PLC在模拟立体仓库中的应用.doc

第一章绪论1.1研究背景与意义仓库系统现代化的标志是自动化立体仓库的出现。它较之普通仓库有着巨大的优越性。它能大幅度地增加仓库面积，使仓库容量和密度增大，能提高仓库存取作业的机械化、自动化程度，提高出入库效率;能有效的利用仓库的存储容积，实现合理库存；易于实现先入先出的原则，防止货物变质、丢失，较好地适应各种环境条件。因此，自动化立体仓库的出现，改变了数百年来形成的有关仓库的传统观念，使“静态仓库”变为“动态仓库”。自动化仓库系统一般由高层货架、堆垛机、输送设备、电气控制系统、信息处理系统等组成，各部分相互协调共同完成货物的存储运输和管理。在整个系统中，堆垛机是这类系统中最主要的设备之一，它在高架立体仓库货架的巷道间前后运行，运输货物，完成在站台和货格间的存取动作，最典型的自动化立体仓库，可以将设备简化为堆垛机、货架和存取站台，堆垛机的性能直接决定了整个系统的性能，是自动化仓库的核心设备。最初的堆垛机是从桥式起重机发展起来的，这种堆垛机是从行车大梁上悬挂一个立柱或门架，利用门架的上下和门架上可左右移动的机构来搬运货物，我们称之为桥式堆垛机，20世纪六十年代在美国出现了不同于桥式起重机的巷道式堆垛机，它没有大梁，具有地面轨道和上部轨道防止倾倒，目前所称之为堆垛机的设备都是巷道式堆垛机，其主要特征为采用货架支撑，在货架巷道内具有地面单轨和安装于货架项部的天轨，对堆垛机由电机驱动，沿巷道内的天地轨道运动，依靠货叉或存取机构完成对货架内货物的存取。从20世纪六十年代欧洲、美国和日本逐步在各行业建设大量的立体仓库，技术水平逐步发展，目前在欧洲和日本己经出现了高度超过5Om的堆垛机，在机场、立体车库及港口、钢厂等行业中， 堆垛机起重重量己达到5吨以上，由于计算机系统功能的强大，立体仓库系统越来越复杂，要求存取速度越来越迅速，堆垛机的速度也越来越高，近年来运动控制等技术的迅速发展使堆垛机运行速度达到360m/min,在轻型堆垛机上，使用特殊材料制作的驱动轮运行加速度达3m/s2以上，现在堆垛机技术依然保持着向更快速度、更高结构的方向发展。 在实际应用中，对堆垛机的应用要求已由过去的简单的货物搬运的控制上升到对其速度、位置等进行精确的控制，其运动符合预想的要求，控制系统将预定的控制方案、规划指令转变为期望的机械运动。这种新型的控制技术已经不再是传统的“电机控制，而是“运动控制”。运动控制使堆垛机实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制等的综合控制。在自动化立体仓库系统中，堆垛机在控制系统的指挥下，按照调度计算机的调度指令完成对货架内和出入站台工位货物的存取和输送。目前的堆垛机系统一般具备自带控制器进行系统控制的功能。其电控系统由上位管理系统、控制系统、驱动系统、认址系统、通讯系统等几方面组成。自动控制功能的实现是在系统控制器的指挥下，按照上位调度系统下达的任务或通过机上人机界面下达的操作指令，指挥各种机械部件和电气部件执行和完成各种动作，控制器监控和采集检测器件的信号，进行堆垛机各动作的逻辑判断、通过驱动器驱动电机、通过位置检测与速度检测器件进行运动控制，通过安全检测器件对堆垛机运动和位置进行安全判断，通过通讯器件与上位计算机、检测和执行器件及相关设备进行信息交换，控制系统与检测系统和通讯系统等协同组成堆垛机系统的自动运行，堆垛机同时具备手动、自动和在线功能，可以在不同状态下完成各种动作。堆垛机是一种高度自动化的设备，设备运行速度快，协调动作多，设备必须做到运行安全和动作准确，在堆垛机的控制中，运动控制是其控制的核心内容，运动控制技术的水平直接决定了堆垛机的工作效率及使用寿命。1、杨华，李欣自动化立体仓库堆垛机拣选作业调度研究【J】，起重运输机械，2005.1.2运动控制技术的发展背景与研究现状一个多世纪来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围己遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。在20世纪的绝大部份年代里，鉴于直流传动电机驱动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动80%的不变速传动则采用交流电动机，这种分工在一段时期内己成为一种举世公认的格局。交流调速系统虽然早已有多种方案问世，并己获得一些实际应用的领域，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。在运动控制中，直流电机配合直流驱动器仍然是主要的配置。直流调速控制简单，调速性能好，变流装置(晶闸管整流装置容量小，长期以来在调速传动中一直占统治地位，但也具有下述缺点：(l) 由于直流电动机结构复杂，且具有电刷和整流子等部件，成本高、故障多、维修保养和检查工作较困难，经常因火花大而影响生产仓储安全并因火花产生的干扰辐射严重影响控制系统与通讯系统，特别是在自动化立体仓库中是一个致命的缺点。(2)换向器的换向能力限制了电机的容量和速度。