（信号与信息处理专业论文）基于plc的自动化立体仓库堆垛机运行及监控系统的研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学化论文 基于p l c 的自动化立体仓库堆垛机运行及监控系 统研究 摘要 在现代的物流仓储系统中，自动化立体仓库应用r 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。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。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。 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。由于其调速的要求很高，本文在现有的线性控制基础上，采用先进 的模糊控制算法，实现了堆垛机运行的高性能与智能化。所开发的系统将模 糊控制与可编程控制器( p r o g r a m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) 相结合，克服 了传统的调节器超调大的缺点，充分发挥了p l c 控制灵活、编程方便、适 应性强的优点，提高了控制的精确度及堆垛机运行速度。对基于s i e m e n s s i m a t i cs 7 2 0 0p l c 模糊控制策略进行了工程实现研究，并给出了关键部 分的程序。 监控系统操作界面采用组态软件编写，组态软件可以方便地与下位执行 机构进行通信。通过组态软件i o 设备驱动可以实现自动化立体仓库的监控 与控制的一体化，提高执行效率，满足现代物流系统的需要。 实验结果表明，该系统能对堆垛机运行系统实现精确控制，实用性强， 具有一定的推广价值。 关键词堆垛机；可编程控制器；模糊控制；组念软件 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 s t u d yo nr u n n i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e m o f a u t o m a t e ds t o r a g e ds t a c k e rb a s e do np l c a b s t r a c t i nm o d e ml o g i s t i c sw a r e h o u s i n gs y s t e m s ，a u t o m a t e ds t o r a g ei si n c r e a s i n g l y w i d e s p r e a d p e r f o r m a n c eo ft h es t a c k e rp l a y sa ni m p o r t a n t r o l e n e ws t a c k e r w h i c hi sl o wc o s ta n dr e l i a b l er e p l a c et h eo r i g i n a lc o n t r o la n dm a n a g e m e n to ft h e a u t o m a t e ds t o r a g e t h en e ws t a c k e rc a nb eb e t t e ra d a p t e dt ot h er e q u i r e m e n t so f 1 0 wi n v e s t m e n ta n ds o m es m a l lo rm e d i u m - s i z e dq u i c kg o a l s t h i sp a p e r e l a b o r a t e do nt h ed e s i g no ft h es y s t e mo fc o n t r o l ，a sw e l la st h ei m p l e m e n t a t i o n o ft h es y s t e m sh a r d w a r ea n dt h ed e s i g no ft h es o f t w a r e t h ed e s i g n i n gi d e a ，h a r d w a r ea c h i e v e m e n ta n ds o f t w a r ed e s i g n i n g o f m e a s u i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mw e r ee x p o u n d e d i nt h i sp a p e r t h es y s t e mw a s s i m p l e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ep o w e r f u l ，a n di n t e r f a c ew a sf r i e n d l y b a s e do nt h ep a r a m e