（机械制造及其自动化专业论文）新型无轨移动立体货架运动控制系统研制.pdf

浙江大学硕士学位论文新型无轨移动屯体货架运动控制系统研制 全文摘要 水平移动立体货架是我国物流行业中一种新型的仓储设备，相对于传统的固定货架具有 占地面积少、高效节能的优点。当前，我国正处于经济高速发展阶段，土地资源与能源非常 短缺，所以开展对水平移动立体货架控制技术的研究与水平移动立体货架系统的推广应用显 得尤为重要。移动立体货架分为有轨型移动货架与无轨型移动货架，无轨型移动货架相对于 有轨型移动货架具有实施方便、布局灵活等优点。本文主要研究了无轨型移动立体货架的运 动控制系统中的安全检测控制技术与纠偏控制技术等关键技术，在此基础上研制开发了以单 片机为控制核心的运动控制系统。试验结果表明，该控制系统运行可靠、运动平稳准确，能 达到实际应用要求。 本论文主要内容有： 第一章综述国内外移动货架系统的研究现状与发展趋势，阐述了本论文研究课题的目的 与意义。 第二章通过对移动货架运动系统原理与结构的分析，设计了控制系统中安全检测与位移 检测部分的控制方案，并讨论了货架运动调速系统的方案选择。 第三章介绍了移动货架控制系统的单片机接口技术，给出了开关量输入输出接口、模拟 量输出接口，光电编码器接口、通讯接口的原理与实现电路。 第四章介绍了移动货架运动控制系统的关键技术货架纠偏技术的原理与实现方法， 分析了模糊控制技术的原理与结构。 第五章介绍基于单片机的移动货架运动控制软件的实现方法与控制流程。 第六章通过实例对无轨水平移动立体货架运动控制系统的实际应用效果进行分析，验证 了控制系统的可行性。 最后，作者对本文的研究内容进行了总结，并对移动立体货架的发展作了展望。 e 关键词：安全检测；双电机驱动；主从控制；纠偏技术；模糊控制； ； 气 dh_； 历缬 j j j 浙江大学硕士学位论文新型无轨移动宦体货架运动拧制系统研制 a b s t r a c t h o r i z o n t a lm o b i l er a c ki san e ws t o r a g ef a c i l i t yi nc h i n a s1 0 9 i s t i ci n d u s t r y c o m p a r e dt o t r a d i t i o n a li r e m o v a b l el a g ki th a sa d v a n t a g e so fl e s sf l o o rs p a c e h e t t e re f f i c i e n c ya n dm o e n e r g ys a v i n g n o w a d a y s 。o u rc o u n t r yi su n d e rr a p i dd e v e l o p m e n to f e c o n o m yb u ti nb a di a c ko f l a n dr e s o b r c g sa n de n e r g y , i nt h i ss i t u a t i o n , r e s e a r c h i n go na n dw i d e s p r e a du s eo fh o r i z o n t a l m o b i l er a c kb o m em o l ea n dm o r ei m p o r t a m h o r i z o n t a lm o b i l er a c ki sd i v i d e di n t o r a i l - b o u n dh o r i z o n t a lm o b i l er a c ka n dn o n - r a i lh o r i z o n t a lm o b i l er a c kt h el a t e ri sm o r e c o n v e n i e n ta n df l e x i b l et o m a n i p u l a t e t h er e s e a r c hm a i n l ys t u d yo nt e c h n i q u eo fn o n - r a i l h o r i z o n t a lm o b i l er a c k sm o v i n gc o n t r o ls y s t e ml i k es a f e t yc o n t r o la n ds y n c h r o n o u sc o n t r o l ，a n d d e v e l o p e dm o v i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm c u p r o v e db yt e s t s , t h i sc e n t r e ls y s t e mi sr e l i a b l e ， s t e a d ya n da c c u r a t ei no p e r a t i o n , a n dr e a c h e st h er e q u i r e m e n to f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n