【正文】 chniques. And puts emphasis on the researching of control techniques in automated Highrise Warehouse stacker bining modern science and techniques. This paper elaborated on the design of the system of control, as well as the implementation of the system39。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)又稱為自動(dòng)存儲(chǔ)/檢索系統(tǒng)（Automated Storage amp。它是物料搬運(yùn)和倉(cāng)儲(chǔ)科學(xué)中的一門綜合科學(xué)技術(shù)工程。 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的組成立體倉(cāng)庫(kù)是指：采用高層貨架儲(chǔ)存貨物，用起重、裝卸、運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備進(jìn)行貨物出庫(kù)和入庫(kù)作業(yè)的倉(cāng)庫(kù)。目前，立體倉(cāng)庫(kù)最大高度能達(dá)到40多米，最大庫(kù)存數(shù)可達(dá)數(shù)萬個(gè)貨物單位，可以實(shí)現(xiàn)按計(jì)劃入庫(kù)和出庫(kù)的全自動(dòng)化控制，以及無人操作的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化管理。（1）貨架 倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展由平面轉(zhuǎn)向高層立體化以后，高層貨架為倉(cāng)庫(kù)的主體和標(biāo)志，貨架越高，存儲(chǔ)量越大。主要的貨架類型有單元式貨架、貫通式貨架與旋轉(zhuǎn)式貨架。貨箱和托盤的基本功能是盛放小件物料，同時(shí)還應(yīng)便于運(yùn)輸車和堆垛機(jī)的插取和存放。輸送系統(tǒng)必須是具有高度的可靠性，在立體倉(cāng)庫(kù)中一般只有一套輸送系統(tǒng)，所以應(yīng)保證輸送系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)上的設(shè)備可靠、耐用、維修方便，并且還應(yīng)該對(duì)輸送系統(tǒng)設(shè)置手動(dòng)控制做后備。（3）控制及管理設(shè)施 控制管理系統(tǒng)采用分布式控制，即由管理計(jì)算機(jī)、中央控制計(jì)算機(jī)和直接控制堆垛機(jī)、入/出庫(kù)輸送機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制器組成控制系統(tǒng)。 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)事實(shí)證明采用自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1） 層貨架：立體倉(cāng)庫(kù)由于使用了高層貨架存儲(chǔ)貨物，存儲(chǔ)區(qū)可以大幅度的向空間發(fā)展，充分利用了倉(cāng)庫(kù)的空間，提高了空間利用率。（3） 計(jì)算機(jī)控制與管理：計(jì)算機(jī)能夠準(zhǔn)確無誤的對(duì)倉(cāng)庫(kù)的各種信息進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，不僅降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，還減少了貨單處理和信息處理過程中的差錯(cuò)，從而提高了倉(cāng)庫(kù)的管理水平。 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展高層貨架倉(cāng)庫(kù)的出現(xiàn)和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)以后生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。1950年美國(guó)首先產(chǎn)生手動(dòng)控制的橋式堆垛機(jī)起重機(jī)，與此同時(shí)提出了高層貨架的概念，被認(rèn)為是自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的雛形。自動(dòng)化技術(shù)在倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域中的發(fā)展分為五個(gè)階段：人工倉(cāng)儲(chǔ)階段、自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)階段、集成化倉(cāng)儲(chǔ)階段和智能化階段。我國(guó)對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)及其物料搬運(yùn)設(shè)備的研制并不晚，1963年研制成第一臺(tái)橋式堆垛起重機(jī)(機(jī)械部北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所)，1973年開始研制我國(guó)第一座由計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)(高巧米，機(jī)械部起重所負(fù)責(zé))，該庫(kù)1980年投入運(yùn)行。無論何種類型的堆垛機(jī)，一般都由水平行走機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、載貨臺(tái)及貨叉機(jī)構(gòu)、機(jī)架和電氣設(shè)備等基本部分組成。盡管各廠家各有獨(dú)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(jī)都不外乎由機(jī)架、載貨臺(tái)、伸縮貨叉、軌道和控制系統(tǒng)等部分組成。1960年左右在美國(guó)出現(xiàn)了巷道式堆垛機(jī)，隨后巷道式堆垛機(jī)逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式堆垛機(jī)。目前的堆垛機(jī)技術(shù)取得了重大的發(fā)展，控制技術(shù)、定位精度、運(yùn)行速度都得到了很大程度的提高。 堆垛機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀按現(xiàn)行機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有軌巷道式堆垛機(jī)分類方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行軌跡等分類。