（通信与信息系统专业论文）自动化立体仓库的控制系统研究与设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 自动化立体仓库是现代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分，它具有提高仓 储白动化水平、管理水平和物流效率等诸多优点。本文结合计算机技术、自动控制技 术，检测技术和通信技术，对自动化立体仓库的控制系统进行研究，主要内容包括： 对于自动化立体仓库的仓位认址检测，给出了带字符校验位的交叉2 5 码编码设 计方案。堆垛机的运行速度是直接影响到生产效率，同时又是准确定位、运行过程平 稳的关键，分析了堆垛机减速运行模式的模糊控制技术，以距离和运行速度作为二维 模糊控制器的输入，建立模糊控制规则库，通过模糊推理进行判决的一种高级控制策 略，从而实现堆垛机运行速度的自动控制，并与条形码认址和定位系统一起，确保堆 垛机的定位精确、可靠。 采用p r o f i b u s 现场总线技术，构建堆垛机、监控机与输送机两个控制网络，堆 垛机控制网络由p l c 、触摸屏、变频器等组成，监控机与输送机控制网络由工控机、 p l c 、触摸屏等组成。工控机是整个控制系统的核心，使各部分协调工作，两个控制 网络问的相互通信，通过无线数据传输系统实现。 自动化立体仓库的软件设计包括：用s t e p 7 进行堆垛机、输送机的p l c 控制程序设 计，实现货物出入库控制功能，用p r o t o o l 实现触摸屏界面的设计，采用m c g s 监控 组态软件设计系统监控，出入库管理，报表打印等界面。 关键词：立体仓库模糊控制 现场总线通信条形码认址 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a s r s ( a u t o m a t e ds t o r a g ea n dr e t r i e v a ls y s t e ms h o r t e df o ra s r s ) i sa l li m p o r t a n t p a r to ft h ed e v e l o p m e n to fm o d e ml o g i s t i c ss y s t e m i th a st h ea d v a n t a g eo fi m p r o v i n gt h e s t o r a g ea m o m a t i o nl e v e l 、m a n a g e m e n tl e v e la n dl o g i s t i c se f f i c i e n c y t h ep a p e rr e s e a r c h e s t h ec o n t r o ls y s t e mo f a s r sb yi n t e g r a t i n gt h et e c h n i q u e so f c o m p u t e r 、a u t o m a t i cc o n t r o l 、 d e t e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o n t h ew h o l ep a p e ri n c l u d e sf o l l o wc o n t e n t s c o n c e r n i n gt h ed e t e c t i o no ff r e i g h ts p a c ec o n f m n i n g i t ss i t e ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r d c o d ed e s i g ns c h e m eo fi n t e r s e c t2 5c o d eo fc h a r a c t e rp a r i t yb i t t h eo p e r a t i o nv e l o c i t yo f s t a c k e re f f e c t sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yd i r e c t l y a tt h es a m et i m e ，i ti st h ek e yo ff i x i