t e rr e l a t e dt ot h ea u t o m a t e ds t o r a g 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 0 1 s p e e do ft h es t a c k e rw a st h e b a s i cp r o b l e mi nt h ed e s i g no fa u t o m i cc o n t r o ls y s t e m o nt h eb a s i so ff u z z y c o n t r o lm e t h o d t h ep a p e ri m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo fs t a c k e r sp r e c i s i o n a n d s p e e d s t u d yo ft h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ef u z z yc o n t r o lw h i c hw a s b a s e do nt h e p l co fs 7 - 2 0 0 ，g i v i n gt h ek e yp a r to ft h ep r o c e s s t h em o n i t o r i n gs y s t e mw a sp r o g r a m m e db yt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h e c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ec a nc o m m u n i c a t e w i t ht h e a c t u a t i n ge q u i p m e n t s e a s i l y t h r o u g ht h ec o n f i g u r a t i o nf o rs o f t w a r e sd r i v e so ft h ei o d e v i c e s ，i tw a s p o s s i b l et or e a l i z et h ei n t e g r a t i o no ft h em o n i t o ra n dc o n t r 0 1 k e y w o r d ss t a c k e r ，p r o g r a m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，f u z z y c o n t r o l ，c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于p l c 的自动化立体仓 库堆垛机运行及监控系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已 注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 作者签名： 庶彬 i 醐：1 引月f 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于基于p l c 的自动化立体仓库堆垛机运行及监控系统的研究系本人 在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论 文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名 义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论 文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 家主勿 日期：1 引月f o 日 嗍。1 月f 朋 哈尔滨理t 人学t 学顾l 学化论义 1 1 自动化立体仓库概述 第1 章绪论 在现代物流系统中，自动化立体仓库是一个重要的组成部分，它是一种新 型的仓储技术，自动化立体仓库又称为自动存储检索系统( a u t o m a t e ds t o r a g e & r e t r i e v a ls y s t e m ，a s r s ) ，它是物料搬运和仓储科学中的- - i 1 综合科学技术 工程。它以高层货架为主要标志，以成套先进搬运设备为基础，以先进的计算 机控制技术为主要手段，由此组成高效率、大容量的科学存储，以适应现代化 生产的需求n 1 。 高层货架仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产技术发展的结果。 在生产发展的实际需要和科学技术发展的现实可能情况下，五十年代初开始出 现了自动化立体仓库，并在实践中显示出了其优越性，随即得到迅速的推广和 发展乜1 。