论文总字数：22464字

摘 要

穿梭在高层货架的巷道堆垛机是自动化立体化仓库中最高效快速的货物搬运设备，其控制性能的优劣决定了整个仓库的运转效率。本文重点在巷道堆垛机水平走行和货叉伸缩的电气控制设计，主要研究内容为：

介绍双立柱巷道堆垛机的机械结构组成及各组成部分的功能，了解三种堆垛机控制模式，分析堆垛机作业流程和认址方式，本文具体研究下位执行机构对出入库作业的实现。

对堆垛机控制及驱动设备进行选型，选用S7-300模块式PLC作为堆垛机的运动控制装置，安川变频器作为速度控制器，西门子电机作为堆垛机驱动装置。

选择激光测距认址法为堆垛机走行认址方式，实现堆垛机的精准定位。选择S型速度曲线作为速度控制曲线来保证系统运行的稳定性可靠性。分析货叉的定位控制，保证存取货物的平稳性和快速性。编写认址程序、速度控制程序、货叉控制程序，实现堆垛机走行和货叉的电气控制。

关键词 ： 堆垛机；PLC；速度控制；认址控制；货叉控制

Abstract

The lane stacker shuttling in the high shelf is the most efficient and fast cargo handling equipment in the automated three-dimensional warehouse. Its control performance determines the operation efficiency of the whole warehouse. This paper focuses on the electrical control design of the horizontal running of the stacker and the expansion of the fork. The main research contents are as follows：

This paper summarizes the mechanical structure and functions of each component of the stacker in the double column roadway, and determines that the control system of the stacker is a three-level control system, and specifically studies the realization of the lower actuator for the in and out operation.

For the stacker control and drive equipment selection, S7-300 modular PLC is selected as the stacker motion control device, Yaskawa frequency converter as the speed controller, Siemens motor as the stacker drive device.

The laser ranging identification method is chosen as the way of the stacker's running identification to realize the precise location of the stacker. S-type speed curve is selected as the speed control curve to ensure the stability and reliability of the system operation. The positioning control of the fork is analyzed to ensure the stability and rapidity of the goods. Write address program, speed control program and fork control program to realize the electrical control of stacker running and fork.

