【文章內(nèi)容簡介】 技術(shù)和自動化倉庫的擁有量都位居世界前列。自動化技術(shù)在倉儲領(lǐng)域中的發(fā)展分為五個階段：人工倉儲階段、自動化倉儲階段、集成化倉儲階段和智能化階段。其中智能自動化倉儲在九十年代后期以及二十一世紀的若干年內(nèi)，是倉儲自動化技術(shù)的主要發(fā)展方向。 3華北水利水電學院畢業(yè)設計說明書第3頁 我國對自動化立體倉庫及其物料搬運設備的研制并不晚，1963年研制成第一臺橋式堆垛起重機(機械部北京起重運輸機械研究所)，1973年開始研制我國第一座由計算機控制的自動化立體倉庫(高巧米，機械部起重所負責)，該庫1980年投入運行。 堆垛機概述堆垛機概述堆垛機概述堆垛機概述 堆垛機是自動化立體倉庫系統(tǒng)的重要組成部分，它是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部件，存貨時將貨物從出入貨臺準確的存放到貨位里，取貨時將貨物從貨位中取回到出入貨臺。無論何種類型的堆垛機，一般都由水平行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、載貨臺及貨叉機構(gòu)、機架和電氣設備等基本部分組成。它是在所謂高層、高速、高密度儲藏的概念下的產(chǎn)物。盡管各廠家各有獨創(chuàng)，結(jié)構(gòu)形式有些差異，但可以說大同小異，所有的堆垛機都不外乎由機架、載貨臺、伸縮貨叉、軌道和控制系統(tǒng)等部分組成。 堆垛機的發(fā)展堆垛機的發(fā)展堆垛機的發(fā)展堆垛機的發(fā)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，利用門架的上下和旋轉(zhuǎn)來搬運貨物。1960年左右在美國出現(xiàn)了巷道式堆垛機，隨后巷道式堆垛機逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式堆垛機。1967年日本安裝了高度10~15米的高層堆垛機，1969年出現(xiàn)了聯(lián)機全自動化倉庫，我國是在上世紀70年代初期開始研究采用巷道式堆垛機的立體倉庫。目前的堆垛機技術(shù)取得了重大的發(fā)展，控制技術(shù)、定位精度、運行速度都得到了很大程度的提高。巷道式堆垛機的起升速度已經(jīng)可以達到90m/min，運行速度達到240m/min，在有的立體倉庫中采用上、下兩層分別用巷道堆垛機進行搬運作業(yè)的方法提高出入庫能力。 堆垛機技術(shù)的研究現(xiàn)狀堆垛機技術(shù)的研究現(xiàn)狀堆垛機技術(shù)的研究現(xiàn)狀堆垛機技術(shù)的研究現(xiàn)狀 按現(xiàn)行機械行業(yè)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(jié)構(gòu)、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(gòu)、起升機構(gòu)、載貨臺及貨叉機構(gòu)、機架和電氣設備等基本部分組成。體現(xiàn)堆垛機動態(tài)性能優(yōu)劣的指標主要有：運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、認址精度等。隨著科學技術(shù)的不斷進步，自動化立體倉庫的技術(shù)水平和倉儲機械設備的動態(tài)性能也在不斷提高。例如，堆垛機的運行驅(qū)動己由20世紀70年代的子母電動機改為變頻調(diào)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；4華北水利水電學院畢業(yè)設計說明書第4頁 提升驅(qū)動己由20世紀70年代的雙速電動機改進為變頻調(diào)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(qū)動改進為變頻調(diào)速，速度由8m/min提升至4~35m/min；在堆垛機自動控制方面還采用閉環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)、Profibus總線控制等先進技術(shù)。盡管如此，目前國產(chǎn)堆垛機的運行速度最高仍保持在160m/min；提升速度在0~80m/min；貨叉速度一直保持在0~30m/min；認址采用光電探測，精度不足，認址差錯率高。 本文研究的主要內(nèi)容本文研究的主要內(nèi)容本文研究的主要內(nèi)容本文研究的主要內(nèi)容 課題的研究目標是設計安全可靠，具有經(jīng)濟性能和操作性能良好的堆垛機控制系統(tǒng)。主要內(nèi)容如下：(1) 介紹自動化立體倉庫和堆垛機的一般概念和基本組，以及國內(nèi)外立體倉庫和堆垛機的發(fā)展現(xiàn)狀，簡單介紹了立體倉庫的發(fā)展方向。(2) 對堆垛機在水平方向和垂直方向運行進行速度控制，根據(jù)運行的目的地址和當前地址之間的比較，選擇合適的變頻器，對電機的運行速度進行控制。并在應用新的定位方式的基礎上，對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行位置速度雙閉環(huán)控制，并解決新方案中的硬件設置問題。