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东北大学硕士学位论文摘要 自动化立体仓库监控系统的研究 摘要 自动化立体仓库( a s r s - - a u t o m a t e ds t o r a g ea n dr e t r i e v a ls y s t e m ) 产生于二十世纪五十年代，是用自动化物料搬运设备进行货物出库和入 库作业的仓库。自动化立体仓库产生的巨大经济效益，使其应用日益广 泛，对自动化立体仓库的研究也成为热点。 自动化立体仓库主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制 和管理等三大系统所组成，物料搬运设备是自动化立体仓库的主要作业 机械。本论文以目前自动化立体仓库中普遍使用的搬运设备一巷道式堆 垛机为研究对象，对堆垛机的控制系统及仓库的管理软件进行探讨。具 体内容包括： ( 1 ) 针对堆垛机位置控制是点到点控制的特点对堆垛机的位置控制进 行研究，提出以单片机为核心的堆垛机的控制系统。系统用单片机作控 制器，通过变频器对堆垛机的运行电机进行控制。实现堆垛机运行过程 中变速的要求；选用增量式光电编码器对堆垛机位移进行测量，实现堆 垛机定位。 ( 2 通过对堆垛机的运行过程和功能要求进行分析，由并行接口、数 据采集、人机接口、中断、串行口等部分组成单片机的硬件，编写了相 应的控制程序，从硬件和软件两方面保证堆垛机控制功能的实现。 ( 3 ) 对自动化立体仓库的管理软件进行了研究。在对仓库业务分析的 基础上，结合软件的可操作性、软件维护、系统安全性等方面的考虑， 以v b 为编程语言，结合数据库技术，设计了仓库管理系统。 关键词：自动化立体仓库堆垛机单片机控制系统仓库管理软件 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a u t o m a t e ds t o r a g e 19 5 0 s ，w h i c hc a r r i e sf r e a b s t r a c t a n dr e t r i e v a ls y s t e m ( a s r s ) c a m ei n t o b e i n gi n i g h ti na n do u tw i t hh i g h r i s es h e l fa n da u t o m a t e d m a t e r i a l sh a n d l i n gm a c h i n e b e c a u s eo ft h eg r e a tb e n e f i tf r o mt h eu s eo f a s r s ，t h ea s r sw i l lb eu s e dm o r ea n dm o r ea n dt h er e s e a r c ho nt h e a s r sh a sb e e n h o t s p o t t h ea s r si n c l u d e st h r e ep a r t s ：s t o r a g e s y s t e m ，r e t r i e v a la n ds t o r a g e s y s t e m ，a n dc o n t r o l l i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e m t h em a t e r i a l sh a n d l i n g m a c h i n ep l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ea s r s i nt h i s p a p e r ，t h ec o n t r o l s y s t e mo ft h es t a c k e rc r a n ea n dt h ew a r e h o u s em a n a g e m e n ts o f t w a r ea r e d i s c u s s e d t h ep a p e ri n c l u d e s ： ( 1 ) t h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e ri sp u tf o r w a r dt of i n i s h t h ep o i n t t o p o i n tp o s i t i o nc o n t r o lo ft h es t a c k e rc r a n e t h es e l e c t i o no ft h e v e l o c i t yd u r i n g t h e r u n n i n gp r o c e s s i sr e a l i z e d b y t h ei n v e r t e ra n dt h e d i s p l a c e m e n ti sm e a s u r e db yt h ep h o t o e l e c t r i ce n c o d e r ( 2 ) o n t h ea n a l y s i so ft h er u n n i n g p r o c e s sa n