自動化立體倉庫堆垛機的控制與設(shè)計研究

葉煌城

（廈門航天思爾特機器人系統(tǒng)股份公司，福建廈門 361023）

0 引言

自動化立體倉庫采用多層、十多層、幾十層等貨架儲存貨物，并配備了堆垛機、輸送機和輕型卡車等一系列物料搬運設(shè)備，對貨物進行整理和儲存，本文將主要介紹和解釋自動倉庫中的核心存儲設(shè)備。

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)置有巷道、堆垛機、高層貨架等。一般情況下，巷道內(nèi)的堆垛機由行走電機驅(qū)動，通過驅(qū)動軸帶動車輪在軌道上水平移動，貨運平臺利用提升電機的鋼絲繩垂直上下移動。堆垛機的工作原理就是利用上述多種三維運動方式提取和運輸貨物，通過移動接收器和提升接收器來控制堆垛機的水平移動和貨物平臺的提升位置，貨運平臺上相應(yīng)的鉸接開關(guān)可用于控制貨叉的方向。

1.2 堆垛機控制的功能

堆垛機在控制方面擁有很多功能，主要功能有4 點：①通信功能，堆垛機的通信功能保證堆垛機在使用過程中順利地和其他設(shè)備保持順暢的交流和溝通；②三維動作控制，主要對堆垛機運行時的各種動作進行控制，例如前進、退后、轉(zhuǎn)彎、上升等；③位置控制，當堆垛機移動時，對其目的地進行精確地定位和導(dǎo)航；④保護功能，堆垛機在進行高速運動時，對堆垛機提供保護，避免發(fā)生安全事故。

2 堆垛機的認址

堆垛機在整理和堆放貨物時，需要精確定位。堆垛機能否準確地到達目的地，與其內(nèi)部的PLC 或自動操作系統(tǒng)有密切聯(lián)系，只有在這兩者的操作下自動進行，才能夠保證堆垛機的精確定位。立體倉庫的貨架上一般都設(shè)置有堆垛機能識別的條碼，順著巷道不同的延展方向，將其分別設(shè)為x、y、z 巷道，對應(yīng)的分別是排、層、列的位置。通過識別出貨物所處的位置，將其準確地運送到目的地，堆垛機能夠準確、高效地進行識別和運行。目前堆垛機確認貨物的方式主要有兩種，一種是絕對認址，一種是相對認址。

2.1 絕對認址

絕對認址能夠?qū)⑺胸浥撋系臋M梁和安裝在立柱上的每層上橫梁開關(guān)進行識別，還能夠識別分別設(shè)置在蓄電池側(cè)和蓄電池升降平臺側(cè)的固定地址標志牌。當堆垛機通過時，認址標志可以阻擋或傳送光電開關(guān)，形成17 位二進制代碼，由PLC 計算x和z 坐標，以確定機器運行的位置。這種地址識別方法使PLC編程更簡單，地址識別更可靠。但這種地址識別方法需要更多的光電開關(guān)，所以硬件成本高，調(diào)試設(shè)備復(fù)雜，特別是當整個立體倉庫被替換時，這種地址識別方法的可移植性很低。

2.2 相對認址

相對認址是在各層所有走廊貨艙和相應(yīng)懸掛柱的對應(yīng)位置，以及一些固定地址，設(shè)置標識擋板和兩個光電開關(guān)（一個為靜態(tài)光開關(guān)），分別安裝在起重機和平臺旁。在升降機前后、上下移動時，貨艙內(nèi)的每個光電脈沖應(yīng)減少以獲得地址，如果發(fā)生錯誤，會使所有地址都是錯誤的，因此這種地址識別方法的可靠性非常低。為了提高地址的可靠性，采用兩個光電開關(guān)同時進行認址確認和互檢，當兩臺計時器出現(xiàn)差異時會發(fā)出警報。

2.3 本文的認址方式

本文選用上海加倍福公司的絕對認址識別方法、激光測距技術(shù)和Ed2401p 激光測距儀，并將其安裝在激光測距發(fā)射機的堆垛機上。接收器位于通道的近端，進行直接固定輸出，并連接到Profibus DP 總線。