直流电动机的极限容量和速度之积约为IO6kW.r/min，许多大型机械的传动电动机己接近或超过该值，设计制造困难，体积的庞大增加了使用和维护的难度。同样性能的直流电动机其体积与重量都比较大，成本也较高。(3) 为改善换向能力，要求电枢漏感小，转子短粗，导致GD2增大,影响系统动态性能，在动态性能要求高的场合，不得不采用电枢或三电枢，带来造价高、占地面积大、易共振等一系列问题。（4) 直流电动机除励磁外，全部输入功率都通过换向器流入电枢，电机效率低,由于转子散热条件差，冷却费用高。交流电动机没有上述缺点，但调速困难，直到本世纪70年代初叶；席卷世界先进工业国家的石油危机迫使他们投入大量人力物力和财力去研究高效节能的交流调速系统，经过多年的努力，到了70年代末，大见成效，一直被认为是天经地义的交直流传动按调速分工的格局终于被打破了。近年来，随着电力电子技术的发展，大功率交流调速的性能已达到直流传动的水平，装置成本降低到与直流传动相当或略低的程度，由于维修费用及能耗大大降低，可靠性提高，因此出现了以交流传动取代直流传动的强烈趋势。采用这项技术能取得下述效果:(1) 减小维修工作量，减少停机时间，提高产量。以德国Dillingen厂5.5m厚板扎机为例，直流主传动年维修工作量145h，交流主传动只需36h，仅为直流传动时的1/4。(2) 可突破直流电动机的功率、速度极限，为设备提供更大的动力，从而提高产量。仍以5.5m 厚板扎机为例，直流传动的最大功率为2X8OOOkW(50/100r/min)已达到极限值。改成交流传动后，主电机功率提高36，达2X10920KW(58.5/112.5r/min)。(3) 减小电机的转动惯量。以宝钢2050mm热连轧机为例，直流主传动电动机2X4500kW( 250/578r/min)双电枢，转动惯量为19.2tm2；交流主传动电动机9000kW( 250/578r/min)单电枢，转动惯量4。3t m2，减小为直流时的1/4.5,使响应时间由120ms减小到80ms，有利于提高产品产量和质量，单电枢电动机比双电枢电动机节约厂房和基础面积。(4) 由于交流电机结构简单，因此有可能以机械合为一体，形成机电一体化产品，大大简化机械结构，减小体积和重量，提高可靠性。(5) 成本方面，交流调速的功率装置(变频器与电网补偿装置)和控制装置比直流调速的功率装置(速流器与补偿装置)和控制装置贵，但它的电动机便宜。随着电动机功率的增加，交流调速总成本的增长比直流调速总成本的增长要慢，大于某一功率后交流调速就比直流调速便宜。八十年代中期微处理器及功率晶体管的发展极大地推动了变频器的应用。1956年美国贝尔(BELL)电话公司发明了PNPN可触发晶体管，1957年美国通用电器公司(GE)对其进行了商业化开发，并命名为晶体闸流管，简称为晶闸管(thyristor)或可控(silicon controlled rectifier-SCR)。经过60年代的完善和发展，晶闸管已经形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。在这一期间，其他科学家同时还研制了一系列晶闸管派生器件，如不对称晶闸(asymmetrical thyristor-ASR)、逆导晶fl(reverse-conducting thyristor-RCT )、门极辅助关断晶闸管、双向晶闸管(TR工AC)，光控晶闸管( light activated silicon controlled rectifier-LASCR)，在80年代又研制开发了可关断晶闸管(gate-turn-off thyristor-GTO)。晶闸管及派生器件主要应用在低频领域(400HZ以下)，由于晶闸管类器件基本上是换流型器件，其工作频率又比较低，由其组成的频率变换装置在电网侧谐波成分高，功率因素低，形成了所谓的“电力公害”。70年代大功率晶体管(三极管)己进入工业应用阶段，80年代晶体管的性能变得更好，使用也更方便，它被广泛应用于数百千瓦以下的功率电路中，功率晶体管工作频率比晶闸管大大提高，达林顿功率晶体管可在1OKHZ以下工作，非达林顿功率晶体管可达20KHz，由于音频信号小于20KHZ，故用功率晶体管组成的功率变换装置工作时无声音，出现了所谓20KHz”革命，其缺点在于存在二次击穿和不易并联以及开关频率仍然偏低等问题，使其使用受到了限制。70年代后期，功率场效应管(POWER MOSFET)开始进入实用阶段，这标志着电力半导体器件进入高频化阶段。在80年代又研制了电流垂直流动结构器件(VDMOS)，它具有工作频率高(可达兆HZ)，开关损耗小，安全工作区宽，几乎不存在二次击穿，输入阻抗高，易并联(漏源电阻为正温度特性)的特点，是目前高频化的主要器件，尽管VDMOS器件的开关频率高，但导通电阻大这一缺点限制了它在高频大中功率领域应用。80年代电力电子器件较为引人注目的成就之一就是开发了双极型复合器件，研制复合器件的主要目的就是实现器件在高电压、大电流及开关频率之间的合理折衷，由于MOS器件为场控器件，其驱动信号为电压驱动，且开关频率高，而双极型器件又具有电流容量大耐高压的特点，故将上述两种器件复合从而产生出高频、高压、大电流器件。