单立柱巷道式堆垛机控制系统设计.docx

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。但就我国现有生产力发展水平来看，在自动化立体仓库中设计出造价低廉、工作可靠的堆垛机替代原有仓库的控制和管理，能更加适应某些中小企业要求投资少见效快的目标。本论文就实现这一目标的堆垛机控制系统进行了设计。在堆垛机控制系统（Storage and Retrieval Machine control system，以下简称SRMC系统）的开发应用中，将PLC技术和变频控制技术相结合，重点研究基于旋转编码器与光电开关的组合进行堆垛机定位系统的设计。
本文主要的研究工作如下：
(1)深入研究实际生产过程中堆垛机的工作情况，指出其在运行、定位及故障指示等方面的不足之处，并从硬件改进和软件设计两个方面给出具体的实施方案；
(2)针对自动化立体仓库的存取特点，对堆垛机的硬件部分进行设备选型与参数计算，设计出电气原理图，提出一套SRMC系统的硬件配备方案；
(3)在三菱GX-Developer软件开发环境下，采用流程图的设计方法，设计SRMC系统的PLC控制程序，随时改进控制思路和控制程序系统。

关键词: 堆垛机；PLC技术；自动化控制；速度控制

Abstract
In logistic warehouse’s system, automatic high- rise warehouse was widely applied. The features of stacker crane were the key Point to the function of the high- rise warehouse . According to the national existing current economic condition, to study one kind of great tonnage stacker control system which cost inexpensive and moved stable was useful to some small or medium enterprises whose aim was investing less while profiting lots. This paper introduced the design of stacker crane control system, unified the PLC technology and the frequency conversion control technology, the key research based on the transformation on S shape running rate curve of frequency changer, as well as combined the revolves encoder and the photo electricity switch to constructs the Storage and Retrieval Machine’s accurate positioning system.
The paper’s main research work is as follows:
(1)Researching the Storage and Retrieval Machine’s working condition in the actual production process, The paper pointed out the deficiency in the movement, localization and failure indication, and put forward the concrete implementation plan from two aspects on the hardware improvement and software design；
(2)In view of the store and fetch characteristic in the Automated High-rise air conditioning Storage, The paper has carried on the equipment shaping and the parameter computation on the hardware of Storage and Retrieval Machine, has drawn the electrical principle diagram, and reasonably installed them together, composed the hardware system. Put forward the hardware allocated plan which is quite feasible on the Storage and Retrieval Machine in the current；