1 9 5 0 年美国首先产生了手动控制的桥式堆垛起重机，这种起重机的大 梁上悬挂一个门架( 立柱) ，利用门架的上下和旋转运动来搬运货物，与此同时 也提出了高层货架的新概念，被认为是自动化仓库的雏形。1 9 6 0 年左右在美国 开始出现了没有大梁的由人工操作的巷道式堆垛机。随着立体仓库的发展，巷 道式堆垛机逐渐代替了桥式堆垛机。1 9 6 3 年美国的一个食品厂在仓库工作中采 用电子计算机，成为世界上最早的全自动化仓库。此后，从1 9 6 3 年开始，在 欧洲各国，由于用地紧张，开始计划建造2 5 - 3 0 米的高层自动化仓库。从 1 9 6 7 年开始，相继完成了一些计算机管理和计算机控制的全自动化仓库。1 9 7 0 年安装了由货架支承式改变为地面支承式的高度达4 0 米的堆垛机。7 0 年代提 出了采用5 0 米高堆垛机的可能性。进入9 0 年代后，堆垛机在使用范围和性能 上有了很大的发展。 在日本，从1 9 6 7 年开始安装了高度为2 0 2 5 米的高层堆垛机，1 9 6 9 年出 现了联机全自动化仓库。此后，日本的自动化仓库技术和设备的台数都有了突 飞猛进的发展，在各个部门都安装了各种各样的堆垛机。日本的自动化仓库技 术和自动化仓库的拥有量位居世界前茅制。 自动化技术在仓储领域中的发展可分为以下五个阶段：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。在 上世纪9 0 年代后期及2 1 世纪的若干年内，智能自动化仓储是自动化技术的主 哈尔滨理t 人学t 学硕l 学位论文 要发展方向。 第一阶段，物资的输送、存储、管理和控制主要靠人工实现，其实时性和 直观性是明显的优点。人工仓储技术在初期设备投资的经济指标也具有优越 性。 第二阶段，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 的运行。机械化满足了人们对速度、精度、高度、重量、重复存取和搬运的要 求。 第三阶段，自动化仓储技术阶段，自动化技术对仓储技术和发展起了重要 的促进作用。上世纪5 0 年代末和6 0 年代，相继研制和采用了自动导引小车 ( a v g ) 、自动货架、自动存取机器人、自动识别和自动分拣系统等。7 0 年代和 8 0 年代，旋转体式货架、移动式货架、巷道式堆垛机和其他搬运设备都加入了 自动控制的行列，但这时只是各个设备的局部自动化并各自独立应用，被称 为 自动化孤岛。随着计算机技术的发展，工作重点转向物资的控制和管 理，要求实时、协调和一体化，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信可以及时地汇总信息，仓库计算机及 时地记录订货和到货时间，显示库存量，计划人员可以方便地做出供货决策， 他们知道正在生产什么、订什么货、什么时间发什么货、管理人员随时掌握货 源及需求。信息技术的应用己成为仓储技术的重要支柱。 第四阶段，集成自动化仓储技术阶段，在上个世纪7 0 年代末和8 0 年代， 自动化技术被越来越多地用到生产和分配领域，显然，“自动化孤岛”需要集 成化，于是便形成了“集成系统 的概念。在集成化系统中，整个系统的有机 协作，使总体效益和生产的应变能力大大超过各部分独立效益的总和。集成化 仓库技术作为计算机集成制造系统( c o m p u t ei 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 ， c i m s ) 中物资存储的中心受到人们的重视。虽然人们在上个世纪8 0 年代已经 注意到系统集成化，但至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多。在集成化 系统罩包括了人、设备和控制系统，前述三个阶段是基础。 第五阶段是智能自动化仓储技术，人工智能技术发展了自动化技术向智能 自动化方向发展。现在，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 9 8 0 年，由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成的我国第一座自动 化立体仓库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 呛尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论义 发展。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。我国的自动化仓库技术已实现了与其他信息决策系统的集 成，正在做智能控制和模糊控制的研究工作临6 。 1 2 堆垛机概述 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4 0 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口8 1 。我国是上个世纪7 0 年代初 期，开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。 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。 