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山西工程技术学院毕业设计说明书毕业生姓名：李雅瑞专业：机械电子工程学号：180533004指导教师：赵丽所属系（部）：机械电子工程系二二年五月立体仓库模拟装置的设计及控制摘 要自动化立体仓库是物流中的重要组成部分，它是在不直接进行人工干预的情况下自动地存储和取出物流的系统。它是现代工业社会发展的高科技产物，对提高生产率、降低成本有着重要意义。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的起重堆垛设备，它能够在自动化立体的巷道中来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存入货格；或者相反取出货格内的货物运送到巷道口。本文首先针对小型立体仓库中普遍使用的双立柱堆垛机形式提出设计方案，分析其结构组成，对其升降机构、行走机构、货叉伸缩机构进行设计，并对各个机构的受力情况进行分析计算、校核。之后重点论述了立体仓库控制系统的原理，结构和特点，对控制系统进行设计，并提出堆垛机的速度控制和精确定位方法。针对立体仓库的存取特点，对堆垛机的硬件部分进行设备选型与参数计算，设计出电气原理图，并给出了PLC控制程序梯形图。【关键词】立体仓库；机械结构；PLC；控制系统。2 Design and Control of Stereo Warehouse SimulatorAbstract Automated warehouse is an important part of logistics. It is a system that automatically stores and takes out logistics without direct manual intervention. It is a high-tech product of the development of modern industrial society, which is of great significance to improve productivity and reduce costs. The stacker is the most important lifting and stacking equipment in the automatic three-dimensional warehouse, which can shuttle back and forth in the automatic three-dimensional roadway, and store the goods located in the roadway entrance into the cargo space; or instead take out the goods in the cargo compartment to transport to the roadway entrance. In this paper, the design scheme of double-column stacker is put forward, its structure composition is analyzed, its lifting mechanism, walking mechanism and fork telescopic mechanism are designed, and the stress of each mechanism is analyzed and calculated and checked. The principle, structure and characteristics of the three-dimensional warehouse control system are discussed, and the control system is designed. According to the access characteristics of the three-dimensional warehouse, the hardware part of the stacker is selected and the parameters are calculated, the electrical schematic diagram is designed, andthe ladder diagram of the PLC control programKeywords ：Stereo warehouse; Mechanical structure; PLC; control system.i 目 录摘 要iAbstractii1 立体仓库模拟装置的设计及控制11.2国内外研究现状及发展趋势31.3本课题的研究目的及主要研究内容42 立体仓库机械结构的设计52.1堆垛机机械结构组成52.2堆垛机升降机构的设计计算52.2.1升降机构零部件的设计计算52.2.2升降机构的电机减速器的选取62.2.3制动器的制动容量的设计62.3堆垛机行走机构的设计计算62.3.1堆垛机走行轮的设计计算62.3.2走行装置的电机、减速器的选取72.4堆垛机伸缩货叉机构的设计计算82.4.1伸缩货叉的扰度与强度92.4.2货叉各参数的选择132.4.3货叉内部零件的选取与校核132.4.4货叉伸缩装置中的电机、减速器的选取173 立体仓库模拟装置的设计及控制183.1 堆垛机系统183.2立体仓库控制系统的功能要求193.3立体仓库控制系统主控制器的选择203.3.1 PLC简介213.3.2 PLC各部分功能223.4堆垛机的速度控制方案233.4.1变频调速技术的优点233.4.2变频器的基本结构243.4.3变频调速的工作原理253.5堆垛机的定位控制方案264 立体仓库控制系统硬件设计274.1立体仓库控制系统结构274.2变频器的选型284.2.1 VS-616G5型变频器的特点284.2.2 VS-616G5型变频器的端子配备284.2.3变频器的容量计算294.2.4 PG速度控制卡的选择304.3 PLC的选型314.3.1 FX-2N系列PLC的特点324.3.2机型的配置324.4其它主要硬件的选取324.4.1旋转编码器324.4.2光电开关344.4.3电磁闸344.4.4断路器、接触器344.5立体仓库控制系统的电气原理图355 立体仓库控制系统软件设计365.1程序设计软件365.2 I/O点数的分配375.3立体仓库控制系统程序设计405.4立体仓库控制系统梯形图45结 论46参 考 文 献47附 录48英文资料58中文译文60致 谢62山西工程技术学院毕业设计说明书1 立体仓库模拟装置的设计及控制1.1研究背景及其意义自动化立体仓库是物料搬运、仓储科学的一门综合科学技术工程。它以高层立体货架为主要标志，以成套先进的搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术为主要手段，是实现搬运、存取机械化、自动化，储存管理现代化的新型仓库。它具有占地面积小、储存量大、周转快的优点，是集信息、存储、管理于一体的高技术密集型机电一体化产品。将自动化立体仓库应用在立体库中，利用它自身的优势，可以实现货物的自动存取。立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。随着立体仓库的越来越多，立体仓储技术已成为一门新兴的学科。堆垛机是自动化仓库的主要作业机械，担负着出库，入库等任务，是立体仓库的核心部件。自动化仓库的发展就是以堆垛机的发展为主要标志的，目前巷道式堆垛机为主要发展方向。堆垛机是自动化立体仓库中货物进出仓库的主要执行设备，如图1-1所示。其基本结构一般主要由机架、运行机构、起升机构、载货台、货叉、电气设备以及各种安全保护装置等部分组成。图1-1 堆垛机实物图(l)机架堆垛机的机架由立柱、上横梁和下横梁组成一个框架。整机结构高而窄。机架可以分为单立柱和双立柱两种类型。双立柱结构的机架由两根立柱和上、下横梁组成一个长方形的框架。这种结构强度和刚性都比较好，适用于起重量较大或起升高度比较高的场合。单立柱式堆垛机机架只有一根立柱和一根下横梁，整机重量比较轻，制造工时和材料消耗少，结构更加紧凑且外形美观。(2)运行机构运行机构主要由电动机(带制动器)、减速器、车轮组成。目前常采用的下部支承及驱动的堆垛机。运行机构安装在下横梁一端，下部车轮为主动轮，另一端为被动轮。有时堆垛机为了实现转巷道作业，被动轮安装在转向轮座上，可以保证在转巷道时有较小的回转半径。(3)起升机构堆垛机的起升机构由电动机、制动器、减速机、卷筒或链轮、钢丝绳或链条以及滑轮等零部件组成。目前，常用带制动器的电机。减速机的采用视传动比需要和结构布置而定。蜗轮蜗杆减速器结构紧凑、安装简单，但传动效率较低。