體現(xiàn)堆垛機(jī)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)劣的指標(biāo)主要有：運(yùn)行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、認(rèn)址精度等。例如，堆垛機(jī)的運(yùn)行驅(qū)動(dòng)己由20世紀(jì)70年代的子母電動(dòng)機(jī)改為變頻調(diào)速，速度由5~50m/min提升至4~160m/min，國(guó)外小載重量的堆垛機(jī)最高可達(dá)300m/min；提升驅(qū)動(dòng)己由20世紀(jì)70年代的雙速電動(dòng)機(jī)改進(jìn)為變頻調(diào)速，速度由4~16m/min提升至0~25m/min；貨叉運(yùn)行也由單速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)改進(jìn)為變頻調(diào)速，速度由8m/min提升至4~35m/min；在堆垛機(jī)自動(dòng)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(jìn)技術(shù)。 本文研究的主要內(nèi)容 課題的研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)安全可靠，具有經(jīng)濟(jì)性能和操作性能良好的堆垛機(jī)控制系統(tǒng)。(2) 對(duì)堆垛機(jī)在水平方向和垂直方向運(yùn)行進(jìn)行速度控制，根據(jù)運(yùn)行的目的地址和當(dāng)前地址之間的比較，選擇合適的變頻器，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制。由PLC輸出高速脈沖和貨叉方向改變信號(hào)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)左伸和右伸，以及貨叉的伸縮速度。第二章 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 控制技術(shù)要求和系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（1）本系統(tǒng)中堆垛機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)由水平運(yùn)行的行走機(jī)構(gòu)，垂直運(yùn)行的起升機(jī)構(gòu)及取送貨的伸叉機(jī)構(gòu)三部分組成。伸叉機(jī)構(gòu)電機(jī)采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，由西門子S7200通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。主要技術(shù)指標(biāo)和和主要設(shè)計(jì)參數(shù)堆垛機(jī)運(yùn)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(jī)的控制方式有自動(dòng)和手動(dòng)控制。同時(shí)運(yùn)動(dòng)速度也可以手動(dòng)選擇。同時(shí)系統(tǒng)將解除大部分的保護(hù)控制。② 單機(jī)自動(dòng)用人機(jī)界面對(duì)堆垛機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)的控制，控制系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)進(jìn)行全自動(dòng)的取送貨動(dòng)作。人機(jī)界面應(yīng)具備實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行工況，故障及歷史故障查詢等功能。 ① 作業(yè)命令處理：確定作業(yè)狀態(tài)時(shí)自動(dòng)還是手動(dòng)；確定作業(yè)指令是存貨入庫(kù)還是取貨出庫(kù)；確定作業(yè)地址包括列地址和層地址。到達(dá)預(yù)定位置后，堆垛機(jī)停車。④ 作業(yè)任務(wù)的順序邏輯控制：按照入庫(kù)、出庫(kù)的作業(yè)順序，確定各輸出點(diǎn)的得電狀態(tài)，完成作業(yè)順序的邏輯控制。⑥ PLC還有工作故障報(bào)警功能。監(jiān)控級(jí)對(duì)通訊、流程進(jìn)行控制，并進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像顯示，直接控制級(jí)是由PLC(可編程序控制器)組成的控制系統(tǒng)對(duì)各設(shè)備進(jìn)行單機(jī)自動(dòng)操作。堆垛機(jī)采用西門子公司的S7200型PLC控制，與變頻器結(jié)合對(duì)堆垛機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。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)確無誤的定位在目標(biāo)貨位。，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。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。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。 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)址片的代碼來判斷堆垛機(jī)的當(dāng)前位置。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。從動(dòng)輪與軌道旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)測(cè)定方式。（4）激光測(cè)距定位：激光測(cè)距定位是近年來應(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)比較來確定堆垛機(jī)的當(dāng)前位置。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，下面的表格21是他們之間的比較對(duì)照：表21 認(rèn)址方式對(duì)比表認(rèn)址器 光電開關(guān)旋轉(zhuǎn)編碼器激光測(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 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(zhǎng) 長(zhǎng) 認(rèn)址方式確認(rèn)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。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。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。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。