n gp l a c e a c c u r a t ea n do p e r a t i n gs t a b l e t h ed e s i g nu s e sf u z z yc o n t r o lt e c h n i q u e s t h es t a c k e rc a n c o n t r o li t so p e r a t i o nv e l o c i t ya u t o m a t i c a l l yb ya p p l y i n gd i s t a n c ea n dv e l o c i t ya st h ei n p u t o ft w od i m e n s i o n a lf u z z yc o n t r 0 1 w ec a nf i xt h ep l a c eo fs t a c k e ra c c u r a t ea n dr e l i a b l eb y b a rc o d ee o n f n m i n gs i t ea n dp o s i t i o n i n gs y s t e m b yi n t r o d u c i n gp r o f i b u st e c h n i q u e s ，t h ed e s i g nb u i l dt w oc o n t r o ln e t t h e ya r e s t a c k e rc o n t r o ln e ta n ds u p e r v i s o r yc o n t r o la n dc o n v e y o rc o n t r o ln e t t h es t a c k e rc o n t r o l n e ti sm a d eu po fp l c 、t o u c hs c r e e n 、t r a n s d u c e ra n ds oo n t h es u p e r v i s o r yc o n t r o la n d c o n v e y o rc o n t r o l n e tc o n s i s t so f i n d u s t r yc o m p u t e r 、p l c 、t o u c hs c r e e na n ds oo n i n d u s t r y c o m p u t e ri st h ec e n t r eo ft h ew h o l es y s t e m i tm a k e se v e r yp a r tw o r k i n gh a r m o n i o u s t w o c o n t r o ln e tc a nc o m m u n i c a t ee a c ho t h e rb yw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n t h es o f t w a r ed e s i g no fa s r si n c l u d e s ：i ta p p l i e ss t e p 7t od e s i g nt h ep l cc o n t r o l p r o g r a m o fs t a c k e ra n d c o n v e y o e s ot h ec o n t r o lf u n c t i o no f g o o d s i n w a r e h o u s e e x w a t c h o u s ei sr e a l i z e d t h ed e s i g no ft o u c hs c r e e ni n t e r f a c eu s e sp r o t 0 0 1 i tm a k e su s eo f m c g sm o n i t o r i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et od e s i g nt h ei n t e r f a c e so f s y s t e m m o n i t o r i n g 、i n w a r e h o u s e e x - w a r e h o u s em a n a g e m e n ta n dr e p o r tp r i n t i n g k e y w o r d s ：a s r s ；f u z z yc o n t r o l ；f i e l db u s ；c o m m u n i c a t i o n ； b a rc o d ec o n f i r m i n gs i t e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：球伊 e t 期：? 