dt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t o ft h es t a c k e rc r a n e ，t h eh a r d w a r e i n c l u d i n gp a r a l l e li n t e r f a c e ，m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ，i n t e r r u p t ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea sw e l la st h e c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ei se s t a b l i s h e d ，w h i c he n s u r e st h er e a l i z a t i o no ft h e c o n t r o lf u n c t i o n ( 3 ) o nt h er e s e a r c ho f t h em a n a g e m e n ts y s t e mo fa s r s ，t h ew a r e h o u s e m a n a g e m e n t s o f t w a r ei s d e s i g n e d o na c c o u n to ft h e m a n e u v e r a b i l i t y ， m a i n t e n a n c ea n ds e c u r i t yo ft h es o f t w a r e ，w h i c hi sr e a l i z e db yv i s u a lb a s i c a n dt h ed a t a b a s et e c h n o l o g y k e y w o r d s a s r s ，s t a c k e rc r a n e ，m i c r o e o n t r o l l e r ，c o n t r o ls y s t e m ， w a r e h o u s e m a n a g e m e n t s o f t w a r e i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文，是在导师的悉心指导 下，由作者独立完成的。论文中所取得的研究成果，除 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用 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了谢意。 本人签名： 日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 自动化立体仓库概述 自动化立体仓库又称立库，自动存取系统a s r s f a u t o m a t i cs t o r a g e & r e t r i e v a ls y s t e m ) ，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。 使用自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。它通过 高层货架存储，使存储区大幅度地向高空发展，提高了空间利用率；自 动化立体仓库采用层积式存放，结合计算机管理，可以很容易实现先入 先出，防止货物的自然老化、变质和损坏：通过自动存取系统( a s r s ) ， 加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度； 采用自动化技术后，还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等 特殊场合的物品存储需要；计算机控制能够始终准确无误地对各种信息 进行存储和管理，减少了货物处理和信息处理过程中的差错；同时借助 于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力，便于清点和盘库，合理减 少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。自 动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管 理的自动化。同时。由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，减少 了浪费，保证均衡生产，也提高了操作人员素质和管理人员的水平。 自动化立体仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产和技术发 展的结果。1 9 6 3 年美国首先在仓库业务中采用计算机控制，建立了第一 座计算机控制的立体仓库。 我国的立体仓库起源于上世纪七十年代末，1 9 8 0 年我国自行研制的 第一座自动化立体仓库投入使用。近几年来立体仓库在我国得到了迅速 的发展，大型的自动化程度很高的仓库不断建成，主要应用于汽车( 如东 风汽车) 、家电( 海尔) 、烟草( 红塔集团) 、印刷，化工( 仪征化纤) 等行业。 