毕业设计（论文）-巷道式双立柱堆垛机控制系统设计.doc

完整CAD设计文件，资料加153893706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。本文主要内容通过对堆垛机作业流程的分析，提出了立体仓库电气控制系统的总体设计方案。利用工业控制计算机作为调度、管理、监控主机，利用可编程逻辑控制器(PLC)作为堆垛机的运动控制器件，根据系统需要进行了PLC模块、电机及电机驱动器的选型，并给出了系统供电原理图以及部分设备接线图。本文详细阐述了本控制系统的设计思想，以及整个系统的硬件实现和软件设计。本文首先对自动化立体仓库系统做了系统的介绍。根据本设计的实际需求，堆垛机为立体仓库系统的主要作业机械，担负着出入库的重要任务。通过对堆垛机作业流程的分析，提出了自动化立体仓库系统的总体控制方案。本系统利用计算机作为监控主机，采用可编程逻辑控制器PLC作为堆垛机运行的控制器件。采用激光测距技术和变频调速技术相结合的方式实现对堆垛机运行的高精度的定位控制和速度控制。在软件设计方，本系统釆用模块化的程序设计方法，利用西门子公司的编程软件Step7编制PLC程序，使本系统实现货物出入库的自动和手动控制。对自动化立体仓库系统的PLC程序设计，进行模块化程序设计及I/O分配及模块建立提高执行效率。关键词：堆垛机；PLC；电气控制IAbstractIn the modern logistics warehousing system, automated stereoscopic warehouse application is becoming more and more widely. And the performance of stacker, for the normal operation of the entire three-dimensional library plays an important role.Main content in this paper, by analyzing the working flow of stacker, put forward the warehouses overall design scheme of electric control system. Using industrial control computer as the scheduling, management, monitoring the host, the use of programmable logic controller (PLC) as the movement of the stacker control device, according to the requirements of the system has carried on the PLC module, motor and drive selection, and gives the principle diagram of the system of power supply wiring diagram and some of the equipment.This paper expounds the design idea of this control system, and the implementation of the whole system hardware and software design. This article first made system for automatic stereo warehouse system is introduced. According to the actual needs of the design, stacker for stereo warehouse system main operating machinery, loading and unloading of shoulder the important task. Through analyzing the working flow of stacker, the paper puts forward the overall control scheme of the automatic stereo warehouse system. This system USES computer as a monitoring host, USES the programmable logic controller PLC as the control device stacking the chance. Using laser ranging technology and frequency conversion speed regulation technology of combining the way of stacking chance the high precision positioning control and speed control. In the software