行星齿轮减速器则在电机轴方向尺寸较大。其它零部件如钢丝绳、滑轮都选用标准件。(4)载货台载货台是货物单元承载装置，通过钢丝绳或链条与起升机构联结。载货台沿立柱上的导轨升降。货叉机构安装在载货台上，有司机室的堆垛机，司机室也装在载货台上。有拣选功能的堆垛机，拣选平台也安装在载货台上。载货台通常有一个刚性框架，为沿导轨运行而装有导轮。(5)货叉伸缩机构货叉伸缩机构是堆垛机的主要工作机构，其结构特点是能够双向伸出，以便向两侧货格送人(取出)货箱。缩回后，货叉连同载货台一起随大车在巷道内运行。为此，货叉伸缩机构的设计要求是：货叉完全伸出后，其长度须为原来长度的两倍以上。货叉全收回后，结构尺寸需尽量小。(6)电气设备主要包括电力拖动、控制、检测和安全保护等强、弱电电气设备，三个主要机构的电力拖动系统，目前国内外普遍采用变频调速控制，从而满足堆垛机高速运行、换速平稳、低速停准的要求。检测系统必须具有堆垛机自动认址、货虚实探测、货箱位置检查等功能。(7)安全及联锁机构堆垛机是一种起重机械，它要在又高又窄的巷道内高速运行。为了保证人身及设备的安全，堆垛机必须配备完善的硬件及软件的安全保护装置，并在电气控制上采取一系列联锁和保护措施。除了一般起重机常备的安全保护措施(如各机构的终端限位和缓冲、电机过热和过电流保护、控制电路的零位保护等)外，还应根据实际需要，增设各种保护。1.2国内外研究现状及发展趋势目前，立体仓库己经走入系列化，运行噪声低，备有各种安全保护装置，调速性能好，一般都具有完善的货物位置检测和货物尺寸检测等功能。国外立体仓库普遍采用抗干扰能力强、工作可靠的可编程控制器来控制巷道堆垛机以及出入库系统，并且用计算机进行货位管理和库存管理，仓库管理计算机与上级管理机联网并能与控制系统相接，实现在线控制。而在堆垛机方面，不断推出具有新的物理外形和更高性能的设备。最新的开发包括提高电子和控制技术，在使堆垛机具有更高定位精度的同时，提高搜索能力和运行速度，以期获得更短的操作周期和更大的生产能力。目前，巷道式堆垛机的起升速度己经可以达到90m/min，运行速度达到240m/min，货叉伸缩速度达到30m/min。在有的高度较大的立体仓库中，已采用上、下两层分别用巷道堆垛机进行搬运作业的方法提高出入库的能力。我国是从20世纪70年代初期开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。1980年，由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成了我国第一座自动化立体仓库，并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发展。目前，浙江海通集团是国内最早建造2000吨立体自动化低温冷库的企业，其中采用了由电脑程序控制、5台自动巷道堆垛机无人操作自动进出库等先进技术。目前，在国内立体仓库堆垛机的驱动机构中，电机减速机普遍采用德国、日本、意大利的产品，也有少数采用国内的电机减速机。由于堆垛机是立体仓库中最重要的运输设备，各项技术参数和综合性能的要求都非常严格，如无故障率应大于97，停准精度10mm，以及噪音要求等。这就要求电机减速机的可靠性非常高。因此，现阶段在驱动机构中电机减速机的选用上，多选用国外先进的产品，以保证堆垛机的整机性能。随着现代工业生产的发展，堆垛机技术在不断地提高和完善。我们应当看到自身与世界先进技术的差距，总结经验，找出不足，推出更高性能的堆垛机。在使堆垛机具有更高定位精度的同时，提高运行速度，以缩短周期、提高生产能力。相信通过我们的不断努力，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，使我国堆垛机技术发展到一个新的阶段。1.3本课题的研究目的及主要研究内容本文综合分析立体仓库的发展现状和趋势，根据设计要求，设计了一套小型立体仓库，对其堆垛机升降机构、行走机构、伸缩货叉机构等机械结构部分进行设计计算，并综合运用交流变频调速、PLC控制、位置检测等技术，为小型立体仓库的正常运行设计一套比较完整的控制系统，使其更好地担负起出、入库的任务。具体包括以下内容：第一章 绪论，主要介绍课题研究背景及意义，并分析了小型立体仓库的研究现状及其发展。第二章 立体仓库机械结构设计，主要对小型立体仓库堆垛机的升降机构、行走机构、伸缩货叉机构等机械结构部分进行设计计算，并进行电机及减速器的选取。第三章 立体仓库控制系统的方案设计，提出小型立体仓库的功能要求，对其控制系统的主控制器进行选择，同时确定出堆垛机的速度和定位控制方案。第四章 立体仓库控制系统硬件设计，构建立体仓库控制系统结构，根据设计要求选择合适的变频器和PLC，对旋转编码器、光电开关、电磁阀、断路器、继电器等硬件进行选取，并绘制控制系统电气原理图。第五章 立体仓库控制系统软件设计，根据所选PLC型号，确定程序设计软件，进行I/O点数的分配，从货叉控制、层数与列数计算、快车运行控制、换速控制、停车控制、检修点动控制等几个方面进行程序流程设计，并编写控制系统梯形图。2立体仓库机械结构的设计2.1堆垛机机械结构组成堆垛机是立体仓库中最重要的起重运输设备，主要用来在高层货架仓库的巷道内沿轨道运行完成入库、出库作业，即将位于巷道口的货物存入货格，或是取出货格中的货物运送到巷道口。本立体仓库的机械结构部分设计主要是针对堆垛机进行设计，该堆垛机结构主要有三个机构组成：（1）升降机构升降机构由电动机、制动器、减速器、卷筒、钢丝绳及防落安全装置组成。升降机构的工作速度一般控制在1525m/min，最高可达45m/min，设计时选取20m/min。（2）行走机构行走机构由电动机、联轴节、制动器、减速器和行走轮组成。在其顶部设置导向轮沿固定在货架上弦的导轨导行。下部装有水平导轮沿货架下部的水平导规导行。行走机构的工作速度依据巷道长度和物料出入库频率而定，正常工作速度控制在50100m/min，最高可达到180m/min，设计时选取90m/min。（3）货叉伸缩机构货叉伸缩机构是堆垛机的取放物料装置，它有前叉、中间叉、固定叉、驱动齿轮等组成。货叉伸缩机构的工作速度控制在15m/min，最高可达30m/min，设计时选取20m/min。2.2堆垛机升降机构的设计计算 升降机构采用钢丝绳卷筒装置结构，用钢丝绳作柔性件，质量轻，工作安全，噪声小，其传动装置一般装在下部。卷筒为带沟的圆筒，钢丝绳在沟内缠绕的方向与缠入沟内的钢丝绳方向之间的角度不超过4度。 升降机构的设计传动链：电机-联轴器-减速器-卷筒-钢丝绳-货台。2.2.1升降机构零部件的设计计算定滑轮的轴径与轮径的设计计算：则对定滑轮n=100020/3.14d，p=(1500+2300)10/4=9500N则 mm选取滑轮的轴径d=50mm，轮径D=100mm则滑轮的转速n=127.39r/min选取卷筒的直径为D=200mm，卷筒的轴径取为d=85mm则卷筒的转速n= nD/ D=63.7r/min每根钢丝绳所承受的拉力为F=(1500+2300)10/4=9500N=9.5KN则手选钢丝绳为第二组619（a）类。选取钢丝绳公称直径为6mm，公称抗拉强度为1570MPa钢芯钢丝绳的最小破断拉力为20.10KN9.5KN，满足要求。2.2.2升降机构的电机减速器的选取将载荷W+货台的自重G以速度v米/分提升时的功率为：=KW （2-1）由此，选取电机型号为Y315S-10，额定功率为55KW，效率为92%，转速为590r/min，选取安装型式为B3，国际标准机座号为315S75。则减速器的传动比为i=590/63.7=9.25减速器的型号为ZLY（低速级中心距）180。2.2.3制动器的制动容量的设计 在堆垛机上使用的制动器，在走行装置上作走行减速与停止之用。在升降方面用来使运动中的载荷减速并在停止后保持安全，必须有足够的制动转矩。一般规定，提升装置的制动器的制动转矩应为相当于额定载重量的货物被吊起时的最大转矩值的1.5倍以上，但一般在走行方面的制动转矩值为电机额定转矩的100%即可。2.3堆垛机行走机构的设计计算首先，堆垛机的驱动型式设计成“下部支承下部驱动型”，该型式的走行装置安装在下梁上，通过减速装置驱动走行轮，走行轮支承堆垛机的全部重量，在单轨上走行。2.3.1堆垛机走行轮的设计计算走行轮有主动轮与从动轮各1个，由于堆垛机在操作货叉时的反作用力会对走行轮产生侧压，为了防止走行轮由于侧压脱轨与走行中的爬行现象，需安装侧面导轮驱动轮的末端齿轮采用轮轴直接连接的驱动方式。