自動化倉庫控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造

文/陳永生 丁 莉

某礦倉儲中心的立體倉庫從2005年初建成并開始運行。當(dāng)時整個自動化倉儲行業(yè)在中國剛剛起步，自動化倉庫在中國還屬于新生事物，該立體倉庫剛建成時，在礦業(yè)系統(tǒng)里起到了標(biāo)桿性的效果。正是由于是新生事物，所以當(dāng)年立體倉庫控制系統(tǒng)還很不完善，立體倉庫建成后針對該系統(tǒng)一直是以維護、維修為主，其基本框架一直沒有改變。

隨著科技高速發(fā)展，自動化倉儲行業(yè)進入爆炸式發(fā)展階段。同時，立體倉庫控制模式也越來越完善。如果能利用現(xiàn)有技術(shù)，對立體倉庫控制系統(tǒng)進行升級，則是一件投資小、見效快的項目。

一、立體倉庫控制系統(tǒng)架構(gòu)介紹

立體倉庫控制系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1。從控制結(jié)構(gòu)上來說，主要有倉儲管理軟件和電氣控制軟件兩部分組成。其中，立體倉庫管理軟件包括倉庫管理系統(tǒng)（WMS）、貨位存儲控制系統(tǒng)（LCS）、堆垛機系統(tǒng)（SRM）和輸送機系統(tǒng)（Conv）。圖1中紅色虛線部分為堆垛機電控系統(tǒng)，其電氣控制軟件包括PLC控制程序、變頻器控制程序等。處理器PLC相當(dāng)于整個SRM系統(tǒng)的大腦，用于存儲SRM系統(tǒng)接收到的任務(wù)，將接收到的任務(wù)進行轉(zhuǎn)換后，控制各個執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動作，如變頻器、抱閘裝置等。

圖1 立體庫系統(tǒng)架構(gòu)圖

抱閘裝置在接收到來自于PLC的控制信號后，會打開電機剎車，以便電機執(zhí)行相關(guān)動作，等到堆垛機執(zhí)行完某個動作后，在變頻器的輔助控制下將剎車閉合。

驅(qū)動機構(gòu)變頻器在接收到PLC的指令后，通過內(nèi)部運算會控制堆垛機電機按一定的速度執(zhí)行動作，并根據(jù)電機編碼器反饋的轉(zhuǎn)速進行微調(diào)，同時實時與PLC進行分析數(shù)據(jù)信息交互，以保障堆垛機能平穩(wěn)運行。

二、存在的問題

立體倉庫經(jīng)過多年運行，發(fā)現(xiàn)堆垛機現(xiàn)有的電控系統(tǒng)在運行過程中存在如下缺陷：

●行走機構(gòu)加減速緩慢，效率低。

●貨叉運行效率低。

●機械撞擊大。

●走行過程中走行輪與地軌撞擊，特別是在剎車及拐點階段。

●安全性低，主要是抱閘單一、剎閘時間長。

近年來，應(yīng)用于立體倉庫的電氣元件和電控程序有了跨越式發(fā)展和進步，這就給立體倉庫升級改造留下了極大空間。因此，公司對堆垛機電控系統(tǒng)進行了升級改造，以解決行走機構(gòu)加減速緩慢、效率低、貨叉運行效率低等問題。

三、改進要求

提升堆垛機運行效率。

堆垛機的起動、停止進行控制系統(tǒng)更加柔和，減少工程機械振動和撞擊。

堆垛機停止行走后，剎車功能配以變頻器的參與，提高了安全性。

將堆垛機工作畫面進行提升，使其具有全面的顯示功能，操作進一步簡單，故障提示經(jīng)優(yōu)化后能更詳細(xì)。

四、具體的實施方案

1.提升堆垛機的運行效率

（1）提高貨叉的運行效率

現(xiàn)堆垛機的貨叉速度控制方式為梯形速度控制（如圖2）。在梯形速度控制中，為保證貨叉的停止精度，貨叉運行末端低速運行的時間會比較長，從而造成取放貨時間比較長，影響堆垛機的運行效率。

通過對控制軟件進行升級，可縮短取放貨時間。

a.將堆垛機貨叉速度控制設(shè)計為S型曲線控制方式（如圖3），在保證貨叉停止精度的同時，減少或取消貨叉末端爬行時間，增加貨叉高速運行的時間，貨叉的伸縮速度可以提升，縮短貨叉取放貨時間，提高堆垛機的運行效率。

b.貨叉在貨物起升階段，用S型速度曲線控制取代恒定低速運行，提高起升貨物速度，減少起升時間。

c.在不同工況下選擇不同的速度，提高貨叉效率。

因貨叉在空載時的功率和扭矩余量比較大，同時能夠承受更大的加速度和速度，所以讓貨叉空載時運行在較高的加速度和速度下，滿載時運行在額定加速度和速度下，這可在不增加硬件成本的情況下提高堆垛機的作業(yè)效率（可提高貨叉運行效率15%以上）。

（2）提高堆垛機的走行效率

將堆垛機走行和貨臺升降，從梯形速度控制改為S型曲線速度控制。由圖4可見，梯形速度控制時，跟蹤曲線振動幅度變化大且耗時長，而S型曲線速度控制時，跟蹤曲線振動幅度減少，耗時少于梯形速度控制。由此可見，該方案能適度提高走行和載貨臺起升速度，進而縮短堆垛機的運行時間，改善設(shè)備工作時的運行效率。