Key Words ：Stacker; PLC; Speed control; Address control; Fork control

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3主要研究内容 3

1.4技术方案 3

第2章 堆垛机控制系统总体方案设计 4

2.1堆垛机的分类 4

2.2堆垛机的结构及组成 5

2.3堆垛机的控制模式 6

2.4堆垛机的工作过程 6

2.5认址方式 7

2.5.1相对认址 7

2.5.2绝对认址 8

2.5.2.1编码器认址 8

2.5.2.2激光测距认址 8

2.5.2.3 BPS认址 8

2.6安全保护设备 8

2.6.1水平运行保护装置 8

2.6.2升降保护装置 9

2.6.3货叉保护装置 9

2.6.4其他保护装置 9

2.7堆垛机控制系统设计及组成 10

2.8本章小结 11

第3章 堆垛机控制及驱动设备选型设计 12

3.1 PLC选型 12

3.1.1PLC硬件模块介绍 12

3.1.2PLC硬件模块选型分析 13

3.2 电机选型 15

3.3 变频器选型 15

3.4设备接线 16

3.5本章小结 18

第4章 堆垛机控制系统PLC程序设计 19

4.1PLC程序结构 19

4.2PLC工作原理 20

4.3堆垛机作业流程及控制分析 20

4.4认址控制 22

4.4.1认址方式选择 22

4.4.2认址程序设计 22

4.5速度控制 26

4.5.1速度控制算法选择 26

4.5.2速度控制程序设计 28

4.6货叉控制 30

4.6.1货叉控制过程分析 30

4.6.2货叉控制程序设计 31

4.7本章小结 35

第5章 结论 36

致谢 37

参考文献 38

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着中国经济水平的迅速提升和科研技术的飞速进步，制造工厂用于生产的原材料需求日益增加，成品销售范畴不断扩张，深远的革新正发生在商品物资的贸易运输和筹划管理方式中。现代物流工业是企业降低原料成本、提高生产水平之外的新生服务部门。现如今物流的发展成熟度成为一个国家的现代化水准和综合国家实力的重要标志线。就目前的经济形势，市场经济不断加速深入，想要单独倚靠商业流获取利益很难做到，所以投资者将思路转向物流，通过建设各种流通加工站点、中转集散中心、存储配送中心来辅助经济水平的提升^[1]。自动化立体仓库是近现代物流系统中不可或缺的成员之一，它是在近代才发展起来的一种货物存储技术^[2]。

而自动化立体仓库能否高效运转几乎取决于堆垛机的工作效率，由此可见堆垛机的关键性。堆垛机的发明为货物在高层货架的存取问题找到解决方案，由于高层货架的利用，纵向空间的利用效率大幅提高，它比普通的仓库占用更少的储存面积。由于自动化机械设备的运用，人工搬运模式逐渐退出舞台，员工的工作强度得以减轻，商品和原材料在出入库过程中的损耗率得到精准控制，存取过程所花费的时间和人工成本也大大减少。因此堆垛机的功能优劣是评定整个立体仓库系统效率的重要准则。

随着电子商务的崛起和智慧物流的新兴，人们也更加严苛于堆垛机的综合机能。因此采取一系列技术手段提升堆垛机控制系统的性能具有非常重要的经济效益和社会意义，不仅要做到系统运行时不出错、不崩溃、有很强的应变能力，还要软硬件组合系统之间的相互协调、运作成本和复杂程度更低。目前堆垛机的需要改进的地方主要在速度控制和位置控制两方面。传统的速度控制模式费时较长，精度不高，而且变速时机械设备的稳定性低。传统的位置控制模式响应时间长，超调量大，抗干扰能力差。这些问题都极大地影响了立体仓库的运行效率和经济效益。

堆垛机由PLC作为水平方向运动的控制器进行单机控制，上位计算机对PLC下达的指令在下位运行机转换成编程语言对变频器和交流电机等被控单元进行控制，完成对货品的存放和取出，并在计算机上对货物的详细存取信息进行记录管理。PLC是适用于工业环境十分可靠的电子系统，具有设计、安装、调试、编程简单方便，功能齐全等优点^[6]。

1.2 国内外研究现状

堆垛机作为自动化立体仓库中货物出入库的尖兵设备，其作业性能代表着自动化立体仓库的先进程度，其作业效率的高低直接影响货物吞吐量的大小。目前的研究都集中在堆垛机的寻址优化、定位控制、速度控制优化等方面。

孙晶在^[8]SEW变频器中采用PI控制、速度前馈控制和加速度前馈控制结合的速度控制方案后，运用MT-Manager调试验证，证实堆垛机伺服控制系统的控制精度更高，响应速度更快。林松森^[9]采用S型曲线来优化速度控制，并在MATLAB/Simulink仿真比较。将模糊算法、免疫反馈控制算法与PID控制结合，优化位置控制系统，可实现堆垛机的急停急起，仿真对比的结果表明模糊免疫自适应PID的稳定性和抗干扰能力更好。

陈晓莉^[10]采用相对认址与编码器结合的定位方法，实现高精度定位和高可靠性运行；采用预模糊控制算法设计一种预模糊控制器优化堆垛机的速度抖动和超调量大、震荡时间长等问题，提高定位精度，并用MATLAB仿真分析研究。王鹏^[11]着重研究了立体仓库堆垛机的速度，先是在SolidWorlks建立立体仓库的三维模型，用ANSYS软件验证材料和结构的合理性。再利用模糊PID控制和传统PID结合的控制器对速度控制进行优化，并用MATLAB/Simulink的仿真结果验证效率和稳定性。

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