立体仓库巷道堆垛机的控制系统设计Word文档下载推荐.docx

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摘要

集物流、信息流、和资金流于一身的物流配送中心，在全球化和市场化的时代里，促进了世界经济及贸易的大发展。

物流配送最核心的系统设备就是自动化立体仓库。

而堆垛机又是自动化立体仓库的关键设备。

本文设计的是一两排四层三列式立体仓库巷道式堆垛机的电气控制系统，并实现货物存取的模拟控制。

主要工作包括：

分析对比各类立体仓库的控制技术，确定实现方案；

进行堆垛机的机械结构分析；

进行堆垛机的控制系统设计；

用组态软件设计人机界面，对货物存取过程进行仿真控制。

本文所述的系统是采用先进的西门子PLC控制器控制，用变频器驱动的半闭环交流伺服系统。

设计时分析了堆垛机的工作过程（主要运动有行走、升降和叉伸运动），利用了光电传感器检测堆垛机位置，并研究了堆垛机运动控制、认址检测方式，实现了堆垛机的运动和定位方案。

为了提升工作效率，使用了变频调速控制技术。

本文通过西门子S7-200SMART系统手册编写了PLC程序，通过上位机系统对PLC的运行进行监控，并对货位信息进行处理。

实现了本文设计的堆垛机系统的自动、手动2种控制方式。

机系统运行平稳，定位准确，安全可靠达到设计要求。

本文的软件设计分别采用STEP7编程软件实现堆垛机的出入库控制；

采用组态王6.53设计监控系统，其包含设备及货位状态显示、故障报警、入库（库存）信息的报表等接口。

通过理论推导、实验研究，表明本文所研究的自动化立体仓库技术具有一定的先进性，实现方法切实可行，具有一定的实用价值和应用前景。

关键词:

自动化立体仓库，堆垛机，PLC，监控系统

Thedesignofcontrolsystemforstereoscopicwarehousestackermachine

Abstract

Inanageofglobalizationandmarketization,alogisticsdistributioncenter,whichincludeslogistics,informationflowandcapitalflow,promotesthegreatdevelopmentoftheworldeconomyandtrade.AutomationstereoscopicwarehouseisthecoreofsystemequipmentinLogisticsdistribution.Thestackeristhekeyequipmentofautomationstereoscopicwarehouse.

Thispaperisaimedatdesigningroadwaystackerelectricalcontrolsystemofatworowsoffourlayerthreecolumntypestereoscopicwarehouse,anditcanrealizethesimulationcontrolaccesstothegoods.Themainworkincludesfouritems:

thisarticlecomparesallkindsofthestereoscopicwarehousecontroltechnologytodeterminetheimplementationplan,analysisesstackingmachinemechanicalstructure,designsthestackercontrolsystemandusesconfigurationsoftwaretodesignman-machineinterfaceinordertocontrolaccesstogoodsprocesssimulation.

ThesystemdescribedinthisarticleusestheadvancedSiemensPLCcontrollerandtheinverter.Itishalfclosedloopacservosystem.InDesigning,thistexthasanalyzedtheworkingprocessofthestacker（mainmotioncontainswalking,forkliftingandstretching）,hasusedphotoelectricsensorstodetectpositionofstacker,hasstudiedthestackertorecognizeaddressdetectionmodeandmotioncontrol,andhasrealizedthestackermovementandpositioningschemes.Inordertoimproveworkefficiency,thispaperusesthetechnologyoffrequencycontrolofmotorspeedcontrol.BasedonSiemensS7-200SMARTsystemmanual,thisarticlewritesthePLCprogram.TheuppermachinesystemmonitorstheoperationofthePLC,andprocessesthepositioninformation.Thispaperhasdesignedtwokindsofcontrolmode:

stackersystemofautomaticandmanual.Machinesystemrunssmoothly,accurately,safelyandreliably.Itcanmeetthedesignrequirements.

Inthistext,thesoftwaredesignofstackerisrealizedrespectivelybyusingSTEP7programmingsoftwareandmonitoringsystemisdesignedbyadoptingKingview6.53,whichincludesastateofequipmentandgoodsdisplay,faultalarm,warehousing（inventory）informationreportinginterface.

