巷道式双立柱堆垛机控制系统设计.docx

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巷道式双立柱堆垛机控制系统设计

摘要

在现代的物流仓储系统中，自动化立体仓库应用日益广泛。

而堆垛机性能的优劣，对整个立体库的正常运行起着重要的作用。

本文主要内容通过对堆垛机作业流程的分析，提出了立体仓库电气控制系统的总体设计方案。

利用工业控制计算机作为调度、管理、监控主机，利用可编程逻辑控制器（PLC）作为堆垛机的运动控制器件，根据系统需要进行了PLC模块、电机及电机驱动器的选型，并给出了系统供电原理图以及部分设备接线图。

本文详细阐述了本控制系统的设计思想，以及整个系统的硬件实现和软件设计。

本文首先对自动化立体仓库系统做了系统的介绍。

根据本设计的实际需求，堆垛机为立体仓库系统的主要作业机械，担负着出入库的重要任务。

通过对堆垛机作业流程的分析，提出了自动化立体仓库系统的总体控制方案。

本系统利用计算机作为监控主机，采用可编程逻辑控制器PLC作为堆垛机运行的控制器件。

采用激光测距技术和变频调速技术相结合的方式实现对堆垛机运行的高精度的定位控制和速度控制。

在软件设计方，本系统釆用模块化的程序设计方法，利用西门子公司的编程软件Step7编制PLC程序，使本系统实现货物出入库的自动和手动控制。

对自动化立体仓库系统的PLC程序设计，进行模块化程序设计及I/O分配及模块建立提高执行效率。

关键词：

堆垛机；PLC；电气控制

Abstract

Inthemodernlogisticswarehousingsystem,automatedstereoscopicwarehouseapplicationisbecomingmoreandmorewidely.Andtheperformanceofstacker,forthenormaloperationoftheentirethree-dimensionallibraryplaysanimportantrole.

Maincontentinthispaper,byanalyzingtheworkingflowofstacker,putforwardthewarehouse'soveralldesignschemeofelectriccontrolsystem.Usingindustrialcontrolcomputerasthescheduling,management,monitoringthehost,theuseofprogrammablelogiccontroller（PLC）asthemovementofthestackercontroldevice,accordingtotherequirementsofthesystemhascarriedonthePLCmodule,motoranddriveselection,andgivestheprinciplediagramofthesystemofpowersupplywiringdiagramandsomeoftheequipment.

Thispaperexpoundsthedesignideaofthiscontrolsystem,andtheimplementationofthewholesystemhardwareandsoftwaredesign.Thisarticlefirstmadesystemforautomaticstereowarehousesystemisintroduced.Accordingtotheactualneedsofthedesign,stackerforstereowarehousesystemmainoperatingmachinery,loadingandunloadingofshouldertheimportanttask.Throughanalyzingtheworkingflowofstacker,thepaperputsforwardtheoverallcontrolschemeoftheautomaticstereowarehousesystem.ThissystemUSEScomputerasamonitoringhost,USEStheprogrammablelogiccontrollerPLCasthecontroldevicestackingthechance.Usinglaserrangingtechnologyandfrequencyconversionspeedregulationtechnologyofcombiningthewayofstackingchancethehighprecisionpositioningcontrolandspeedcontrol.Inthesoftwaredesign,thissystemadoptmodularizationprogramdesignmethod,usingtheSiemensStep7programmingsoftwareofPLCprogram,makethesystemachievetheautomaticandmanualcontroldirectly.PLCprogramdesignofautomatedmulti-layeredstorehousesystem,carriesonthemodularprogramdesignandallocationandI/Omoduletoestablishimprovetheexecutionefficiency.

Keywords:

stracker;PLC;Electricalcontrol

3.6.1变频器的选型20

4PLC程序设计25

1绪论

自动化立体仓库是物料搬运、仓储科学的一门综合科学技术工程。

它以高层立体货架为主要标志，以成套先进的搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术为主要手段，是实现搬运、存取机械化、自动化，储存管理现代化的新型仓库。