design, this system adopt modularization program design method, using the Siemens Step7 programming software of PLC program, make the system achieve the automatic and manual control directly. PLC program design of automated multi-layered storehouse system, carries on the modular program design and allocation and I/O module to establish improve the execution efficiency.Key words:stracker;PLC;Electrical controlIII目录摘要IAbstractII1绪论11.1设计的背景及国内外设计现状11.1.1 设计背景11.1.2 堆垛机系统在国内外的设计现状11.2 本课题设计目的及设计意义21.2.1目的：21.2.2意义：32 堆垛机系统的方案设计42.1自动化立体仓库系统概述42.1.1 堆垛机的分类42.1.2 堆垛机的组成42.2堆垛机作业流程分析62.2.1系统总体控制结构73自动化立体仓库控制系统设计93.1 PLC简介93.1.1 PLC的定义93.2硬件选型93.2.1 PLC的选型及模块的选择93.2.2输入输出点分配103.2.3堆垛机控制系统PLC外部电路设计123.2.4电机及其驱动器的选择123.3电控系统总体结构133.4堆垛机运行系统的位置控制143.4.1认址方式选择143.4.2激光测距技术及原理163.4.3激光测距传感器选型173.5 光电开关193.6堆垛机运行系统的速度控制193.6.1变频器的选型203.6.2变频调速技术概况203.6.3堆垛机运行速度的闭环控制213.7检测传感器的选择223.7.1货架有无货物检测223.7.2货物位置检测233.8堆垛机的定位控制方案244 PLC程序设计254.1 PLC的工作原理254.2 PLC的编程软件和编程语言254.2.1编程软件254.2.2编程语言264.3自动化立体仓库系统的PLC程序设计264.3.1模块化的程序设计264.4功能划分及主要模块流程图274.4.1主要功能模块程序流程284.5自动方式下的堆垛机运行控制324.5.1列向运行PLC程序实现334.5.2行向运行PLC程序实现354.5.3货叉伸缩控制PLC程序实现365结论39致谢40参考文献41附录A译文43附录B外文文献51完整CAD设计文件，资料加1538937061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设计的背景及国内外设计现状1.1.1 设计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。1.1.2 堆垛机系统在国内外的设计现状目前，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。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。1.2 本课题设计目的及设计意义1.2.1目的：综合运用调控速度、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。本论文将基于未来立体仓库发展的要求，立足于工作循环周期短、换速平稳、停准精确，结合现代计算机技术、通信技术、自动控制等技术，着重研究立体仓库堆垛机行走系统的自动寻址、精确定位、速度调节及控制。论文包括了以下主要内容：配合使用较为成熟的中低档型 PLC S7- 200，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。(1)根据立体仓库的控制要求与相关参数，从可靠性、停准精度、系统成本等方面出发，得出适应大型立体仓库的电控系统结构。(2)对堆垛机在水平方向与垂直方向上运行时进行速度控制，对巷道式堆垛机的调速，改善堆垛机的动态性能。并在应用新的定位方式的基础上，采用闭环速度控制方案，并解决新方案中的硬件配置问题。(3)编制 PLC 程序并调试。(4)在监控系统中，组态软件监控界面的建立，实时反映执行机构的运行情况及货位的存储情况，对执行机构实时控制。(1)通过对堆垛机现有，构建交流变频调速控制系统；(2)在堆垛机的位置检测方面，综合通用旋转编码器、PG以及利用PLC中的高速计数器単元，来实现对子堆垛机位置的精确控制；(3)根据堆垛机的实际工作情況，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。1.2.2意义：随着我国国民经济的飞速发展，企业的生产规模的不断扩大，企业对科学化、现代化物流管理和合理利用土地资源的意识不断增强，物资存储、运送、管理技术水平不断提高，对自动化立体仓库的需求量越来越大，对其各方面功能、性能的要求也越来越高。