3 自動化立體倉庫堆垛機的控制與設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

堆垛機在進行控制時，其控制的方法主要有兩種，一種是單片機的控制形式，另一種是利用可編程邏輯控制器來進行，其采用的是S7-300PLC，但是考慮到其CPU 與HMI、上位機之間存在著通信上的問題，所以一般會設(shè)置兩個接口供通信使用?？偟膩砜矗詣踊Ⅲw倉庫堆垛機主要包括貨架貨廂、巷道式堆垛機、出入庫輥道鏈條輸送機、監(jiān)控系統(tǒng)。

因此，在控制系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了自由口的模型，并選擇了Poel 和HM 等通信方式。其中，POI 負責(zé)與紅外通信單元的通信，自由口的通信采用RS-485 硬件，因為它具有多種通信方式的特點。在自由口的通信過程中，用戶可以簡單地定義通信協(xié)議，如數(shù)據(jù)長度、奇偶校驗等，完全控制用戶自己的通信功能程序。與此同時，還可以選用OP3 的自由操作板面，選擇該操作面板不僅使用簡單，而且使用PROTOOL 軟件進行現(xiàn)場編輯或操作非常方便，完全滿足移動設(shè)備與主機通信的需要。這3 種解決方案廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，即紅外通信、滑線通信和射頻通信。但需要考慮以下因素：①長時間通信后滑道上的碳刷會磨損，影響通信效果；②經(jīng)濟性，無線通信設(shè)備的采購價格遠高于紅外通信設(shè)備。某項目采用立體倉庫作為冷藏庫，現(xiàn)場無嚴重的粉塵污染，也不會影響通信效果，所以最終確定使用紅外通信方式。

3.2 系統(tǒng)工作的原理

（1）定位檢測。操作面板和上位機發(fā)送接入信號和地址后，自卸車內(nèi)的可編程控制器按指定方向在裝載位置運行。其中，地址命名和定位技術(shù)是保證堆垛機正常運行的關(guān)鍵，地址識別技術(shù)是由旋轉(zhuǎn)編碼器、光電傳感器和激光測距共同發(fā)揮作用的，在控制系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了光電傳感器的地址識別技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)集中器的精確操作，還可以實現(xiàn)單光電地址和雙光電地址，因此無論是價格方面還是運行方面都比較合適。

（2）變頻驅(qū)動。在出庫和入庫過程中，堆垛機可根據(jù)到目標地址的特定距離控制通用開關(guān)，使貨物水平來回移動，包括高速、中速和同步移動，另一個總開關(guān)可用于在四種垂直速度下操作貨物，即高速上升、高速下降、低速上升和低速下降。在工作期間，變頻器根據(jù)傳感器的信號檢測來檢測狀態(tài)，電機只需確定速度，不反饋速度的具體值。因此，實現(xiàn)開環(huán)系統(tǒng)精度的關(guān)鍵步驟是檢測傳感器，驗證傳感器的正確位置，速度調(diào)節(jié)從目標貨艙的前艙開始。由于變頻器輸出頻率低，低速堆垛機慣性小，傳感器檢測精度高，能夠滿足精確定位的要求。電機有1 速、2 速和3速3 種速度，可單獨設(shè)置，利用變頻器還可以增設(shè)4 速、5 速、6速3 種速度。由于變頻器的速度輸入只有3 個端子，因此需要使用PLC 的輸出點來控制變頻器。

4 堆垛機的變頻調(diào)速閉環(huán)控制

4.1 變頻控制的應(yīng)用及其存在的問題

目前，必須通過變頻調(diào)速手動設(shè)置多個固定頻率，如3 個中速和低速頻率，以實現(xiàn)存儲通道的自動反轉(zhuǎn)。根據(jù)變頻器運行的目的，可根據(jù)3 個頻率進行PLC 調(diào)節(jié)。然而，隨著堆垛機運行速度的提高，開環(huán)和閉環(huán)的分層調(diào)整方法已不能滿足控制要求。

