（电气工程专业论文）型钢码垛机控制系统设计.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 d e s i g no fc o n t r o ls y s t e mo fa u t o m a t i cs t a c k e r f o rb a rs h a p e a b s t r a c t p r o g r a m m a b l el c l g i cc o n t r o l l e r 口l c ) c o n t r o lf o rs t a c k e rh a sg o tg r e a td e v e l o p m e n t si n p a s tt e ny e a r s h o w e v e r ，v e r yf e wp a p e r sh a v e b e e np u b l i s h e do nt h ec o n t r o ls y s t e mo f a u t o m a t i cs t a c k e rf o rb a rs h a p e t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ec o n t r o ls y s t e mo fs t a c k e rf o rb a rs h a p ei nt h es t e e lw o r k so f t 0 咖t h e s t a c k e rs y s t e mi sm a n u f a c t u r e da n da n a l y z e d ，a n dt h er e b u i l dd e s i g nb a s e d0 1 1 p l co fs y s t e mi ss e tu p t h ea r t i c l ed e t a i l e d l ya n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fl o c a t i o nc o n t r o lo f s t a c k e rf r o mt h r e ea s p e c tc o n s i s to fa u t o m a t i cc o n t r o l ，e l e c t r i cd r i v e ，p o s i t i o nm e a s u r e ，a n d p r o v i d e dt h ew a ye f f e c t u a ls o p i t e df o ri m p r o v e dr e l i a b i l i t ya n de x p e d i t i o u s n e s so ft h el o c a t i o n s y s t e ma n d a c h i e v e dt h el a r g e rl o c a t i o np r e c i s i o n t h ea r t i c l eg i v es o m ec o m m e n ta b o u ts y s t e m s e l e c t i o n ，t h ep r o b l e mw i l lm e e ta n d t h es o l u t i o n s p e e dc o n t r o lo fi n v e r t e ri sd e s i g n e dt of u l f i l lt h ec o n t r o lo ft h es y s t e mo fs t a c k e r t h e c o n t r o l l e rh a sp e r f e c tp e r f o r m a n c e si nt h ec o n t r o ls y s t e m t h ed r i v es y s t e mo ft h ei n v e r t e rb e g e th i g h - f r e q u e n c yi n t e r a c t i o ni nw o r k s oi no r d e rt o a c q u i r et h ee x p e c t e df e a t u r e s ，a n t i - i n t e r a c t i o nm e t h o di sd e s i g n e d t h es a t i s f i e dp e r f o r m a n c e so f t h ed e v e l o p e dc o n l a o l l e ra r eo b t a i n e di ne x p e r i m e n t an e wc o n t r o lm e t h o dw i l le x p l a i na f t e rp r o j e c tw a so v e r ，i ti sf u z z yc o n | a - o lm e t h o d t h e p r i n c i p l eo f m e t h o di ss e l f - s t u d ym a t h e m a t i cm o d e l k e y w o r d s ：p o s i t i o nm e a s u r e , l o c a t i o nc o n t r o l ，d r i v e , i n v e r t e r , t a g g e d 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：导师签名：日期： 沈r = i 工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 所谓码垛l l j 就是按照集成单元化的思想，将一件件的物料按照一定的模式堆码成 垛。