自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计毕业设计.doc
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自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计
毕业设计
题目：
自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计
学生：
陈玉鹍
学号：
200905020112
院（系）：
机电工程学院
专业：
物流工程
指导教师：
杨玮
2013年6月3日
III
自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计
摘要
自动化立体仓库控制系统是能自动存储和取出物料的系统，是企业管理信息系统的组成部分之一。
自动化立体仓库是指采用高层货架储存货物，用起重、装卸、运输机械设备进行货物出入库作业，由电子计算机进行管理和控制，不需人工搬运作业而实现收发作业的仓库。
自动化立体仓库中最重要设备就是仓储堆垛机，仓储堆垛机是实现整个仓库系统自动功能的关键设备，担负着出库、进库等任务，是自动化立体仓库的核心部件，本文详细介绍了用PLC实现对仓储堆垛机系统控制的设计，将PLC技术和变频控制技术相结合，仓储堆垛机控制系统可以实现如下控制功能：
三维运动、精确定位、速度调节功能、急停功能、报警功能。
本文介绍自动化立体堆垛机控制系统开发过程，以一拖集团高架库采购项目为工作对象，结合本人的实际调研和开发工作，提出了一套完整的控制系统设计方案。
重点设计了自动化立体仓库控制系统部分的系统分析、硬件选型、程序编写等方面。
文中遵循的设计流程和方法虽然针对一拖集团采购项目，但使用的方法具有普遍性，并遵照国际标准，可广泛应用于其他类型的自动化立体仓库。
关键词：
自动化立体仓库，堆垛机，PLC，定位控制系统
DesignofStackerControlSysteminAutomatedWarehouse
ABSTRACT
Automatedwarehousecontrolsystemisabletoautomaticallystoreandretrievematerialssystems,enterprisemanagementinformationsystemisoneofthecomponents.Automatedwarehouseistheuseoftopshelfstorageofgoods,withthelifting,handling,transportmachineryandequipmentforcargostorageoperationscarriedoutbythecomputermanagementandcontrol,withoutmanualhandlingoperationsachievedtransceiveroperatingwarehouse.
Automatedwarehouseequipmentisthemostimportantstoragestacker,stackerstoragewarehousesystemistoachieveautomaticfunctionsthroughoutthekeyequipment,tocarryoutthelibraryintothelibraryandothertasks,isthecorecomponentofautomatedwarehouse,thepaperdescribesindetailwithPLCcontrolsystemforwarehousestackerdesignofthePLCtechnologyandfrequencycontroltechnology,warehousestackercontrolsystemcanachievethefollowingcontrolfunctions:
three-dimensionalmotion,precisepositioning,speedadjustmentfunction,emergencystopfunction,alarmfunction.
ThisarticledescribestheautomatedstackercontrolsystemdevelopmentprocesstoelevatedYTOGroupprocurementprojectfortheobjectlibrary,combinedwithmypracticalresearchanddevelopmentwork,proposesacompletecontrolsystemdesign.Focusonthedesignoftheautomatedwarehousecontrolsystemportionofsystemanalysis,hardwareselection,programmingandotheraspects.
Thispaperfollowsthedesignprocessandmethod,althoughforYTOGroupprocurementprojects,butthemethodusedisuniversal,andinaccordancewithinternationalstandards,canbewidelyappliedtoothertypesofautomatedwarehouse.
