【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 將新設(shè)備也連接到計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)的擴(kuò)展也較容易。為了利用計(jì)算機(jī)帶有的RS232接口與下層的各個(gè)模塊通信，在計(jì)算機(jī)上需要安裝232485轉(zhuǎn)換器。在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)中選用Modbus通訊協(xié)議作為其通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。Modbus通訊協(xié)議是Modicon公司設(shè)計(jì)的一種適用于工業(yè)控制的主從結(jié)構(gòu)式串口通訊協(xié)議，已經(jīng)成為通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]。Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主從協(xié)議，采用請(qǐng)求響應(yīng)方式，主站發(fā)出帶有從站地址的請(qǐng)求報(bào)文，具有該地址的從站收到后發(fā)出響應(yīng)報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答。采用該協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以互連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。許多工控產(chǎn)品，例如PLC、變頻器、人機(jī)界面、DCS和自動(dòng)化儀表等，都在廣泛地使用Modbus協(xié)議。本系統(tǒng)中使用的變頻器和PLC都支持Modbus協(xié)議。而且Modbus協(xié)議編程簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。在本文研究的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、可靠。 堆垛機(jī)的位置控制由堆垛機(jī)的作業(yè)流程分析，堆垛機(jī)是由水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)、縱向起升機(jī)構(gòu)和貨叉伸縮機(jī)構(gòu)三部分組成的，水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)和垂直起升機(jī)構(gòu)使堆垛機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置，貨叉伸縮機(jī)構(gòu)完成存取貨任務(wù)。要完成對(duì)堆垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先要保證堆垛機(jī)能夠準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置，所以在設(shè)計(jì)堆垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確可靠的認(rèn)址和定位保證堆垛機(jī)準(zhǔn)確無(wú)誤的定位在目標(biāo)貨位。另外為了提高存取效率和保證堆垛機(jī)的穩(wěn)定性，必須對(duì)堆垛機(jī)三個(gè)機(jī)構(gòu)的速度進(jìn)行合理有效的控制，其中速度位置檢測(cè)是堆垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。堆垛機(jī)速度位置控制的實(shí)現(xiàn)方法如圖25所示，控制系統(tǒng)由PLC控制器、調(diào)速系統(tǒng)、編碼器、認(rèn)址片和認(rèn)址器組成，實(shí)現(xiàn)位置和速度的雙閉環(huán)控制。圖25 堆垛機(jī)位置速度控制框架 定位控制定位控制就是確定堆垛機(jī)停止在目標(biāo)貨位的功能。自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)的認(rèn)址檢測(cè)系統(tǒng)有兩項(xiàng)任務(wù)：一是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋址，使堆垛機(jī)自動(dòng)找到被指定到達(dá)的位置；二是自動(dòng)準(zhǔn)確停準(zhǔn)，即堆垛機(jī)停準(zhǔn)位置不超出規(guī)定的精度。為此，貨架上的每個(gè)貨位必須具有堆垛機(jī)能識(shí)別的編碼，所以將貨架兩側(cè)編成XX2，沿堆垛機(jī)運(yùn)行方向?qū)⒇浖芫帪?～Y列，垂直方向編為0～Z層。這樣每個(gè)貨位就有了獨(dú)立的三維坐標(biāo)地址，堆垛機(jī)自動(dòng)檢測(cè)目前的坐標(biāo)地址，使其能到達(dá)目標(biāo)位置。