【正文】 下和旋轉(zhuǎn)來搬運貨物。1967年日本安裝了高度1015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。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。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。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(tài)性能也在不斷提高。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080m/min；貨叉速度一直保持在030m/min；認址采用光電探測，精度不足，認址差錯率高。 本立體倉庫背景和要求一拖集團采購中心高架庫是在1992年初步建成投產(chǎn)使用，很多機械、電子元件都已老化破損，這對日常的使用帶來了很多問題，例如通訊不暢，定位不準，經(jīng)常性報故障，死機等。同時隨著現(xiàn)代物流倉儲管理理念的更新，原有的物流管理思路已經(jīng)不能跟上當前現(xiàn)代化物流管理的需求。主要設計對象是軌巷道堆垛機系統(tǒng)，倉庫采用東進西出方式存取貨物，但應能實現(xiàn)有故障時可東進東出或西進西出、西進東出。 （b）自動模式下，出入庫堆垛機需自動定位，并記錄貨物。（d）載貨臺若無貨物，則下一個入庫操作將不被執(zhí)行。（f）若被選擇倉位內(nèi)無貨物時，則該出庫操作不被執(zhí)行。系統(tǒng)嚴格要求滿足最大入庫能力和高峰出庫能力同時進行的能力需要，并有一定的余量滿足未來業(yè)務發(fā)展的要求。表11 貨架規(guī)格序號貨物名稱型號和規(guī)格數(shù)量1貨架系統(tǒng)7680個貨位1套2出入庫臺4臺3天地軌1套4巷道堆垛機系統(tǒng)Q=1000kg,H=運行：0150m/min起升：060m/min貨叉：040/20m/min4臺表12 堆垛機參數(shù)有軌巷道堆垛機數(shù) 量4臺提升能力1000kg結(jié)構形式單立柱載荷處理裝置伸縮貨叉堆垛機高度1599mm巷道寬度1330mm表13 動態(tài)數(shù)據(jù)運行速度Vx4150m/min 變頻調(diào)速 起升速度Vy260m/min 變頻調(diào)速伸縮叉速度Vz040/20m/min 變頻調(diào)速運行加速度axm/s2伸縮叉加速度（有貨）azm/s2 定位精度：X：177。3mm；Z：177。 控制方式：手動、單機自動、聯(lián)機全自動。10mm，貨叉上平面高低差：不大于2mm。 由于每臺堆垛機的結(jié)構、運動要求等都完全相同，因此只需設計一套控制系統(tǒng)，其他三臺是第一臺的復制。2 巷道式堆垛機控制系統(tǒng)需求分析 本文設計的堆垛機控制系統(tǒng)是針對單立柱有軌巷道堆垛機如圖21，堆垛機運行機構由水平運行的行走機構，垂直運行的起升機構及取送貨的伸叉機構三部分組成。 圖21 單立柱有軌巷道堆垛機結(jié)構圖 主要技術參數(shù)和指標（1）堆垛機運行速度范圍 （a）水平方向：4m/min150m/min； （b）垂直方向：2m/min60/min； （c）貨叉：60m/min。同時運動速度也可以手動選擇。同時系統(tǒng)將解除大部分的保護控制。 （b）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。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。（b）位置技術及判斷：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。（c）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。（e）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。堆垛機啟動之后，堆垛機的水平行走機構經(jīng)過變頻器加速，到達一定的列數(shù)之后速度穩(wěn)定，在到達指定列之前減速，直到在指定列停止。（2）起升運動分析 起升機構的工作速度在260m/min。在堆垛機的起重、行走和伸叉(叉取貨物)三種驅(qū)動中，起重的功率最大。貨叉的運行準確度對貨物的存取至關重要，因為貨叉運行時候一旦出現(xiàn)差錯很容易造成貨物損害。一般在存取貨物時，由于貨位的寬度不大，所以按給定速度勻速運動。系統(tǒng)由電動機提供動力驅(qū)動，由變頻器進行無級調(diào)速，認址器進行位置定位跟速度反饋，其系統(tǒng)原理圖如圖22所示：PLC變頻器M認址器認址功能程序模塊功能程序模塊速度調(diào)整+速度調(diào)整—位置調(diào)整+位置調(diào)整—位置反饋速度反饋圖22 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖3 巷道式堆垛機控制系統(tǒng)硬件選型 通過前面對于堆垛機系統(tǒng)的分析，本章將根據(jù)庫中的實際工作環(huán)境，選擇適合本系統(tǒng)的設備型號以及參數(shù)，完成堆垛機控制系統(tǒng)的硬件設計。 （a）水平運行機構電機的功率計算公式如下： (31) (32) 式中： Q——堆垛機總重，設為1500kg； u——運行摩擦系數(shù)，； d——運行輪軸直徑，設為50mm； f——滾動摩擦系數(shù)，； r——車輪半徑，設為50mm； ——運行效率，； ——運行機構的最大速度，為150m/min。 選擇S3工作制：斷續(xù)周期工作制，按一系列相同的工作周期運行，每一周期包括一段恒定負載運行時間和一段停機、斷能時間。表31水平行走驅(qū)動電機屬性電機型號工作方式基準負載持續(xù)率工作電壓額定功率額定轉(zhuǎn)速運行效率YZR160L6斷續(xù)周期工作S340%380V11KW945r/min80% （b）起升機構運行時最大的功率公式為（33）： (33)式中： w——堆垛機重量，為1500kg； g——載貨重量1000kg； ——最高檔速度60m/min； ——。 貨叉伸縮功率公式如（34）， (34)式中： w——貨叉可動部分重量70kg； g——載貨重量1000kg； ——速度20m/min； ——。表33 貨叉驅(qū)動電機屬性型號額定功率額定電流轉(zhuǎn)速效率功率因數(shù)制動力矩YEJ160M6970r/min86%150N?M 變頻器的選擇 交流異步電機的轉(zhuǎn)速，是其定子繞組上交流電源頻率的函數(shù)。考慮到存堆垛機的結(jié)構及運動特點，采用變頻調(diào)速。