摘要在現代的物流倉儲系統中，自動化立體倉庫應用日益廣泛。而堆垛機性能的優劣，對整個立體庫的正常運行起著重要的作用。但就我國現有生產力發展水平來看，在自動化立體倉庫中設計出造價低廉、工作可靠的堆垛機替代原有倉庫的控制和管理，能更加適應某些中小企業要求投資少見效快的目標。本論文就實現這一目標的堆垛機控制系統進行了設計。在堆垛機控制系統（StorageandRetrievalMachinecontrolsystem，以下簡稱SRMC系統）的開發應用中，將PLC技術和變頻控制技術相結合，重點研究基于旋轉編碼器與光電開關的組合進行堆垛機定位系統的設計。本文主要的研究工作如下：(1)深入研究實際生產過程中堆垛機的工作情況，指出其在運行、定位及故障指示等方面的不足之處，并從硬件改進和軟件設計兩個方面給出具體的實施方案；(2)針對自動化立體倉庫的存取特點，對堆垛機的硬件部分進行設備選型與參數計算，設計出電氣原理圖，提出一套SRMC系統的硬件配備方案；(3)在三菱GX-Developer軟件開發環境下，采用流程圖的設計方法，設計SRMC系統的PLC控制程序，隨時改進控制思路和控制程序系統。關鍵詞:堆垛機；PLC技術；自動化控制；速度控制AbstractInlogisticwarehouse’ssystem,automatichigh-risewarehousewaswidelyapplied.ThefeaturesofstackercranewerethekeyPointtothefunctionofthehigh-risewarehouse.Accordingtothenationalexistingcurrenteconomiccondition,tostudyonekindofgreattonnagestackercontrolsystemwhichcostinexpensiveandmovedstablewasusefultosomesmallormediumenterpriseswhoseaimwasinvestinglesswhileprofitinglots.Thispaperintroducedthedesignofstackercranecontrolsystem,unifiedthePLCtechnologyandthefrequencyconversioncontroltechnology,thekeyresearchbasedonthetransformationonSshaperunningratecurveoffrequencychanger,aswellascombinedtherevolvesencoderandthephotoelectricityswitchtoconstructstheStorageandRetrievalMachine’saccuratepositioningsystem.Thepaper’smainresearchworkisasfollows:(1)ResearchingtheStorageandRetrievalMachine’sworkingconditionintheactualproductionprocess,Thepaperpointedoutthedeficiencyinthemovement,localizationandfailureindication,andputforwardtheconcreteimplementationplanfromtwoaspectsonthehardwareimprovementandsoftwaredesign；(2)InviewofthestoreandfetchcharacteristicintheAutomatedHigh-riseairconditioningStorage,ThepaperhascarriedontheequipmentshapingandtheparametercomputationonthehardwareofStorageandRetrievalMachine,hasdrawntheelectricalprinciplediagram,andreasonablyinstalledthemtogether,composedthehardwaresystem.PutforwardthehardwareallocatedplanwhichisquitefeasibleontheStorageandRetrievalMachineinthecurrent；(3)UndertheMitsubishiGX-Developersoftwaredevelopmentenvironment,fortherealizationofthisdesign,wehasestablishedtheStorageandRetrievalMachinecontrolsystemprocedureonPLC,bymonitoringandpracticing,foundtheproblem,improvedthecontrolmentalityandthecontrolprocedureasnecessary.KeywordsStorageandRetrievalMachinePLCtechnologyAutomatedcontrolSpeedcontrol目錄1緒論 11.1自動化立體倉庫系統概述 11.1.1自動化技術在倉儲領域的發展 11.1.2自動化倉庫的分類 21.2堆垛機簡介 31.2.1堆垛機的發展 31.2.2巷道式堆垛機的技術現狀 31.2.3單立柱巷道式堆垛機結構 41.2.4堆垛機的發展趨勢 61.3課題研究意義及主要研究內容 62SRMC系統的方案設計 72.1SRMC系統 72.2SRMC系統的功能要求 82.3堆垛機的速度控制方案 92.3.1變頻調速技術的優點 92.3.2變頻器的基本結構 102.4系統主控制器的選擇方案設計 102.4.1可編程控制器概述 112.4.2PLC的基本組成 112.4.3PLC各部分的功能 112.4.4PLC的主要特點 132.4.5PLC控制系統的類型選擇 132.5堆垛機的定位控制方案 142.6本章小結 163SRMC系統硬件設計 173.1SRMC系統總體結構 173.2電動機的選型 183.3變頻器的選型 193.3.1變頻器的特點 193.3.2變頻器型號以及PG速度控制卡的選擇 193.4PLC型號選擇 203.4.1FX-2N系列PLC的特點 203.4.2機型的配置及I/O點數的分配 203.5SRMC系統其它主要硬件的選取 223.5.1旋轉編碼器 223.5.2光電開關 233.5.3電磁閘 233.5.4斷路器、接觸器 233.6本章小結 234SRMC系統軟件設計 244.1堆垛機速度曲線模型的設計 244.1.1現有速度曲線的分析 254.1.2速度曲線改進的函數分析過程 254.1.3改進的速度曲線特點 284.2主控制器PLC的程序設計 284.2.1PLC控制系統程序設計的主要工作 284.2.2本程序設計使用軟件 284.2.3程序設計方法選擇 294.2.4程序設計過程 314.3本章小結 35結論 36致謝 37參考文獻 38附錄 40附錄1 40附錄2 501緒論自動化立體倉庫又稱立體庫、高層貨架倉庫、自動倉儲AS/RS(AutomaticStorage&RetrievalSystem)。它是一種用高層立體貨架(托盤系統)儲存物資，用電子計算機控制管理和用自動控制堆垛運輸車進行存取作業的倉庫。自動化倉庫是生產物流的重要組成部分，擔負著物資的接受、分類、計量、包裝、分揀配送、存檔等多種功能。是實現高效率物流和大容量儲藏，適應現代化生產和商品流通的有效手段。有軌巷道堆垛起重機是隨著立體倉庫的出現而發展起來的專用起重機，通常簡稱為堆垛機。堆垛機是立體倉庫中最重要的起重運輸設備，主要用途是在高層貨架倉庫的巷道內沿軌道運行，將位于巷道口的貨物存入貨格或取出貨格內的貨物運送到巷道口，完成出入庫作業。