自动化立体仓库通常有以下几种分类方式，按建筑形式可以分为整 体式和分离式；按自动化仓库与生产连接的紧密程度可分为独立型( 也称 离线型) 、半紧密型和紧密型仓库( 在线型) ：按货物存取形式可以分为单 元货架式、拣选货架式；按照在生产流通中的作用可以分为生产性仓库 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 和流通性仓库；按货架的结构形式可以分为单元货格式、贯通式、水平 循环式和垂直循环式，其中以单元货格式仓库使用最广。 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 所组成。货物存储系统由立体货架的货格( 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i 货物存取和传送系统承担货物 存取、出入仓库的功能，它由有轨或无轨堆垛机、出入库输送机、装卸 机械等组成：自动化立体仓库视情况不同采取不同的控制方式：有的仓 库只采取对存取堆垛机、出入库输送机的单台p l c 控制，机与机无联系； 有的仓库对各单台机械进行联网控制。更高级的自动化立体仓库的控制 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、出入库输送等直接控制的可编程序控制器组成控 制系统。 立体仓库的发展大致分为五个阶段：人工仓储技术阶段、机械化仓 储技术阶段、自动化仓储技术阶段、集成自动化仓储技术阶段、智能自 动化仓储技术阶段。智能自动化仓储技术还处于初级发展阶段，在二十 一世纪仓储技术的智能化将具有广阔的应用前景。 1 2 自动化立体仓库研究概况 自从g u d e h u s 、g r a v e s 、h a u s m a n 和s c h w a r z 将自动化立体仓库的设 计、规划和控制作为一个新的研究课题提出后，仓库系统的运作就引起 学者相当的关注。自上世纪七十年代以后，管理的焦点从生产率的提高 转移到降低库存上来，信息技术的发展使之得以实现，制造资源计划 ( m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c ep l a n n i n g - - m p r i i ) 便是显著的例子。随着市场 竞争的日益激烈，产品需求体现为小批量多品种，流通速度加快。针对 这种变化，出现了“即时生产”( j u s t i n t i m e - - j i t ) 的概念。j i t 尝试以生 产所需零件的最小库存实现大量生产制品。这就使仓库中货物存储单元 ( s t o c kk e e p i n gu n i t s - - s k u s ) 的种类变得多样，数量减少，流通的更频 繁，响应时间要求更短。对质量上的关注，使仓库管理的着眼点转到减 少货物的损坏、提高货单拣选的准确性和建立迅捷可靠的交易上。仓库 和配送物流的趋势是供应链管理( s u p p l y c h a i nm a n a g e m e n t ) 和高效消费 响应( e f f i c i e n tc o n s u m e rr e s p o n s e - - e c r ) 。供应链管理和e c r 追求由需 东北大学硕士学位论文第一章绪论 求驱动的供应链组织，小库存、快捷可靠响应的要求贯穿整个供应链。 这种组织需要供应链中企业间的紧密合作和销售数据的快速反馈。信息 技术使这方面的发展可以通过电子数据交换( e l e c t r o n i c d a t a i n t e r c h a n g e - - e d i ) 和诸如基于m r p 的企业资源计划( e n t e r p r i s er e s o u r c e p l a n n i n g - - e r p ) 系统和仓库管理系统( w a r e h o u s em a n a g e m e n ts y s t e m s w m s ) 之类的软件系统实现。 新的市场极大的影响了仓库的运作方式。一方面，市场要求提高生 产率；另一方面，市场的快速变化中增加了引进资本密集的高性能仓储 设备的投资风险。因此，在这种复杂环境中，能够为仓库的规划和控制 提供一种可靠平台的成熟技术就有了相当大的需求。 针对这种变化，对仓库的研究集中在提高仓库的响应快速性，柔性， 利用率以及降低库存等方面，而不再盲目追求大型化。根据市场的需求， 许多适合大批量制造的生产线正逐步改造为小批量多品种的柔性生产 线，与生产结合紧密的生产性自动化立体仓库柔性化的趋势越来越明显。 为了提高仓库的利用率、降低库存，许多学者进行了这方面的研究， 提出多种优化库存的算法。在仓库的控制方面，引入了“代理人技术”。 即把控制功能模块化，系统的功能被划分为不同的模块，由功能模块实 现不同任务。 集成化的物流系统软件的开发与研究成为热点。物流仿真系统软件 成为虚拟制造系统的重要组成部分，通过对系统进行虚拟仿真，经过不 断完善和修改，最终可以降低成本，提高效率。制造执行系统软件与物 流系统软件合二为一，并与e r p 系统集成。 1 3 本文的研究内容及方法 巷道式堆垛机是立体仓库中最重要的运输设备，它是随着自动化立 体仓库出现而发展起来的专用起重机。其主要用途是在高层货架中来回 穿梭运行，将位于巷道口的货物存入货格；或者相反，将货格中的货物 运送到巷道口。 