更需要新技术的支持。相信通过我们的不懈努力，在使用堆垛机 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。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， 使有轨巷道堆垛机发展到一个新阶段。 1 3 课题来源与研究意义 立体仓库电控系统研究这一课题来自于沈飞电子科技发展有限公司 为某飞机制造公司数控厂设计的立体仓库项目。由于该飞机制造公司现有的 仓库无法满足目前仓储的需求，为进一步节省库存占地面积，有效地利用仓 库储存能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，使企业物流 更趋合理化而要求设计本立体仓库。诣在通过该立体库提高空间利用率，降 低操作人员的劳动强度，从而提高仓库的管理水平，提高了劳动生产率。 限于该公司现有的经济条件，急需研究一种成本低廉，运行稳定的大吨 位堆垛机控制系统。由于所要堆放的货物皆是吨位较大的数控刀具，造成堆 垛机的惯性大，其速度控制是要解决的难点问题。所以，成功的研制这类的 堆垛机的电控系统，利用P L C 开发周期短，费用低，现场稳定性好，改写容 易且维护方便等特点，并将s 7 2 0 0 型P L C 的低端产品引入堆垛机控制系统， 来实现高端性能是对堆垛机P L C 控制这一领域的新尝试。 1 4 课题主要研究内容 本文基于对立体库电气控制系统的研究，通过对比堆垛机运行自动控制 系统，主要利用矢量变频调速方法及P L C 控制技术，建立一套完整的堆垛机 电气控制系统，具体包括以下内容： ( 1 ) 位置控制 利用高性能矢量变频器解决大吨位堆垛机的定位问题；确定认址方式为 相对认址方式。 ( 2 ) 通讯功能 9 哈尔滨T 程大学硕士学位论文 用P r o f i b u s - D P 网络通讯实现P L C 间的高速数据传输；利用红外通讯单 元实现抗干扰性强的无线数据传输问题。 ( 3 ) 人机界面 利用本机触摸屏解决网络出现故障时不能单机自动操作的问题。 ( 4 ) 软件程序设计 编制P L C 程序并调试。 ( 5 ) 变频器的选择及调试 通过调整变频器频率段数、充分利用多种不同加减速时间等参数的设定， 来实现堆垛机快速平稳的运行，将大部分速度控制由P L C 处理转向由变频器 内部处理。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章立体仓库控制系统总体方案 2 1 控制系统总体方案 2 ，1 1 立体仓库概况 所设计的立体仓库基本参数： ( 1 ) 货架 小巷道货架：长宽高= 4 2 0 0 0 X 2 7 0 0 1 4 2 0 0 ( r a m ) 大巷道货架：长宽高= 4 3 9 8 0 X 3 9 0 0 X1 4 2 0 0 ( m m ) 单元存货尺寸：( 含托盘或货箱) 小巷道：( 1 9 ) 层1 6 7 0 8 0 0 7 3 0 m ( 1 0 1 7 ) 层 1 6 7 0 8 0 0 5 3 0 m m 1 2 0 列 总装货物重量：6 8 0 单元货位2 0 0 0 K g = 1 3 6 0 t 大巷道：( 1 7 ) 层4 2 0 0 X1 2 0 0 X 9 3 0 m m ( 8 1 3 ) 层4 2 0 0 1 2 0 0 6 3 0 m m l 8 列 总装货物重量：1 0 8 单元货位3 0 0 0 K g = 6 2 4 t ( 2 ) 堆垛机 小垛机，大垛机 提升重量：2 0 0 0 K g ( + 1 0 ) ，3 0 0 0 K g ( + l O ) 数量：2 0 0 0 K g ( + l O ) 1 台；3 0 0 0 K g ( + 1 0 ) 1 台 2 1 2 交流变频调速系统的控制方式 随着电力电子电路的新型电路变换器的不断出现，现代控制理论向电气 传动领域的渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，使拖动堆垛 机的交流电机变频调速从电压频率比值恒定控制法、转差频率控制法发展到 矢量控制法，使交流电机实现了瞬时转矩的控制，可完成加速度、速度和位 置等各种控制。交流电机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。 交流变频控制方法主要有：相位控制、V V V F ( 变压变频) 控制、滑差频 率控制、P 删( 脉宽调制) 控制、直接转矩控制、矢量控制、磁场定向控制和 微机控制。为取代直流调速，提高控制性能并降低成本，各种变压变频控制 1 1 哈尔滨工程大学硕七学位论文 技术得到了很大发展，新的控制技术也不断涌现。根据调速要求来配合控制 方式，得到所需的变频调速系统。常见的调速系统有： ( 1 ) 转速开环电压频率控制 根据异步电动机的转速公式： n ：( 1 - s ) n l = ( 1 - s ) 6 0 f p 式( 2 一1 ) 式中，s 为转差率：n 。为同步转速；f 。为电源频率；P 为极对数。 由式( 2 1 ) 可见，只要均匀的改变电源频率f l ，就可以平滑地改变电机的 同步转速n l ，从而电机的转速n 也随之改变。