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在线物料配送自动化立体仓库的实体模型设计 摘要 7 9 ；3 7 9 在烟草、制药、电子元件等生产企业或配送节点，往往希望在线立体仓 库能将物料能按生产工艺配送给各个生产班次，以实现物流系统与生产系统 的无缝连接。为了对该类集成在线物料配送管理系统的自动化立体仓库( 简 称在线配送立体仓库) 进行研究，需要建立它的实体模型，并模拟动态运 行，再通过实时监控界面将运行状态、物料供应情况等生动地呈现出来，这 样就可以对所执行的调度策略进行检验和评价。同时，还可以把它作为实验 平台来探索更先进的立体仓库的控制和管理技术。 本课题建立了一个通用的按比例缩小的在线立体仓库的实体模型，该模 型由货架、堆垛机、搬运机械手和出入库辊道等部分构成。该模型的机械结 构直观、形象地表示了实际系统的运行情况，并具有简洁、紧凑、美观等优 点。针对在线配送立体仓库的运行特点，该模型的控制及管理系统采用了二 级( 管理级和控制级) 控制方案；搭建了基于p r o f i b u s d p 的分布式控制 网络；完成了基于w i n c c 环境的实时监控系统。本课题还实现了堆垛机自 动寻址和运行速度的优化。经最后的调试和运行，结果表明该模型能够较好 地模拟实际在线立体仓库的运行情况。 关键词：物料配送，在线立体仓库，现场总线，分布式控制系统，w i n c c 一1 一 e n t i t a t i v em o d e ld e s i g no fo n l i n em a t e r i e ld i s t r i b u t i o na u t o m a t i c s t o r a g e & r e t r i e v a ls y s t e m a b s t r a c t s o m ee n t e r p r i s e sm a n u f a c t u r i n gs u c ha st o b a c c o ，p h a r m a c y , o re l e c t r o n c o m p o n e n tw i s ha s r sc o u l dd i s t r i b u t em a t e r i a l st ov a r i o u sp r o d u c i n go r d e r ， w h i c hc a nr e a l i z et h en o n - g a pc o n n e c t i o nb e t w e e nt h el o g i s t i cs y s t e m & p r o d u c i n g s y s t e m i no r d e r t or e s e a r c ht h eo n l i n ed i s t r i b u t i n ga s r s ，i ti sn e e d e dt ob u i l di t s e n t i t a t i v em o d e la n dr u ni t d y n a m i c a l l y , t h e np r e s e n t t h e r u n n i n g s t a t u s & c o n d i t i o n so fm a t e r i a lp r o v i d i n gt h r o u g hr e a l t i m em o n i t o r i n gi n t e r f a c e s o ，i t c a np r o v i d eu si n s p e c t i o n & e s t i m a t i o no fa t t e m p e rs t r a t e g y a tt h es a m et i m e ，i t c a nb e e nr e g a r da st h ee x p e r i m e n t a lf l a tt oe x p l o r em o r ea d v a n c e dc o n t r o l l i n g & m a n a g et e c h n i q u e t h i ss u b j e c tb u i l d sa na l l p u r p o s eo n l i n ea s r s sm o d e l ，w h i c hi ss c a l e d b yi t sr e a ld i m e n s i o n s t h i sm o d e li sm a d eu po fs h e l ls t a c k e rc r a n e ，a n do u t i n w a r e h o u s er o l l e r t h i sm o d e l sm e c h a n i s ms t r u c t u r en o to n l yc a ns h o wt h er u n n i n g c o n d i t i o no fr e a ls y s t e mi m m e d i a t e l y ，v