以便实现物料的存储、搬运、装卸运输等物流活动。 人类在很久以前就以人工码垛的形式完成码垛作业了，最简单的例子莫过于小孩搬 砖问题：现有三块砖，需要从散放地搬往目的地，然后回到散放地，如果一块一块地 搬，那么需要往返三次，如果先把三块砖直堆起来，则只需往返一次就行了。 在现代生产中，人工码垛常常存在。在物料轻便、尺寸变化大、吞吐量小的场合， 采用人工码垛方案，常常是经济可取的，特别是在人力资源丰富的我国，这些应用场合 基本上都是采用人工码垛的。 t 然而，在工作量恒定的情况下，长时间地进行人工码垛作业常常会造成弯腰疲 ： 劳和重复劳动疲劳，从人机工程学的角度考虑，需要增加一些符合人机工程学方面 j 的设施。例如托盘操纵机、剪式升降台、工业操作机械手等。 码垛有人工码垛和自动码垛之分，人工码垛应用在物料轻便、尺寸和形状变化大、 吞吐量小的场合，当码垛吞吐量在1 0 件分钟以上，采用人工码垛方案需要较多工人 时，采用自动码垛方案不仅可以加快物流速度，保护工人的健康和安全，而且可以获得 整齐致的物蟾，减少物料的损伤，提高叉车的搬运效率，增强处理柔性。 作为物流自动化领域的一门新兴技术，近年来，码垛技术获得了飞速的发展。一方 面，随着企业的集团化，生产能力的规模化，对码垛机的工作能力的要求不断提高，使 传统的在线式码垛机向高速化方向发展；另一方面，由于企业产品由卖方市场进入了买 方市场，企业生产正在向着多品种少批量的方向发展，生产企业不能够承担一条生产线 只生产单一产品的代价，往往需要一线多产品的生产线，这就要求作为后处理设备的码 垛机，必须具有处理多种产品的能力，另外，随着大型物资批发配送中心的出现，需要 为成千上万的用户按定单配送产品，这就要求码垛机具有混合码垛的能力，所有这些， 都为自动码垛机的发展提供了机会，继7 0 年代末r 本将机器人技术用于码垛工艺以 沈阳t 业大学硕士学位论文 来，自动码垛机的研窥开发获得了迅速的发展，柔性、处理速度以及码垛重量不断提 高，价格不断下降。 中国的钢材行业中，钢材包装质量与国外同行业相比相对较差，多为人工堆垛。存 在诸多缺点：一、生产效率低，使轧制生产与包装产生脱节，造成中间库存大。二、劳 动强度大，人工费用高。三、包装质量差，很难达到咬合堆垛，紧密平齐f 2 】。 2 0 0 3 年1 0 月，通化钢厂型钢连轧厂与我公司合作，准备对该厂的型钢码垛设备的 控制系统进行改造。改造后该设备将满足型钢自动堆垛的需要，对减轻工人的劳动强 度，提高型钢的包装质量，增强市场的竞争力，提高经济效益和社会效益创造了良好的 条件。 1 2 码垛机的应用现状 从6 0 年代开始，在工业发达的德国、意大利、日本等国家，已相继研制出半自动、 全自动码垛机d 】，后来在结构和机型方面，还不断作了改进和完善。国产码垛机从8 0 年代开始研制开发到现在，已经历了2 0 年左右的时间。到目前为止，我国生产的码垛 机，机型、品种规格、设备性能和产品质量等各方面，有很大的发展和提高，并在很多 方面已逐步接近或达到国外同类型码垛机的技术性能及各项参数，已基本上能满足大中 型企业产品包装码垛的需要，但与国外先进水平相比。还存在一定的差距，其主要问题 是： ( 1 ) 零部件加工质量低 国产码垛机机械部分的零部件加工，目前还处于单件生产阶段，一般加工精度和质 量与国外同类型产品相比，还有一定的差距。因此投产后维修工作量较多，使用寿命较 短，特别是对动作频繁的关键零部件，还缺少专用设备进行批量加工生产的条件。如气 垫盘的加工制造，目前仍采用较简易的加工手段和方法，因此投产后有的气垫盘的气密 性不够，有漏气现象，有的液压机构还有漏油等现象，因此，维修工作量较大。 ( 2 ) 控制系统主要元器件性能还不过关 目前码垛机选用的国产控制系统元器件，与国外先进的元器件相比，其性能和使用 寿命还有一定的差距。有的定位不准，造成操作失灵：因此，在生产过程中的维修、更 换工作量较多。 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 码垛效率低 国产型钢码垛机的码垛能力，一般保持在1 2 1 5 捆，j 、时左右，尚能保证正常稳定生 产的要求；如要达到3 0 捆小时以上的生产能力，还需用作进一步的改进和提高【4 】。 国产码垛机的发展前景 纵观国内码垛机的设计、制造和生产使用情况，其发展前景是很光明的。特别是目 前国内已拥有一批专门从事码垛机研究的单位，积累了一定的生产使用经验，为发展、 完善和提高码垛机的生产技术水平，打下了良好的基础，因此，发展国产码垛机具有很 多有利条件。加之，在当前形势下各级领导对国产化工作的重视，因此，在近期内实现 码垛机的国产化，已是大势所趋、人心所向。