自动化立体仓库堆垛机控制系统的研究

王涛 王忠庆

【摘要】现代物流体系中，自动化立体仓库的使用越来越受到人们的重视，堆垛机是自动化立体仓库中的关键部分。堆垛机的性能对整个系统的可靠性、安全性、运行效率等造成直接影响。所以，本文对堆垛机的控制系统进行了分析和研究。

【关键词】堆垛机;PLC;自动化立体仓库

Stacker control system research on Automation Stereoscopic Warehouse

North University of China  Wang-Tao  Wang-ZhongQing

Abstract：In modern logistics system，the use of automated stereoscopic warehouse more and more get people's attention，stacker is a key part in automation stereoscopic warehouse.The performance of the stacker having a direct effect on the whole system，with reliability，security and efficiency.So，in this paper，the stacker control system are analyzed and studied.

Key words：Stacker;PLC;automation stereoscopic warehouse

随着工业自动化程度的提高和物流行业的发展，自动化立体仓库作为物流系统的重要组成部分，越来越多地被人们重视。它是现代工业社会发展的高科技产物，对提高生产率、降低成本有着重要意义。一个完整的自动化立体仓库系统，应该包括货架，巷道堆垛机系统、出入库输送机系统、中控系统、计算机仓库管理系统和其它设备，是一个不直接进行人工干预的自动存取物流系统。

1.堆垛机的组成

巷道堆垛机是自动化立体仓库中最关键的设备，它能够在巷道中来回运行，将位于巷道口的货物存入货架、或者取出货架里的货物运送到巷道口。堆垛机主要三个控制系统组成，分别是前行系统、升降系统、伸缩系统。

1.1 基本功能

堆垛机进行水平方向移动（X轴方向），垂直方向升降（Y轴方向），货叉左右伸缩（Z轴方向）共三个方向的运动完成对货物的搬运是堆垛机的最基本的功能，其它的传感器检测对运动进行检测。

1.2 其他功能

堆垛机还必须具有和中控系统，上位系统通讯的功能，接受其发出的命令信息，以及反馈给它们的自身状态信息，例如：作业信息，报警信息等。

2.控制系统方案

本文研究的堆垛机控制系统架构主要分为三级结构，由上位机系统、中控PLC系统、设备PLC控制系统组成。

上位机系统主要包括：计算机仓储管理系统（WCS/WMS）、数据监控系统（SCADA）组成。该系统处于最上端，可以调度、监控和管理所有设备。

中控系统处于控制系统上端，是系统中的核心设备，负责接收上位机的控制命令，发送给下层PLC，并实时和下层PLC进行数据通讯，接收下层PLC的各种状态信息反馈上报。

设备PLC控制系统属于底层，是堆垛机执行操作的控制系统，直接控制伺服控制器与电机，完成堆垛机三向运动功能和保护功能。

2.1 堆垛机的运行模式

堆垛机的控制方式主要分为手动操作、远程控制、自动控制。在自动模式下，上位调度系统根据用户的信息要求，对所有堆垛机进行控制;在远程控制模式下，由现场监控系统（SCADA）下发控制命令，控制一台或多台堆垛机动作;在手动操作模式下，由本机控制系统中的操作终端单独控制某一电机动作。图1为自动模式下的堆垛机作业流程图，堆垛机按X、Y、Z三个方向进行动作。当用户发出存取货命令时，上位系统根据仓库货位情况给出货物的地址信息（巷道号、排、列、层），发给堆垛机，堆垛机接收并翻译后，完成一系列相关动作，实现货物的存取。

图1 自动模式作业流程图

2.2 堆垛机的运动

2.2.1 技术要求

（1）速度特性

堆垛机作业效率的高低与其加速度，水平和垂直方向的行走速度及目的位置的远近有关。要提高工作效率，就必须提高行走速度的加速度。但是速度、加速度的提高要有限制，过大的加、减速度会引起货架的纵向振动，会使货架倒塌，并使定位时间过长，不能保证定位精度。

（2）定位精度

由于堆垛机在狭长的巷道中行走，两边是固定货架，并且货叉会在货架中左右伸缩，因此为了使堆垛机能够准确的存取货物，避免机械碰撞，就必须保证定位精度。

（3）作业路径

堆垛机从当前位置行走到目的位置的时间最短为最优化方案。采用水平和垂直各自独立同时运行的方法。

（4）安全保护

安全保护包括堆垛机的限位限速保护，堆垛机对货架，货物，出入库站台的各种控制操作的互锁保护，以保障堆垛机的安全运行。

2.2.2 速度控制方案

本文采用梯形速度曲线控制方式，图2所示为典型的梯形速度曲线控制图，开始时以恒定的加速度加速到点A点，然后以恒定的速度匀速前进，到达B点后开始减速制动直到停车。梯形速度控制方式要根据堆垛机目标的位置，精准地对加、减速度大小进行调节，才就能达到准确停车要求。对于系统已设定恒定速度V，加速度a和目标地址K，通过速度路程算法，确定减速点B，从而控制堆垛机精准定位。

图2 速度曲线控制图

2.2.3 定位地址方案

堆垛机完成正确的存取货物操作，关键是其准确可靠的认址和定位，保证准确无误地定位在目的地址。本文采用旋转编码器认址和激光认址相结合的认址方案，利用PLC-伺服控制器-伺服电机方式进行动作，通过计算好伺服电机的转数或要走的距离，按比例发脉冲给伺服驱动器，加上电机方向信号来运动，激光用来反馈误差信息。

3.结束语

本文对堆垛机的控制系统进行了深入的研究，给出了性能良好的堆垛机控制系统的组成方案。但是随着物流行业自动化技术的不断发展，堆垛机的高度和速度也不断提高，必将直接影响到堆垛机的定位精度，因此研究堆垛机的行走速度与定位精度之间的关系会是一个持续的课题。尤其是在运动控制方面，更优化的速度控制方案，更能满足速度和精度的更高要求，使系统运行稳定、高效是未来堆垛机研究的重要方向。

参考文献

[1]刘昌棋，董良.自动化立体仓库设计[M].机械工业出版社，2007.

[2]周兴万.自动化立体仓库中堆垛机的位置定位和速度控制[M].拖动与控制，1998（6）：48-49.

作者简介：

王涛（1990—），男，山西晋城人，中北大学硕士研究生在读，主要研究方向：电气传动自动化。

王忠庆，男，中北大学副教授，硕士生导师，研究方向：控制理论与控制工程，导航、制导与控制，检测技术与自动化装置。