i s u a l l yb u ta l s oh a v eas i m p l ea n dp l e a s i n g s h a p e a i ma tt h ec h a r a c t e r i s t i co fr u n n i n go fo n l i n ed i s t r i b u t i n ga s r s ，t h i s m o d e l sc o n t r o l l i n g & m a n a g e m e n ts y s t e ma d o p tt w o l e v e lf m a n a g e m e n tl e v e l c o n t r o l l i n gl e v e l ) c o n t r o l l i n g & s i m p l es c h e m e ，b u i l dt h ed i s t r i b u t i n gc o n t r o l l i n g n e tw h i c hi sb a s e do np r o f i b u s - - d p , c o m p l e t et h er e a l - t i m em o n i t o rs y s t e m w h i c hi sb a s e do nw i n c ce n v i r o n m e n t f u r t h e r m o r e ，t h i ss u b j e c tr e a l i z e st h e o p t i m i z a t i o no fs t a c k e rc r a n e ss p e e d k e y w o r d s ：m a t e r i a ld i s t r i b u t i n g ，o n l i n ea s r s ，f i e l d b u s ，d i s t r i b u t i n g c o n t r o ls y s t e m ，w i n c c i i 第1 章绪论 1 1 国内外立体仓库发展及现状 自动化立体仓库，又称自动存取系统a s r s ( a u t o m a t i cs t o r a g e & r e t r i e v a ls y s t e m ) ( 简称为立体仓库) 是以高层货架为主体，以成套搬运设备为基础，以计算机控制技术 为手段的机电一体化高科技集成系统。它集机械、电子、计算机、通信、网络、传感器 和自动控制等多种技术于一体，以搬运机械化、控制自动化、管理微机化、信息网络化 为特征，是现代物流系统的重要节点，成为现代化仓储物流中产品生产与存储的枢纽i ”。 立体仓库最早产生于6 0 年代的美国，到现在大致经历了三代的发展，并逐步向第四 代过渡，2 0 世纪6 0 年代产生的第一代机械式立体仓库系统( m e c h a n i c a lh i g h r i s e w a r e h o u s es y s t e m ) 中，操作人员呵通过一些电器按钮和开关来控制一些机械设备进行 入、出库作业，实现了搬运的机械化：到了7 0 年代末期，随着町编程控制器 ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r 简称p l c ) 、自动存取a s r s ( a u t o m a t i cs t o r a g ea n d r e t r i e v a ls y s t e m ) 、自动导向小车a g v s ( a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e s ) 、条形码阅读器 ( b a rc o d es c a n n e r ) 等设备在立体仓库中的应用，第二代立体仓库系统( a u t o m a t e dh i g h - - r i s ew a r e h o u s es y s t e m ) 实现了控制自动化，到本世纪8 0 年代末，计算机技术的异军突 起及其在立体仓库系统中的成功应用，引发了第三代集成化立体仓库系统( i n t e g r a t e d h i 曲- - r i s ew a r e h o u s es y s t e m ) 的诞生，形成了由管理级、监控级、控制级组成的三级分 布式控制结构，上位管理机协调控制整个仓库系统的出入库作业和库存管理，并且与上 位工厂计算机信息管理网相联结，实现管理微机化引。进入9 0 年代末，出现了第四代智 能型立体仓库系统( i n t e l l i g e n th i 曲f i s ew a r e h o u s es y s t e m ) ，该类仓库系统不仅实现了 对出、入库任务和仓库信息的全自动处理，而且还可根据生产计划报表分析、制定出所 需材料与劳动力，并依据物资的现有库存量提出外购建议，当某些物资库存量不能满足 生产翥要时，系统还可根据现有在库物资适当修改生产计划，并上报工厂相关部f ，诸 如此类人工智能已逐步溶入了立体仓库控制系统中。 1 ， 以自动化功能齐全的立体仓库取代传统的普通房式仓库己成为世界仓储建设发展的潮 流。