KEYWORDS：
automatedwarehouse，stacker，PLC，positioncontrolsystem
目录
摘要 I
ABSTRACT II
1绪论 1
1.1自动化立体仓库堆垛机发展 1
1.2本文的研究重点 2
1.3本立体仓库背景和要求 2
2巷道式堆垛机控制系统需求分析 4
2.1主要技术参数和指标 4
2.2堆垛机运动分析 5
3巷道式堆垛机控制系统硬件选型 7
3.1堆垛机电机选型 7
3.2变频器的选择 8
3.3认址器的选择 10
3.4PLC选择及配置 12
3.4.1CPU概述 12
3.4.2CPU型号的选择 13
3.5安全系统 13
3.6通信方式 14
4堆垛机控制程序设计 15
4.1编程软件及语言概述 15
4.2系统控制要求 16
4.3分析控制方案 16
4.4系统工作流程 17
4.5I/O分配 20
4.6子程序编写 21
5总结 26
致谢 27
参考文献 28
附录I键盘扫描子程序 29
附录II坐标值计算子程序 30
附录III位置控制子程序 32
附录IV入、出库控制子程序 34
附录V控制主程序 38
39
自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计
1绪论
自动化立体仓库控制系统是企业或公司管理信息系统的组成部分之一，通常归结在仓库管理信息系统之下。
与仓库管理信息系统不同之处在于，它不仅含有对底自动化设备的控制和管理，而且是针对某一具体的自动化仓库的基本数据管理系统，从关系上来看，它相对而言是比较独立的一个子系统[1]。
自动化仓库控制系统的主要任务是对一具体仓库中的材料、货位等基本信息进行管理，优化仓库存储的效率，管理材料的在库情况并控制仓库中的自动化设备，实现仓库中材料的自动出入库操作和存储操作。
1.1自动化立体仓库堆垛机发展
初期的立体仓库使用的堆垛机以桥式起重机为基础，这种堆垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架，利用门架的上下和旋转来搬运货物。
1960年左右在美国出现了巷道式堆垛机，随后巷道式堆垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式堆垛机。
1967年日本安装了高度10-15米的高层堆垛机，1969年出现了联机全自动化仓库，我国是在上世纪70年代初期开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。
目前的堆垛机技术取得了重大的发展，控制技术、定位精度、运行速度都得到了很大程度的提高。
巷道式堆垛机的起升速度已经可以达到90m/min，运行速度达到240m/min，在有的立体仓库中采用上、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能力。
按现行机械行业标准，有轨巷道式堆垛机分类方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。
无论何种类型的堆垛机一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。
体现堆垛机动态性能优劣的指标主要有：
运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、认址精度等。
随着科学技术的不断进步，自动化立体仓库的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断提高。
例如，堆垛机的运行驱动己由20世纪70年代的子母电动机改为变频调速，速度由5-50m/min提升至4-160m/min，国外小载重量的堆垛机最高可达300m/min；提升驱动己由20世纪70年代的双速电动机改进为变频调速，速度由4-16m/min提升至0-25m/min；货叉运行也由单速电动机驱动改进为变频调速，速度由8m/min提升至4-35m/min：
在堆垛机自动控制方面还采用闭环控制变频调速系统、Profibus总线控制等先进技术。
