（遼寧省基礎教育教研培訓中心，遼寧 沈陽 110034）

[摘 要] 在現代倉儲實訓中心中，自動化立體倉庫應用日益廣泛。對自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)進行了設計，對相關設備型號和參數進行了確定。堆垛機的單一認址方式限制了堆垛機的運行效率，在傳統(tǒng)控制方式的基礎上，采用激光測距和變頻器相結合的認址方式，對堆垛機控制系統(tǒng)進行了改進設計。

[關 鍵 詞] 實訓中心；自動化立體倉庫；堆垛機控制系統(tǒng)

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）06-0070-02

自動化立體倉庫設計的主要目的是實現存儲空間最大化，存取過程自動化、高效化。自動化立體倉庫一般由存儲系統(tǒng)、堆垛機系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和貨品運輸系統(tǒng)及配套基礎設施構成。堆垛機是在導軌上以電力驅動通過空間三維運動實現對貨物直接收發(fā)的設備，其主要功能是完成貨品在貨位和出入庫輸送機之間的搬運作業(yè)。

一、激光測距加光電檢測的定位控制

可靠、精確的認址系統(tǒng)是堆垛機實現堆垛功能的前提，而高效的認址方式是提高堆垛機運行效率的關鍵。認址系統(tǒng)能夠實現兩個功能，一是尋址功能，即導引堆垛機進入正確位置；二是精準停位功能，即在堆垛機找到預定位置后，能夠準確停位并保證停位精度。

（一）認址原理

堆垛機進行貨品作業(yè)之前，需要先到達作業(yè)地點。無論是在單機還是在聯(lián)機的情況下，堆垛機是否到達指定地點，需要進行自我判定。因此，在巷道和貨位的關鍵位應該設置堆垛機能夠識別的編碼巷道和貨位上采用的編碼方式通常為坐標系形式。堆垛機的認址檢測元件一般為紅外光電開關，貨架每列上安裝一個水平認址片，堆垛機上安裝垂直方向的層認址片。當堆垛機進行水平運動或者垂直運動時，認址片會對紅外光電開關進行擋光，從而造成紅外光電開關發(fā)生狀態(tài)變化，即可得到堆垛機的位置信息。

（二）認址方式

目前自動化立體倉庫中常用的認址器有三種，各認址方式具有自身特點，見表。

（三）基于激光測距技術的水平認址定位控制

綜合各認址方案的精度、壽命、可靠性、成本等因素以及本實訓系統(tǒng)的教學目的，最終決定在堆垛機原有的水平激光測距認址基礎上，再增加光電開關的相對認址方式。其中，以原有光水平激光測距傳感器為主認址方式，以光電開關為輔助認址方式，對激光測距傳感器認址誤差進行檢測和修訂，從而降低作業(yè)誤差率，并且能夠有效提高堆垛機的運作效率和運行精度，最終實現精確定位的要求。此外，如果采用激光測距和光電開關相結合的認址方式也能夠為下面閉環(huán)速度的控制方案提供硬件依據和保障。

（四）升降運行認址定位

本實訓系統(tǒng)中，起升機的認址方式采用光電開光認址器和旋轉編碼器相結合的認址方式，認址片分別安裝在堆垛機立柱和貨架各層相應位置，通過載貨臺上的光電開關進行檢測定位。

每個貨格中設置兩個認址片，分別確定高位和地位兩個垂直位置。其中，高位認址片用于識別堆垛機貨品入庫時放貨開始位置和貨品出庫時取貨結束位置；低位認址片作為貨品出庫時取貨開始位置和貨品入庫時放貨結束位置。在垂直方向上設置檢測裝置，以保證貨叉可以在高位或低位及時停止，目前常采用的方式是多個光電開關和一套認址片相結合的方式。

本實訓方案中，采用2個光電開關實現對貨叉高位和低位的檢測控制。下面以取貨為例介紹貨叉取貨流程。堆垛機檢測列數進入指定貨格所在列后，如果貨格高于載物臺，此時載物臺開始升起，當檢測到SQ29時，載物臺停止，計數器加1，此時是貨叉的低位狀態(tài)，進行取貨。取貨后載物臺緩慢上升，當認址片檢測到SQ30時停止，此時是貨叉在該貨格中的高位狀態(tài)。

二、基于激光測距的半閉環(huán)速度控制

現階段，堆垛機中常用的速度控制技術有：閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制、開環(huán)控制。其中，開環(huán)控制系統(tǒng)缺乏比較速度信號，穩(wěn)定性較差，容易受到干擾，一般適用于對作業(yè)速度要求較低的自動化立體倉庫。半閉環(huán)或者閉環(huán)控制系統(tǒng)，增加了速度反饋環(huán)，可以實現對堆垛機運行速度的及時反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)中，只要相關參數選擇得當，便可以獲得較高的穩(wěn)定性和精確性，可以滿足本實訓系統(tǒng)對堆垛機高效、精確運行的要求。

要實現對堆垛機速度和位移的控制，需要兩個部分的閉環(huán)控制，分別是堆垛機位移閉環(huán)控制和堆垛機運行速度閉環(huán)控制。

（一）堆垛機位移的閉環(huán)控制

堆垛機位移的閉環(huán)控制是指當堆垛機到達特定位置后，傳感器進行當前位置的測定，并且反饋出當前位置和目的位置的距離信號，進而按照事先設定的速度控制方案，調整輸出頻率，使堆垛機在到達目的地附近之前高速運轉，到達目的位置附近時平穩(wěn)減速至較低速度。

（二）堆垛機運行速度的閉環(huán)控制

閉環(huán)控制是指為了保證堆垛機以特定的速度運行，需要通過傳感器對堆垛機的速度進行實時監(jiān)測。論文中的系統(tǒng)采用的是速度控制的閉環(huán)控制，因此成為半閉環(huán)控制。