据不完全统计，美国拥有各种类型的立体仓库2 0 0 0 0 多座，日本拥有3 8 0 0 0 多座， 德国拥有1 0 0 0 0 多座，英国有4 0 0 0 多座，前苏联有j 5 0 0 多座。高度达4 0 米以上的巨型 立体仓库数量越来越多。我国进入8 0 年代以来，一些交通运输部门，物资储存部门以及 现代大中型企业对老式仓库进行了技术改造，开始采用立体仓库。据不完全统计，光 2 0 0 4 年一年国内建设的自动化立体仓库在5 0 座左右，主要集中在烟草、医药、食品、通 讯和信息产业、机械制造业等传统优势产业f 3 1 。 而且，在实力强劲的药品生产及配送行业、烟草行业等对自动化立体库的需求越来越 大。伴随着烟草等行业新一轮的仓库改造，自动化立体库将更普遍。 自动化立体仓库针对多品种、小批量、多批次、小数量的物流方式的发展要求，使库 存保管能准确、及时和迅速地满足顾客的物流服务需求。具体来说自动化立体仓库的优 点表现在4 个方面1 4 i ： ( 】) 高层货架存储。由于使用高层货架存储物料，存储区可以大幅度地向空中发 展，充分利用仓库的地面和空间，从而节省了库存占地面积，提高了空间利用率。 ( 2 ) 自动存取。自动化立体仓库使用自动化设备，运行和处理速度快，提高了劳动 生产率，降低操作人员的劳动强度，改善了工作环境，保证安全操作。 ( 3 ) 计算机控制。计算机能够始终不知疲倦并且准确无误地对系统各种信息进行存 储和管理，因此能减少物料处理和信息处理过程中的差错，同时借助于计算机管理还能 有效地利用仓库的存储能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快储备资金周转，节 约流动资金，从而提高仓库的利用率。 ( 4 ) 信息集成。自动化立体仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现 企业信息管理的自动化。同时，能方便地纳入企业的物流系统，使企业物流更趋于合理 化。同时，由于使用自动化立体仓库，促进了企业的科学管理，减少浪费，保证均衡生 产。另方面也提高了操作人员素质和管理人员的水平。 1 1 1 立体仓库的分类 按与生产联系的紧密程度可将自动化立体仓库分为独立型、半紧密型和紧密型立体 仓库【5 1 。 ( 1 ) 独立型 独立型立体仓库也称为“离线”仓库，是指从操作流程及经济性等方面来说都相对 独立的自动化仓库。这种仓库一般规模都比较大，存储量大，仓库系统具有自己的计算 机管理、监控、调度和控制系统。它又可分为存储型和中转型仓库。如配送中心就属于 这类仓库。 ( 2 ) 半紧密型仓库 半紧密型仓库是指它的操作流程、仓库的管理、物料的出入和经济利益与其他厂 ( 或上级单位) 有一定关系，而又未与其他生产系统直接相联。 ( 3 ) 紧密型仓库 紧密型仓库也称为“在线”仓库，是指那些与工厂其他部门或生产系统直接相联的 自动化仓库，两者间的关系比较紧密。在线自动化立库系统的使用要求是：短( 要求作 业周期短) 、频( 出入库频繁) 、快( 系统响应快) 。紧密型自动化立体仓库的控制具 有以下特点：( 1 ) 控制结点多，且多为开关量。( 2 ) 整个控制系统总的来说是分布在 整个仓库，但是又相对集中在一个个相对小的区域内。( 3 ) 控制实时性强，要求反应灵 敏，精确度高。 1 1 2 集成原料配送管理的在线立体仓库 在烟草、制药、电子元件等生产企业或配送节点，往往希望在线立体仓库能将材料 ( 各种烟草原料或各种电子元件) 按生产工艺配送提供各个生产班次。例如，在某卷烟 生产企业里，需要在线立体库将不同等级烟叶按生产品种组合送到制丝线的入口，进行 制丝同时要将制丝车间生产的烟叶丝、烟梗、烟末丝三种配方原料根据生产需要集中存 储、发酵，并由企业信息管理系统所提供的各个生产班次所需要的各原料的品种、数量 等配送信息，将物料分别送到卷制线的各个入口，从而实现物流系统与卷制系统的无缝 连接1 引。这时的在线立体仓库要为下一级生产系统或设备服务，但是又区别于类似的其他 在线立体仓库，它不仅考虑各个批次中多个品种的原料的总量，而且更考虑了各品种的 比例关系和排列顺序。因此，可以说由于出入库作业与生产过程结合的紧密性，决定了 其必须集成基于m i s ( 管理信息系统) 的配送管理子系统。显然，集成原料配送管理的 在线立体仓库( 简称在线配送立体仓库) 在生产中有很大需要，但在国内这些领域的应 用尚属起步，可以预料，此类在线立体仓库在国内食品、烟草、医药等行业将拥有很广 阔的发展前景。 1 2 本文的主要研究目的和意义： 在线配送立体仓库在国内各领域的研究和应用尚属起步，所以也没有实际系统可供 参考，只能通过建立其系统模型来对其进行探索性研究。系统模型一般分为物理模型即 实体模型和数学模型，数学模型一般都是公式化的，比较抽象，但是由于物流系统中的 动态因素很多，有相当一部分问题是难以建立数学模型的。但实体模型则是按实物的结 构放大或缩小，它能较好地反映实体的某些特征，表达实体系统的主要结构和因素，这 种方法形象、直观、易懂。 通过建立在线配送立体仓库的实体模型，动态运行此模型，再用实时监控界面将系 统运行状态、道路堵塞情况、物料供应情况等生动地呈现出来，这样就可以对所执行的 调度策略进行检验和评价。