预计在今后3 0 年内，全面采用国产化码 垛是完全可能的。 当前，发展国产化码垛机的主要有利条件有如下几方面： ( 1 ) 国内已扔有一批专业科技队伍 目前国内一些科研、设计和生产单位，已拥用一批专门从事科研、设计和制造码垛 机的技术队伍，他们通过近2 0 年左右的摸索、研制、和生产实践已积累了较丰富的经 验，现在已具备设计和研制出符合国情和先进水平的码垛机所必需的条件。 ( 2 ) 已有一批专业制造单位 目前国内已有和5 家生产码垛机的主要专业制造厂( 所) ，其中主要生产厂家有宜 昌机械厂、常州机械厂、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学机器人研究所等。其技术 和装备已具有制造一流水平码垛机的能力和条件。加上有关控制元器件配套厂的共同努 力，在最近3 5 年内，我国将能够生产出接近或达到国际先进水平的码垛机。 ( 3 ) 国产机型已基本能满足生产需要 目前国内几个厂生产的码垛机，无论从机型、规格及各项主要技术性能来看，已初 步形成系列产品，可基本满足国内大、中型企业生产的要求，有些机型的结构设计，还 比较简单实用、制造质量也较高，从机械性能等到方面看，也能保证安全、正常稳定运 转的要求：但在型钢自动码垛机方面，除邯钢、通剐外，自动码垛机大多从国外引进， 对国外产品有一定依赖性。这与我国冶金行业自动化水平有关，相信通过我们进一步努 3 沈阳工业大学硕士学位论文 力，根据生产的需要，进行控制系统的自动化改造和完善，可逐步接近国外的自动码垛 机生产水平。 ( 4 己能生产与码垛机配套的控制元器件 从八十年代开始，国内一些仪表厂已生产出为码垛机配套所需用的控制元器件，并 己用于生产运行。目前国产元器件与国外同类型先进水平相比，还有一定的差距，其中 主要是使用寿命较短。僵相信通过进步努力，国产元器件还是有可能逐步接近或达到 国外水平的。 目前国内一些码垛机制造单位，为了提高码垛机的整体技术水平，对一些控制系统 的主要元件、敏感元件及气动系统工程主要元件等，采取从国外迸口的办法。这也是一 种过渡的措施之一。 ( 5 ) 国产码垛机有明显的价格优势 目前国产码垛机价格都在5 轧7 5 万元，套，其中气垫式全自动码垛机约5 4 万彤套左 右；辊道式全自动码垛机约7 5 万刃套左右：国产机器人自动码垛机每套价格介于上述 两类之间。因此，国产全自动码垛机与国外同类型产品相比，其价格仅为国外同类型新 产品价格的1 2 1 3 左右。因此，选用国产码垛机是比较经济合理的，且可节省大量外 汇。 ( 6 ) 国产码垛机的备品备件容易解决 国产码垛机投产后所需的备品备件，供应渠道畅通，容易解决，且经济实惠。 ( 7 ) 售后服务周到及时 目前国内生产码垛机的几个主要厂家，对产品的售后服务，都较周到和及时，一般 制造厂都有能积极协助用户做好安装调试工作，为用户培训技术操作人员，有的制造单 位还有整套稳定的售后技术队伍，保证生产单位用好管好码垛机生产线。 1 3 论文的主要工作 通过对“通钢”型钢连轧厂型铜码垛机控制系统的改造，本文主要有以下工作 ( 1 )完善工艺流程，对液压系统采用先导式溢流阀保持系统压力的稳定。 ( 2 ) 设计整个系统的电气原理图，硬件电路的设计与设备选型。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 完成p l c 流程图，编写梯形图。 ( 4 ) 变频调速系统的设计与编程。 ( 5 )现场调试出现的问题及相应的解决方案。 一5 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 总体方案的选择和确定 2 1 型钢码垛机结构组成及作用 型钢自动堆垛的生产线嘲，主要由以下设备组成： ( 1 ) 几组输送辊道； 功能：输送辊道选用单传辊道，当非连续的少数电机故障时，不影响其他电机的使 用。 ( 2 ) 1 # 、2 9 拨钢机； 功能：“l # ，2 # 拨钢机选用链条拨爪拽引。 ( 3 ) 链条式移钢检查台架： 功能：把不合格的型钢移至收集槽。 ( 4 ) 改尺钢收集机构及处理台架； 功能：改尺钢的收集机构选用气动。 ( 5 ) 堆垛移钢台架： 功能：把合格产品送至0 运输辊道。 ( 6 ) 分组机构； 功能：保证钢材以三根或两根的形式可靠分组。 ( 7 ) 定位机构； 功能：使用时钢材能在设定位置接受翻转。 ( 8 ) 平移堆垛机构；翻转堆垛机构； 功能：通过交替运行堆垛。 ( 9 ) 垛台升降机构； 功能；保证垛台与床面平齐。 ( 1 0 ) 钢垛压紧机构； 功能：使堆垛紧密整齐。 ( 1 1 ) 堆垛输送运输辊道。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 1 一输入辊道；2 一输入升降台；3 一输入链1 ( 一边可降) ；4 一输入链2 ( 可升降) ： 5 一输入控制挡板；6 分组挡板1 7 一分组挡板2 ；8 一平移电磁铁；9 一平移挡板； 1 0 - 输入链2 ( 可升降) ；1 i 一翻转挡板：1 2 一翻转电磁铁；1 3 码垛升降台； 1 4 一压紧装置；1 5 - - 输出辊道；1 6 一带齿凸轮；1 7 一平车辊道；1 8 一液压马达：1 9 - 平车 图2 1 型钢码垛机原理示意图 2 2 工艺流程的设计 工艺设计要点 ( 1 ) 保证自动堆垛系统连续正常工作，矫直后的型钢上检查台架时，应保证钢与 钢之间有一定的间距。