因此，自动化立体仓库的使用能够产生巨大的社会效益和经济效益：（1）使用高层货架存储货物，存储区域能够大幅度地向高空扩展，大大提高了空间的利用率。采用这种存储方式具有便于防止货物的错失，潮湿等优点。（2）货物的自动存取采用机械和自动化设备，避免了人工搬运，降低了操作人员的劳动强度，且运行和处理速度较快，提高了劳动生成率。（3）采用计算机控制对货物储运过程信息进行存储和管理，避免了人工操作在货物处理和信息处理过程中可能引起的差错。同时计算机管理还便于清点盘库，有效地利用了仓库存储能力，进而提高了仓库的管理水平。采用这种方式货物的存储和管理及时准确，便于领导根据仓储信息和市场情况调整企业生产计划，提高了企业的生产应变能力和决策能力。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，分别从堆垛机的作业流程分析、系统总体控制结构。2.1自动化立体仓库系统概述2.1.1 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。2.1.2 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2-1所示)。(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：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意。 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2-1 堆垛机结构图Fig.2-1 stacker structure2.2堆垛机作业流程分析本系统采用的双立柱直线型堆垛机由机架、运行机构、载货台、导轨等组成，其主要功能是按照控制器发出的控制指令的要求向高层货架进行自动货物存取作业。堆垛机的运行机构由水平运行的行走机构（X轴）、垂直运行的起升机构（Z轴）和取送货物的货叉机构（Y轴）组成。仓库系统的输入信号可以分为两部分：一是来自操作面板上的控制按钮或来自上机位的命令，包括启动按钮、停止按钮、自动/手动装换开关、左右运行按钮、上下运行按钮、伸出和缩回按钮：另一部分是所有货位的货物存在检测开关以及各个方位的限位开关，限位开关包括：上下限位、左右限位、伸出和缩回限位。自动化立体仓库作业的入货口与出货口为同一位置，称为零位平台。立体仓库系统运行时，堆垛机停在零位平台处，接收到来自PLC的货位号和存货或取货的操作命令后水平运行机构开始运行，延水平方向运行到接收的货位号所在列的位置，同时垂直方向起升至接收货位号所在行的位置，然后通过货叉机构的伸缩，完成货物的存取操作。当堆垛机进行入库作业时，控制系统监测到零位平台存有货物，并且接收到的是存货命令，且检测接收到的货位号处无货物时，控制系统启动堆垛机，堆垛机运行将零位平台上的货物存放到指定货位上，当堆垛机进行出库作业时：控制系统检测到零位平台无货物，并接收到的是取货命令，且检测接收到的货位号处有货物时，系统启动堆垛机，堆垛机运行将指定货位上的货物取出存放到零位平台处；等待下一运行指令，这样保证了它的工作参考原点。 2.2.1系统总体控制结构本仓库长60米，宽15米，可利用高度为5米，本系统共设计三条巷道,每条巷道分左右两排货架，每排货架为15，80列。每个巷道内有一台堆垛机对巷道左右两侧的货架进行作业，堆垛机在巷道中只能做直线运行。当采用平库方式存储纸箱白酒时，一般分6层上下堆放，现采用立体仓库存储方式，将纵向存放量扩大到了15层。仓库的总体存储量提高50%以上。同时，自动化控制技术在仓储作业中的应用能够减少人工搬运，提高劳动生产率。根据自动化立体仓库的控制要求，从可靠性、高效性、精度等方面出发，设计自动化立体仓库的控制系统结构。本自动化立体仓库系统的三条巷道，由一台计算机作为监控机，通过可编程控制器PLC同时控制与监控三条巷道中堆垛机的存取作业。监控计算机与地面控制柜S7-200PLC之间的通讯通过CP243-2多点通信的网络形式实现。用户在监控计算机上输入操作指令，计算机将指令传达到对应的机载控制柜中的1#、2#或3#的S7-200PLC。接收到作业指令的机载控制柜PLC将根据指令进行货物的存取作业。在此同时机载控制柜PLC会将其堆垛机的运行状态上传回监控计算机实现监控系统对堆垛机运行状态的监控。堆垛机控制系统的网络图如图2-2所示。 自动化立体仓库系统采可编程控制器PLC对存储设备堆垛机进行控，并与上位机通讯实现实时监控。对于堆垛机三维方向上的运行机构的控制信号、限位开关以及货物检测信息等作为输入信号输入到PLC，PLC通过程序运算和逻辑处，输出相应的操作控制信号，驱动电机从而实现对堆垛机的运行控制，完成货物从零位平台到指定货位的自动存取操作。每个巷道中的堆垛机由一个可编程控制器PLC控制其运行，这个PLC位于机载柜中。如图2-3所示。图2-2堆垛机控制系统网络图Fig.2-2 Stacker control system network diagram图 2-3 系统拓扑结构图Fig. 