m a i np o i n t so f t h et h e s i sa mp r o v i d e da sf o l l o w ： i nc h a p t e r1 ，t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do fh o r i z o n t a lm o b i l er a c kw a s s u m m a r i z e da n da i ma n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c hw a s p o i n t e do u t i nc h a p t e r2 ，e x p l i c a t et h ec o n t r o l l i n gm e t h o d si ns a f e t yd e t e c t i o na n dm o v e m e n td e t e c t i o n , t h r o u g ha n a l y z i n go nt h e o r ya n dc o n s t r u c t i o no f h o r i z o n t a lm o b i l er a c k sm o v i n gs y s t e m i nc h a p t e r3 ，i n t r o d u c e dt h em c ui n t e r f a c et e c h n i q u e so fh o r i z o n t a lm o b i l er a c km o v i n g c o n t r o ls y s t e m , a n dt h et h e o r ya n ds c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a mo fd i g i t a li n p u t o u t p u ti n t e r f a c e , a n a l o go u t p u ti n t e r f a c e , o p t i c a la n c o d c ri n t e r f a c ea n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e i nc h a p t e r4 ，e x p l i c a t et h ec o r et e c h n i q u e so f h o r i z o n t a lm o b i l er a c km o v i n gc o n t r o ls y s t e m ： t h et h e o r ya n di m p l e m e n t a t i o no fs y n c h r o n o u sc o n t r o lt e c h n i q u e , a n da n a l y z e dt h ep r i n c i p l ea n d c o n s t r u c t i o no f f u z z yc o n t r o lt e c h n i q u e i nc h a p t e r5 ，i l l u s t r a t et h ei m p l e m e n t a t i o na n dc o n t r o lf l o wo fh o r i z o n t a lm o b i l er a c k s m o v i n gc o n t r o ls o f t w a r eb a s e do nm c u i nc h a p t e r6 ，n s ea ne x a m p l et oa n a l y z et h ei m p l e m e n t a t i o ne f f e c t i v e n e s so fn o n - r a i l h o r i z o n t a lm o b i l er a c k sm o v i n gc o n t r o ls y s t e m ，a n dp r o v e di t sf e a s i b i l i t y f i n a l l y , t h e c o n e i n s i o n w a s m a d ea n d t h e p r o s p e c t o f t h e f u t u r e i m p r o v e m e n t w a s a l s o g i v e n k e y w o r d s ：s a f e t yd e t e c t ；d u a lm o t o rd r i v e ；m a s t e r - s l a v ec o n t r o l ；s y n c h r o n o u sc o n t r o l ； f u z z yc o n t r o l ； i i i 算 