(3)Under the Mitsubishi GX-Developer software development environment, for the realization of this design, we has established the Storage and Retrieval Machine control system procedure on PLC, by monitoring and practicing, found the problem, improved the control mentality and the control procedure as necessary.

Keywords Storage and Retrieval Machine PLC technology Automated control Speed control

目 录

1 绪论 1
1.1自动化立体仓库系统概述 1
1.1.1自动化技术在仓储领域的发展 1
1.1.2自动化仓库的分类 2
1.2堆垛机简介 3
1.2.1堆垛机的发展 3
1.2.2巷道式堆垛机的技术现状 3
1.2.3单立柱巷道式堆垛机结构 4
1.2.4堆垛机的发展趋势 6
1.3课题研究意义及主要研究内容 6
2 SRMC系统的方案设计 7
2.1 SRMC系统 7
2.2 SRMC系统的功能要求 8
2.3堆垛机的速度控制方案 9
2.3.1变频调速技术的优点 9
2.3.2变频器的基本结构 10
2.4系统主控制器的选择方案设计 10
2.4.1可编程控制器概述 11
2.4.2 PLC的基本组成 11
2.4.3 PLC各部分的功能 11
2.4.4 PLC的主要特点 13
2.4.5 PLC控制系统的类型选择 13
2.5堆垛机的定位控制方案 14
2.6本章小结 16
3 SRMC系统硬件设计 17
3.1 SRMC系统总体结构 17
3.2电动机的选型 18
3.3变频器的选型 19
3.3.1变频器的特点 19
3.3.2 变频器型号以及PG速度控制卡的选择 19
3.4 PLC型号选择 20
3.4.1 FX-2N系列PLC的特点 20
3.4.2机型的配置及I/O点数的分配 20
3.5 SRMC系统其它主要硬件的选取 22
3.5.1旋转编码器 22
3.5.2光电开关 23
3.5.3电磁闸 23
3.5.4断路器、接触器 23
3.6本章小结 23
4 SRMC系统软件设计 24
4.1堆垛机速度曲线模型的设计 24
4.1.1现有速度曲线的分析 25
4.1.2速度曲线改进的函数分析过程 25
4.1.3改进的速度曲线特点 28
4.2主控制器PLC的程序设计 28
4.2.1 PLC控制系统程序设计的主要工作 28
4.2.2本程序设计使用软件 28
4.2.3程序设计方法选择 29
4.2.4程序设计过程 31
4.3本章小结 35
结论 36
致谢 37
参考文献 38
附录 40
附录1 40
附录2 50

1 绪论
自动化立体仓库又称立体库、高层货架仓库、自动仓储AS/RS(Automatic Storage & Retrieval System)。它是一种用高层立体货架(托盘系统)储存物资，用电子计算机控制管理和用自动控制堆垛运输车进行存取作业的仓库。自动化仓库是生产物流的重要组成部分，担负着物资的接受、分类、计量、包装、分拣配送、存档等多种功能。是实现高效率物流和大容量储藏，适应现代化生产和商品流通的有效手段。有轨巷道堆垛起重机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，通常简称为堆垛机。堆垛机是立体仓库中最重要的起重运输设备，主要用途是在高层货架仓库的巷道内沿轨道运行，将位于巷道口的货物存入货格或取出货格内的货物运送到巷道口，完成出入库作业。立体库的优势是通过它体现出来的[1][2]。
1.1自动化立体仓库系统概述
1.1.1自动化技术在仓储领域的发展
1959年美国开发了世界上最早的自动化立体仓库，并在1963年最早使用计算机进行自动化立体仓库的控制管理。后来德国和日本也相继开发了自动化立体仓库。进入20世纪80年代，自动化立体仓库在世界各国发展迅速，使用范围涉及几乎所有行业。
1974年在郑州纺织机械厂建成我国第一座自动化立体仓库，但我国在这一领域发展速度比较缓慢。
自动化技术在仓储领域的发展可分为五个阶段:人工仓储阶段、机械化仓储阶段、自动化仓储阶段、集成化仓储阶段和智能自动化仓储阶段。