立體庫的優勢是通過它體現出來的[1][2]。1.1自動化立體倉庫系統概述1.1.1自動化技術在倉儲領域的發展1959年美國開發了世界上最早的自動化立體倉庫，并在1963年最早使用計算機進行自動化立體倉庫的控制管理。后來德國和日本也相繼開發了自動化立體倉庫。進入20世紀80年代，自動化立體倉庫在世界各國發展迅速，使用范圍涉及幾乎所有行業。1974年在鄭州紡織機械廠建成我國第一座自動化立體倉庫，但我國在這一領域發展速度比較緩慢。自動化技術在倉儲領域的發展可分為五個階段:人工倉儲階段、機械化倉儲階段、自動化倉儲階段、集成化倉儲階段和智能自動化倉儲階段。第一階段—人工倉儲階段:物資的運送、存儲、管理及控制主要是靠人工實現，具有初期設備投資經濟性好、控制的實時性和直觀性等優勢。第二階段—機械化倉儲階段:物料可以通過各種各樣的傳送帶、工業輸送車、機械手、吊車、堆垛機和升降機來移動和搬運，用貨架托盤和可移動貨架存儲物料，通過人工操作機械存取設備，用限位開關、螺旋機械制動和機械監視器等控制設備運行。機械化滿足了人們對速度、精度、高度、重量、重復存取和搬運等要求。第三階段—自動化倉儲技術階段:50年代末和60年代，采用自動導引小車(AGV)、自動貨架、自動存取機器人、自動識別和自動分揀等系統。70年代和80年代，旋轉式貨架、移動式貨架、巷道式堆垛機和其他搬運設備也加入了自動控制的行列。但此時的自動化是各個設備的局部并各自獨立應用，被稱為“自動化孤島”。隨著計算機技術的發展，對物料控制和管理的實時化、協調一體化逐漸成為倉儲自動化技術的核心。計算機之間、數據采集點之間、機械設備的控制器之間以及它們與主計算機之間的通訊可以及時匯總信息，管理人員通過倉庫計算機及時記錄訂貨和到貨時間，顯示庫存量，以便隨時掌握貨源及需求。信息技術的應用己成為倉儲技術的重要支柱。第四階段—集成自動化倉儲階段:70年代末和80年代，隨著現代工業生產的發展，柔性制造系統(FlexibleManufacturingSystem)、計算機集成制造系統(ComputerIntegratedManufacturingSystem)和工廠自動化(FactoryAutomation)對自動化倉庫提出更高的要求，搬運倉儲技術要具有更可靠、更實時的信息，工廠和倉庫中的物流必須伴隨著并行的信息流。“自動化孤島”需要集成化，使整個系統有機協作，這樣的總體效益和生產應變能力遠遠超過各部分獨立效益的總和。第五階段—智能自動化倉儲階段:它包括人工(或機械)和自然(或人類)兩種方式。內容涉及智能物料儲運設計和智能物料儲運作業。目前，人們在人工智能及物料儲運領域中的專家系統的技術方面正進行著大量的工作。我國自動化倉庫正處在不斷發展和完善階段，世界主要工業國家把著眼點放在開發性能可靠的新產品和采用高技術上。近年來，國內外在建設物流系統及自動化倉庫方面更加注重實用性和安全性。大型自動化倉庫系統已不在是發展方向。美國Hallmark公司安裝的多達120個巷道的系統己達到了頂峰，甚至10~20個巷道的系統也不是首選了。為了適應工業發展的新形勢，出現了規模更小、反應速度更快、用途更廣的自動化倉庫系統。它是把先進的控制技術應用到分段輸送和按預定線路輸送方面，保持了高度的柔性和高生產率，滿足了工業庫存搬運的需要。標準的模塊式自動化倉庫系統已引起人們的關注，這種系統在硬件和軟件方面比傳統的根據用戶要求而提供的自動化倉庫有更多的現成產品，其價格一般也比較適中。國外自動化倉庫發展的一個方面是普遍采用掃描技術，提高信息的傳輸速度和準確性。采用射頻數據通信技術，數據的采集、處理和交換能夠在搬運工具與中央計算機之間快速進行，使物品的存取和發送信息做到快速、實時、可靠和準確。我國正在發展這方面技術，將其應用到新建庫和己建庫原有通信系統以改善倉庫管理，提高倉庫作業效率。現在，對自動化倉庫系統的要求，與最初因節省土地和節省勞動力而受到歡迎的情況不同，要求具有控制生產和銷售活動的功能，即起到所謂“經營型倉庫”的作用[5]。1.1.2自動化倉庫的分類自動化倉庫的分類方式有:(1)按建筑形式分為整體和分離式。(2)按貨物存取行式為單元架式，移動貨架式和揀選貨架式。(3)按貨架構造形式分為單元貨格式，貫通式，水平循環式和垂直循環式倉庫。(4)按所起的作用分為生產性倉庫和流通性倉庫。(5)按自動化倉庫與生產聯接的緊密程度分為獨立型，半緊密型和緊密型倉庫[6]。1.2堆垛機簡介1.2.1堆垛機的發展初期的立體倉庫使用的堆垛機以橋式起重機為基礎。這種堆垛機是從起重機的大梁上懸掛一個門架(立柱)，利用門架的上下和旋轉來搬運貨物。1960年左右在美國出現了沒有大梁的巷道式堆垛機。這種堆垛機是在地面的導軌上行走，利用貨架上部的導軌防止傾倒，或者是在上部導軌上行走，利用地面導軌防止傾倒。1967年日本開始安裝了高度20~25m高層堆垛機，1969年出現了聯機全自動化倉庫。1973年建成了世界上第一座-401.2.2巷道式堆垛機的技術現狀按現行機械行業標準，有軌巷道式堆垛機分類方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結構、運行軌跡等分類。無論何種類型的堆垛機一般都由水平行走機構、起升機構、載貨臺及貨叉機構、機架和電氣設備等基本部分組成。在目前立體倉庫應用中，堆垛機最常見的是按結構形式和運動軌跡分類。(1)有軌巷道堆垛機的結構形式按結構形式可分為雙立柱結構和單立柱結構。l)雙立柱堆垛機:雙立柱結構的堆垛機機架由兩根立柱和上、下橫梁組成一個長方形框架。立柱形式有方管和圓管。方管兼作起升導軌，圓管附加起升導軌。雙立柱堆垛機的起升機構普遍采用鏈條傳動，由電機減速機驅動鏈輪轉動，通過鏈條牽引載貨臺沿立柱或起升機導軌作升降運動。由于鏈條牽引載貨臺或配重裝置，受空間尺寸限制，傳動和布置較復雜，但定位較準確。雙立柱堆垛機的最大優點是強度和剛性都較好，且運行平穩。適合起重高度較高、起重量較大和水平運行速度高的堆垛機。2)單立柱堆垛機:單立柱結構的堆垛機機架由一根立柱和下橫梁組成。立柱多采用較大的H型鋼或焊接制作，立柱上附加導軌。單立柱堆垛機的起升結構，普遍采用鋼絲繩傳動，由電機減速器驅動卷筒轉動，通過鋼絲繩牽引載貨臺沿立柱或起升導軌作升降運動。對于鋼絲繩傳動，傳動和布置相對容易，但定位準確性差。單立柱結構的堆垛機整機重量輕，消耗材料少，故制造成本低，但剛性較差。由于載貨臺及貨物對立柱的偏心作用，以及行走、制動時產生的水平慣性力作用，使單立柱堆垛機在使用上有一定的局限性。(2)有軌巷道堆垛起重機的運行軌跡堆垛機水平驅動裝置一般安裝在堆垛機下橫梁上，通過電機減速機驅動車輪轉動，使堆垛機沿水平方向運行。采用兩個承重車輪，沿敷設在地面上的軌道(地軌)運行。通過下部兩組水平輪沿軌道運行導向，在堆垛機頂部兩組導向輪沿上軌道(天軌)運行輔助導向。按其運行軌跡形式可分為直線運行型堆垛機和曲線運行型堆垛機。l)直線運行型堆垛機:它只能在巷道內直線軌道上運行，不能自行轉換軌道。轉換軌道只能通過其它輸送設備，如堆垛機轉運車。直線型堆垛機可實現高速運行，能夠滿足出入庫頻率較高的立體倉庫作業，應用最為廣泛。2)曲線運行型堆垛機:它的車輪與下橫梁是通過垂直軸鉸接的，能夠在環形或其它曲線軌道上運行，即可以走曲線，不通過其它輸送設備便可以從一個巷道自行轉移到另一個巷道，又稱為轉軌堆垛機。此種堆垛機的轉彎半徑受到場地的限制，且轉彎時速度特別慢，只適用于出入庫頻率較低的立體倉庫。(3)堆垛機動態性能現狀體現堆垛機動態性能優劣的指標主要有:運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩性、振動與噪音、認址精度等。隨著科學技術的不斷進步，自動化立體倉庫的技術水平和倉儲機械設備的動態性能也在不斷提高。