它具有占地面积小、储存量大、周转快的优点，是集信息、存储、管理于一体的高技术密集型机电一体化产品。

将自动化立体仓库应用在立体库中，利用它自身的优势，可以实现货物的自动存取。

1.1设计的背景及国内外设计现状

1.1.1设计背景

立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。

随着立体仓库的越来越多，立体仓储技术已成为一门新兴的学科。

堆垛机是自动化仓库的主要作业机械，担负着出库，入库等任务，是立体仓库的核心部件。

自动化仓库的发展就是以堆垛机的发展为主要标志的，目前巷道式堆垛机为主要发展方向。

1.1.2堆垛机系统在国内外的设计现状

目前，堆垛机产品己经走入系列化，运行噪声低，备有各种安全保护装置，调速性能好，一般都具有完善的货物位置检测和货物尺寸检测等功能。

国外立体仓库普遍采用抗干扰能力强、工作可靠的可编程控制器来控制巷道堆垛机以及出入库系统，并且用计算机进行货位管理和库存管理，仓库管理计算机与上级管理机联网并能与控制系统相接，实现在线控制。

而在堆垛机方面，不断推出具有新的物理外形和更高性能的设备。

最新的开发包括提高电子和控制技术，在使堆垛机具有更高定位精度的同时，提高搜索能力和运行速度，以期获得更短的操作周期和更大的生产能力。

目前，巷道式堆垛机的起升速度己经可以达到90m/min，运行速度达到240m/min，货叉伸缩速度达到30m/min。

在有的高度较大的立体仓库中，已采用上、下两层分别用巷道堆垛机进行搬运作业的方法提高出入库的能力。

我国是从20世纪70年代初期开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。

1980年，由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成了我国第一座自动化立体仓库，并在北京汽车制造厂投产。

从此以后，立体仓库在我国得到了迅速的发展。

目前，浙江海通集团是国内最早建造2000吨立体自动化低温冷库的企业，其中采用了由电脑程序控制、5台自动巷道堆垛机无人操作自动进出库等先进技术。

目前，在国内立体仓库堆垛机的驱动机构中，电机减速机普遍采用德国、日本、意大利的产品，也有少数采用国内的电机减速机。

由于堆垛机是立体仓库中最重要的运输设备，各项技术参数和综合性能的要求都非常严格，如无故障率应大于97％,停准精度±10mm，以及噪音要求等。

这就要求电机减速机的可靠性非常高。

因此，现阶段在驱动机构中电机减速机的选用上，多选用国外先进的产品，以保证堆垛机的整机性能。

随着现代工业生产的发展，堆垛机技术在不断地提高和完善。

世界主要工业国家都把着眼点放在开发性能可靠的新产品和采用高新技术上，更加注重实用性和安全性。

因此，我们应当看到自身与世界先进技术的差距，总结经验，找出不足，打破传统思路推出具有新的外形和更高性能的堆垛机。

在使堆垛机具有更高定位精度的同时，提高运行速度，以获得更短的操作周期和更大的生产能力。

相信通过我们的不断努力，更加高速、安全、可靠的堆垛机将不断从国外引进消化到国内，使我国的堆垛机技术发展到一个新的阶段。

1.2本课题设计目的及设计意义

1.2.1目的：

综合运用调控速度、PLC控制、位置检测等技术，为堆垛机的正常运行设计一套比较完整的控制系统，使其更好地担负起出、入库的任务。

本论文将基于未来立体仓库发展的要求，立足于工作循环周期短、换速平稳、停准精确，结合现代计算机技术、通信技术、自动控制等技术，着重研究立体仓库堆垛机行走系统的自动寻址、精确定位、速度调节及控制。

论文包括了以下主要内容：

配合使用较为成熟的中低档型PLCS7-200，使整个堆垛机的控制即在性能上满足设计要求，又符合企业低造价的要求。

（1）根据立体仓库的控制要求与相关参数，从可靠性、停准精度、系统成本等方面出发，得出适应大型立体仓库的电控系统结构。

（2）对堆垛机在水平方向与垂直方向上运行时进行速度控制，对巷道式堆垛机的调速，改善堆垛机的动态性能。

并在应用新的定位方式的基础上，采用闭环速度控制方案，并解决新方案中的硬件配置问题。

（3）编制PLC程序并调试。

（4）在监控系统中，组态软件监控界面的建立，实时反映执行机构的运行情况及货位的存储情况，对执行机构实时控制。

（1）通过对堆垛机现有，构建交流变频调速控制系统；

（2）在堆垛机的位置检测方面，综合通用旋转编码器、PG以及利用PLC中的高速计数器単元，来实现对子堆垛机位置的精确控制；

（3）根据堆垛机的实际工作情況，对PLC控制系统进行设计。

运用流程图法，建立各运动阶段的流程图，编制出控制程序，使PLC控制系统更加完善，更好地控制整个系统的运行。

1.2.2意义：

随着我国国民经济的飞速发展，企业的生产规模的不断扩大，企业对科学化、现代化物流管理和合理利用土地资源的意识不断增强，物资存储、运送、管理技术水平不断提高，对自动化立体仓库的需求量越来越大，对其各方面功能、性能的要求也越来越高。

