大跨距重載車身立體倉庫控制系統設計

摘要：大跨距重載車身立體倉庫系統是通過工業自動化控制并結合監控計算機管理，實現全面貨物的倉儲、輸送、周轉、協調、監視、控制等功能。主要表現在接收操作指令、檢測信號、指揮作業、判斷故障、監控及調動、返回信息等，它與平面式貨物儲存相比，可有效節約庫房的占地面積，提高庫房的空間利用率，并可減少70％以上的勞動力。能加快貨物的出入庫存儲節奏，減輕勞動強度，提高生產效率，在汽車制造業具有很強的使用功能和推廣前景。

關鍵詞：立體倉庫；有軌巷道堆垛機；倉庫計算機管理系統；控制系統

中圖分類號：F253.4文獻標識碼：A文章編號：1002-3100(2008)04-0125-04

Abstract: Through industrial auto control combining with computer management， rack system for big-span and heavy load vehicle completely conducts store， transfer， transit， coordinate， monitor， control functions etc， mainly presenting operation instruction receive and send， signal check， work command， failure judge， monitor and remove， information feedback and so on. Compared with two dimensional goods storage， it efficiently saves floor space and increase rack availability， and reduces more than 70% manpower. This rack system can accelerate goods come in/out of storage， decrease working strength so as to improve productivity. With good utility， it has and wide prospect in auto manufacture industry.

Key words: rack system; laneway stacker with rail; rack computer management system; control system

1概述

在國內汽車制造業，大多數汽車制造廠在汽車整車裝配過程中，車身大多數都采用平面儲存方式，此儲存方式既浪費儲存立體空間又不便于輸送和系統管理，給生產及裝配帶來了諸多不便，是汽車整車裝配物流中的“瓶頸”。

針對上述存在問題，提出一種在汽車整車裝配過程中車身立體儲存輸送及自動化控制管理的系統，可對集裝單元貨物實現存儲輸送及計算機管理。

1.1自動化立體倉庫系統組成

·大跨距高層重載貨架

·多層鋼結構平臺

·有軌巷道堆垛機

·出入庫輸送機系統

·自動化控制系統

·倉庫管理計算機系統

·周邊圍護安全系統及其它周邊設備

1.2自動化立體倉庫系統特點

（1）大跨距高層重載貨架由若干直立柱和層板構成多排、多列、多層和多位，用于存放汽車車身。

（2）多層鋼結構平臺設置在貨架的一端，用于貨物的輸送，該多層鋼結構平臺由若干立柱與橫桿連接而成，在每一層鋪設層板。

（3）有軌巷道堆垛機包括立柱，連接在立柱上下端的下橫梁與上橫梁，在立柱間形成巷道，在巷道內有可以上下移動的提升裝置、在提升裝置上有載貨臺、貨叉及配重，在堆垛機上安裝用于人員上下的爬梯及控制柜；用于通過三維運動將指定貨位的貨物取出或將貨物送入指定貨位；由行走電機通過驅動軸帶動車輪在下導軌上做水平行走，由提升電機通過鏈條帶動載貨臺做垂直升降運動，載貨臺上的貨叉在貨叉電機的驅動下做伸縮運動。

（4）出入庫輸送機系統包括動力輥床、重載雙皮帶輸送移行機、滑撬碼垛機、往復式皮帶升降機、動力回轉臺，用于將貨物輸送基礎倉庫，動力輥床由安裝于機架上的可轉動的傳動輥構成。

（5）自動控制系統由用于實時測量速度信號的SICK激光測距儀、SEW變頻器、光電傳感器、SIEMENS PLC、RESOTEC HMI組成，用于控制堆垛機的運行速度、運行位移或者位置定位點的無級運行。所控制的設備采用PROFIBUS-DP現場總線。

（6）倉庫管理計算機系統包括中央計算機用于發送物料需求計劃、立體倉庫管理系統用于接收中央計算機發出的信號并作出響應、堆垛機用于接收立體倉庫管理系統發出的指令自動存取物料。通過激光測距器和旋轉編碼器以及無線通訊，可實現計算機控制，倉庫管理計算機系統也可實現機上控制盤的手動、半自動、單機自動控制。