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、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 n ；提升驱动己由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 0 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 哈尔滨理t 人学t 学硕 j 学位论文 保持在1 6 0 m m i n ；提升速度在0 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，认址差错率高归一引。+ 1 3 本课题研究的意义和内容 1 3 1 本课题研究的目的及意义 随着我国加入w t o ，加快了经济全球化进程，进一步促进了物资流通， 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1 。 在立体仓库中，堆垛机是自动化立体仓库中最主要的作业机械设备，是输 送系统的核心设备，决定着整个出入库是否能流畅运行的关键，它的合理的速 度控制、精确的定位设计以及优良的故障诊断系统是实现堆垛机高效率、高准 确度、高度安全性运行的重要因素。在减小输送系统的“瓶颈”效应、提高自 动化立体仓库的整体运行效率有重要的意义n 刳。 根据市场预测，传统技术制造的2 0 世纪7 0 年代水平的堆垛机逐步将被淘 汰，而高速度、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主要体现在 运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性及认址精度。 国内堆垛机的运行速度要求达到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 要新技术的支持引。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。基于上述情况，对堆垛机的控制方式研究具有一定的实际意 义。 1 3 2 本课题研究的内容 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 哈尔演理t 人学t 学顺i 。学位论艾 立体仓库堆垛机行走系统的自动寻址、精确定位、速度凋节及控制。基于组念 软件的监控系统开发。论文包括了以下主要内容：配合使用较为成熟的中低档 型p l c s 72 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。 ( 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，模糊控制应用 到巷道式堆垛机的调速方法，改善了堆垛机的动态性能。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p l c 程序并调试。 ( 4 ) 在监控系统中，研究的内容包括：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。 坠! ：堡竺! 查兰三兰竺! ；兰些竺兰 第2 章立体仓库控制系统总体方案 整个立体仓库运行系统的设计是根据哈尔滨飞机厂的设计要求及现场环境 所设计，设计方案包括监控层及现场控制层部分。本章主要阐述的系统的整体 结构及相应的硬件设计方案。 2 _ 1 立体仓库的概况 霸主 零鹭薏 槲营盈。圆 蟀罐遵笔交建羹? ， 图2 - 1 仓库实物图 f i g2 - 1 t h er e a lo b j e c t t h ea u t o m i cs t o r a g e 2 1 1 电控系统设计依据 2 1 1 1 控制方式要求本堆垛机控制采用手动或自动控制方式。 1 手动方式通过堆垛机的转换开关及按钮控制堆垛机水平和提升运动及货 叉伸缩。同时运动速度也可以手动选择。手动操作时，系统应给予相应的瞥示 信号。同时系统将解除人部分的保护控制。手动操作主要用于安装、调试和排 除故障。 2 单机自动用人机界面对堆垛机进行全自动的控制，控制系统根据用广输 入的参数进行全自动的取送货动作。界面操作时，应具备对货物的单送、单取 操作。人机界面应具备实时显示设备运行工况，故障及历史故障查询等功能。 2 112 立体仓库控制系统设计要求自动化立体仓库中的计算机通过网络数据 传输命令，使堆垛机自动运行，必须具有以下功能： 1 定位控制为了存取货物，堆垛机必须准确地停止在指定货位处， 定位偏差控制在允许的误差范刚内。 2 速度控制为了提高作用效率，防止货物倾倒和堆垛机的冲击，确保停止 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 精度，必须进行速度控制。按照自动化立体仓库的实际形状、行走方向的地址 数和高度方向的货位数，选择恰当的行走速度和升降速度是极其重要的。 3 货叉控制使货叉能准确无误地从货位中取出货物以及把货物放入货位 中。