例如，堆垛機的運行驅動己由20世紀70年代的子母電動機改為變頻調速，速度由5~50m/min提升至4~160m/min，國外小載重量的堆垛機最高可達300m/min;提升驅動己由20世紀70年代的雙速電動機改進為變頻調速，速度由4~16m/min提升至0~25m/min;貨叉運行也由單速電動機驅動改進為變頻調速，速度由8m/min如提升至4~35m/min;在堆垛機自動控制方面還采用了激光測距定位系統、閉環控制變頻調速系統、Profibus總線控制等先進技術。盡管如此，目前國產堆垛機的運行速度最高仍保持在160m/min，由于整機剛度低，無隔振減振措施，運行擺動幅度大;提升速度在0~80m/min;貨叉速度一直保持在根據市場預測，傳統技術制造的20世紀70年代水平的堆垛機將被淘汰，高速度、高科技含量的新型堆垛機將迅速占據市場。我國堆垛機綜合性能急待改善。根據物流設備發展趨勢，針對近幾年用戶的反映，結合國內外技術現狀及發展情況等有關情報資料分析，找出我們存在的主要差距為:①綜合性能差距：主要體現在運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩性、振動和噪音;②結構的差距：國外產品結構合理，比較精巧，我國產品結構相對笨重[25]。1.2.3單立柱巷道式堆垛機結構單立柱巷道式堆垛機（簡稱為堆垛機）主要由起升機構、運行機構、貨叉伸縮機構、機架金屬機構（立柱及下橫梁）、載貨臺、電氣設備和安全及連鎖保護機構等組成。這類型的堆垛機最顯著的特點是機架由一根立柱和下橫梁組成，見圖1-1。1.地軌2.下橫梁3.載貨臺4.貨叉機構5.提升滑輪6.天軌7.立柱8.控制柜9.起升電機10.行駛機構和驅動輪圖1-1單立柱巷道式堆垛機的結構(1)起升機構起升機構實現堆垛機的升降運動，一般由電動機、制動器、減速機、卷筒或鏈輪以及柔性件組成。目前，常用廠家專門生產的“三合一”（即電機、制動器、卷筒合一）起升卷揚機構，它相對結構緊湊。為減少起升機構電動機功率，常設置質量等于載貨臺質量和一半起重量的配重。起升機構一般設置在立柱下部或下橫梁上，以便于維護。(2)水平運行機構水平運行機構主要由電動機、減速器、行走輪組成。在堆垛機的下橫梁上裝有水平運行機構和支撐堆垛機在鋼軌上運行的車輪。按運行機構所在的位置不同可以分為地面驅動式，頂部驅動式和中部驅動式幾種，其中地面運行式使用最廣泛。在這種運行方式中，堆垛機的上、下橫梁分別有兩組導向輪。(3)載貨臺及貨叉伸縮機構載貨臺是貨物單元的承載裝置，通常是一個剛性框架，通過鋼絲繩或鏈條與起升機構聯結，載貨臺沿立柱上的導軌上下升降。貨叉伸縮機構是堆垛機的主要工作機構，安裝在載貨臺上，其結構特點是能夠雙向伸出，以便向兩側貨格送入（取出）貨箱。縮回后，貨叉連同載貨臺一起隨大車在巷道內運行。(4)金屬結構金屬結構是堆垛機的安裝基礎，承受和傳遞堆垛機所擔負的各機構的重量以及載重量，金屬結構一般采用優質鋼材，聯結部分采用焊接，這樣可以簡化結構節省工料，且不削弱桿件截面，易于加工制造，縮短工期，而且可以減輕自重。單立柱結構主要由立柱和下橫梁組成，其上橫梁很短，有的甚至沒有上橫梁。這種結構形式的堆垛機，起升高度較小，起重量不大，占用空間小，因而運行起來較為靈活，廣泛用于中小型立體倉庫。(5)電氣設備電氣設備主要包括電力拖動、控制、檢測和安全保護等，目前國內外普遍采用的是變頻調速控制，從而滿足堆垛機高速運行、換速平穩、低速停準的要求。檢測系統必須具有堆垛機自動認址、貨位虛實探測、貨箱位置檢查等功能。(6)安全及聯鎖機構為了保證人身及設備的安全，堆垛機必須配備有完善的硬件和軟件的安全保護措施，并在電氣控制上采取一系列聯鎖和保護措施。主要的安全保護裝置有：端限位保護、聯鎖保護、正位檢測控制、載貨臺斷繩保護和斷點保護等。1.2.4堆垛機的發展趨勢隨著我國加入WTO，加快了經濟全球化進程，進一步促進了物資流通，貨物儲運發送量越來越大。可以預測，今后市場對倉儲物流設備的需求量將有更大幅度的增長，而且將在存取率、自動化程度、信息化程度等方面提出更高的要求。為實現物流的高效率，必須提高堆垛機的存取速度。要求堆垛機的運行速度達到160~200m/min以上、運行平穩可靠、認址準確、起動制動靈敏、運行振動小、噪音低于84dB等綜合性能的提高，需要多項技術的創新和改進，更需要新技術的支持。相信通過我們的不懈努力，在使用堆垛機具有更高定位精度的同時，提高運行速度，以獲得更短的操作周期和更大的生產能力。更加高速、安全、可靠的堆垛機將不斷從國外引進消化到國內，使有軌巷道堆垛機發展到一個新階段。1.3課題研究意義及主要研究內容本課題主要用于某食品氣調庫的改造項目，該氣調庫主要用于存放各種易腐敗的食品,目前主要通過人工操縱叉車進行貨物的存取，存在著工作效率低下，對工人健康不利等缺點。本課題結合本氣調庫的實際情況，基于對立體庫電氣控制系統的研究，綜合運用交流變頻調速、PLC控制、位置檢測等技術，為堆垛機的正常運行設計一套比較完整的控制系統。具體包括以下內容：(1)通過對堆垛機現有的運行速度曲線進行的分析研究，設計出一種適合本系統的堆垛機速度曲線模型，確定變頻器型號，構建交流變頻調速控制系統；(2)在堆垛機的位置檢測方面，綜合運用旋轉編碼器、PG卡以及利用PLC中的高速計數器單元，來實現對于堆垛機位置的精確控制；(3)根據堆垛機的實際工作情況，對PLC控制系統進行設計。運用流程圖法，建立各運動階段的流程圖，編制出控制程序和故障檢測程序，使PLC控制系統更加完善，更好地控制整個系統的運行；2SRMC系統的方案設計本章詳細描述了堆垛機的控制系統，著重論述了如何對堆垛機控制系統進行方案設計，分別從堆垛機的速度控制、系統主控制器的選擇及堆垛機的定位控制方案三個方面進行闡述。2.1SRMC系統目前，堆垛機的控制方式大致可以分為手動操作、半自動控制、全自動控制、遠程控制與計算機控制等。計算機控制的控制系統，考慮到備用情況，一般由三級組成。最低一級是利用堆垛機上的控制盤手動操作，其次是為了遙控利用安置在地上的控制盤的數字開關進行操作，最高一級采用計算機控制，三級可以轉換運轉。如圖2-1所示。圖2-1SRMC系統采用遙控時，也必須具有低級的手動操作功能，采用自動控制時使用機上控制盤，但控制方法，在本質上與遙控基本相同，因此以遙控為中心來敘述堆垛機的控制系統。圖2-2所示為在自動運轉情況下以及特殊情況下的堆垛機作業循環的作業流程圖。堆垛機按行走、升降、貨叉伸縮等三種操作，根據指令自動定位，進行叉取作業。當用戶發出存貨要求時，系統根據倉庫貨位情況，給出貨物的存放地址，上位機根據堆垛機的當前位置，經過貨位地址變換，給出相對于堆垛機當前位置的貨位地址，發出存貨指令給堆垛機。SRMC系統接收信號后，在貨物輸入口接收貨物，堆垛機行走，同時載貨臺沿立柱作升降運動。當運動到達目的貨位時，貨叉開始伸縮運動，執行存貨操作，完成操作后在此位待命或返回至規定位置。用戶發出取貨要求，給出貨位地址（貨位地址用相應的排號、列號、層號組成）后，上位機（計算機）根據堆垛機當前位置，經過貨位地址變換，給出相對于堆垛機當前位置的貨位地址，發出取貨指令給堆垛機。SRMC系統接收信號后，堆垛機行走，同時載貨臺沿立柱作升降運動。當運動到達目的貨位時，貨叉開始伸縮運動，執行取貨操作，堆垛機將所取貨物送至貨物輸出口，然后在此位待命或返回至規定位置[10]。當系統出現故障時，用戶需對系統進行檢修，可以通過控制面板上的按鈕進行堆垛機的升、降、急停以及貨叉的伸、縮等手動控制操作[8][9]。2.2SRMC系統的功能要求堆垛機系統是立體倉庫貨物存取任務的最終執行者，其主要運動包括：(1)堆垛機沿貨架巷道（列方向）的前后高低速運動；(2)堆垛機沿立柱（層方向）的上下升降運動；(3)安裝在堆垛機載貨臺上的貨叉機構的升降伸縮運動[8]。因此，SRMC系統的功能主要應包含以下幾方面的內容：(1)自動控制功能：運用地面控制臺系統，完成貨物的自動出入庫任務。此時可以接受地面控制臺的各種命令操作，如：入庫、出庫、運行到目標列層、進、退、升、降等；(2)手動控制功能：僅能通過控制面板的按鈕進行進、退、升、降、急停等控制操作。此功能主要用于系統的檢修與調試；(3)安全保護功能：實時監測各關鍵器件的使用情況及系統的運行情況，出現故障時及時報警。