这样就要求1 # 拨钢机每拨完一根钢，检查台架上链条移动一定 距离，以保证钢的检验，改尺钢的收集，钢材单根或双根送入输送辊道。 ( 2 ) 由于型钢中槽钢堆垛要求每层三根相咬合在一起，角钢堆垛需要先三根后两 根，通过平移和翻转交替动作完成，为此需要可靠、准确的分组、定位机构。以满足不 同品种、规格型钢的堆垛。 ( 3 ) 由于型钢堆垛在翻转过程中0 0 9 0 0 型钢设备重力与翻转动力方向相反，而在 9 0 0 1 8 0 。时，型钢及设备重力与翻转动力相同，这样就有一个向下的加速度，如果任其 自然翻转，翻转过程中产生剧烈抖动，容易造成事故，以至该设备不能正常使用。因此 在设计中采用了液压阀进行保压。系统的工作压力为p = - 8 1 0 m p a 。根据实际情况可调 整。 ( 4 ) 型钢堆垛时，垛台每放一层钢，必须自动下降定高度，保证垛台平面始终保 持在原始高度。 一7 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 系统总体方案的确定 2 3 1 主控单元的确定 传统的继电接触控制系统嘲已有几十年的历史了，它在工业自动化控制中起过重要 的作用。但是，随着科学技术的飞速发展，这种传统的控制系统不能适应高度自动化的 需要，正在逐步被新型的微型计算机技术所取代。“通钢”型钢连轧厂型钢码垛机原 来采用的就是继电器控制系统，生产实践证明，继电接触控制系统不适应高度自动化、 动作频率高、生产能力大的码垛机控制系统的需要。由于码垛机动作频率高，继电器为 有触点元件，寿命有限，所以故障率高，抗干扰能力差，经常需要维修，更换备件，造 成停车时间多，影响生产，而且每年都要很多外汇购买备件。如何解决这一问题，本课 题提出了应用可编程序控制器( 简称p l c ) 自行设计程序软件，改造原控制系统的方 案。我们通过考察和研究大量的资料认为，应用p l c 重新设计码垛机控制系统，不但 完全能够实现原有功能，而且可以根据用户需要拓展功能，还可提高系统可靠性和设备 使用寿命。降低故障率，减少了维修量和维修经费，减少了停车时间，减轻了工人的劳 动强度。 下表为继电器控制与p l c 控制系统的主要性能比较。 表2 1 继电接触电路和p l c 的主要性能比较 性能继电接触电路p l c 控制系统 逻辑电路组成继电器触点及线圈程序软件 逻辑的实现与、或、非、计时、保持与、或、非等多条指令 接线方式导线连接内部程序 电路更改导线更换修改程序 维护量 经常半年更换继电器不用维护 故障检查检查触点及接线 观察指示灯 安全可靠性有触点元件故障率高无故障运行时间2 0 年 触点的使用继电器触点是有限的p l c 接点可无限次使用 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 2 执行单元的确定 码垛机的执行单元主要有：辊道电机、分组和定位机构、平移、翻转机构、垛台升 降机构、钢垛压紧机构和平车行走机构【7 1 。 其中辊道电机、分组机构保持原系统不变，平移、翻转机构采用电磁控制，垛台升 降机构、钢垛压紧机构采用液压控制。 原码垛机平车行走依靠接触器控制起停和正反转，控制比较简单，但接触器长期频 繁通断，容易产生拉弧，触头粘连，而且有触点元件本身故障率就高，经常需要停机维 修，更换备件，影响生产。最主要缺点是它不能调速，因此控制不了码垛机的定位精 度，不能实现轨迹运动的控制。 在传统工业生产中，传动部分对精度要求不高的采用不调速的交流传动。对定位精 度和响应速度要求高的设备则采用直流调速传动。由于电子功率器件技术的飞速发展， 我国的变频调速器的品种越来越多，性能越来越高，发展更新的速度也越来越快，为码 垛机的发展、更新换代提供了新的思路和方法。因此在本课题码垛机行走控制中采用变 频器调速，以获得更好的机械特性和响应。根据现场负载计算与理论分析，我们保留主 拖动方式，用一台s 鹰m e n s 小心4 4 4 0 电压型通用变频器，对码垛机双电机进行速度和 换向控制。s m m e n s m m 4 4 0 电压型通用变频器具有转矩矢量控制、转差补偿、电流 a v r 自整定、负载转矩自适应等一系列先进功能，在无速度传感器的开环运行条件 下，采用v 腰控制和电机参数自动狈4 试等功能后，性能远远高于原传动系统。 2 3 3 位置检测单元 位置检测单元一般由位置传感器和检测接口组成。位置传感器的选择是一个重要的 环节。 2 3 3 1 位置检测方法： 在翻转机构、平磁升降机构中，其位置检测和限位保护需采用光电开关。 由于码垛机平车行走机构是以码垛区( 即收集槽) 为目标进行作业，因此就必须检 测行走方向各个槽位。根据这种位置的检测方法，有三种方案进行选择。 9 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 绝对地址式定位控制中位置检测一般采用增量式光电编码器。由p l c 对行 走的各个位置进行地址编码。位置分辨率由编码器反馈脉冲数和一转所对应的机械位移 共同决定【酊。 ( 2 ) 光电计数式这个方法是码垛机每通过一个位置p l c 就记录一个数，一直移 动到和预定位置号一致时停止移动的方法。 ( 3 ) 计数和校验这个方法是先用计数，到位后可用l 4 个光电开关组成奇偶 校验或简单的数字校验。即相对计数加奇偶校验的方法，采用p l c 对多计数和少计数 的错误能进行自动诊断。在超过允许误差范围时，由p l c 控制回位，三次校正仍不能 停准则报警。 2 3 3 2 位置定位方法： ( 1 ) 用一对光电开关( 或接近开关) 来定位该方法是在码垛机上安装两个光电 开关，在每个槽位安装挡光板。挡光板越窄，定位精度就越高。 ( 2 ) 采用n 对光电开关( 或接近开关) 来定位此种方法比第1 种方法略复杂一 点。该方法在码垛机上安装挡光板，在每个槽位安装两个光电开关，光电开关按运行方 向前后成一直线安置，每个槽位前面的光电开关用做到位预减速，一般的情况下码垛机 是快速运行，当运行到第一个光电管被挡光时，再由快速均匀减速到慢速，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。 ( 3 ) 激光测距传感器【9 】，这种方法通过在码垛机上安装一传感器，通过对一固定 目标的距离变化来定位，也是有效可行的方法。但抗干扰性稍差。 综合分析，根据码垛机的工作需要和应用特点，我们决定采用光电开关和接近开关 做位置传感器，它稳定性及重复性好，安装方便并且价格便宜。选型上需要选择精度 高、可靠性好的元件。 2 3 4 液压系统确定 压力控制阀采用先导式溢流阀，其主要作用有两个：一是在定量泵节流调速系统 中，用来保持液压泵出口压力恒定，并将液压泵多余的油液溢回油箱。这时起定压和溢 流作用；二是在系统中起安全作用，在液压系统正常工作时溢流阀处于关闭状态，只是 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 在系统压力大于或等于其调定压力时溢流阀才打开，使系统压力不再增加，对系统起过 载保护作用。 2 4 系统总体构成 基于码垛机工艺要求和上述控制思想，系统总体构成如下 p l c 图2 2 系统总体构成 沈阳工业大学硕士学位论文 3 控制系统设计 p l c 即可编程控制器。它实质上是种工业控制计算机，只不过它比一般的计算机 具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。p l c 的应 用范围通常可分为顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信和联网五个方面。 3 1 主控器件选择 3 1 1 输入输出点数 p l c 控制系统的输入信号包括操作台控制输入、光电开关、电磁感应接近开关信 号。共有3 9 个输入点。 p l c 的控制负载主要包括：平移行走机构、翻转机构、垛台升降机构、显示、报警 负载( 包括显示灯、声光报警器) 等2 1 个输出点【l o l 。 生产线中执行元件和检测元件的种类及数量较多，p l c 所选型号要能满足其控制系 统i o 点分配需要，并适当多空出几个输入点，以满足生产改进的需要。 3 1 2 p l c 选型 确定输入输出点后，还要进行p l c 选型，本系统全部为开关量，再考虑到性能价 格比及输入输出点数，我们选用三菱电机m e l s e c 系列f x 2 n 型一块母板，f x 2 n - 1 2 8 m r 为模块化结构，系统配置灵活，功能强，梯形图编程完全符合控制要求。 三菱电机m e l s e c 系列p l c 为当今世界上最先进的超小型、超快速的模块式 p l c ，并具有各类功能齐全的高性能模块，及快速可靠的系统网络。它将现场设备层和 控制层直接引入工厂的生产管理系统中，三菱电机m e l s e c 系列p l c 的优势并非局限 于硬件，它还提供了集编程、监控、维护及系统调试于一体的高效、友好的开发监控软 件。f x 系列是三菱的小型p l c ，具有多种c p u 机型，通过选用基板、电源、数字量、 模拟量等各种功能模块，加上丰富的通信和网络模块，可为各种用户针对不同的应用提 供最佳的系统配置。 f x 2 n 系列p l c 是日本三菱公司近年推出的小型高性能整体式p l c 。由基本单元、 扩展模块、特殊模块和特殊单元组成。该系列p l c 的输出电路有三种：继电器、双向 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 晶闸管和晶体管型。基本单元、扩展单元和扩展模块均可选择不同的输出方式。本课题 选用的三菱f x 2 n 系列p l c 基本技术指标如下：( 主要性能规格见附录a ) 表3 1 p l c 的技术指标 名称型号i 0输入类型输出类型 尺寸( 舢)备注 点数数目数目w * d * h p l c f x 2 n - 1 2 8 躲1 2 8 6 4 漏型6 4继电器3 5 0 * 8 7 * 9 0 交流电源、2 4 v 直流输入 3 2 型钢码垛机的控制设计 3 2 1 控制系统的设计要求 码垛机控制的一个最基本要求是要保证码垛机车能够在一定程度的各种扰动1 作用 下保证准确刹车和定位，并且能保证升降和翻转的稳定性 1 2 1 3 。作用码垛机系统的外部 扰动主要包括负载变化、驱动加速力和减速力：内部扰动力则主要起因于控制系统本身 及传感器的测量误差等因素。 