货叉速度有高速和低速两档。当货物较轻且不易倾倒时采用高速。 4 控制信息的接收计算机对堆垛机和输送机等搬运机械发送出入库指令的 同时，控制和监视出入库作业是否正确进行。因为堆垛机是在高速移动，在搬 运物品时必须监控货物和机械的状态。检测这种状态的传感器和堆垛机上的信 息接收系统必须具备高的可靠性，否则计算机不能充分发挥作用。 5 故障报警巷道堆垛机是自动化立体仓库中最重要的设备，是系统进行作 业的主要设备。对堆垛机的故障分析、诊断十分重要。 2 1 1 3 堆垛机控制系统主要技术参数主要设计要求及参数如下： 1 控制方式p l c 控制 2 操作方式手动、上位监控软件自动 3 电机功率及速度 ( 1 ) 行走：5 5 k w 2 5 2 0 0 m m i n ( 2 ) 提升：1 1k w 6 3 8 0 m m i n ( 3 ) 货叉：o 5 k w 5 4 0m m i n 4 堆垛机定位精度 ( 1 ) 行走：4 - 3 m m ( 2 ) 起升：4 - 3 m m ( 3 ) 货叉：4 - 2 m m 2 1 2 立体仓库的电控系统结构图 自动化立体仓库主要由货架、巷道堆垛起重机、周边出入库配套机械设施 和仓储管理控制系统等几部分组成。货架长度大、排列数多、巷道窄，故密度 高；巷道机上装有各种定位的检测器和安全装置，保证巷道机和货叉能高速、 精确、安全地在货架中取放货。本系统由上位监控级与直接控制级组成。监控 级对通讯、流程进行控制，并进行实时图像显示，直接控制级是由p l c ( 可编 程序控制器) 组成的控制系统对各设备进行单机自动操作。采用组态王6 5 2 建 立监控界面，同时将运行系统的状态反馈到监控计算机。堆垛机采用西门子公 司的s 7 2 0 0 型p l c 控制，与变频器结合对堆垛机进行变频调速。系统结构拓 扑图如图2 3 所示。 哈尔滨理t 人学t 学硕i 学位论文 图2 - 3 系统拓扑结构图 f i g 2 - 3t h es y s t e mt o p o l o g yd i a g r a m 2 2 系统结构形式的选择 2 2 1p l c 模块的选择 p l c 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编 程简单等特点。长期以来，可编程控制器p l c 始终是工业自动化控制领域的 核心控制系统，为工业自动化生产提供了非常可靠的应用控制，广泛应用于冶 金、轻工、机械制造等各个领域，极大地推进了机电一体化的进程，提高了生 产效率。p l c 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，是无法取代的。 s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制 的自动化。s 7 2 0 0 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能 实现复杂控制功能。因此s 7 2 0 0 系列具有极高的性价比。 s 7 2 0 0 系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性；极丰富的指令集； 易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力； 丰富的扩展模块4 。 本设计选用的可编程控制器是西门子公司的s 7 2 0 0 系列小型p l c 喻尔滨理r 人学t 学硕l 。学位论文= c p u 2 2 6 。本机集成2 4 输入1 6 输出共4 0 个数字量l o 点。可连接7 个扩展模 块，最大扩展至2 4 8 路数字量i o 点或3 5 路模拟量i o 点。1 3 k 字节程序和数 据存储空间。 6 个独立的3 0 k h z 高速计数器，2 路独立的3 0 k h z 高速脉冲输出，具有 p i d 控制器。2 个r s 4 8 5 通讯编程口，具有即p p i 通讯协议、m p i 通讯协议 和自由方式通讯能力。i o 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制 系统，具有更多的输入输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和更 强的内部集成特殊功能。完全适应于一些复杂的中小型控制系统。 由于p l c c p u 2 2 6 的集成2 4 输入1 6 输出不能满足设计的要求，故又选用 了e m 2 2 1 扩展模块和e m 2 3 5 扩展模块及e m 2 3 3 扩展模块，正好满足设计要 求。所选模块型号如表2 1 所示： 表2 1 扩展模块选型表 t a b l e2 - 1t a b l ef o re x p a n s i o nm o d u l es e l e c t i o n 系列号类别描述数量 e m 2 1 1 输入扩展模块 d 1 8 2 e m 2 3 5 输入输出扩展模块 a 1 4 a 0 1 1 e m 2 3 2 输出扩展模块 a 0 2 l e m 2 3 3 输入输出扩展模块 d 1 4 d 0 41 2 2 2 通信方案的确立 为了控制无人运转堆垛机，必须向堆垛机发送运转和作业的信息。