巷道式堆垛机是仓库主要作业出库和入库的执行机构，对堆垛 机的控制直接影响到仓库的管理和运行效率。 巷道式堆垛机由运行机构、起升机构、装有存取货物机构的载货台、 机架和电器设备组成。机架有单立柱和双立柱两种形式，沿天轨运行， 一3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 为了防止框架倾倒，上梁上装有导向轮。堆垛机的下横梁上装有运行驱 动机构和在轨道上运行的车轮。按运行机构所在位置不同可以分为地面 驱动式、顶部驱动式和中部驱动式几种，其中地面运行式使用最多。这 种方式一般用两个或四个承重轮沿铺设在地面上的轨道运行。堆垛机的 顶部有两组水平轮沿天轨导向。堆垛机的起升机构由电动机、制动器、 减速机、卷筒或链轮以及柔性件组成，常用的柔性件有钢丝绳、起重链 等。卷扬机通过钢丝绳牵引载货台作升降运动。载货台是货物单元的承 载装置。存取货装置是堆垛机的特殊工作机构，根据货物外形要求进行 设计，以伸缩货叉最为常见。电器设备主要包括电力拖动、控制、检测 和安全保护。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。堆垛机必须有自动认址、货位虚实检测以及其他检测。电 力拖动系统要满足快速、平稳、准确三方面的要求。堆垛机的结构设计 除满足强度要求和刚度要求外，还必须有足够的精度。安全保护装置有： 终端限位装置，连锁保护，正位检测控制，载货台断绳保护等。 目前堆垛机通用的控制方案是用可编程控制器( p l c ) ，通过认址片和 计数器来实现堆垛机的位置和速度的控制。由于p l c 专为工业环境下应 用设计，具有可靠性高、通用性强、维护工作量小等优点。现在运用比 较成熟的控制方式是用p l c ( 可编程控制器) 作执行机的控制器，或单机 控制，或由p l c 配置通讯模块联机控制。监控机对堆垛机的控制通过与 p l c 通信实现。p l c 由于体积小，可读性好。可靠性高，抗干扰能力强， 编程简单而在工程实际中大量应用。p l c 控制中堆垛机的认址方式一般 采用绝对认址与相对认址混合方式，位置定位通过两对光电开关实现。 这种方案的缺点是：堆垛机的认址需要较多的认址片，硬件成本比 较高；其控制方式为开环控制，控制精度较低，不便于实现堆垛机的实 时监控。 基于上述情况，对堆垛机的控制方案进行研究具有一定的实际意义。 本论文以一个离线单元货格式立体仓库为背景，对堆垛机的控制系 统进行研究。课题的研究内容包括： f 1 ) 针对堆垛机的位置控制实现的是从点到点的位置控制这种特点， 提出了用增量式编码器对堆垛机位移的测量，实现堆垛机定位的方案； ( 2 1 对堆垛机的停机过程分析，确定停机时阻力的计算依据； ( 3 ) 对堆垛机的运行过程和控制要求进行分析，构建可以满足堆垛机 - d - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 运行控制功能的单片机控制系统，从硬件和软件上保证堆垛机控制功能 的实现； ( 4 ) 对堆垛机进行运动分析，以时间最短为原则，对仓库管理软件进 行研究，以v b 为编程语言，结合数据库技术，设计了仓库管理系统。 采用单片机构成控制器，进行合理的设计，采取相应的抗干扰措施， 具有相同的功能而相对p l c 有价格上的优势。单片机因为其功能较强， 计算速度快，在控制比较复杂的情况下有自己的优点。使用位移测量装 置实现堆垛机的定位，可以大幅度减少认址片和传感器的数量，从而降 低硬件成本。控制功能主要通过软件来实现，简化了安装过程，降低了 安装成本，增加了系统的适应性，这在仓库柔性化的发展趋势下具有广 阔前景。 5 东北大学硕士学位论文 第二章控制功能分析 第二章控制功能分析 2 1 堆垛机的工作过程 堆垛机进行作业时，首先要确定控制方式，因为控制方式将决定作 业任务信息的取得。作业任务信息包括：目标位置，作业内容( 取货还是 送货) 。在自动控制方式下，作业任务信息由上位机提供；半自动控制方 式下，作业任务信息通过人机界面获得；手动控制方式主要用于调试和 故障处理时，不进行仓库作业。明确了作业任务之后，通过堆垛机的控 制来实现货物的存取。 堆垛机的动作根据作业的不同有所差别。送货过程中。堆垛机首先 运行至目标位置，然后从货架上取货，载货台下降至零点位置，堆垛机 返回货台，送货到货台。从货架取货时，货叉的上表面低于托盘一定的 距离，货叉伸出到位后，载货台有一个微升的动作，将托盘举起到一定 的距离离开货架牛腿，货叉收缩，完成从货架取货的动作。送货到货台 时，货叉伸出到位后，载货台微降的动作，使托盘放置到货台上，货叉 离开托盘一定的距离后收缩，完成向货台送货的动作。送货过程中，首 先从货台上取货，运行到位后，向货架送货，其中载货台也有类似的微 升微降的动作。 堆垛机运行时，为了提高运行效率，往往设计高、中、低几档速度， 正常运行于高速，接近目标时，切换到低速运行，以利于堆垛机的停准， 减少设备的冲击。 取货送货作业中，堆垛机的运行过程如图2 1 所示。从图中可以看 出，堆垛机作业的完成，关键在于位置的控制，即如何使堆垛机运行到 目标货位。 