王 娟

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院電氣與信息技術(shù)學院，吉林 吉林 132013）

1 引言

隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，自動化立體倉庫被廣泛地應(yīng)用于倉儲及生產(chǎn)。自動化立體倉庫作為現(xiàn)代物流系統(tǒng)的重要組成部分之一，具有節(jié)約用地、降低儲運損耗、減輕勞動強度、消除差錯、減少流動資金的積壓、提高物流效率以及倉儲自動化水平和管理水平、提升管理和操作人員素質(zhì)等優(yōu)點[1]，實現(xiàn)了倉庫功能從單純保管型向綜合流通型的轉(zhuǎn)變[2]。

由于合適的自動化立體倉庫存取策略能夠提高倉庫的工作效率，因此要獲取最優(yōu)化的算法，并且為了有利于立體倉庫的控制實現(xiàn)自動化，可以應(yīng)用具備可靠性高、抗干擾能力強、設(shè)計安裝容易等優(yōu)點的PLC。

2 立體倉庫控制功能

如圖1 所示設(shè)計了立體倉庫系統(tǒng)控制面板，并且面板上設(shè)置了急停、取出、啟動、倉位號等按鈕。該立體倉庫的具體控制功能如下：

（1）將選擇開關(guān)置于自動位置，通電狀態(tài)下，各機構(gòu)復位，即返回零位。立體倉庫坐標定位以零位開始。

（2）當送貨的時候，選擇欲送貨物的倉位號，按動倉位號對應(yīng)按鈕，控制面板數(shù)碼管將顯示倉位號。按送進按鈕后，貨物將自動送入指定倉位號對應(yīng)的倉庫位置。若被指定的倉位有貨物，則送貨命令不被執(zhí)行。送貨完成后，小車將自動返回原來位置。

（3）當取貨的時候，選擇欲取貨物的倉位號，按動取出按鈕后，控制面板數(shù)碼管將顯示倉位號，堆垛機將自動取出貨物。如果小車里有貨物，則取貨命令不被執(zhí)行。

（4）完成取貨和送貨指令后，各機構(gòu)將自動返回原來位置。

（5）整個電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕，以防發(fā)生意外。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

自動化立體倉庫的硬件設(shè)計主要包括PLC選型、堆垛機控制系統(tǒng)設(shè)計、步進電機選型、輸入點和輸出點分配。

運用PLC 控制系統(tǒng)來控制立體倉庫的運動，實現(xiàn)對輸入信號快速做出響應(yīng)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3.1 PLC 選型

根據(jù)工藝控制要求，本系統(tǒng)選用西門子S7-300 系列PLC，其主要根據(jù)如下：

（1）選用該機型PLC 可以滿足立體倉庫控制系統(tǒng)的要求。

（2）目前，西門子品牌PLC 的應(yīng)用比較成熟，不僅在技術(shù)上有保證，還可以借鑒大量的成功經(jīng)驗，這樣就縮短了系統(tǒng)開發(fā)的周期，從而降低成本。

（3）由于有步進電機的控制，故選擇晶體管輸出類型。

3.2 堆垛機控制系統(tǒng)設(shè)計

堆垛機作為自動化立體倉庫系統(tǒng)的重要組成部分，是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部件。存貨時，將貨物從出入貨臺準確存放至貨位；取貨時，將貨物從貨位取回至出入貨臺。

堆垛機運行機構(gòu)由水平運行的行走機構(gòu)、垂直運行的起升機構(gòu)與取送貨的伸叉機構(gòu)三部分組成。其中，水平和垂直部分運動電機由西門子S7-300PLC 控制。伸叉機構(gòu)電機則采用步進電機，由西門子S7-300 系列PLC 通過步進電機驅(qū)動器進行控制。堆垛機運行機構(gòu)特點與工作要求能夠保證堆垛機的穩(wěn)定工作，并精確定位三維位置移動。