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师陈子辰教授指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎姿盘鲎或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：1 印6 年夕月( 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘兰有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权澎鎏盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名：楸 签字日期：汾b 年7 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 强啦曩程毫弘 淌彳专弦耐 导师签名： 签字日期：加6 年气月7 日 峨。哪i - 洳) 辞7 邮编：( 住 浙江大学硕士学位论文 新型无轨移动立体货架运动拧制系统研制 第1 章绪论 本章摘要 本章在介绍分析移动立体货架在现代物流中的作用及其在国内外的现状与发展趋势的基础 上，引出了本研究课题，同时对本课题的研究背景和意义进行阐述。由此，提出了本硕士论文的主要 研究内容。 1 1 密集化存储设备概述 物流作为供应链的组成部分，随着经济运行节奏的提高与社会分工的细化，物流在 国民经济中的重要作用日益显现出来。尤其是随着交通运输基础设施的不断建立，工业 产品品种和产量的不断增加，农业产业化的不断发展，物资交流和贸易量越来越大，相 应对各种物流设备的需求鼋和要求也越来越高。仓储设备作为各种物流节点设施的重要 组成部分也在不断地更新和发展，使用领域几乎遍及国民经济的所有行业。目前，国内 大部分的仓促设备存在占地面积大、能耗大、效率低下、管理水平低等缺点，已远远不 能满足现代经济和现代管理的需求。随着物流业的快速发展，各种立体库的密集存放方 案应运而生。主要的密集化存储设备有以下几种【1 1 1 2 l ： ( 1 ) 驶入式通廊式货架：叉车直接驶入货架内，由里到外将货物放在货架上。叉车 作业通道与货物存储区合二为一，只需为叉车留出一个回旋作业通道。其它空 间则可全部作为存储区。这种模式的空间利用率高，与通常的叉车作业立体库 相比，可提高利用率4 0 - 5 0 。 ( 2 ) 重力式货架：在货架每层的通道上都安装有一定坡度的导轨，入库的单元货物 在重力作用下，由入库端滑向出库端。在排与排之间没有作业通道，大大提高 了仓库积利用率。一般要求同一排、同一层上的货物应为相同货物或必须同时 入库和出库的货物。该货架为标准的先进先出作业模式。 ( 3 ) 移动式货架：轨道安装于地面，每个底座上有多个轮子，沿轨道运动，由一套 电动驱动装置驱动。货架为通用货架，安装于底座上。平时，货架是紧挨在一 起的，只有一个作业通道。当需要在某一排货架上取货时，即同时移动相关的 多排货架，在该排货架前移出一条作业通道。 在密集化存储设备当中，移动立体货架是一种新型密集化存储设备，具有结构简单 存储方便、土地利用率高、节约能源的特点。通常移动立体货架主要由轨道、底座和货 架组成，如图l l 所示。轨道安装于地面，要求轨道的承重能力较高。存取货物作业通 常由叉车进行。整套移动货架可以进行手动、遥控或自动化集中控制，并且具有完善的 安全保护装置。移动货架系统一般采用微跫计算机( 仓库管理计算机) 进行库存管理， 实现货位编号寻址管理。作业时，仓库管理计算机可准确显示货物的名称、数鼍、进仓 日期以及货位等信息。只要在仓库管理计算机输入进出仓作业计划，通过通讯线路发送 浙江大学硕士学位论文 新型无轨移动屯体货架运动挣制系统研制 作业指令。货架控制单元收到作业指令后自动移动相关货架，在存储位置移出作业通道。 移动立体货架特别适用于冷冻、冷藏和危险品的大容量贮存，也广泛适用成件物品 的大容量贮存。与巷道式固定货架比较，它可节省储存面积5 3 ，实际仓储利用率高达 9 0 以上，用这种设备的一个库房相当于两个巷道库房的利用率，而由此可同比降低能 源消耗4 8 。因为移动立体货架的诸多优点，移动立体货架在国内外越来越得到广泛关 注1 3 1 4 1 1 ”。 一鲺采 弋 入 底座 入 地面 nnn。轨道 、fn n 图l - i 移动货架示意图 1 2 移动立体货架的分类 按移动货架载重量，移动货架可分为轻型移动货架与重型移动货架。轻型移动货架 一般用于存储如图书、档案等体积较小，重量较轻的物品。轻型移动货架的动力一般来 自人力，例如手摇式移动货架。重型移动货架一般用于储存体积大，重量重的工业品。 重型移动货架一般由安装在货架底部的电机驱动。 按移动货架是否有轨道，移动货架又可分为有轨型移动货架与无轨型移动货架。有 轨型移动货架在地面上铺设低于地面的专用轨道，货架底部的轮子嵌入在轨道中。由于 轨道具有导向的作用，货架可沿着轨道方向移动，一般不会发生偏移，控制相对简单。 但是，铺设轨道也增加了建设成本。同时，由于轨道铺设完毕后不便于搬移，所以不利 于在使用过程中对仓库灵活布局。无轨璎移动货架的地面不需铺设专用的轨道，货架的 轮子直接在地面上滚动。由于没有轨道的导向，移动时必须保证货架两侧的轮子同步， 在控制要求上要高于有轨移动货架。