2 2 堆垛机的位置控制 2 2 1 堆垛机的控制方式 堆垛机的位置控制方式有很多，按寻址方式可分绝对认址邢相对认 址： 一6 一 东北大学硕士学位论文第二章控制功能分析 取货过程 | | 送货过程 圈2 1 堆垛帆的运行过程 f i g 2 1r u n i l i n gp r o c e s so f t l z es t a c k e re r an e ( 1 ) 绝对认址：可以为每一个货位定制一个绝对编码，即为每个货位 制作一个专用的认址片，堆垛机上相应安装一个识别器，通常为一组光 电开关，通过读取认址片的代码来判断堆垛机当前位置。这种认址方式 可靠性较高，但认址片制作复杂，成本也较高。此外，还可以用激光测 距仪通过量堆垛机到基准点的距离和事先存储在p l c 中的位数据比较来 确定堆垛机当前位置，这种方式可靠性很高，但成本高。实际产品中这 种方案采用较少。 f 2 ) 相对认址：即堆垛起重机每通过一个位置就记录一个数，一直移 动到和预定位置号一致时停止移动。这个方法的特点是电路简单，但由 于其它因素干扰可能引起计数出错。可以在p l c 的软件中加保护，即堆 垛机每走过一个货格的时间超过或少于正常的时间范围就报警。这样就 可以有效的避免计数出错。这种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。相对认址也可以通过在运行方向安装旋转编码器来实现，将 每个货位的编码器脉冲数存于p l c 中，堆垛机停准后取该位置的记忆值 做校验。这种方式成本较低，可靠性较高。为了增加相对式编码的可靠 性，可以增加奇偶校验，比如采取四循环码。 位置的确定；目前普遍采用的方法是，堆垛机上安装两只光电开关， 送货到货架 东北大学硕士学位论文第二章控制功能分析 两对光电开关按运行方向前后成一直线安置，两只光电开关之间的距离 为18 0 m m ，挡光板的长度为2 0 0 m m 。运行时，前面的光电开关用来计数。 一般的情况下堆垛机以高速运行，当运行到距目的地址还差2 3 个货位 时，由高速均匀减速到中速，以中速继续向前运行，计数到位后f 即第一 个光电管被挡光，距准确位置还有1 9 0 m m ) 再由中速均匀减速到慢速，再 以慢速向前继续运行，当后面的光电开关被挡光后刹车定位。此种方法 的定位精度为士1 0 m m ，允许最高速度为4 0 0 m m i n 。其原理图如图2 2 所 不。 r 图2 2 定位示意图 f i g 2 2s k e t c ho fo r i e n t a t i o n 2 2 2 堆垛机控制用控制器 目前，堆垛机的控制器均采用p l c 。p l c ( 可编程逻辑控制器 - - p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) 专为应用于工业环境下设计。它采用可 编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时计 数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制 各种类型的机械或生产过程，按照易于与工业控制系统形成一个整体和 易于扩充其功能的原则设计。它是在继电器控制逻辑的基础上，与 3 c ( c o m p u t e r 、c o n t r o l 、c o m m u n i c a t i o n ) 相结合不断发展和完善的，已经 从单机顺序控制发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。 从广义上讲，p l c 也是一种计算机控制系统，只是它具有比一般计 算机更强的与工业过程相连接的接口和更直接适应于控制要求的编程语 言。它的组成包括中央处理器( c p u ) 、存储器、输入输出o o ) 接口、电 源等，如图2 3 所示。输入部件是p l c 与工业生产现场被控对象之间的 连接部件，是现场信号进入p l c 的桥梁。输入部件均带有光电耦合电路。 一r 一 东北大学硕士学位论文 第二章控制功能分析 输出部件功能是控制现场设备，为了便于直接控制执行元件，输出部件 的输出级往往是大功率器件。中央处理器是p l c 系统的核心，具有面向 电器技术人员的开发语言。编程器的作用是供用户进行程序的编制、调 试、监视。大部分的p l c 提供了存储器的扩展功能。为了实现人机或机 机之间的对话，p l c 配由多种通信接口，p l c 通过可以和人机界面或其 他p l c 和计算机相联。为了满足复杂控制功能的需要，p l c 还配有多种 智能i o 接口，这类智能模板往往有其自身的处理器系统；p l c 还提供 了i o 的扩展接口。 2 2 3 控制方案的提出 图2 3p l c 的基本组成 f i g 2 3m a k e u po fp l c 工程实践中采用的堆垛机控制方案是：p l c 作控制器，认址方式为 相对认址。位置的确定通过对认址片的计数实现，因此需要大量的认址 片，硬件成本较高。由于认址片得到的只是堆垛机地址信息，无法实现 闭环控制，控制精度比较低。 从控制器的角度来说，与单片机相比，p l c 具有容易掌握，使用简 单，可靠的特点：但是，在数据采集、数据处理方面不如单片机，而且 p l c 的价格比单片机要高的多。 堆垛机的位置控制实质是实现从点到点的控制。针对现有堆垛机控 制方案的特点，本文提出了一种使用单片机作控制器，充分发挥计算机 高精度和高速度的特点，用增量式光电编码器测量位置的来实现对堆垛 机的闭环控制方案。控制系统组成如图2 4 所示。 