自動化立體倉庫堆垛機的控制與設(shè)計研究

摘?要：在自動化立體倉庫中，堆垛機作為一個不可或缺的核心設(shè)備，其工作效率與穩(wěn)定性，對于立體倉庫的使用性能而言，能夠起到直接的重大影響;本文關(guān)于自動化立體倉庫堆垛機的控制與設(shè)計研究，介紹堆垛機的相關(guān)概念：堆垛機的工作原理、基本功能與其他功能、堆垛機控制的功能等，主要進行自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的設(shè)計;希望可以為自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：自動化立體倉庫;堆垛機;控制系統(tǒng);設(shè)計

自動化立體倉庫，采用的是一個具備了幾層、十幾層、幾十層等不同規(guī)格的貨架，來進行單元式的貨物儲存，并且還利用了一系列的物料搬運設(shè)備，例如，堆垛機、輸送機、LGV等，來進行貨物的出入庫作業(yè);接下來，我們就對其中最為核心的堆垛機設(shè)備，進行相應(yīng)的介紹與說明。

1 堆垛機的相關(guān)概念

1.1 堆垛機的工作原理

在立體倉庫中，設(shè)置的有兩條巷道、兩臺堆垛機、四排高層貨架;其中每排貨架都是9列14層的，而且每個貨格都設(shè)置的有兩個托盤位，一共有1008個托盤位;在巷道中的堆垛機，都是由行走電機，采用驅(qū)動軸的方式來帶動車輪，以此在導(dǎo)軌上進行水平移動;以及利用提升電機的鋼絲繩，來帶動載貨臺，以此作垂直的升降移動;堆垛機工作原理，就是采用以上的幾種三維運動方式，來進行貨位的取出與送入;其中，行走的認址器、提升的認址器，是用于控制堆垛機的水平行走位置，與載貨臺的升降位置的，而且在貨叉方向，可以采用相應(yīng)的接近開關(guān)定位。

1.2 堆垛機控制的功能

（1）通訊功能：保持堆垛機與上位機以及其他倉庫設(shè)備之間的通訊;

（2）三維動作控制：控制堆垛機做水平、垂直、左右等方向上的運動;

（3）位置控制;控制堆垛機以合理的速度進行移動，并且開展精確的定位;

（4）保護功能：為堆垛機提供各種電氣與機械保護，讓其在進行頻繁的高速運動時，不易有安全事故的發(fā)生，以此確保堆垛機的安全使用。

2 自動化立體倉庫堆垛機的控制與設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

堆垛機的控制核心，一共有兩種方式：一是以單片機形式來控制，二是以可編程控制器為主來進行控制;本此設(shè)計的自動控制系統(tǒng)，采用的是S7-300PLC，并且因為考慮到CPU與HM I、CPU、上位機等之間的通訊問題。所以，就至少需要使用2個通訊端口;除此之外，還選擇得有6ES7 321-lBL0O-0AA0、6ES7 322-lBL00-0AA0的輸入、輸出模塊;同時，還要在CPU中，設(shè)置2個通訊接口，以便采取多種通訊模式才可進行;因此，在本此控制系統(tǒng)的設(shè)計中，采用的是一種自由口的模式，選取了PortI、HM等的通訊;其中，Por2將負責與紅外通訊器之間來進行通訊;而自由口的通訊，建立于RS485的硬件基礎(chǔ)上，一種具備很多特色是通訊方式;在自由口的通訊過程中，用戶能夠?qū)τ谕ㄓ崊f(xié)議，進行一些簡單定義的設(shè)置;例如：數(shù)據(jù)長度、奇偶校驗等，還能夠讓用戶進行的通訊功能程序的完全控制。

此外，選用OP3的操作面板，不僅是因為它在功能的使用上面，十分的簡單，而且在利用PROTOOL軟件來進行編輯時、或者是在進行現(xiàn)場操作的時候，都具有很大的便利性;為了能夠充分滿足，移動設(shè)備與上位機間通訊的需要，在一般情況下，都會在工業(yè)現(xiàn)場，使用這三種解決方案，它們分別為紅外器通訊、滑觸線通訊、無線射頻通訊;但又因必須考慮以下的因素：一是因為在經(jīng)過長期通訊之后，滑觸線中的碳刷受到了一定程度的磨損，從而會導(dǎo)致對于通訊效果的影響;二是出于對經(jīng)濟性的考慮，因為購買無線射頻通訊器的價錢，遠超于購買紅外通訊器所花的金額;三是因為在本次設(shè)計中，其立體倉庫設(shè)置為冷藏庫，所以，在其現(xiàn)場就不會有的油粉塵等的嚴重污染，對于其通訊效果也不會產(chǎn)生什么干擾性的影響;因此，在最終的決定，采用的是紅外通訊的方式，圖1就是該方式下的控制系統(tǒng)的硬件配置圖。