尽管如此，目前国产堆垛机的运行速度最高仍保持在160m/min；提升速度在0-80m/min；货叉速度一直保持在0-30m/min；认址采用光电探测，精度不足，认址差错率高。
1.2本文的研究重点
本文以一拖集团高架库采购项目为研究对象，主要设计内容为：
（a）明确项目控制部分的要求和需求分析；
（b）对控制系统的硬件进行选型，重点研究电机、变频器、认址器、PLC的选型方法；
（c）对系统动作分解，根据动作特点进行整合；
（d）编写PLC控制程序。
1.3本立体仓库背景和要求
一拖集团采购中心高架库是在1992年初步建成投产使用，很多机械、电子元件都已老化破损，这对日常的使用带来了很多问题，例如通讯不畅，定位不准，经常性报故障，死机等。
使原本为了高效率管理物资而建立的立体仓库效率大大降低，远远不能适应现代化的高速发展模式，严重影响了整个企业的效率和经济利益。
同时随着现代物流仓储管理理念的更新，原有的物流管理思路已经不能跟上当前现代化物流管理的需求。
一拖集团公司根据公司自身物料管理特性、操作便捷性习惯提出了符合一拖公司立体仓库的需求，为提高本公司的物流效率和准确性，满足本公司国际化道路的发展要求，集团公司针对采购中心立体仓库现状进行改造，实现有效地利用空间和高效的存取货物，实现最佳的社会效益和经济效益。
主要设计对象是轨巷道堆垛机系统，仓库采用东进西出方式存取货物，但应能实现有故障时可东进东出或西进西出、西进东出。
要实现以下所有功能：
（a）控制系统要求分自动和手动模式（安全模式）。
（b）自动模式下，出入库堆垛机需自动定位，并记录货物。
（c）若被选择仓位内已有货物时，则该入库操作不被执行。
（d）载货台若无货物，则下一个入库操作将不被执行。
（e）当载货台上有货物时，出库环节不执行任何操作。
（f）若被选择仓位内无货物时，则该出库操作不被执行。
（g）配备标准安全保护。
系统严格要求满足最大入库能力和高峰出库能力同时进行的能力需要，并有一定的余量满足未来业务发展的要求。
系统货架规格如表1-1，堆垛机的要求参数如表1-2，动态运行情况下满足的要求如表1-3。
表1-1货架规格
序号
货物名称
型号和规格
数量
1
货架系统
7680个货位
1套
2
出入库台
4台
3
天地轨
1套
4
巷道堆垛机系统
Q=1000kg,H=15.99m
运行：
0-150m/min
起升：
0-60m/min
货叉：
0-40/20m/min
4台
表1-2堆垛机参数
有轨巷道堆垛机
数量
4台
提升能力
1000kg
结构形式
单立柱
载荷处理装置
伸缩货叉
堆垛机高度
1599mm
巷道宽度
1330mm
表1-3动态数据
运行速度
Vx
4-150
m/min变频调速
起升速度
Vy
2-60
m/min变频调速
伸缩叉速度
Vz
0-40/20
m/min变频调速
运行加速度
ax
0.5
m/s2
伸缩叉加速度（有货）
az
0.5
m/s2
定位精度：
X：
±3mm；Y：
±3mm；Z：
±3mm。
控制方式：
手动、单机自动、联机全自动。
货叉运行控制同步误差：
小于5mm，运行重复回位精度：
±10mm，货叉上平面高低差：
不大于2mm。
堆垛机速度控制要求实现模拟量闭环无极调速功能。
由于每台堆垛机的结构、运动要求等都完全相同，因此只需设计一套控制系统，其他三台是第一台的复制。
货架一共7680个货格，共8个货架，则每个货架有960个货格（12ｘ80），由于每个货位都需要记录储存情况，且堆垛机到达每个货位的运行过程大体相同，本程序仅选取前12个货位为例进行编辑，其他货位相同。
2巷道式堆垛机控制系统需求分析
本文设计的堆垛机控制系统是针对单立柱有轨巷道堆垛机如图2-1，堆垛机运行机构由水平运行的行走机构，垂直运行的起升机构及取送货的伸叉机构三部分组成。
由堆垛机运行机构特点及工作要求可知，能否保证堆垛机的稳定工作，关键在堆垛机的三维位置移动定位的精确性。
图2-1单立柱有轨巷道堆垛机结构图
2.1主要技术参数和指标
（1）堆垛机运行速度范围
（a）水平方向：
4m/min-150m/min；