因此，自动化立体仓库的使用能够产生巨大的社会效益和经济效益：

（1）使用高层货架存储货物，存储区域能够大幅度地向高空扩展，大大提高了空间的利用率。

采用这种存储方式具有便于防止货物的错失，潮湿等优点。

（2）货物的自动存取采用机械和自动化设备，避免了人工搬运，降低了操作人员的劳动强度，且运行和处理速度较快，提高了劳动生成率。

（3）采用计算机控制对货物储运过程信息进行存储和管理，避免了人工操作在货物处理和信息处理过程中可能引起的差错。

同时计算机管理还便于清点盘库，有效地利用了仓库存储能力，进而提高了仓库的管理水平。

采用这种方式货物的存储和管理及时准确，便于领导根据仓储信息和市场情况调整企业生产计划，提高了企业的生产应变能力和决策能力。

2堆垛机系统的方案设计

本章详细描述了堆垛机的控制系统，着重论述了如何对堆垛机控制系统进行方案设计，分别从堆垛机的作业流程分析、系统总体控制结构。

2.1自动化立体仓库系统概述

2.1.1堆垛机的分类

堆垛机是自动化立体仓库中货物进出仓库的主要执行设备。

按规模进行分类，高度10m以下的为低层型，10～20m的为中层型，20m以上的为高层型。

按驱动方式分类，分为下部驱动式、上部驱动式和上下部驱动式三种。

就结构而言，高度在6m以下的小型堆垛机一般是桅杆式的，而高度大于6m的堆垛机则一般采用箱式框架结构形式。

堆垛机的动作可分为单循环和复合循环两种。

前者是分别实现入库动作和出库动作后者可以实现连续出入库动作。

堆垛机的运转方式可分为自动操作和手动操作两种。

高级机种中还有一种是手动定位停止，货物的出入库可以采取自动或半自动的形式。

2.1.2堆垛机的组成

巷道式堆垛机基本结构一般主要由机架、运行机构、起升机构、载货台、货叉、电气设备以及各种安全保护装置等部分组成（如图2-1所示）。

（l）机架

堆垛机的机架由立柱、上横梁和下横梁组成一个框架。

整机结构高而窄。

机架可以分为单立柱和双立柱两种类型。

双立柱结构的机架由两根立柱和上、下横梁组成一个长方形的框架。

这种结构强度和刚性都比较好，适用于起重量较大或起升高度比较高的场合。

单立柱式堆垛机机架只有一根立柱和一根下横梁，整机重量比较轻，制造工时和材料消耗少，结构更加紧凑且外形美观。

堆垛机运动时，司机的视野比较宽阔，但刚性稍差。

由于载货台与货物对单立柱的偏心作用，以及行走、制动和加速减速的水平惯性力的作用对立柱会产生动、静刚度方面的影响。

当载货台处于立柱最高位置时挠度和振幅达到最大值。

这在设计时需加以校核计算。

堆垛机的机架沿天轨运行。

为防止框架倾倒，上梁上装有导引轮。

（2）运行机构

运行机构主要由电动机（带制动器）、减速器、车轮组成。

目前常采用的下部支承及驱动的堆垛机。

运行机构安装在下横梁一端，下部车轮为主动轮，另一端为被动轮。

有时堆垛机为了实现转巷道作业，被动轮安装在转向轮座上，可以保证在转巷道时有较小的回转半径。

堆垛机的水平运行速：

国内最高达到100m/min，国外（日本）已达到160m/min.最低速度4m/min。

目前运行机构一般都用变频调速。

（3）起升机构

堆垛机的起升机构由电动机、制动器、减速机、卷筒或链轮、钢丝绳或链条以及滑轮等零部件组成。

目前，常用带制动器的电机。

减速机的采用视传动比需要和结构布置而定。

蜗轮蜗杆减速器结构紧凑、安装简单，但传动效率较低。

行星齿轮减速器则在电机轴方向尺寸较大。

目前，也常用专门生产的“三合一”（即电机、制动器、卷筒合一）起升卷扬机构，它相对结构紧凑。

其它零部件如钢丝绳、滑轮都选用标准件。

起升机构速度:

