【正文】 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；在碼垛機(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)。:本章主要介紹了自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的組成、應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展，并初步介紹了碼垛機(jī)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀。第二章 碼垛機(jī)控制技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)（1）本系統(tǒng)中碼垛機(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(guò)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)碼垛機(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）本文碼垛機(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。手動(dòng)操作主要用于安裝、調(diào)試和排除故障。界面操作時(shí)，應(yīng)具備對(duì)貨物的單送、單取操作。（3）在本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)控制系統(tǒng)中上位機(jī)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(lái)完成。② 位置技術(shù)及判斷：沿著碼垛機(jī)的行進(jìn)方向和載貨臺(tái)的升降方向設(shè)置認(rèn)址片，PLC通過(guò)檢測(cè)認(rèn)址片來(lái)判斷碼垛機(jī)位置和載貨臺(tái)的位置，每經(jīng)過(guò)一個(gè)認(rèn)址片，PLC的高速計(jì)數(shù)器就自動(dòng)計(jì)數(shù)一次，前進(jìn)加一，后退減一，上升加一，下降減一。③ 速度調(diào)整和準(zhǔn)確停車：根據(jù)碼垛機(jī)和目標(biāo)位置的距離，PLC輸出速度調(diào)整的控制信號(hào)給變頻器，通過(guò)變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在停車之前先把碼垛機(jī)的運(yùn)行速度降低到低速檔，使碼垛機(jī)以低速接近目標(biāo)位置，保證碼垛機(jī)的穩(wěn)定性。⑤ 安全保護(hù)：水平行走、載貨臺(tái)升降及貨叉的伸縮等都有限位保護(hù)。本系統(tǒng)由上位監(jiān)控級(jí)與直接控制級(jí)組成。采用組態(tài)系統(tǒng)建立監(jiān)控界面，同時(shí)將運(yùn)行系統(tǒng)的狀態(tài)反饋到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)碼垛機(jī)貨叉控制系統(tǒng)碼垛機(jī)水平變頻系統(tǒng)碼垛機(jī)縱向變頻系統(tǒng)碼垛機(jī)貨叉運(yùn)行機(jī)構(gòu)碼垛機(jī)水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)碼垛機(jī)縱向運(yùn)行機(jī)構(gòu)碼垛機(jī)限位保護(hù)系統(tǒng)碼垛機(jī)貨物檢測(cè)系統(tǒng) S7200 PLC碼垛機(jī)縱向認(rèn)址系統(tǒng)碼垛機(jī)水平認(rèn)址系統(tǒng) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由碼垛機(jī)的作業(yè)流程分析，碼垛機(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)使碼垛機(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)。另外為了提高存取效率和保證碼垛機(jī)的穩(wěn)定性，必須對(duì)碼垛機(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)是碼垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。速度電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)認(rèn)址器控制器輸入 編碼器 速度檢測(cè) 位置檢測(cè) 碼垛機(jī)位置速度控制框圖定位控制就是確定碼垛機(jī)停止在目標(biāo)貨位的功能。為此，貨架上的每個(gè)貨位必須具有碼垛機(jī)能識(shí)別的編碼，所以將貨架兩側(cè)編成XX2，沿碼垛機(jī)運(yùn)行方向?qū)⒇浖芫帪?~Y列，垂直方向編為0~Z層。因?yàn)樨浖軆蓚?cè)分為XX2，只有兩個(gè)方向，反應(yīng)到碼垛機(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)際上碼垛機(jī)位置的檢測(cè)只是對(duì)Y、Z位置的檢測(cè)。（2）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。（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。碼垛機(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(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換，可以得到碼垛機(jī)的相對(duì)運(yùn)行位置。這種方法的精度很高，但是使用時(shí)碼垛機(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。激光測(cè)距傳感器安裝在碼垛機(jī)上，目標(biāo)放射板安裝在巷道末端。激光測(cè)距的原理是通過(guò)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，從而使道碼垛機(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)撞擊巷道碼垛機(jī)端部緩沖制動(dòng)器的情況。（2）縱向認(rèn)址系統(tǒng)碼垛機(jī)縱向方向的層定位采用光電開(kāi)關(guān)和認(rèn)址片組合定位，即在碼垛機(jī)的上下安裝兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)，在每層的貨位上安裝認(rèn)址片。為使貨叉能完成作業(yè)，碼垛機(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。