自动化立体仓库堆垛机的控制与设计研究

2023.09.12

摘?要：在自动化立体仓库中，堆垛机作为一个不可或缺的核心设备，其工作效率与稳定性，对于立体仓库的使用性能而言，能够起到直接的重大影响;本文关于自动化立体仓库堆垛机的控制与设计研究，介绍堆垛机的相关概念：堆垛机的工作原理、基本功能与其他功能、堆垛机控制的功能等，主要进行自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计;希望可以为自动化立体仓库堆垛机控制系统的技术发展，提供一定的参考。

关键词：自动化立体仓库;堆垛机;控制系统;设计

自动化立体仓库，采用的是一个具备了几层、十几层、几十层等不同规格的货架，来进行单元式的货物储存，并且还利用了一系列的物料搬运设备，例如，堆垛机、输送机、LGV等，来进行货物的出入库作业;接下来，我们就对其中最为核心的堆垛机设备，进行相应的介绍与说明。

1 堆垛机的相关概念

1.1 堆垛机的工作原理

在立体仓库中，设置的有两条巷道、两台堆垛机、四排高层货架;其中每排货架都是9列14层的，而且每个货格都设置的有两个托盘位，一共有1008个托盘位;在巷道中的堆垛机，都是由行走电机，采用驱动轴的方式来带动车轮，以此在导轨上进行水平移动;以及利用提升电机的钢丝绳，来带动载货台，以此作垂直的升降移动;堆垛机工作原理，就是采用以上的几种三维运动方式，来进行货位的取出与送入;其中，行走的认址器、提升的认址器，是用于控制堆垛机的水平行走位置，与载货台的升降位置的，而且在货叉方向，可以采用相应的接近开关定位。

1.2 堆垛机控制的功能

（1）通讯功能：保持堆垛机与上位机以及其他仓库设备之间的通讯;

（2）三维动作控制：控制堆垛机做水平、垂直、左右等方向上的运动;

（3）位置控制;控制堆垛机以合理的速度进行移动，并且开展精确的定位;

（4）保护功能：为堆垛机提供各种电气与机械保护，让其在进行频繁的高速运动时，不易有安全事故的发生，以此确保堆垛机的安全使用。

2 自动化立体仓库堆垛机的控制与设计

2.1 控制系统的构成

堆垛机的控制核心，一共有两种方式：一是以单片机形式来控制，二是以可编程控制器为主来进行控制;本此设计的自动控制系统，采用的是S7-300PLC，并且因为考虑到CPU与HM I、CPU、上位机等之间的通讯问题。所以，就至少需要使用2个通讯端口;除此之外，还选择得有6ES7 321-lBL0O-0AA0、6ES7 322-lBL00-0AA0的输入、输出模块;同时，还要在CPU中，设置2个通讯接口，以便采取多种通讯模式才可进行;因此，在本此控制系统的设计中，采用的是一种自由口的模式，选取了PortI、HM等的通讯;其中，Por2将负责与红外通讯器之间来进行通讯;而自由口的通讯，建立于RS485的硬件基础上，一种具备很多特色是通讯方式;在自由口的通讯过程中，用户能够对于通讯协议，进行一些简单定义的设置;例如：数据长度、奇偶校验等，还能够让用户进行的通讯功能程序的完全控制。

此外，选用OP3的操作面板，不仅是因为它在功能的使用上面，十分的简单，而且在利用PROTOOL软件来进行编辑时、或者是在进行现场操作的时候，都具有很大的便利性;为了能够充分满足，移动设备与上位机间通讯的需要，在一般情况下，都会在工业现场，使用这三种解决方案，它们分别为红外器通讯、滑触线通讯、无线射频通讯;但又因必须考虑以下的因素：一是因为在经过长期通讯之后，滑触线中的碳刷受到了一定程度的磨损，从而会导致对于通讯效果的影响;二是出于对经济性的考虑，因为购买无线射频通讯器的价钱，远超于购买红外通讯器所花的金额;三是因為在本次设计中，其立体仓库设置为冷藏库，所以，在其现场就不会有的油粉尘等的严重污染，对于其通讯效果也不会产生什么干扰性的影响;因此，在最终的决定，采用的是红外通讯的方式，图1就是该方式下的控制系统的硬件配置图。