第一阶段—人工仓储阶段:物资的运送、存储、管理及控制主要是靠人工实现，具有初期设备投资经济性好、控制的实时性和直观性等优势。
第二阶段—机械化仓储阶段:物料可以通过各种各样的传送带、工业输送车、机械手、吊车、堆垛机和升降机来移动和搬运，用货架托盘和可移动货架存储物料，通过人工操作机械存取设备，用限位开关、螺旋机械制动和机械监视器等控制设备运行。机械化满足了人们对速度、精度、高度、重量、重复存取和搬运等要求。
第三阶段—自动化仓储技术阶段:50年代末和60年代，采用自动导引小车(AGV)、自动货架、自动存取机器人、自动识别和自动分拣等系统。70年代和80年代，旋转式货架、移动式货架、巷道式堆垛机和其他搬运设备也加入了自动控制的行列。但此时的自动化是各个设备的局部并各自独立应用，被称为“自动化孤岛”。随着计算机技术的发展，对物料控制和管理的实时化、协调一体化逐渐成为仓储自动化技术的核心。计算机之间、数据采集点之间、机械设备的控制器之间以及它们与主计算机之间的通讯可以及时汇总信息，管理人员通过仓库计算机及时记录订货和到货时间，显示库存量，以便随时掌握货源及需求。信息技术的应用己成为仓储技术的重要支柱。
第四阶段—集成自动化仓储阶段:70年代末和80年代，随着现代工业生产的发展，柔性制造系统 (Flexible Manufacturing System)、计算机集成制造系统 (Computer Integrated Manufacturing System)和工厂自动化 (Factory Automation)对自动化仓库提出更高的要求，搬运仓储技术要具有更可靠、更实时的信息，工厂和仓库中的物流必须伴随着并行的信息流。“自动化孤岛”需要集成化，使整个系统有机协作，这样的总体效益和生产应变能力远远超过各部分独立效益的总和。
第五阶段—智能自动化仓储阶段:它包括人工(或机械)和自然(或人类)两种方式。内容涉及智能物料储运设计和智能物料储运作业。目前，人们在人工智能及物料储运领域中的专家系统的技术方面正进行着大量的工作。
我国自动化仓库正处在不断发展和完善阶段，世界主要工业国家把着眼点放在开发性能可靠的新产品和采用高技术上。近年来，国内外在建设物流系统及自动化仓库方面更加注重实用性和安全性。
大型自动化仓库系统已不在是发展方向。美国 Hallmark公司安装的多达120个巷道的系统己达到了顶峰，甚至10~20个巷道的系统也不是首选了。为了适应工业发展的新形势，出现了规模更小、反应速度更快、用途更广的自动化仓库系统。它是把先进的控制技术应用到分段输送和按预定线路输送方面，保持了高度的柔性和高生产率，满足了工业库存搬运的需要。
标准的模块式自动化仓库系统已引起人们的关注，这种系统在硬件和软件方面比传统的根据用户要求而提供的自动化仓库有更多的现成产品，其价格一般也比较适中。
国外自动化仓库发展的一个方面是普遍采用扫描技术，提高信息的传输速度和准确性。采用射频数据通信技术，数据的采集、处理和交换能够在搬运工具与中央计算机之间快速进行，使物品的存取和发送信息做到快速、实时、可靠和准确。我国正在发展这方面技术，将其应用到新建库和己建库原有通信系统以改善仓库管理，提高仓库作业效率。
现在，对自动化仓库系统的要求，与最初因节省土地和节省劳动力而受到欢迎的情况不同，要求具有控制生产和销售活动的功能，即起到所谓“经营型仓库”的作用[5]。
1.1.2自动化仓库的分类
自动化仓库的分类方式有:
(1)按建筑形式分为整体和分离式。
(2)按货物存取行式为单元架式，移动货架式和拣选货架式。
(3)按货架构造形式分为单元货格式，贯通式，水平循环式和垂直循环式仓库。
(4)按所起的作用分为生产性仓库和流通性仓库。
(5)按自动化仓库与生产联接的紧密程度分为独立型，半紧密型和紧密型仓库[6]。
1.2堆垛机简介
1.2.1堆垛机的发展
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(立柱)，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没有大梁的巷道式堆垛机。这种堆垛机是在地面的导轨上行走，利用货架上部的导轨防止倾倒，或者是在上部导轨上行走，利用地面导轨防止倾倒。1967年日本开始安装了高度20~25m高层堆垛机，1969年出现了联机全自动化仓库。1973年建成了世界上第一座-40℃的极低温用于贮藏生鲜食品的自动化冷藏库，解决了低温条件下堆垛机的可靠性和技术方面的问题，巷道式堆垛机随之逐渐的取代了桥式起重机。我国是在70年代初期开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。据不完全统计，目前我国已建成的立体仓库近三百座，其中全自动的立体仓库有30多个。