国内最高达30m/min，国外（如日本）最高达40—48m/min。

起升机构的调速：

以前曾用过子母电机或变极电机，目前多用变频调速。

（4）载货台

载货台是货物单元承载装置，通过钢丝绳或链条与起升机构联结。

载货台沿立柱上的导轨升降。

货叉机构安装在载货台上，有司机室的堆垛机，司机室也装在载货台上。

有拣选功能的堆垛机，拣选平台也安装在载货台上。

载货台通常有一个刚性框架，为沿导轨运行而装有导轮。

（5）货叉伸缩机构

货叉伸缩机构是堆垛机的主要工作机构，其结构特点是能够双向伸出，以便向两侧货格送人（取出）货箱。

缩回后，货叉连同载货台一起随大车在巷道内运行。

为此，货叉伸缩机构的设计要求是:

货叉完全伸出后，其长度须为原来长度的两倍以上。

货叉全收回后，结构尺寸需尽量小。

货叉伸缩速度一般为8——10m/min，高的可达30m/min左右，但通常需调速控制，调速范围为：

30m/min——2m/min。

（6）电气设备

主要包括电力拖动、控制、检测和安全保护等强、弱电电气设备，三个主要机构的电力拖动系统，目前国内外普遍采用变频调速控制，从而满足堆垛机高速运行、换速平稳、低速停准的要求。

检测系统必须具有堆垛机自动认址、货虚实探测、货箱位置检查等功能。

对堆垛机的控制，目前国内外常用PLC（可编程逻辑控制器）控制。

PLC的模块化结构以及远程通讯功能可以较好满足堆垛机单机自动控制、全自动（整个仓库系统）控制的要求。

（7）安全及联锁机构

堆垛机是一种起重机械，它要在又高又窄的巷道内高速运行。

为了保证人身及设备的安全，堆垛机必须配备完善的硬件及软件的安全保护装置，并在电气控制上采取一系列联锁和保护措施。

除了一般起重机常备的安全保护措施（如各机构的终端限位和缓冲、电机过热和过电流保护、控制电路的零位保护等）外，还应根据实际需要，增设各种保护。

主要的安全保护装置有：

①终端限位保护在行走、升降和伸缩的终端都设有限位保护。

②联锁保护行走与升降时，货叉伸缩驱动电路切断;相反，货叉缩时，行走与升降电路切断。

行走与升降运动可同时进行。

③正位检测控制只有当堆垛机在垂直和水平方向停准时，货叉才能伸缩。

即货又运动是条件控制，以认址装置检测到确已停准的信息为货叉运动的必要条件。

④载货台断绳保护当钢丝绳断裂时，断绳保护机构动作，机械夹轨上移，载货台被卡在导轨上而阻止其坠落。

正常工作时在弹簧力作用下夹轨块、凸轮）与导轨分离。

⑤断电保护载货台升降过程中若断电，则采用机械式制动装置使载货台停止不致坠落。

⑥声光信号堆垛机开动前响铃声，或闪灯光，以警告巷道内的检修人员和过往行人意。

1．上横梁2.松绳及过载保护装置3.立柱4.提升机构

5．运行机构6.伸缩货叉7.载货台8.电气柜9.下横梁

图2-1堆垛机结构图

Fig.2-1stackerstructure

2.2堆垛机作业流程分析

本系统采用的双立柱直线型堆垛机由机架、运行机构、载货台、导轨等组成，其主要功能是按照控制器发出的控制指令的要求向高层货架进行自动货物存取作业。

堆垛机的运行机构由水平运行的行走机构（X轴）、垂直运行的起升机构（Z轴）和取送货物的货叉机构（Y轴）组成。

仓库系统的输入信号可以分为两部分：

一是来自操作面板上的控制按钮或来自上机位的命令，包括启动按钮、停止按钮、自动/手动装换开关、左右运行按钮、上下运行按钮、伸出和缩回按钮：

另一部分是所有货位的货物存在检测开关以及各个方位的限位开关，限位开关包括：

上下限位、左右限位、伸出和缩回限位。

自动化立体仓库作业的入货口与出货口为同一位置，称为零位平台。

立体仓库系统运行时，堆垛机停在零位平台处，接收到来自PLC的货位号和存货或取货的操作命令后水平运行机构开始运行，延水平方向运行到接收的货位号所在列的位置，同时垂直方向起升至接收货位号所在行的位置，然后通过货叉机构的伸缩，完成货物的存取操作。