3.3 步進電機選型

該立體倉庫控制系統(tǒng)采用三相混合式步進電機，其主要優(yōu)點為體積小以及具有較高起動和運行頻率，能夠保持定位轉(zhuǎn)矩等。作為驅(qū)動步進電動機，必須由決定電動機速度和旋轉(zhuǎn)角度的脈沖發(fā)生器（該立體倉庫控制系統(tǒng)采用PLC 作脈沖發(fā)生器進行位置控制）、使電動機繞組電流按規(guī)定次序通斷的脈沖分配器、保證電動機正常運行的功率放大器以及直流功率電源等組成驅(qū)動系統(tǒng)。

3.4 輸入點和輸出點分配

分配I/O 點時，應(yīng)注意系統(tǒng)公共點的帶載能力，以免燒毀設(shè)備。堆垛機控制系統(tǒng)采用的PLC是西門子S7-300 CPU312，共使用8 個輸入點、16 個輸出點，以及4 個中間變量M，具體I/O 點分配如表1 所示。

表1 PLC輸入輸出I/O點分配

4 立體倉庫存取路徑優(yōu)化

對于固定面積的立體倉庫而言，不同的存儲策略決定了存取時間。因此，合理安排堆垛機的工作路徑能夠提高立體倉庫的存取效率。

4.1 存取策略

排隊論被稱為隨機服務(wù)系統(tǒng)理論，是研究排隊系統(tǒng)運行規(guī)律、優(yōu)化控制和系統(tǒng)狀態(tài)的一種科學理論[3]。排隊理論適用于建立立體倉庫存儲模型。立體車庫排隊模型如圖3 所示。

通過排隊隊列立體倉庫在每次存取貨物操作后會回到原處，再重新進行操作。由隨機存取策略演化而來交叉存取策略，則是將批量貨物先分組，再交叉存取[4]。

若先進行存貨操作，完成后立即取貨所用時間為T1，則：

若先進行取貨操作，完成后立即進行存貨所用時間為T2，則：

連續(xù)進行n 次存取貨任務(wù)所用總時間為T，則：

其中，k1和k2分別指在交叉存取策略下，兩種情況發(fā)生的次數(shù)，k1+k2=n。

4.2 路徑優(yōu)化

堆垛機的工作方式采用單一和復合相結(jié)合的方式，運行路徑的計算方式為距離之和。

當存貨或者取貨的目標位置為（a，b）時，堆垛機進行單一工作的距離為Sd，則：

當同時有存貨目標位置（a，b）和目標位置（c，d）任務(wù)時，堆垛機進行復合工作運動，則：

當有m 項存貨任務(wù)和n 項取貨任務(wù)時，進行單一作業(yè)次數(shù)為｜m-n｜的值，即：

當有m 項存貨任務(wù)和n 項取貨任務(wù)時，進行復合作業(yè)次數(shù)將執(zhí)行m 和n 中較小的數(shù)量，即：

堆垛機運行的總距離為S，則：

由此可見，利用遺傳算法優(yōu)化堆垛機的路徑，可以縮短其工作距離。

5 上位機設(shè)計

在組態(tài)軟件中，采用交叉存取策略可以完成自由控制。利用西門子S7-300 系列PLC 完成對立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的設(shè)計，并通過WinCC 來組態(tài)人機界面，建立WinCC 與PLC 的通信連接，實現(xiàn)對控制過程的監(jiān)控。圖4 為主運行界面。

6 結(jié)語

隨著立體倉庫快速發(fā)展，采用交叉存儲策略以及遺傳算法優(yōu)化立體倉庫路徑有利于企業(yè)實施現(xiàn)代化管理，因而已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲技術(shù)?；赑LC 的立體倉庫控制系統(tǒng)在故障排除方面，采用預(yù)測專家系統(tǒng)等智能控制算法，能夠幫助操作員快速找到故障點，提高其排除故障效率；在優(yōu)化分配貨架貨位方面，對輸送線等外圍設(shè)備進行了分析，力爭將系統(tǒng)全局達到最優(yōu)。當然，在實際生產(chǎn)中，還要不斷完善和改進部分環(huán)節(jié)可能存在的漏洞，并利用高級語言開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，縮短工程人員檢測程序的周期，以提高控制系統(tǒng)的性能。