1.2.2巷道式堆垛机的技术现状
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。在目前立体仓库应用中，堆垛机最常见的是按结构形式和运动轨迹分类。
(1)有轨巷道堆垛机的结构形式
按结构形式可分为双立柱结构和单立柱结构。
l)双立柱堆垛机:双立柱结构的堆垛机机架由两根立柱和上、下横梁组成一个长方形框架。立柱形式有方管和圆管。方管兼作起升导轨，圆管附加起升导轨。双立柱堆垛机的起升机构普遍采用链条传动，由电机减速机驱动链轮转动，通过链条牵引载货台沿立柱或起升机导轨作升降运动。由于链条牵引载货台或配重装置，受空间尺寸限制，传动和布置较复杂，但定位较准确。双立柱堆垛机的最大优点是强度和刚性都较好，且运行平稳。适合起重高度较高、起重量较大和水平运行速度高的堆垛机。
2)单立柱堆垛机:单立柱结构的堆垛机机架由一根立柱和下横梁组成。立柱多采用较大的H型钢或焊接制作，立柱上附加导轨。单立柱堆垛机的起升结构，普遍采用钢丝绳传动，由电机减速器驱动卷筒转动，通过钢丝绳牵引载货台沿立柱或起升导轨作升降运动。对于钢丝绳传动，传动和布置相对容易，但定位准确性差。单立柱结构的堆垛机整机重量轻，消耗材料少，故制造成本低，但刚性较差。由于载货台及货物对立柱的偏心作用，以及行走、制动时产生的水平惯性力作用，使单立柱堆垛机在使用上有一定的局限性。
(2)有轨巷道堆垛起重机的运行轨迹
堆垛机水平驱动装置一般安装在堆垛机下横梁上，通过电机减速机驱动车轮转动，使堆垛机沿水平方向运行。采用两个承重车轮，沿敷设在地面上的轨道(地轨)运行。通过下部两组水平轮沿轨道运行导向，在堆垛机顶部两组导向轮沿上轨道(天轨)运行辅助导向。按其运行轨迹形式可分为直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机。
l)直线运行型堆垛机:它只能在巷道内直线轨道上运行，不能自行转换轨道。转换轨道只能通过其它输送设备，如堆垛机转运车。直线型堆垛机可实现高速运行，能够满足出入库频率较高的立体仓库作业，应用最为广泛。
2)曲线运行型堆垛机:它的车轮与下横梁是通过垂直轴铰接的，能够在环形或其它曲线轨道上运行，即可以走曲线，不通过其它输送设备便可以从一个巷道自行转移到另一个巷道，又称为转轨堆垛机。此种堆垛机的转弯半径受到场地的限制，且转弯时速度特别慢，只适用于出入库频率较低的立体仓库。
(3)堆垛机动态性能现状
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、振动与噪音、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4~16 m/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如提升至4~35m/min;在堆垛机自动控制方面还采用了激光测距定位系统、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，由于整机刚度低，无隔振减振措施，运行摆动幅度大;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[7]。
根据市场预测，传统技术制造的20世纪70年代水平的堆垛机将被淘汰，高速度、高科技含量的新型堆垛机将迅速占据市场。我国堆垛机综合性能急待改善。根据物流设备发展趋势，针对近几年用户的反映，结合国内外技术现状及发展情况等有关情报资料分析，找出我们存在的主要差距为:①综合性能差距：主要体现在运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、振动和噪音;②结构的差距：国外产品结构合理，比较精巧，我国产品结构相对笨重[25]。
1.2.3单立柱巷道式堆垛机结构
单立柱巷道式堆垛机（简称为堆垛机）主要由起升机构、运行机构、货叉伸缩机构、机架金属机构（立柱及下横梁）、载货台、电气设备和安全及连锁保护机构等组成。这类型的堆垛机最显著的特点是机架由一根立柱和下横梁组成，见图1-1。

1.地轨 2.下横梁 3.载货台 4.货叉机构 5.提升滑轮 6.天轨 7.立柱 8.控制柜 9.起升电机 10.行驶机构和驱动轮
图1-1 单立柱巷道式堆垛机的结构
(1)起升机构 起升机构实现堆垛机的升降运动，一般由电动机、制动器、减速机、卷筒或链轮以及柔性件组成。目前，常用厂家专门生产的“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。为减少起升机构电动机功率，常设置质量等于载货台质量和一半起重量的配重。起升机构一般设置在立柱下部或下横梁上，以便于维护。