（7）周邊圍護安全系統采用機械和電氣雙重保險，以確保人身及設備的安全。堆垛機采用雙提升、雙配重的結構。以增加設備的穩定、平衡及安全性。處理器中設有立體倉庫信息管理系統。人員安全保護：堆垛機周圍的區域被分為幾個安全區。要進入庫區，必須要打開安全門，一旦安全門被打開，安全開關即被觸發，堆垛機自然停止運行。每個安全區有兩個安全門（一個僅為出口—緊急出口）。安全門有兩個按鈕用于確認（一個位于安全區內，另一個位于安全區外）。其中安全區內的復位按鈕僅當堆垛機處于本地控制模式時有效。在堆垛機的操作面板上也可以運行堆垛機，這也就是設計“本地”運行的初衷。在此種模式下，可以使用庫區內部的復位按鈕來復位安全門開關。要使堆垛機在本地控制模式下運行，需將選擇本地模式的鑰匙開關拔下插入堆垛機控制面板上。這樣就避免了別人將堆垛機打回自動模式的可能性。機械安全保護：機械安全保護用于保護堆垛機的機械機構。通過觸發傳感器可以直接停止硬件的運行。因此，一旦用戶誤操作或軟件發生故障，也可以通過這種機械保護開關停止堆垛機，以避免損失。機械保護開關主要對以下幾個方面對機械裝置進行保護：①水平方向的極限位置；②垂直方向上、下的極限位置；③前、后的斷帶保護開關；④前、后的過載開關；⑤松繩保護。

如果發生了以上情況，可以將這些功能進行短接處理。但只能在堆垛機本地模式下運行時才能實現。

2車身立體倉庫控制系統設計

2.1控制系統主要組成

一汽大眾大跨距重載車身立體倉庫系統，包括輸送系統、控制系統和輸出系統，其中：

輸送系統包括動力輥床、重載雙皮帶輸送移行機、滑撬碼垛機、往復式皮帶升降機、動力回轉臺；控制系統包括自動化立體倉庫控制模塊，其上連接的輸入設備有按鈕、急停開關、接近開關、光電開關、行程開關和PLC，用于通過Profibus-DP網絡控制上述輸送系統的傳輸；輸出系統基于EtherNet網絡，用于將自動化立體倉庫控制模塊與EtherNet上的監控計算機連接，應用組態軟件可以顯示各生產設備的運行狀態、運行參數、自動故障報警，記錄故障點，調出相關的控制程序。

2.2系統工作原理

自動化立體倉庫計算機控制系統將采用聯網技術，通過計算機網絡使立體倉庫與中央計算機實現聯網通訊，可以提高庫存管理的準確性、迅速性，使整個系統的生產、庫存、銷售等信息能及時地傳遞和處理，從而使中央計算機可以準確地檢索立體倉庫的管理控制信息，使系統的管理者能及時、迅速地掌握立體倉庫的庫存情況和運行情況，從而可以準確地掌握庫存量，及時調度生產，調節工序間、單元間的生產節拍，保證生產的均衡，提高生產中諸多變化的靈活性，準確迅速地確定接受訂貨的交貨期，以及對遲誤的交貨及時進行督促等，可以提高庫存管理的準確性和迅速性，從而相對減少庫存量，縮短車身及空滑橇的存儲周期，減少庫存積壓，對系統的生產經營活動起到良好的促進作用。

有軌巷道堆垛機控制選用閉環無級運行控制模式，對堆垛機的運行速度、運行位移量或位置定位點實現閉環無級運行控制模式，從而從根本上實現到達目的地址時的制動停準，根據運行距離實現平穩換速、適時調整變頻器的運行控制頻率，以實現最佳平穩運行速度的要求，并能縮短作業周期，提高作業效率。該變頻調速手段控制精度高，運動控制平穩，具體場合的適應性好，系統運行的可靠性高，易調試。

實現自動化立體倉庫巷道堆垛機的閉環無級控制，必須根據變頻器和堆垛機電機的特性，即：在一定載荷下變頻器所存在的理想加速和減速特性曲線，或根據不同的品牌和規格的變頻器的特性參考資料、所運輸載運貨物所允許的最大加速度以及現場運行試驗的結果、堆垛機電機的負荷特性等進行控制，基本控制思想為：（1）根據激光測距儀測量反饋的當前速度信號適時調整變頻器的輸出驅動頻率值，從而保證堆垛機能以要求的速度平穩運行；其還表現在必須根據自動化立體倉庫庫存的具體貨物，如貨物的重量、重心高度等選擇相應的速度控制模式，即初時運動加速度與加速控制時間、平穩運行速度與距離、減速運動加速度與控制時間等；（2）根據激光測距儀測量反饋當前堆垛機的距離信號及預先設定的控制方案適時調整變頻器的輸出驅動頻率值，使堆垛機先以較高的速度運行到接近目的地址的位置后將速度平穩降到較低的速度下工作，并在目的地址處準確制動停準，必要時可采取機械抱閘系統來輔助快速定位；堆垛機在工作過程中實時采集水平運行、貨物升降、貨叉伸縮三個方向的數據，并不斷地與存放在軟件控制數據塊里的標準位置參數進行比較和控制決策，從而達到準確定位、快速存儲貨物、提高作業效率的目的，并與監控系統交換工作信息和庫位狀態信息等以實現系統的全面動態管理。