一年，月t 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名 日期：乒秭年，月7 日 牌易裱 日期：加6 年( ( 月 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 现代物流与自动化立体仓库 现代物流是以现代化物流信息技术为基础，整合运输、包装、装卸、搬运、发货、 仓储、加工、配送及信息处理等各种功能而形成的综合性物流活动，其发展速度非常 迅猛，引起了人们的高度重视。 现代物流的主要特点包括0 1 ： ( 1 ) 电子商务与物流的紧密结合； ( 2 ) 现代物流是物流、信息流、资金流和人才流的统一； ( 3 ) 电子商务物流是信息化、自动化、网络化、智能化、柔性化的结合； ( 4 ) 物流设施、商品包装的标准化，物流的社会化、共同化。 目前一些大型企业和一些专业的第三方现代物流企业的仓库都以自动化立体仓 库为主，采用自动存储、输送设备，常用的包括嘲：输送机、堆垛机、自动导引车、 升降式移载输送机等输送设备，机器人也作为一种用于码盘、拆垛的柔性物流应用在 自动化立体仓库中，并且发挥着重要作用嗍自动化立体仓库系统( a u t o m a t e ds t o r a g e a n dr e t d e v a ls y s t e m , a s r s ) 是在不直接进行人工处理的情况下能自动存储和取出物料 的系统m 自动化立体仓库按照不同的分类原则可以有如下几种不同的分类嘲： ( 1 ) 按货架形式分类可分为单元式货架仓库，贯通式货架仓库和循环货架仓库。 ( 2 ) 按建筑形式可以分为整体式和分离式。整体式指货架除了存储货物之外，还可 以作为建筑物的支撑结构，库房与货架形成一体化结构。分离式是指储存货物的货架 独立存在，建在建筑物内部。 ( 3 ) 按照作业方式分可以分为单元货架式、移动货架式和拣选货架式三种立体仓 库。单元货架式是货物先放在托盘或者集装箱内，再装入单元货架的货格中移动货 架式的货架可以在轨道上行走，由控制装置控制货架的合拢和分离。分拣机构是拣选 货架式仓库的核心组成部分。它有巷道内分拣和巷道外分拣两种方式。 自动化立体仓库的优点体现在”1 ： ( 1 ) 占地面积小、仓储容量大； ( 2 ) 采用立体货架存储方式提高保管质量； ( 3 ) 可方便、迅速地进行货物的入出库作业，提高入，出库作业率和仓库周转能力； 华中科技大学硕士学位论文 、( 4 ) 能提高存储的经济效益。 自动化立体仓库的含意包括仓库管理自动化和出入库作业自动化。仓库管理自动 化，包括对货箱、账目、货格及其他信息管理的自动化。入库出库的作业自动化，包 括货箱零件的自动识别、自动认址、自动定位、货格状态的自动检测以及堆垛机各种 动作的自动控制m 。 1 2 自动化立体仓库的国内外发展状况 1 9 5 9 年世界上第一座立体仓库在美国阿尔巴尔州建成。之后，美国于1 9 6 3 年建 成了世界上第一座计算机控制的自动化立体仓库伽。自动化立体仓库发展到现在大致 经历了以下四个阶段，并逐步向第五阶段过渡。 第一阶段：机械式立体仓库系统。2 0 世纪6 0 年代在美国首先产生了机械式立体 仓库系统( m a c h a n i c a lh i g h - r i s ew a r e h o u s es y s t e m ) 啪，在该仓库系统中，操作人员可通 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。 第二阶段：自动化立体仓库系统。到2 0 世纪7 0 年代末，随着可编程控制器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 e a n dr e t r i v a l s y s t e m ) 、自动导引小车 a g v s ( a u t o m a t i cg u i d e e dv e h i c l e s ) 、条形码阅读器( b a r - c o d es c a n n e r ) 等设备在立体仓 库中的应用，出现了自动化立体仓库系统( a u t o m a t e dh i g h - r i s ew a r e h o u s e s y s t e m ) ，实 现了控制自动化”1 第三阶段：集成化立体仓库系统。