基于自动化立体仓库堆垛机控制系统的研究

刘辉 张冰

（1.无锡机电高等职业技术学校 江苏省无锡市 214028 2.江苏集云信息科技有限公司 江苏省无锡市 214028）

基于自动化立体仓库堆垛机控制系统的研究

刘辉1张冰2

（1.无锡机电高等职业技术学校 江苏省无锡市 214028 2.江苏集云信息科技有限公司 江苏省无锡市 214028）

设计了自动化立体仓库系统的简易模型，系统的分析了自动化立体仓库系统的构成，控制方式以及工作流程，完成了堆垛机工控系统的硬件与通信部分的PLC设计，通过程序的实例运行，堆垛机运行平稳，达到了设计的要求。

自动化立体仓库；堆垛机；PLC

1 自动化立体仓库系统

自动化立体仓库系统是指在不直接进行人工干预的情况下，运输设备能自动地存储和取出货物的系统[1]。一般由货架、巷道式堆垛机、出/入库台、输送系统、计算机管理和控制系统等部分组成。作为机械和电气，强电和弱电相结合的产物。它通过计算机管理系统高效的管理货物的出/入库信息，然后将信息已指令的形式作用于控制系统，控制执行机构实现相应的动作，最终把信息反馈给仓库管理系统[2]。立体仓库的控制对象是堆垛机、出入库台、输送系统等硬件设备。

堆垛机是自动化立体仓库中的主要的运输设备，它的主要用途是在高层货架的巷道内来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存入货格，或者是取出货格内的货物送到巷道口[2]。它的可靠性、平稳性与工作效率等对自动化立体仓库起着非常重要的作用。

2 自动化立体仓库模型

自动化立体仓库能实现货物的自动存取，主要是通过堆垛机作业完成的，而如何使堆垛机准确运行和提高存取效率，关键在于准确可靠的认址与定位。我们采用编码的方式将货架上的每个货位用货位号表示为（Xi，Yi，Zi），即（排，列，层）。编码可以使堆垛机自动找到被指定到达的位置，同时停准位置不会超过规定的精度[1]。

为了对自动化立体仓库的堆垛机部分作进一步的研究，我们设计了一个简易模型如图1所示。仓库模型只设置一排货架，它的整机结构由起升机构、运行机构、货叉、伸缩机构、机架等组成。鉴于认址和定位要求，将堆垛机设计成一个三自由度系统。通过同步齿形带实现X轴水平方向运动；由丝杠传动实现Y轴垂直方向运动；货叉的伸缩通过行程开关控制，X方向和Y方向的支承通过导轨实现。

3 堆垛机控制方式以及工作流程

在此试验中，堆垛机的运动控制方式主要有手动和联机自动两种，手动控制通过手柄可以单独操作堆垛机的行走、升降和伸缩货叉等，不需要通过地面控制台；联机自动控制用于正常运行的堆垛机，此时的堆垛机可以经过无线通讯设备接收仓库管理计算机的指令，同时可以向上位机反馈堆垛机的当前的工作状态。

图1 立体仓库模型结构图

堆垛机的工作流程主要有送货到货架和从货架上取货两种。送货到货台时，货叉伸出到位以后，载货台微降，使托盘放置到载货台上，然后在货叉距离托盘一定的距离后收叉，这样就完成了向载货台送货的作业[1]。之后需要检查是否有取货的命令，这时先要判断堆垛机是空载还是负载到达取出列，若是负载到达取列，堆垛机就要先把货物存储到货架，然后运行到待取货物的货格，执行取出命令；若是空载到达，表示无货物要存储，即无两个货格之间的运行。若一个存储/取出命令下达时，堆垛机处于空闲状态，它就会被指派到存储列/取出列去拣取货物[5]。堆垛机存取货物的流程图如图2所示。