2-3 The system topology diagram3自动化立体仓库控制系统设计3.1 PLC简介3.1.1 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3-1 PLC系统的基本结构电源Fig.3-1 the basic structure of the PLC system3.2硬件选型3.2.1 PLC的选型及模块的选择 由于S7-200-CPU226的集成24输入/16输出不能满足设计的要求，所以又选用了EM221扩展模块和EM235扩展模块，正好满足设计的需要。所选模块型号如表3-2所示。表3-2 扩展模块选型表Table 3-2 extension module selection table系列号类别描述选型型号数量EM221输入扩展模块DI166ES7221-1BH22-0XA01EM235输入/输出扩展模块AI4/AO16ES7235-0KD22-0XA023.2.2输入输出点分配为方便系统施工时的硬件连接，方便上位机查询、修改系统的输入/输出点状态，在系统程序编写前，需对系统的输入输出点进行合理的规划分配。分配I/O点时，应注意系统公共点的带载能力，以免烧毁设备。在进行I/O分配时，将相同设备、相似功能的输入输出点集中在一起，即便于线路连接、记忆，又便于上位机查询系统的工作状态及设备的位置。堆垛机控制系统采用的PLC是S7-200 CPU226，总共使用了所有的24个输入点和11个输出点，具体I/O点分配如表3-3所示堆垛机控制系统使用扩展I/O模块EM221，其I/O分配表如表3-4 。扩展模块EM235是模拟量4输入/1输出模块，在本文所设计的控制系统中，只用到两个扩展模块EM235的输出通道MO、VO，接变频器MM440的端口3和4。表3-3 PLC（CPU226）输入输出I/O点分配Table 3-3 (CPU226) input and output of PLC I/O point distribution序号控制元件编程地址序号控制元件编程地址 1 启动I0.019货叉右伸按钮I2.2 2 停止I0.120货叉左伸按钮I2.3 3 复位I0.221货叉原位按钮I2.4 4 存货I0.322货叉电机脉冲输出Q0.0 5 取货I0.423堆垛机上升Q0.1 6 自动I0.524堆垛机下降Q0.2 7水平编码器反馈AI0.625货叉方向改变Q0.3 8水平编码器反馈BI0.726堆垛机前进Q0.4 9手动I1.027堆垛机后退Q0.510货叉右伸到位I1.128低货位指示灯Q0.611货叉到中位I1.229高货位指示灯Q0.712货叉左伸到位I1.330水平停准指示灯Q1.013垂直编码器反馈AI1.431垂直停准指示灯Q1.114垂直编码器反馈BI1.532警示灯Q1.215前进按钮I1.633水平电动机停机Q1.316后退按钮I1.717上升按钮I2.018下降按钮I2.1表3-4 EM 221模块I/O点分配Table 3-4 EM 221 module I/O point distribution序号控制元件编程地址序号控制元件编程地址1水平左限位I3.09纵向认址下对准I4.02水平右限位I3.110左端歪斜传感器I4.13垂直上限位I3.211右端歪斜传感器I4.24垂直下限位I3.312左探有货传感器I4.35水平前对准I3.413右探有货传感器I4.46水平认址计数I3.514低速按钮I4.57纵向认址上对准I3.615中速按钮I4.68纵向认址计数I3.716高速按钮I4.73.2.3堆垛机控制系统PLC外部电路设计图3-5堆垛机外部接线图Fig.3-5 stacker external wiring diagram3.2.4电机及其驱动器的选择主要的元器件的选择如下表3-6所示。表3-6元器件使用表Table 3-6 components table名称代号符号个数规格符号备注PLCPLC1S7-200CPU226，AC/DC继电器输出扩展模块11EM22116路数字输入扩展模块22EM2354模拟量输入、1模拟量输出接触器KM3CJ20-100线圈电压220V电阻R22K限流保护器FR1JRS4-140365d整定电流80-104A熔断器FU4RLS1-100额定电压380V额定电流20-100A指示灯HL5AD16-22GLED显示，220V行程开关SQ14LF-0124LB额定电压10-30VDC按钮开关SAKD2B-21带自锁，24V激光测距传感器1ODSL8型检测距离25-45米光电传感器2E3G-MR19光电编码器2755A增量式三相交流异步电动机M1Y2-632-2额定电压380V，额定功率300W单相交流异步电动机M1YY7112额定电压380V，额定功率250W异步进电动机驱动器1SH-2040324-70VDC二相混合式步进电动机M142BYG步距角0.9/1.83.3电控系统总体结构电控系统总体结构如图3-7所示：图3-7控制系统总体结构Fig.3-7Integrated strueture of eontrol system3.4堆垛机运行系统的位置控制3.4.1认址方式选择自动认址是堆垛机能够自动辨认接收到的目的货位信号的实际货位位置，并且堆垛机运行时能够准确停止在目的货位处的功能，包含两方面的内容：一方面是指堆垛机能够实现自动寻址，堆垛机能够自动辨认接收到的货位信号的实际货位位置；二是堆垛机在运行过程中能够自动准确停位，即堆垛机辨认出指定位置，能够按照规定的精度停止在目的货位处。