到本世纪8 0 年代末，计算机技术的异军突起 及其在自动化仓库系统中的成功应用，导致了第三代集成化立体仓库系统的诞生，实 现管理微机化。 第四阶段：智能型立体仓库系统。进入9 0 年代，出现了智能型立体仓库系统 ( i n t e l l i g e n th i g h - r i s ew a r e h o u s es y s t e m ) ”，该仓库系统不仅实现了对入，出库作业和仓 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。 第五阶段：3 i 立体仓库系统。目前随着电子数据交换e d i 技术的发展及应用， 自动化立体仓库系统逐步向3 i ( i n t e l l i g e n t , i n t e g r a t e d ，i n f o r m a t i o n ) 仓库系统过渡嗍。 目前，自动化立体仓库应用最多、发展速度最快的国家是日本，近年来每年约有 上千个各种类型的自动化物流系统投入使用。例如，日本名古屋附近的三菱汽车装配 总厂的自动化立体仓库，其自动化程度非常高，这座装配厂每天生产1 1 5 2 0 辆汽车， 在长达两公里的巨大输送带上，能同时装配5 种完全不同车型的汽车，除车体在生产 线上进行焊接外，半成品装配件完全来自于立体仓库嘲。 2 华中科技大学硕士学位论文 在定位系统方面，德国乐易电子于2 0 0 5 年推出了一项具有创新性的新技术一条形 码定位系统( b p s ) 。这种新型条形码定位系统( b p s ) 通过读取行进路线上的条形码 确定准确方位，可有效实现曲线定位并且测距范围可达到1 0 0 0 0 米，为用户实现全自 动化管理提供了必要前提。另一个优势是内置了速度控制功能，帮助客户对传送系 统的运动进行控制，提高了系统效率并进一步降低了成本。这套系统采用符合国际标 准的p r o f i b u s 与s s i 接口，可以很容易的被集成到相应的总线上，具有很好的兼容性。 此外，b p s 所用的条形码带具有极强的抗腐蚀性，可以抗紫外线、化学溶剂和工业清 洗剂，因此可适应各种工业场合，提高了系统的兼容性。该技术不但填补了现存定位 系统在曲线定位技术上的空白，而且为自动化立体仓库、汽车生产线、全自动工业生 产线、医药物流中心等行业提供了一套精确率高、稳定性强、成本可控的全面解决方 案。 在我国，1 9 8 0 年由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成我国第一座自动化 立体仓库，并在北京汽车制造厂投产。从此以后，自动化立体仓库在我国得到了迅速 的发展。我国的自动化仓库技术己实现了与其他信息决策系统的集成，正在做智能控 制和模糊控制的研究工作。1 9 9 5 年建成的仪征化纤工业联合公司涤纶长丝自动化立体 仓库是目前国内独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体仓库。这些立体仓库广 泛使用在机器制造业、电器制造业、航空港、轻工和化工企业、商储业、军需部门等 各行各业嗍。 太原双塔刚玉股份有限公司是中国最早研制、开发、生产自动化立体仓库的专业 生产厂家之一。太原刚玉相继推出了填补行业空白的高水平2 4 0 米分高速堆垛机、 防爆立体仓库、低温冷冻库、轮胎库等一系列高、精、尖产品，在行业内刮起了一阵 阵“刚玉旋风”。有轨巷道式堆垛起重机是立体仓库中最重要的运输设备之一，是自动 化立体仓库的特征标志，该公司于2 0 0 5 年成功开发出 g d x 型有轨巷道堆垛起重机”， 运行速度达2 4 0 米分，成为目前国内速度最快的堆垛机。该公司研制的轻钢结构“库 架合一”式自动化立体仓库及高性能堆垛机，因采用了激光测距定位系统及现场总线 控制技术，具有速度高、运行平稳、定位准确等特点。 随着国民经济的发展，对立体仓库的需要必然会不断发展，从而促进仓储技术的 研究不断发展。由于城市用地日趋紧张，物流速度日益加快，仓库建设和改造向高空 发展，向机械化、自动化发展已迫在眉睫，建设大批自动化立体仓库是今后发展的必 然趋势。