对控制系统的具体控制要求1 4 1 1 1s ： ( 1 ) 整体控制系统实现“自动”、“手动”、“单机运转”三种控制方式【旧。 ( 2 ) 可对不同品种的型钢、堆垛顺序进行设置【1 7 l 。 ( 3 ) 主要设备运转有光电显示。 ( 4 ) 为了保证型钢运行过程中的可靠性，码垛机平移、升降有限位保护“8 1 。 ( 5 ) 为满足定位的快速和准确，有定位减速控制。 ( 6 ) 为了提高系统的可维护性，在操作盘上设置状态信息指示和故障显示，并设 有手动操作装置，当“自动”出现故障时，能够可靠实现“手动”操作实现码垛。 ( 7 ) 在p l c 系统内部设置了故障诊断功能。当出现故障时就自动停车，实现自我 保护。 ( 8 ) 过流保护、过载保护、安全报警等。 一1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 3 3p l c 控制系统的运行流程图 图3 1p l c 程序流程图 一1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 3 4 p l c 的的端子分配 表3 2p i , c 的i o 端子分配 输入设备输入点编号输出设备输出点编号 程序自动运行钮舢 备用y o 平车到位开关x ( ) o l备用y l 平车回位开关x ( ) 0 2平磁升起电磁阀y 2 备用 x ( ) 0 3 平磁降落电磁阀y 3 备用 x 0 0 4 平磁通电接触器 y 4 平磁通电开关x ( ) 0 5 平车到位运行接触器 y 5 平磁断电开关x 0 0 6 平车到位慢行接触器 6 转磁通电开关x 0 0 7转磁通电接触器y 7 转磁断电开关x 0 1 0平车回位运行接触器y 1 0 4 米到位控制钮 x o l l 平车回位慢行接触器 y 1 l 5 米到位控制钮x 0 1 2平磁消磁接触器y 1 2 6 米到位控制钮 x 0 1 3 4 米指示 y 1 3 7 米到位控制钮x 0 1 45 米指示y 1 4 8 米到位控制钮x o l 56 米指示y 1 5 转磁翻转控制钮 x 0 1 6 7 米指示 y 1 6 备用 ) ( 0 1 7 区位指示 y 1 7 平车回位检3x 0 2 0转磁消磁接触器y 2 0 平车预回位检3 x 0 2 1 溢流控制接触器 y 2 l 平车回位检1 x 0 2 2 转磁到位电磁阀 y 2 2 平车预回位检1x 0 2 3转磁回位电磁阀y 2 3 平车回位检2 x 0 2 4 平车预回位检2 x 0 2 5 4 米到位检) ( 0 2 6 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 4 米预到位检x 0 2 7 5 米到位检 ) ( 0 3 0 5 米预到位检x 0 3 l 6 米到位检x 0 3 2 6 米预到位检 x 0 3 3 7 米到位检 x 0 3 4 7 米预到位检x 0 3 5 安全位检 x 0 3 6 备用x 0 3 7 平磁上位检1x 0 4 0 平磁上位检2 x 0 4 1 平磁下位检1 x 0 4 2 平磁下位检2x 0 4 3 转磁到位检 x 0 4 4 转磁回位检 ) 4 5 转磁定位检x 0 4 6 平磁定位检x 0 4 7 垛位检1x 0 5 0 垛位检2 x 0 5 1 i o 接线图详见附录e 、f 。 3 5 p l c 程序 p l c 程序1 9 1 详见附录i 。 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 4 平车行走机构控制 4 1 传动装置的选择 电气传动装置是码垛机定位系统的主要部分，它的性能从某种程度上来说决定了整 个控制系统的性能。对于传动系统，主要从以下几个方面来考虑。 4 1 1 传动方式 由于要实现高精度一次性准确定位，普通的交流电机继电器控制驱动方式根本无法 满足其要求。需采用交流调速装置驱动。 4 1 2 变频器型式的确定 变频器的型式有多种，按转换方式可分为交一交变频器和交一直一交变频器【2 0 】。 交一交变频器利用电源的交流电压，通过自然换相关断晶闸管，它的基本原理是， 通过控制双向晶闸管的触发角，直接将输入的交流电压，转换成不同频率和不同幅值的 交流电压输出，而不需要通过中间环节的整流和逆变系统。交交变频的控制系统非常复 杂，现在只在超大功率低速传动的场合采用。 交一交变频器 变j 主器 _ 。 厂甭、厂强 输入电压义 弋 5 0 h z ，甭、厂丑 、z 仰厂) 艾弋 图4 1 交一交变频器原理图 交一直一交变频器实际上采用了整流器和逆变器的方式，把输入的交流电压通过整 流器变成直流电压，然后再通过逆变器转变成频率和幅值不同的交流电压。其原理如图 4 2 所示： 1 7 沈阳工业大学硕士学位论文 5 0 h z 整门 逆 流 变 器 器 图4 2 交一直一交变频器原理图 交一直一交变频器按脉冲触发方式可分为相位控制和脉冲调制型，按直流电源的形 式又分为电压型和电流型，按再生能量的处理方式又分为能量回馈型和外接制动电阻型 等。 电压型变频器主要是在中间的直流回路里增加了滤波电感l d 和滤波电容c ，如图 4 1 3 所示： 输入 5 l d 整 逆 流 v t o 旷1c 爿r i 器r0 器 机 图4 3 电压型变频器原理图 l d 的容量很小，主要过滤电网冲击电压形成的电流尖刺。