對于以上的各種控制功能，主要應由以下幾個方面來完成：(1)速度控制：堆垛機工作時在各種方向上的運行速度；(2)定位控制：以適合的速度運行并精確地定位在貨格或入出庫口處；(3)通訊功能：與上位機及其它倉庫設備的通訊；(4)保護功能：具有一定機械和電氣方面的保護功能；(5)人機界面：通過I/O設備，提供本機狀態信息或遙控操作[10]。2.3堆垛機的速度控制方案在立體倉庫中，交流異步電動機是堆垛機系統中的驅動部件。一般情況下，其調速方式分為：電機減速器調速、變極調速、串阻調速、串極調速、滑差電機調速和變頻調速等。用減速器進行調速，調速設備不僅體積大，調速效率低，而且容易發生機械故障。其它幾種調速方法與變頻調速方法相比，使用起來又非常不便。隨著對于電動機調速性能要求的逐步提高，變頻調速技術得到了長足的發展。2.3.1變頻調速技術的優點變頻調速技術是一門綜合性的技術，它建立在控制技術、電子電力技術、微電子技術和計算機技術的基礎上。與傳統的交流拖動系統相比，利用變頻器對交流電動機進行調速控制，有許多優點，如：調速范圍廣、輸出平滑性好、機械特性較硬、能很好地實現異步電動機的無級調速、可實現有效的節能、可方便地進行恒轉矩調速和恒功率調速等。尤其當電機帶動較大負載啟動時，會有較大的沖擊電流，若采用變頻器控制，可以實現電動機的軟啟動，減小沖擊電流，從而解決了大負載的啟動問題。另外，變頻器還具有很強的保護功能，在電機運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別（如電網瞬時電壓降低，電網缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機短路等），并立即封鎖輸出電壓。這種自我保護的功能，不僅保護了變頻器，還保護了電機。綜上所述，變頻調速技術不僅在性能上大大優于以往的交流電機調速方式，并且將會逐步取代直流電機的調速方式，用交流異步電機取代直流電機，將會使調速系統變得更加簡單。綜上所述，采用改變供電電源頻率的調速方法，從本質上講，是一種無級、平滑而又經濟的調速方法。變頻時使電壓按不同規律變化，可以實現恒轉矩或恒功率調速，以實現不同負載的要求，這些均早已被人們所認識和掌握。隨著可控硅靜止變頻裝置的出現，解決了運行性能較為理想的變頻電源問題，使異步電動機變頻調速技術獲得了進一步的發展，為其廣泛地應用開辟了新的途徑，特別是較為理想地解決了普通鼠籠式電動機的變頻調速問題。因此，在本SRMC系統中，我們選擇變頻調速的方式對電動機進行速度的控制[16][20]。2.3.2變頻器的基本結構變頻器是把工頻電流（50HZ或60HZ）變換成各種頻率的交流電流，以實現電機變速運行的設備。變頻器一般由控制電路和主電路構成。控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅動電路、外部接口電路以及保護電路等幾個部分，是變頻器的核心部分。控制電路的優劣決定了變頻器性能的優劣。控制電路的主要作用是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能，從而實現對主電路的控制。圖2-3所示為通用變頻器的結構原理。圖2-3變頻器的構成變頻器的主電路，包括整流電路和逆變電路兩部分。其中，整流電路是把輸入到變頻器的工頻交流電變換成直流電，且對直流電進行平滑濾波，然后逆變電路再將此直流電變換成實際需要的各種頻率的交流電，從而驅動電動機的運轉。2.4系統主控制器的選擇方案設計在當今的工業控制領域，有相當多的控制手段和設備，比如：繼電器控制、個人計算機控制、單板機控制、集散控制系統（DCS）以及可編程控制器（PLC）控制等等。PLC的梯形圖與繼電器控制線路圖十分相似，同時，信號的輸入/輸出形式及控制功能也是相同的，但兩種控制方式又有不同之處。PLC在性能上比繼電器控制邏輯優異，特別是可靠性高、設計施工周期短、調試修改方便，而且體積小、功耗低、使用維護方便，但價格高于繼電器。與個人計算機相比，PLC是一種用于工業自動化控制的專用微機控制系統，結構簡單，抗干擾能力強，價格也較低。單板機結構簡單、價格低，在數據采集與處理等方面優于PLC，但不如PLC容易掌握，抗干擾性能也較差。集散控制系統在回路調節、模擬量控制方面較PLC有一定優勢，但PLC在開關量控制、順序控制等方面又優于前者。綜上所述，可編程控制器作為一種專門在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置，具有其獨特的優點[23][24]。2.4.1可編程控制器概述可編程控制器（ProgrammableController），簡稱PLC，是一種以數字計算機為基礎的通用型工業控制裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種型的機械或生產過程，具有適用于各類控制所必需的高可靠性、配置擴充的靈活性。對于工程技術人員來說，它具有簡單易學、使用維修方便等特點。PLC自問世以來，經過30多年的發展，己經成為最受歡迎的工業控制類產品，較好地解決了工業控制領域中普遍關心的安全、可靠、方便、靈活、經濟等問題[21]。2.4.2PLC的基本組成PLC是一種通用的工業控制裝置，其組成與一般的微機系統基本相同。按結構形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。整體式PLC是將中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構成主機。另外還有獨立的I/O擴展單元與主機配合使用。主機中，CPU是PLC的核心，I/O單元是連接CPU與現場設備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機等外部設備的連接。組合式PLC將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能I/O單元、通信單元等分別做成相應的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯系。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴展底板。CPU底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10cm[11]。無論哪種結構類型的PLC，都可以根據需要進行配置與組合。2.4.3PLC各部分的功能(1)中央處理單元（CPU）CPU在PLC中的作用類似于人體的神經中樞，它是PLC的運算、控制中心，按照系統程序所賦予的功能，可以完成以下任務：①接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據；②診斷電源、PLC內部電路的工作狀態和編程的語法錯誤；③用掃描的方式接收輸入信號，送入PLC的數據寄存器保存起來；④PLC進入運行狀態后，根據存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解釋和執行，完成用戶程序中規定的各種操作；⑤將用戶程序的執行結果送至輸出端。現代PLC使用的CPU主要有以下幾種：①通用微處理器，如80801等。通用微處理器的價格便宜，通用性強，還可以借用微機成熟的實時操作系統和豐富的軟硬件資源；②單片機，如8051等。單片機由于集成度高、體積小、價格低和可擴充性好，很適合在小型PLC上使用，也廣泛地用于PLC的智能I/O模塊；③位片式微處理器，如AMD2900系列等。位片式微處理器是獨立于微型機的另一分支。它主要追求運算速度快，它以4位為一片。用幾個位片級聯，可以組成任意字長的微處理器。改變程序存儲器的內容，可以改變計算機的指令系統。位片式結構可以使用多個微處理器，將控制任務劃分為若干個可以并行處理的部分，幾個微處理器同時進行處理。