2.2 系统工作的原理

①定位检测。当堆垛机中的可编程控制器，一旦收到来自操作面板与上位机，发出的存取的信号与地址之后，便会向指定方向的货位，运行;而认址定位技术，就是确保堆垛机开展精准运行的关键;目前，认址技术有旋转编码器认址、光电传感器认址、激光测距认址等;而在本次的控制系统设计中，使用的便是光电传感器认址;因为它不仅能够较为简单的就实现准确的堆垛机运行，而且还有单光电认址与双光电认址，最重要的是其价格也比较合适。

在图2所示的取货认址示意图中，U型光电的开关，由PH1、PH2、PH3来分别表示;而且它们都被安装于堆垛机中，垂直运行的载货台上，能够跟着载货台，进行上下的运行;其中，认址片则固定于堆垛机的立柱上;当堆垛机在进行作业时，取货高度与放货高度是一样的，因为不同货物，都是摆放于各个不同货格的不同托盘中，而且在取货时，货叉由必须与每层的货格台面，保持一定的齐平，好让货叉能够伸入托盘的凹槽中完成取货;除此之外，在PLC程序中，还需设置C1、C2、C3等3个计数器，来对分别应光，电开关中的PH1、PH2、PH3;其中，对于PH3的光电开关来说，一旦其被认址片遮挡1次，计数器的C3就会进行1次计数，其中计数的规则为：上升一次就加1，下降一次就减1;在图2中，表示的是整个PH2的认址状态和过程;由图2可知，从（a）到（b），就表明PH2进行了1次认址，而计数器C2也就需要加1;当取货时，要想获取目标层的地址，就需将计数器C1与C2的数值之合，除以2得到的。

②变频驱动。在仓库里进行货物的存取工作时，可以根据目标地址距离的具体情况，控制其万能开关，将货物置于水平方向，进行前进与后退的移动;其中，又包括了高速、中速、低速等挡位的行径等级划分。与此同时，也可利用另外的万能开关，将货物做垂直方向上的上升高速、上升低速、下降高速、下降低速等4个挡位的运行。

在工作时，变频器需要，依靠传感器的信号检测来进行状态;而且电机只会进行速度给定，不会反馈速度的具体数值;因此，开环系统要想达到一定的精度，最关键的一步，便是要对传感器，进行准确的定位检测;在目标货格的前个货格中，便要开始采取换速，因为此时的变频器，其输出频率已经在逐渐地降低了;当堆垛机在低速运行时，可明显看出因为其惯性较小，所以其传感器的检测也非常的准确，能够较好的满足精度定位的要求。

电机1有3种速度：1速、2速、3速，而且都可以进行单独的设定;与此同时，还能够在变频器中，进行4、5、6、7等这4种的选择设置;由于在变频器的速度输入中，只有3个端子;因此，得利用PLC的输出点，对变频器进行控制;例如，将1速与2速、1速与3速、2速与3速、1速与2速与3速等组合，以此来构成4速、5速、6速、7速，方便电机2中4个速度的启用。

3 结语

在我国物流行业与生产行业的迅速发展之下，自动化立体仓库的功能要求与数量需求也在不断地增长;为满足我国物流与生产事业的平稳化、智能化的发展趋势，也必须不断提高自动化立体仓库的设计水平与堆垛机的技术;本文介绍了堆垛机的相关概念，其中包括堆垛机的工作原理、基本功能与其他功能、堆垛机控制的功能：通讯功能、三维动作控制、位置控制、保护功能、人机界面;主要进行自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计。希望可以为自动化立体仓库堆垛机控制系统的技术发展，提供一定的参考。

参考文献：

[1]刘昌棋，董良.自动化立体仓库没计[M].机械二业出版社，2007.

[2]汪国春.自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计[J].起重运输机械，2008.

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[4]黄学飞.中小型自动化立体仓库的智能管理控制系统研制[D].浙江大学，2017（08）.

基金项目：2019年度广西壮族自治区中青年教师基础能力提升项目《一种遥控高层立体存垛库的研究与实验》（项目编号：2019KY1660）

作者简介：蒙重宝（1984—），男，壮族，广西崇左人，硕士，讲师，研究方向：机械设计与制造。