目前的自动化立体仓库中使用的位置检测方式有很多，按工作原理主要分为绝对认址和相对认址。绝对认址方式是指每一个货位都可以用唯一的状态来确定，具有软件编程简单，认址可靠的优点。绝对认址方式主要有光电开关认址、旋转轴编码器认址、激光测距认址。其中光电开关认址方式就是用n个光电开关的通断组合来唯一确定2n个货位地址的。相对认址方式是通过计数表示位置的相对移动来实现的，堆垛机运行时每通过一个货位地址都会将计数加一或者减一，按照目的货位的表示值直到移动到目的地址为止。这种相对地址认址方式具有价格低廉，运算电路简，可靠性高等优点。其不足之处在于采用单位货格为最小计量单位，因此不能通过精确的测距得到相应精确的速度控制曲线。目前国内外堆垛机停准时的认址方案比较如表3-8所示：表3-8堆垛机认址方案比较Table 3-8 stacker address scheme comparison认址器光电开关旋转编码器激光测距传感器认址方式相对认址绝对认址绝对认址绝对认址可靠性较低高较高最高认址精度格格mmmm系统成本低高高较高数据接口无无多种多种定位方式反射式反射式接触式接触式使用寿命短短较长长 综合以上各种认址方式的优缺点，并根据其在实际应用中的效果，本系统的堆垛机自动认址采用多种认址方式相结合的方案。(1)水平方向上的认址方式堆垛机的水平运行方向(X轴)上为了达到高速运行和高精度的定位，选用光电开关与激光测距相结合的认址方式。堆垛机在水平方向运行时，PLC可以根据堆垛机与巷道末端的距离控制两种认址方式的相互转换。激光测距认址方式是在堆垛机上装设激光测距器，而激光反射板则安装在巷道，随着堆垛机的运行，激光测距器与反射板间的距离也随之不断改变，PLC控制器就可以读取激光测距器的数据并对数据进行处理，从而实现堆垛机运行时在水平方向上的自动认址。但是当堆垛机在零位平台附近时，若采用激光测距认址方式，激光发射器与反射板的距离较大，容易受到外界干扰的影响，且定位时间相对较长，因此系统可以通过PLC转换为光电开关的认址方式。光电开关认址方式是通过安装在巷道货架上的相对光电认址开关实现的。堆垛机在水平方向上的运行采用这两种认址方式交互使用，从而实现水平方向上的精确定位。每个货位的货架上都安装有三个光电开关，中间的为主计数开关，其余两个光电开关参与辅助计数并实现对准的功能。当堆垛机在水平方向运行时，只有三个光电开关都在认址片上时，系统才认定为精确到达货位，否则视为未到位或过冲。(2)垂直方向上的认址方式堆垛机在垂直方向运行方向(Z轴)上选用光电开关的认址方式。光电开关认址方式是通过安装在巷道货架上的光电认址开关实现的，在堆垛机的升降台上垂直排列安装上3个槽形光电开关，随着升降台一起上下升降。堆垛机在垂直方向上的定位，在每个货位处都有两种定位位置。一种是上浮位置，即货叉在开始存货时要起升到的高度位置或者在取货完成时要起升到的高度位置，此时，下面两个光电开关处于认址片；另一种是下浮位置，即货叉在开始取货时要起升到的高度位置或者在存货完成后要下降到的高度位置，此时，上面两个光电开关处于起升认址片内。认址片长度为80mm，因此光电开关间距不得大于80mm，上面两个光电开关都在认址片上时，可以确定位置为上浮位置，上面的两个光电开关都在认址片上时，可以确定位置为下浮位置。上浮位置与下浮位置的光电认址情况如图3-9所示。图3-9（a）下浮位置（b）上浮位置Fig.3-9(a)Low position (b)High position(3)货叉伸缩方向上的认址方式堆垛机的货叉运动(Y轴)的位置认址相对比较固定，只有左、中、右三个位置检测点，速度控制也简单，因此采用接近开关方式检测货叉伸出和缩回位置。3.4.2激光测距技术及原理激光测距是利用光波在大气中的传输来测量两点之间距离的一种方式。激光具有亮度高，方向性好，波长单一的优点。激光测距的使用能够满足一些系统对远距离和高精度的要求。激光测距的工作原理如下：要测量A、B两点之间的距离L，假设光在空气中传播的速度为C，光往返A、B两点一次所需的时间为t，那么A、B两点之间的距离L可以公式3-1表示：L=ct/2 (3-1)根据上面的公式得到可得到两点间的距离。激光测距技术中有两种不同的测量时间的方法，因此激光测距传感器分为脉冲式和相位式两种测量方式。脉冲式测距比较适合测量运动物体之间的测距，缺点是精度较低。而相位测距比较适合于测量静止或移动速度比较低的物体。本课题中，对于堆垛机在立体仓库中的定位精度要求较高，堆垛机在水平方向的运行速度低于l0m/s。本课题采用相位型激光测距传感器。相位式激光测距传感器采用间接方法测定激光往返被测两点所需的时间，是用无线电的波段频率调制激光束的幅度，测量出调制光往返被测两点一次产生的相位延迟，然后根据调制光的波长就可以换算得到此相位延迟代表的实际距离，如图3-10所示。相位式激光测距传感器精度一般为毫米级，一般应用于对于测距精度要求较高的场合。相位式测距传感器都配置有专用的反射镜，称为合作目标的反射镜。图3-10激光测距原理图Fig.3-10 Schematic diagram of laser ranging technology激光器出射的光波到达被测目标后，合作目标即反射镜能把入射光束严格按照入射的方向反射回去，调制光波的回波返回到仪器的接收端。