因?yàn)樨浖軆蓚?cè)分為XX2，只有兩個(gè)方向，反應(yīng)到堆垛機(jī)上只是貨叉左伸、右伸運(yùn)動(dòng)，此方向不用檢測(cè)，所以實(shí)際上堆垛機(jī)位置的檢測(cè)只是對(duì)Y、Z位置的檢測(cè)。 認(rèn)址檢測(cè)方式主要的認(rèn)址檢測(cè)方式有以下幾種：（1）絕對(duì)認(rèn)址：絕對(duì)認(rèn)址是將每一個(gè)貨位賦予唯一的開關(guān)狀態(tài)，給每個(gè)貨位制作一個(gè)專用的認(rèn)址片，堆垛機(jī)上相應(yīng)安裝一個(gè)識(shí)別器，通常是二進(jìn)制編碼板和一組光電開關(guān)的組合，通過讀取認(rèn)址片的代碼來(lái)判斷堆垛機(jī)的當(dāng)前位置。（2）相對(duì)認(rèn)址：相對(duì)認(rèn)址：相對(duì)認(rèn)址時(shí)每個(gè)貨位的認(rèn)址片結(jié)構(gòu)相同。每經(jīng)過一個(gè)貨位，就對(duì)地址編碼進(jìn)行加1或減1，一直移動(dòng)到和預(yù)定位置號(hào)一致時(shí)停止運(yùn)行。（3）編碼器定位法：編碼器定位方式主要有兩種：從動(dòng)輪與軌道旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)測(cè)定方式、鏈輪與鏈條旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)測(cè)定方式。從動(dòng)輪與軌道旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)測(cè)定方式。堆垛機(jī)的從動(dòng)輪上配有同軸旋轉(zhuǎn)編碼器，從動(dòng)輪與軌道近似純滾動(dòng)，因此通過對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換，可以得到堆垛機(jī)的相對(duì)運(yùn)行位置。（4）激光測(cè)距定位：激光測(cè)距定位是近年來(lái)應(yīng)用于堆垛機(jī)準(zhǔn)確定位的新技術(shù)，用激光測(cè)距儀通過測(cè)量堆垛機(jī)到基準(zhǔn)點(diǎn)的距離和事先存儲(chǔ)的位置數(shù)據(jù)比較來(lái)確定堆垛機(jī)的當(dāng)前位置。這種方法的精度很高，但是使用時(shí)堆垛機(jī)和激光發(fā)射器和反射板之間不允許有物體，否則會(huì)遮擋住激光的傳輸路徑，使系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確定位。以上是四種常見的認(rèn)址檢測(cè)方式，四種方式各有優(yōu)劣，下面的表22是它們之間的比較對(duì)照：表22 認(rèn)址方式對(duì)比表認(rèn)址器光電開關(guān)旋轉(zhuǎn)編碼激光測(cè)距傳感器認(rèn)址方式相對(duì)認(rèn)址絕對(duì)認(rèn)址絕對(duì)認(rèn)址絕對(duì)認(rèn)址可靠性較低高 較高最高認(rèn)址精度格 格mmmm系統(tǒng)成本低高高較高數(shù)據(jù)接口無(wú)無(wú)多種多種定位方式反射式反射式接觸式反射式使用壽命短短較長(zhǎng)長(zhǎng) 認(rèn)址方式確認(rèn)圖26 激光測(cè)距原理圖為完成對(duì)堆垛機(jī)的位置控制，必須能檢測(cè)出堆垛機(jī)的運(yùn)行位置，本文設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)系統(tǒng)認(rèn)址方式如下：（1）水平認(rèn)址系統(tǒng)水平方向采用激光測(cè)距傳感器，當(dāng)前數(shù)據(jù)為位移值，經(jīng)過PLC計(jì)算后的數(shù)據(jù)為當(dāng)前速度值。激光測(cè)距傳感器安裝在堆垛機(jī)上，目標(biāo)放射板安裝在巷道末端。在立體倉(cāng)庫(kù)巷道通道中的激光測(cè)距范圍(激光發(fā)射器與反射板之間)內(nèi)不得有任何物體遮擋激光光線，如圖26 激光測(cè)距原理圖所示。激光測(cè)距的原理是通過發(fā)射出的激光光線長(zhǎng)度來(lái)測(cè)定距離，其光線就好比一把光尺，如果物體遮擋激光光線，讓它脫離原標(biāo)準(zhǔn)原點(diǎn)的測(cè)定位置，將影響實(shí)際要求的測(cè)定距離，從而使道堆垛機(jī)走位偏離所設(shè)定的位置，產(chǎn)生貨叉取/存儲(chǔ)錯(cuò)位或起始點(diǎn)撞擊巷道堆垛機(jī)端部緩沖制動(dòng)器的情況。因此，在巷道堆垛機(jī)工作時(shí)不允許有任何物體遮擋激光光線，對(duì)于激光光線通道應(yīng)采取隔離保護(hù)措施，保證激光測(cè)距的準(zhǔn)確性和自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性[12,13]。 （2）縱向認(rèn)址系統(tǒng)堆垛機(jī)縱向方向的層定位采用光電開關(guān)和認(rèn)址片組合定位，即在堆垛機(jī)的上下安裝兩個(gè)光電開關(guān)，在每層的貨位上安裝認(rèn)址片。低位為取貨開始伸叉或放貨完畢收叉的位置，高位為放貨開始伸叉或取貨完畢收叉的位置。為使貨叉能完成作業(yè)，堆垛機(jī)在垂直方向上必須要提供使貨叉能停在高位或低位的檢測(cè)裝置。所以在堆垛機(jī)的升降臺(tái)上安裝三個(gè)光電開關(guān)，與升降臺(tái)一起上升下降，中間的一個(gè)共用，其他兩個(gè)分別為上位置和下位置。存貨開始或取貨結(jié)束時(shí)，升降臺(tái)貨叉停在高位置，下面兩個(gè)光電開關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)；取貨開始或存貨結(jié)束時(shí)，貨叉停在低位置，此時(shí)上面兩個(gè)光電開關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)，如圖27所示。其認(rèn)址狀態(tài)如表23所示。 圖27 堆垛機(jī)垂直方向認(rèn)址傳感器分布圖表23 三個(gè)開關(guān)進(jìn)行垂直認(rèn)址的狀態(tài)表上升下降傳感器存貨高位取貨地位存貨高位取貨地位A1……計(jì)數(shù)、減速、定位……定位、停止A2計(jì)數(shù)、減速、定位 定位、停止定位、停止計(jì)數(shù)、減速、定位A3定位、停止……計(jì)數(shù)、減速、定位…… 堆垛機(jī)速度曲線分析常見的速度運(yùn)行曲線有三種，分別為三角形與梯形速度曲線、拋物線與直線形速度曲線、正弦形速度曲線。本文采用最常用的梯形速度曲線。如圖28所示，梯形速度曲線堆垛機(jī)以加速度啟動(dòng)加速，當(dāng)勻加速到最大運(yùn)行速度時(shí)，保持該速度運(yùn)行一段時(shí)間，再以勻減速運(yùn)行，直到零速?？俊?圖28 堆垛機(jī)速度曲線 安全傳感器的選用 貨架占用情況檢測(cè)自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)需要知道貨物是否存放在貨架，或者貨物在貨架位置的信息。以免造成錯(cuò)誤動(dòng)作，損失機(jī)械。入庫(kù)操作時(shí)，當(dāng)堆垛機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，先檢查貨位是否有貨物，若沒有貨物，則進(jìn)行伸叉作業(yè)，否則發(fā)出信號(hào)使堆垛機(jī)動(dòng)作停止；出庫(kù)時(shí)，若檢測(cè)出相應(yīng)貨位無(wú)貨物，則發(fā)出信號(hào)致堆垛機(jī)動(dòng)作停止，采用漫反射型的光電傳感器可以感知貨物在貨架的存在或者位置。傳感器安裝示意圖如圖29所示。圖29 貨位檢測(cè)傳感器 貨物突出貨架監(jiān)視貨物存放在貨架上，可能由于異常的情況導(dǎo)致貨物突出貨架的情況。由此突 出的貨物就成為堆垛機(jī)垂直方向運(yùn)行的障礙，可能導(dǎo)致堆垛機(jī)或者貨架損壞。為了避免此類情況的，在堆垛機(jī)垂直軌道頂端安裝長(zhǎng)距離光電傳感器可以監(jiān)視貨物突出，一旦有突出，向上位機(jī)報(bào)警，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)致堆垛機(jī)停止運(yùn)行，避免造成機(jī)械損害，傳感器安裝示意圖如圖210所示。圖210 貨物突出檢查傳感器 安全保護(hù) 聯(lián)鎖保護(hù)⑴ 如下情況時(shí)，水平及升降運(yùn)動(dòng)將被鎖定：貨叉沒在中位；貨叉正在運(yùn)行；貨物尺寸，重量超差。⑵ 如下情況時(shí)，貨叉運(yùn)動(dòng)將被鎖定：堆垛機(jī)水平及升降運(yùn)動(dòng)；堆垛機(jī)定位不準(zhǔn)時(shí)；堆垛機(jī)安全保險(xiǎn)系統(tǒng)被啟動(dòng)；存貨時(shí)相應(yīng)的貨位有貨物，取貨時(shí)相應(yīng)的貨位無(wú)貨物。 斷繩保護(hù)堆垛機(jī)提升鋼繩斷裂時(shí)，切斷電機(jī)和電機(jī)制動(dòng)器的電源，使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，防止載貨臺(tái)下降。 限位保護(hù)堆垛機(jī)裝有運(yùn)行終端限位器，當(dāng)堆垛機(jī)接近兩端極限位置或載貨臺(tái)接近上下極限位置時(shí)，該裝置能自動(dòng)切斷行走電機(jī)或提升電機(jī)的電源。 堆垛機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng) 如圖211所示的控制系統(tǒng)中，為了有效的提升巷道堆垛機(jī)的作業(yè)效率和停準(zhǔn)精度，采用“激光測(cè)距傳感器+變頻器”的閉環(huán)控制方式。包括兩部分的閉環(huán)控制：第一，是對(duì)堆垛機(jī)運(yùn)行速度的閉環(huán)控制。