走行轮的允许载重量等各参数间有下列关系式：P=KD（B-2r）（kg） （2-2）K=（kg/cm） （2-3）式中，P允许载重量（kg） D车轮的踏面直径（cm） B钢轨宽（cm） r钢轨头部的圆角半径（cm） K许用应力系数（kg/cm） v走行速度（m/min） k许用应力（球墨铸铁的许用应力为50） （kg/cm）首先确定B=6.4cm，r=0.2cm， k=50 kg/cm， v=90m/min，则K=36.4（kg/cm） （2-4） P=()/4=(350+2300+400+400+0.85+350)/4=7200/4=1800kg （2-5）则代入上式可得：D=8.2cm，则车轮的轴径为d=11.2mm取d =50mm，车轮直径可适当取大为D=100mm则走行轮的转速为n=901000/100=287r/min轴上的轴承选取型号为61810，基本尺寸为：d=50mm， D=65mm， B=7mm.2.3.2走行装置的电机、减速器的选取走行装置在额定速度下必需的功率为：P=（KW） （2-6）其中，式中，走行阻力 d走行轮轴的直径 摩擦系数 f滚动摩擦系数 Q堆垛机的总重量由此，求得P= （2-7）则可选取电机型号为Y200L1-2，转速为2950r/min，额定功率为30KW，效率为90%，且3090%=27，可选。安装型式选取B3，国际标准机座号为200L55。为此，减速器的传动比为i=2950/287=10.28，则可选取减速器标准型号为ZLY（低速级中心距）200。2.4堆垛机伸缩货叉机构的设计计算货叉是堆垛机中最主要的部分，所设计的货叉，是三节伸缩式货叉，即由上叉、中叉、下叉以及导向滚子等构成的货叉，它主要由电机、减速器、链轮、链条、齿轮、齿条、下叉、中叉、上叉、轴承等组成，如图2-1所示。1.下叉 2.中叉 3.上叉 4.轴承 5.齿轮 6.齿条 7.链轮图2-1 货叉组成下叉1侧面装有轴承4并固定在载货台的台架上，中叉2的下板与工字行导轨相连，上叉4的顶板与立板相连，在立板上装有轴承4.货叉电机通过链轮链条带动齿轮5旋转，齿轮带动齿条及中叉2运动，同时中叉2中的链轮7通过链条带动上叉3沿着中叉2中的工字行导轨运行.中叉可在齿轮、齿条或链轮、链条的驱动下从中叉的中点，向前或向后移动大约自身长度的一半，上叉可从中叉的中点，向前或向后伸出比自身稍长的长度。2.4.1伸缩货叉的扰度与强度图2-2 货叉参数如图2-2所示，所设计的货叉是指货叉插入货架中的部分，应以厚度尽量薄，同时叉前端的扰度控制在最小，作为设计的目标。货叉各参数如下：W：载荷I ，I ，I：分别为下叉、中叉、上叉的重力方向的惯性矩E：材料的纵弹性系数2.4.1.1下叉的受力分析计算：图2-3 下叉受力分析如图2-3所示，假设l为不变形部分的长度，P=W l/b ，ax l时的弯矩为M= - P(x-a) （2-8）i=i-dx= i- +(x-a) （2-9）= ix-dx= ix-+(x-a) （2-10）当x= i时， =0i= -( i+b) （2-11）将(3)代入(1)，x=l时c点的倾角与为t= -，= -l2.4.1.2中叉的受力分析计算图2-4（a）中因载荷W的作用，在b间产生反力P，P，设点的倾角为i，扰度为，M= Px=x = -= -i= -+i （2-12）= -+ ix+ （2-13） 因x=b时， =0， =0，则i= （2-14）将(6)代入(4)，求x=b时的倾斜角i= -，= -（a）（b）图2-4 中叉受力分析图2-4（b）中把b段作为刚性，c点作为固定端考虑，并设由于W在中叉产生的反力为P和P，而由这些反力作用在叉子前端产生的扰度为和，则M= - P(x-d)+ Px （2-15）P=W，P=W = -dx= - Px- P(x-d) （2-16）在x=l时 = -(e+d) l-e(l-d) （2-17）其次i= -dx= - （2-18）当x=l时，i= -e(l-d)+(e+d)l （2-19）所以，= i(l-l) （2-20）2.4.1.3前叉的设计分析计算载荷W在d区间产生的反力有P， P，在E点的倾斜角为i，扰度为，受力分析如图2-5所示：图2-5 前叉受力分析则M=x= -= - （2-21）i= -+i （2-22）= -+ix+ （2-23）当x=d时， =0， =0 ， i= （2-24）将（9）代入（7），当x=d时 i= -，= -(l-l) 因此，设载货台和立柱为刚性时，伸缩货叉工作的总扰度为=+ （2-25）（注）当托盘货架进深为110厘米时，值应控制在1015毫米。 2.4.2货叉各参数的选择a=65cm b=40cm c=20cm d=40cm e=15cml=100cm l=60cm l=75cm l=120cm故可取上叉、下叉、中叉长为：L= l=25=110cm L=b+c+d+25=110cm L= l-c+ 25=110cm上叉为板状，并取其宽也为110cm，厚度取10cm，其余数据见装配图上标注。因各数据取值都较大，故能满足条件。 2.4.3货叉内部零件的选取与校核2.4.3.1轴承4的选取校核设计选取货叉伸缩机构的工作速度为10m/min则每各轴承所承受的压力为F=150010/4=3750N转速为n=10000r/d (r/min)， 取C=110，则d=C=110 （2-26）带入参数得，d=16.2mm取d=20mm，则n=10000/20=159.2r/min 查表7-2-52，选择深沟球轴承，代号为6404其基本参数为：d=20mm D=72mm B=19mm c=31.0KN c=15.2KN 径向载荷 F=150010/4=3750N 轴向载荷F=0N F/ F=0e=0.26 查表得x=1 y=0 P=x F+y F= F=3750N又查表得：f=1.1 f=1 f=0.485 f=2.29 f=1故C= P=3750=19.4KN31.0KN= c轴承的额定静载荷P=0.6 F+0.5 F=22503750N因P F 故取 P= F=3.75KNh=6000h 故轴承寿命满足条件。则轴承选取合适。2.3.3.2齿轮5的选取校核1.选取齿轮为45钢，调质处理，齿面硬度HB=217255，平均硬度为236 2.初步计算传动尺寸 为软齿面开式传动d= （2-27）（1）转矩T=9.55P/n=162.43d Nmm （2）设计时，因V值未知，K不能确定，故可初选K=1.4 （3）取齿宽系数=1.1（4）取弹性系数Z=189.8 （5）初选螺旋角=12，取节点区域系数Z=2.46 （6）初选Z=23，齿条Z=则得重合度=1.88-3.2（1/ Z+1/ Z）cos=1.7取轴面重合度=0.318Ztg=1.77取重合度系数Z=0.765（7）取螺旋角系数Z=0.99（8）许用接触应力由式= 取接触疲劳极限应力为=595MPa 齿轮的应力循环次数分别为N=60naL=1.08 取寿命系数Z=1.06 取安全系数S=1.0 则=630.7 Mpa （9）齿轮的分度圆直径d，初算为u=Z/Z= 故 则d=130mm3.确定传动尺寸（1）计算载荷系数取使用系数K=1.0因V=取动载系数K=1.15取齿向载荷分布系数K=1.11取齿间载荷分配系数K=1.2故K= K K K K=1.53 （2）对修正d=133.9mm （3）确定模数m=dcos/Z=5.69 取m=6 （4）故d=141mm 并取b=50mm 4.校核齿根弯曲疲劳强度= （2-28）式中各参数：（1）各值同前（2）因当量系数Z=Z/cos12=23.5 故取齿形系数Y=2.64，应力修正系数Y=1.58（3）取重合度系数Y（4）取螺旋角系数Y（5）许用弯曲应力 取弯曲疲劳极限应力 取寿命系数Y， 取安全系数S 故 =1.0 则 =4.29MPa176MPa= 故能满足齿根弯曲疲劳极限。 设计合理。2.4.3.3链轮、链条的选取校核 设轴径d=80mm，链传动比i=1 链速n=V=159.2r/minP=0.11. 选择链轮齿数：初步确定Z=212. 定链的节距 取K，齿数系数K，多排链系数K 所需传递功率为 由此，可选取满足条件的08A链，P=12.7mm 3. 定链长、中心距 初定中心距a=40p，则链节数 L=101节 链长L=LP/1000=10112.7/1000=1.28m 中心距a=508mm 中心距调整量 实际中心距4 求作用在轴上的力 工作拉力F=1000P/V=1500N 作用在轴上的压力F=1.2F=1800N轴径 取d=16mm 取轮径D=80mm 计算结果总汇：链条规格：08A单排链，101节，长1.28米大小轮齿数都为21，中心距压轴力F，轴径d=16mm，轮径D=80 mm。2.4.4货叉伸缩装置中的电机、减速器的选取 齿轮5的转速为 可取齿轮5与减速器的外端接口传动比i=3. 且齿轮传动所需功率为P=FV=（1500+2300） 则可选择电机型号为Y250M-6，额定功率为37KW 转速为980r/min，效率为90.8%，且90.8%8KW 安装型式选取B3，国际标准机座号为250M65。 为此，减速器的传动比为i=980/23.78 则选取减速器型号为ZLY（低速级中心距）180。3 立体仓库控制系统的方案设计本章详细描述了小型立体仓库的控制系统，着重论述了如何对立体仓库控制系统进行方案设计，分别从堆垛机的速度控制、系统主控制器的选择及堆垛机的定位控制方案三个方面进行阐述。3.1 堆垛机系统堆垛机是立体仓库中最重要的起重运输设备，主要用来在高层货架仓库的巷道内沿轨道运行完成入库、出库作业，即将位于巷道口的货物存入货格，或是取出货格中的货物运送到巷道口。