MM440變頻器各項參數(shù)指標如表34。S7200PLC的模擬量輸出信號作為MM440變頻器的模擬量輸入，來控制變頻器輸出頻率和輸出電壓的變化，從而控制三相異步電動機的運行；電動機轉(zhuǎn)速由光電編碼器檢測并反饋到PLC高速計數(shù)口，構成閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)。垂直方向同理。定位控制就是確定堆垛機停止在目標貨位的功能。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0Z層。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。（2） 相對認址 每個貨位的認址片結(jié)構相同。（3） 編碼器定位法 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。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。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。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。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。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。 S7200有很強大的指令系統(tǒng)，功能齊全的編程軟件，同時有多種功能模塊，便于組態(tài)網(wǎng)絡，有良好的價值擴展性。S7200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。 集成的24V負載電源：可直接連接到傳感器和變送器（執(zhí)行器），CPU 221，222具有180mA輸出， CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分別輸出280，400mA。CPU 221226各有2種類型CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。2路高頻率脈沖輸出（最大20KHz），用于控制步進電機或伺服電機實現(xiàn)定位任務。用戶數(shù)據(jù)（如標志位狀態(tài)，數(shù)據(jù)塊，定時器，計數(shù)器）可通過內(nèi)部的超級電容存貯大約5天。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。 CPU概述 西門子S7200的CPU模塊包括一個中央處理單元、電源以及數(shù)字I/O點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。 西門子第二代產(chǎn)品有四種不同結(jié)構配置的CPU單元。還具有4個獨立的30kHz高數(shù)計數(shù)器，2路獨立的20kHz高數(shù)脈沖輸出端，一個RS485通訊/編程端口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由通訊方式。 （b）CPU 222具有8IN/6OUT，共計14點I/O，可以擴展8路模擬量和最多64個I/O，因此使更廣泛的全功能控制器。（d）CPU 226在CPU 224的基礎上功能又進一步增強，主機輸入和輸出點增加到40點，最大可擴展為248點數(shù)字量和35點模擬量；增加了通訊口的數(shù)量，通訊能力大大增強；它可用于點數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。其特點如下：（a）集成的24V電源：可直接連接到傳感器和變送器、執(zhí)行器，可用作負載電源。（c）通信口：CPU226具有2個RS485通信口，支持PPI、MPI協(xié)議，有自由口通信能力。（e）中斷輸入允許以極快的速度對過程信號的上升沿做出響應。以免造成誤動作，損傷機械。本文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。這些突出的貨物可能妨礙堆垛機垂直方向的運行，導致貨架或堆垛機的損害。（3）終端限位裝置 堆垛機立柱導軌的極限位置設有限位開關，載貨臺到達各方向極限位置時相應電機緊急停轉(zhuǎn)。 通信方式 為了控制無人運轉(zhuǎn)堆垛機，必須向堆垛機發(fā)送運轉(zhuǎn)和作業(yè)的信息。堆垛機的信息傳遞順序是：堆垛機首先接受的作業(yè)信息是從什么地方取貨，之后把它存入什么貨位。堆垛機根據(jù)作業(yè)信息進行作業(yè)。這樣把一系列作業(yè)進行完了之后，成為等待下一個作業(yè)信息的待機狀態(tài)。本文采用RS485標準。RS485允許平衡電纜上連接32個發(fā)送器、接收器。（b） RS485采用差動發(fā)送、接收，所以共模抑制比高，抗干擾能力強。RS485標準除上述優(yōu)點外，還具有傳輸速率高、傳輸距離遠等優(yōu)點。4 堆垛機控制程序設計（1）軟件介紹 STEP 7編程軟件用于西門子系列工控產(chǎn)品包括SIMATIC SMC7和基于PC的WinCC的編程、監(jiān)控和參數(shù)設置，是SIMATIC工業(yè)軟件的重要組成部分。 STEP7 Micro/Win32的基本功能是協(xié)助用廣完成丌發(fā)應用軟件的任務，例如創(chuàng)建用廣程序、修改和編輯源有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單語法檢查功能。此外，還可直接用軟件設置PLC的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控等。梯形圖中的錯誤處的下方白動加紅色曲線，語句表中錯誤行前有紅色叉，且錯誤處的下方加紅色曲線。 聯(lián)機方式：有編程軟什的計算機與PLC連接，此時允許兩者之間做直接通信。如編程、編澤和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等。只要用戶能夠掌握某種標準編程語言，就能夠使用PLC在控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)各種自動化控制功能。這五標準編程語言，十分簡單易學。它是與繼電器線路類似的一種編程語言?！√菪螆D編程語言的特點是：與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；與原有繼電器控制相一致，電氣設計人員易于掌握。 （b）指令表編程語言