同时，还町以把它作为实验基础平台来探索更先进的立体仓 库的控制技术和管理技术，在实现立体仓库的“3 i ”一i n t e g r a t e d ( 集成化) 、i n t e l l i g e n t ( 智能化) 、i n f o r m a t i o n ( 信息化) 方面进行基础性研究、有益探索和努力的实践。 1 3 本文的主要研究内容 本课题的研究内容是在线配送立体仓库的实体模型的设计，控制系统的设计是本文 的重点。要达到的目标是：设计出一个包括机械、控制部分的完整的立体仓库的实体模 型，并且要具有通用性、可扩充性以及模拟和仿真的功能。所以，本文首先对现实在线 立体仓库及其控制系统进行了研究，在对现有的设计经验进行总结的基础上搭建了一种 j 基于p r o f i b u s ( 现场总线) 的网络全分布控制系统。具体内容包括以下几个方面： 第一部分，建立通用的按比例缩小的立体仓库的实体模型。完成立体仓库实体模型的 控制系统方案设计，包括各功能模块框架的搭建、控制网络的选择、传感器以及各执行 机构的选择。 第二部分，完成立体仓库实体模型控制系统的硬件结构搭建和软件设计，其中硬件部 分包括控制系统中下位p l c 的选择、p l c 输入输出点的分配、以及变频调速系统的调 试，软件部分包括根据立体仓库的运作流程画出顺序功能图、由顺序功能图编制p l c 程 序、现场总线的搭建、上完成位p c 机的w i n c c 组念界面、完成通信程序、设计监控管 理系统。 第三部分，在线调试立体仓库实体模型，检验各部分的运行程序和过程监控的正确 性。 其中，第二章介绍在线立体仓库实体模型的建立，第三章讨论了控制及管理系统的总 体设计，第四章讨论了自动控制系统设计，第五章是p l c 控制系统的通讯实现，第六章 是监控及管理系统设计。 第2 章在线立体仓库实体模型的建立 本章建立了一个通用的按比例缩小的立体仓库的实体模型，能够形象模拟实际立体 仓库系统的运行情况，主要设计内容包括：立体仓库的布局与规划、仓储机械设备。 2 1 立体仓库的布局及规划 立体仓库的布局与规划在立体仓库的设计中有十分重要的地位，合理的布局与规划 可以使企业物流更加通畅，布局更加紧凑，生产联系更加方便，建设投资费用也更低盯1 。 2 1 1 高货架区和作业区的衔接方式 立体仓库进、出物料同外界的连接以及立体仓库本身就是一个物流系统，究竟采用 什么搬运设备，组成怎样的搬运系统，需要根据实际情况来确定。本文在建立在线立体 仓库的实体模型时，本着既能体现大多数立体库的实际运行状况又方便实用的原则采用 了辊道输送带一出入库台的方式。采用这种方式时，在高层货架的巷道口设入库台和出 库台。入库时，用入库辊道输送带将物料单元从入库作业区运到入库台，由货架区内的 堆垛机取走并送入货格，出库时，由堆垛机从货格内取出物料单元放到出库台上，由出 库辊道输送取走，送到出库作业区，如图2 1 所示。 入库糍遘输送 刍 出库辊道输送带 出库台堆垛机 图2 1 辊道输送带一出，入库台方式 f i g 2 1r o l l e rc o n v e y e rb e l t - - o u t i nw a r e h o u s em o d e 2 1 2 仓库的形式及作业方式 在本实体模型中采用了应用最广、通用性最强的固定单元式货架仓库，结构形式为： 货架沿仓库的宽度方向分为若干排，每两排货架为一组，其间有一条巷道，供堆垛机作 业，每排货架沿仓库总长方向分为若干排，沿垂直方向又分为若干层，从而形成大量货 格，用以存储物料，如图2 1 所示。 2 1 3 物料单元出、入高层货架的形式 在这个实体模型中物料单元出入高层货架采用了同端出入式，也就是物料入库和出 库都在巷道的同一端。这种布局的最大优点是能缩短出、入库的周期，特别在仓库存储 不满，而且采用自由货位存储时，优点更为明显，此时，可以挑选距离入库出库口较近 的货位存放物料，缩短搬运路程，提高出入库效率。此外，入库作业区和出库作业区还 可以合在一起，便于集中管理。 2 2 仓储机械与设备 仓储机械与设备是完成物流系统存取功能的主要机械设备，主要包括堆垛机、货架、 托盘或货箱等设备【7 1 。 2 2 1 货架的形式、结构、货格尺寸及选材 如图2 ，2 所示，在这个实体模型中采用了最常见的、用于大容量仓库的货格式货架。货 架是由型钢焊接的货架片，通过水平垂直拉杆以及横梁等构件连接起来。这种钢货架的 优点是：构件小，仓库空间利用率高，制作方便，安装建设周期短，而且随着高度的增 加，钢货架比钢筋混凝土货架的优越性更加明显。 图2 - 2 固定单元式货架 f i g 2 - 2r o o t i n gc e l l s h e l f i 一 - 翦料 c c l 一 j -i 止止 巳旦 i a 一 d 一 囤2 3 货架与货箱关系 f i g 2 - 3r e l a t i o no f g o o d s s h e l f & g o o d s b o x 确定货格尺寸是立体仓库设计中一项极为重要的设计内容，考虑到整个实体模型的 结构、尺寸以及堆垛机与货架和货格之间的匹配关系，模型货架的高度定为7 0 c m ，货架 与货箱的关系如图2 3 所示：图中b 为货箱宽度，f 为货叉宽度，e 为货叉一托盘支承间 距，a 为托盘支承宽度，d 为托盘支承的问距，c 为托盘一立柱间距，h 为托盘与货箱的高 度差，上面各个参数的取值分别为：f = 1 4 5 m m ，d = 1 7 0m m ，a = 1 5 r a m ，e = 1 m l i l ；c = 1 0 m m ，h 一7 0 m m 。 