4.2 閉環(huán)無級控制原理

根據(jù)反饋的存在性，一般工業(yè)控制系統(tǒng)可分為開放控制和封閉控制。在開放式控制系統(tǒng)的輸出和輸入端沒有反饋電路，在閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出端有反饋電路。輸入端之間有反饋電路，輸出端直接影響控制效果，利用反饋信息可以減小輸出差異，其顯著優(yōu)點是精度高。該系統(tǒng)由兩部分閉環(huán)控制組成，堆垛機運行速度的閉環(huán)控制要求激光測距儀根據(jù)堆垛機當前速度信號實時調(diào)整變頻器的頻率值，使堆垛機在要求的速度下快速穩(wěn)定運行。通過移動集中器，當堆垛機到達目標地址時，激光測距儀根據(jù)堆垛機反饋的距離信號和預(yù)設(shè)的控制策略調(diào)整堆垛變頻器的頻率值。機器首先以更高的速度接近目標地址，然后平穩(wěn)減速，到達目的地停止制動，采用閉環(huán)控制方式，實現(xiàn)倉庫道路集料機的高速運行自動化、變速平穩(wěn)、低速停車，滿足調(diào)速要求。

4.3 速度控制技術(shù)

堆垛機速度控制中，由于伸縮叉運動行程短，采用恒速低速控制。貨艙的提升運動由雙速電機控制，本研究的重點是輪式堆垛機的操作。根據(jù)倉庫物流實驗室的實際情況，確定了30 m/min的高速、15 m/min 的中速和5 m/min 的慢速指標。

4.4 高速度控制的硬件實現(xiàn)

為了實現(xiàn)對高速振動和噪聲的有效控制，有必要對技術(shù)標準和性能提出更嚴格的要求，并加以控制。綜合協(xié)調(diào)管理多個相關(guān)單元，將堆垛機作為一個系統(tǒng)進行分析研究，明確各單元與整體的關(guān)系，確保正常運行。根據(jù)堆垛機的操作程序，當工作速度超過100 m/min 時，噪聲曲線出現(xiàn)拐點和振蕩，噪聲急劇上升。噪聲控制的基礎(chǔ)是有效的振動控制，減振是成功的關(guān)鍵。

結(jié)合蓄能器結(jié)構(gòu)振動力學(xué)模型，綜合分析相關(guān)因素，采取以下機械減振措施：①堆垛機、塔架和滑行道是一個有機整體，這3 個部分的固有頻率接近時發(fā)生共振，為了避免共振，必須以不同的方式采取特殊的隔離措施；②堆垛機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計采用型材，提高強度，減輕自重；③波形設(shè)計應(yīng)避免共振速度；④車軸平行精度穩(wěn)定，下橫梁軸孔由數(shù)控鏜銑床一次夾緊完成所有加工，與運動部件相關(guān)的裝配精度，尤其是輪軸的平行度，要一次滿足所有要求；⑤斷繩保護接口處以鉗口的方式進行連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用重力自由同步制動專利技術(shù)，輥子傾斜度獨立，取消所有連桿和彈簧以簡化結(jié)構(gòu)；⑥為了降低整機的傳動和提升功率，采用了專業(yè)的彈性牽引技術(shù)，其重量是傳統(tǒng)牽引裝置的1/10，位于立柱底部，結(jié)構(gòu)緊湊；⑦構(gòu)件連接采用彈性阻尼法；⑧胎面采用特殊的加工工藝提高穩(wěn)定性，并采用特殊的振鏡結(jié)構(gòu)，避免與支架共振。

5 結(jié)束語

隨著我國物流業(yè)和生產(chǎn)行業(yè)的快速發(fā)展，對自動化立體倉庫的功能和數(shù)量要求越來越高。為了適應(yīng)智能化的發(fā)展趨勢，自動化立體倉庫的設(shè)計水平、整機技術(shù)和嵌入式設(shè)備的功能都需要不斷提高。本文主要設(shè)計了三維倉庫自動堆垛機和嵌入式設(shè)備的控制功能，包括通信功能、三維動作控制、位置控制和保護功能，以及人機界面，希望為立體倉庫自動堆垛機控制系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)提供參考。