目前最有发展前途的复合器件有绝缘栅双极型晶IGBTinsulated gate bipolar transistor)和MOS栅控晶闸管(MGT)( MOS controlled thyristor)。 IGBT于1982年在美研制成功，1985年投入市场。MCT是80年代后期投入市场，这两种器件均为场控器件，其工作频率都超过20KHz。同期发展的另一种器件是静电感应晶体管SIT (static induction transistor)和静电感应aw闸管SITH (static induction thyristor)。他们是利用门极电场改变空间电荷区宽度来开关电流通道原理制成的器件，S工T是单极型器件，SITH是双极型器件，都同时具有高压、大电流和高频的特点，也是很有发展前途的器件。80年代另一重要的发展是功率集成电路(HVIC)和智能化功率集成电(SMART POWER IC)的研制成功，它们是在制造过程中，将功率电子电路和信息电子电路一起集成在一个芯片上或是封装在一个模块内产生的，前者较后者简单，后者具有信号测试及处理、系统保护及故障诊断等功能，它们实际上是一种微型化的功率变换装置。目前,普通晶闸管SCR己有IKA/12KV和3KA/4KV的产品，可关断晶闸管已有lKA/9KV,4.5KA/4.5KV的产品，逆导晶闸管RCT有1KA/4.5KV的产品,功率晶体管GTR己有200A/lKV（单管),800A/2KV1OOA/1800V(模块)的产品。功率MOSFET(VDMOS)己有38A/1000V的产品。绝缘栅双极型晶体管工GBT的研制水平为150A/200OV,360A/170OV, 2400A/3300V，这些模块已投入市场。MOS栅控晶闸管MCT目前研制水平为300A/2000V, I000A/1000V,最高电压为3000V，已有100A/l000V的产品。随着科学技术的发展及功率集成制造技术的日趋完善，变频器技术具有广阔的发展前景。目前,控制频率的三相交流传动的特性比传统的直流驱动的特性毫不逊色。的确，变频器在如下特性方面更显优势，例如:维护、容易实现高水平的保护、防爆、电机重量轻、转动惯量小，传动系统机械时间常数小，因而可降低加速所需的功率。变频器工作完全数字化，这意味着它们可用于自动化工厂，以及可通过总线系统与监视计算机相连进行控制和监视。变频器在如下方面特别易于应用。可 视 化编程及参数化法，用变频器上普通文本显示器和键盘或者用一台PC机（可选几种语言中的任一种);l 设备自动诊断；l 完整测量功能(对于V,I，n, 输入和输出信号等)；l 某些参数的自动设置。 假如遵循实用规程，变频器技术的优势可毫无限制地加以利用。三相鼠笼式电动机特性的知识对于一个驱动(齿轮电动机十变频器)的适当实用方案是必不可少的。变频器技术确保了可靠性的所有先决条件及简便操作，提供了从实用方案实施起全部应用的正确方法。如下可供参考:l 电磁兼容(EMC调节)l 预防故障(安全性及事故预防调节，VHG4)l 场所保护(减小排放，例如噪声)2、郭萍茹自动化立体仓库在企业中的应用【J】机械管理开发，2005(1)：17-211.3本论文的选题背景本论文“堆垛机运动控制的探讨”的研究内容是涉及堆垛机控制的关键技术系统中的重要组成部分。在堆垛机的运动控制上，国内外的大部分设备上都采用开环控制(开环控制系统的输出端和输入端不存在反馈回路；而闭环控制系统的输出、输入端之间存在反馈回路，输出量对控制作用有直接的影响,可利用反馈信息减少输出偏差),所采用的方法是堆垛机在减速以前，以高速运行；到减速点以后，低速运行直到准确定位然后停车。这种方式固然解决了堆垛机的定位问题，但是定位时间过长，降低了堆垛机的运行效率。在有些进口堆垛机上采用伺服驱动器和伺服电机组成控制系统来完成堆垛机的运动控制功能，这种方式解决了堆垛机的定位问题和运行效率的问题，但这种方式的硬件成本较高。在国内市场上，性价比在很大程度上决定了市场竟争力，本论文就是根据以上问题，在对交流鼠笼式电动机和变频驱动原理进行分析的基础上，以交流鼠笼式电动机和矢量变频器组成控制系统来完成堆垛机的运动控制功能，在满足堆垛机的定位精度要求和运行效率的前提下，降低堆垛机的硬件成本，提高堆垛机的性价比，从而提高市场竞争力。第二章 堆垛机的总体设计 在自动化立体仓库系统中，堆垛机是在控制系统的指挥下，按照调度计算机的调度指令完成对货架内和出入站台工位货物的存取和输送。2.1 主要结构与工作原理2.1.1基本结构 堆垛机主要由下列部件组成（见图2-1） a）立体：钢板组成焊成矩形方管，在立柱上安装由升降导轨，支撑升降台上下运动； b）升降台：方钢管组焊接而成，由导轮夹持升降导轨沿立柱做上下运动； c）货叉：可左右伸叉的三层叉体，运动机构采用齿轮齿条传动； d）升降驱动系统：升降驱动电机通过钢丝绳传动完成升降台的升降运动； e）电控系统：包括控制系统、电机驱动系统、通信系统检测系统和机上布线等几个部分； f）走行驱动系统：走行驱动电机驱动走行轮使机器沿天地轨水平运动； g）底架：由两端的走行轮支架及钢板组焊成的矩形方梁构成，支持机器其它部件。