货架作为一种承重结构，货架必须具有足够的强度和稳定性。在本实体模型中，货 架设计采用刚度假设，即认为工作底盘在货架和物料作用下不会产生弹性变形。此种处 理使设计计算大为简化。采用的钢制托盘，具有足够的强度和刚度，能够满足实际的需 要，运行情况表明，这种设计能够很好地满足实体模型的需要，与实际情况比较接近。 2 2 2 巷道式堆垛机 我们建立的这个实体模型是一个可以三维运动的单立柱巷道式堆垛机，它的主要用 途是在高层货架的巷道内来回穿梭运行，将位于巷道口入库台的物料存入货格；或者相 反，取出货格内的物料运送的巷道口出库台【引。它具有以下几个方面的特点： 整机结构高而窄。 堆垛机机械结构的设计除了能够满足强度要求外，还具有足够的刚度，能够满足 精度要求。 堆垛机配备有特殊的取物装置。 堆垛机的电力拖动系统能够同时满足快速、平稳和准确三方面的要求。 在电气控制上采取了一系列联锁和保护措施。 此模型主要有以下几部分构成：升降机构、运行机构、货叉、伸缩机构、机架以及电 气部分等组成。 舟 糟鞋 两步鞋 囊琦轴苯 同步 蕈毋轴承 赣蛊掌虢 步进电机 图2 1 4 升降机构 f i g 2 - 4e l e v a t i n gm a c h i n e ( 1 ) 升降机构 为了简化模型以及提高运动的精确性，动力部分采用的是步进电机，选用的是两相 混合式步进电机，传动部分采用的是同步带传动。如图2 4 所示，模型的升降机构主要包 括：升降平台、步进电机、同步带、同步带轮。动力源、步进电机放在堆垛机底座中， 这样既增加了底座的重量，使底座尺寸紧凑、稳定性好，同时又便于维修。在立柱顶部 安置同步带轮，借助立柱中空的空间，通过同步带轮传递动力。 由于升降平台在升降的过程中，升降平台和立柱之间不可避免地要存在较大的摩 擦，使得升降过程不顺畅。为了克服这种情况，在设计这个模型的过程中主要采取了三 个措施：首先，在升降平台和立柱相互接触的部分采用镜面不锈钢接触，由于镜面不锈 钢的摩擦系数比普通钢板的摩擦系数要小的多，因此采用镜面不锈钢可以减小接触面之 间的摩擦力。其次，因为点接触要比面接触摩擦力小的多，因此我们采用了四个滚动钢 珠镶嵌在升降台侧面的镜面不锈钢处，利用滚动钢珠和镜面不锈钢的点接触，变滑动摩 擦为滚动摩擦，这样就能极大地减小接触面之间的摩擦力，具体结构如图2 5 所示。第 1 n 三，为了减小摩擦力，同时也是为了在升降的过程中给升降平台起导向作用，在升降平 台的背面安装了四个滚动轴承，两个一组，并行排列，这两组滚动轴承分别在立柱的两 个侧面上滚动，使升降平台能够沿着正确的方向进行升降。具体结构如图2 6 所示。实际 运行情况表明，这种方法切实可行，完全能够满足模型的运行需要。 镜面不黉锕片镶嵌孔 滚毒 铜璩 升降早 隶动轴 图2 - 5 接触面结构 图2 - 6 升降台导向机构 f i g 2 - 5i n t e r f a c es t r u c t u r ef i g 2 - 6e l e v a t i n g d r o p p i n gs t a g e g u i d i n gm a c h i n e 升降部分的速度可以由控制部分任意调节，升降部分的位置确定主要是通过立柱上 的传感器接触开关计数来实现，升降部分的定位主要是通过电机停转时步进电机的自锁 来实现。在堆垛机的升降、行走和伸缩货叉三种驱动中，升降的功率最大。因此，升降 部分用的电机的功率也最大，所用步迸电机的型号为：5 7 b y g 6 1 0 0 1 ，步距角为： 0 9 1 8 ，保持转矩可以达n 0 6 8 n m ，比一般的反应式步进电机大的多，经过计算适合 这个模型的需要，实际运行情况也证实了这一点。 ( 2 ) 行走机构 模型的行走机构主要包括：运动的行走机构和在轨道上运动的车轮，行走机构主要 是驱动堆垛机的运行，动力源采用的是步进电机，通过同步带和同步带轮进行传动，在 设计时为了紧凑、美观、简洁，采用了地面驱动式，把步进电机、同步带轮均安置在工 作底盘上，通过同步带来带动堆垛机行走，如图2 7 所示。堆垛机是通过底盘上的四个轮 子来承重和导向的，导向轨道和火车钢轨的导向类似，能够保证堆垛机按照正确的方向 运行，而不会脱离轨道。 工作赢盘 图2 - 7 行走机构 f i g2 - 7w a l k i n gm a c h i n e 在设计轨道时，为了避免堆垛机脱轨，导向轨道设计成如图2 8 所示的形式，在轮子 的外侧，轨道上高出了一个凸台，同时为了避免在堆垛机高速运行时承重轮与轨道凸台 之间的摩擦，把凸台的内侧由直角改为斜角，角度大约为1 1 5 度，这样既能起到了导向 的作用，同时又减小了摩擦。实际运行情况表明，这种设计是可行的。