操作模式有遠程和本地，選擇遠程控制模式時，無需操作人員在堆垛機的移動操作室內。本地控制時，必須有一名操作人員站在操作室內在觸摸屏上進行操作。

設備的所有運行功能都可以選擇是本地運行模式還是遠程運行模式。主要有以下幾個運行模式：自動、半自動、手動。在自動模式下實現的是由最高級別的倉庫管理系統控制，它通過PLC來控制堆垛機；在半自動模式下，可以實現一些特定的傳送功能，這幾個功能可以通過操作面板選擇；手動模式主要用于故障處理或調試，這種模式下任何自動功能均不生效，堆垛機必需由其各自的操作面板手動控制，各個傳送機構都分開控制。

維護模式有緊急中斷模式和修正模式。緊急中斷模式只用于在緊急情況下移動組件，該模式只能由高級用戶在觸摸屏上進行選擇；修正模式用于調試或者完成定位，該模式中有一些附加的連鎖條件。

2.3系統特點

本系統采用現場總線控制方式，立體倉庫的控制模式采用PLC控制模式，該系統涉及到電氣控制原理、數據庫以及決策技術、計算機技術等，其核心控制部分為PLC，與外部周邊設備或硬件采用Profibus-DP現場總線，備有連接SIMATIC系列元件的整套接口、固有的HMI（人機界面）等，但針對堆垛機電機的高、低速控制應用方案仍優先選用閉環變頻調速控制方案，PLC與激光測距儀和旋轉編碼器的連接采用Profibus-DP現場總線。

立體倉庫中堆垛機的主要工作是完成儲存環節的搬運，即：準確地依照上位機給出的出入庫地址將貨物取出或放入有關貨位，并將工作過程的狀態信息反饋給監控系統；選擇SIMATIC S7-300系列PLC系統并應用在立體倉庫體系中已取得了很大的成功。

PLC模塊化程序如圖3和圖4，便于監控和維護。

中央計算機還具有信息管理的功能，其將物料需求計劃發給立體倉庫信息管理計算機，立體倉庫管理系統具有對現有資源進行分類、存儲、庫存統計，對出/入庫作業合理優化調度，控制通用數據庫管理等功能，并進一步控制堆垛機PLC自動存取物料。因此，立體倉庫信息管理系統是全立體倉庫進行物資管理、賬目管理、貨位管理、聯網管理等信息管理的中心。立體倉庫管理系統還具有完成動態地改賬及信息修正等功能。當系統出現故障時能及時顯示故障信息，顯示網絡信息，并能定期或不定期地打印各種報表。

本系統在聯網運行中涉及到3個接口如圖5：

（1）工作站與車間控制器的網絡接口，通過它工作站獲得車間的命令及查詢信息，并把工作站的信息返回給車間；

（2）工作站與堆垛機PLC之間的串行接口，工作站通過向PLC發送命令字串控制堆垛機取送物料資源，并監測堆垛機的狀態，及時發現故障；

（3）工作站與故障監測計算機之間的網絡接口，工作站通過它及時上報故障信息，以得到及時的處理。

在工作站一方，主要使用VB中的Winsock控件與車間的套接字建立連接。具體的工作方式是，工作站作為客戶方，去連接車間的套接字，當車間的套接字偵聽并接收到連接，雙方的網絡連接就建立起來，就可以互相通訊，傳遞信息。

工作站與堆垛機PLC之間的串行通訊是通過使用VB中的MSComm控件完成的。控制命令發出后，在MSComm控件的OnComm事件中監測堆垛機的狀態，動作完成，上報給車間。如發生故障，將故障的具體情況上報給故障監測計算機。

工作站與故障監測計算機之間的網絡接口也是通過VB中的Winsock控件實現的，工作站作為客戶方，去連接故障監測計算機的套接字，當故障監測計算機的套接字偵聽并接收到連接，雙方的網絡連接就建立起來，就可以互相通訊，傳遞信息。

本管理系統中采用Sybase來產生和維護數據庫，用VisualBasic面向對象的可視化編程語言開發而成，并通過ODBC與數據庫相連。向數據庫中寫入數據時，系統采用了數據先存放在內存中，當其他事務處理完畢后，再把內存中數據存放到相應的數據庫中，從而使系統有較快的處理速度。

系統功能全面，實現了物料的優化管理。整個立體庫系統既可單機自動，又可與FIS聯網運行，對故障能夠實時監測，并上報給故障診斷計算機，以便于排除故障。

3結論

本文詳細討論了大跨距重載車身立體倉庫系統的總體設計、管理級軟件系統、管理級與監控級之間通信和控制系統的問題。將立體倉庫這一先進的倉儲管理技術引進到汽車整車裝配領域，對管理軟件系統按照模塊化設計的思想進行了詳細的規劃和設計，使管理軟件的結構更加清晰。充實計算機管理系統，對數據庫系統進行了邏輯結構設計；按照一定的檢索條件實現了相關信息的查詢，實現了數據庫信息的修改等功能，使對車身信息的管理更加便捷。

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