如果一 个指令执行完了之后，必须从堆垛机向地面发送响应信号，即确认信号，之后 才能执行下一个指令。堆垛机的信息传递顺序是：堆垛机首先接受的作业信息 是从什么地方取货，之后把它存入什么货位。堆垛机控制盘在收到作业信息之 后向地面控制盘发出响应信息。堆垛机根据作业信息进行作业。作业完了之 后，向地面发出“作业结束 信息。这样把系列作业进行完了之后，成为等 待下一个作业信息的待机状态。 串行通信中最常用的物理层协议为r s 2 3 2 c 和r s 一4 8 5 。在立体仓库控制 系统中采用r s 一4 8 5 标准。主要基于以下两点考虑： ( 1 ) r s 2 3 2 c 接口标准只能用于点对点的通信，而r s 一4 8 5 能实现多点对多 点的通信。r s 4 8 5 允许平衡电缆上连接3 2 个发送器接收器。立体仓库控制 哈尔演理t 人学t 学硕 j 学位论交 系统要求监控系统和3 台堆垛机控制系统连接，要求物理层的协议必须支持一 点对多点的通信。 ( 2 ) r s 4 8 5 采用差动发送接收，所以共模抑制比高，抗干扰能力强。立体 仓库的工作环境较恶劣，热、电、磁等干扰信号较多，要求通信网络的抗干扰 能力较强，才能保证数据的正确接收。r s 4 8 5 标准除上述优点外，还具有传 输速率高、传输距离远等优点。 由于p l c 带有串行通信接口，只需用r s 4 8 5 总线分别连接到计算机即 可，可见系统的构建十分简单当需要增加新设备时，只需要将新设备也连接到 计算机，系统的扩展也较容易。为了利用计算机带有的r s 一2 3 2 接口与下层的 各个模块通信，在计算机上需要安装2 3 2 4 8 5 转换器。 在自动化立体仓库控系统中选用m o d b u s 通讯协议作为其通信网络数据 链路层的协议。m o d b u s 通讯协议是m o d i c o n 公司设计的一种适用于工业控 制的主从结构式串口通讯协议，已经成为通用工业标准n 引。采用该协议，不同 厂商生产的控制设备可以互连成工业网络，实现集中监控。许多工控产品， 例如p l c 、变频器、人机界面、d c s 和自动化仪表等，都在广泛地使用 m o d b u s 协议。本系统中使用的变频器和p l c 都支持m o d b u s 协议。而且 m o d b u s 协议编程简单、容易实现。在笔者所研制的自动化立体仓库控制系统 中得到了很好的应用，数据传输准确、可靠。 2 2 3 安全检测传感器的选用 2 2 3 1 货架占用情况检测自动化仓库需要知道货物是否存放在货架，或者货 物在货架的位置信息。以免造成误动作，损伤机械。入库操作时，当堆垛机到 达目标位置时，先检测货位是否有货物，若没有货物，则进行伸叉作业，否则 发出信号使堆垛机动作停止；出库时，若检测出相应货位无货物，则发出信号 致堆垛机动作停止。笔者采用漫反射型的光电传感器可以感知货物在货架的存 在或者位置。传感器安装示意图如图2 - 4 所示。 2 2 3 2 货物突出货架监视货物存放在货架上，可能由于异常的情况导致货物 突出货架的情况。由此突出的货物就成为堆垛机垂直方向运行障碍，可能导致 货架或者堆垛机损害。为了避免此类情况的发生，在堆垛机垂直轨道顶端安装 长距离光电传感器可以监视货物突出，一旦有突出，向上位机报警，控制系统 发出信号致堆垛机停止运行，避免造成机械损害，传感器安装示意图如图2 5 所示。 坠! ：鎏些! 叁兰三兰些! ：兰竺竺兰 图2 _ 4 货位检测传感器 f i g 2 - 4s e n s o r f o r c a r g os p a c e 幽2 - 5 货物突出检测传感器 f i g2 - 5s e n s o rf o rd e t e c te x t r u d e dg o o d s 哈尔滨理t 人学t 学硕f 学位论文 2 2 4 认址方式的选择 2 2 4 1 方案比较表2 1 介绍了目前国内外堆垛机停准时的认址方案，并按照 位置检测原理把认址方式分为绝对认址和相对认址，其中绝对认址包括光电开 关相对认址、旋转轴编码器认址、激光测距认址。并且对各种认址方式进行了 比较。 表2 1 认址方案比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no fm e t h o d st oi d e n t i f ys i t e s 激光测距 认址器光电开关旋转编码器 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 m mm m 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反射式 使用寿命短短较长k 2 2 4 2 认址方式确认自动认址就是堆垛机自动辨认地址停止在目的货位的功 能。其有两项任务：一是实现自动寻址，使堆垛机自动找到被指定到达的位 置；二是自动准确停位，即堆垛机找到指定位置后，停在规定的精度内。经综 合对比各认址方案，从认址精度、可靠性、系统成本及实际情况考虑，本系统 采用如下方式自动认址： ( 1 ) 水平方向采用激光测距传感器，当前数据为位移值，经过p l c 计算后 的数据为当前速度值。