将接收到的光波经过光电转化，得到与接收光波调制波频率相位完全相同的电信号。将此电信号进行放大处理后与光源的驱动电压相比较，得到这两个正弦电压的相位差。根据这个相位差便可以计算出被测两点之间的距离。3.4.3激光测距传感器选型目前市场上的激光测距传感器的种类很，国外几个比较知名的生产商如瑞士的DIMETIX、美国的Banner、德国的LRFS等的产品。通过查阅大量激光测距传感器方面的资料，对比不同的产品的基础，本系统选用瑞士 DIMETIX的DLS-B30激光测距传感器。DLS-B30型激光测距传感器是专门为工业测量市场设计的是新一代的测距设备。它拥有许多良好的性能,功能强大、坚固耐用、具有非常高的测量精度和极高的稳定性，是当前比较先进的经济型在线位置检测设备。DLS-B30激光测距传感器实现了在线式的连续检测,避免了手持激光测距传感器的人工点发，能够实现无人值守的连续监测量,是实现工业自动化和生产智能化管理的比较理想的测距仪器。DLS-B30激光测距传感器的测量精度是按照ISO修订的ISO/R 1938-1971标准，其置信度为95%，标准精度是指在平均条件下跟踪模式的测量结果，DLS-B30激光测距传感器的误差范围是-3.0mm+3.0mm。DLS-B30激光测距传感器的主要技术参数如表3-11所示。在自动化立体仓库系统中实际应用激光测距传感器进行定位控制时需要注意以下事项：第一，每条巷道中不能有任何物体遮挡住激光光线，即激光发射器与反射板之间不能存在任何遮挡激光的物体。激光光线就像一把光尺，是通过测量激光发射器发射出的激光光线长度来测定两点间的距离的。如果在激光光线穿过的范围内有物体遮挡了光线，激光光线就无法到达目标位置或偏离标准测量点，将影响距离测定结果，进而导致巷道堆垛机偏离所设定的位置。因此，巷道堆设机工作时激光光线的通道中不能存在有任何遮挡光线的物体。在激光光线通道内可以采取隔离保护措施，以确保测定距离的准确性和立体仓库作业设备的安全性。第二，要严格按照激光测距传感器的安装要求进行安装。在巷道堆垛机上激光发射器的安装方式不同，对测量距离的影响也不同。安装部位的结构要坚固不容易变形且振动小，这样不会因为巷道堆垛机在运行过程中的振动或由于载货过重引起的变形对测量距离产生影响。表3-11 DLS-B30主要技术参数Table 3-11 Main technical parameters of DLS-B30名称参数标准测量精度-3.0mm+3.0mm最大测量精度-5.0mm+5.0mm测程，相对于自然表面0.2mm30mm(反射)目标板20m500m激光点直径，目标距离为10M6mm50M30mm100M60mm测量时间单次测量0.6s4.0s左右跟踪测量0.6s4.0s左右激光打开MAX 250mA激光关闭55mA 10V最小显示单位0.1mm测量基准面前端面激光激光二极管 波长620mm690mm红色IEC 60825-1：1993 二级FDA 21 CFR Ch1040:1988 二级脉冲持续时间：1510-9s最大发射功率：0.95mW静电保护（无电缆）IEC61000-4-2 1993 一级金属体测试 2kv防水防尘等级IP65 IEC60529 防水防尘接口异步串行接口可编程模拟输出 4mA20mA重量620g3.5 光电开关光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射作用，由同步回路选通来检测物体的。其物体不局限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测，是理想的电子开关量传感器。它能准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适应能力，也是一般机械式行程开关所不能相比的。根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为：漫反射式光电开关、镜反射式光电开关、对射式光电开关、槽式光电开关和光纤式光电开关等。其中，镜反射式光电开关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。考虑到库内的低温潮湿环境，选取SKK05-1K型，输出形式为直流NPN三线常开，镜反射式光电开关共8个，检测距离为50cm。将光电开关安装于堆垛机的初始起点位置，货叉的上下前后四个极限位置，在堆垛机上安装两个分别控制行列，并在货架每层和每列相应的平层位置均安装镜反射器，通过输入信号到PLC使堆垛机相应地改变运动状态。3.6堆垛机运行系统的速度控制巷道堆垛机在保证准确寻址的前提下，希望堆操机能够以较高的速度运行，以达到提高出入库能力、减小作业循环周期的目的。为了提高工作效率，在加速时要求堆垛机尽可能在较短的时间内达到最大速度；为了确保定位精度，希望堆垛机在接近目的地址时具有较低的速度，减速时要尽可能达到平稳减速，防止出现堆垛机急停由于惯性造成货物倾倒的情况，故需对堆垛机的运行进行变速控制。调速方案主要有子母电动机调速、变极调速、可变频调速等，其中变频调速是一种比较理想的方案。变频调速与传统调速技术相