无轨型移动货架由于不受地面轨道的限制，仓库的 布局较灵活，建设成本也相对要低【i fl l s l 轻型有轨移动货架、重型有轨移动货架与重氆 无轨移动货架分别如图i - 2 、i - 3 、i - 4 所示。 2 - 坚查兰堡兰堡丝苎 堑型垂塾壁垫皇堡丝垄堡垄丝型墨丝里型 图1 - 2 轻型有轨移动货架 图l - 3 重型有轨移动货架 3 浙江大学硕士学位论文新型无轨移动屯体货架运动控制系统研制 图l - 4 重型无轨移动货架 1 3 本课题国内外研究现状及发展趋势 国外在移动货架控制技术的研究与应用耍早于我国。由于受到土地资源的限制，日 本在移动货架控制技术方面所取得的成果更为突出。早在1 9 7 9 年，日本k o n o o 株式 会社就申请了“m o b i l er a c ks y s t e m ( 移动货架系统) ”的美国专利( u s 4 1 5 3 3 1 2 ) ， 其主要保护内容为：采用一种水平移动式货架结构，在地上设有轨道，货架有驱动轮， 可以沿轨道运行。由于受到当时计算机技术水平的限制，这只是一个相对简单的系统。 1 9 9 8 年，日本o k a m u r a 集团公司申请了“m o t o - d r w e nm o b l l er a c kd e v i c e ( 电动移动式货架装置) ”日本专利( j p l 0 2 6 5 0 1 2 ) ，这是一种货架间无电源连接的电动 移动式货架装置，每个货架由货架上的蓄电池供电。这种货架只实用丁二储存小型物品的 轻型货架。2 0 0 0 年，日本k o n g o 株式会社又申请了“m o b i l er a c ks y s t e m ”的 日本专利( j p 2 0 0 0 1 0 6 9 6 0 ) ，不过k o n g o 株式会社这次将移动货架的移动部分的导向 机构设计在上部，采用悬挂式结构，这种结构也只能用在轻型货架中同年，k o n g o 株式会社申请了“m o t o d r l 粥m o b i l er a c ka p p a r a t u s ”的日本专利 ( 2 0 0 0 0 8 5 9 1 7 ) ，在原来移动货架的基础上加入了计算机远程控制技术，通过通信线路 可以实现对移动货架系统的远程控制，对移动货架系统运行状况监控，并且能在远程解 决移动货架的运行故障。2 0 0 2 年，意大利| t a l m o m e t 公司开发了一种名为 “c o m p a c t m 7 ”的移动货架系统，它具有完备的安全装置，它属于一种载重型的移动 货架。其单元货物的重量可达1 2 0 0 k g ，一个底座的承载能力达2 0 0 t 。2 0 0 3 年，日本 m a r u y a m ah i d e j i r o 公司申请了。n o n r a l l n r p e m o n g r a c k d e v i c e ( 无 轨型移动式货架装置) ”的日本专利( 2 0 0 3 0 1 2 1 2 0 ) 该无轨毽移动式货架装置在两侧装 4 浙江大学硕士学位论文新型无轨移动立体货架运动控制系统研制 有驱动轮，地面上无轨道，通过检测与参考线之间的偏差来确定其移动时的偏离程度， 进而通过控制系统来实现自动纠偏【5 l 】旧。 长期以来我国物流基础设施投入较少，发展比较缓慢。虽然近些年也新建了一些较 先进的仓储物流设施，但从总体来看，中低端应用较多，2 0 世纪5 0 6 0 年代建造的仓 库仍在使用，自动化立体仓库等高端的仓储货架系统还不多见，使用了计算机信息化管 理的现代化仓库较少。研究、生产移动货架的企业并不多，并且大部分的都是手摇式密 集式移动轻型货架，在地面铺设有专用轨道，主要用于分类资料的存储。主要的生产厂 家有北京世纪久威货架设备有限公司、南京麦瑞仓储设备有限公司与苏州托力科物流设 备有限公司。北京博途物流设备有限公司生产了型号为z h y d 的重型移动式货架，采用 有轨式移动货架底座。根据浙江省科技信息研究所科技查新报告，到2 0 0 2 年国内尚未 见开发生产无轨水平移动立体货架的企业 9 1 1 4 课题研究的目的和意义 研制基于单片机的无轨水平移动立体货架控制单元，替换p l c 控制单元。有利于推 进移动货架控制系统向模块化、专业化发展，有利于降低系统的制造成本与维护成本。 研究基于单片机模糊控制技术在无轨型移动立体货架纠偏中的应用。有利于提高货 架移动的直线度、稳定性。 该系统可用于新型仓储基地的建设中以及在老仓库的改造，尤其应用于是冷冻、冷 藏、危险品仓库中，有利于提高库存利用率，减少基建成本与运营费用，提高企业用户 的工作效率和经济效益。 根据2 0 0 4 年浙江省科技信息研究所出具的科技查新报告( 报告编号： 2 0 0 4 3 3 8 2 1 0 2 0 9 6 ) ，我国还尚未有自主研发的无轨型移动立体货架。无轨移动式立体货 架因为无需铺设轨道，相对有轨货架在建设时较为方便、在布局上具有更大的灵活性。 而且当前立体货架控制系统大都以可编程控制器为控制核心，可编程控制器及其外部设 备高成本限制了移动货架系统的广泛推广。因此，开发一套低成本，高可靠的基于单片 机的新型无轨水平移动立体货架运动控制系统尤为重要。 