目前，堆垛机的控制方式大致可以分为手动操作、半自动控制、全自动控制、远距离控制与计算机控制等。计算机控制的控制系统，考虑到备用情况，一般由三级组成。最低一级是利用堆垛机上的控制盘手动操作，其次是为了遥控利用安置在地上的控制盘的数字开关进行操作，最高一级采用计算机控制，三级可以转换运转。如图31所示。图31 SRMC系统采用遥控时，也必须具有低级的手动操作功能，采用自动控制时使用机上控制盘，但控制方法，在本质上与遥控基本相同，因此以遥控为中心来叙述堆垛机的控制系统。图32所示为在自动运转情况下以及特殊情况下的堆垛机作业循环的作业流程图。堆垛机按行走、升降、货叉伸缩等三种操作，根据指令自动定位，进行叉取作业。当用户发出存货要求时，系统根据仓库货位情况，给出货物的存放地址，上位机根据堆垛机的当前位置，经过货位地址变换，给出相对于堆垛机当前位置的货位地址，发出存货指令给堆垛机。堆垛机控制系统接收信号后，在货物输入口接收货物，堆垛机行走，同时载货台沿立柱作升降运动。当运动到达目的货位时，货叉开始伸缩运动，执行存货操作，完成操作后在此位待命或返回至规定位置。图32堆垛机系统自动运转流程图当系统出现故障时，用户需对系统进行检修，可以通过控制面板上的按钮进行堆垛机的升、降、急停以及货叉的伸、缩等手动控制操作。3.2立体仓库控制系统的功能要求堆垛机系统是立体仓库货物存取任务的最终执行者，其主要运动包括：(1)堆垛机沿货架巷道（列方向）的前后高低速运动；(2)堆垛机沿立柱（层方向）的上下升降运动；(3)安装在堆垛机载货台上的货叉机构的伸缩运动。因此，立体仓库控制系统的功能主要应包含以下几方面的内容：(1)自动控制功能：运用地面控制台系统，完成货物的自动出入库任务。此时可以接受地面控制台的各种命令操作，如：入库、出库、运行到目标列层、进、退、升、降等；(2)手动控制功能：仅能通过控制面板的按钮进行进、退、升、降、急停等控制操作此功能主要用于系统的检修与调试；(3)安全保护功能：实时监测各关键器件的使用情况及系统的运行情况，出现故障时及时报警。对于以上的各种控制功能，主要应由以下几个方面来完成：(1)速度控制：堆垛机工作时在各种方向上的运行速度；(2)定位控制：以适合的速度运行并精确地定位在货格或入出库口处；(3)通讯功能：与上位机及其它仓库设备的通讯；(4)保护功能：具有一定机械和电气方面的保护功能；(5)人机界面：通过I/O设备，提供本机状态信息或遥控操作。3.3立体仓库控制系统主控制器的选择在当今的工业控制领域，有相当多的控制手段和设备，比如：继电器控制、个人计算机控制、单板机控制、集散控制系统（DCS）以及可编程控制器（PLC）控制等等。PLC的梯形图与继电器控制线路图十分相似，同时，信号的输入/输出形式及控制功能也是相同的，但两种控制方式又有不同之处。PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便，但价格高于继电器。与个人计算机相比，PLC是一种用于工业自动化控制的专用微机控制系统，结构简单，抗干扰能力强，价格也较低。单板机结构简单、价格低，在数据采集与处理等方面优于PLC，但不如PLC容易掌握，抗干扰性能也较差。集散控制系统在回路调节、模拟量控制方面较PLC有一定优势，但PLC在开关量控制、顺序控制等方面又优于前者。综上所述，可编程控制器作为一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，具有其独特的优点。3.3.1 PLC简介1.PLC的定义可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，主要用于顺序控制，虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能进行逻辑运算。PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器，可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体，易于扩展其功能的原则设计。事实上，PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以I/O等模块，可以方便地用于工业控制领域的装置。因此PLC实际上就是：“工业专用计算机”。其硬件结构与微机室基本一致。其基本结构如图3-3所示。图3-3 PLC系统的基本结构电源模块CPU模块编程器输出模块输入模块指示灯接触器继电器电源2.PLC工作原理PLC采用巡回扫描的工作机制，经过输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段，这是一个扫描周期，PLC就是这样周而复始的执行扫描周期的，简单的说，PLC是系统程序的管理下，依据用户程序的安排，结合输入信号的变化，确定输出口工作的 ，当然这不是其全部内容，全部内容要复杂一些.3.PLC的特点抗干扰能力强，可靠性高；控制系统结构简单，通用性强；编程方便，易于扩展；功能完善；设计、施工、调试的周期短；体积小维护方便，能耗低。4.PLC的性能(1)硬件指标硬件指标主要包括环境温度、环境湿度、抗震、抗冲击、抗噪声干扰、耐压、接地要求和使用环境等。由于PLC是专门为适应恶劣的工业环境而设计的，因此PLC一般都能满足以上硬件指标的要求。(2)软件指标a.编程语言不同的PLC，具有不同的编程语言。常用的编程语言有梯形图、语句表、功能块图3种。b.用户存储器容量和类型用户存储器用来存储用户通过编程器输入的程序。其存储容量通常以字、步或KB为单位计算。常用的用户存储器类型有RAM、EEPRAM、EPRAM3种。c.I/O总数PLC有开关量和模拟量两种I/O。对开关量I/O总数，通常用最大I/O点数表示；对模拟量I/O总数，通常用最大I/O通道表示。d.指令数用来表示PLC的功能。一般指令越多，其功能越强。e.软元件的种类和点数指辅助继电器、定时器、状态、数据寄存器和各种特殊继电器等。f.扫描速度以“ s/步”表示。PLC的扫描速度越快，其输出对输入的响应越快。5.PLC的发展趋势PLC总的发展趋势向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体有以下几方面：向小型化、专用化、低成本方向发展；向大容量；向高速度方向发展；智能型I/O模块的发展；基于PC的编程软件取代编程器；PLC编程语言标准化；PLC通信易用化；组态软件与PLC的软件化；PLC与现场总线相结合。3.3.2 PLC各部分功能1.中央处理单元（CPU）CPU的主要任务有控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接受现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和语法错误。2.存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放有PLC生产厂家编写的系统程序，使PLC具有基本功能，用户不能直接改写。用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两部分，用来存放用户针对具体控制任务，使用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。3.输入输出单元PLC的输入和输出信号类型可是开关量、模拟量和数字量。输入/输出单元从广义上包括两部分：一是与控制设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入单元用来接收来自用户的各种信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时PLC从输入映像寄存器读取输入信号并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器有输出点相应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行文件。4.电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。5.扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。3.4堆垛机的速度控制方案在立体仓库中，交流异步电动机是堆垛机系统中的驱动部件。一般情况下，其调速方式分为：电机减速器调速、变极调速、串阻调速、串极调速、滑差电机调速和变频调速等。用减速器进行调速，调速设备不仅体积大，调速效率低，而且容易发生机械故障。其它几种调速方法与变频调速方法相比，使用起来又非常不便。随着对于电动机调速性能要求的逐步提高，变频调速技术得到了长足的发展。