由PLC輸出高速脈沖和貨叉方向改變信號控制步進電動機左伸和右伸，以及貨叉的伸縮速度。(3) 設計了堆垛機運行系統(tǒng)的控制程序，包括堆垛機各種工作方式下的控制程序。 5華北水利水電學院畢業(yè)設計說明書第5頁 第二章第二章第二章第二章 堆垛機控制系統(tǒng)的硬件設計堆垛機控制系統(tǒng)的硬件設計堆垛機控制系統(tǒng)的硬件設計堆垛機控制系統(tǒng)的硬件設計 控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設計控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設計控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設計控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設計 （1）本系統(tǒng)中堆垛機運行機構(gòu)由水平運行的行走機構(gòu)，垂直運行的起升機構(gòu)及取送貨的伸叉機構(gòu)三部分組成。水平部分運動電機和垂直部分運動電機分別采用220W的三相交流異步電動機和200W的單相交流異步電動機，由西門子S7200PLC通過變頻器進行控制。伸叉機構(gòu)電機采用兩相混合式步進電機，由西門子S7200通過步進電機驅(qū)動器進行控制。由堆垛機運行機構(gòu)特點及工作要求可知，能否保證堆垛機的穩(wěn)定工作，關(guān)鍵在堆垛機的三維位置移動定位的精確性。主要技術(shù)指標和和主要設計參數(shù)堆垛機運行的速度范圍：水平方向：2m/min~360m/min；垂直方向：2m/min~80/min；貨叉：2m/min~60/min（2）本文堆垛機的控制方式有自動和手動控制。① 手動方式通過堆垛機的轉(zhuǎn)換開關(guān)及按鈕控制堆垛機水平和提升運動及貨叉伸縮。同時運動速度也可以手動選擇。手動操作時，系統(tǒng)應給予相應的警示信號。同時系統(tǒng)將解除大部分的保護控制。手動操作主要用于安裝、調(diào)試和排除故障。② 單機自動用人機界面對堆垛機進行全自動的控制，控制系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)進行全自動的取送貨動作。界面操作時，應具備對貨物的單送、單取操作。人機界面應具備實時顯示設備運行工況，故障及歷史故障查詢等功能。（3）在本文設計的堆垛機控制系統(tǒng)中上位機完成的只是數(shù)據(jù)輸入和傳送，主要的控制任務是由PLC來完成。① 作業(yè)命令處理：確定作業(yè)狀態(tài)時自動還是手動；確定作業(yè)指令是存貨入庫還是取貨出庫；確定作業(yè)地址包括列地址和層地址。② 位置技術(shù)及判斷：沿著堆垛機的行進方向和載貨臺的升降方向設置認址片，PLC通過檢測認址片來判斷堆垛機位置和載貨臺的位置，每經(jīng)過一個認址片，PLC的高速計數(shù)器就自動計數(shù)一次，前進加一，后退減一，上升加一，下降減一。到達預定位置后，堆垛6華北水利水電學院畢業(yè)設計說明書第6頁 機停車。③ 速度調(diào)整和準確停車：根據(jù)堆垛機和目標位置的距離，PLC輸出速度調(diào)整的控制信號給變頻器，通過變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，在停車之前先把堆垛機的運行速度降低到低速檔，使堆垛機以低速接近目標位置，保證堆垛機的穩(wěn)定性。④ 作業(yè)任務的順序邏輯控制：按照入庫、出庫的作業(yè)順序，確定各輸出點的得電狀態(tài)，完成作業(yè)順序的邏輯控制。⑤ 安全保護：水平行走、載貨臺升降及貨叉的伸縮等都有限位保護。⑥ PLC還有工作故障報警功能。本系統(tǒng)由上位監(jiān)控級與直接控制級組成。監(jiān)控級對通訊、流程進行控制，并進行實時圖像顯示，直接控制級是由PLC(可編程序控制器)組成的控制系統(tǒng)對各設備進行單機自動操作。，同時將運行系統(tǒng)的狀態(tài)反饋到監(jiān)控計算機。堆垛機采用西門子公司的S7200型PLC控制，與變頻器結(jié)合對堆垛機進行變頻調(diào)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖監(jiān)控計算機S7200 PLC堆垛機水平認址系統(tǒng)堆垛機縱向認址系統(tǒng)堆垛機縱向變頻系統(tǒng)堆垛機水平變頻系統(tǒng)堆垛機貨叉控制系統(tǒng)堆垛機縱向運行機構(gòu)堆垛機水平運行機構(gòu)堆垛機貨叉運行機構(gòu)堆垛機貨物檢測系統(tǒng)堆垛機限位保護系統(tǒng) 7華北水利水電學院畢業(yè)設計說明書第7頁 堆垛機位置控制堆垛機位置控制堆垛機位置控制堆垛機位置控制 由堆垛機的作業(yè)流程分析，堆垛機是由水平運行機構(gòu)、縱向起升機構(gòu)和貨叉伸縮機構(gòu)三部分組成的，水平運行機構(gòu)和垂直起升機構(gòu)使堆垛機到達目標位置，貨叉伸縮機構(gòu)完成存取貨任務。