在驱动机构中， 由于是水平运动，摩擦力不是很大，设计时考虑到各种摩擦力的存在，经过计算得出所 需功率的步进电机，运行机构中采用的步进电机型号为：4 2 b y g 8 0 i ，步距角为： 0 9 1 8 ，最大静转矩为：0 2 4n m 。 ( 3 ) 伸缩机构 称重轮 导轨 图2 - 8 导向轨道 f i g 2 - 8g u i d i n gt r a c k 升降平台上的伸缩结构，主要是用来存取物料的，在这个实体模型中伸缩机构包 括：步进电机、同步带轮、同步带、货叉、伸缩传动机构都装在升降平台上，升降平台 在滚动钢珠的支撑下沿立柱上的导轨作垂直于行走方向的运动，垂直于升降一行走平面 的方向为货叉的方向。由步进电机的正反转来拖动货又沿升降平台上的导轨来实现双向 运动，由于伸缩部分需要的功率较小，普通的小型直流电机就可满足需要。 ( 4 ) 立柱 为了满足堆垛机整机结构高而窄的特点，模型中采用的是单立柱结构，并且立柱采 用了端面为矩形、中空的结构，采用这样的结构既可以满足立柱在很高的情况下必须具 有良好的稳定性的需要，同时在满足刚度和强度的情况下使得重量减轻，这样就使的整 机重量减轻，节省了材料，而且外形美观。 2 3 堆垛机自动寻址的方案分析 堆垛机的自动寻址就是自动寻找存放提取物料的位置。在计算机控制的下，堆垛机 应该具有自动寻址的功能。 如图2 9 所示，在此实体模型中，两边的货 架是固定静止的，堆垛机在巷道中沿着y 方向运 动。堆垛机的升降台沿着z 方向进行升降运动， 并且升降台上的货叉沿着x 方向左右伸缩进行存 放货运动。所需实现的目标是：堆垛机能够到达 指定的位置进行存货或取货，能够确定堆垛机应 l2 ，j o ， x ( )( ) t 图2 - 9 堆垛机违动方向 f i g 2 9s t a c k e rc r a n em o v e m e n t d i r e c t i o n 到达的货格的具体位置( y ，z 方向是固定的) ，因此需要用传感器测出堆垛机在y 及z 方 向上的位置。 在同一巷道内的货位地址有三个参数组成：第几列货架第几层货格，左排或右 排。当立体仓库接收到上级管理机的存取指令和存取地址后，即向指定的货位方向运 行。运行中，安装在堆垛机上的传感器不断检测位置，计算判断是否到位i2 1 。在此实体模 型中，认址装置由认址片和认址器组成，其中认址器就是反射式光电传感器，发送与接 收红外光在同侧。相应的，该模型使用反射式的认址片，光电传感器通过该认址片会得 到“0 ”或“1 ”的信息，“0 ”表示末接收到红外光，“1 ”表示接收到红外光。由 “0 ”、“1 ”组成的代码就可以用于地址的判断。 2 3 1 增量式相对认址方式 认址方式通常分为：绝对认址和相对认址。相对认址是在堆垛机前后运动及上下运 动时经过每个货位时，光电脉冲使p l c 认址计数器加1 或减1 得到地址的方法。当堆垛机经 某处出错时则所有地址将出错，即堆垛机掉电或重新启动时，堆垛机必须先回零位，这 样会影响工作效率”。 2 3 2 绝对认址方式 绝对认址方式是每一个货格的位置( y ，z 方向) 都有对应的两个传感器来表示，通 过把传感器的信号进行编码，一个编码信号对应一个货格位置。但是单独使用绝对编码 器虽然也可以检测出绝对地址，但是要满足行程的要求，绝对编码器般都级联到传动 轴上，这势必会放大间隙误差，而且在行进过程中误差会累积，难以进行精确补偿。其 具体做法有两种： il- il i_ 。 li i_一- i-_i - 图2 1 0 传感器分布示意图 f i g2 - 10s e n s o rd i s t r i b u t i n gh i n t l 、货架为坐标系，来实现堆垛机相对于货架x 、y 、z 三个方向的运动。在货架的每 一个货格处安装表示货格位置的传感器，并在堆垛机的底盘及升降台上各安装一个遮光 片，示意图如图2 1 0 所示：由堆垛机控制指令丌始运动，根据传感器检测到的信号来判断 是否到达指定的货格位置，若到达，则伸缩货又进行取货或放货，否则继续运动。这种 方案的特点是：每一个货格都用一对传感器，传感器个数很多，假定货架为n 列、m 层， 则共需”+ 一m 个传感器，而且堆垛机在运动过程中不能实现y 方向和z 方向联动，降低 了速度和效率。 14 2 、混合坐标法堆垛机沿巷道方向运动是以货架为坐标系，而托盘的升降运动则是 以堆垛机底盘为坐标系。具体做法是：把光电传感器分别安装在货架的底层和堆垛机的 立柱上，在堆垛机的底盘及升降台上分别安装一个遮光片。这种方案的特点是：相对于 以货架为坐标系的方案来讲，节省了大量的传感器，只需要n ( 列) + m ( 层) 个传感 器，并且能同时实现x 、y 、z 方向的联动，提高了速度和效率。但其缺点是：堆垛机的 轨道要很平，即立柱上传感器的位置和货格的位置要对应一致，否则容易出现认址错 误。 所以根据堆垛机的运动控制要求，系统采用光电开关和相对编码器共同完成堆垛机 位置的检测。光电开关安装在堆垛机的移动货叉上，通过对轨道上的检测片计数完成堆 垛机的粗定位，并利用装在电机转轴上的增量式编码器辅助堆垛机实现精确定位。在p l c 的位存储区记录光电开关的计数，在掉电时仍然能够存储堆垛机当前位置。 2 3 3 高位与低位传廖器 货叉在x 方向上运动，这时它只有存货和取货两个动作。