這種高運算速度與可以適應用戶需要的指令系統相結合，很適合于以順序掃描方式工作的PLC使用[12]。(2)存儲器根據存儲器在系統中的作用，可以把它們分為以下三種：①系統程序存儲器：和各種計算機一樣，PLC也有其固定的監控程序、解釋程序，它們決定了PLC的功能，稱為系統程序，系統程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存儲器ROM或EPROM；②用戶程序存儲器：用戶根據控制功能要求而編制的應用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經常改動、調試，故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的RAM。由于RAM掉電會丟失數據，因此使用RAM作用戶程序存儲器的PLC，都有后備電池（鋰電池）保護RAM，以免電源掉電時，丟失用戶程序。當用戶程序調試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序寫入EPROM；③工作數據存儲器：工作數據是經常變化、經常存取的一些數據。這部分數據存儲在RAM中，以適應隨機存取的要求。在PLC的工作數據存儲區，開辟有元件映象寄存器和數據表。元件映象寄存器用來存儲PLC的開關量輸入/輸出和定時器、計數器、輔助繼電器等內部繼電器的ON/OFF狀態。數據表用來存放各種數據，它的標準格式為每一個數據占一個字。它存儲用戶程序執行時的某些可變參數值，如定時器和計數器的當前值和設定值。它還用來存放A/D轉換得到的數字和數學運算的結果等。根據需要，部分數據在停電時用后備電池維持其當前值，在停電時可以保持數據的存儲器區域稱為數據保持區。(3)I/O單元I/O單元也稱為I/O模塊。PLC通過I/O單元與工業生產過程現場相聯系，輸入單元接收操作指令和現場的狀態信息，如控制按鈕、操作開關和限位開關、光電管、繼電器觸點、行程開關、接近開關等信號，并通過輸入電路的濾波、光電隔離和電平轉換等將這些信號轉換成CPU能夠接收和處理的信號。輸出單元將CPU送出的弱電控制信號通過輸出電路的光電隔離和功率放大等轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動接觸器、電磁閥、電磁鐵等執行元件。2.4.4PLC的主要特點可靠性高、抗干擾能力強，平均故障時間為幾十萬小時。而且PLC采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。(1)硬件方面：①隔離。在微處理器與I/O電路之間采用光電隔離減少外部干擾源對PLC的影響；②濾波。對供電系統及輸入線路采用多種形式的濾波，減少高頻干擾。有些模塊還設置了連鎖保護、自診斷電路等[12][27]。(2)軟件方面：①設置故障檢測與診斷程序；②當軟故障條件出現時，立即把重要狀態信息存入指定存儲器，禁止對存儲器進行任何不穩定的讀寫操作，以防止存儲器信息被沖掉。這樣，一旦外界調節正常后，便可以恢復故障發生前的狀態，恢復原來的工作；③編程簡單、使用方便。目前大多數PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式，很容易被操作人員接受。一些PLC還根據具體問題設計了如步進梯形指令等，進一步簡化了編程；④設計安裝容易、維護工作量少、功能完善、通用性強、體積小、能耗低、性能價格比高。2.4.5PLC控制系統的類型選擇一般來說，PLC控制系統有以下三種類型：(1)PLC構成的單機系統這種系統的被控對象是單一的機器生產或生產流水線，其控制器是由單臺PLC構成，一般不需要與其它PLC或計算機進行通信。但是，設計者還要考慮將來是否聯網的需要，如果有的話，應當選用具有通信功能的PLC。如圖2-4所示。圖2-4單機系統圖2-5集中控制系統(2)PLC構成的集中控制系統這種系統的被控對象通常是由數臺機器或數條流水線構成，該系統的控制單元由單臺PLC構成，每個被控對象與PLC指定的I/O相連。由于采用一臺PLC控制，因此，各被控對象之間的數據、狀態不需要另外的通信線路。但是，這種系統也有一個缺點，一旦PLC出現故障，整個系統將停止工作。對于大型的集中控制系統，通常采用冗余系統克服上述缺點。如圖2-5所示。(3)PLC構成的分布式控制系統這類系統的被控對象通常比較多，分布在一個較大的區域內，相互之間比較遠，而且，被控對象之間經常地交換數據和信息。這種系統的控制器采用若干個相互之間具有通信功能的PLC構成，系統的上位機可以采用PLC，也可以采用工控機。如圖2-6所示。圖2-6分布式控制系統使用四臺電機，兩臺變頻器，單臺PLC進行多個對象的控制，并且我們用一臺微型計算機作為上位機，進行系統的運行監控，所以我們采用如圖2-7所示的PLC控制系統。圖2-7PLC控制系統2.5堆垛機的定位控制方案堆垛機的定位控制方法很多，現就幾種典型方法介紹如下：(1)常規的限位開關定位方法堆垛機在運行過程中，要先確定目前的位置，然后才能根據目標信號決定控制狀態。例如：堆垛機到某一層需要停下來時，首先在接近這一層時，要先從高速狀態減速，到達平層位置時，再停車準備存取貨物。因此，我們通常在每一層井道上安裝三個限位開關，即上、下平層限位開關和平層限位開關。圖2-8平層開關示意圖如圖2-8所示，當堆垛機在上升時，首先碰到下平層限位開關，此信號送到PLC輸入端，PLC向變頻器發出減速信號，變頻器按照預先設定的減速曲線，控制堆垛機開始減速，當停下時，進入貨物存取狀態[13][14]。(2)認址片的定位方法[13]采用認址片的定位方法時，準確地認址定位是正確存取貨物的關鍵。圖2-9認址片結構認址片結構如圖2-9所示，認址方法如下：在巷道地基上相對于每列貨格安裝固定的認址片（擋板），在堆垛機底部安裝4個光電開關（GDl和GD2）與（GD3和GD4）隨堆垛機一起前后運動，每經過列貨格，光電開關通過認址檔板發出脈沖信號到PLC從而達到列認址目的。同樣，在堆垛機立柱上相對于每層安裝認址片，在其升降臺安裝光電開關（GD5和GD6）隨升降臺一起上下運動，達到層認址的目的。光電開關的脈沖輸入信號作為PLC內部認址計數器的計數信號，計數器的當前值作為速度控制的依據。當堆垛機到達目標貨格即計數器的計數值計到零時，發出停車信號使其停止運行。升降臺上的光電開關又用PLC內部的計數器接收光電脈沖，升降臺每經過一層，計數器減1計數，從而達到層方向認址的目的。堆垛機對其定位精度要求是比較高的，一般誤差不超過2mm。否則，由于誤差的積累，在貨叉存取貨物時易碰到貨架或發生其他事故。但當發出停車信號后，堆垛機由于慣性還會滑行一點，這樣，光靠計數認址很難達到精確定位的目的。為此我們把認址片結構做成如圖2-9所示的形式。用1號光電開關作為認址計數開關，計數到零時發出停車信號，然后再利用1號和2號開關作精確定位。如果1號與2號開關同時有信號，說明已停準；如果只2號開關有信號，說明己超過，點動堆垛機回退，再檢測比較；如果只1號開關有信號，說明還未到中心點，點動堆垛機前進，再檢測比較。這樣達到準確定位的目的[15]。(3)采用光電編碼器的位移定位方法光電編碼器分為絕對脈沖編碼器（APC）和增量脈沖編碼器（SPC），兩者一般都作為速度控制或位置控制系統的檢測元件。編碼器分為單路輸出和雙路輸出兩種。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉速，還可以判斷旋轉的方向。當采用光電編碼器進行位移定位時，由于堆垛機的運行是由曳引電動機來拖動的，因此曳引電動機正反轉動的角度也就決定了它所移動的距離，如圖2-10所示。圖2-10光電編碼示意圖在曳引電動機軸上安裝一個光電盤，盤上同一圓周上均勻地打上許多小孔，曳引電動機旋轉時，光電盤也跟著旋轉，光電編碼器根據轉過小孔的數量，發出相應數量的脈沖信號，這樣只要計算出脈沖數，就可知道堆垛機運行的距離，也就是堆垛機的實際位置。