3.4.1变频调速技术的优点变频调速技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如：调速范围广、输出平滑性好、机械特性较硬、能很好地实异步电动机的无级调速、可实现有效的节能、可方便地进行恒转矩调速和恒功率调速等。尤其当电机带动较大负载启动时，会有较大的冲击电流，若采用变频器控制，可以实现电动机的软启动，减小冲击电流，从而解决了大负载的启动问题。另外，变频器还具有很强的保护功能，在电机运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压。这种自我保护的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机。综上所述，变频调速技术不仅在性能上大大优于以往的交流电机调速方式，并且将会逐步取代直流电机的调速方式，用交流异步电机取代直流电机，将会使调速系统变得更加简单。3.4.2变频器的基本结构变频器是把工频电流（50HZ或60HZ）变换成各种频率的交流电流，以实现电机变速运行的设备。变频器一般由控制电路和主电路构成。控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能，从而实现对主电路的控制。图34所示为通用变频器的结构原理。图34变频器的构成变频器的主电路，包括整流电路和逆变电路两部分。其中，整流电路是把输入到变频器的工频交流电变换成直流电，且对直流电进行平滑滤波，然后逆变电路再将此直流电变换成实际需要的各种频率的交流电，从而驱动电动机的运转。3.4.3变频调速的工作原理当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极对数和电源频率所决定： （3-1）式中：-电机的同步转速f-供电电源频率（Hz）P-电机定子磁极对数一般情况下，异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出： （3-2）式中：n-电机实际转速s-转差率（同步电动机时，s=0）由式(2-2)可知，若改变参数f，s中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。综上所述，采用改变供电电源频率的调速方法，从本质上讲，是一种无级、平滑而又经济的调速方法。变频时使电压按不同规律变化，可以实现恒转矩或恒功率调速，以实现不同负载的要求，这些均早已被人们所认识和掌握。随着可控硅静止变频装置的出现，解决了运行性能较为理想的变频电源问题，使异步电动机变频调速技术获得了进一步的发展，为其广泛地应用开辟了新的途径，特别是较为理想地解决了普通鼠笼式电动机的变频调速问题。因此，在本堆垛机控制系统中，我们选择变频调速的方式对电动机进行速度的控制。3.5堆垛机的定位控制方案本设计的位移定位方法为采用光电编码器定位。光电编码器分为绝对脉冲编码器（APC）和增量脉冲编码器（SPC），两者一般都作为速度控制或位置控制系统的检测元件。编码器分为单路输出和双路输出两种。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。当采用光电编码器进行位移定位时，由于堆垛机的运行是由曳引电动机来拖动的，因此曳引电动机正反转动的角度也就决定了它所移动的距离，如图3-5所示。在曳引电动机轴上安装一个光电盘，盘上同一圆周上均匀地打上许多小孔，曳引电动机旋转时，光电盘也跟着旋转，光电编码器根据转过小孔的数量，发出相应数量的脉冲信号，这样只要计算出脉冲数，就可知道堆垛机运行的距离，也就是堆垛机的实际位置。图3-5光电编码示意图目前，PLC一般都具有高速脉冲输入端或专用计数单元，可用编码器测取堆垛机运行过程中的准确位置，并可直接与PLC的高速脉冲输入端相连，利用高速记数器的功能指令能很方便地实现堆垛机的定位。由以上的介绍，我们可以看出，安装限位开关的定位方法，不仅废工废料，而且每个开关的实际安装距离，均不可避免地存在一定量的误差，使得系统的安装调试变得复杂，而且定位质量难以保证。一旦系统要求改造，又要重新进行安装工作。而采用旋转编码器的位移定位方法，通过其发出的脉冲数可以很容易地确定堆垛机的当前位置，再经过给定速度曲线的计算，得出变频器应当输出的频率来进行调速，这种堆垛机的位移定位方法具有定位精度高、适应性强的优点，因此，我们采用此方案。4 立体仓库控制系统硬件设计通过前面对于立体仓库控制系统的方案设计，本章将详细分析系统中各个组成硬件的原理与特点，并根据库中的实际工作环境，选择适合本系统的设备型号以及参数，完成立体仓库控制系统的硬件设计，最后设计出电气原理图。4.1立体仓库控制系统结构 图4-1 硬件结构框图图41为采用可编程控制器（PLC）作为主控制器的立体仓库控制系统结构框图。一台作为上位监控机的计算机通过RS232C接口与PLC相连，可以对整个系统进行全面的监控管理。拖动系统主要由三相交流电源、变频器、交流接触器K1、K2和驱动电动机M等几部分构成，与电动机同轴联接的旋转编码器PG产生A、B两相输出脉冲，经PG卡进入变频器，形成速度反馈。为使PLC对变频器进行有效的速度闭环控制，PLC与变频器之间还存在如下的信号传输。(1)：PLC发往变频器的控制信号主要有：PLC检测系统工作正常，允许变频器工作的信号；堆垛机运行方向的信号；堆垛机运行速度的信号；堆垛机减速及平层停车信号。(2)：变频器反馈给PLC的信号主要有：变频器正常工作状态信号（变频器无报警输出，允许PLC控制其运行）；堆垛机速度信号；速度一致信号（变频器上的速度指令与电动机实际运行速度相匹配）；减速及停车状态信号。图31中，从变频器的分频器引入PLC的计数脉冲，通过高速计数器的脉冲计数，可实现对堆垛机位移的精确控制。4.2变频器的选型变频器的应用主要有两个方面：一方面是为了节能需要而进行的变频器的应用；另一方面是为了满足生产工艺调速的要求而进行的变频器的应用。对于果蔬气调立体库系统来讲，为了保证货物的高效存取，堆垛机的运行要求高速平稳，定位准确，需要使用变频器来驱动水平、垂直电机的运转。4.2.1 VS-616G5型变频器的特点本设计采用安川电机公司的VS-616G5型全数字通用变频器，它具有磁通矢量控制转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，能较容易地得到高起动转矩与较高的调速范围，能最大限度地提高电机功率因数和效率，同时降低了电机运行损耗，实现平稳操作和精确控制。通过合理的配置、设计和编程，可以满足系统静态和动态的性能要求，保证堆垛机按理想的速度曲线运行，达到较为理想的控制效果。VS-616G5型变频器的主要特点如下：(1)将无PG U/f控制、无PG矢量控制、有PG U/f控制、有PG矢量控制的四种控制方式融为一体；(2)有丰富的内藏与选择功能；(3)由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小；(4)保护功能完善、维修性能好；(5)通过LCD操作装置，可提高操作性能。4.2.2 VS-616G5型变频器的端子配备对于控制回路端子来说，1：正转运行/停止指令；2：反转运行/停止指令；3：外部故障输入；4：异常复位；5：主速/辅助切换（多段速指令1）；6：多段速指令2；7：点动指令；8：外部基极封锁；9和10：运行中信号；11：顺控器控制输入公共端；12：屏蔽线的网线，选项接地线用端子；13和14：主速频率指令；15：15V电源输出；16：多功能模拟量输入；17：控制用公共端；18、19和20：故障输出信号；21：频率表输出；22：公共端；23：电流监视；25：零速检出；26：速度一致检出；27：开路集电极输出公共端；33：15V电源输出。主回路端子的功能见图上相关文字说明。4.2.3变频器的容量计算变频器作为电机的供电电源时，其最好要有很高的容量，此时允许电机像工频供电那样，可以直接启动（在变频器的输出侧通断电机）。然而，考虑到变频器的经济性及尺寸大小等因素，过高地提高变频器的容量是不可取的。变频器容量的优化选择，会使其无故障完成驱动电机操作，这里首先要清楚以下内容。(1)变频器的容量驱动电机的变频器容量可以从操作方法决定的能量流动变化情况来进行理解。加速或恒速操作时变频器的效能是输出电流，也就是变频器能够给电机提供多大电流。变频器这种输出电流的效能可以由额定输出电流或过载能力来表示。减速操作时由于变频器在减速操作时其驱动的电机变成发电机，能量的流动是从电机流向变频器，同变频器的加速或恒速操作相反。变频器的作用是要消耗这些能量。减速时电机负载返回的部分能量由电机消耗，而其余部分由变频器消耗。另外，由于这些返回的能量使变频器中平滑电容的电压升高，当电压升到某一特定值时，就会产生再生能量消耗或能量返回供电电源侧。(2)变频器容量的确定变频器的容量应该与其驱动的电机容量相匹配，另外变频器的选择要依据负载特性、操作方法等情况来决定。首先，根据电机的容量来选择变频器的容量。