当堆垛机进行入库作业时，控制系统监测到零位平台存有货物，并且接收到的是存货命令，且检测接收到的货位号处无货物时，控制系统启动堆垛机，堆垛机运行将零位平台上的货物存放到指定货位上，当堆垛机进行出库作业时：

控制系统检测到零位平台无货物，并接收到的是取货命令，且检测接收到的货位号处有货物时，系统启动堆垛机，堆垛机运行将指定货位上的货物取出存放到零位平台处；等待下一运行指令，这样保证了它的工作参考原点。

2.2.1系统总体控制结构

本仓库长60米，宽15米，可利用高度为5米，本系统共设计三条巷道,每条巷道分左右两排货架，每排货架为15，80列。

每个巷道内有一台堆垛机对巷道左右两侧的货架进行作业，堆垛机在巷道中只能做直线运行。

当采用平库方式存储纸箱白酒时，一般分6层上下堆放，现采用立体仓库存储方式，将纵向存放量扩大到了15层。

仓库的总体存储量提高50%以上。

同时，自动化控制技术在仓储作业中的应用能够减少人工搬运，提高劳动生产率。

根据自动化立体仓库的控制要求，从可靠性、高效性、精度等方面出发，设计自动化立体仓库的控制系统结构。

本自动化立体仓库系统的三条巷道，由一台计算机作为监控机，通过可编程控制器PLC同时控制与监控三条巷道中堆垛机的存取作业。

监控计算机与地面控制柜S7-200PLC之间的通讯通过CP243-2多点通信的网络形式实现。

用户在监控计算机上输入操作指令，计算机将指令传达到对应的机载控制柜中的1#、2#或3#的S7-200PLC。

接收到作业指令的机载控制柜PLC将根据指令进行货物的存取作业。

在此同时机载控制柜PLC会将其堆垛机的运行状态上传回监控计算机实现监控系统对堆垛机运行状态的监控。

堆垛机控制系统的网络图如图2-2所示。

自动化立体仓库系统采可编程控制器PLC对存储设备堆垛机进行控，并与上位机通讯实现实时监控。

对于堆垛机三维方向上的运行机构的控制信号、限位开关以及货物检测信息等作为输入信号输入到PLC，PLC通过程序运算和逻辑处，输出相应的操作控制信号，驱动电机从而实现对堆垛机的运行控制，完成货物从零位平台到指定货位的自动存取操作。

每个巷道中的堆垛机由一个可编程控制器PLC控制其运行，这个PLC位于机载柜中。

如图2-3所示。

图2-2堆垛机控制系统网络图

Fig.2-2Stackercontrolsystemnetworkdiagram

图2-3系统拓扑结构图

Fig.2-3Thesystemtopologydiagram

3自动化立体仓库控制系统设计

3.1PLC简介

3.1.1PLC的定义

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，主要用于顺序控制，虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能进行逻辑运算。

PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器，可以编制程序的控制器。

它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。

PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体，易于扩展其功能的原则设计。

事实上，PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以I/O等模块，可以方便地用于工业控制领域的装置。

因此PLC实际上就是：

“工业专用计算机”。

其硬件结构与微机室基本一致。

其基本结构如下图所示。

Fig.3-1thebasicstructureofthePLCsystem

3.2硬件选型

3.2.1PLC的选型及模块的选择

由于S7-200-CPU226的集成24输入/16输出不能满足设计的要求，所以又选用了EM221扩展模块和EM235扩展模块，正好满足设计的需要。

所选模块型号如表3-2所示。

表3-2扩展模块选型表

Table3-2extensionmoduleselectiontable

系列号

类别

描述

选型型号

数量

EM221

输入扩展模块

DI16

6ES7221-1BH22-0XA0

1

EM235

输入/输出扩展模块

AI4/AO1

6ES7235-0KD22-0XA0

2

3.2.2输入输出点分配

为方便系统施工时的硬件连接，方便上位机查询、修改系统的输入/输出点状态，在系统程序编写前，需对系统的输入输出点进行合理的规划分配。

分配I/O点时，应注意系统公共点的带载能力，以免烧毁设备。

在进行I/O分配时，将相同设备、相似功能的输入输出点集中在一起，即便于线路连接、记忆，又便于上位机查询系统的工作状态及设备的位置。

堆垛机控制系统采用的PLC是S7-200CPU226，总共使用了所有的24个输入点和11个输出点，具体I/O点分配如表3-3所示堆垛机控