（b）垂直方向：
2m/min-60/min；
（c）货叉：
40、60m/min。
（2）堆垛机的控制方式有自动和手动控制
（a）手动方式通过堆垛机的转换开关及按钮控制堆垛机水平和提升运动及货叉伸缩。
同时运动速度也可以手动选择。
手动操作时，系统应给予相应的警示信号。
同时系统将解除大部分的保护控制。
手动操作主要用于安装、调试和排除故障。
（b）单机自动用人机界面对堆垛机进行全自动的控制，控制系统根据用户输入的参数进行全自动的取送货动作。
界面操作时，应具备对货物的单送、单取操作。
人机界面应具备实时显示设备运行工况，故障及历史故障查询等功能。
（3）主要的控制任务是由PLC来完成
（a）作业命令处理：
确定作业状态时自动还是手动；确定作业指令存货入库还是取货出库；确定作业地址包括列地址和层地址。
（b）位置技术及判断：
沿着堆垛机的行进方向和载货台的升降方向设置认址片，PLC通过检测认址片来判断堆垛机位置和载货台的位置，每经过一个认址片，PLC的高速计数器就自动计数一次，前进加一，后退减一，上升加一，下降减一。
到达预定位置后，堆垛机停车。
（c）速度调整和准确停车：
根据堆垛机和目标位置的距离，PLC输出速度调整的控制信号给变频器，通过变频器控制电机的转速，在停车之前先把堆垛机的运行速度降低到低速档，使堆垛机以低速接近目标位置，保证堆垛机的稳定性。
（d）作业任务的顺序逻辑控制：
按照入库、出库的作业顺序，确定各输出点的得电状态，完成作业顺序的逻辑控制。
（e）安全保护：
水平行走、载货台升降及货叉的伸缩等都有限位保护。
2.2堆垛机运动分析
（1）水平运动分析
堆垛机水平行走机构主要完成列寻址，即在立体库中将货物运到指定的列。
堆垛机启动之后，堆垛机的水平行走机构经过变频器加速，到达一定的列数之后速度稳定，在到达指定列之前减速，直到在指定列停止。
列数的计算是通过采取恰当的认址方式实现的。
（2）起升运动分析
起升机构的工作速度在2-60m/min。
不管选用多大的工作速度，都备有低速档，主要用于平稳停准和取放货物时的“微升降”作业。
在堆垛机的起重、行走和伸叉（叉取货物）三种驱动中，起重的功率最大。
（3）货叉运动分析
货叉是直接放置货物的装置，可以向堆垛机两侧伸缩。
货叉的运行准确度对货物的存取至关重要，因为货叉运行时候一旦出现差错很容易造成货物损害。
货叉在存货时到达货位，经过抬叉、伸叉、放叉、收叉四个动作，取货时经过伸叉、抬叉、收叉、放叉。
一般在存取货物时，由于货位的宽度不大，所以按给定速度匀速运动。
根据以上分析，对堆垛机运行的控制采用闭环控制系统。
系统由电动机提供动力驱动，由变频器进行无级调速，认址器进行位置定位跟速度反馈，其系统原理图如图2-2所示：
P
L
C
变频器
M
认址器认址
功能程序模块
功能程序模块
速度调整+
速度调整—
位置调整+
位置调整—
位置反馈
速度反馈
图2-2闭环控制系统原理图
3巷道式堆垛机控制系统硬件选型
通过前面对于堆垛机系统的分析，本章将根据库中的实际工作环境，选择适合本系统的设备型号以及参数，完成堆垛机控制系统的硬件设计。
3.1堆垛机电机选型
在堆垛机运行过程中，电机频繁起动、制动、正转、反转，而且负荷变化大，对电机要求较高。
（a）水平运行机构电机的功率计算公式如下：
（3-1）
（3-2）
式中：
Q——堆垛机总重，设为1500kg；
u——运行摩擦系数，设为0.3；
d——运行轮轴直径，设为50mm；
f——滚动摩擦系数，设为0.1；
r——车轮半径，设为50mm；
——运行效率，设为0.9；
——运行机构的最大速度，为150m/min。
代入公式（3-1）、（3-2）计算得Wr=228，P=6.21kw。
选择S3工作制：
断续周期工作制，按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段停机、断能时间。
电机的基准负载持续率FC为40%，根据水平行走机构所需功率选择YZR160L-6型电机，电机属性如表3-1。
表3-1水平行走驱动电机属性
电机型号
工作方式
基准负载持续率
工作电压
额定功率
额定转速
运行效率