激光测距传感器安装在堆垛机上，目标放射板安装在巷 道末端。在立体仓库巷道通道中的激光测距范围( 激光发射器与反射板之间) 内 不得有任何物体遮挡激光光线。激光测距的原理是通过发射出的激光光线长度 来测定距离，其光线就好比一把光尺，如果物体遮挡激光光线，让它脱离原标 准原点的测定位置，将影响实际要求的测定距离，从而使巷道堆垛机走位偏离 所设定的位置，产生货叉取存储错位或起始点撞击巷道堆垛机端部缓冲制动 器的情况。因此，在巷道堆垛机工作时不允许有任何物体遮挡激光光线，对于 激光光线通道应采取隔离保护措施，保证激光测距的准确性和自动化系统的安 全性凯盯1 。 ( 2 ) 垂直方向采用安装在堆垛机立柱上的绝对光电认址片认址，与货架每层 相对应。选用o m r o n 的e 3 s g s 3 e 4 型光电开关。在升降台上安装3 个槽形 哈尔滨理t 上学1 学坝f 学位论立 光电丌关，与升降台一起上f 升降。中问的个共用，其它两个，分别为k 位 置和下位置。存货丌始或是墩货结束时升降台货又停在高位置，下面两个光 电丌关处于认址片内；取货开始或存货结束时，货叉停在低位置，此时上面两 个光电开关处于起升认址片内，如图2 - 6 所示。其认址状态如表2 - 2 所示： 数光屯 二 一r 对准光电 低位置高位置 数光电 图2 4 提升方向认址三传感器分布圈 f i g t h e g r a p ho f 3s w i t e h sd i s t r i b u t i n g 表2 - 2 三开关进行垂直认址的状态表 t a b l e2 - 2 i h e t a b l eo f 3s w i t c h ss t a t e s w h e n t h e ya r e w o r k i n g 上升下降 传感器存货高位取货低位存货高位取货低位 a 1 计数、减速、定 定位、停l 位 a 2 计数、减速、定位、停止定位、停l f计数、减速、 定位定位 a 3 定位、停i t计数、减速、定 位 2 2 5 安全保护措施 2 251 联锁保护( 1 ) 如下情况时，水平及升降运动将被锁定：货叉没在中位； 货叉j 下在运行；货物尺寸、重量超差。( 2 ) 如下情况时，货叉运动将被锁定：堆 垛机水平及升降运行：堆垛机定位不准时；堆垛机安全保险系统被启动：存货 时相应的货位有货物，取货时相应的货位无货物。 2 2 52 断绳保护堆垛机提升钢丝绳断裂时，切断电机和电机制动器的电源， 使电机停止转动，防止载货台下降。 匠 哈尔滨理丁人学t 学硕i j 学位论文 2 2 5 3 限位保护堆垛机装有运行终端限位器，当堆垛机接近两端极限位置或 载货台接近上下极限位置时，该装置能自动切断行走电机或提升电机的电源。 2 3 堆垛机闭环控制系统 如图2 7 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“激光测距传感器+ 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，根据激光测距传感器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，根据激光测距传感器 反馈回来的堆垛机的距离信号与速度信号，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，在到达目的地址的时候制动停准。采用这种闭环控制方式能较好地满足自 动化仓库中巷道堆垛机高速运行、换速平稳、低速停准的调速控制要求n 引。 图2 - 7 闭环控制系统图 f i g 2 - 7t h es y s t e md i a g r a mo fc l o s e d l o o pc o n t r o l 采用激光测距、测速，进行速度反馈的电机闭坏变频调速方案是一种较理 想的控制方法，满足了自动化仓库中巷道堆垛机高速运行、换速平稳、低速停 准的调速控制要求。实际应用表明，该系统能对电机转矩实行精准控制、低速 运行性能好、调速范围广，而且电机加速特性较好、系统动态响应很快，可靠 哈尔演理t 人学t 学硕i ：学f t 沦文 性高。 2 4 本章小结 本章依据设计立体仓库的有关参数，对堆垛机电气控制的硬件系统进行了 设计。包括系统结构图，堆垛机的控制方式、通讯方案及认址方式的选择，并 设置了相应的安全保护措施。 哈尔演理r 人学t 学硕f j 学化论义 第3 章模糊控制技术在堆垛机上的应用 3 1 引言 影响立体仓库作业效率的主要因素，其中之一是输送设备的运行和定位的 快速性和准确性，在立体仓库中最主要的出入库输送工具是堆垛机，它是输送 系统的核心设备。堆垛机是高层、高速、高密度自动存取的产物，在自动化立 体仓库中广泛应用，其主要有行走机构、升降机构、货叉、导轨、p l c 控制系 统以及相应的检测机构组成。以p l c 控制系统为中心，各机构之间相互协调 动作，完成出入库任务n 引。 堆垛机作业效率的高低，主要与水平和垂直方向的运行速度、启动制动的 加速度有关。要提高作业效率，就必须提高各个机构的运行速度，加大启动制 动的加速度以减少启动制动时间。