自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的研究

王濤 王忠慶

【摘要】現(xiàn)代物流體系中，自動化立體倉庫的使用越來越受到人們的重視，堆垛機是自動化立體倉庫中的關鍵部分。堆垛機的性能對整個系統(tǒng)的可靠性、安全性、運行效率等造成直接影響。所以，本文對堆垛機的控制系統(tǒng)進行了分析和研究。

【關鍵詞】堆垛機;PLC;自動化立體倉庫

Stacker control system research on Automation Stereoscopic Warehouse

North University of China ?Wang-Tao ?Wang-ZhongQing

Abstract：In modern logistics system，the use of automated stereoscopic warehouse more and more get people's attention，stacker is a key part in automation stereoscopic warehouse.The performance of the stacker having a direct effect on the whole system，with reliability，security and efficiency.So，in this paper，the stacker control system are analyzed and studied.

Key words：Stacker;PLC;automation stereoscopic warehouse

隨著工業(yè)自動化程度的提高和物流行業(yè)的發(fā)展，自動化立體倉庫作為物流系統(tǒng)的重要組成部分，越來越多地被人們重視。它是現(xiàn)代工業(yè)社會發(fā)展的高科技產(chǎn)物，對提高生產(chǎn)率、降低成本有著重要意義。一個完整的自動化立體倉庫系統(tǒng)，應該包括貨架，巷道堆垛機系統(tǒng)、出入庫輸送機系統(tǒng)、中控系統(tǒng)、計算機倉庫管理系統(tǒng)和其它設備，是一個不直接進行人工干預的自動存取物流系統(tǒng)。

1.堆垛機的組成

巷道堆垛機是自動化立體倉庫中最關鍵的設備，它能夠在巷道中來回運行，將位于巷道口的貨物存入貨架、或者取出貨架里的貨物運送到巷道口。堆垛機主要三個控制系統(tǒng)組成，分別是前行系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、伸縮系統(tǒng)。

1.1 基本功能

堆垛機進行水平方向移動（X軸方向），垂直方向升降（Y軸方向），貨叉左右伸縮（Z軸方向）共三個方向的運動完成對貨物的搬運是堆垛機的最基本的功能，其它的傳感器檢測對運動進行檢測。

1.2 其他功能

堆垛機還必須具有和中控系統(tǒng)，上位系統(tǒng)通訊的功能，接受其發(fā)出的命令信息，以及反饋給它們的自身狀態(tài)信息，例如：作業(yè)信息，報警信息等。

2.控制系統(tǒng)方案

本文研究的堆垛機控制系統(tǒng)架構主要分為三級結構，由上位機系統(tǒng)、中控PLC系統(tǒng)、設備PLC控制系統(tǒng)組成。

上位機系統(tǒng)主要包括：計算機倉儲管理系統(tǒng)（WCS/WMS）、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）組成。該系統(tǒng)處于最上端，可以調(diào)度、監(jiān)控和管理所有設備。

中控系統(tǒng)處于控制系統(tǒng)上端，是系統(tǒng)中的核心設備，負責接收上位機的控制命令，發(fā)送給下層PLC，并實時和下層PLC進行數(shù)據(jù)通訊，接收下層PLC的各種狀態(tài)信息反饋上報。

設備PLC控制系統(tǒng)屬于底層，是堆垛機執(zhí)行操作的控制系統(tǒng)，直接控制伺服控制器與電機，完成堆垛機三向運動功能和保護功能。

2.1 堆垛機的運行模式

堆垛機的控制方式主要分為手動操作、遠程控制、自動控制。在自動模式下，上位調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)用戶的信息要求，對所有堆垛機進行控制;在遠程控制模式下，由現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）下發(fā)控制命令，控制一臺或多臺堆垛機動作;在手動操作模式下，由本機控制系統(tǒng)中的操作終端單獨控制某一電機動作。圖1為自動模式下的堆垛機作業(yè)流程圖，堆垛機按X、Y、Z三個方向進行動作。當用戶發(fā)出存取貨命令時，上位系統(tǒng)根據(jù)倉庫貨位情況給出貨物的地址信息（巷道號、排、列、層），發(fā)給堆垛機，堆垛機接收并翻譯后，完成一系列相關動作，實現(xiàn)貨物的存取。

圖1 自動模式作業(yè)流程圖

2.2 堆垛機的運動

2.2.1 技術要求

（1）速度特性

堆垛機作業(yè)效率的高低與其加速度，水平和垂直方向的行走速度及目的位置的遠近有關。要提高工作效率，就必須提高行走速度的加速度。但是速度、加速度的提高要有限制，過大的加、減速度會引起貨架的縱向振動，會使貨架倒塌，并使定位時間過長，不能保證定位精度。

（2）定位精度

由于堆垛機在狹長的巷道中行走，兩邊是固定貨架，并且貨叉會在貨架中左右伸縮，因此為了使堆垛機能夠準確的存取貨物，避免機械碰撞，就必須保證定位精度。

（3）作業(yè)路徑

堆垛機從當前位置行走到目的位置的時間最短為最優(yōu)化方案。采用水平和垂直各自獨立同時運行的方法。

（4）安全保護

安全保護包括堆垛機的限位限速保護，堆垛機對貨架，貨物，出入庫站臺的各種控制操作的互鎖保護，以保障堆垛機的安全運行。

2.2.2 速度控制方案

本文采用梯形速度曲線控制方式，圖2所示為典型的梯形速度曲線控制圖，開始時以恒定的加速度加速到點A點，然后以恒定的速度勻速前進，到達B點后開始減速制動直到停車。梯形速度控制方式要根據(jù)堆垛機目標的位置，精準地對加、減速度大小進行調(diào)節(jié)，才就能達到準確停車要求。對于系統(tǒng)已設定恒定速度V，加速度a和目標地址K，通過速度路程算法，確定減速點B，從而控制堆垛機精準定位。

圖2 速度曲線控制圖

2.2.3 定位地址方案

堆垛機完成正確的存取貨物操作，關鍵是其準確可靠的認址和定位，保證準確無誤地定位在目的地址。本文采用旋轉(zhuǎn)編碼器認址和激光認址相結合的認址方案，利用PLC-伺服控制器-伺服電機方式進行動作，通過計算好伺服電機的轉(zhuǎn)數(shù)或要走的距離，按比例發(fā)脈沖給伺服驅(qū)動器，加上電機方向信號來運動，激光用來反饋誤差信息。

3.結束語

本文對堆垛機的控制系統(tǒng)進行了深入的研究，給出了性能良好的堆垛機控制系統(tǒng)的組成方案。但是隨著物流行業(yè)自動化技術的不斷發(fā)展，堆垛機的高度和速度也不斷提高，必將直接影響到堆垛機的定位精度，因此研究堆垛機的行走速度與定位精度之間的關系會是一個持續(xù)的課題。尤其是在運動控制方面，更優(yōu)化的速度控制方案，更能滿足速度和精度的更高要求，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定、高效是未來堆垛機研究的重要方向。

參考文獻

[1]劉昌棋，董良.自動化立體倉庫設計[M].機械工業(yè)出版社，2007.

[2]周興萬.自動化立體倉庫中堆垛機的位置定位和速度控制[M].拖動與控制，1998（6）：48-49.

作者簡介：

王濤（1990—），男，山西晉城人，中北大學碩士研究生在讀，主要研究方向：電氣傳動自動化。

王忠慶，男，中北大學副教授，碩士生導師，研究方向：控制理論與控制工程，導航、制導與控制，檢測技術與自動化裝置。