要求堆垛機(jī)以某一以速度運(yùn)行時(shí)，根據(jù)激光測(cè)圖211 閉環(huán)控制系統(tǒng)圖距傳感器反饋回來(lái)的堆垛機(jī)當(dāng)前速度信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整變頻器的頻率值，使堆垛機(jī)迅速達(dá)到某一穩(wěn)定速度平穩(wěn)的運(yùn)行。第二，是對(duì)堆垛機(jī)位移的閉環(huán)控制。當(dāng)要求堆垛機(jī)到達(dá)某一目的地址時(shí)，根據(jù)激光測(cè)距傳感器反饋回來(lái)的堆垛機(jī)距的離信號(hào)與速度信號(hào)，調(diào)整變頻器的頻率值，使堆垛機(jī)先以較高的速度運(yùn)行到接近目的地址的位置，然后平穩(wěn)的減速到較低的速度運(yùn)行，在到達(dá)目的地址的時(shí)候制動(dòng)停準(zhǔn)。采用這種閉環(huán)控制方式能較好的滿足自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)中巷道堆垛的高速運(yùn)行、換速平穩(wěn)、低速停準(zhǔn)的調(diào)速控制要求。 堆垛機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 在普通立體倉(cāng)庫(kù)中，交流異步電動(dòng)機(jī)是堆垛機(jī)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)部件。一般情況下，器調(diào)速方式分為：電機(jī)減速器調(diào)速，變極調(diào)速、串阻調(diào)速、串極調(diào)速、滑差電機(jī)調(diào)速、變頻調(diào)速等。用減速器進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速設(shè)備不僅體積大，調(diào)速效率低，而且容易發(fā)生機(jī)械故障。其它幾種調(diào)速方法和變頻調(diào)速方法相比，使用起來(lái)又非常不便。隨著對(duì)于電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能的要求逐漸提高，變頻調(diào)速技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展[14,15]。 變頻器的概述目前，交流調(diào)速傳動(dòng)已經(jīng)上升為電氣調(diào)速傳動(dòng)的主流。中、小容量范圍內(nèi)，采用自動(dòng)關(guān)斷器件的全數(shù)字控制PWM變頻器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通用化。全數(shù)字控制方式的軟件功能不但考慮到通用變頻器自身的內(nèi)在性能，而且還融入了大量的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)、技巧、使得通用變頻器的RAS三性（可靠性、可使用性、可維修性）功能得以充實(shí)。由于通用變頻器具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)效率高、功率因數(shù)高、操作方便且便于同其它設(shè)備接口連接等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用越來(lái)越廣泛，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。變頻器與異步電動(dòng)機(jī)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速傳動(dòng)控制，簡(jiǎn)稱為變頻器傳動(dòng)。變頻器傳動(dòng)具有固有的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用在不同生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備上體現(xiàn)不同的功能，總體來(lái)說，變頻器傳動(dòng)具有以下幾個(gè)效能。（1）節(jié)能應(yīng)用主要體現(xiàn)在提高運(yùn)行可靠性，臺(tái)數(shù)控制和調(diào)速控制并用。（2）提高效率 ① 保證加工工藝中的最佳運(yùn)行； ② 適應(yīng)負(fù)載不同工作情況下的最佳轉(zhuǎn)速； ③ 使原有設(shè)備的增速運(yùn)轉(zhuǎn)。（3）設(shè)備的合理性（4）改善和適應(yīng)環(huán)境 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 變頻調(diào)速技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上[16]。