位置测量通过对编码器输出脉冲的计数实现，减少了认址片的数量； 降低了整个系统的成本。 一9 一 东北大学硕士学位论文 第二章控制功能分析 图2 4 控制结构图 f i g 2 4c o n t r o ls t r u c t u r e 2 3 堆垛机的功能需求 堆垛机是自动化立体仓库的核心设备，对堆垛机的控制成功与否影 响到整个仓库系统的运行。 堆垛机的控制方式一般有手动控制、半自动控制、自动控制三种控 制方式。自动控制方式下，堆垛机接收上位机的控制信息进行运作；半 自动方式下，通过键盘输入堆垛机得到运行指令；手动方式则用于系统 的调试和维修。 堆垛机控制从功能上可以分为以下几部分： ( 1 ) 三维动作控制：控制堆垛机在水平、垂直、左右方向的运行； ( 2 ) 位置控制：控制堆垛机以适合的速度运行并精确的定位在货格或 入出库口处； ( 3 ) 通讯功能：堆垛机与上位机和其它仓库设备的通讯； ( 4 ) 保护功能：提供各种电气和机械保护，保证堆垛机在高速、频繁 的运行和取送货过程中不会发生事故： ( 5 ) 人机界面：通过键盘或其它输入和显示设备，提供本机或遥控操 作及向操作人员提供堆垛机的各种状态信息。 通过上面的分析，堆垛机的控制系统应具有c p u 系统、并行输出、 位置测量、通讯以及人机界面等几个部分。 为了提高堆垛机的运行效率，堆垛机沿着轨道的运行速度( 水平方向) 较高；要实现堆垛机的停准，减少堆垛机运行中的惯性冲击，在堆垛机 接近目标位置时又需要堆垛机以比较低的速度运行。为了满足运行中速 度变化的要求，采用变频器来实现电动机转速的调节。三个方向的运动 控制通过对变频器的控制来实现。 堆垛机的位置信号通过增量式编码器得到，堆垛机的停准依靠位置 测量值与目标值的比较来实现。控制精度由控制算法保证。 一1 0 东北大学硕士学位论文第二章控制功能分析 堆垛机通过单片机提供的串行口实现单片机与上位机或者其他设备 的通讯。 保护措施主要包括以下内容： ( 1 ) 在堆垛机水平运行的前后端设置减速保护开关和限位保护开关； ( 2 ) 在堆垛机垂直运行的上下端设置减速保护开关和限位保护开关； ( 3 ) 在堆垛机货叉运行的左右端设置限位保护开关； ( 4 ) 货物检测：对超高、超宽、超重或位置不正的货物禁止入库： ( 5 ) 非正常操作的保护：如货叉不在原位应禁止堆垛机水平运行等： ( 6 ) 货位虚实检测：对有货货位不能重复送货： ( 7 ) 自检：判断堆垛机各个检测开关是否正常，并在其异常时报警。 保护措施的实现由软件根据各处的检测装置提供的电信号进行相应的处 理。 人机界面是监视执行机构状态和人为干预堆垛机运行的手段。人机 界面提供输入数据或命令的手段，显示堆垛机的运行状态。对故障状态、 操作进行提示。 对速度的调节通过变频器来实现。变频器的基本端子如图2 5 所示。 当启动停止端和公共端连通时，电机正转；当启动，停止端、正反转端 和公共端连通，电机反转；制动端和公共端连通时，电机制动。通过控 制可编程端子与公共端的通断则可以实现速度的调节。频率设定端提供 了使用模拟电压( v 1 ) 或电流( c 1 ) 控制速度的手段，通过调节输入端子电 压( 电流) 的大小实现速度的调节。 r 堋 f r f r e s l s 2 s 3 c 伽 v l c l 图2 5 变频器示意图 f i g 2 5s k e t c ho fi n v e r t e r 2 4 堆垛机的运动分析 。 堆垛机的运动有三个方向的运动组成：沿轨道方向的运动( 水平运 动) 载货台的提升运动( 垂直运动) ，货叉的伸缩运动。为了保证堆垛机 一1 l 一 东北大学硕士学位论文第二章控制功能分析 高效率的运行和准确定位，堆垛机的运行通常设定几档速度，正常运行 时采用高速。以便于提高效率；接近目标时，降至低速，利于停准。 本文以一个离线式仓库为研究对象，该仓库主要参数如下： 水平运行速度： 2 t 3m s ( 4 0 m m i n ) ；爬行速度：1 1 2m s ( s m m i n ) ； 提升速度：o 2 5 m s ( 15 m m i n ) ；微升降速度：o 0 5 m s ( 3 m m i n ) ； 货叉伸缩速度：1 6m s ( 1 0 m m i n ) ； 提升重量：5 0 0 k g ； 加速度：o 5 m s 2 ； 堆垛机总重：5 0 0 0 k g ： 位置误差：士o 0 1 m 。 水平运行设定两种速度，其速度曲线如图2 6 所示。在接近目标位置 时，变频器以低频运转。提升速度虽然不高，但是考虑提升机构的微升 降动作，也设计了两档速度，低速位3 m m i n 。货叉伸缩机构的速度为恒 定值。 1 毯 馏 位置。 曲线卜一堆垛机运行距离大于3 个贷格时 曲缱争一堆墚机运行距离在3 个贷格以内 图2 6 承平运行速度曲线 f i g 2 6d i o r r a o lo fh o r i z o n t a iv e l o c i t y 堆垛机的位置控制关键在于实现停准。下面对堆垛机的停车过程进 行运动分析。堆垛机运行至停车误差范围内即距离准确位置l o m m 时停 车。根据动能原理， 1 三m y 2 = f s ( 2 1 ) 2 可以得到停车所需阻力计算公式( 2 2 ) 和一定阻力下从减速开始到停 车时的位移公式但3 ) 。 