Throughtheoreticalderivationandexperimentalresearch,thispaperprovesthattheresearchoftheautomaticsolidwarehousetechnologyisadvanced.Theimplementationmethodisfeasible.Thissystemhascertainpracticalvalueandapplicationprospect.

KeyWords：

Automatedmulti-layeredstorehouse,Stackingmachine,PLC,Monitoringandcontrolsystem

1绪论

1.1堆垛机简介

近年来，中国的电子商务有了翻天覆地的变化，就在2012年双十一促销的前一天，马云对采访记者说，电子商务会在传统商业领域掀起一次革命性的颠覆，“就像狮子吃掉森林里的羊一样”，接着2012年11月11日，支付宝当天的交易额达到令人震惊的191亿。

然而紧随其后的一周内，消费者纷纷抱怨电商的糟糕的配货、出货速度。

究其原因无疑和物流配送相关。

经济的迅速发展、科学的飞跃进步和已经到来的信息革命，使世界经济开始全球化和市场化，我们进入了一个前所未有的崭新时代。

集资金流、信息流、和物流于一身的物流配送中心，在这个效率至上的时代里，又进一步推动了全球贸易及经济的大发展。

可以说，没有自动化立体仓库就没有现代化的物流系统。

随着立体仓库的出现，在其中起到重要作用的巷道式堆垛机（常常称作堆垛机）获得到了迅猛发展，。

它是自动化立体仓库的核心作业机械，担负着存货、取货等任务,是自动化立体仓库的关键设备，堆垛机的发展是衡量自动化立体仓库发展的主要标志，因此自动化立体仓库领域的热点就成了对堆垛机的研究

。

1.2堆垛机的分类

1.按有无人搭乘分类

（1）人、货升降式堆垛机。

这种堆垛机的货台和操作室为一体，操作者及货物一起上下。

（2）货升降式堆垛机。

2.按支持形式分类

（1）悬垂式堆垛机。

所谓悬垂式即是堆垛机悬挂在上导轨上。

（2）地面式堆垛机。

即是堆垛机在地面导轨上行走。

（3）台车移载式堆垛机。

它是通过台车移动来实现货物的移载作业的堆垛机。

（4）输送机移载式堆垛机。

它是利用输送机来实现货物的移载作业的堆垛机。

3.按控制方式分类

（1）手动式堆垛机。

它是操作者在操作室或操作台上，实行手动操作以控制行走、升降和叉伸等运动的堆垛机。

（2）半自动堆垛机。

它是在手动式堆垛机的基础上增加自动控制实现对行走、升降和货叉运动的控制。

（3）自动堆垛机。

它是在自动堆垛机的基体上安装有设定器，操作者只要利用计算机进行出／入库设定，便可实现货物自动存取。

（4）远程控制堆垛机。

它是使用远程控制便可实现自动运转的堆垛机。

4.按移载方式分类

（1）选货式堆垛机。

它是操作者直接进行手工操作以实现对货架中的货物的存取作业。

（2）货叉移载式堆垛机。

它是通过货叉移动来实现存取货物的堆垛机。

其中又分单叉、双叉和多叉几种。

5.按轨道配置分类

（1）直线导轨式堆垛机。

这是在直线导轨上往复运动的堆垛机。

（2）曲线导轨式堆垛机。

这是在直线和曲线导轨上往复运动的堆垛机。

（3）在移动台车导轨上行走的堆垛机。

随着移动台车的移动，堆垛机可以进入其它巷道动作。

这样可以节约堆垛机数量，减少投资。

6.按主构件形成分类

（1）单柱式（桅杆式）堆垛机。

如图1.1所示。

（2）双柱式堆垛机

如图1.2所示。

图1.1单立柱堆垛机图1.2双立柱堆垛机

1.3巷道式单立柱堆垛机的结构组成

单立柱堆垛机大体上是由一根立柱和上、下横梁组成，或是仅由一根立柱及下横梁组成，整台机器重量偏轻，制造所需材料及工时少，适用于2吨以下的起重量、十六米以下起升高度的仓库。