與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，利用變頻器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點(diǎn)，如：調(diào)速范圍廣、輸出平滑性好、機(jī)械特性較硬、能很好地 實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速、可實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能、可方便地進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速等尤其當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)較大負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，會(huì)有較大的沖擊電流，若采用變頻器控制，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，減小沖擊電流，從而解決了大負(fù)載的啟動(dòng)問題。另外，變頻器還具有很強(qiáng)的保護(hù)功能，在電機(jī)運(yùn)行過程中能隨時(shí)檢測(cè)到各種故障，并顯示故障類別(如電網(wǎng)瞬時(shí)電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機(jī)短路等)，并立即封鎖輸出電壓。這種自我保護(hù)的功能，不僅保護(hù)了變頻器，還保護(hù)了電機(jī)[17]。 綜上所述，變頻調(diào)速技術(shù)不僅在性能上大大優(yōu)于以往的交流電機(jī)調(diào)速方式，并且將會(huì)逐步取代直流電機(jī)的調(diào)速方式，用交流異步電機(jī)取代直流電機(jī)，將會(huì)使調(diào)速系統(tǒng)變得更加簡(jiǎn)單。 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 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(shí)現(xiàn)電機(jī)變速運(yùn)行的設(shè)備。變頻器一般由主電路和控制電路和構(gòu)成?？刂齐娐钒ㄖ骺刂齐娐贰⑿盘?hào)檢測(cè)電路、門極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分，是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪?duì)逆變器的開關(guān)控制，對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路的控制。圖212所示為通用變頻器的結(jié)構(gòu)原理[18]。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(duì)直流電進(jìn)行平滑濾波，然后逆變電路再將此直流電變換成實(shí)際需要的各種頻率的交流電，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖212 變頻器的構(gòu)成 變頻器的選型 1 變頻器的分類 按照主電路工作方式進(jìn)行分類，變頻器可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓型變頻器的特點(diǎn)是將直流電壓源轉(zhuǎn)換為交流電源，而電流型變頻器的特點(diǎn)則是將直流電流源轉(zhuǎn)換為交流電源。 （1）電壓型變頻器：在電壓型變頻器中，整流電路或者斬波電路產(chǎn)生逆變電路所需要的直流電壓，并通過中間電路的電容進(jìn)行平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起直流電壓源的作用，而電壓源輸出的直流電壓在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電壓。在電壓型變頻器中，由于能量回饋給直流中間電路的電容，并使直流電壓上升，還需要有專用的放電電路，以防止換流器件因電壓過高而被破壞。 （2）電流型變頻器：在電流型變頻器中，整流電路給出直流電流，并通過中間電路的電抗將電流進(jìn)行平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起電流源的作用，而電流源輸出的交流電流在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為所需要的交流電流，并被分配給各輸出相后作為交流電流提供給電動(dòng)機(jī)。在電流型變頻器中，電動(dòng)機(jī)定子電壓的控制是通過檢測(cè)電壓后對(duì)電流進(jìn)行控制的方式實(shí)現(xiàn)的。2 變頻器的選型 本文根據(jù)綜合考慮選擇西門子MM440變頻器，MM440型使用PID控制器，具PID微調(diào)等功能，MM440可用于矢量控制，可以實(shí)現(xiàn)高性能的應(yīng)用，帶內(nèi)置制動(dòng)單元，可以快速制動(dòng)。MM440變頻器各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)如下： （1）輸入電壓：3相380VAC，50Hz。 （2）輸入電流：。 （3）輸出功率