基于自動化立體倉庫堆垛機控制系統的研究

劉輝 張冰

（1.無錫機電高等職業技術學校 江蘇省無錫市 214028 2.江蘇集云信息科技有限公司 江蘇省無錫市 214028）

基于自動化立體倉庫堆垛機控制系統的研究

劉輝1張冰2

（1.無錫機電高等職業技術學校 江蘇省無錫市 214028 2.江蘇集云信息科技有限公司 江蘇省無錫市 214028）

設計了自動化立體倉庫系統的簡易模型，系統的分析了自動化立體倉庫系統的構成，控制方式以及工作流程，完成了堆垛機工控系統的硬件與通信部分的PLC設計，通過程序的實例運行，堆垛機運行平穩，達到了設計的要求。

自動化立體倉庫；堆垛機；PLC

1 自動化立體倉庫系統

自動化立體倉庫系統是指在不直接進行人工干預的情況下，運輸設備能自動地存儲和取出貨物的系統[1]。一般由貨架、巷道式堆垛機、出/入庫臺、輸送系統、計算機管理和控制系統等部分組成。作為機械和電氣，強電和弱電相結合的產物。它通過計算機管理系統高效的管理貨物的出/入庫信息，然后將信息已指令的形式作用于控制系統，控制執行機構實現相應的動作，最終把信息反饋給倉庫管理系統[2]。立體倉庫的控制對象是堆垛機、出入庫臺、輸送系統等硬件設備。

堆垛機是自動化立體倉庫中的主要的運輸設備，它的主要用途是在高層貨架的巷道內來回穿梭運行，將位于巷道口的貨物存入貨格，或者是取出貨格內的貨物送到巷道口[2]。它的可靠性、平穩性與工作效率等對自動化立體倉庫起著非常重要的作用。

2 自動化立體倉庫模型

自動化立體倉庫能實現貨物的自動存取，主要是通過堆垛機作業完成的，而如何使堆垛機準確運行和提高存取效率，關鍵在于準確可靠的認址與定位。我們采用編碼的方式將貨架上的每個貨位用貨位號表示為（Xi，Yi，Zi），即（排，列，層）。編碼可以使堆垛機自動找到被指定到達的位置，同時停準位置不會超過規定的精度[1]。

為了對自動化立體倉庫的堆垛機部分作進一步的研究，我們設計了一個簡易模型如圖1所示。倉庫模型只設置一排貨架，它的整機結構由起升機構、運行機構、貨叉、伸縮機構、機架等組成。鑒于認址和定位要求，將堆垛機設計成一個三自由度系統。通過同步齒形帶實現X軸水平方向運動；由絲杠傳動實現Y軸垂直方向運動；貨叉的伸縮通過行程開關控制，X方向和Y方向的支承通過導軌實現。

3 堆垛機控制方式以及工作流程

在此試驗中，堆垛機的運動控制方式主要有手動和聯機自動兩種，手動控制通過手柄可以單獨操作堆垛機的行走、升降和伸縮貨叉等，不需要通過地面控制臺；聯機自動控制用于正常運行的堆垛機，此時的堆垛機可以經過無線通訊設備接收倉庫管理計算機的指令，同時可以向上位機反饋堆垛機的當前的工作狀態。

圖1 立體倉庫模型結構圖

堆垛機的工作流程主要有送貨到貨架和從貨架上取貨兩種。送貨到貨臺時，貨叉伸出到位以后，載貨臺微降，使托盤放置到載貨臺上，然后在貨叉距離托盤一定的距離后收叉，這樣就完成了向載貨臺送貨的作業[1]。之后需要檢查是否有取貨的命令，這時先要判斷堆垛機是空載還是負載到達取出列，若是負載到達取列，堆垛機就要先把貨物存儲到貨架，然后運行到待取貨物的貨格，執行取出命令；若是空載到達，表示無貨物要存儲，即無兩個貨格之間的運行。若一個存儲/取出命令下達時，堆垛機處于空閑狀態，它就會被指派到存儲列/取出列去揀取貨物[5]。堆垛機存取貨物的流程圖如圖2所示。