本實訓系統(tǒng)設計中，位移閉環(huán)控制部分由激光測距傳感器代替，因為激光測距傳感器的精度較高，因此這部分采用開環(huán)控制。將位移信號進行微分處理可以得到速度信號，將該信號反饋給控制器，控制器通過對變頻器的控制實現對速度的控制，該部分采取閉環(huán)控制。

堆垛機速度控制的前提是進行速度調節(jié)方案的制訂，不同的運行距離對應不同的“時間—速度”曲線，需要對加速度大小和持續(xù)時間進行精確計算和控制。因為本實訓方案中，大部分貨格尺寸相同，堆垛機的運行距離一般為單個貨格距離長度的整數倍，所以確定采用以下方案進行速度控制：當運行距離為1個貨格時，堆垛機的運行曲線為標準速度加減曲線1；當距離為2個貨格時，運行曲線為標準速度加減曲線2。標準速度加減曲線通過實踐測得并存儲在變頻器中，PLC接受上位機命令后，根據運行距離直接調用變頻器中的速度曲線控制堆垛機運行。

在實際應用過程中，發(fā)現該“激光測距儀+變頻器”控制方法對堆垛機電動機的轉矩輸出可以實現精準、平滑的控制，尤其是可以實現大范圍調速要求，并且在電動機低速運行時能獲得較為平穩(wěn)的輸出轉矩，系統(tǒng)響應時間較短，可靠性較高。

三、安全保護措施

安全問題一直是工業(yè)生產中的首要問題，自動化立體倉庫實訓系統(tǒng)涉及多種設備，并且大部分是自動化控制，容錯率較低。因此，在進行最初設計時要充分考慮到設備運行的安全保護措施，一般包括終端限位、緩沖措施、超負荷保護、電路接地保護等，本實訓方案在堆垛機設計過程中，還根據需要設置了其他保護措施。

（一）終端保護

終端保護裝置主要包括終端限速器、終端限位器和緩沖墊。其中，限位器主要是物理制動的保護裝置。限速器是切斷堆垛機在該方向運行的高速和中速保護裝置。緩沖墊是被動防護裝置，一般采用高強的橡膠，防止堆垛機發(fā)生傾覆等。

（二）升降限位保護裝置

堆垛機升降限位保護裝置的功能類似于水平方向的終端保護裝置，主要是為了防止載貨臺在起升和下降過程中的超限問題。一般在立柱上端和下端設置急停檢測開關和擋塊。當載貨臺上升超過限度后會遮擋強行減速光電傳感器，載貨臺會強行減速到低速，如果載物臺繼續(xù)上升，會觸動上行極限行程開關，此時會切斷起升電源，反之亦然。

（三）聯(lián)鎖保護

聯(lián)鎖保護的目的在于保證堆垛機在任何狀態(tài)下，都最多只有一種運動方式，即堆垛機水平行走、垂直升降、貨叉伸縮三者之間互相聯(lián)鎖，最多只能存在一維的運動。

（四）貨位檢測控制

貨位檢測功能是針對貨叉制定的特殊保護措施，即將貨位認址檢測作為貨叉運動的必要條件，只有確定堆垛機到達正確位置時才能進行貨叉的伸縮控制。

（五）斷繩保護

當堆垛機的提升鋼繩斷裂時，通過斷繩保護裝置迅速切斷垂直電動機電源，能夠極大地提高安全保護性能。

（六）緊急停車

緊急停車按鈕設置在堆垛機控制柜上，緊急情況下可以通過該按鈕切斷堆垛機電源。

（七）過載保護

過載保護主要是防止載物臺貨品超重，當貨品重量超出載貨臺承載限度時，載貨臺下方彈簧行程超限，從而切斷起升電動機電源，并發(fā)出警告。

（八）報警信號

當設備發(fā)生故障或緊急情況時，通過報警印象信號提醒工作人員。此外，在堆垛機啟動前，也會發(fā)出報警信號提醒人員注意躲避。

（九）斷電保護

堆垛機的斷電保護主要是針對載貨臺垂直運動制定的，類似于電梯的斷電保護功能，在發(fā)生突然斷電時，可以通過機械裝置制動，將載貨臺鎖死在立柱上，防止載貨臺下降。

（十）載貨臺的安全檢測裝置

1.貨叉載貨檢測是通過在載貨臺上安裝鏡反射光電傳感器，通過信號能否通過載貨臺來判斷載貨臺上有無貨品，“通過”表明無貨，“通不過”表明有貨。

2.貨品體積檢測

貨品超寬檢測通過鐵桿上的傳感器向左右兩邊發(fā)射信號來判斷是否超長，能接收到信號表明為超寬，不能接收到信號說明未超寬。貨品高度檢測原理和貨品超寬檢測類似，由于本實訓系統(tǒng)中存在兩種不同規(guī)格的貨位（高度不同），因此在對貨品超高檢測時，也相應安裝兩組傳感器，分別對應不同貨位進行檢測。

本文主要針對自動化立體倉庫實訓系統(tǒng)堆垛機控制系統(tǒng)中堆垛設備進行了設計。在堆垛機的控制系統(tǒng)設計上，主要采用激光測距傳感器，實現了堆垛機的定位和速度檢測，并且通過激光傳感器和變頻器相結合形成速度的閉環(huán)控制方式。另外，考慮到本實訓系統(tǒng)的教學性要求，主控制面板采用了觸摸式操作屏控制方式。在運輸機和AGV自動導引小車的設計上，介紹了常用程序的流程設計，并且給出了關鍵部分的軟件和硬件配置以及流程設計。

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