目前，PLC一般都具有高速脈沖輸入端或專用計數單元，可用編碼器測取堆垛機運行過程中的準確位置，并可直接與PLC的高速脈沖輸入端相連，利用高速記數器的功能指令能很方便地實現堆垛機的定位。由以上的介紹，我們可以看出，安裝限位開關或認址片的定位方法，不僅廢工廢料，而且每個開關或認址片的實際安裝距離，均不可避免地存在一定量的誤差，使得系統的安裝調試變得復雜，而且定位質量難以保證。一旦系統要求改造，又要重新進行安裝工作。而采用旋轉編碼器的位移定位方法，通過其發出的脈沖數可以很容易地確定堆垛機的當前位置，再經過給定速度曲線的計算，得出變頻器應當輸出的頻率來進行調速，這種堆垛機的位移定位方法具有定位精度高、適應性強的優點，因此，我們采用此方案。2.6本章小結本章針對立體倉庫中堆垛機的控制系統進行了方案設計。在速度控制方案方面，選取當前應用范圍非常廣泛的變頻調速技術，它所具有的調速范圍廣、輸出平滑性好、機械特性較硬、可實現異步電動機的無級調速以及可以進行恒轉矩和恒功率調速等優點，使它完全可以勝任本設計中的速度控制要求。系統主控制器選擇了在工業環境中廣受歡迎的可編程控制器（PLC），并結合本設計的實際要求，設計了相應的PLC控制系統。最后，在綜合比較了多種堆垛機的定位方法后，選擇了定位精度更高，控制方法更加靈活的光電編碼器的位移定位方法。最終，設計了一套比較合理的堆垛機控制系統方案。3SRMC系統硬件設計通過前面對于SRMC系統的設計，本章將詳細分析系統中各個組成硬件的原理與特點，并根據貨物存儲系統的實際工作環境，選擇適合本系統的設備型號以及參數，完成SRMC系統的硬件設計，最后設計出電氣原理圖。3.1SRMC系統總體結構圖3-1SRMC系統結構框圖圖3-1為采用可編程控制器（PLC）作為主控制器的立體倉庫的SRMC系統結構框圖。一臺作為上位監控機的計算機通過RS232C接口與PLC相連，可以對整個系統進行全面的監控管理。拖動系統主要由三相交流電源、變頻器、交流接觸器K1、K2和驅動電動機M等幾部分構成，與電動機同軸聯接的旋轉編碼器PG產生A、B兩相輸出脈沖,經PG卡進入變頻器，形成速度反饋。為使PLC對變頻器進行有效的速度閉環控制，PLC與變頻器之間還存在如下的信號傳輸。(1)PLC發往變頻器的控制信號主要有：①PLC檢測系統工作正常,允許變頻器工作的信號；②堆垛機運行方向的信號；③堆垛機運行速度的信號；④堆垛機減速及平層停車信號。(2)變頻器反饋給PLC的信號主要有：①變頻器正常工作狀態信號（變頻器無報警輸出，允許PLC控制其運行）；②堆垛機速度信號；③速度一致信號（變頻器上的速度指令與電動機實際運行速度相匹配）；④減速及停車狀態信號。圖3-1中，從變頻器的分頻器引入PLC的計數脈沖，通過高速計數器的脈沖計數，可實現對堆垛機位移的精確控制。3.2電動機的選型作為整個堆垛機系統的運動速度驅動者，電動機的合適選取十分重要。針對該立體倉庫的實際工作情況，設計的堆垛機系統應當滿足以下參數要求：自重：m1=4800kg載重：m2=700kg提升重量：m3=1200kg水平額定速度：V1=0.5水平加減速率：a1=1.5垂直額定速度：V2=0.5垂直加減速率：a2=1.5行走輪徑：Ｄ=300mm軸徑：ｄ=60mm貨叉伸縮速度：V3=0.2根據本系統的實際情況，要完成堆垛機的出入庫貨物存取工作，擬選取水平、垂直、貨叉伸縮及升降共4臺電機。首先，在選用電動機前應當考慮以下問題：(1)在機械與電氣方面對反復起動停止的操作都應有充分的耐久性；(2)應完全適合負載的速度與轉矩特性，特別是起動轉矩應有余裕；(3)速度的可控性良好；(4)慣性矩小，體積小而且重量輕；(5)輸出軸的轉數應適宜于減速裝置的結構；(6)應有可靠的外殼保護結構。通過分析水平運行電機的各種運行狀況，帶載加速功率應當是最大值，其計算如下：=()×a×/(1000×η)＝5500×1.5×0.5/(1000×0.9)=4.58(kW)對于垂直運行電機，其功率的計算如下：=×g×/(1000×η)=1200×9.8×0.5/(1000×0.8)=7.35(kW)通過計算分析可以清楚地發現，堆垛機垂直方向的運動較水平方向對于電動機的功率要求更高，因此只要把垂直方向的電機功率選擇好，就可以滿足其它運動對于電動機功率的要求。考慮到可能發生的過載情況，對于垂直電機的選取，我們選擇11kW的電動機。而對于水平電機和貨叉電機，選擇同樣的電機也是完全滿足要求的。因此，本設計所選擇的電動機主要參數如下：電動機型號：Y型160M-4額定功率：=11kW額定轉速：=1460r/min額定電流：In=22.6A3.3變頻器的選型目前，交流調速傳動已經上升為電氣調速傳動的主流。中、小容量范圍內，采用自關斷器件的全數字控制PWM變頻器己經實現了通用化。全數字控制方式的軟件功能不但考慮到通用變頻器自身的內在性能，而且還融入了大量的實用經驗和技術、技巧，使得通用變頻器的RAS三性(Reliability,Ability,Serviceability，可靠性、可使用性、可維修性)功能得以充實。變頻器的應用主要有兩個方面：一方面是為了節能需要而進行的變頻器的應用；另一方面是為了滿足生產工藝調速的要求而進行的變頻器的應用。對于立體庫系統來講，為了保證貨物的高效存取，堆垛機的運行要求高速平穩，定位準確，需要使用變頻器來驅動水平、垂直電機的運轉。3.3.1變頻器的特點變頻器與異步電動機相結合，可以實現對生產機械的調速傳動控制，簡稱為變頻器傳動。變頻器傳動具有固有的優勢，應用在不同的生產機械或設備上體現不同的功能，總體來說，變頻器傳動具有以下幾個效能。(l)節能應用主要的相關技術體現在提高運行可靠性、臺數控制和調速控制并用；(2)提高生產效率；①保證加工工藝中的最佳運行②適應負載不同工作情況下的最佳轉速③使原有設備的增速運轉(3)設備的合理化；(4)改善和適應環境。3.3.2變頻器型號以及PG速度控制卡的選擇本論文采用安川矢量型變頻器CIMR-G7A4015型，實現對水平機、提升電機，貨叉電機的變頻控制。通過多調速以實現水平方向和提升方向的定位精度。在選擇與電機匹配的變頻器時有兩個要素:變頻器功率必須大于等于電機功率;變頻器額定電流必須大于等于電機額定電流。CIMR-G7A4015型變頻器的主要特點如下：(1)將無PGU/f控制、無PG矢量控制、有PGU/f控制、有PG矢量控制的四種控制方式融為一體；(2)有豐富的內藏與選擇功能；(3)由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積小；(4)保護功能完善、維修性能好；(5)通過LCD操作裝置，可提高操作性能。變頻器的PG速度控制卡是使用了PG（脈沖發生器）來對電機的轉速進行控制的。當旋轉編碼器的輸出信號送到PG速度控制卡后，由速度卡將其轉換成與實際轉速相對應的數字信號，再送給變頻器進行速度控制。同時，將兩相脈沖分頻后（分頻的程度可以設置）作為兩相脈沖的監視輸出，我們利用脈沖的監視輸出進行堆垛機的位置控制。CIMR-G7A3.4PLC型號選擇目前，市場上存在著種類繁多的大、中、小型PLC，小到作為少量的繼電器裝置的替代品，大到作為分布式系統中的上位機，幾乎可以滿足工業控制的各種需要。那么，針對我們的實際情況，如何給本系統選擇一個合適的PLC呢？PLC選型的一般流程如下：(1)定義PLC的I/O點數，包括開關量的I/O點數、模擬量的I/O點數以及特殊功能模塊；(2)建立I/O分配表，繪制PLC的輸入、輸出接線圖；(3)根據控制要求繪制程序的流程圖，繪制用戶程序，裝入PLC的用戶程序存儲器，并進行初步測試，從而選擇滿足要求的PLC[17][18][19]。3.4.1FX-2N系列PLC的特點三菱FX-2N系列PLC采用緊湊的箱體式結構，安裝方便。它可由不同點數的基本單元和擴展單元構成，主單元的輸入輸出點數比為1：1，并可按照實際需要，靈活進行配置和擴展。FX-2N系列還有很多的特殊功能單元，如：高速計數單元、位置控制單元、模擬量I/O單元等等，可通過擴展口等方式與主機相連。