其次，对于单个变频器驱动单个电机的操作方法，可按下式来选择：变频器额定输出电流电机最大负载电流1.1变频器规格给定值 实际测量 考虑畸波的增加系数最后，还要根据电机的基本操作模式（启动、加速、恒速、减速及停止）进行变频器的选择51。在单台变频器驱动单台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的最大电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。容量选择最好是采用大一个数量级选配。电动机若选11kW或15kW的异步电动机，即11kW的电动机选15kW的变频器，15kW的电动机选18kW的变频器比较好。我们选取了容量为11kW的异步电动机，其额定电流一般情况下，在果蔬气调立体库堆垛机系统中，控制运行电机的变频器是连续工作的，其额定输出电流： (4-1)式中：为变频器额定输出电流，为电动机实际最大负载电流。根据现场测试的数据，升降电机的最大负载电流约为17A，代入上式（3.3）则有：171.1=18.1（A）即变频器的额定输出电流必须大于18.1A。我们选择VS-616G5系列的CIMR-G5A 4015型变频器，它的额定输出电流为34A，最大适用电机功率为15Kw，完全可以满足本系统的要求。4.2.4 PG速度控制卡的选择变频器的PG速度控制卡是使用了PG（脉冲发生器）来对电机的转速进行控制的。当旋转编码器的输出信号送到PG速度控制卡后，由速度卡将其转换成与实际转速相对应的数字信号，再送给变频器进行速度控制。同时，将两相脉冲分频后（分频的程度可以设置）作为两相脉冲的监视输出，我们利用脉冲的监视输出进行堆垛机的位置控制。CIMR-G5A 4015型变频器的PG速度控制卡有四种，应根据用途正确选择。对于本系统，考虑到变频器有时需要在较低的频率下运行，为保证电机在低频运行时也能提供足够的转矩，保证垂直运行的堆垛机载货台不会因转矩不够而下坠，垂直电机必须使用恒转矩或矢量控制的方法进行变频。因此，我们选择PG-B2型PG速度控制卡。表41 PG型号说明PG型号 应用特点PG-A2 A相（单）脉冲输入，开路集电极或补码输出，V/f控制专用PG-B2 A相/B相脉冲输入，补码输出对应，矢量控制专用PG-D2 A相（单）脉冲输入，线驱动对应，V/f控制专用PG-X2 A相/B相/Z相脉冲输入，线驱动对应，矢量控制专用 4.3.6变频器制动电阻参数的计算当采用变频器传动的堆垛机电机急减速或向下运转时，异步电动机将处于再生发电状态。变频器逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要的措施，当中间直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。所以，变频调速装置还应具有一定的制动功能。在高性能的工程型变频器中，对连续再生能量的处理大体有以下两种方案：(1)采用动力制动的方式在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉。(2)采用再生整流器的方式它是将连续再生能量送回电网，这种方式又称为回馈制动。分析以上两种制动方式，采用动力制动的方式，其控制简单、成本低，但节能效果不如回馈制动。回馈制动方式虽然节能效果好，能连续长时制动，但控制复杂、成本较高考虑到节省技改投资，提高设备的可维修性和可靠性，我们采用动力制动方式。在选择能耗制动电阻时，制动电阻的大小应使制动电流的值不超过变频器额定电流的一半，即 （4-2）其中，为额定情况下变频器的直流母线电压。考虑到立体库内的温度湿度条件，按照制动单元和制动电阻选型及计算公式进行换算，CIMR-G5A 4015型变频器配用1个RX20型耐潮被釉线绕电阻器，可以满足本设计的要求。4.3 PLC的选型目前，市场上存在着种类繁多的大、中、小型PLC，小到作为少量的继电器装置的替代品，大到作为分布式系统中的上位机，几乎可以满足工业控制的各种需要。那么，针对我们的实际情况，如何给本系统选择一个合适的PLC呢？PLC选型的一般流程如下：(1)定义PLC的I/O点数，包括开关量的I/O点数、模拟量的I/O点数以及特殊功能模块；(2)建立I/O分配表，绘制PLC的输入、输出接线图；(3)根据控制要求绘制程序的流程图，绘制用户程序，装入PLC的用户程序存储器并进行初步测试，从而选择满足要求的PLC。4.3.1 FX-2N系列PLC的特点三菱FX-2N系列PLC采用紧凑的箱体式结构，安装方便。它可由不同点数的基本单元和扩展单元构成，主单元的输入输出点数比为1：1，并可按照实际需要，灵活进行配置和扩展。FX-2N系列还有很多的特殊功能单元，如：高速计数单元、位置控制单元、模拟量I/O单元等等，可通过扩展口等方式与主机相连。FX-2N系列的最大I/O点数为256点。程式容量为8000步，并可以扩展至16000步。对于本设计来说，完全可以满足要求。环境规格是指PLC能正常工作的外部环境条件，FX-2N系列PLC能适应工业现场的恶劣条件，对环境的要求很低，一般的工业现场均可满足这些要求。对于本库来讲，其内部的环境是低温潮湿，而FX-2N系列PLC可在温度为20，相对湿度为35%85%RH（不结露）的环境下正常工作。故本设计选取三菱FX-2N系列PLC作为系统的主控制器。4.3.2机型的配置本设计中，共有3台电机、2台变频器、6个限位开关、货架采用6层6列。需要40个数字量输入点，25个数字量输出点，共计65个I/O点。 考虑到PLC输出需接电磁阀和接触器线圈，要求大电流输出，宜选择继电器输出型，这里选择三菱FX2N-80MR-001型PLC，其I/O点总数为80个，可以满足系统的需求。4.4其它主要硬件的选取4.4.1旋转编码器堆垛机工作时所处的位置，需由电机旋转所发出的脉冲个数来反映。脉冲的发生一般由旋转编码器完成，也就是说，在堆垛机运行的PLC控制中，可以使用旋转编码器测取堆垛机运行过程中所处的实际位置，从而确定理想的换速点。旋转编码器的输出信号送给变频器PG速度卡，由速度卡将其转换成与实际转速相对应的数字信号再送到变频器内部进行速度控制，同时将两相脉冲分频后（分频的程度可以设置）作为脉冲的监视输出，输入到PLC中，进行堆垛机的位置控制。为提高检测位置的精度，应选用每转脉冲数较多的旋转编码器，一般选500（脉冲/旋转）以上的产品。要保证堆垛机的位置精度和换速距离的要求，每个脉冲对应的位移（计数精度）S0.5mm/脉冲，旋转编码器将电机转速转化为脉冲信号在PLC内进行计数。由于本立体库的货格设计为每层和每列均为1米，根据其它硬件的选取情况，按式(4-3)转化成脉冲数计算如下：I=h/S （4-3）式中：I脉冲数h每层或每列的距离（mm）S计数精度（mm/脉冲）S的值由式(4-4)计算 （4-4）式中：D曳引轮节圆直径（mm）曳引减速箱减速比曳引比P电动机每转脉冲数（它等于旋转编码器的分辨率除以分频比）在这里， D=620mm， .旋转编码器分辨率暂定为1200（脉冲/旋转），分频比暂定为9，经计算，可得：P=132（脉冲/转）S=0.3（mm/脉冲）满足S0.5mm/脉冲的计数精度。若对应于堆垛机快车运行的电动机转速为1460r/min，则PLC的高速计数器输入脉冲频率为： (4-5)从这里可以看出，之所以要对旋转编码器的输出脉冲进行分频，目的在于减少输入到PLC高速计数器的计数脉冲频率f。f值必须小于高速计数器的脉冲响应速度，否则将出现计数混乱。对于三菱FX2N-80MR-001型PLC，其内部高速计数器的脉冲响应速度为5kHz，因此，经上述分频处理后，旋转编码器的分辨率可以满足系统的要求。这里，我们选用分辨率为1200（脉冲/旋转）的欧姆龙E6H-CWZ6C增量型编码器，它采用不需耦合器的空心轴，是小型、高分辨率的通用型旋转编码器，工作电压为DC24V，最高响应频率为100kHz，实施CE标识（EMC指令），适合EN/IEC规格，输出有A，A及B，或A及B及Z方向，输出方式有集电极开路输出、电压输出及线性驱动器输出。它还可配一些耦合器，用于需要计数或变速的场合。4.4.2光电开关光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射作用，由同步回路选通来检测物体的。其物体不局限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测，是理想的电子开关量传感器。它能准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适应能力，也是一般机械式行程开关所不能相比的。根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为：漫反射式光电开关、镜反射式光电开关、对射式光电开关、槽式光电开关和光纤式光电开关等。其中，镜反射式光电开关集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。