圖2 堆垛機取/送貨作業工作流程圖

4 堆垛機工控系統的實現

4.1 堆垛機工控系統的硬件設計

堆垛機工控系統由堆垛機控制系統、地面控制臺系統和倉庫管理系統三部分組成。堆垛機控制系統主要由保護功能單元，驅動部分和認址定位單元組成。此處堆跺機采用一臺S7-200系列的PLCCPU226控制，它的主要作用是用來驅動電機，同時處理觸感器等檢測到的信號和外部輸入的數據；采用西門子的MM110型矢量控制變頻器來提高停車定位的精度，選用西門子800脈沖增量式旋轉編碼器，它用于向PLC提供堆垛機的位置信號，同時向變頻器提供速度信號，構成位置、速度閉環控制[3]；堆垛機貨叉的升降、左右伸縮采用機械互鎖；水平、升降運動通過光電開關進行計數與定位；采用對射式光電開關感應堆垛機的位置；在實驗中電機采用鼠籠電機和步進電機分別實現X軸和Y軸方向的驅動。

考慮到堆垛機的位置不固定，通過西門子無線通信模組DTD433A實現與地面控制臺和倉庫管理計算機的通信，使用時只需將PLC的Modbus通信速率與 DTD433A的波特率都設置為 9600bps，PLC的RS485+連接 DTD433的 RS485_B；PLC的 RS485-連接 DTD433的RS485_A。

堆垛機工控系統的結構框圖如圖3所示。

4.2 堆垛機工控系統程序運行范例

倉庫管理機通過無線通信模塊傳達命令給堆垛機上的PLC來完成相應的存取貨動作，操作完成時再將堆垛機的信息與狀態反饋給上位機。為保證系統的正常運行，堆垛機工控系統的程序使用模塊化的編程方法，然后將各個子模塊整合為整個工控系統的程序，最后下載到PLC中。當兩種工作方式同時運行時，系統會停止輸出，并且指示燈報警，以此提醒現場的操作人員及時處理故障問題。

圖3 堆垛機的硬件結構圖

以聯機自動控制方式下入庫作業為例，說明堆垛機PLC接到地面發送來的指令后的工作過程，具體步驟如下：

（1）當堆垛機在H/P位置時，檢查載貨臺上是否有貨，若無則進行下一步；若有則報警，暫停動作，等待處理。

（2）判斷載貨臺是否在H/P位置，若在H/P位置則進入下一步；若否使堆垛機向H/P位置移動，同時打開定時器和計數器，定位完成則進入下一步。

（3）檢查入庫臺上是否有貨，若有則進入下一步；否則入庫臺無貨報警。

（4）以5m/min向載貨臺方向伸出叉具，伸叉到位則停止動作，進入下一步。

（5）載貨臺慢速上升，判定載貨臺是否上升到位？若是則進入下一步，否則繼續調整。

（6）檢查貨物的高度寬度，若正常則進入下一步，否則報警等待處理。

（7）以速度3m/min向載貨臺中央位置收回叉具，回中央動作完成，進入下一步，如果在定時時間內，收叉動作未完成，則顯示聲音報警。

（8）待載貨臺收回叉具到位后，堆垛機執行升降與水平動作，若到達指定貨位，則進入下一步。若否則繼續調整。

（9）檢查貨架內是否有貨，如有貨則報警，并讓堆垛機回H/P位置，等待處理；否則進入下一步。

（10）向貨格方向伸叉，同時檢查載貨臺上貨物是否有歪斜，如果有貨物歪斜，停止伸出動作，并向中央收回叉具；否則繼續向前動作，直到伸叉到位，進入下一步。

（11）使載貨臺慢速下降，定時器開始計時，直到貨格的下位置，以速度8m/min向載貨臺中央位置收回叉具。

（12）向地面控制柜發送“任務完成”信息，原地待命，準備接收下一條命令。

5 總結

隨著科技的不斷進步，使得自動化立體倉庫向著信息化，網絡化的方向快速發展，本文所設計的堆垛機工控系統具有結構簡單，成本低和實驗性強的特點，充分說明了PLC自動控制技術在立體倉庫中的應用，同時該系統在某個教學單位得到了成功的應用，實際中運行平穩，可操作性強。

[1]尹國明.自動化立體倉庫試驗臺堆垛機結構[D].山東大學，2006，5.

[2]潘云.基于現代物流的自動化立體倉庫研究[D].蘭州大學，2008，3.

TH246

A

1004-7344（2016）03-0281-02

2016-1-10