图2 堆垛机取/送货作业工作流程图

4 堆垛机工控系统的实现

4.1 堆垛机工控系统的硬件设计

堆垛机工控系统由堆垛机控制系统、地面控制台系统和仓库管理系统三部分组成。堆垛机控制系统主要由保护功能单元，驱动部分和认址定位单元组成。此处堆跺机采用一台S7-200系列的PLCCPU226控制，它的主要作用是用来驱动电机，同时处理触感器等检测到的信号和外部输入的数据；采用西门子的MM110型矢量控制变频器来提高停车定位的精度，选用西门子800脉冲增量式旋转编码器，它用于向PLC提供堆垛机的位置信号，同时向变频器提供速度信号，构成位置、速度闭环控制[3]；堆垛机货叉的升降、左右伸缩采用机械互锁；水平、升降运动通过光电开关进行计数与定位；采用对射式光电开关感应堆垛机的位置；在实验中电机采用鼠笼电机和步进电机分别实现X轴和Y轴方向的驱动。

考虑到堆垛机的位置不固定，通过西门子无线通信模组DTD433A实现与地面控制台和仓库管理计算机的通信，使用时只需将PLC的Modbus通信速率与 DTD433A的波特率都设置为 9600bps，PLC的RS485+连接 DTD433的 RS485_B；PLC的 RS485-连接 DTD433的RS485_A。

堆垛机工控系统的结构框图如图3所示。

4.2 堆垛机工控系统程序运行范例

仓库管理机通过无线通信模块传达命令给堆垛机上的PLC来完成相应的存取货动作，操作完成时再将堆垛机的信息与状态反馈给上位机。为保证系统的正常运行，堆垛机工控系统的程序使用模块化的编程方法，然后将各个子模块整合为整个工控系统的程序，最后下载到PLC中。当两种工作方式同时运行时，系统会停止输出，并且指示灯报警，以此提醒现场的操作人员及时处理故障问题。

图3 堆垛机的硬件结构图

以联机自动控制方式下入库作业为例，说明堆垛机PLC接到地面发送来的指令后的工作过程，具体步骤如下：

（1）当堆垛机在H/P位置时，检查载货台上是否有货，若无则进行下一步；若有则报警，暂停动作，等待处理。

（2）判断载货台是否在H/P位置，若在H/P位置则进入下一步；若否使堆垛机向H/P位置移动，同时打开定时器和计数器，定位完成则进入下一步。

（3）检查入库台上是否有货，若有则进入下一步；否则入库台无货报警。

（4）以5m/min向载货台方向伸出叉具，伸叉到位则停止动作，进入下一步。

（5）载货台慢速上升，判定载货台是否上升到位？若是则进入下一步，否则继续调整。

（6）检查货物的高度宽度，若正常则进入下一步，否则报警等待处理。

（7）以速度3m/min向载货台中央位置收回叉具，回中央动作完成，进入下一步，如果在定时时间内，收叉动作未完成，则显示声音报警。

（8）待载货台收回叉具到位后，堆垛机执行升降与水平动作，若到达指定货位，则进入下一步。若否则继续调整。

（9）检查货架内是否有货，如有货则报警，并让堆垛机回H/P位置，等待处理；否则进入下一步。

（10）向货格方向伸叉，同时检查载货台上货物是否有歪斜，如果有货物歪斜，停止伸出动作，并向中央收回叉具；否则继续向前动作，直到伸叉到位，进入下一步。

（11）使载货台慢速下降，定时器开始计时，直到货格的下位置，以速度8m/min向载货台中央位置收回叉具。

（12）向地面控制柜发送“任务完成”信息，原地待命，准备接收下一条命令。

5 总结

随着科技的不断进步，使得自动化立体仓库向着信息化，网络化的方向快速发展，本文所设计的堆垛机工控系统具有结构简单，成本低和实验性强的特点，充分说明了PLC自动控制技术在立体仓库中的应用，同时该系统在某个教学单位得到了成功的应用，实际中运行平稳，可操作性强。

[1]尹国明.自动化立体仓库试验台堆垛机结构[D].山东大学，2006，5.

[2]潘云.基于现代物流的自动化立体仓库研究[D].兰州大学，2008，3.

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1004-7344（2016）03-0281-02

2016-1-10