考虑到库内的低温潮湿环境，选取SKK05-1K型，输出形式为直流NPN三线常开，镜反射式光电开关共8个，检测距离为50cm。将光电开关安装于堆垛机的初始起点位置，货叉的上下前后四个极限位置，在堆垛机上安装两个分别控制行列，并在货架每层和每列相应的平层位置均安装镜反射器，通过输入信号到PLC使堆垛机相应地改变运动状态。4.4.3电磁闸本控制系统有三个电磁闸，作用分别是使堆垛机在行列方向上停车制动，以及货叉制动。均选用T3522，DC24V。4.4.4断路器、接触器断路器能在主电路发生短路、过负荷和低电压时自动跳闸，从而保护电路。该系统中断路器选用380V HYCM1L-63L型，运行短路分断能力为18KA。接触器是用来防止变频器电缆由于过载和短路而造成的损坏。在此，我们选择西门子3TF4622，线圈电压为220V系列。4.5立体仓库控制系统的电气原理图立体仓库控制系统的电气原理图如图4-2所示。图4-2 立体仓库控制系统电气原理图5 立体仓库控制系统软件设计一个完整的控制系统是由硬件与软件两大部分组成的。要实现系统所要求的功能，除了完成硬件部分的设计，还要配备完善的软件，系统才能正常工作。本章主要包括以下内容：对当前同类气调库内堆垛机的速度控制曲线进行改造，完成变频器的参数计算与设置，运用GX-Developer软件编写系统的控制程序，设计出满足系统功能要求的软件系统。本文中的控制系统要求实现的主要功能如下：(1)货叉控制；(2)层数与列数计算；(3)快车运行控制；(4)换速控制；(5)停车控制；(6)检修点动控制。5.1程序设计软件由于本设计选取三菱FX-2N系列PLC作为系统的主控制器，因此，程序设计软件选用当前比较流行的三菱GX-Developer编程工具，它是应用于三菱系列PLC的中文编程软件，可在Windows 9x及以上操作系统运行。(1)GX-Developer编程软件的主要功能GX-Developer的功能十分强大，集成了项目管理、程序键入、编译链接、模拟仿真和程序调试等功能，其主要功能如下：在GX-Developer中，可通过线路符号、列表语言及SFC符号来创建PLC程序，建立注释数据及设置寄存器数据；创建PLC程序以及将其存储为文件，用打印机打印；该程序可在串行系统中与PLC进行通讯、文件传送、操作监控以及各种测试功能。(2)编程系统的构成与配置三菱GX-Developer编程系统主要由以下几个部分构成：计算机、接口单元、通讯电缆、系统操作软件及操作手册等。计算机要求机型：IBM PC/AT（兼容）；CPU：486以上；内存：8兆或更高（推荐16兆以上）；显示器：分辨率为800600点，16色或更高。接口单元采用FX-232AWC型RS-232/RS-422转换器（便携式）或FX-232AW型RS-232C/RS-422转换器（内置式），以及其他指定的转换器。通讯电缆采用FX-422CAB型RS-422缆线（用于FX2，FX2C型PLC，0.3m）或FX-422CAB-150型RS-422缆线（用于FX2，FX2C型PLC，1.5m），以及其他指定的缆线。5.2 I/O点数的分配本实验条件下，共有3台电机、2台变频器、6个限位开关、货架采用6层6列。需要40个数字量输入点，25个数字量输出点，共计65个I/O点。根据本系统的输入输出信号情况，可编程控制器I/O点数的分配表如下：表5-1 FX-2N型可编程控制器I/O点数的分配表(1) 输入部分 输入继电器 信号名称 输入继电器 信号名称X000 C252的A相输入 X024 货叉平层开关X001 C252的B相输入 X025 上行强迫换速开关X002 C252的复位输入 X026 下行强迫换速开关X003 C253的A相输入 X027 下行换速开关X004 C253的B相输入 X030 货叉伸出限位X005 C253的复位输入 X031 层起点开关X006 层点动按钮 X032 左行强迫换速开关X007 层选向 X033 右行强迫换速开关X010 列点动按钮 X034 左行换速开关X011 目标位置选中第1层 X035 列起点开关X012 目标位置选中第2层 X036 缩叉开关X013 目标位置选中第3层 X037 货叉缩回限位X014 目标位置选中第4层 X040 列选向X015 目标位置选中第5层 X041 目标位置选中第1列X016 目标位置选中第6层 X042 目标位置选中第2列X017 层平层停车点 X043 目标位置选中第3列X020 伸叉开关 X044 目标位置选中第4列X021 取货 X045 目标位置选中第5列X022 货叉上限位开关 X046 目标位置选中第6列X023 存货 X047 列平层停车点(2) 中间继电器：中间继电器 信号名称 中间继电器 信号名称 M0 伸叉超时 M24 列到达，准备换速M1 计1层 M25 列换速M2 计2层 M26 列停车M3 计3层 M27 右行（正转）M4 计4层 M28 左行（反转）M5 计5层 M30 列计数点M6 计6层 M31 计1列M8 层到达，准备换速 M32 计2列M9 伸叉 M33 计3列M10 缩叉 M34 计4列M11 缩叉超时 M35 计5列M12 提叉 M36 计6列M13 降叉 M38 列换速点M14 层计数点 M40 提叉超时M15 层换速点 M41 降叉超时M17 层换速 M44 层向运行超时M18 层停车 M45 列向运行超时M19 下行（反转） M46 层向换速超时M20 上行（正转） M47 列向换速超时M22 伸叉完毕 M48 取货存货指令冲突M23 升叉完毕(3) 输出部分：输出继电器 信号名称 输出继电器 信号名称Y000 伸叉 Y015 列快车Y001 缩叉 Y020 层点动Y002 提叉 Y021 列点动Y003 降叉 Y030 数码管a段输出Y004 层换速 Y031 数码管b段输出Y005 层停车 Y032 数码管c段输出Y006 下行（反转） Y033 数码管d段输出Y007 上行（正转） Y034 数码管e段输出Y010 列换速 Y035 数码管f段输出Y011 列停车 Y036 数码管g段输出Y012 右行（正转） Y040 层电磁闸Y013 左行（反转） Y041 列电磁闸Y014 层快车 (4) 其它部分： 其它部分 信号名称 其它部分 信号名称M8000 运行监控 T2 层电磁闸延时器M8200 C200方向切换 T3 列电磁闸延时器M8201 C201方向切换 T4 提叉定时器C200 层计数器 T5 降叉定时器C201 列计数器 T6 层电磁闸打开定时器C252 层高速计数器 T7 列电磁闸打开定时器C253 列高速计数器 T8 层换速定时器T0 伸叉定时器 T9 列换速定时器T1 缩叉定时器考虑到PLC输出需接电磁阀和接触器线圈，要求大电流输出，宜选择继电器输出型，这里选择三菱FX2N-80MR-001型PLC，其I/O点总数为80个，可以满足系统的需求。5.3立体仓库控制系统程序设计本设计中，堆垛机执行自动入库作业的初始条件是堆垛机位于初始原点，货叉位于下位，限位开关位置没有超限。执行自动入库存货时，首先将货物放置在堆垛机的货叉上，启动入库存货程序，则堆垛机开始同时运行升降和行走动作，到达目标货格之后，停车，升叉，伸叉存货。然后返回起点待命；自动入库取货时，启动入库取货程序，则堆垛机开始同时运行升降和行走动作，到达目标货格之后，停车、伸叉、升叉取货。然后返回起点待命；当点动检修时，堆垛机以点动频率运行。以上描述，基本上概括了堆垛机的正常运行过程。作为程序的设计，可以从以下几个方面进行。(1)货叉控制货叉的伸缩控制是在堆垛机停车和非检修条件下，配合升降叉控制来完成货物的存取操作的。对于取货动作来讲，堆垛机运行到位停车以后，首先应当伸出货叉，到达指定位置后，停止伸叉，同时将货叉抬起，抬起的距离由安装在堆垛机上的光电限位开关决定，但不能将货物碰到货格上沿。抬起完成后，缩回货叉到指定位置，最后降叉到起始位置。存货时，由于货叉上放有货物，不能直接作出伸叉动作，否则会将货物碰撞到货格。正确的方法是先将货叉微微抬起，然后再伸出货叉，到达指定位置后，将货叉放下，此时货箱已经放置到指定的货格内，最后将货叉缩回，存货完毕。货叉控制的程序流程图如图5-1所示。图5-1 货叉控制流程图(2)层数与列数计算在堆垛机正常入库的过程中，与电动机同轴连接的旋转编码器不断发出脉冲，并通过变频器的分频器引入到PLC中，通过PLC的高速计数器进行脉冲计数，可实现对堆垛机位移的精确控制。我们选择的旋转编码器分辨率为1200脉冲/旋转，分频比为9，经计算，可得P=132脉冲/转，S=0.3mm/脉冲。假定此立体库的货格为每层和每列均为1米，因此堆垛机每运行一层或一列，PLC接收到的脉冲数应当为：I=h/S=1000/0.3=3333(脉冲)式中：I脉冲数h每层或每列的距离（mm）S计数精度（mm/脉冲）由计算结果可知，堆垛机的减速过程需要的距离为：0.2640112(m) 因此，对应的脉冲数应当是：880。在实际进行层数与列数计算时，我们设定PLC每接收到2000个脉冲数的时刻，层列计数器记一个数，记下运行的层列数。