自動化立體倉庫堆垛機控制系統的研究

王濤 王忠慶

【摘要】現代物流體系中，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

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

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組成，分別是前行系統、升降系統、伸縮系統。

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，上位系統通訊的功能，接受其發出的命令信息，以及反饋給它們的自身狀態信息，例如：作業信息，報警信息等。

2.控制系統方案

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

上位機系統主要包括：計算機倉儲管理系統（WCS/WMS）、數據監控系統（SCADA）組成。該系統處于最上端，可以調度、監控和管理所有設備。

中控系統處于控制系統上端，是系統中的核心設備，負責接收上位機的控制命令，發送給下層PLC，并實時和下層PLC進行數據通訊，接收下層PLC的各種狀態信息反饋上報。

設備PLC控制系統屬于底層，是堆垛機執行操作的控制系統，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，上位調度系統根據用戶的信息要求，對所有堆垛機進行控制;在遠程控制模式下，由現場監控系統（SCADA）下發控制命令，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流程圖，堆垛機按X、Y、Z三個方向進行動作。當用戶發出存取貨命令時，上位系統根據倉庫貨位情況給出貨物的地址信息（巷道號、排、列、層），發給堆垛機，堆垛機接收并翻譯后，完成一系列相關動作，實現貨物的存取。

圖1 自動模式作業流程圖

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堆垛機目標的位置，精準地對加、減速度大小進行調節，才就能達到準確停車要求。對于系統已設定恒定速度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數或要走的距離，按比例發脈沖給伺服驅動器，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進行了深入的研究，給出了性能良好的堆垛機控制系統的組成方案。但是隨著物流行業自動化技術的不斷發展，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的課題。尤其是在運動控制方面，更優化的速度控制方案，更能滿足速度和精度的更高要求，使系統運行穩定、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。