abcdegf图2-1 堆垛机结构示意图 a、立柱 b、电控系统 c、升降台 d、货叉 e、走行驱动系统 f、升降驱动系统 g、底架2.1.2 主要动作描述 堆垛机在货架巷道内进行运动，可以分解位沿货架巷道的水平方向的走形运动、沿堆垛机立柱或立柱导轨的垂直升降运动和对货架或出入站台的存取货的动作，机械结构可分简单叙述为：在机器的顶部和底架上分别装有一组及两组导行轮，夹持着天地轨（天轨安装于货架上，地轨安装在地面上），走行电机驱动与地轨接触的走行轮，在天轨和地轨的约束下，堆垛机沿天地轨水平走行；系着升降台的提升钢丝绳或链条，在提升电机的驱动下钢丝绳或链条拉动升降台使其沿立柱两侧的导轨完成升降运动；货叉电机驱动一个机械倍增机构，使上叉体完成左右存、取托盘运动。三种运动分别在电控系统协调控制下，完成本巷道对站台的空、实托盘的出、入库工作。2.2 堆垛机电控系统的主要组成1)驱动系统：包括走行、升降、货叉的驱动器、电机，可以使用直流电机、交流鼠笼式电机、伺服电机及其相关的驱动器；2）认址系统：包括走行、升降、货叉三个方向的位置检测系统，可以用激光测距器、编码器等；3）通讯系统：堆垛机与上位调度计算机通讯，从硬件分有红外数据传输器、无线通讯器、滑触线轨道通讯器；从通讯协议分有串口通讯、总线通讯、以太网通讯；4）操作方式：有单机（自动）、手动、在线的操作（半自动）方式；5）任务系统：包括任务确认、动作流程确定、运行目标分解；6)安全与故障处理：包括动作连锁、极限停车、各种故障的判断与处理。23 堆垛机电控系统的硬件结构 堆垛机的电控系统的硬件结构配置，主控器采用可编程控制器和操作显示屏加PROFIBUS-DP现场总线技术构成控制系统，变频器作为驱动器。 为实现自动化立体仓库巷道堆垛机的闭环无级控制，其闭环无级控制反馈信号根据认址方式上的差异可分为：认址片、旋转编码器和激光测距仪测距，一般情况下采用激光测距、旋转编码器测速进行速度反馈的电机闭环变频器调速方案是一种比较理想的控制方案，该方案能精确控制电机转矩，低速运行性能好，电机加速特性好，调速范围大，工作性能可能且动态响应性能好，其重复控制精度可达到1mm以上，但系统开发成本高，影响到实际的推广应用。2.4堆垛机工作系统 a）水平运行系统实现堆垛机水平运行的系统包括水平驱动、天地认址、水平认址系统等； b)升降运行系统 实现堆垛机升降运动的整套系统，由升降台、导轨、升降认址系统、升降驱动装置等组成； C）机架系统 主要完成承载货物及自身的重量，并使堆垛机部件之间保持确定的位置关系，主要由立柱、底架及安全爬梯等组成； d)货叉系统 主要完成承载货物及存取货物的功能，主要由货叉驱动装置和货叉体及安全离合器等组成； e）电控及通讯系统 由机载电控柜和红外数据传输系统两部分组成，并与上游计算机进行通讯联络，共同实现对堆垛机的控制。3、乔玉晶，吕宁立体仓库巷道堆垛机控制系统设计【J】，自动化技术与应用 2004，26(10,50-602.5 工作原理和堆垛机运行模式4、刘昌祺，董良自动化立体仓库设计【M1，北京：机械工业出版社，2004，13222.5.1工作原理 在立体顶部和底架上分别装有一组及两组导行轮，夹持着天地轨。走行电机驱动地轨上的走行轮使堆垛机沿天地轨水平走行；系着升降台的提升钢丝绳，在提升电机的驱动下钢丝绳拉动升降台使其沿柱两侧的导轨完成升降运动；货叉电机驱动一个齿轮齿条机构，使上叉完成左右存、取托盘运动。三种运动分别在电控系统协调控制下，完成本巷道对站台的空、实托盘的出、入库工作。2.5.2运行模式 堆垛机在正常使用过程中，是按任务模式运行的，运行框图如图2-2. 堆垛机接收命令后，按预先在堆垛机主控器内部规定的协议，翻译出堆垛机将要运行的位置，然后与当前的位置进行比较，得出运行的方向，然后通过计算目的标地址与当前位置的差值，得出当前速度，再控制变频器的转速，达到控制 电机以及设备的目的，控制框图如图 2-3。 否否开始是否有任务是否满足安全要求正常运行定位存取货操作停机上报相应信息停止故障处理结束结束结束是是 图2-2 堆垛机运行框图开始电机正转目的地是否在前点计算当前与目标距离计算电机转速输出至驱动器结束电机反转否是图2-3 控制框图2.6 主要性能指标及结构要求5、张晓川现代仓储物流技术与装备【M】，化学工业出版社，2003，1982182.6.1主要性能参数 本论文堆垛机以单柱、单伸叉、单货位巷道式堆垛起重机，主要性能参数见下表1。表1 堆垛机主要性能参数表序号名称性能指标1额定载重量，Kg3502载货尺寸，mm600（w）1000（D）800（h）（含托盘）3推盘尺寸，mm600（w）1000（D）150（H）（木质）4最大走行速度，m/min1805最大升降速度，m/min456最大伸叉速度，m/min407水平走行定位精度，mm38垂直升降定位精度，mm39伸叉定位精度，mm310行程，m47.411升降高度，m14.412通讯方式红外通讯13操作方式手动、自动、在线14供电方式滑触电缆供电15工作噪声，dB（A）842.6.2 结构参数 a)堆垛机外形尺寸：（mm）4000（L）1300（D）15000（H）； b）堆垛机升降行程：13000mm； c）单机重量：6000Kg。