【文章內(nèi)容簡介】 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(fù)責(zé) )，該庫 1980年投入運行。 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(zhǔn)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(shè)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，但可以說大同小遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 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 初期的立體倉庫使用的堆垛機以橋式起重機為基礎(chǔ)，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(jì) 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 按現(xiàn)行機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)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(biāo)主要有：運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、認(rèn)址精度等。隨著科學(xué)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(shè)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(jì)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；提升驅(qū)動己由 20 世紀(jì) 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；在堆垛機自遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 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(rèn)址采用光電探測，精度不足，認(rèn)址差錯率高。 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 第 3 章 堆垛機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設(shè)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(biāo)和和主要設(shè)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(yīng)給予相應(yīng)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(yīng)具備對貨物的單送、單取操作。人機界面應(yīng)具備實時顯示設(shè)備運行工況，故障及歷史故障查詢等功能。 （ 3）在本文設(shè)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(wù)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)指令是存遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 10 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(shè)置認(rèn)址片， PLC通過檢測認(rèn)址片來判斷堆垛機位置和載貨臺的位置，每經(jīng)過一個認(rèn)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(yù)定位置后，堆垛機停車。 ③ 速度調(diào)整和準(zhǔn)確停車：根據(jù)堆垛機和目標(biāo)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(biāo)位置，保證堆垛機的穩(wěn)定性。 ④ 作業(yè)任務(wù)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(shè)備進行單機自動操作。采 用組態(tài)王 建立監(jiān)控界面，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)拓?fù)鋱D如圖 所示。 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D 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(biāo)位置，貨叉伸縮機構(gòu)完成存取貨任務(wù)。要完成對堆垛機自動控制系統(tǒng)的設(shè)計，首先要保證堆垛機能夠準(zhǔn)確到達目標(biāo)位置，所以在設(shè)計堆垛機自動控制系統(tǒng)時，關(guān)鍵在 于準(zhǔn)確可靠的認(rèn)址和定位保證堆垛機準(zhǔn)確無誤的定位在目標(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。 堆垛機速度位置控制的實現(xiàn)方法如 圖 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，實現(xiàn)位置和速度的雙閉環(huán)控制。 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 12 圖 堆垛機位置速度控制框圖 定位控制 定位控制就是確定堆垛機停止在目標(biāo)貨位的功能。自動倉庫的認(rèn)址檢測系統(tǒng)有兩項任 務(wù)：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(zhǔn)確停準(zhǔn)，即堆垛機停準(zhǔn)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 X X2，沿堆垛機運行方向?qū)⒇浖芫帪?0~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(biāo)地址，堆垛機自動檢測目前的坐標(biāo)地址，使其能到達目標(biāo)位置。因為貨架兩側(cè)分為 X X2，只有兩個方向，反應(yīng)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。 認(rèn)址檢測方式 主要 的認(rèn)址檢測方式有以下幾種： （ 1）絕對認(rèn)址：絕對認(rèn)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(rèn)址片，堆垛機上相應(yīng)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(rèn)址片的代碼來判斷堆垛機的當(dāng)前位置。 （ 2）相對認(rèn)址：相對認(rèn)址：相對認(rèn)址時每個貨位的認(rèn)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(yù)定位置號一致時停遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 13 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(yīng)用于堆垛機準(zhǔn)確定位的新技術(shù)，用激光測距儀通過測量堆垛機到基準(zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)確定位。 以上是四種常見的認(rèn)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 認(rèn)址方式對比表 認(rèn)址器 光電開關(guān) 旋轉(zhuǎn)編碼器 激光測距傳感器 認(rèn)址方式 相對認(rèn)址 絕對認(rèn)址 絕對認(rèn)址 絕對認(rèn)址 可靠性 較低 高 較高 最高 認(rèn)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 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 14 認(rèn)址方式確認(rèn) 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(shè)計的堆垛機系統(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距傳感器，當(dāng)前數(shù)據(jù)為位移值，經(jīng)過 PLC 計算后的數(shù)據(jù)為當(dāng)前速度值。激光測距傳感器安裝在堆垛機上，目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(yīng)采取隔離保護措施，保證激光測距的準(zhǔn)確性和自動化系統(tǒng)的安全性。 （ 2）縱向認(rèn)址系統(tǒng) 堆垛機縱向方向的層定位采用光電開關(guān)和認(rèn)址片組合定位，即在堆垛機的上下安裝兩個光電開關(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裝置。所以在堆垛機的升降臺上安裝三個光電開關(guān)，與升降臺一起上升下降，中間的一個共用，其他兩個分別為上位置和下位置。存貨開始或取貨結(jié)束時，升降臺貨叉停在高位置，下面兩個光電開關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)；取貨開始或存貨結(jié)束時，貨叉停在低位置，此時上面兩個光電開關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)，如 圖 所示。 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 15 上對準(zhǔn)光電下對準(zhǔn)光電低位置中間計數(shù)光電上對準(zhǔn)光電中間計數(shù)光電下對準(zhǔn)光電高位置 圖 堆垛機垂直方向認(rèn)址傳感器分布圖 其認(rèn)址狀態(tài)如 表 所示 ： 表 認(rèn)址狀態(tài)表 上升 下降 傳感器 存貨高位 取貨低位 存貨高位 取貨低位 A1 ?? 計數(shù)、減速、定位 ?? 定位、停止 A2 計數(shù)、減速、定位 定位、停止 定位、停止 計數(shù)、減速、定位 A3 ?? 計數(shù)、減速、定位 ?? 堆垛機速度曲線分析 常見的速度運行曲線有三種，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 所示，梯形速度曲線堆垛機以 加速度 ma 啟動加速，當(dāng)勻加速到最大運行速度 mv 時，保遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 16 持該速度運行一段時間，再以 ma 勻減速運行，直到零速?？?。 V A B C S1 S2 S3 S 圖 梯形速度曲線 PLC 及資源配置 根據(jù)實際的控制點數(shù)和系統(tǒng)需要實現(xiàn)的控制要求，在本設(shè)計中選用西門子的S7200 系列的 PLC 作為控制中心。 S7200 系列 PLC 概述 S7200 系列 PLC 是德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型 PLC,超小型是指其功能具有大、中型 PLC 的水平，而價格卻和小型 PLC 的價格一樣?？梢詥螜C運行，也可以輸入 /輸出擴展。它結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運行速度快，繼承和發(fā)揮了它在大、中型 PLC 領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，又極豐富