存货时从高位放货，货叉 自低位收回；取货时从低位取货，从高位收回一1 。其高位与低位传感器分布如图2 - 1 1 所 示。 垂直低位 垂直商位 商住传感器 低位传感器 图2 高位与低位光电传感器示意图 f i g 2 - 11h i g hl o c a t i o n l o wl o c a t i o np h o t o e l e c t r i cs e n s o rs k e t c hm a p i5 一 岳瞿 本章小结 本章介绍了在线仓库实体模型的布局与规划及其仓储机械与设备的设计，并着重说 明了巷道式堆垛机三个运行方向上的机构设计，最后还该模型堆垛机自动寻址的方案进 行了详细的分析。 第3 章控制及管理系统的总体方案设计 自动化立体仓库的计算机控制及管理系统，是基于现代信息技术、控制技术及计算机 通信技术等而发展起来的综合应用系统，主要任务是对一具体仓库中的物料、货位等基 本信息进行管理，优化仓库存储的效率，管理物料的在库情况并控制仓库中的自动化设 备，实现仓库中物料的自动出入库操作和存储操作。对立体仓库而言是相对独立的“龇。 同样，对仓库实体模型而言，也要对其各组成部分如堆垛机、辊道输送机等进行管 理和控制。在此，我们参考真实立体仓库的控制及管理系统来设计。 3 1 立体仓库控制及管理系统结构 目前，考虑仓库的类型、仓库的容量、仓库的设备种类及数量、仓库的物流流程以 及经济、技术条件等因素国内外仓库的管理及控制系统大致可以分两大结构i m 】【“i 。 3 1 1 三级管理及控制结构 厅两司 蓝 奄库精费信息警理 发出作业任誊指令 摹担棒生隹奎，期i ， 赴基开重出 入) 库 系统，向下位擎辣机和 出入库蕾遣春冀发任 毒，并蓑曼反蕾售患 堆纛机收措专，自_ ；i 完 成夤着岛( 入) 摩任务 旧 圈 悃 图3 - l 立体仓库三级控制和管理系统框图 f i g 3 1a s r st h r e e c l a s sc o n t r o l & m a n a g es y s t e mm a p 图3 - 1 所示的是三级管理及控制结构框图。二级是指。卜位管理级、中位监控级和下位 操作级。 它主要用于容量较大、设备种类较多的物资仓库，如一些大型企业的配件仓库。 3 1 2 二级管理及控制结构 图3 - 2 所示的是二级管理及控制结构。与三级结构相比，它不专门设监控级，而是由 管理机兼有关监控功能。 下位控制级每一独立的控制对象，都作为上位管理级计算机网络中心的一个带地址 节点。管理机循环扫描有关地址，从而进行信息的交换，实现管理及控制。这种结构应 用了计算机网络及通信技术，具有软件技术水平高，且硬件配置简单，节省投资的优 点。目前在c i m s 、f m s 的在线立体仓库中已经应用。 图3 - 2 分布式立体仓库二级管理和控制系统 f i g 3 2d i s t r i b u t i n ga s r st w o c l a s sc o n t r o l & m a n a g es y s t e m 3 2 仓库控制及管理系统基本组成 自动化仓库管理与控制系统从组成上它可以划分为由5 个子系统：设备自动控制子系 统、通信子系统、仓库自动化设备监控予系统、仓库路由调度予系统和仓库管理子系统 1 0 l ，其结构如图3 - 3 所示。 图3 - 3 立体仓库控制与管理系统数据流结构图 f i g 3 - 3a s r s sc o n t r o l & m a n a g es y s t e md a t as t r e a ms t r u c t u r em a p 3 2 1 仓库管理系统( w l v l s ) w m s 根据仓库中具体货位的占用状态，管理在库物品的出入库，并具有与e r p 的接 口【他1 。具体功能有：物品超期短缺数量统计和报警；多功能数据查询和报表生成；数据 备份和恢复；联机作业和脱机作业：单元、拣选出入库操作；初始基本数据库管理；接 口模块；终端操作系统；仓库货位分配管理；出错报警处理；系统维护。 3 2 2 仓库实时监控系统 仓库实时监控系统实时监视整个立体仓库中各部分的运行情况，动态显示堆垛机和 出入库传输设备( 机械手、出入库辊道等) 以及各物料的运行位置，显示所有任务的当 前运行状态，出错报警情况，并能直接独立地控制仓库中所有设备的运行”j 。其基本功 能有：当前接收到的任务和正在执行任务的统计；各任务具体参数显示和动态编辑；当 前通信状态显示；运行设备动态位置、状态显示；货位占用情况的项视、侧视图显示： 底层单步控制信息显示及动态修改；紧急停止、出错报警、堆垛机招回功能；任务执行 状态动态显示；货位中货箱箱号显示等。 3 2 3 仓库设备自动控制系统 自动化立体仓库有两种最基本设备：堆垛机和出入库输送系统( 搬运机械手、出入 1 9 库辊道等) 。由两者及其他辅助设备构成了自动化立体仓库的输送系统网络。它们都有各 自独立的自动控制系统。 出入库输送设备自动控制系统由主控制器、通讯接口、输人及显示操作系统、传感 检测系统、物料运动控制系统、控制软件等组成。其中，物料运动控制系统是出入库输 送设备自动控制系统的关键部分。 