2.2 系統(tǒng)工作的原理

①定位檢測。當堆垛機中的可編程控制器，一旦收到來自操作面板與上位機，發(fā)出的存取的信號與地址之后，便會向指定方向的貨位，運行;而認址定位技術(shù)，就是確保堆垛機開展精準運行的關(guān)鍵;目前，認址技術(shù)有旋轉(zhuǎn)編碼器認址、光電傳感器認址、激光測距認址等;而在本次的控制系統(tǒng)設(shè)計中，使用的便是光電傳感器認址;因為它不僅能夠較為簡單的就實現(xiàn)準確的堆垛機運行，而且還有單光電認址與雙光電認址，最重要的是其價格也比較合適。

在圖2所示的取貨認址示意圖中，U型光電的開關(guān)，由PH1、PH2、PH3來分別表示;而且它們都被安裝于堆垛機中，垂直運行的載貨臺上，能夠跟著載貨臺，進行上下的運行;其中，認址片則固定于堆垛機的立柱上;當堆垛機在進行作業(yè)時，取貨高度與放貨高度是一樣的，因為不同貨物，都是擺放于各個不同貨格的不同托盤中，而且在取貨時，貨叉由必須與每層的貨格臺面，保持一定的齊平，好讓貨叉能夠伸入托盤的凹槽中完成取貨;除此之外，在PLC程序中，還需設(shè)置C1、C2、C3等3個計數(shù)器，來對分別應(yīng)光，電開關(guān)中的PH1、PH2、PH3;其中，對于PH3的光電開關(guān)來說，一旦其被認址片遮擋1次，計數(shù)器的C3就會進行1次計數(shù)，其中計數(shù)的規(guī)則為：上升一次就加1，下降一次就減1;在圖2中，表示的是整個PH2的認址狀態(tài)和過程;由圖2可知，從（a）到（b），就表明PH2進行了1次認址，而計數(shù)器C2也就需要加1;當取貨時，要想獲取目標層的地址，就需將計數(shù)器C1與C2的數(shù)值之合，除以2得到的。

②變頻驅(qū)動。在倉庫里進行貨物的存取工作時，可以根據(jù)目標地址距離的具體情況，控制其萬能開關(guān)，將貨物置于水平方向，進行前進與后退的移動;其中，又包括了高速、中速、低速等擋位的行徑等級劃分。與此同時，也可利用另外的萬能開關(guān)，將貨物做垂直方向上的上升高速、上升低速、下降高速、下降低速等4個擋位的運行。

在工作時，變頻器需要，依靠傳感器的信號檢測來進行狀態(tài);而且電機只會進行速度給定，不會反饋速度的具體數(shù)值;因此，開環(huán)系統(tǒng)要想達到一定的精度，最關(guān)鍵的一步，便是要對傳感器，進行準確的定位檢測;在目標貨格的前個貨格中，便要開始采取換速，因為此時的變頻器，其輸出頻率已經(jīng)在逐漸地降低了;當堆垛機在低速運行時，可明顯看出因為其慣性較小，所以其傳感器的檢測也非常的準確，能夠較好的滿足精度定位的要求。

電機1有3種速度：1速、2速、3速，而且都可以進行單獨的設(shè)定;與此同時，還能夠在變頻器中，進行4、5、6、7等這4種的選擇設(shè)置;由于在變頻器的速度輸入中，只有3個端子;因此，得利用PLC的輸出點，對變頻器進行控制;例如，將1速與2速、1速與3速、2速與3速、1速與2速與3速等組合，以此來構(gòu)成4速、5速、6速、7速，方便電機2中4個速度的啟用。

3 結(jié)語

在我國物流行業(yè)與生產(chǎn)行業(yè)的迅速發(fā)展之下，自動化立體倉庫的功能要求與數(shù)量需求也在不斷地增長;為滿足我國物流與生產(chǎn)事業(yè)的平穩(wěn)化、智能化的發(fā)展趨勢，也必須不斷提高自動化立體倉庫的設(shè)計水平與堆垛機的技術(shù);本文介紹了堆垛機的相關(guān)概念，其中包括堆垛機的工作原理、基本功能與其他功能、堆垛機控制的功能：通訊功能、三維動作控制、位置控制、保護功能、人機界面;主要進行自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的設(shè)計。希望可以為自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，提供一定的參考。

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基金項目：2019年度廣西壯族自治區(qū)中青年教師基礎(chǔ)能力提升項目《一種遙控高層立體存垛庫的研究與實驗》（項目編號：2019KY1660）

作者簡介：蒙重寶（1984—），男，壯族，廣西崇左人，碩士，講師，研究方向：機械設(shè)計與制造。