2.堆垛機的運行、起動、制動控制更加柔和，減少機械振動和沖擊

新型速度控制模式對運行過程中加減速的變化率進行控制，有效減少或避免速度跳躍現(xiàn)象，有效解決堆垛機在加速和減速過程中出現(xiàn)的速度跳躍（或者叫速度拐點）給設(shè)備形成應(yīng)力沖擊，減輕對機械部件的沖擊，從而提高使用壽命，減少引發(fā)的振動，減輕對機械部件的沖擊。

圖2 梯形速度控制

圖3 S型曲線速度控制

圖4 堆垛機運行時間減少的對比圖

圖5為推導(dǎo)出來的S曲線算法PLC程序段，PLC經(jīng)過實時測距系統(tǒng)反饋回來的位置和當(dāng)前的速度和補償，計算出當(dāng)前的實時速度，并實時刷新到變頻器，從而保證能柔和堆垛機的運行、起動、制動控制，提高運行效率，如圖6。

圖5 S型曲線算法PLC程序段

3.設(shè)計新型故障停機的控制模式，使堆垛機受控停機，減少沖擊和振動

采用新的控制方式后，發(fā)生故障時，堆垛機采用受控停車，保證停車距離最短和停車安全情況下，最大限度減少對設(shè)備的沖擊。徹底解決堆垛機故障時，減速停車距離不定，直接機械抱閘，使堆垛機處于無控制狀態(tài)，造成堆垛機走行驅(qū)動部件與地軌間摩擦大、噪音大等；徹底解決堆垛機在軌道末端時，因堆垛機本身的運動慣性，造成撞擊防護墩，對機械本身危害極大問題。

圖6 堆垛機的行走、起動、停止控制優(yōu)化前后對比圖

4.堆垛機行走電機、載貨臺升降電機，引入變頻器參與抱閘，提高機器安全性

目前，堆垛機行運電機、載貨臺升降電機的制動控制采用單一的PLC控制，存在一定安全隱患。軟件升級改造后，引入變頻器參與制動控制，實際上就是引入變頻器反向制動，這樣可以緩解單一的PLC制動控制造成的對制動摩擦過大，緩解單一制動負(fù)擔(dān)，可有效增加運動系統(tǒng)的安全性。變頻器加入位置，如圖7。

圖8為運行和貨叉電機增加了變頻器反饋信號（通過通信讀取變頻器的狀態(tài)后，根據(jù)一定的算法計算出來）的程序段，PLC根據(jù)之前算法計算出來的速度，判斷是否可以安全剎車，如果在安全剎車范圍內(nèi)再根據(jù)變頻器反饋回來的狀態(tài)最終決定是否制動，從而提高堆垛機運行的安全性、可靠性。

圖7 加入變頻器的位置對比圖

圖8 增加變頻器的反饋信號程序段

5.故障信息更加全面。

有總數(shù)超過80條（原來20條）的報警信息，基本涵蓋了堆垛機使用中的所有故障信息。現(xiàn)在可避免出現(xiàn)以前那種堆垛機停住不動，而操作人員卻不知原因的情況。同時，報警信息提供了較以前更詳細(xì)的說明，包括哪里發(fā)出的報警、報警發(fā)生的時間等詳細(xì)信息，操作人員可根據(jù)采集到的信息進行針對性地故障處理。

五、改造效果

通過電氣控制程序進行升級優(yōu)化，最大程度地利用了現(xiàn)有硬件系統(tǒng)，這使改造成本降到最低。升級完成后，達(dá)到如下效果：

●降低80%故障率。

●運行效率提升50%。

●配件更換保持在每臺堆垛機每年小于1萬元。相對使用10年以上的設(shè)備，行業(yè)內(nèi)平均損耗率在4～5萬元，因此每年創(chuàng)造經(jīng)濟效益至少20萬元。

六、現(xiàn)存不足與改進方向

1.不足之處

通過分析立體庫系統(tǒng)構(gòu)架，可以發(fā)現(xiàn)對于倉儲系統(tǒng)而言，整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)以堆垛機系統(tǒng)為主要環(huán)節(jié)，升級堆垛機電控系統(tǒng)能在一定程度上提升堆垛機本身的運行效率，從而達(dá)到提高倉儲系統(tǒng)的工作效率。另外，倉儲系統(tǒng)還包括上位軟件系統(tǒng)，如WMS系統(tǒng)、LCS系統(tǒng)。由于前期開發(fā)的軟件系統(tǒng)很多業(yè)務(wù)流程受到當(dāng)時技術(shù)影響，功能有限，控制方式單一，以至于大大降低了倉儲系統(tǒng)工作時的作業(yè)效率。

2.進一步改進的方向

經(jīng)過近幾年發(fā)展，軟件系統(tǒng)所依托的工控機、服務(wù)器等硬件已經(jīng)有了突破性升級。同時，倉儲軟件系統(tǒng)功能隨著行業(yè)發(fā)展越來越完善，如果能進一步進行硬件系統(tǒng)升級改造，將大大提升倉儲系統(tǒng)作業(yè)運行效率。