三相异步电机定子每相电动势 的有效值是： U 。E l = 4 4 4 f ，N 。k o m式( 2 2 ) 式中，N I 为定子每相绕组串联匝数；k 为基波绕组系数；o m 为每极气 隙磁通量。 为保持磁通d p m 恒定，在基频以下调速时，需协调控制E I 和f i ，而感应电 动势E J 是难以直接控制的。当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻 抗压降，那么，定子相电压u 。a E ，得u 。f l _ 常值，这就是恒压频比v F 控制 方式。低频时，E 。较小，定子绕组的漏磁阻抗压降所占比例增大，不能忽略， 这时可人为地提高u l ，以便近似的补偿定子压降，获得更为理想的调速性能。 故又称为电压补偿或转矩补偿。对于变动负载采用v F 控制法时，电动机磁 路的饱和程度将随着负载的变化而变化，这个缺点使它难以和直流电机相比。 转速开环变频调速系统采用这种控制方式，其特点是结构简单，成本较 低，但调速系统的动、静态性能都不高。适用于不要求快速调节和高动态性 能，调速要求不高的一般交流调速场合。m ( 2 ) 转速闭环转差频率控制 转速闭环控制能改善稳态性能，只有对转矩进行控制才能提高系统的动 态品质。转差频率控制就是在气隙磁通幅值保持恒定的条件下( 基频以下调 速) ，通过控制转差角频率。达到控制转矩的目的。在动态过程中系统能够以最 大转矩加、减速，保证了在允许条件下的快速性，系统的动态性能得以提高。 转速闭环转差频率控制系统的动、静态性能较转速开环电压频率控制系 统的性能有很大提高。但其基本控制规律还是从电动机的数学模型中得到的， 保持气隙磁通幅值不变也只在稳态时成立，与直流调速系统相比，仍存在一 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 定差距。 ( 3 ) 矢量控制方式 1 ) 矢量控制的基本原理 矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定予电流矢量，根据 磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到 控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产 生磁场的电流分量( 励磁电流) 和产生转矩的电流分量( 转矩电流) 分别加以 控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这 种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量 控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。 2 ) 转差频率控制的矢量控制方式 此控制方式同样是在进行u f = 恒定控制的基础上，通过检测异步电 动机的实际速度N ，并得到对应的控制频率f ，然后根据希望得到的转矩， 分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f 进 行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态 过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控 制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。 3 ) 无速度传感器的矢量控制方式 这种控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定 向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装 磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁 通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了 所谓的无速度传感器的矢量控制方式。 它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系式 分别对作为基本控制量的励磁电流( 或者磁通) 和转矩电流进行检测，并通 过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流( 或者磁通) 和转矩电流 的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。 4 ) 速度传感器的矢量控制方式 这是在实践中发展起来的一种有效控制方案，在考虑现场各种情况及经 济性的情况下，通过实验确定各种运行曲线，这些曲线存储在变频器里，可利 1 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 用P L C 对变频器的运行曲线迸行变换，达到调速和定位的要求。速度采用闭 环控制，由变频器和速度传感器完成。