FX-2N系列的最大I/O點數為256點。程式容量為8000步，并可以擴展至16000步。對于本設計來說，完全可以滿足要求[18][21]。環境規格是指PLC能正常工作的外部環境條件，FX-2N系列PLC能適應工業現場的惡劣條件，對環境的要求很低，一般的工業現場均可滿足這些要求。對于某些立體倉庫來講，其內部的環境是低溫潮濕，而FX-2N系列PLC可在溫度為-20℃3.4.2機型的配置及I/O點數的分配本實驗條件下，共有4臺電機、2臺變頻器、6個限位開關、貨架采用6層6列。需要40個數字量輸入點，25個數字量輸出點，共計65個I/O點。考慮到PLC輸出需接電磁閥和接觸器線圈，要求大電流輸出，宜選擇繼電器輸出型，這里選擇三菱FX2N-80MR-001型PLC，其I/O點總數為80個[19]，可以滿足系統的需求[31][32]。根據本系統的輸入輸出信號情況，可編程控制器I/O點數的分配表如下:3-1輸入部分分配表輸入繼電器信號名稱輸入繼電器信號名稱X000X001X002X003X004X005X006X007X010X011X012X013X014X015X016X017X020X021X022X023C252的A相輸入C252的B相輸入C252的復位輸入C253的A相輸入C253的B相輸入C253的復位輸入層點動按鈕層選向列點動按鈕目標位置選中第1層目標位置選中第2層目標位置選中第3層目標位置選中第4層目標位置選中第5層目標位置選中第6層層平層停車點伸叉開關取貨貨叉上限位開關存貨X024X025X026X027X030X031X032X033X034X035X036X037X040X041X042X043X044X045X046X047貨叉平層開關上行強迫換速開關下行強迫換速開關下行換速開關貨叉伸出限位層起點開關左行強迫換速開關右行強迫換速開關左行換速開關列起點開關縮叉開關貨叉縮回限位列選向目標位置選中第1列目標位置選中第2列目標位置選中第3列目標位置選中第4列目標位置選中第5列目標位置選中第6列列平層停車點3-2中間繼電器分配表中間繼電器信號名稱中間繼電器信號名稱M0M1M2M3M4M5M6M8M9M10M11M12M13M14M15M17M18M19M20M22伸叉超時計1層計2層計3層計4層計5層計6層層到達，準備換速伸叉縮叉縮叉超時提叉降叉層計數點層換速點層換速層停車下行（反轉）上行（正轉）伸叉完畢M24M25M26M27M28M30M31M32M33M34M35M36M38M40M41M44M45M46M47M48列到達，準備換速列換速列停車右行（正轉）左行（反轉）列計數點計1列計2列計3列計4列計5列計6列列換速點提叉超時降叉超時層向運行超時列向運行超時層向換速超時列向換速超時取貨存貨指令沖突續表3-2M14層計數點M40提叉超時3-3輸出部分分配表輸出繼電器信號名稱輸出繼電器信號名稱Y000Y001Y002Y003Y004Y005Y006Y007Y010Y011Y012Y013Y014伸叉縮叉提叉降叉層換速層停車下行（反轉）上行（正轉）列換速列停車右行（正轉）左行（反轉）層快車Y015Y020Y021Y030Y031Y032Y033Y034Y035Y036Y040Y041列快車層點動列點動數碼管a段輸出數碼管b段輸出數碼管c段輸出數碼管d段輸出數碼管e段輸出數碼管f段輸出數碼管g段輸出層電磁閘列電磁閘3-4其他部分分配表其它部分信號名稱其它部分信號名稱M8000M8200M8201C200C201C252C253T0T1運行監控C200方向切換C201方向切換層計數器列計數器層高速計數器列高速計數器伸叉定時器縮叉定時器T2T3T4T5T6T7T8T9層電磁閘延時器列電磁閘延時器提叉定時器降叉定時器層電磁閘打開定時器列電磁閘打開定時器層換速定時器列換速定時器3.5SRMC系統其它主要硬件的選取3.5.1旋轉編碼器堆垛機工作時所處的位置，需由電機旋轉所發出的脈沖個數來反映。脈沖的發生一般由旋轉編碼器完成，也就是說，在堆垛機運行的PLC控制中，可以使用旋轉編碼器測取堆垛機運行過程中所處的實際位置，從而確定理想的換速點。旋轉編碼器的輸出信號送給變頻器PG速度卡，由速度卡將其轉換成與實際轉速相對應的數字信號再送到變頻器內部進行速度控制，同時將兩相脈沖分頻后（分頻的程度可以設置）作為脈沖的監視輸出，輸入到PLC中，進行堆垛機的位置控制。為提高檢測位置的精度，應選用每轉脈沖數較多的旋轉編碼器，一般選500（脈沖/旋轉）以上的產品。這里，我們選用分辨率為1200（脈沖/旋轉）的歐姆龍E6H-CWZ6C增量型編碼器，它采用不需耦合器的空心軸，是小型、高分辨率的通用型旋轉編碼器，工作電壓為DC24V，最高響應頻率為100kHz，實施CE標識（EMC指令），適合EN/IEC規格，輸出有-A，A及B，或A及B及Z方向，輸出方式有集電極開路輸出、電壓輸出及線性驅動器輸出。它還可配一些耦合器，用于需要計數或變速的場合。3.5.2光電開關光電開關（光電傳感器）是光電接近開關的簡稱，它是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射作用，由同步回路選通來檢測物體的，見圖3-2。其物體不局限于金屬，對所有能反射光線的物體均可檢測，是理想的電子開關量傳感器。它能準確反應出運動機構的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調整的方便性和對惡劣環境的適應能力，也是一般機械式行程開關所不能相比的。圖3-2鏡反射式光電開關工作原理圖考慮到氣調庫內的低溫潮濕環境，選取瀛來機電公司的SKK05-1K型，輸出形式為直流NPN三線常開，鏡反射式光電開關共8個，檢測距離為50cm。將光電開關安裝于堆垛機的初始起點位置，貨叉的上下前后四個極限位置，在堆垛機上安裝兩個分別控制行列，并在貨架每層和每列相應的平層位置均安裝鏡反射器，通過輸入信號到PLC使堆垛機相應地改變運動狀態。3.5.3電磁閘本控制系統有兩個電磁閘，作用是使堆垛機在行列方向上停車制動，選用QZ23JD2-L型雙控電磁閘，AC220V。3.5.4斷路器、接觸器斷路器能在主電路發生短路、過負荷和低電壓時自動跳閘，從而保護電路。該系統中斷路器選用上海蒙崎電氣380VHYCM1L-63L型，運行短路分斷能力為18KA。接觸器是用來防止變頻器電纜由于過載和短路而造成的損壞。在此，我們選擇西門子3TF4622，線圈電壓為220V系列。3.6本章小結本章針對立體倉庫中的實際工作環境，選擇了適合本系統的主要相關設備，并進行了相應參數的計算，對堆垛機的控制系統進行了硬件方面的設計。分別從電動機、變頻器及其附屬設備、PLC、旋轉編碼器、光電開關、電磁閘、斷路器和接觸器等方面，進行了比較合理的設備選型與參數計算[33]。根據實驗條件下的I/O點數與I/O信號的特點，對PLC進行了I/O點的分配，并將所選的設備合理地進行接線連接，構建出系統的硬件系統，最后設計出主要設備的電氣原理圖。4SRMC系統軟件設計一個完整的SRMC系統是由硬件與軟件兩大部分組成的。要實現系統所要求的功能，除了完成硬件部分的設計，還要配備完善的軟件，系統才能正常工作。本章主要包括以下內容：對當前同類氣調庫內堆垛機的速度控制曲線進行改造，完成變頻器的參數計算與設置，運用GX-Developer軟件編寫系統的控制程序，設計出滿足系統功能要求的軟件系統。本文中的控制系統要求實現的主要功能如下：(1)貨叉控制；(2)層數與列數計算；(3)快車運行控制；(4)換速控制；(5)停車控制；(6)檢修點動控制。4.1堆垛機速度曲線模型的設計堆垛機的控制系統主要由變頻器、PLC及旋轉編碼器組成。變頻器用來實現電機的調速。圖4-1控制系統結構圖本文所選用的安川CIMR-G7A4015通用變頻器，具有可自行設置速度曲線的特點，能實現堆垛機的平穩操作和精確控制。另外，變頻器通過與電動機同軸連接的旋轉編碼器和選配的PG卡，可以完成電機速度的檢測與反饋，形成閉環系統。