在堆垛机上安装一个镜反射式光电开关发射器，并且在货格的每层和每列的平层位置均安装一个镜反射器，当堆垛机每运行一层或一列的距离时，光电开关就向PLC发出一个信号，用来将高速计数器清零，也就是说采用相对记数的方式，每次从平层点开始记数到下一个平层点，然后高速计数器复位。当接近指定位置，并且高速计数器记到2453个脉冲的时候，堆垛机开始按照我们设定的S曲线减速，直到光电开关发出停车信号，堆垛机抱闸停车。图5-2 层数与列数计算流程图(3)快车运行控制在堆垛机入库和出库的开始阶段，让它的速度以设定的S曲线加速到快车速度，并且一直以快车速度运行，直到到达减速点。以快车运行，可以最大程度地提高堆垛机的运行效率。 图5-3 快车运行控制流程图(4)换速控制当堆垛机入库接近指定位置，层列计数器的值等于目标值，并且高速计数器记到2453个脉冲数的时候，或者当我们强迫发出换速指令的时候，堆垛机就开始按照我们设定的S曲线减速。当堆垛机出库时，运行到我们设定的换速点时，货架上的光电开关就会向PLC发出换速信号，或者是通过强迫换速的办法，使堆垛机按照S曲线减速。(a)(b)图5-4 换速控制流程图(5)停车控制当堆垛机入库到达目标位置或者出库到达停车点时，由于按照S曲线进行了减速，因此当光电开关发出停车信号时，堆垛机可以比较平稳地抱闸停车。停车控制流程图见图5-5所示。图5-5 停车控制流程图(6)检修点动控制作为一个应用在实际工业生产中的堆垛机，必须具有一定的检修点动控制功能，它可以在设备出现电气或机械故障，自动运行功能无法实现的情况下，通过人工点动的办法，对堆垛机进行检修。图5-6 检修点动控制流程图5.4立体仓库控制系统梯形图立体仓库控制系统的梯形图见附录。结 论本文在分析立体仓库的研究背景和发展现状背景下，对小型立体仓库是堆垛机升降机构、行走机构、伸缩货叉机构等机械结构部分进行了设计计算，并综合运用交流变频调速、PLC控制、位置检测等技术，为小型立体仓库的正常运行设计一套比较完整的控制系统，使其更好地担负起出、入库的任务。主要研究内容如下：（1）对小型立体仓库的机械结构部分，主要是总堆垛机的升降机构、行走机构、伸缩货叉机构等机械结构部分进行设计计算，并进行各结构电机及减速器的选取。（2）提出小型立体仓库的功能要求，对其控制系统的主控制器进行选择，同时确定出堆垛机的速度和定位控制方案。（3）设计立体仓库控制系统硬件部分，构建立体仓库控制系统结构，选择合适的变频器和PLC，对旋转编码器、光电开关、电磁阀、断路器、继电器等硬件进行选取，并绘制控制系统电气原理图。（4）设计立体仓库控制系统软件部分，选取程序设计软件，进行I/O点数的分配，从货叉控制、层数与列数计算、快车运行控制、换速控制、停车控制、检修点动控制等几个方面进行程序流程设计，并编写控制系统梯形图。作为自动化立体仓库中的主要存取设备堆垛机，是实现整个仓库系统“自动”功能的关键设备，其控制系统的灵活性、稳定性直接影响着整个系统的运行状况。本文针对立体仓库控制系统，尤其是堆垛机的控制系统及机械结构部分进行了研究与改进，今后尚需在如下方面继续研究：(1)继续研究PLC控制系统和网络功能模块。特别是网络功能模块，因为将来的PLC控制系统大部分将借助于Internet连接在一起，更加方便人们的使用；(2)将设计的控制系统应用到实际生产中，发现并研究堆垛机系统可能存在的新问题，采用合理的方法，使堆垛机系统更加完善，更好地为企业服务。 48参 考 文 献1.冯亦步.果蔬气调贮藏与气调库M.哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2012.2.宋壮兴.我国气调库建设中的若干问题J.保鲜与加工，2011(5).3.赵家禄.小型果蔬气调库M.北京：科学出版社，2010.4.裘为章.物料搬运自动化M.北京：机械工业出版社，2012.5.胡昌思.全新概念的自动化立体仓库J.制造自动化，2014(7)：6267.6.马春熠.巷道式堆垛机自控系统中心有关问题的研究J.沈阳航空工业学院学报，2011.7.王晓晖.自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计J.制造自动化，2009(9)：7072.8.机械工程手册编委会.物料搬运设备卷M.北京：机械工业出版社，2017.9.周奇才.基于现代物流的自动化立体仓库系统（AS/RS）管理及控制技术研究D.成都：西南交通大学，2012.10.郭环，禹永伟.自动化立体仓库中堆垛机的设计J.物流技术，2013.11.卡那沃依斯基，曹崇文译.收获机械M.北京：中国农业机械出版社，2011.12.赵炯，翁诚霖，周奇才.立体仓库中堆垛机待命位的动态确定及应用J.上海铁道大学学报，2015.13.丁晓红.自动化立体仓库的实时监控系统J.起重运输机械.2016.14.周兴万.自动化立体仓库中堆垛机的变频调速及PLC控制J.机床电器，2007(3)：3536.15.徐春辉.自动化立体仓库述要J.洪都科技，2014，(4)：29-31.16.李广宾.立体仓库自动控制系统的设计J.粮食流通技术，2011，6：37-40.17.曾毅，王效良，吴皓等.变频调速控制系统的设计与维护M.济南：山东科学技术出版社，2012.18.王仁祥.通用变频器选型与维护技术M.中国电力工业出版社，2014.19.Model Predictive ControlA Simple and Powerful Method to Control Power Converters. 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Warehouse production and development is the result of production and technological development after World War II. The early 50s, the United States emerged with overhead stacking crane warehouse; the late 50s and early 60s appears the tunnel-type stacking crane warehouse of the driver operating; in 1963 computer controlled is took the lead in the overhead storage in the United States, builting the first computer-controlled warehouse. Since then, the automated warehouse in the United States and Europe have developed rapidly and formed a special subject. Mid-60s, Japan began the construction of warehouse, and the speed of development became faster and faster, becoming one of the countries which have the worlds most automated warehouse. Our warehouse and material handling equipment on the development did not start late. China developed the first overhead stacking crane in 1963 (Ministry of Machinery Beijing Materials Handling Research Institute), ,and started to develop Chinas first computer-controlled The Automatic Warehousein 1973 (15 m high, lifting the Ministry responsible for machines), the library was put into operation in 1980. So far, the number of automated warehouse in China has more than 200. Due to the high-rise warehouse space utilization, a strong ability to enter the library, using computer control and management and help enterprises to implement modern management and so on,warehouse has becom