巷道式单立柱堆垛机的结构如图1.3所示，主要由存、取货物机构、升降机构、行走机构以及安全保护装置等组成。

存、取货物机构是堆垛机存、取货物的执行机构，装设在载货台上，主要功能即实现货物的搬运和存取。

目前最常用的是三级直线差动式伸缩货叉。

它由上叉、中叉、下叉和起导向作用的滚针轴承等构成。

其结构如图1.4所示。

提升机构的主要功能是实现堆垛机存取货机构的垂直运动，目前有部分堆垛机的提升机构是靠起重链柔性件来进行牵引。

升降机构主要由升降链轮，升降链条和驱动链轮等组成。

载货台和升降链条连接在一起，升降链条及载货台、上下横梁的链轮及升降链轮组成封闭式结构。

行走机构的主要功能是实现堆垛机沿巷道方向的水平运动。

本文设计的堆垛机运行机构由电机变速箱、行走轮、导向轮等组成。

下横梁下方有行走轮，导向轮在其侧面，确保堆垛机可以正常行走

其结构如图1.5所示。

图1.3巷道式单立柱堆垛机结构图图1.4存取货机构（上）图1.5行走机构（下）

1.4堆垛机在国内外的发展现状

根据物流设备的发展形势，对比国内外技术水平及研发情况等有关资料的分析，目前国内堆垛机及国际先进水平相比，主要的差距在于综合性能上的差距：

重点体现在机构行走和升降的速度、货叉伸缩的速度、运行时的平稳性、振动和噪声。

在结构上也存在较大的劣势：

国外产品结构设计合理，且更加灵巧，本人国产品相对来说笨重，不够小巧。

1.5本文研究的主要内容

本文设计的是一两排四层三列式立体仓库巷道式堆垛机的电气控制系统，并实现货物存取的模拟控制。

2仓储堆垛机的控制

2.1堆垛机主要运动及控制方式

本文设计的堆垛机在收到控制系统的指令后可以来回穿梭运行于自动化立体仓库的巷道中，能够将位于入库口的货物存入货仓，或者相反取出货仓内的货物运送到出库口。

2.1.1堆垛机的主要运动

自动化立体仓库堆垛机的主要运动：

堆垛机主体沿巷道前后方向运行；

位于主柱上的升降台沿上下方向的运行；

升降台上的货叉能左右伸缩以存取巷道上的货架上的货箱。

2.1.2堆垛机的控制方式

自动化立体仓库拥有较多的控制方式，时至今日有三种较为主流的控制方式：

PLC控制、单片机控制和继电器控制。

本次采用PLC控制。

2.2堆垛机认址方式

2.2.1认址方式的介绍

堆垛机进行货物存、取前必须先走到指定的货位。

它到达及否的判定，在操作时必须自动进行。

为此．货架上的每一个货位必须具有堆垛机能识别的编码。

巷道左右2排货架依次设定为1排、2排；

堆垛机水平运行方向设定为入库口、1列～3列和出库口；

垂直升降方向设定为1层～4层，最底层取作1层。

把排、列、层比作空间直角坐标系X、Y、Z方向，就能确定每一个货位的编号。

堆垛机可以自动检测它当前所处位置的坐标，使其能走到指定货位。

其中X方向即排数，对于堆垛机的货叉来说只有左和右2个运动方向，因此只需要检测Z坐标即层数及Y坐标即列数。

这2个坐标的检测也是一般情况下遇到的认址问题。

现在科技含量较高的检测元件是光电开关，它是利用安装于轨道上对应货架每一列的行走认址片及安装在堆垛机立柱上对应货架每一层的升降认址片，相应光电开关在每次通过认址片时会进行透光或挡光，使光电开关的状态发生变化，利用计算机对此变化状态进行统计，根据相应算法可得到堆垛机的Y和Z方向的坐标，从而获知堆垛机当前所在的列数和层数。