电容c 的容量很大，作 为直流侧的储能环节。当电机制动出现再生电能时，这部分能量通过逆变器存储到电容 c 中，当c 中储能过高时，通过触发晶闸管v t o 使之导通，将再生能量消耗于耗能电阻 r d 上。耗能电阻分为内接式和外接式两种，当变频器的容量较大时，系统的再生制动 能量也较大，这时需要外接制动电阻【2 1 埘】。 电流型变频器同电压型的不同之处在于，它的滤波电感很大。因此相当于一个电流 源，故称电流型。电流型变频器的特点是安全性好，不会因换相失败而引起短路等故 1 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 障，但它与负载的相互影响较大，电动机的漏感直接影响逆变器的换流过程。因此主要 适用于低漏感和负载波动不大的交流电动机传动 2 4 - 2 7 。 由于码垛机基本上处于反复启动和制动状态，负载的变化较大，因此应采用脉宽调 制电压型变频器，接制动单元。基于以上思想，我们选择了德国s i m e n s 公司m m 4 4 0 电压型通用变频器，型号为m m 4 4 0 - 1 5 0 0 3 。 4 2 制动方式的选择和变频器制动 制动方式包括机械制动和电气制动。机械制动主要是利用抱闸，电气制动则主要利 用变频器的制动功能，来达到系统快速停车的目的。 4 2 1 变频器制动 变频调速器具有直流制动功能，制动起始频率，制动时间的长短可以进行设定阴， 使用起来很方便。实现了对码垛机平稳的刹车定位，减少机械冲击，延长码垛机的使用 寿命。 变频器除了直流制动外，还具有能量再生制动，减速时负载能量一般全部由变频器 的再生制动电阻消耗，故应选择大容量的制动电阻。 目前所采用的s i e m e n s 公司的脉宽调制电压型变频器。当系统正常工作时，电机 的转速小于变频器输出的电磁场的同步转速( 对应于输出频率) ，此时的电流和电压同 向，电网通过变频器输出电能给电动机，再转化成动能驱动码垛机运动。 当系统处于制动状态时，变频器的输出电压和频率逐渐减小，直至最后为零，这时 电机的转速高于同步转速，电能从电机侧流到变频器侧( 或供电电源侧) ，电机的电流 和电压方向相反，电枢电流在磁场中运动产生的力矩和电机旋转方向相反，使电机的转 速减小直至停止，达到制动的目的。 在系统制动过程中，从电机再生出来的能量储存在变频器的滤波电容器中，然后以 某种方式消耗掉，一般分为两种：一是通过回馈电路反馈回电网，这种方式节能效果 好。但投资较大，适用于大容量传动系统；二是通过外接电阻的形式，把电能转换成热 能消耗掉，即常说的变频器的制动单元。这种方法虽然节能效果差，但控制简单，而且 它的最大优点是：选择合适的制动电阻，还可以提高制动力矩( 一般制动力矩可以达到 额定转矩的5 0 1 0 0 ，而电流回馈方式制动力矩只有额定转矩的1 0 2 0 ) 。 1 9 沈阳工业大学硕士学位论文 由于系统的大惯量和需要准确定位的特点，只依靠机械制动或电气制动都是不能达 到系统的制动要求的。因此在本系统中，选用带外接制动单元的变频器制动，并辅以电 磁抱闸，以达到提高制动力矩改善制动效果的目的。 制动单元r ：用于吸收电动机的再生制动的再生电能。可以缩短大惯量负载的自由 停车时间。 4 2 2 制动电阻的计算 在异步电动机因设定频率下降而减速时，如果轴转速高于由频率所决定的同步转 速，则异步电动机处于再生发电运行状态。运动系统中所存储的动能经逆变器回馈到直 流侧，中间直流回路的滤波电容器的电压会因吸收这部分回馈能量而提高。如果回馈能 量较大，则有可能使变频器的过压保护功能动作。利用制动电阻可以耗散这部分能量， 使电动机的制动能力提高。 制动电阻的选择，包括制动电阻的阻值及其容量的计算。可以按如下公式计算： 制动转矩的计算： = 丝毫掣一咒( n m ) ( 4 1 ) 式中： g d 0 一电动机的g d 2 ( n - m e ) ； g d ；一负载折算到电动机轴上g d 2 ( n m 2 ) ： 死一负载转矩( n m ) ； 1 减速开始速度( r m i n ) ； n 厂减速完了速度( r r a i n ) ； 窍减速时间( s ) 。 制动电阻值的计算在附加制动电阻进行制动的情况下，电动机内部的有功损耗部 分，折合成制动转矩，大约为电动机的额定转矩的2 0 。考虑到这一点，可用下式计 算： r 砌= 而瓦( q ) ( 4 _ 2 ) 2 而瓦 ) 4 。2 沈阳工业大学硕士学位论文 式中： 直流回路电压( v ) ； 丁5 0 动转矩( n - m ) ： 功一电动机额定转矩； n l 减速开始速度( r m i n ) 。 如果系统所需制动转矩，即制动转矩在额定转矩的2 0 以下时，则不需要另外的制 动电阻，仅电动机内部的有功损耗的作用，就可使中间直流回路电压限制在过压保护的 动作水平以下。 由制动晶体管和制动电阻构成的放电回路中，其最大电流受制动晶体管的最大允许 电流五的限制。制动电阻的最小允许值尺。为 r 。：粤( 4 3 ) 1 c 式中i k 一直流回路电压m 因此，选用的制动电阻如应按 r m i n r 口 r 的关系来决定。 制动时平均消耗功率的计算 如前所述，制动中电动机自身损耗的功率相当于2 0 额定的制动转矩，因此制动 电阻上消耗的平均功率 匕= 1 0 4 7 ( t b 一0 2 t m ) 掣粤1 0 一，( k v o ( 4 4 ) 4 _ 3 变频调速系统构成 平车行走控制系统采用一台1 5 k w 变频器控制两台4 k w 交流电机，可以控制电 机的启动、停止、正转、反转、提供多种速度( 高、中、低等) 。 