当前立体仓库设备自动控制系统，主要有两种组成方案：p l c 集中控制系统；现场 总线( f i e l d b u s ) 控制系统。 ( 1 ) p l c 集中控制系统 p l c 集中控制系统( 如图3 - 4 所示) 是当前应用较为广泛的一种堆垛机自动控制系 统。它以p l c 为中心，通过通信接口，接收来自上位机的任务信息，采集设备传感系统 的各种信息，通过p l c 的控制软件，控制p l c 的输出，控制设备的各向运动，对物料进 行存、取作业，实现物料的流转与存储。同时通过通信接口，向上位机发送设备的实时 状态信息，蛆实现仓库实时监控系统对自动化立体仓库所有设备的实时监控功能。 图3 4p l c 集中控制系统结构示意图 f i g 3 - 4p l cc o n c e n t r a t i n gc o n t r o ld a t as t r e a ms t r u c t u r es k e t c hm a p ( 2 ) 现场总线控制系统“ 现场总线控制系统( 如图3 - 5 所示) 是当前较先进的一种仓库设备自动控制系统的方 案。它采用当前国际先进的现场总线技术，组成全分布式控制系统。将总线控制器、检 测传感系统、速度位置控制系统、输入及显示操作系统、上位机通信接口等用现场总线 时监控。它具有布线简单节省；节约空间、便于维护，减少设备维护开销；使用户具有 高度的系统集成主动权；提高抗干扰能力；提高了系统的准确性和可靠性；获得更多的 甲睁 i红外通信 主控墨( p l c ) f i e l d r u s 操作者 水平运行速 度、位置控耦 水平运行速 度、位置控制 网 i ! ：竺! 到 * * - t i l t * t t lll 垂直位i 检测il 赞又位置栓涓 设备状态 安全检朝 图3 - 5 现场总线控制系统结构示意图 f i g 3 - 5f i e l d b u sc o n l r o ls y s l e mc o n s t r u c ts t r u c t u r es k e t c hm a p 3 3 仓库作业流程中仓库系统的物流 事实上，在线自动化仓库最基本的功能是组织物料在系统内快速、准确、高效且合 理地流动，以满足生产线上各加工区、各t 位对原材料和待加工品的需求，实现j i t ( 及 时生产制) 的控制思想。 3 4 立体仓库的电气设备、安全及联锁机构 立体仓库的电气设备主要包括电力拖动设备、控制和检测设备、安全保护设备等。 因为堆垛机是立体仓库的核心设备，所以我们先分析堆垛机的电力拖动系统，目前国内 外普遍采用变频调速控制，从而满足堆垛机高速运行、换速平稳、低速停准的要求。另 一1 1 外，检测系统必须具有堆垛机自动认址、货位虚实探测、货箱位置检查等功能。 对堆垛机的控制，目前国内外常用p l c 控制。p l c 的模块化结构以及远程通讯功能 可以较好满足堆垛机单机自动控制、全自动( 整个仓库系统) 控制的要求。 3 5 出入库系统 出入库系统是巷道入库台( 入库) 或出库台( 出库) 与物料出入库口的联结输送系 统。最常用的是辊式输送机、链式输送机，且往往是多种形式并用。一套输送系统由若 干段辊式( 或链式) 输送机组合而成。它通常能分配、积存的功能，并且允许自动与手 动控制功能的切换。 本章小结 本章介绍了真实立体仓库控制与管理系统的组成，并说明了各子系统的功能和工作 流程，以及对立体仓库的电气设备、安全及联锁机构、出入库系统等各部分的要求。 从实际情况出发并结合对以上立体仓库的5 个功能子系统的仔细分析，来确定立体 仓库实体模型的控制及管理系统的总体设计方案。方案初步确定如下： 1 、因为在线立体仓库各主要设备间相对比较独立。非常适合于使用分布式控制系 统，所以仓库模型的自动控制系统采用基于现场总线控制系统的分布式控制方 案。 2 、考虑到经济投入和尽量使实体模型的硬件配置简单，仓库模型的计算机系统结构 采用二级控制及管理结构，不再专门设管理级，而是由监控机兼有关管理功能。 3 、为了能实时监视整个实体模型中各部分的运行情况，必须制作相应的监控管理 ( s c a d a ) 系统界面。所以考虑使用专业组态软件来制作整个模型的顶视图监控 界面和调度界面。 4 、为了保证满足堆垛机部分高速运行、换速平稳、低速停准的要求，模型采用变频 调速控制。另外，检测系统必须设置有原点检测、货高检测、限位保护、有无物 料检测、货叉状态检测等各种类型的传感器。 ， 5 、出入库系统采用辊道输送机，分为出库入库辊道输送机，并允许自动与手动控制 功能的切换。 第4 章p l c 自动控制系统设计 4 1 立体仓库设备的控制单元 自动化立体仓库设备的各个控制单元作为分布式自动控制系统的底层核心部分，它 们的性能将对各个设备的运行效率起到决定性的作用。仓库模型的主要搬运设备有堆垛 机、出入库辊道输送带、搬运机械手等，它们都用p l c 作为其控制单元【”l 。 一般立体仓库搬运设备控制系统的软件设计根据其运行特点，采用模块化设计方 案，由主模块( 主程序) 、通信模块( 或称之为子程序块) 、输入与信息显示模块、运动 ( 位置、速度) 控制模块、故障检测与处理模块、特殊功能模块等组成【l “。如图4 1 所 示，在线仓库模型中堆垛机的控制程序由主程序块m a i n (