随着立体仓库规模的增大和复杂化，传统的设计已经很难把握仓库的设计难 度和进度，必须把仓库细化和模块化，使设计过程更加清晰。引入数据挖掘技术，可 以揭示货物的出入库规律，更有效地调度货物和提高仓库的利用率，组织货物的运输 华中科技大学硕士学位论文 和发送，改进企业e r p 系统与立体仓库系统的连接方式嗍。 现代仓储技术的发展趋势体现在如下几个方面”： ( 1 ) 计算机技术和网络技术的高速发展，使仓库的发展进入了智能储运阶段。这样 必须深入研究物流处理的基本理论和复杂的仓储系统技术。 ( 2 ) 仓储物品的多样化，必然产生仓库形式、仓储设备的多样化。为使仓库具有较 大的柔性，有必要开发高效、柔性的出入库输送设备和库内作业机械。 ( 3 ) 现代物流仓储系统是集物流、信息流和价值流为一体的综合服务系统。 ( 4 ) 现代仓储物流系统是基于网络的由计算机控制的复杂系统，因此仓库管理软 件、物料采购软件、运输管理软件和综合性的企业制造资源计划( m p p i d 、企业资源 计划( e r p ) 软件将有较大的发展。 ( 5 ) 仓储系统是一个复杂的、昂贵的物流系统，只有组成系统的设备成套、匹配合 理，系统才是最高效、最经济和最可靠的。 因此，当今开发和利用自动化立体仓库不仅要在硬件上进行进一步的改进和提 高，更要对自动化立体仓库的计算机控制技术有更大的突破忉，才能实现工业自动化 对立体仓库的要求，开发出更有效的控制系统来满足立体仓库自动化的要求。 1 3 课题来源与研究意义 本课题来源于江西赣州五环机器有限公司，该公司于1 9 9 3 年通过了i s 0 9 0 0 0 质 量体系认证。根据要求设计的自动化立体仓库系统主要包括：在库货物数据管理系统， 货物信息自动检测与录入系统，堆垛机、输送机自动控制系统，设备及货物运行实时 监控系统。 在生产领域，企业管理模式向横向一体化发展，企业间组成以一个主体企业为核 心的供应链利益共同体。许多企业7 0 至8 0 总产值由外部企业供应。为保证生产的 高节奏、不间断，仓库的重要地位日益显著。在流通领域，仓库是物流企业、配送中 心、流通中心的重要部分。近年来，信息技术、电子商务等也正有力的推动物流业的 结构变化和发展。而仓库是物流的主要功能之一，是供应链中物料的集结点。可以说 仓库现代化是企业现代化和流通现代化的基石。1 。自动化立体仓库，旨在解决使用普 通仓库存在的问题，建立先进的仓库系统，实现仓库管理的数字化、规范化、科学化、 自动化，提高仓库的入出库速度与准确率，库存信息的准确性，仓库的周转率，从而 提高企业的经济效益。 随着现代工业生产的发展，f m s ，c i m s 和工厂自动化( f a ) 对自动化立体仓库提出 了更高的要求，搬运仓储技术要具有更可靠、更实时的信息，工厂和仓库中的物流必 4 华中科技大学硕士学位论文 须伴随着并行的信息流“”。现在对自动化立体仓库系统的要求发展到了要求其具有控 制生产和销售活动的功能，即起到所谓“经营型仓库”的作用。因此，深入研究仓储 技术与设备，合理配置仓库的资源、优化仓库布局和提高仓库的作业水平，并开发相 应的管理监控软件，具有十分重要的意义嘲嘲m 。 国内外其它行业采用自动化仓库的情况己经充分证明，使用自动化立体仓库能够 产生巨大的社会效益和经济效益。这次论文选题的目的在于，在这个自动化立体仓库 蓬勃发展的时候，为了提高仓库的效率，增强我国现代化仓库的技术力量，特别是针 对我国中小企业的自动化立体仓库的控制系统方面进行探讨。 1 4 论文的主要内容 本文立足于我国中小型企业自动化立体仓库的现状以及智能控制技术的基础上， 对自动化立体仓库条形码认址方式进行初步的探讨，论述立体仓库的堆垛机运行速度 的模糊控制技术，利用先进的网络控制集成技术对自动化立体仓库控制系统的硬件、 软件进行较完善的设计与研究。 本文研究工作的主要内容安排如下：， 第一章为绪论。指出现代物流的特点，以及自动化立体仓库的分类及功能，自动 化立体仓库研究的科学理论意义和现实意义，然后对国内外自动化立体仓库的发展历 史、研究现状发展趋势进行介绍和总结。 第二章为自动化立体仓库控制系统总体方案设计。简要介绍了货物仓储作业流 程，以及控制系统功能及主要参数，最后给出了控制系统的总体设计方案。 第三章为堆垛机的定位与速度模糊控制技术。探讨条形码认址方式与编码的设计 方法，叙述了基于模糊理论的堆垛机速度控制的设计。 第四章为自动化立体仓库控制系统的硬件设计。