1 5 课题研究的主要内容 以模糊控制技术为理论基础，研究基于单片机的新型无轨水平移动立体货架运动控 制系统，并给出包括单片机硬件电路接口、安全保护装置，通讯技术以及系统布局等设 计方案，结合企业的具体实际，对样机进行现场实验分析。使本控制系统具有一定的理 论水平和实用价值。 研究主要工作及内容为： ( 一) 研究以单片机为核心的控制单元，设计控制单元的开关量( 光电开关传感器) 5 - 浙江大学硕士学位论文新型无轨移动立体货架运动拧制系统研制 输入接口，继电器输出接口、键盘接口，显示接口、增鼋式光电编码器接口以 及通讯接口。 ( 二) 采用光电开关、行程开关等检测元件，研究移动赁架单元移动的安全检测装置。 ( 三) 以模糊控制技术为理论基础研究无轨移动式货架横向行走的纠偏技术、双电机 行走同步技术。 ( 四) 通过现场试验，研究分析控制系统的准确性、可靠性。 1 6 本章小结 本章通过介绍分析水平移动立体货架的结构组成、货架分类以及性能特点，阐述了 水平移动立体货架水平移动立体货架在社会生产中具有节约资源、降低能源消耗的优 点。然后在分析水平移动立体货架国内外的现状与发展趋势的基础上，阐述了本课题的 研究背景和意义。最后给出了本硕士论文的主要研究内容。 - 6 浙江大学硕士学位论文 新型无轨移动立体货架运动控制系统研制 第2 章移动立体货架控制系统总体方案 奉章摘要 本章首先从系统的设计要求与系统结构入手，设计分析了系统的总体实现方案。然后分别 对系统的通讯方案，安全检测方案、位移检测方案与调速方案进行详细分析说明。 2 1 系统设计要求 2 1 i 移动立体货架主要技术参数 表2 1 移动立体货架技术参数表 参数项参数值 货架总长 l o 米 货架宽 2 4 米 货架高 5 米 货架载荷 6 4 吨 平移速度l o 米分钟 蛇行误差l o 毫米 图2 - i 移动货架蛇行示意图 表2 - 1 为移动货架的主要技术参数，移动货架的运动示意图如图2 - 1 所示。货架的 移动方向为图中的垂直方向，在理想情况下，移动货架( 图中的长方形) 侧面应沿着加 轨迹移动。但在实际应用中，移动货架绝对的平移是不可能实现的，货架移动的轨迹应 该是曲线，图中曲线为货架实际移动轨迹的夸张表示。将曲线轨迹幅度( 蛇行误差) 限 7 一 浙江大学硕十学位论文新型无轨移动立体货架运动控制系统研制 制在一定的范围内是本系统主要的控制要求，如图中盯，z 2 虚线所示，本系统要求的蛇 行误差为l o 毫米。为使控制指标更加直观，应将货架的最大蛇行误差( 直线b e ) 转 换为货架移动方向上左、右两侧的位移偏差( 直线b c ) ，即为两侧轮子的位移偏差。图 中，b c = 1 0 m m ，a b = 1 2 0 0 m m ，a b = 1 0 0 0 0 m m ，三角形a b e 与三角形a b c 为相似三角形， 根据相似三角形对应边成比例定理，可计算得b c = 9 3 m m 。 2 1 2 控制要求 ( 1 ) 货架在移动过程中能自动识别行程范围内的障碍物，检测到障碍物立即停车并 报警，同时在管理系统中显示报警提示。货架系统具有一定安全保护能力，防 止造成人身伤害与货架损坏 ( 2 ) 系统应能纠正由于货架执行机构参数不一致、载重不平衡以及地面状况差异等 原因引起的货架偏移，即具有一定的纠偏能力 货架移动过程平稳无冲击，特 别在货架启动停止阶段，防止货物倒塌。 ( 3 ) 系统具有全自动，半自动与手动等操作模式，以满足不同工况需要。 ( 4 ) 采用视窗图形界面作为人机交互界面，实时显示各货架系统的位置与工作状 况。 2 2 移动货架系统组成结构 图2 - 2 为具有3 个移动货架的移动货架系统的基本结构图。如图所示，移动货架系 统由仓库管理计算机、地面控制台、机上运动控制柜、移动货架与搬运工具等主要部分 组成。 ( 1 ) 仓库管理计算机； 仓库管理计算机为移动立体货架仓库系统的上层管理部件，是主要的人机交互部 分，它的主要功能为； 库存管理功能统计、记录库存信息，并能生成仓库日报表、月报表与年报 表。能根据安全库存量提示补充库存。 货位管理功能设置，记录仓库中货物所在位置( 货架一货格) ，输入货物 的名称或者货物代号即可找到货物的存放位置。 出入库处理功能根据输入的出入库货物名称( 代号) ，找到货物所在位置， 并向相关货架发送控制指令，在货物位置出移出作业通道。 实时监控功能以图形方式显示各组货架的位置状态与传感器状态、显示作 业通道的位置以及作业区周边状况。 ( 2 ) 地面控制台。 地面控制台为人机交互的备用设备。当仓库管理计算机出现故障时，可通过地面控 制台输入( 一般采用触摸屏) 控制指令，控制仓库中的货架协调运动，移出作业通道。 - 8 - 浙江大学硕士学位论文 新型无轨移动立体货架运动控制系统研制 同样，货架的位置状态与传感器状态、显示作业通道的位置以及作业区周边状况也可以 在地面控制台屏幕上显示 图2 - 2 移动货架系统结构图 ( 3 ) 机t 运动控制柜l 机上运动控制柜为安装在货架上的运动控制单元，控制货架上的执行部件完成位移 动作，同时采集货架上各种传感器的信号，实现安全检测与控制。在自动模式下，运动 控制单元可通过串行通讯接口接收控制指令；在手动模式下，可通过控制柜上的按钮控 制货架移动。 ( 4 ) 货架部分， 用于存储物品，货架安装在底座上，底座上有多个轮子，货架可在垂直与通道的方 向上自由移动。如图2 - 2 为只有3 个移动货架的仓库布局，一般情况下3 个货架时紧靠 在一起的。当靠近货架1 方向的货架2 的货物需出库( 或入库) 时，仓库管理计算机向 移动货架2 、3 发送移动指令( 如图，向下移动) ，而货架1 保持不动，在货架1 与货架 2 间移出作业通道。 2 3 系统控制总体方案 如图2 3 所示，根据移动立体货架的组成结构，可将移动立体货架运动控制系统总 体方案划分为三个层次，各层之间通过串行通讯电缆联系。 第一层即为仓库管理计算机部分，是系统主要的人机交互部件。仓库管理计算机不 需直接参与系统的实时控制，只是完成一些指令的传输与状态的显示。仓库管理计算机 一般可采用工业控制计算机，在要求不高的场合，仓库管理计算机也可以采用普通的商 - 9 - 塑奎兰堡兰堡堡兰 堑型至塾壁垫皇竺垡塑重垫丝型墨竺堕型 业p c 机。 第二层为地面控制台部分。主要部件由p l c 与触摸屏组成。地面控制台面板上设有 全自动、半自动模式切换开关与急停按钮。在全自动模式下，地面控制台作为通讯中转 站，向移动货架运动控制模块传达由仓库管理计算机发出的作业指令；接收移动货架运 动控制模块返回的货架状态信息，并将状态信息发送到仓库管理计算机显示，同时在触 摸屏上显示货架状态信息。当仓库管理计算机出现故障时，地面控制台可作为人机交互 的各用部件a 系统工作时，将工作模式切换到半自动模式，然后在地面控制台通过触摸 屏输入控制指令另外地面控制台还有一个紧急按钮，在紧急状态下按下紧急按钮可使 货架立即停止移动。 图2 - 3 移动立体货架运动控制系统总体方案图 第三层机上运动控制柜部分，其核心部件为移动货架运动控制模块。这部分的任务 是根据接收到的控制指令，控制货架移动。货架有左，右两组驱动电机，在移动过程中， 运动控制模块实时监控左、右两组驱动轮的实际位移，根据控制算法不断调整两组驱动 轮的速度，以保证货架处于平移状态，防止货架偏移。同时要求货架移动平稳，防止速 度冲击引起货物倒塌- 如图所示，系统具有一系列的开关量输入信号。通道安全检测传 感器检测货架移动通道是否有障碍物，发现障碍物应立即停车报警；起剑防止货架碰撞， 避免货架损坏与人员伤害作用；模式切换开关可在自动模式与自动手动模式之间切换， l o - 浙江大学硕士学位论文 新型无轨移动屯体货架运动控制系统研制 在自动模式下控制模块根据控制串行通讯指令动作。在手动模式下控制模块不响应串行 通讯指令，只接受控制柜上的手动控制按钮指令。系统调试时，可将模式切换开关切换 到手动模式状态，通过前进按钮或后退按钮控制货架的移动。手动模式为点动控制方式， 即按钮按下时货架移动。按钮松开则停止继电器输出为开关量输出控制信号，在本控 制系统中，每个货架有两个驱动电机，并分别由两个变频器控制。变频器的正，反转控 制端子为无源触点。由控制单元的继电器常开触点控制，共需4 个触点。另外，继电器 输出根据货架的工况控制电控柜上左移、右移、故障指示灯。 2 4 通讯总线方案 本系统工作时，上位机( 仓库管理计算机与地面控制台) 需要向移动货架发送控制 指令，同样移动货架也需要向上位机返回状态信息，所以必须在两者之间建立通讯线路。 在本系统中，仓库管理计算机与地面控制台之间为一对一的全双工通讯模式，采用 r s 2 3 2 通讯协议。地面控制台与货架运动控制模块问为一对多的半双工通讯模式，采用 r s 4 8 5 通讯协议，为主从通讯模式。通讯时，地面控制台作为主机，货架运动控制模块 作为从机。 r s 2 3 2 是美国电子工业协会e i a 制定的一种用于单点通信的串行物理接口标准，该 总线标准共有2 5 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。实际上现在的i b m p c a t 上的r s 2 3 2 接i = 1 为d b 9 的插座，d b - 9 的针脚定义为：c d 载波检测，r x d 接收线、 t x d 发送线、d t r 数据端接收准备就绪、g n d 地线、d s r 数据发送允许、r t s 发送请 求、c t s 清除以发送、r j 电话振铃检测。对于一般的双工通信，仅需r x d ，t x d 与 g n d 三条信号线就可实现。该标准规定的数据传输速率为5 0 ，7 5 ，1 0 0 ，1 5 0 , 3 0 0 ，6 0 0 ， 1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 ，1 9 2 0 0 波特。由于r s 2 3 2 接口标准接收器与发送器间有公共信号 地，不可以使用差分信号，只能传送单端信号。这样共模噪声就会耦合到系统中，为了 可靠的传输采用了1 5 v 负逻辑电平信号，最大通讯距离在1 5 米左右。 r s - 4 8 5 是e i a 在r s - 4 2 2 标准的基础上，研究出支持多节点、远距离和接收高灵敏 度的总线标准。r s 4 8 5 总线作为一种简易、廉价的通信技术，其收发器采用平衡驱动和 差分接收，具有抑制共模干扰的能力。r s 4 5 5 接收器灵敏度可达+ _ 2 0 0m v ，因而大大提 高了通信距离。