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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：4mmin-150mmin； （b）垂直方向：2mmin-60min； （c）货叉：40、60mmin。

（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2-60mmin。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：

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：

P?

Wr*v16120*?1 (3-1) d1?f)*2r (3-2)

Wr?Q(u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；

?1——运行效率，设为0.9；

v1——运行机构的最大速度，为150mmin。

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 断续周期工作S3 基准负载持续率 40% 工作电压 额定功率 额定转速 945rmin 运行效率 80% YZR160L-6 380V 11KW

（b）起升机构运行时最大的功率公式为（3-3）：

P?

(w?g)v26120?2 (3-3)

式中：

w——堆垛机重量，为1500kg； g——载货重量1000kg； v2——最高档速度60mmin；

?2——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 断续周期工作S3 基准负载持续率 40% 工作电压 380V 额定功率 30KW 额定转速 962rmin 运行效率 88% YZR225M-6

（c）货叉的伸缩距离较短，载货匀速为20mmin。 货叉伸缩功率公式如（3-4），

P?式中：

w——货叉可动部分重量70kg； g——载货重量1000kg；

v3——速度

(w?g)v36120?3 (3-4)

20mmin；

(70?1000)*24?4.94kw

6120*0.85 ?3——伸缩效率0.85。 计算得P=(w?g)v3=

6120η3 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 YEJ160M-6 额定功率 7.5kw 额定电流 17.0A 转速 970rmin 效率 86% 功率因数 0.78 制动力矩 150N?M 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，