(2)水平运行机构 水平运行机构主要由电动机、减速器、行走轮组成。在堆垛机的下横梁上装有水平运行机构和支撑堆垛机在钢轨上运行的车轮。按运行机构所在的位置不同可以分为地面驱动式，顶部驱动式和中部驱动式几种，其中地面运行式使用最广泛。在这种运行方式中，堆垛机的上、下横梁分别有两组导向轮。
(3)载货台及货叉伸缩机构 载货台是货物单元的承载装置，通常是一个刚性框架，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上下升降。货叉伸缩机构是堆垛机的主要工作机构，安装在载货台上，其结构特点是能够双向伸出，以便向两侧货格送入（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。
(4)金属结构 金属结构是堆垛机的安装基础，承受和传递堆垛机所担负的各机构的重量以及载重量，金属结构一般采用优质钢材，联结部分采用焊接，这样可以简化结构节省工料，且不削弱杆件截面，易于加工制造，缩短工期，而且可以减轻自重。单立柱结构主要由立柱和下横梁组成，其上横梁很短，有的甚至没有上横梁。这种结构形式的堆垛机，起升高度较小，起重量不大，占用空间小，因而运行起来较为灵活，广泛用于中小型立体仓库。
(5)电气设备 电气设备主要包括电力拖动、控制、检测和安全保护等，目前国内外普遍采用的是变频调速控制，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、货位虚实探测、货箱位置检查等功能。
(6)安全及联锁机构 为了保证人身及设备的安全，堆垛机必须配备有完善的硬件和软件的安全保护措施，并在电气控制上采取一系列联锁和保护措施。主要的安全保护装置有：端限位保护、联锁保护、正位检测控制、载货台断绳保护和断点保护等。
1.2.4堆垛机的发展趋势
随着我国加入WTO，加快了经济全球化进程，进一步促进了物资流通，货物储运发送量越来越大。可以预测，今后市场对仓储物流设备的需求量将有更大幅度的增长，而且将在存取率、自动化程度、信息化程度等方面提出更高的要求。为实现物流的高效率，必须提高堆垛机的存取速度。要求堆垛机的运行速度达到160~200m/min以上、运行平稳可靠、认址准确、起动制动灵敏、运行振动小、噪音低于84dB等综合性能的提高，需要多项技术的创新和改进，更需要新技术的支持。相信通过我们的不懈努力，在使用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。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，使有轨巷道堆垛机发展到一个新阶段。
1.3课题研究意义及主要研究内容
本课题主要用于某食品气调库的改造项目，该气调库主要用于存放各种易腐败的食品,目前主要通过人工操纵叉车进行货物的存取，存在着工作效率低下，对工人健康不利等缺点。本课题结合本气调库的实际情况，基于对立体库电气控制系统的研究，综合运用交流变频调速、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。具体包括以下内容：
(1)通过对堆垛机现有的运行速度曲线进行的分析研究，设计出一种适合本系统的堆垛机速度曲线模型，确定变频器型号，构建交流变频调速控制系统；
(2)在堆垛机的位置检测方面，综合运用旋转编码器、PG卡以及利用PLC中的高速计数器单元，来实现对于堆垛机位置的精确控制；
(3)根据堆垛机的实际工作情况，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，编制出控制程序和故障检测程序，使PLC控制系统更加完善，更好地控制整个系统的运行；

2 SRMC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，分别从堆垛机的速度控制、系统主控制器的选择及堆垛机的定位控制方案三个方面进行阐述。
2.1 SRMC系统
目前，堆垛机的控制方式大致可以分为手动操作、半自动控制、全自动控制、远程控制与计算机控制等。计算机控制的控制系统，考虑到备用情况，一般由三级组成。最低一级是利用堆垛机上的控制盘手动操作，其次是为了遥控利用安置在地上的控制盘的数字开关进行操作，最高一级采用计算机控制，三级可以转换运转。如图2-1所示。

图2-1 SRMC系统
采用遥控时，也必须具有低级的手动操作功能，采用自动控制时使用机上控制盘，但控制方法，在本质上与遥控基本相同，因此以遥控为中心来叙述堆垛机的控制系统。图2-2所示为在自动运转情况下以及特殊情况下的堆垛机作业循环的作业流程图。堆垛机按行走、升降、货叉伸缩等三种操作，根据指令自动定位，进行叉取作业。