系统组成：接触器，r s 快速熔断器、变频器、制动单元、制动电阻、减速机、电 机制动器及被控电机。其系统结构如下图4 4 所示： 一2 l 沈阳工业大学硕士学位论文 龋三 一 h 卜叫 灏螂 仁0 i 雕e 煳k 光电井关 图4 4 变频调速系统构成 使用变频器控制后具有下列优点：由于采用了变频调速，节省了大量的保护电路， 变频器可实现过电流、过电压、过载、欠压、过热等多种保护。并且安装了制动单元和 制动电阻，以适应码垛机的频繁、往复式运动，并辅以电机制动装置，实现电机平稳有 效刹车。运行平稳，没有振动，提高了作业的安全性，系统的维护简单。 4 4 变频器的速度控制 变频调速是近代电气工程中发展最快的一种电动机调速方式，其转速方程式为 ”：6 0 f ( 1 - s )( 4 5 ) p 只要改变，就可实现玎的变化而达到无级调速的目的。其中： 电源频率； p ：电机极对数： j ：电机转差率： 疗：电机转速。 变频器的品种虽然繁多，但是其速度控制方法一般只有三种给定方式【2 9 】： 4 4 1 给定方式的选择 ( 1 ) 面板给定方式通过面板上的键盘进行给定： 一2 2 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 外接给定方式通过外部的给定信号进行给定；变频器有二、三个输入控制 端和电源( 一般为1 2 v 、2 4 v ) ，靠外部开关触点的通断组合和预先的每一种组合的频 率设定，来控制输出频率。 ( 3 ) 通信接口给定方式由计算机或其他控制器通过通信接口进行给定。一般通 讯方式有u s s 、p r o f m u s 、m o d b u s 等。可通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 接口实现。 4 4 2 外接给定信号的选择 ( 1 ) 电压信号通常有：0 5 v 、o 5 v 、0 1 0 v 、o 1 0 v 等几种； ( 2 ) 电流信号通常有：0 2 0 m a 、4 2 0 m a 两种。 4 4 3 外接给定的速度控制 电机控制中一般给定几种不同的速度就足够了。通常我们选择外接给定方式，用 开关量信号控制，用二、三只开关的组合来控制变频器的频率。用二只开关可得到四种 速度，若用三只开关可得到八种速度删。完全能够满足行程的速度变化需求。现在的 码垛机是采用p l c 控制，p l c 输出方式有三种即：继电器输出、晶体管输出和可控硅 输出。若p l c 采用晶体管无触点方式输出，受外界干扰的因素几乎可以达到忽略不计 的程度，因而电机的定位精度符合工艺的要求。 变频控制中电机的速度一般按梯形速度图进行控制。在不同的使用条件下，合理 的速度图是不一样的，图4 5 是两种最常用的速度曲线。图中最大速度n 加减速时间 t t 、f 2 需根据设备和工艺确定。图中的s 型加速段，速度逐渐增加，可避免冲击；减速 阶段速度在最后阶段越来越小，有利于准确停车口”。 v o 图4 5 速度曲线 码垛机采用双电机传动，变频器容量为两台电动机容量之和。两台电动机始终按同 2 3 沈阳工业大学硕士学位论文 一频率控制，即电动机之间没有大幅度的负载不平衡，即使在加、减速运行时，两台电 动机的负载转矩也适当分配。 码垛机在装载时中速行驶；空载时高速行使。速度由变频器的加减速时间设定器设 定为最佳值，保证运输的安全平稳。其基本运行过程如下图4 6 所示【3 2 】： 图4 6 基本速度曲线 d - f ，为加速段，加速度为a m ；t l - t 2 为高速运行段，其速度为kt 2 - o 为减速段，减速 度是，；t z - t 4 为自由滑行段。t 3 时刻为调整机械设备进入允许误差的起始时间，在此时 刻撤消速度给定，设备依惯性继续滑行，由机械摩擦使其停车。 定位运动1 3 3 】关系如下： v = a m f ( 4 6 ) s = s 。一j v , a t ：s 。一i a ，t d t = s o 一t 2 ( 4 7 ) t l = a 。 ( 4 8 ) s = s o 一屹2 ( 4 9 ) 设t z - t 4 自由滑行的行程为，摩擦力产生的减速度为a ，则 鼠= k 2 彳 ( 4 1 0 ) 对于定位精度要求不高或机械惯性不太大，并且电机带制动的系统，上述曲线完全 能够满足生产工艺的要求。对于定位要求较高，惯性大或电机制动能力不足的系统，由 于传动系统滞后的影响和允许的误差带太窄，采用上述定位曲线还不能令人满意。要确 保定位误差小于允许值，可以采取降低或提高减加速度的方法，从两方面来减小在 实际应用中，我们利用变频器直流制动的功能增大a 的方法，获得了很好的效果。 2 4 - 沈阳工业大学硕士学位论文 为了防止在运行轨道的两端速度失控，必须考虑相应的安全措施。为了防止码垛机 在运动过程中与其它设备碰撞，设置了限位光电开关和极限位置接近开关，其信号输入 p l c 中，p l c 根据此信号决定是否用软件来屏蔽输出，实现紧急停车。 4 5 变频器的制动控制 变频器的制动是在系统给出停车命令后，由变频器先进行直流制动，电机再生的能 量由制动