当光电开关的状态变化时，自动控制系统怎样正确识别堆垛机所在位置的编码是自动认址的主要问题。

对此，可以采用2种方式：

绝对认址或相对认址。

绝对认址采用得到的用N个光电开关的通、断状态组合来获取Y或Z的坐标。

行走和升降机构分别用一组光电开关和认址装置（认址片和光电开关视层数、列数而定）来获取堆垛机的当前地址（如图2.1所示），认址装置上的认址片和每个地址编码一一对应。

采用绝对认址方式时，堆垛机控制系统的PLC编程较为简单，并且认址相对可靠，但是它每个位置的认址片都不相同，结构复杂，加上货位越多，所需的认址光电开关也会越多

相对认址是通过对光电开关在经过每一列或每一层的认址片时，通电状态翻转产生的电脉冲对地址编码进行加、减1的操作，产生堆垛机当前地址编码的一种方式（如图2.2所示）。

当堆垛机行走或升降时，每产生一个脉冲，就对列数或层数加1或减1作为当前地址

图2.1绝对认址方式图2.2相对认址方式

2.2.2认址方式的确定

为完成对堆垛机的速度控制，必须要检测出堆垛机运行时的当前位置，本文设计的堆垛机电气控制系统采用相对认址方式。

因为这种方式不管有多少货位，均只需2个行走光电开关和3～4个升降光电开关，大大减少了光电开关的数目可得到广泛应用。

具体如下：

1）水平认址系统

在堆垛机的水平轨道上，对应货架的每一列均要安装一个认址片，在堆垛机沿轨道上安装前、后两个光电开关。

当堆垛机运行停准的时候，前向光电和后向光电都会响应，即它们都为高电平。

PLC的计数器可实现这种运算，而且定位用的光电开关也可用于停准检测，如图2.2所示。

（2）纵向认址系统

在堆垛机垂直立柱上，对应货架的每一层的均要安装一个认址片，在堆垛机的货台下面要安装上、中、下三个光电开关。

低位为取货开始伸叉或放货完毕收叉的位置，高位为放货开始伸叉或取货完毕收叉的位置。

为保证货叉完成作业，堆垛机在垂直方向上必须要有检测装置准确检测货叉是否准确停在高位或低位。

所以要在堆垛机的货台下面安装三个光电开关，及升降台一起上升下降，中间的一个共用，其他两个分别为上位置和下位置。

存货开始或取货结束时，升降台货叉停在高位置，上面两个光电开关将在堆垛机升降过程中起作用；

取货开始或存货结束时，货叉停在低位置，此时下面两个光电开关将在堆垛机升降过程中起作用，如图2.3所示

图2.3堆垛机垂直方向认址传感器分布图

2.3堆垛机速度控制

堆垛机运行效率的高低关系着整个立体仓库的运行效率以及生产计划的完成。

堆垛机水平运行、载货台升降采用变频器控制速度；

而货叉的伸缩运行距离较短采用固定速度。

系统通过光电传感器确定运行过程中堆垛机的位置。

传感器回馈堆垛机的运行速度，通过调整变频器的频率控制堆垛机的速度。

在保证精确定位的情况下，最大限度的提高堆垛机的运行速度，提高整体的运行效率。

2.3.1变频调速的工作原理

变频调速技术常用于堆垛机的速度控制。

采用这种技术的交流异步电动机，其性能可以超过现有任何一种交流调速方式，比如变极、调压、串极等，也能和直流调速一较长短，而且不需要经常换碳刷，能够节省费用，并且驱动装置简单，不必使用电动机的启动及减速附加装置，是交流调速的最佳方案。

在堆垛机存取货物的过程中,行走和货叉伸缩运动是按照先后顺序动作的,行走电动机和货叉电动机如果使用同一台变频器并联运行可以减少使用成本,电动机功率按照大惯性负载启动的情况考虑