2.6.3能耗参数 a）走行驱动电机 9.2KW； b）升降驱动电机 11KW； c）伸叉驱动电机 0.55KW； d）电控箱柜：1.25KVA； e）总功率：22KVA。27堆垛机功能分析6、战欣自动化立体仓库出入库的决策与仿真【D】，沈阳：东北大学，2006 堆垛机按照上位计算机的调度指令自动完成货架内和出入站台工位货物的存取和输送基本功能，具备与系统进行通讯和安全供电的功能，围绕这些基本功能需要进行货物的状态检测、运动位置检测、系统周边状态检测等必须的辅助功能，为完成运动的基本功能，设备必须具备三个方向的驱动和传动功能，需要对设备运行进行有效的控制，堆垛机是一种无驾驶自动运行的起重设备，设备安全是其功能的重要组成部分，以下从系统的角度堆垛机执行的任务进行功能分析。2.7.1基本功能 堆垛机进行X、Y、Z三个方向的直线运动是机械结构设计的主要内容。 1）水平运动功能 主要是由负责水平走行和设备支撑的底架装有的两个走行轮支撑机器，两走行轮附近分别设有夹持地轨的两组导轮和在立柱上部装有的夹持天轨两侧的导轮共同防止堆垛机左右偏摆，使堆垛机沿天地轨方向运动。堆垛机走行是由装在后走行轮轴上的带制动器减速电动机驱动，并在其电机上装有一个角编码器，用于反馈电机实际工作情况。堆垛机底架装有一位置检测仪，用于反馈堆垛机实际走行位置。当堆垛机走行时，电控系统就可随时通过角编码器及位置检测仪按照设定的运动方式检测及指挥走行电机工作。另外，在底架上装有用来认址的检测开关（光电开关），通过检测在地面上沿轨道安装的认址片来进行运动位置校核，从而实现电控系统对堆垛机X方向的运动通过电机实现启、停及制动定位等动作。2）升降运行功能堆垛机升降装置沿立柱运行，立柱侧面的两导轨为导向，升降台的导向轮夹在两导轨上保证其沿导轨上下运行。由减速电机驱动的升降钢丝或链条拉动升降台上下运动。驱动电机轴上装有角编码器，用于反馈升降电机实际工作情况。另外升降台拉动固定在立柱下部的同步带轮，驱动另一个角编码器，以反映升降台的实际位置。当升降台升降时，电控系统就可随时通过两个角编码器来监测和指挥升降电机工作。装在升降台上的光电开关检测立柱上的认址片，对堆垛机升降定位进行校验。从而实现电控系统对堆垛机Y方向的运动，通过电机实现启、停及制动定位等动作。3）货叉运行功能 由减速机驱动一个机械运动倍增机构，通过传动结构实现货叉左右伸缩，结合升降动作完成叉取或存放托盘的动作。2.7.2 辅助功能1、运动检测功能 堆垛机执行X、Y、Z三个方向的直线运动需要对运动位置执行适时检测，堆垛机各方向运动控制和定位提供参考，是实现直线运动必须的辅助功能，根据三个方向运动参数和运动特征，采用不同的结构模块实现功能。1）走行（X方向）位置检测走行方向运行功能中需要对堆垛机X方向运行和停止的位置进行标识，即对堆垛机货架的列地址进行检测，标记堆垛机水平方向运行的目标和运动过程，一般X方向距离较长、运动速度和加速度高，需要适时性、准确性和安全性较高，一般机械安装方式采用机载检测器件，地面安装检测标识的方式，其位置检测方式根据速度和加速度的位置需求主要分位2种方式：激光直接测量距离的方式和认址片+编码器认址方式。选择不同的检测方式，对应实现的机械模块不同。2）升降（Y方向）位置检测 升降方向运行功能中需要对堆垛机Y方向和停止的位置进行标识，即对堆垛机货架的层地址进行检测，标记堆垛机垂直方向运动的目标和运动过程，但其位置检测受载荷变化影响较大，最好采用绝对检测方式，直接检测升降单元的位置，可以选择将将侧单元安装在升降单元上或安装在堆垛机不进行升降运动的位置，其位置检测方式根据速度和加速度的配置需求的不同也可分为2种方式：激光直接测量距离的方式和认址+编码器认址方式。选择不同检测方式，对应实现的机械模块不同。3）货叉（Z方向）位置检测 货叉运动位置检测相对固定，即左、中、右三个位置，位置检测点比较少，速度和加速度控制简单，根据配置需求可分为2种方式：标记左、中、右三个位置，采用直接检测的方式和采用编码器进行距离测量的方式，第一种检测方式不提供运行过程检测，速度控制以时间为参考点，第二种方式直接检测位置，提供运动过程检测，速度控制以位置为参考点，相比后一种检测控制效率和精度较高，较多被采用。2.货物检测功能 堆垛机在自动状态下进行货物的搬运，在搬运过程中需要对货物和相关系统进行检测和监控。1）货格虚实探测功能： 装在升降台上两个俯射的漫反射光电开关，随时可向控制系统传递货格或站台没有无托盘的信号，使控制系统能知道是存还是取，或者是校正系统下达指令是否正确，若指令正确执行，否则向系统传送出错信号。2）荷姿的检测：是通过装在升降台检测架上的两侧各一对对射式光电开关和两个拉绳开关对叉取的空、实托盘进行长、宽、高尺寸的超限检测，除货叉在存取托盘时这些开关不起作用外，其它任何时候只要光电开关被遮挡或拉绳开关触发，堆垛机将报警，并立即停止工作。3）货台有无托盘检测：是通过装在升降台上能检测到空、实托盘的光电开关来实现监测的。