但是根据立体仓库的实际情况，不能盲目的 提高速度和加速度。运行速度过高，必然要加大启动制动加速度，加长定位时 间，无法保证定位精度；加速度的提高要有一定限度，过大的加速度会加大堆 垛机立柱纵向震动，同时，也会使货物倒塌的几率提高，加剧对运行、检测机 构的损坏。 在实际应用中，定位精度与机构执行速度( 即效率) 是一对矛盾体。如果为 了提高堆垛机的快速性而增加各段速度或者将减速点后移，必然会增加定位的 超调量，降低定位精度；反之，如果为了满足定位精度而降低速度或将减速点 前移，则必然会影响定位的快速行，增加作业时间，堆垛机的效率将降低。要 解决这对矛盾体，传统的控制理论已经显得力不从心，所以要选择先进的控制 策略、开发新的控制算法来控制堆垛机的调速与定位。 本文提出的用模糊控制技术进行调速，模糊控制是人工智能的一种，它模 拟人的思维，对非线性或强耦合系统有很强的适应能力，可将速度提升曲线作 为阶梯状曲线，其调速精度可以根据需要做。在不影响效率的前提下，提高定 位精度。 3 2 堆垛机运行速度曲线的研究 堆垛机在运行时，伴随着频繁的启动加速和制动减速过程，对堆垛机的控 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 制系统首先要考虑运行效率，其次，由于堆垛机所携带的货物的种类多种多 样，在运行中要考虑其倒塌的可能性，要做到安全运输。 实际编程设计时，己经知道堆垛机运行行程s ，最大运行速度，。及加速 a 。，由已知条件来做堆垛机运行曲线，将各种需要的参数进行计算。 常见的速度运行曲线有三种，分别为三角形与梯形速度曲线，抛物线与直 线形速度曲线，正弦形速度曲线。在我们目前实际使用中主要使用梯形速度曲 线n 引。设堆垛机运行距离为s ，三角形速度曲线堆垛机以加速度a 。启动加速， 当匀加速到最大运行速度1 ，时，再以a 。匀减速运行，直到零速停靠。梯形 速度曲线堆垛机以加速度a 。启动加速，当匀加速到最大运行速度时，保持该 速度运行一段时间，再以a 。匀减速运行，直到零速停靠。如图3 1 所示。 n ) 7一 | i r ， t ( s f 2 卜，o + l 1 ， o tl 1 上 r 图3 - 1 三角形速度曲线图 f i g 3 - 1t h eg r a p ho ft r i a n g l e ss p e e d 三角形速度丁= 2 岳 p 1 ， 哈尔滨理t 人学t 学硕i 学位论文 运行最大速度 梯形速度曲线运行时间 2 s 1 ，_ 2 了 ( 3 - 2 ) 丁=羔+s(3-3) a mv m 可以证明，在加速度a 。与运行距离s 一定的前提下，当梯形速度曲线最 大运行速度1 ，。取为三角形速度曲线最大速度 ，。的1 1 2 时，殆1 2 5 t ，如果 v 。，。再增加，卯变化已不明显。而此时由于速度降低，所需功率明显减 少。所以，实际应用一般采用梯形速度曲线。在梯形速度曲线中，一般s 与 ，。是固定的，r 随着a 。加大而减小。实际使用中，考虑到定位精度问题，会 提前一段时间减速，在速度曲线中增加一段低速爬行速度，以精确定位停准。 综合分析系统的控制要求，本文选取近似梯形曲线作为堆垛机调速曲线。 3 3 模糊控制理论基础 自从6 0 年代后期，由la t _ 矗a h e 创立模糊理论以来，模糊理论在许多领 域进行了应用，在控制领域也开辟了一个新的天地。模糊逻辑与经典的二值逻 辑不同，模糊逻辑是一种连续逻辑。一个模糊命题是一个可以确定隶属度的句 子，它的真值可取 0 ，1 区间中的任何值。很明显，模糊逻辑是二值逻辑的扩 展，而二值逻辑只是模糊逻辑的特殊情况。模糊逻辑有着更加普遍的实际意 义，它摒弃了二值逻辑的简单的肯定或否定，把客观逻辑世界看成具有连续灰 度等级变化的，它允许一个命题亦此亦彼，存在着部分肯定和部分否定，只不 过隶属程度不同而己，这就为计算机模拟人的思维方式来处理普遍存在的语言 信息提供了可能，具有划时代的现实意义2 0 2 。 3 3 1 模糊控制基本思想 模糊控制方法模仿人的思维方式与人的控制经验，用电脑代替人脑来实施 有效的控制措施，传统控制理论依赖被控系统的数学模型，而模糊控制依赖于 被控系统的物理特性。物理特性的提取依靠人的直觉和经验，这些物理特性在 人脑中是用自然语言抽象形成的一系列概念和规则，自然语言的重要特点就是 具有模糊性。人可以通过不精确信息来推理得到有意义的结果他引。同时模糊控 制器结构简单，参数整定十分方便，因此它己经成为目前实现智能控制的一种 重要而又有效的形式。 哈尔滨理t 人学丁学硕l 学位论文 3 3 2 模糊逻辑系统基本理论 定义3 1 论域：被讨论对象的所有元素的全体称为论域，通常以大写字母 队矿或瓜】，等表示，其一般元素通常用z | 、v 或x 、y 等小写字母表示。 定义3 2 模糊子集：设在论域u 上给定了映射z ：u _ 【0 ，1 】，则说肛刻 划了u 的一个模糊子集，记为a 。l 称为彳的隶属函数，记为肛。，。( “) 称为u 关于a 的隶属度。它表示“属于彳的隶属度。一般将模糊子集简称为 模糊集。为简便计算，约定幢引：。( ”) 朝( z | ) 。 3 3 3 模糊系统的基本组成 模糊控制系统是一种自动控制系统