自動化立體倉庫堆垛機的控制與設計研究

葉煌城

（廈門航天思爾特機器人系統股份公司，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備。

1 堆垛機的相關概念

1.1 堆垛機的工作原理

在立體倉庫中設置有巷道、堆垛機、高層貨架等。一般情況下，巷道內的堆垛機由行走電機驅動，通過驅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，貨運平臺上相應的鉸接開關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，與其內部的PLC 或自動操作系統有密切聯系，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，將其分別設為x、y、z 巷道，對應的分別是排、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

絕對認址能夠將所有貨艙上的橫梁和安裝在立柱上的每層上橫梁開關進行識別，還能夠識別分別設置在蓄電池側和蓄電池升降平臺側的固定地址標志牌。當堆垛機通過時，認址標志可以阻擋或傳送光電開關，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，所以硬件成本高，調試設備復雜，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懸掛柱的對應位置，以及一些固定地址，設置標識擋板和兩個光電開關（一個為靜態光開關），分別安裝在起重機和平臺旁。在升降機前后、上下移動時，貨艙內的每個光電脈沖應減少以獲得地址，如果發生錯誤，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，采用兩個光電開關同時進行認址確認和互檢，當兩臺計時器出現差異時會發出警報。

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、激光測距技術和Ed2401p 激光測距儀，并將其安裝在激光測距發射機的堆垛機上。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計

3.1 控制系統的構成

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，所以一般會設置兩個接口供通信使用。總的來看，自動化立體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、監控系統。

因此，在控制系統的設計中，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議，如數據長度、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 軟件進行現場編輯或操作非常方便，完全滿足移動設備與主機通信的需要。這3 種解決方案廣泛應用于工業現場，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經濟性，無線通信設備的采購價格遠高于紅外通信設備。某項目采用立體倉庫作為冷藏庫，現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 系統工作的原理

（1）定位檢測。操作面板和上位機發送接入信號和地址后，自卸車內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是保證堆垛機正常運行的關鍵，地址識別技術是由旋轉編碼器、光電傳感器和激光測距共同發揮作用的，在控制系統的設計中，采用了光電傳感器的地址識別技術，不僅可以實現集中器的精確操作，還可以實現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）變頻驅動。在出庫和入庫過程中，堆垛機可根據到目標地址的特定距離控制通用開關，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，變頻器根據傳感器的信號檢測來檢測狀態，電機只需確定速度，不反饋速度的具體值。因此，實現開環系統精度的關鍵步驟是檢測傳感器，驗證傳感器的正確位置，速度調節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，可單獨設置，利用變頻器還可以增設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 堆垛機的變頻調速閉環控制

4.1 變頻控制的應用及其存在的問題

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

4.2 閉環無級控制原理

根據反饋的存在性，一般工業控制系統可分為開放控制和封閉控制。在開放式控制系統的輸出和輸入端沒有反饋電路，在閉環控制系統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，其顯著優點是精度高。該系統由兩部分閉環控制組成，堆垛機運行速度的閉環控制要求激光測距儀根據堆垛機當前速度信號實時調整變頻器的頻率值，使堆垛機在要求的速度下快速穩定運行。通過移動集中器，當堆垛機到達目標地址時，激光測距儀根據堆垛機反饋的距離信號和預設的控制策略調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，然后平穩減速，到達目的地停止制動，采用閉環控制方式，實現倉庫道路集料機的高速運行自動化、變速平穩、低速停車，滿足調速要求。

4.3 速度控制技術

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

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

結合蓄能器結構振動力學模型，綜合分析相關因素，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堆垛機整體結構設計采用型材，提高強度，減輕自重；③波形設計應避免共振速度；④車軸平行精度穩定，下橫梁軸孔由數控鏜銑床一次夾緊完成所有加工，與運動部件相關的裝配精度，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，結構復雜，采用重力自由同步制動專利技術，輥子傾斜度獨立，取消所有連桿和彈簧以簡化結構；⑥為了降低整機的傳動和提升功率，采用了專業的彈性牽引技術，其重量是傳統牽引裝置的1/10，位于立柱底部，結構緊湊；⑦構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定性，并采用特殊的振鏡結構，避免與支架共振。

5 結束語

隨著我國物流業和生產行業的快速發展，對自動化立體倉庫的功能和數量要求越來越高。為了適應智能化的發展趨勢，自動化立體倉庫的設計水平、整機技術和嵌入式設備的功能都需要不斷提高。本文主要設計了三維倉庫自動堆垛機和嵌入式設備的控制功能，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的技術開發提供參考。