1 2 一 东北大学硕士学位论文第二章控制功能分析 f ：堕 2 s s ：生 2 f ( 2 2 ) ( 2 3 ) 利用式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 分别对载货运行和无货运行的阻力及停车位移计 算可以得到： 载货运行时阻力f = 1 9 0 9 7 n ，在此阻力下，堆垛机无货运行时的停 车位移s = o 0 0 9 0 9 m ( 9 0 9 m m ) ，停车误差约等于1 m m 。 无货运行时阻力仁1 7 3 6 1 n ，在此阻力下，堆垛机有货运行对的停 车位移为s = 0 0 0 7 5 m ( 7 5 m m ) ，停车误差约等于2 5 m m 。 对比以上结果，可以发现，载货运行时计算得到的停车误差较小。 停车时所需的阻力较大，仅靠运行时的摩擦力无法实现准确停车， 必须增加阻力。而变频器恰恰提供了一种能耗制动方式，利用电机转子 转动切割静止磁场而产生的制动力矩，将动能消耗到异步电机的转子电 路中。 通过以上分析，只要控制堆垛机在到达停车位时及时制动，就可以 实现停准。 2 5 单片机控制系统的开发过程 单片机系统是指以单片机为核心，配以一定的外围线路和软件，能 实现一定功能的应用系统。它由硬件和软件部分组成。硬件是系统的基 础，软件是在硬件的基础上对硬件的台理调配和使用，从而完成应用系 统要完成的任务。一般来讲，单片机应用系统的设计包括硬件设计和软 肝设计量部分，此外还应考虑系统的抗干扰能力，以保证系统可靠的工 作。软件和硬件的功能分配原则上是尽可能的使其配置比接近于1 ，这 时系统具有最佳的性能比。 设计之前，应首先进行可行性调研，然后进行系统总体方案设计， 并且将其进一步细化，明确软硬件的分工，确定各自应完成的功能。 系统的硬件设计包括：一是单片机系统的扩展部分设计，如存储器 的扩展，接口扩展；二是各功能模块的设计，如信号测量模块、人机对 话模块、通讯功能，模块等。设计时应注意通用性，尽可能的选用标准 化、模块化的典型电路，选用通用性强货源充足的元器件；在满足功能 的前提下，留有一定的余地，以备修改扩展之需。系统电路设计定型后， 1 3 东北大学硕士学位论文第二章控帝 功能分析 软件的任务随之明确一般来讲。系统的应用软件是根据系统的功能要求 设计的，软件的功能可以分为两大类。一类是执行软件，它完成各种实 质性的功能，如测量、计算、显示、打印、输入输出控制等；一类是监 控软件，专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当 组织协调的作用。由于应用于生产现场的单片机应用系统容易受到各种 干扰，直接影响到系统的可靠性，因此必须进行系统的抗干扰设计。 单片机的开发流程如图2 7 所示。 图2 7 单片机开发流程 f i g 2 7p r o c e s so fm i c r o c o n t r o l | e r 1 4 东北大学硕士学位论文第三章控制系统的硬件实现 第三章控制系统的硬件实现 根据前面对堆垛机运动控制分析以及功能要求，单片机控制系统由 c p u 系统、数据采集( 位置测量) 、控制量输出( 并行输出) 、人机界面、中 断等部分组成。 3 1 微控制器系统的组成 3 1 1m c s 5 1 芯片和地址锁存器 本系统选用i n t e l 公司的8 0 3 1 芯片。该芯片内部包含了1 2 8 字节的 r a m ，4 个8 位并行i o 口，一个双全工的串行口，2 个1 6 位的定时 计数器，c p u ，中断系统以及特殊功能寄存器。 由于m c s 5 1 单片机的p 01 3 是分时复用的地址数据总线，因此在进 行程序存储器扩展时必须利用地址锁存器将地址信号从地址数据总线 中分离出来。通常，地址锁存器可使用带三 态缓冲输出的八d 锁存器7 4 l s 3 7 3 或8 2 8 2 ， 也可以使用带清除端的八d 锁存器 7 4 l s 3 7 3 ，地址锁存信号为a l e 。本系统选 用了7 4 l s 3 7 3 作为地址锁存器。它与8 0 3 1 的连线如图3 1 所示。使用时，它的锁存控 制端g 直接与单片机的锁存信号控制端 a l e 相连。当7 4 l s 3 7 3 用作地址锁存器时， 首先硬是三态门的使能信号o e 为低电平， 当g 输入端为高电平时，锁存器输入端和输 出端状态相同；当g 端从高电平返回低电平 时，输入端数据锁入8 位锁存器中。 3 1 2i o 口地址译码方式 圈3 i7 4 l $ 3 7 3 与p o 连线 f i g 3 1c o n n e c t i o no f 7 4 l $ 3 7 3 n dp 0 m c s 5 1 单片机的程序存储器和数据存储器地址可以重叠( 单片机访 问这两类存储器使用不同的控制信号) ，不会因地址重叠而发生冲突。但 是由于m c s 5 1 的外部数据存储器和i o 口统一编址，不仅占用数据存 - 1 5 - 东北大学硕士学位论文第三章控制系统的硬件实现 储器单元地址，而且使用数据存储器的读写控制指令和读写指令，使得 数据存储器和外围i o 芯片的地址译码较为复杂。 为了唯一选中外部某一存储单元( z o 口作为数据存储器的一部分1 ， 必须做出两种选择：必须选择出该存储器芯片( 或i o 接口芯片) ，称为片 选；必须选择出该芯片的某一存储单元( 或i o 接口芯片中的寄存器) ，称 为字选。通常的选址方法有两种：线选法和全地址译码法。 