3.外围支撑和运动防护功能堆垛机沿巷道进行直线运动需要轨道进行支撑，一般堆垛机具备安装于货架顶部的天轨系统和安装于地面的地轨系统，天轨和地轨相互平行，形成支撑堆垛机运行的轨道空间，堆垛机沿天轨和地轨在巷道内运行。运动防护功能是堆垛机机械结构中重要的安全功能，该功能部件由安装于天地轨终端的机械缓冲装置构成，该功能部件保护堆垛机在控制失去作用的条件下，将堆垛机运行的功能吸收，避免堆垛机发生冲出轨道等恶性事故，终端防护缓冲装置结构设计与堆垛机质量的运行速度有关，需要按照标准将堆垛机的功能吸收。在堆垛机自动的运行时要求不受到外部的干扰，为了设备和人身的安全，该防护功能为堆垛机提供空间上的保护，外围防护装置还包含检测装置，为系统提供终止运行或转入手动工作状态的判断。2.7.3专用功能1.通讯功能 a）与上游计算机的通讯，是通过装在堆垛机底架上的红外光电传输头，与装在地面零位站台前的另外一个红外光电传输头互相通讯。上游计算机通过它向堆垛机传送命令，堆垛机通过它向上游计算机传递自己的工作态度。 b）与站台输送机通讯是通过分别装在堆垛机底架和地面上的两对对射式光电开关或光电通讯器，通过交换开关状态，以确保站台传输与堆垛机货叉取、放托盘动作协调，该功能同时是堆垛机安全功能的一部分，通过该功能的实现，保证堆垛机与相邻机械系统的存取动作的安全性。2.8功能叙述 a）水平运动系统主要是负责水平走行的底架装有两个走行轮支承机器前后运行，两走行轮附近分别设有夹持地轨的两组导轮和在立柱上部装有的夹持天轨两侧的导轮共同防止堆垛机左右偏摆、使堆垛机沿天地轨方向运动。堆垛机走行是由装在后走行轮轴上的带制动器减速电机驱动，并在其电机上装有一个角编码器，用于反馈电机实际工作情况。堆垛机底架装有两组光电传感器（光电开关），与挡板（立柱）构成水平定位装置，00 01 11 10 00（向前走）为一个信号的输出。当堆垛机走行时，电动系统就可随时通过角编码器及定位装置按照设定的运动方式监测及指挥走行电机工作。7、关宏自动化立体仓库总体规划设计方法研究【D】，西安：西北工业大学，2001 b）升降系统是以立柱侧面的两导轨为导向，升降台的导向就夹在两导轨上，以保证上下运行。由减速电机驱动的升降钢丝绳拉动升降台上下运动。驱动电机轴上装有角编码器，用于反馈电机实际工作情况。另外升降台拉动固定在立柱下部的同步带轮，驱动另一个角编码器，以反映升降台的实际位置。当升降台升降时，电控系统就可随时通过两个角编码器来监测和指挥升降电机工作。装在升降台上的槽式光电开关检测立柱上的认址片，堆垛机升降定位进行校验。 c）货叉工作系统 由减速机驱动一个齿轮齿条机构，使的中叉和上叉体左右伸缩，叉取或存放托盘。货叉中位由一接近开关定位，上叉体的左右位的定位由另外两个接近开关确定。在货叉两端装有两极限限位开关保护货叉运行不超过极限位置。另外减速机输出轴上的安全离合器，当上叉体在承载额定载荷时碰到阻力大于300N时而打滑，以保证电机及叉体的安全。 d）货物状态监测保护系统1）货格虚实探测：装在升降台上两个光电开关，随时可向控制系统传递格内有无托盘的信号，使控制系统能知道是存、还是取，或者是已有货不能存的故障信号。2）荷姿的检测：是通过装在升降台检测架上的两侧各一对对射式光电开关和两个拉绳开关对叉取的空、实托盘进行长、宽、高尺寸是否超限检测，除货叉在取托盘时这些开关不起作用外，其它任何时候只要光电开关被遮挡或拉绳开关触发，堆垛机将报警，并立即停止工作。3）货台有无托盘检测：是通过装在升降台上能检测到空、实托盘的光电开关来实现监测的。 e）安全防护系统1）货叉运动安全互锁功能：伸叉运动对走行和升降两种运动互锁伸叉运动；而对走行和升降认址光电开关未检测到认址片时，货叉不能伸缩，以保证三种运动下的工作安全。2）堆垛机走行或升降速度超过极限速度时，控制系统可通过监测系统角编码器的工作状态的信号变化率来控制，当超过10极限速度后，报警停机。3）堆垛机的走行或升降认址系统在两极限位置都装有减速片或者减速条，通过走行接近开关或升降接近开关检测进入作业危险区的速度状态；检测进入该区的运动速度应是递减状态，否则，将报警停机。4）堆垛机认址系统设有极限限位装置，以限制堆垛机正常工作范围，当超出正常工作范围的堆垛机将被装在底架或升降台上的安全行程开关紧急制动并停止。在低速状态紧急制动的滑移段大于150mm后，如果还不停止，可由装在天地轨末端的立柱及底架上橡胶缓冲器止动堆垛机或升降台。5）堆垛机升降系统中的钢丝绳断损或下降速度失控是严重的恶性事故，本机设有超速检测保护功能，在立体柱上安装超速检测器，超速监测器由安装在立柱下部的飞轮盘和安装在立柱上部的滑轮及环绕这两部件的钢丝绳组成，钢丝绳有一点与升降台固连，升降台上下运动拉动钢丝绳并使飞轮盘转动，当升降台下行速度超过额定速度25时先触发超速检测开关，电控系统报警堆垛机立即停止工作，当升降台继续下行速度超过额定速度35时飞轮盘自行制动，钢丝绳拉动升降台上的楔块制动装置使升降台制动在超速位置，避免发生机器伤害事故。6）堆垛机的制动系统分三部分，即走行、升降和伸缩叉的制动由其驱动电机制动器完成。 