当用户发出存货要求时，系统根据仓库货位情况，给出货物的存放地址，上位机根据堆垛机的当前位置，经过货位地址变换，给出相对于堆垛机当前位置的货位地址，发出存货指令给堆垛机。SRMC系统接收信号后，在货物输入口接收货物，堆垛机行走，同时载货台沿立柱作升降运动。当运动到达目的货位时，货叉开始伸缩运动，执行存货操作，完成操作后在此位待命或返回至规定位置。用户发出取货要求，给出货位地址（货位地址用相应的排号、列号、层号组成）后，上位机（计算机）根据堆垛机当前位置，经过货位地址变换，给出相对于堆垛机当前位置的货位地址，发出取货指令给堆垛机。SRMC系统接收信号后，堆垛机行走，同时载货台沿立柱作升降运动。当运动到达目的货位时，货叉开始伸缩运动，执行取货操作，堆垛机将所取货物送至货物输出口，然后在此位待命或返回至规定位置[10]。

当系统出现故障时，用户需对系统进行检修，可以通过控制面板上的按钮进行堆垛机的升、降、急停以及货叉的伸、缩等手动控制操作[8][9]。
2.2 SRMC系统的功能要求
堆垛机系统是立体仓库货物存取任务的最终执行者，其主要运动包括：
(1)堆垛机沿货架巷道（列方向）的前后高低速运动；
(2)堆垛机沿立柱（层方向）的上下升降运动；
(3)安装在堆垛机载货台上的货叉机构的升降伸缩运动[8]。
因此，SRMC系统的功能主要应包含以下几方面的内容：
(1)自动控制功能：运用地面控制台系统，完成货物的自动出入库任务。此时可以接受地面控制台的各种命令操作，如：入库、出库、运行到目标列层、进、退、升、降等；
(2)手动控制功能：仅能通过控制面板的按钮进行进、退、升、降、急停等控制操作。此功能主要用于系统的检修与调试；
(3)安全保护功能：实时监测各关键器件的使用情况及系统的运行情况，出现故障时及时报警。
对于以上的各种控制功能，主要应由以下几个方面来完成：
(1)速度控制：堆垛机工作时在各种方向上的运行速度；
(2)定位控制：以适合的速度运行并精确地定位在货格或入出库口处；
(3)通讯功能：与上位机及其它仓库设备的通讯；
(4)保护功能：具有一定机械和电气方面的保护功能；
(5)人机界面：通过I/O设备，提供本机状态信息或遥控操作[10]。
2.3堆垛机的速度控制方案
在立体仓库中，交流异步电动机是堆垛机系统中的驱动部件。一般情况下，其调速方式分为：电机减速器调速、变极调速、串阻调速、串极调速、滑差电机调速和变频调速等。用减速器进行调速，调速设备不仅体积大，调速效率低，而且容易发生机械故障。其它几种调速方法与变频调速方法相比，使用起来又非常不便。随着对于电动机调速性能要求的逐步提高，变频调速技术得到了长足的发展。
2.3.1变频调速技术的优点
变频调速技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如：调速范围广、输出平滑性好、机械特性较硬、能很好地实现异步电动机的无级调速、可实现有效的节能、可方便地进行恒转矩调速和恒功率调速等。尤其当电机带动较大负载启动时，会有较大的冲击电流，若采用变频器控制，可以实现电动机的软启动，减小冲击电流，从而解决了大负载的启动问题。另外，变频器还具有很强的保护功能，在电机运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压。这种自我保护的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机。综上所述，变频调速技术不仅在性能上大大优于以往的交流电机调速方式，并且将会逐步取代直流电机的调速方式，用交流异步电机取代直流电机，将会使调速系统变得更加简单。
综上所述，采用改变供电电源频率的调速方法，从本质上讲，是一种无级、平滑而又经济的调速方法。变频时使电压按不同规律变化，可以实现恒转矩或恒功率调速，以实现不同负载的要求，这些均早已被人们所认识和掌握。随着可控硅静止变频装置的出现，解决了运行性能较为理想的变频电源问题，使异步电动机变频调速技术获得了进一步的发展，为其广泛地应用开辟了新的途径，特别是较为理想地解决了普通鼠笼式电动机的变频调速问题。因此，在本SRMC系统中，我们选择变频调速的方式对电动机进行速度的控制[16][20]。
2.3.2变频器的基本结构
变频器是把工频电流（50HZ或60HZ）变换成各种频率的交流电流，以实现电机变速运行的设备。变频器一般由控制电路和主电路构成。控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能，从而实现对主电路的控制。图2-3所示为通用变频器的结构原理。

图2-3变频器的构成
变频器的主电路，包括整流电路和逆变电路两部分。其中，整流电路是把输入到变频器的工频交流电变换成直流电，且对直流电进行平滑滤波，然后逆变电路再将此直流电变换成实际需要的各种频率的交流电，从而驱动电动机的运转。
2.4系统主控制器的选择方案设计