YZR160L-6
断续周期工作S3
40%
380V
11KW
945r/min
80%
（b）起升机构运行时最大的功率公式为（3-3）：
（3-3）
式中：
w——堆垛机重量，为1500kg；
g——载货重量1000kg；
——最高档速度60m/min；
——运行效率0.95。
计算得P=25.80kw，根据起升机构运行所需功率YZR225M-6型电机，电机属性见表3-2
表3-2垂直行走驱动电机属性
电机型号
工作方式
基准负载持续率
工作电压
额定功率
额定转速
运行效率
YZR225M-6
断续周期工作S3
40%
380V
30KW
962r/min
88%
（c）货叉的伸缩距离较短，载货匀速为20m/min。
货叉伸缩功率公式如（3-4），
（3-4）
式中：
w——货叉可动部分重量70kg；
g——载货重量1000kg；
——速度20m/min；
——伸缩效率0.85。
计算得P==kw
根据功率要求所选电机为YEJ160M-6，属性见表3-3。
表3-3货叉驱动电机属性
型号
额定功率
额定电流
转速
效率
功率因数
制动力矩
YEJ160M-6
7.5kw
17.0A
970r/min
86%
0.78
150NˑM
3.2变频器的选择
交流异步电机的转速，是其定子绕组上交流电源频率的函数。
所以只要均匀地改变定子绕组的供电频率，就可以平稳地改变电机的同步转速。
考虑到存堆垛机的结构及运动特点，采用变频调速。
本文选择西门子MM440变频器，MM440型使用PID控制器，具PID微调等功能，可用于矢量控制，可以实现高性能的应用，带内置制动单元，可以快速制动。
MM440变频器各项参数指标如表3-4。
表3-4变频器参数
输入电压
3相380VAC，50Hz
输入电流
2.8A
输出功率
075KW
输出电压
3相（0-380）VAC可调
输出频率
（0-650）Hz可调
输出电流
2.1A
输出控制
输出电压、频率可调
控制作用
V/F，矢量一转矩、光电编码器反馈的速度控制等
数字量输入
6路带隔离的数字量输入
数字量输出
8路继电器输出
模拟量输入
2路（0-10）V模拟量输入
模拟量输出
2路（0-20）mA模拟量输出
通讯接口
RS485通讯、USS协议
操作功能
AOP盘、BOP控制盘、电位器与外接端子操作
PID算法
变频器主电路
三相异步电动机
认址器反馈
扰动
u
e
n
水平行走电机采用220W的三相交流异步电动机，运行速度要求为0-150m/min，系统采用转速闭环控制方式。
S7-200PLC的模拟量输出信号作为MM440变频器的模拟量输入，来控制变频器输出频率和输出电压的变化，从而控制三相异步电动机的运行；电动机转速由光电编码器检测并反馈到PLC高速计数口，构成闭环变频调速系统。
系统如图3-2所示，为速度给定量，为PLC输出的控制量，u为变频器输出电压，n为被控量，控制算法为PID。
垂直方向同理。
图3-2PLC变频调速闭环系统结构图
3.3认址器的选择
要完成对堆垛机自动控制系统的设计，首先要保证堆垛机能够准确到达目标位置，所以在设计堆垛机自动控制系统时，关键在于准确可靠的认址和定位保证堆垛机准确无误的定位在目标货位。
定位控制就是确定堆垛机停止在目标货位的功能。
自动仓库的认址检测系统有两项任务：
一是实现自动寻址，使堆垛机自动找到被指定到达的位置；二是自动准确停准，即堆垛机停准位置不超出规定的精度。
为此，货架上的每个货位必须具有堆垛机能识别的编码，所以将货架两侧编成X1、X2，沿堆垛机运行方向将货架编为0-Y列，垂直方向编为0-Z层。
这样每个货位就有了独立的三维坐标地址，堆垛机自动检测目前的坐标地址，使其能到达目标位置。
因为货架两侧分为X1、X2，只有两个方向，反应到堆垛机上只是货叉左伸、右伸运动，此方向不用检测，所以实际上堆垛机位置的检测只是对Y、Z位置的检测。
主要的认址检测方式有以下几种：
（1）绝对认址
将每一个货位赋予唯一的开关状态，给每个货位制作一个专用的认址片，堆垛机
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