在1 9 2 k b p s 速率下电缆长度可达1 2 0 0 m ，如果通信距离缩短，最大速率 更可达1 0m b p s 。r s 一4 8 5 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因 此发送电路必须由使能信号加以控制。r s - 4 8 5 用于多点互连时非常方便，只需要两芯电 缆即可，可以省掉许多信号线。应用r s 一4 8 5 可以联网构成多点分布式系统，r s 4 8 5 总 线上允许带多个驱动器和接收器，标准的r s 4 8 5 收发器可带3 2 个节点。随着科技的进 步，如今的收发器可达4 0 0 个节点。由于r s 4 8 5 总线具有设备简单、价格低廉、能进行 长距离通信的特点，故在工程中得到了广泛应用1 1 2 6 1 k 一 、 浙江大学硕士学位论文新型无轨移动立体货架运动拧制系统研制 2 5 移动货架的安全检测装置方案 g l 叫 - 厂 jjl 1 书d d 2 s 2 。$ 3s 4 l l i 一 6 2 图2 - 4 移动立体货架传感器布置示意图 移动货架的安全检测传感器如图2 _ 4 所示。图中，s l ，s 2 为减速检测开关，s 3 、s 4 为停止检测开光，减速检测与停止检测均采用漫反射式光电开关。减速检测开关与停止 检测开关可采用相同型号，不同之处只在于光电开关的反射有效距离。光电开关的反射 距离可通过光电灵敏度调节，减速检测光电开关的反射面距离比停止检测光电开关的 远。图2 4 中向下的箭头方向即为光电开关的反射物的探测方向。在货架移动过程中， 当减速检测光电开关( s l 或s 2 ) 检测到阻挡物时，货架从高速切换到低速状态；当停 止检测光电开关( s 3 或s 4 ) 检测到阻挡物，货架立即停止驱动输出，并发出电机制动 信号。如此，在非接触的情况下即可保证货架间保持一定的安全距离。为提高可靠度， 减速检测开关与停止检测开关在货架两端均有布置，任何一段的光电开关检测到反射物 信号均为有效。s 7 ，s 8 为防撞行程开关，一般情况下s 7 、s 8 行程开关是不会被撞上的。 但是，当由于s 1 、s 2 或者s 3 、s 4 失效而无法使货架在安全距离内停止时，s 7 ，s 8 与 前方阻挡物相撞，行程开关信号有效，控制系统立即切断控制驱动电源，强迫货架停止， 从而防止事故进一步恶化。s 5 ，s 6 为通道异物检测光电开关，采用对射式光电开关， 图中s 5 为光电发射管，s 6 为光电接收管，光电开关光路如图中水平虚线所示。异物检 测光电开关安装在距离地面5 厘米高度位置，货架在移动过程中光电开关光路被异物遮 挡时，移动货架停止并发出报警声。移动货架传感器清单如表2 - 2 所示。 表2 - 2 移动货架传感器清单 名称品牌型号数量单位功能 漫反射光电开关 y a m a l a k eh p b d 14 只减速判断 漫反射光电开关 y a m a t a k eh p b d 14 只停止判断 对射型光电开关 y a m a t a k eh p l o m t l4对 通道异物检测 行程开关施耐德x c e 1 1 3 4 只极限停止 光电编码器 o m r o n e 6 c 2 c w z 6 c 2 只位移检测 1 2 - 浙江大学硕士学位论文新型无轨移动立体货架运动拧制系统研制 2 6 移动货架的位移检测装置方案 作为一个位移同步控制系统，位移的检测将是必不可少。移动货架系统通过检测货 架两侧轮子的实际位移，通过自动控制算法实现两侧轮子保持同步。常用的位移检测传 感器有电容式位移传感器、电感式位移传感器，光栅传感器、旋转光电传感器以及激光 测距传感器。电容式位移传感器、电感式位移传感器、测量距离比较短，不适合本系统 应用；光栅传感器价格贵、体积大，不便于安装；激光测距传感器价格昂贵，本系统不 予考虑。编码器作为检测转速、线速度、线位移、角位移的传感器，是利用码盘将这些 信号转换成亮、暗光信号，再用各种光电器件的光电效应将光信号转换成电信号输出。 可以说是一种最简单的数字式传感器，精度高且可靠，应用非常广泛。经比较本系统适 合采用旋转式光电编码器来检测位移信息。通过对光电编码器的输出脉冲进行计数测量 货架轮子的转角，轮子转角与货架的位移成正比。 编码器按照输出电平产生方式可以分为增量式编码器和绝对编码器。其中增鼍式编 码器作用是随着转轴的旋转产生连续单一的脉冲，可以用来测鼍速度，转速等。增量式 编码器的工作原理为：在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧，安放 发光元件和光敏元件。当圆盘旋转时，光敏元件接收的光通晕随透光线条同步变化，光 敏元件输出波形经过整形后变为脉冲，码盘上有z 相标志，每转一圈输出一个脉冲。此 外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差9 0 0 的两路脉冲信号，两路脉冲信号相位 随着转轴旋向不同而改变。绝对值编码器的工作原理为：不同于增最式编码盘，在编码 盘径向上不同的位置刻有不同透光区，光敏元件在不同的位置受到不同的光照，通过光 电转化输出不同的信息代码，从而检测出编码盘的绝对位置。