存貨開(kāi)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(kāi)關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)；取貨開(kāi)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(kāi)關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)。本文采用最常用的梯形速度曲線。 V A B C S1 S2 S3 S 梯形速度曲線 PLC及資源配置根據(jù)實(shí)際的控制點(diǎn)數(shù)和系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的控制要求，在本設(shè)計(jì)中選用西門子的S7200系列的PLC作為控制中心?？梢詥螜C(jī)運(yùn)行，也可以輸入/輸出擴(kuò)展。因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。（1） 基本單元：基本單元有時(shí)又稱作CPU模塊，也有的稱之為主機(jī)或本機(jī)。它實(shí)際上就是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，可以單獨(dú)的完成一定的控制任務(wù)。（3）特殊功能模塊：當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時(shí)，可與SIMATIC S7200主機(jī)相連，已完成某種特殊的控制任務(wù)而特制的一種裝置。（5）工業(yè)軟件：工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設(shè)備而開(kāi)發(fā)的與之相配套的程序，它主要有標(biāo)準(zhǔn)工具、工程工具、運(yùn)行軟件和人機(jī)接口等幾大類構(gòu)成。CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，以便對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制任務(wù)或過(guò)程進(jìn)行控制。根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)來(lái)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(lái)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(guò)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)。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22 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)圖為了實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)的準(zhǔn)確定位，提高存取效率和保證碼垛機(jī)的穩(wěn)定性，必須對(duì)碼垛機(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整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。（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)。輸入電流：。輸出電壓：3相(0380)VAC可調(diào)。輸出電流：?？刂谱饔茫海噶俊D(zhuǎn)矩、光電編碼器反饋的速度控制等。數(shù)字量輸出：8路繼電器輸出。模擬量輸出：2路(0~20) 模擬量輸出。操作功能：AOP盤、BOP控制盤、電位器與外接端子操作。S7200PLC的模擬量輸出信號(hào)作為MM440變頻器的模擬量輸入，來(lái)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(dòng)機(jī)的運(yùn)行；，構(gòu)成閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)。 擾動(dòng) 三相異步電動(dòng)機(jī)（負(fù)載系統(tǒng)）變頻器主電路（IGBT逆變器） PLC控制器（PID算法） 光電編碼器反饋 PLC變頻調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1）運(yùn)用指令系統(tǒng)中的PID指令，偏差信號(hào)按照PID算法計(jì)算出控制量，用傳送指令輸出電壓控制量到變頻器的模擬量輸入AIN1口。（3）在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)測(cè)取系統(tǒng)各參數(shù)和輸出特性，并能在上/下位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制。采用帶傳感器矢量控制閉環(huán)調(diào)速，能滿足像碼垛機(jī)這樣動(dòng)態(tài)特性要求較高，并且在低頻時(shí)輸出高轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速精度要求較高的場(chǎng)合。變頻器參數(shù)設(shè)定如表23所示。垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)與水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，但是由于單相異步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)有所區(qū)別，所以垂直變頻調(diào)速系統(tǒng)和水平變頻調(diào)速系統(tǒng)也有不同的地方。但也有一些電容或電阻電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行時(shí)將起動(dòng)繞組接于電源上，這實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一臺(tái)兩相電機(jī)，但由于它接在單相電源上，故稱為單相異步電動(dòng)機(jī)。為此要設(shè)置啟動(dòng)裝置，以及電機(jī)中產(chǎn)生一個(gè)與主磁場(chǎng)在空間和時(shí)間上不同相得磁場(chǎng)，從而形成一定大小的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。輸出單相變頻調(diào)速電源在輸出端上串上一個(gè)足夠電感量的電感，用于隔離電動(dòng)機(jī)電容對(duì)變頻器的危害作用（同時(shí)對(duì)變頻器的高載波率起到一定的濾波作用），并保護(hù)電動(dòng)機(jī)電容，此電