f）红外光电通讯系统1）与上游计算机的通讯，是通过装在堆垛机底架上的红外光电传输头，与装在地面零位站台前的另外一个红外光电传输头互相通讯。上游计算机通过它向堆垛机传送命令，堆垛机通过它向上游计算机传递自己的工作状态。2）与站台输送机通讯是通过分别装在堆垛机底架和地面上的两对对射式光电开关交换开关状态，以确保站台传输与堆垛机货叉取、放托盘动作协调。 g）堆垛机紧急停止为便于堆垛机维修调试，在机载控制柜的操作面板上和地面零站台前分别设有两个红色紧急停止按钮，以便紧急时按下，可使机器停止所有工作，避免发生更大事故。 h）堆垛机供电和接线系统外部电网通过装在货架底部与地轨平行的四条滑触线，把三相交流电由电刷通入控制系统，构成堆垛机的供电系统。接地是通过机载柜、机架、走行轮和地轨后接入土建地网，构成堆垛机接地系统。2.9机载柜控制方式和认址方式8、沙丽娜泪动化立体仓库货位优化管理方法【D】，沈阳：东北大学，20052.9.1机载柜控制方式记载柜作为堆垛机的控制中枢，它不仅能够接收地面发来的命令，还能够从本身的操作面板上进行设定，包括存、取货以及地址的信息，控制堆垛机运行并检测运行的位置状态，自动完成一个取、放货周期。机载柜上设置有声光报警、操作方式选择开关和操作终端，机载柜具有以下操作方式：1）手动：通过操作终端控制水平、垂直、货叉各个方向的动作，主要用于简单的调试操作。2）自动：本系统通过操作终端输入目标地址，根据输入的目标地址，堆垛机自动完成一个存取货操作。3）在线：通过红外线数据传输器接收由地面发出的存、取货命令，机载柜根据这些命令自动完成存、取货的操作，并将堆垛机的状况发往地面操作台，用于全线集中控制。2.9.2认址方式 走行、升降均采用两对光电开关进行定位并配合角编码器进行角度校核，同时设置减速及极限停止行程开关进行保护；货叉采用三对接近开关和相对型编码器确定货叉的位置，同时设置两个极限位置开关。第三章 堆垛机控制系统的设计 控制系统的设计可分为对堆垛机控制的软件和硬件的设计，因此，对堆垛机控制系统的软硬件设计就是本课题的重点问题。3.1控制系统的设计思路自动控制功能的实现是在系统控制器的指挥下，按照上位调度系统下达的任务或通过机上人机界面下达的操作指令，指挥各种机械部件和电气部件执行和完成各种动作，控制器监控和采集检测器件的信号，进行堆垛机各动作的逻辑判断、通过驱动器驱动电机、通过位置检测与速度检测器件进行运动控制，通过安全检测器件对堆垛机运动和位置进行安全判断，通过通讯器件与上位计算机、检测和执行器件及相关设备进行信息交换，控制系统与检测系统和通讯系统等协同组成堆垛机系统的自动运行，堆垛机同时具备手动、自动和在线功能，可以在不同状态下完成各种动作。其控制系统框图如3-1。服务器TCP/IP网命令数据出库计算机主管计算机通讯程序入库计算机任务检测入库分流出库分流多用户卡堆垛机PLC输送机PLC条码阅读器垂直、升降运行货叉伸缩正反向高低速直行、升降转向TCP/IP网手动操作台手动操作台监控计算机联机自动远程红外通讯图3-1 控制系统结构框图3.2堆垛机的硬件设计3.2.1变频调速设计 堆垛机的三个坐标的运行均需时刻调速，因而，三个坐标的电机都采用变频调速的运行方式，变频器在堆垛机的控制系统中是至关重要的硬件。9、刘景科自动化立体仓库的建模及其优化仿真研究【D】，沈阳：东北大学，20053.2.1.1堆垛机变频器调速控制方案 根据不同控制的要求，选择不同变频器的控制的形式和电机的类别，可以构成多种多样的变频器调速控制方案。下面将变频器调速控制方案进行比较。（1）通用变频器开环控制的异步电机调速系统 通用变频器开环控制的异步电机调速控制方案具有结构简单、可靠性高的特点。但由于系统为开环控制方式，故其调速精度和动态响应特性不是十分理想。系统运行在低速范围时，随着压频比的减小，电压调整比较困难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。由于异步电机存在转差率，故电机的转速随负荷力矩的变化而变动，系统的转速精度难以达到0.5，所以通用变频器开环控制的异步电机调速系统只适用于一般要求不高的需要调速的控制系统。（2）无速度传感器的矢量控制异步电机调速系统 无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。使用无速度传感器的矢量控制的变频器可以对异步电机的磁通和转矩电流进行检测、控制，自动改变电压和频率，使电机转速的指令和检测实际值达到一致，从而实现矢量控制。虽说它是开环控制，但与通用变频器开环控制的异步电机调速控制系统相比却大大提升了需要的静态精度和动态品质，系统的转速精度基本达到0.5，转速响应也较快。无速度传感器的矢量控制异步电机调速适用于对调速要求不是很高的需要调速的控制系统，可以构成简单、可靠性高的调速系统。（3）带速度传感器的矢量控制异步电机的闭环变频器调速系统 带速度传感器的矢量控制系统采用由转子磁链决定d轴方向的dq同步旋转坐标系，把异步电机的定子电流分解为励磁分量和转矩分量，得到类似于支流电机的转矩模型。