要完成對堆垛機自動控制系統(tǒng)的設計，首先要保證堆垛機能夠準確到達目標位置，所以在設計堆垛機自動控制系統(tǒng)時，關(guān)鍵在于準確可靠的認址和定位保證堆垛機準確無誤的定位在目標貨位。另外為了提高存取效率和保證堆垛機的穩(wěn)定性，必須對堆垛機三個機構(gòu)的速度進行合理有效的控制，其中速度位置檢測是堆垛機自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。，控制系統(tǒng)由PLC控制器、調(diào)速系統(tǒng)、編碼器、認址片和認址器組成，實現(xiàn)位置和速度的雙閉環(huán)控制。執(zhí)行機構(gòu)輸入編碼器速度檢測位置檢測 堆垛機位置速度控制框圖 定位控制定位控制定位控制定位控制 定位控制就是確定堆垛機停止在目標貨位的功能。自動倉庫的認址檢測系統(tǒng)有兩項任務：一是實現(xiàn)自動尋址，使堆垛機自動找到被指定到達的位置；二是自動準確停準，即堆垛機停準位置不超出規(guī)定的精度。為此，貨架上的每個貨位必須具有堆垛機能識別的編碼，所以將貨架兩側(cè)編成XX2，沿堆垛機運行方向?qū)⒇浖芫帪?~Y列，垂直方向編為0~Z層。這樣每個貨位就有了獨立的三維坐標地址，堆垛機自動檢測目前的坐標地址，使其能到達目標位置。因為貨架兩側(cè)分為XX2，只有兩個方向，反應到堆垛機上只是貨叉左伸、右伸運動，此方向不用檢測，所以實際上堆垛機位置的檢測只是對Y、Z位置的檢測?？刂破?調(diào)速系統(tǒng)M認址器 8華北水利水電學院畢業(yè)設計說明書第8頁 認址檢測方式認址檢測方式認址檢測方式認址檢測方式 主要的認址檢測方式有以下幾種：（1）絕對認址：絕對認址是將每一個貨位賦予唯一的開關(guān)狀態(tài)，給每個貨位制作一個專用的認址片，堆垛機上相應安裝一個識別器，通常是二進制編碼板和一組光電開關(guān)的組合，通過讀取認址片的代碼來判斷堆垛機的當前位置。（2）相對認址：相對認址：相對認址時每個貨位的認址片結(jié)構(gòu)相同。每經(jīng)過一個貨位，就對地址編碼進行加1或減1，一直移動到和預定位置號一致時停止運行。（3）編碼器定位法：編碼器定位方式主要有兩種：從動輪與軌道旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式、鏈輪與鏈條旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式。從動輪與軌道旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式。堆垛機的從動輪上配有同軸旋轉(zhuǎn)編碼器，從動輪與軌道近似純滾動，因此通過對旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換，可以得到堆垛機的相對運行位置。（4）激光測距定位：激光測距定位是近年來應用于堆垛機準確定位的新技術(shù)，用激光測距儀通過測量堆垛機到基準點的距離和事先存儲的位置數(shù)據(jù)比較來確定堆垛機的當前位置。這種方法的精度很高，但是使用時堆垛機和激光發(fā)射器和反射板之間不允許有物體，否則會遮擋住激光的傳輸路徑，使系統(tǒng)無法準確定位。以上是四種常見的認址檢測方式，四種方式各有優(yōu)劣，下面的表格21是他們之間的比較對照：表21 認址方式對比表認址器 光電開關(guān) 旋轉(zhuǎn)編碼器 激光測距傳感器認址方式 相對認址 絕對認址 絕對認址 絕對認址可靠性 較低 高 較高 最高認址精度 格 格mm mm系統(tǒng)成本 低 高 高 較高數(shù)據(jù)接口 無 無 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 長 9華北水利水電學院畢業(yè)設計說明書第9頁 認址方式確認認址方式確認認址方式確認認址方式確認 為完成對堆垛機的位置控制，必須能檢測出堆垛機的運行位置，本文設計的堆垛機系統(tǒng)認址方式如下：（1）水平認址系統(tǒng)水平方向采用激光測距傳感器，當前數(shù)據(jù)為位移值，經(jīng)過PLC計算后的數(shù)據(jù)為當前速度值。激光測距傳感器安裝在堆垛機上，目標放射板安裝在巷道末端。在立體倉庫巷道通道中的激光測距范圍(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。激光測距的原理是通過發(fā)射出的激光光線長度來測定距離，其光線就好比一把光尺，如果物體遮擋激光光線，讓它脫離原標準原點的測定位置，將影響實際要求的測定距離，從而使道堆垛機走位偏離所設定的位置，產(chǎn)生貨叉取/存儲錯位或起始點撞擊巷道堆垛機端部緩沖制動器的情況。因此，在巷道堆垛機工作時不允許有任何物體遮擋激光光線，對于激光光線通道應采取隔離保護措施，保證激光測距的準確性和自動化系統(tǒng)的安全性。（2）縱向認址系統(tǒng)堆垛機縱向方向的層定位采用光電開關(guān)和認址片組合定位，即在堆垛機的上下安裝兩個光電開關(guān)，在每層的貨位上安裝認址片。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)，堆垛機在垂直方