由电机学原理可知变频器的变频原理可表示为：

（2.1）

式中:

f是电源频率，p是电动机定子绕组的极对数，s是转差率。

从上式可以看出，在极对数和转差率不变的情况下，转速及电源的频率成正比，通过改变电动机的频率可以改变电动机的转速，达到控制堆垛机速度的目的。

2.3.2速度曲线的设计

本系统堆垛机运行速度如图2.4可分为高速、中速、低速三档，根据光电传感器反馈的信息判断及目标位置距离远近进行速度控制。

在距离目标位置较远时，为提高工作效率采用高速运行；

在距离较近时，降低速度达到完全运行准确认址的目的。

由于堆垛机水平行走、载货台的垂直升降、货叉的左右伸缩三个运动的距离和运行速度不同，货叉的左右伸缩运行的距离较短，可采用固定速度低速运行，堆垛机水平行走速度、载货台垂直升降速度及目标位置和当前位置间的距离的相关，关系如公式2.2和2.3所示，N为实时状态下堆垛机的位置及目标位置相差的层数或列数。

图2.4水平方向速度及目标距离的关系

（2.2）

（2.3）

2.3.3半闭环控制

当堆垛机朝着某一目标位置行进时,按照事先编好的PLC程序中堆垛机速度的控制策略，再根据目标位置及光电传感器反馈回来的堆垛机的实际位置之间的差值即相差的列数或层数,选用变频器不同的频率实现堆垛机运行时的速度控制。

当堆垛机距离目标位置较远时，先用较高的速度使堆垛机接近目标位置,然后平稳地过渡到较低的速度运行,在到达目标位置时采取抱闸停准

为了能较好地满足自动化仓库中堆垛机高速运行、平稳换速、低速停准地调速控制要求，本文采用半闭环控制方式,如图2.5所示。

图2.5　堆垛机控制系统半闭环控制原理

3控制系统硬件部分设计

3.1核心元件简介

3.1.1可编程控制器简介

可编程控制器（ProgrammableLogicController,PLC）是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。

随着大规模、超大规模集成电路技术和数字通信技术的进步和发展，PLC技术不断进步，在工业生产中获得了极其广泛的应用

S7-200系列PLC是德国西门子公司生产的一种超小型PLC,大型和中型的PLC的功能应有尽有，而价格却和小型PLC的价格一样。

能够单机动作，也可以输入/输出扩展。

它结构小巧，可靠性高，运行速度快，拥有媲美大型和中型PLC的技术优势，又有丰富的指令集，具有很强的实时特性和集成功能，配备有多种功能的扩展模块，性价比非常高。

3.1.2变频器简介

变频器的工作原理是通过改变交流电频率方式实现交流电的控制。

变频器的电路一般由4个部分组成：

整流、中间直流环节、逆变和控制。

变频器作为功率的变换部件，可提供可控的高性能变压变频的交流电源。

3.2电气设计一般原则

一般，电气控制系统应满足工业生产的加工工艺要求，线路以安全为先，可靠为主，操作简单，维护方便，节约成本等。

为此，必须正确设计控制电路，合理的选择电器元件。

一般在设计时应该遵循以下原则：

1）最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求。

在设计控制系统之前，首先要清楚控制系统的工作要求，对要使用的机械设备的工作性能，结构特点和实际工作情况有充分的了解。

从而作为设计电气控制线路的依据。

2）在满足生产要求的前提下，力求使控制线路简洁明了和节约电器元件。

尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的环节和线路；

尽量缩短连接导线的数量和长度；

尽量减少电气的数量采用标准件；

尽量减少不必要的触点，简化电路；

线路在使用过程中除必要的电路必须通电以达到工作要求外，其余的尽量处于断电状态以节约电能，并延长电路的使用使命。

3）保证控制线路工作的可靠性。

选用的电器元件要可靠、牢固、动作时间少、抗干扰能力强；

正确连接电器元件的线圈；

正确连接电器的触点；

在控制线路中，采用小容量继电器的触点来断开或接通大容量接触器的线圈时，要计算继电器触点断开或接通容量是否足够；

在频繁操作的可逆线路中，正反向接触器应加重型的接触器，且应有电气和机械的联锁；

防止触点竞争现象；

防止寄生电路。

4）控制线路工作的安全性。

电气控制线路应具有完善的保护环节，用以保护电网、电动机、控制电器以及其他电器元件，消除不正常工作时的有害影响，避免因误操作而发生故事。

在控制系统中，常用的保护环节有短路