选用高精度的旋转编码器时，矢量控制系统的调速范围可达1：1000，动态性能也很好，可以从零转速起进行速度控制，在低速运行时也能有较好的特性，可以对转矩实行精确控制，系统的动态响应速度快，电机的加速度特性好。 由于堆垛机对运动控制的要求很高，前面已经提到，堆垛机包括走行、升降、货叉三个方向的运动控制，特别是走行、升降两个方向的运行控制，其速度和加速度以及定位精度直接决定了堆垛机的生产效率及可靠性，因此根据以上变频调速控制方案的比较，走行、升降两个方向的运动控制采用带速度传感器的矢量控制异步电机的闭环变频调速系统，货叉方向的运动由于速度和精度要求不是很高，因此货叉方向的运动采用无速度传感器的矢量控制异步电机调速系统。该方案能精确控制走行、升降两个方向的电机转矩，低速运行性能好，电机加速特性好，调速范围大，工作性能可靠且动态响应性能好，其重复控制精度可达到1mm以上。驱动系统使用SEW公司的交流鼠龙式电机与SEW公司的闭环矢量变频器。闭环矢量驱动可以接近或达到伺服驱动特性，价格优于伺服驱动而成为本论文的首选。10、张志刚，曹西京刘昌祺等自动化立体仓库系统仿真的研究【J】，计算机仿真，2005，27(7)：1-43.2.2变频器的发展现状与工作特性3.2.2.1变频器的发展现状 当今，变频器在驱动技术中以作为标准工业设备。当驱动系统中有如下的特性，它们就可使用。 a)速度可调，以适应不同的生产速率; b)速度和转向的远距离控制（如，用主驱动器或一台PLC） c)比变极制动电动机更好的位置精度； d)比直流电源运行要高的起动率（起动时每小时可接受的热量）； e) 驱动所决定的负载极限。 下面一节详细论述具有直流电压侧的变频器（电压一变换或相位一变换）。这对于变频器是很重要的，它在功率为0.5KW到几百KW范围内占主导地位。有直流电流侧的变频器（电流一变换）在大于20KW才是经济的，并且仅用于驱动系统。因此电压一变换只用于低功率范围。3.2.2.2变频器的工作特性变频器的功率部分主要由三部分组成：a)一个未控整流器，辅以输入过电压保护电路，或是一个浪涌电压限制电路；b）包括一个电容（通常电容值较高，是一个电力电容电池）的直流环节电路；c）一个3相晶体管逆变器。3.2.2.2.1输入电路及直流侧 当合上电源开关直流侧由波动限制电路充电。电力线路的电源来自连接电路（直流侧电路）。它的好处是与电源频率无关以及对电源变化（至少+10一-25）有强的抵抗力。变频器只有当直流侧电路充电过程结束侯2一3S才可运行。在正常起/停运行过程中变频器应与电源保持接通状态。起/停命令对电源接线柱没影响，但却可影响电子输入使能（左右）端。将设备与电源隔离开关来对电动机的运行及开关柜是必要的。由于直流侧的电容，直流电路关断几分钟后仍可出现危险电压。现在变频器不再使用直流侧电路中的大电容电池，而设法只用以前连接电容的1/20。它的好处是电源通过谐波感应电源只带较轻的负载。这类变频器的显著特点是电源输入电流比输出电流小得多。供给电动机的感应电源由来自变频器的整流二极管来提供。技术数据显示输出电流大于输入电流。3.2.2.22 逆变器变频器的原理是根据不同的频率产生不同的电压（作为一个三相输出），而与电源的变化无关。通常与频率0-fN成正比的电压为0-VN。在此条件下电动机产生的是一个恒转矩。基频是这样一个点，小于该点则电压与频率成正比增加。典型的值为：fbase=50/60/87/104Hz在基频处达到额定电压，大于fbase则V/f值减小。产生的电压能使电动机正弦电流没有大的谐波成分是很重要的。电流谐波会导致相应的转矩脉动，引起电动机发热及产生噪声。另外输出电压在fbase达到其额定值也是关键的，否则电动机励磁不足，不能达到其额定功率。既然变频器中混合能量转换过程（电源整流器，能量存贮，转换）可能导致电压损失，转换部分的PWM调制也可使二次谐波衰减，SEW变频器3相系统的星形连接点可由输出频率的三词谐波调制。这表明输出可达到输入电压的全峰值进而达到r、m、s值。变频器的一个重要作用是能产生间接限制过载的恒定电流。假如负载达到允许电流的极限，在它的幅度和时间（自保护）内是易于控制的。典型值为：最大电流Imax=1.5IN额定电流及t=60s。假如必须减小电压的话，在这个时间内必须同时限制电流。这种情况下为了避免磁场减弱，电压必须随着频率降低，以保证过载条件下减小速度。转换器有一个内部It的监视功能，它可在过载大约60s后切断电路。切断之前可能产生一个信号以提醒操作员。3.2.2.2.3制动斩波器 在发电机运行中（如堆垛机放下重物），三相感应电动机将制动功率又反馈给同步运行的变频器。这将使直流侧充电到电压达到VDC-link，它高于正常值。制动开关监视此电压。在上例中大约700V它就合上。制动开关合上后，将能量通过制动电阻释放且电压又降到VDC-link。当VDC-link达到低于开关临界值时开关又打开。这样连续工作它就周期性地闭、开（故称斩波）。3.2.2.2.4控制电路 变频器的功能由微处理器和存贮元件来控制。变频器的操作由以下部件来完成。 有键盘、显示的一个输入单元或一台通过串行接口连接的PC 所有参数可被运行程序调用，一个参数是程序里的一个元素，其中