线选法即是把单独的地址线( 通常是p 2 口的某一根线) 接到外围芯片 的片选端上，只要该地址线为低电平即选中该芯片。除片选地址外，片 内地址由低位地址线进行全译码。线选法优点是硬件结构简单，但是由 于所用片选线为高位地址线，他们的权值大，地址空间没有充分利用， 芯片间的地址不连续。这种方法在扩展芯片和i o 口少时采用。 全地址译码法将低位地址作为芯片的片内 地址，用译码器对高位地址线进行译码译出的 信号作为片选线。用于r a m 和i o 容量较大 的应用系统，芯片所需的片选信号多于可利用 的地址线时。 本文采用全地址译码法，根据系统的需 要，选用了7 4 l s l3 8 作为译码器。7 4 l s l 3 8 是 3 8 线译码器其引脚如图3 2 所示，表3 1 是7 4 l s l 3 8 的功能表。 b c 凝 激8 冉， y 7 蝴 、， t o v 垤 y 3 y t y 5 y 6 图3 27 4 l s l 3 8 引脚图 f i g 3 2p i no f7 4 l s l 3 8 表3 17 4 l s l 3 8 功能表 t a b l e 3 1f u n c t j o i lt a b l eo f7 4 l s l 3 8 _ 一 _ _ 一一_ _ 一 _ _ g 1g 2 ag 2 b cbau y 6y 5k by 2巧y 0 loo000 l 1lll1l0 l000o1i1il110i 100010 l 1li10il 1000 11llll0li l 100l00lllollll 100l0l1l01lli1 l00ll01011lll l 1001ll0l11lll1 扎他状态 1l11lll1 1 6 东北大学硕士学位论文 第三章控制系统的硬件实现 系统总线结构如图3 3 所示。 3 1 3 存储器的扩展 图3 3 系统总线结构 f ig 3 3s y s t e mb u s y 0 a 7 a 0 d 7 d 0d b m c s 5 l 的程序存储器空间、数据存储器空间是相互独立的。通过不 同的控制信号分别实现对程序存储器和数据存储器的访问。访问外部程 序存储器的控制信号为a l e 和p s e n ( 低电平有效) ，一个周期内c p u 两 次访问外部程序存储器。 程序存储器一般采用e p r o m 芯片。文中选用2 7 6 4 a e p r o m 进行扩 展，其引脚如图3 4 所示。2 7 6 4 a 是8 k 字节的紫外擦除、电可编程只读 存储器，单一+ 5 v 供电，工作电流7 5 m a ，维持电流3 5 m a ，读出时间最 大为2 5 0 n s ，2 8 脚d i p 封装。各引脚定义如下：a 0 a 1 2 为1 3 根地址线， 可寻址8 k 字节；q 0 q 7 为数据输出线；c e 为片选线；o e 为数据输出 选通线；p g m 为编程脉冲输入端；v p p 是编程电源；v c c 是主电源。 单片机系统中，静态r a m 是最常用的，无须考虑刷新问题，因此 与微处理器的接口简单。文中选用的6 2 6 4 是8 k x 8 位的静态随机存储器 芯片，采用c m o s 工艺制造，单一+ 5 v 供电，功耗2 0 0 r o w ，典型存取时 1 7 东北大学硕士学位论文第三章控制系统的硬件实现 间2 0 0 n s ，2 8 脚d i p 封装，管脚配置如图3 5 所示。a 0 a 1 2 是l3 位地 址线，i o o i 0 7 为双向数据线，丽为读允许信号线：一w e 为写信号线。 使用时，6 2 6 4 的片选端为一c e l ，第二片选线c e 2 高电平保持一直有效。 系统存储器的扩展如图3 6 所示。 2 7 s 4 1v 一1 2新 l端 嚣 靓 母 翁 篮 喜翻 0 i o u i l 蚺 拉 付 曲 协 “ 墉 a 0 a 1 2 d o d 7 皋k 8 图3 42 7 6 4 引脚图 f i g 3 4p i no f2 7 6 4 u 4 2 7 6 4 a 0 _ 一 ：c e _ a 1 2 0 0 o e ： 0 7 o a 1 2 d o d 7 e 2 6 l | v 蟑 l硝 l篮 4嚣 5瓤 e翳 ，嚣 铂 埔擒 n 豫 臻 1 搴 硝 聃璩 图3 56 2 6 4 引脚图 f i g 3 5p i no f6 2 6 4 图3 6 系统内存扩展圈 f i g 3 6m e m o r y e x t e n s i o no fs y s t e m y 3 w r r d 3 1 _ 4 单片机系统的时钟与复位电路 m c s 5 1 的时钟可以由两种方式产生：一种是内部方式，利用芯片内 部的振荡电路；另一种为外部方式。本文采用内部时钟方式。m c s 一5 1 一1 8 - 东北大学硕士学位论文第三章控制系统的硬件实现 内部由一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚x t a l l 和x t a l 2 分别是此放大器的输入端和输出端，如图3 7 所示。这个放大器与作为 反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。m c s 5 1 虽然有内部振荡电路，但是要形成时钟必须要外接元件，电路原理如图 3 8 所示。外接晶体以及电容c x l 和c x 2 构成并联谐振电路，接在放大 器反馈