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。 堆垛機(jī)垂直方向認(rèn)址傳感器分布圖其認(rèn)址狀態(tài)如表22所示：表22 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(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 ……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。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?？?。 S7200系列PLC概述S7200系列PLC是德國(guó)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(jià)格卻和小型PLC的價(jià)格一樣。它結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)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(shì)，又極豐富的指令集，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，配有功能豐富的擴(kuò)展模塊，性能價(jià)格比非常高。特別是S7200CPU22*系列PLC(它是21*系列的替代產(chǎn)品），由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面可供選擇，可以很容易的組成PLC網(wǎng)絡(luò)。S7200硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式加積木式，即主機(jī)中包含一定數(shù)量的I/O輸入輸出，同時(shí)還可以擴(kuò)展各種功能模塊。特包括CPU、存儲(chǔ)器、基本輸入輸出點(diǎn)和電源等，使PLC的主要部分。（2）擴(kuò)展單元：主機(jī)I/O數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時(shí)，用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展各種I/O模塊，所能連接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實(shí)際所能使用的I/O點(diǎn)數(shù)是多種因素共同決定的。（4）相關(guān)設(shè)備：相關(guān)設(shè)備是為了充分和方便的利用SIMATIC S7200系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)和使用的一些設(shè)備，主要有編程設(shè)備、人際操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。 CPU型號(hào)選擇（1）西門子CPU的介紹SIMATIC S7200的CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元、電源以及數(shù)字I/O點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。輸入部分則輸出控制信號(hào)，控制工業(yè)過程中的設(shè)備。其速度快，具有極強(qiáng)的通訊能力。① CPU 221：CPU 221具有6輸入/4輸出，共計(jì)10個(gè)點(diǎn)的I/O，無擴(kuò)展能力，有6KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。非常適合小點(diǎn)數(shù)的控制系統(tǒng)。③ CPU 224：它在CPU 222的基礎(chǔ)上使主機(jī)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)增為24點(diǎn)，最大可擴(kuò)展為168點(diǎn)數(shù)字量或者35點(diǎn)模擬量的輸入和輸出；存儲(chǔ)量也進(jìn)一步增加，還增加了一些數(shù)學(xué)指令和高數(shù)計(jì)數(shù)器的數(shù)量，具有較強(qiáng)的控制能力。（2）CPU型號(hào)的選擇 根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)來計(jì)算，可以選用CPU226這個(gè)型號(hào)的CPU，CPU226有24輸入/16輸出，最大可以擴(kuò)展為248點(diǎn)數(shù)字量或35點(diǎn)模擬量。② 高速脈沖輸出：具有2路高速脈沖輸出端，輸出脈沖頻率可達(dá)20KHZ，用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)定位任務(wù)。④ 模擬電位器：CPU226有兩個(gè)模擬電位器，用來改變特殊寄存器中的數(shù)值，以改變程序運(yùn)行的參數(shù)，如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的預(yù)設(shè)值，過程量的控制參數(shù)。⑥ 數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)：CPU226具有24輸入/16輸出，輸出點(diǎn)為24V直流雙向偶看光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流兩種類型，可擴(kuò)展模塊為7個(gè)。 PLC模塊選型 由于S7200CPU226的集成24輸入/16輸出不能滿足設(shè)計(jì)的要求，所以又選用了EM221擴(kuò)展模塊和EM235擴(kuò)展模塊，正好滿足設(shè)計(jì)的需要。表23 擴(kuò)展模塊選型表系列號(hào)類別描述選型型號(hào)數(shù)量EM221輸入擴(kuò)展模塊DI166ES72211BH220XA01EM235輸入/輸出擴(kuò)展模塊AI4/AO16ES72350KD220XA02 由于CPU226的輸入點(diǎn)只有24個(gè)，不能滿足設(shè)計(jì)的輸入點(diǎn)的需要，所以加入一個(gè)EM221模塊，該模塊有16個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)，總體上可以滿足系統(tǒng)輸入的要求。： 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 堆垛機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的準(zhǔn)確定位，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，由于水平和垂直運(yùn)行電機(jī)分別采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)和單相交流異步電動(dòng)機(jī)，所以對(duì)這兩個(gè)方向的速度控制采用閉環(huán)變頻調(diào)速控制。變頻器的電路一般由