可編程控制器（PLC）負責處理各種信號的邏輯關系，從而向變頻器發出起、停等信號，同時變頻器也將工作狀態信號送給PLC，形成雙向聯絡關系，這是系統的核心。旋轉編碼器與電動機同軸連接,對電動機進行測速。旋轉編碼器輸出A、B兩相脈沖，根據A、B脈沖的相序，可判斷電動機的轉動方向，并可根據A、B脈沖的頻率測得電動機的轉速。旋轉編碼器將此脈沖輸出給PG卡，PG卡再將此反饋信號送給變頻器內部，以便進行運算調節。所以旋轉編碼器和PG卡實現了閉環運行。控制系統結構圖如圖4-1所示。4.1.1現有速度曲線的分析根據實際調查結果，現在很多氣調自動化立體倉庫堆垛機的速度控制方法還比較落后，堆垛機的速度控制曲線多數均為如圖4-2(a)所示的形式，在A、B、C、D處加速度變化率為正、負無窮大，其它時刻則為0，存在著運行過程中速度起伏過大，穩定性差等問題。根據實際生產經驗，一般情況下，氣調立體倉庫堆垛機的加、減速度應限制在1.5以內，且加速度變化率應限制在2.0以內，這樣可以最大程度地避免貨箱在堆垛機搬運過程中由于慣性造成的傾倒和碰撞，降低啟停時對電氣設備的電流沖擊，盡量發揮各個設備的效能。這里，我們選擇的CIMR-G7A4015型變頻器，具有可以自行編制速度曲線的特點。針對以上情況，本文運用函數分析的方法，設計一種新型的速度控制曲線，以滿足系統對于堆垛機速度控制性能的要求[3][4]。圖4-2堆垛機的速度曲線圖4.1.2速度曲線改進的函數分析過程(1)曲線的選擇在如圖4-2(b)所示的AE、FB、CG、HD四段，選用拋物線平滑地完成堆垛機的加速與減速，而EF、GH兩段則選用曲線的切線來完成調速過程。根據系統實際要求所知：堆垛機X方向或Y方向的額定轉速為0.5，為防止貨箱傾倒和碰撞，最大的加速度和加速度變化率應為=1.5，=2.0。根據上述速度曲線的特點，可進行以下分析：加速段曲線AE：=k，可知此段=,=加速段切線EF：,則可知此段考慮到系統加速的快速性，可選擇加速曲線FB與AE對稱，即。勻速運行時堆垛機X方向或Y方向的額定轉速是0.5，這要求B點加速度及加速度變化率均為0，即：勻速段曲線BC:根據以上分析可知：初步選擇,計算如下:由于設定AE與FB對稱，則有：可得各點參數如下:E點:F點:B點:可知，AE段:EF段:FB段:由于我們設定加速段和減速段曲線是對稱的，由對稱性可知：CG段:GH段:HD段:其中是電機以額定轉速運行的時間。運用作圖工具，速度曲線分段顯示如圖4-3所示。圖4-3速度曲線分段顯示(2)曲線的合理性檢驗①光滑性由以上計算得：滿足，則兩段曲線間存在切線，加速曲線光滑。由對稱性可知，減速曲線也光滑。②最小間距可實現性。即在起動段，堆垛機沿X或Y方向走了0.264m的距離。由對稱性，降速段也運行了0.264m，所以在這兩個階段，共運行了0.528m。由于本立體庫單位層高與單位列寬均為1m，所以在堆垛機的額定轉速為0.5，加、減速所用時間為1.056s的前提下，所設計的加減速曲線滿足最小間距的要求。③穩定性在本設計中，曲線的A、B、C、D四個狀態點，加速度的變化率均為0，在整個運行過程中加速度變化率最大值為，因此，我們所設計的加減速曲線滿足系統運動的穩定性要求。4.1.3改進的速度曲線特點以上對于堆垛機速度曲線模型的設計，可以較好地改進PLC與變頻器的整體配合效果。PLC根據實際控制的要求，向變頻器發出正向運行、反向運行、減速及制動等信號，而變頻器則根據我們設計的控制規律和控制算法，正確地控制電動機的運轉與停止。這樣的運行速度曲線，較好地解決了當前氣調立體倉庫堆垛機存在的運行過程中速度起伏過大，穩定性差的問題，基本實現了我們預想的目標。4.2主控制器PLC的程序設計4.2.1PLC控制系統程序設計的主要工作(1)主導思想：根據本堆垛機系統的工作要求，確定PLC程序需要解決的問題，制定合理的設計任務書。在程序的設計和調試階段不斷進行完善，進一步加深對某些概念和問題的理解，最終使設計的程序符合我們的控制要求；(2)軟件設計：根據堆垛機系統的各種控制，即入庫、出庫、取貨、存貨、點動等控制，運用過載保護、限位保護、聯鎖及互鎖等基本功能，確保所設計的軟件能夠使堆垛機在工作中可靠地運轉。我們應用結構化程序設計，根據規范要求按功能塊設計，整個程序結構分明，條理清晰，便于編寫、檢查、修改及維護；(3)軟件調試：在程序編制完成后，首先進行模擬調試，通過PLC的輸入輸出點的控制來檢查程序編制的正確與否，發現問題及時進行更改，然后進行現場調試，調試時充分考慮各種可能性，對系統的不同工作方式和各種限制條件逐一進行測試，發現問題及時更改程序，直至所編制的程序符合堆垛機系統的控制要求[26]。4.2.2本程序設計使用軟件由于本設計選取三菱FX-2N系列PLC作為系統的主控制器，因此，程序設計軟件選用當前比較流行的三菱GX-Developer編程工具，它是應用于三菱系列PLC的中文編程軟件，可在Windows9x及以上操作系統運行。GX-Developer編程軟件的主要功能[34]GX-Developer的功能十分強大，集成了項目管理、程序鍵入、編譯鏈接、模擬仿真和程序調試等功能，其主要功能如下：①在GX-Developer中，可通過線路符號、列表語言及SFC符號來創建PLC程序，建立注釋數據及設置寄存器數據；②創建PLC程序以及將其存儲為文件，用打印機打印；③該程序可在串行系統中與PLC進行通訊、文件傳送、操作監控以及各種測試功能。(2)編程系統的構成與配置[27]三菱GX-Developer編程系統主要由以下幾個部分構成：計算機、接口單元、通訊電纜、系統操作軟件及操作手冊等。①計算機要求機型：IBMPC/AT（兼容）；CPU：486以上；內存：8兆或更高（推薦16兆以上）；顯示器：分辨率為800×600點，16色或更高。②接口單元采用FX-232AWC型RS-232/RS-422轉換器（便攜式）或FX-232AW型RS-232C/RS-422換器（內置式），以及其他指定的轉換器。③通訊電纜采用FX-422CAB型RS-422纜線（用于FX2，FX2C型PLC，0.3m）或FX-422CAB-150型RS-422纜線（用于FX2，FX2C型PLC，1.5m），以及其他指定的纜線。(3)GX-Developer編程軟件的運行[28]安裝好軟件后，在計算機桌面上自動形成GX-Developer的圖標，用鼠標雙擊該圖標，可打開編程軟件。執行菜單中[文件]-[退出]，將退出編程軟件。執行菜單中[文件]-[新建]，可創建一個新的用戶程序，在彈出的窗口中選擇PLC的型號后單擊[確認]，此時計算機屏幕的顯示如圖4-4所示。菜單中的其它命令與Windows軟件的操作相似，不再說明。4.2.3程序設計方法選擇目前，PLC應用程序的設計方法大體有以下幾種：經驗設計法、邏輯設計法和狀態流程圖設計法等[29]。(1)經驗設計法實際上是沿用了傳統繼電器系統電氣原理圖的設計方法，即在一些典型單元電路的基礎上，根據被控對象對控制系統的具體要求，不斷地修改和完善梯形圖。經驗設計法只能用來設計一些簡單的程序或復雜系統的某一局部程序（如手動程序等）。如果用來設計復雜系統程序，存在以下問題：①考慮不周、設計麻煩、設計周期長用經驗設計法設計，沒有一套固定的方法和步驟可以遵循，具有很大的試探性和隨意性。設計復雜系統的程序，要用大量的中間元件來完成記憶、聯鎖、互鎖等功能。由于需要考慮的因素很多，它們往往又交織在一起，分析起來非常困難，并且很容易遺漏一些問題。修改某一局部程序時，很可能會對系統其它部分程序產生意想不到的影響，程序的修改也很麻煩，往往花了很長的時間，還得不到一個滿意的結果。圖4-4打開本軟件時的屏幕顯示②程序的可讀性較差、系統維護困難用經驗設計法設計的程序往往非常復雜。它是按照設計者的經驗和習慣的思路進行設計。因此，即使是設計者的同行，要分析這種程序也很困難，更不用說維修人員了，這給PLC系統的維護和改進帶來許多困難。(2)工業電氣控制線路中，有不少都是通過繼電器等電器元件來實現的。而繼電器、交流接觸器的觸點都只有兩種狀態即吸合和斷開，因此，用