输出编码类型有自然二进 制码与格雷码二进制码。以自然二进制码为例，自然二进制代码的位数可为8 1 2 位。 一一n 假设代码的位数为月，那么光电编码器的分度值为3 6 0 么。，月值越大，则精度越高， z 价格越高。通过输出的代码值可确定光电码盘的绝对位置1 2 7 1 1 2 ”。对于本应用系统来说， 理论上两种编码器均可实现移动货架轮子位移的检测。但是增量式光电编码器成本较 低，应用时只要通过简单的计数值比较即可得到轮子的位移误差，应用比较方便。所以 本系统选用增鼍式光电编码器。 对于增量式光电编码器，在采购选型时主要考虑的以下几点： 每转脉冲敷：码盘旋转一圈一路信号产生的脉冲数量，脉冲数越多则精度越高，同 时脉冲频率也越高，由此会占用更多的c p u 时间：所以编码器脉冲数也并不是越高越 好。根据2 1 1 小节计算结果两侧轮子的位移偏差控制要求为_ _ 8 3 m m ，初步选定光电编 码器测鼍分辨定为l m m 。本系统货架轮子的周长为8 0 0 r a m 左右，所以要求轮子每转有 8 0 0 个脉冲计数值。由于在编码器信号处理时，对编码器信号进行了四倍频处理，所以 可选择2 0 0 脉冲转的光电编码器。根据货架的展大移动速度1 0 m m i n ，可计算出最小的 脉冲周期t = 6 m s ，6 毫秒问隔的脉冲对于单片机的运算速度时足够的，所以经验证本系 - 1 3 - ， 浙江大学硕士学位论文新型无轨移动立体货架运动控制系统研制 统选择2 0 0 脉冲，转的编码器合理。 信道种类：输出信号可有为a ，b ，z ，a ，b ，z 六种信号。其中a ，b 两路相位相差9 0 0 ， 相位差可以用来区分编码器轴的旋转方向。当正转时相脉冲超前口相脉冲9 0 0 ，当反 转时口相脉冲超前相脉冲9 0 0 在旋转角度测量应用中，z 信号具有较零作用，避免 累计误差。设置反相信号是为了抑止共模干扰，达到长线驱动的目的。图2 - 5 为光电编 码器的输出脉冲图。根据测量要求，本系统选择编码器只需彳口两种信号即可。 接口形式：接口形式有电压输出、集电极开路输出、长线驱动输出与互补推拉输出 等；由于本系统还有其他按钮型开关量输入信号，为了使电路结构统一，本系统选用集 电极开路输出型的编码器。 机械连接方式：编码器与传动轴的连接方式可以有套接，对接等。编码盘的震动往 往会引起输出脉冲的抖动，导致计数误差。为了减少震动，提高测最糖度，一般采用柔 性连轴器( 比如橡胶套筒) 连接。 图2 - 5 光电编码器输出脉冲图 2 7 移动货架交流调速驱动方案 2 7 1 货架驱动方案 本系统货架两侧轮子跨度迭1 0 米，如果只用一个电机驱动，两侧轮子可采用驱动 轴连接。表面上看，采用一个电机驱动可以使两侧轮子的转速完全一致，但是由于货架 载荷的不平衡与地面光洁度不一致，货架驱动轮与地面之间并不是纯滚动的，货架又没 有导向轨道，所以会导致货架两侧的实际位移不一致。由于只用一个电机，这种位移偏 差是不可控的，不能达到纠偏的目的。基于以上原因，本系统不适合采用单电机的驱动 方案。本系统货架两侧驱动轮分别采用一个交流电动机单独驱动，电机驱动方式如图2 4 ，1 4 浙江大学硕士学位论文新型无轨移动奇体货架运动控制系统研制 所示，图中d l 、d 2 两驱动电机。每个电机采用交流调速，通过适当控制算法实现同步 控制。同步控制主要有以下两种方式： ( 1 ) 同等控制方式 同等方式是指：需同步的两个执行元件都同时跟踪理想输出值，两个执行元件同时 受到控制并达到同步驱动的控制形式。在这种控制方式下，以同等的方式对待每一个控 制电机，两台电机分别跟踪用户的给定值，而不是彼此互相跟踪，因此系统跟踪给定值 的效果很好。但是因为不同的电机的动态性能不可能完全一样，并且由于受到负载干扰 和噪声干扰等诸多因素的影响，各电机的动态性能也是在不断地改变的，所以两台电机 之间的精确同步也会受到影响，况且采用同等控制方案会使控制算法变得更复杂。所以 同等控制方式并不是最好的选择，应该考虑选择主从式控制方式。 ( 2 ) 主从控制方式 主从方式是指：需同步的两个执行元件以其中的一个执行元件作为另一个执行元件 的跟踪对象，控制另一个执行元件并达到同步驱动的控制形式。即选择系统中的一个电 机做为主动电机，另一个电机做为从动电机。主动电机以用户给出的速度和位置给定值 作为参考值，在运行过程中紧密地跟踪系统的给定值，而从动电机不是跟踪用户的给定 值了，而是以主动电机的速度和位置作为自己的参考值，在运行过程中紧密地跟踪主动 电机。采用主从控制方式具有控制算法简单、同步精度高的优点。 2 7 2 交流调速系统概况 交流调速系统，就是以交流电机作为电能柳械能的转换装置，并通过对电能的 控制以产生所需的转矩与转速。 交流电动机调速的发展可具体归纳为兰个方面：首先，转差频率控制、矢量变换控 制和直接转矩控制等新的交流调速理论的诞生，使交流调速有了新的理论基础；其次， g t r 、m o s f e t 、i g b t 等为代表的新一代大功率电力电子器件的出现，其开关频率， 功率容量都有很大的提高，为交流调速装置奠定了物质基础；再者，微处理器的飞速发 展，使交流调速系统许多复杂的控制算法和控制方式能得以实现。 交流异步电动机调速系统种类繁多，常见的有：降电压调速