在当今的工业控制领域，有相当多的控制手段和设备，比如：继电器控制、个人计算机控制、单板机控制、集散控制系统（DCS）以及可编程控制器（PLC）控制等等。PLC的梯形图与继电器控制线路图十分相似，同时，信号的输入/输出形式及控制功能也是相同的，但两种控制方式又有不同之处。PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便，但价格高于继电器。与个人计算机相比，PLC是一种用于工业自动化控制的专用微机控制系统，结构简单，抗干扰能力强，价格也较低。单板机结构简单、价格低，在数据采集与处理等方面优于PLC，但不如PLC容易掌握，抗干扰性能也较差。集散控制系统在回路调节、模拟量控制方面较PLC有一定优势，但PLC在开关量控制、顺序控制等方面又优于前者。综上所述，可编程控制器作为一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，具有其独特的优点[23][24]。
2.4.1可编程控制器概述
可编程控制器（Programmable Controller），简称PLC，是一种以数字计算机为基础的通用型工业控制装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种型的机械或生产过程，具有适用于各类控制所必需的高可靠性、配置扩充的灵活性。对于工程技术人员来说，它具有简单易学、使用维修方便等特点。PLC自问世以来，经过30多年的发展，己经成为最受欢迎的工业控制类产品，较好地解决了工业控制领域中普遍关心的安全、可靠、方便、灵活、经济等问题[21]。
2.4.2 PLC的基本组成
PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10cm[11]。无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。
2.4.3 PLC各部分的功能
(1)中央处理单元（CPU）
CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心，按照系统程序所赋予的功能，可以完成以下任务：
①接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；
②诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；
③用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；
④PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；
⑤将用户程序的执行结果送至输出端。
现代PLC使用的CPU主要有以下几种：
①通用微处理器，如80801等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统和丰富的软硬件资源；
②单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能I/O模块；
③位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用[12]。
(2)存储器
根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下三种：
①系统程序存储器：和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM；
②用户程序存储器：用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池（锂电池）保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM；
③工作数据存储器：工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。
元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式为每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/D转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。
(3)I/O单元
I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系，输入单元接收操作指令和现场的状态信息，如控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。
2.4.4 PLC的主要特点
可靠性高、抗干扰能力