u m ， 采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹 配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准 确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步 电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂 商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。 目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动辨识、自 适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前 可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中 的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。 除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转 矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与 机械系统匹配的适应性控制等，以提高异步电动机应用性能的技术。为了防 止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模 集成电路并采用专用数字式自动电压调整( A V R ) 控制技术的控制方式，已实 用化并取得良好的效果。 2 1 3 变频器的种类及性能 ( 1 ) 变频器的种类 在工业中使用的变频器可以分为通用变频器和专用变频器两大类，从容 量上可分为中小容量通用变频器和大容量通用变频器。衡量通用变频器性能 的主要性能指标有控制方式、起动转矩、转矩控制精度、速度控制精度、控 制信号设定输入、速度反馈控制、多段速度设定、载波频率、频率跳跃功能、 通信接口等。新型的通用变频器基本都具备这些功能，其功能、操作、维护 及应用方面均基本相似，差别仅在于不同品牌的通用变频器有其特定的定义 及独特之处。 ( z ) 变频器的性能 新型矢量控制通用变频器具有参数离线检测、自整定功能，在通用变频 器起动时自动地测量电机参数，并调整系统控制参数，进行跟踪控制，因此 在各种条件下均可保持系统工作在最佳状态。无速度传感器矢量控制通用变 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 频器除了用来改进通用变频器性能外，另一目的是简化矢量控制，省去速度 传感器，提高系统的可靠性。无速度传感器矢量控制通用变频器的技术关键 是，矢量控制需要速度信息，因此需要对磁通进行控制。由于直接检测磁通 比较困难，需要选择合适的数学模型，进行精确的计算，从检测的电压、电 流进行观测。无论是估算电动机的速度，还是观测电动机的磁通，均需要正 确的电动机参数，因此应用时需要正确地将电动机的铭牌数据参数输入到通 用变频器中，并正确地设定，以便通用变频器能够在线辨识、计算。无速度 传感器矢量控制通用变频器应用领域包括各行业的传输机、给料机、搅拌机、 冷却塔、起重机、输油管道、各种纺织机械等。 2 2 堆垛机运行控制系统 2 2 1 堆垛机半闭环控制系统 ( 1 ) 工作原理 如图2 1 所示，当主控机得到上位机发出的当前任务的目的地址和当前 地址时，通过比较要运行的起止距离，不同距离对应不同的加、减速曲线。 通过实际调试确定几条标准的加减速曲线。不同的货格数为不同的标准，调 用不同的运行曲线，获得合理的速度特性。解决了堆垛机由于其运行的起止 位置不确定性和离散性，造成对堆垛机速度难以控制的问题。m 速度反馈 图2 1 堆垛机半闭环控制系统图 ( 2 ) 特点 这种控制方案由于没有位移环，编码器直接和变频器相连，大大的减少 了和上位控制机的运算量，实时性更好。同时配合光电开关停准，不受主控 机运算速度影响，停准精度高。但由于位移开环控制，为了停准，可将最小 速度韵运行距离设置大一些，这样运行效率会受一点影响。 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 堆垛机闭环无级控制系统 ( 1 ) 工作原理 在图2 2 所示的控制系统中，为了有效地提高巷道堆垛机的作业效率和 停准精度，采用“激光测距仪+ 变频器”的闭环控制方式。包括两个部分的 闭环控制：第一，是对堆垛机运行速度的闭环控制。要求堆垛机以某一个速 度运行时，根据激光测距仪反馈回来的堆垛机当前速度信号，实时调整变频 器的频率值，使堆垛机迅速达到某一个稳定的速度平稳运行。第二，是对堆 垛机位移的闭环控制。当要求堆垛机到达某一目的地址时，根据激光测距仪 反馈回来的堆垛机的距离信号，根据预先设定的控制策略调整变频器的频率 值，使堆垛机先以较高的速度运行到接近目的地址的位置，然后平稳的减速 到较低的速度运行，在至达目的地址的时候制动停准。采用这种闭