硬件设计包括巷道式堆垛机控制 的设计、辊道链条输送机控制的设计。 第五章为自动化立体仓库控制系统的通信技术及应用。这一章概述了自动化立体 仓库控制系统实现通信的方法，介绍了p r o f i b u s 现场总线技术、红外数据传输技术、 串行通信r s 2 3 2 技术在自动化立体仓库中的应用。 第六章为自动化立体仓库控制系统的软件设计基于硬件设计的基础上，进行软 件设计，包括：堆垛机p l c 控制程序设计，输送机p l c 控制程序设计，上位机系统监 控软件设计，堆垛机、输送机的触摸屏控制软件设计。 第七章为控制系统调试于运行。在总结前几章的基础上，对控制系统的硬件、软 件进行调试。包括：上位机系统监控软件的调试与运行，堆垛机水平运行速度调试， 华中科技大学硕士学位论文 输送机与上位监控机之间的相互通信调试，触摸屏监控软件的调试与运行。 结束语对全文的研究工作进行归纳、总结，给出本文研究的主要结果，提出本课 题需要进一步完善的内容。对今后的研究方向给出建议。 6 华中科技大学硕士学位论文 2自动化立体仓库控制系统总体方案设计 2 1 货物仓储作业流程 针对江西赣州五环机器有限公司的自动化立体仓库的设计要求，自动化仓库系 统的组成如图2 1 所示，系统由四部分构成：货架、货厢；巷道式堆垛机；出入库辊 道链条输送机；设备监控系统。 图2 - 1自动化仓库系统的组成示意图 货架：用于存放货物。其中货架是固定的，货物存放在货厢内。其中仓库储存区 ( 货架区) 的仓位数量为2 排3 0 列l o 层；巷道数1 个；货格形式为货厢。 出入库辊道链条输送机：入库时负责把货物送入库口，出库时再负责把货物运送 到人工分拣台进行物资分发。 巷道堆垛机：用于固定货架区货物的自动存取，完成入库作业和出库作业等。堆 垛机是自动化立体仓库的主要设备，仓库所有货物的入库、出库等作业都必须通过堆 垛机完成。堆垛机控制系统的工作效率、可靠性及稳定性等在自动化立体仓库系统中， 起着至关重要的作用“”。 监控系统是自动化仓库的信息枢纽，是实现自动化仓库实时控制的重要组成部 分。它包括：信息自动检测与录入系统；设备自动控制系统和设备及货物运行实时监 视系统等。 1 ) 货物入库流程 将货物搬运至巷道入库口输送台上，然后在输送台触摸屏选择入库功能。在传输 华中科技大学硕士学位论文 过程中，装在链式输送机上的条码阅读器对货厢上的条码标签进行扫描，将货厢内货 物的品名、规格等条码信息读入，经入库员核实后，将货厢数量和货物类别由控制系 统根据输入的信息自动分配货位，并发出指令给堆垛机，由堆垛机将货厢运送至入库 输送台，然后将货物装入货厢，再由堆垛机将已装入货物的货厢存入指定货位，完成 入库作业“”1 ”“”。 货物入库作业流程如图2 2 所示： 厂。、 “” i l i 货物送至出入 堆垛机将货厢运 库输送台 至入库输送台 i l l 输送台触摸屏， 7 货物装入货厢 l 选择入库功能 i l i 扫描货物信息 堆垛机将已装入 i 货物的货厢运至 指定货位 i 鬻 i 货物入库任务完 成，堆垛机待命 卜锗寻址 由 图2 - 2 货物入库作业流程图 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 货物出库流程 出库足指出库管理员审核要出库的出库单，出库员根据出库单在系统终端触摸屏 上申请确认，监控机根据出库信息，依据同类货物“先进先出”的原则，确定出货货 厢、货位，并发出指令给相应的堆垛机，堆垛机在作业调度程序的指令下从出库货位 取出货厢，将货厢运往出入库输送台上，出入库输送台检测到货厢到位信号后，人工 分拣并通过条形码扫描仪扫描货物信息，单件出货完成。堆垛机再将货厢运回原货位， 再执行下一件货物出库任务，完成出库作业。 货物出库作业流程如图2 3 所示： 开始 选择出库功能 输入出货套数 或单件数量 监控机确定出 货货厢、货位 堆垛机自动运 行至相应货位、 取出货厢 兰篓蛩警丝要i i 运至出入库输i 一 送台l 扫描货物信息 人工分拣 单件出货完成 确认 堆垛机将货厢自 动运回原货位 图2 - 3 货物出库作业流程图 全部货物 出货完成? 兰 结束 9 华中科技大学硕士学位论文 分拣作业流程在出库作业中完成，先根据出库任务，堆垛机将货物运至出入库输 送台，然后扫描货物信息、根据出货货物件数，人工拣出，最后堆垛机将货厢运回原 货位。 分拣作业流程如图2 - 4 所示； l 根据出库任务、堆垛机将货物运至 l出入库输送台 l p 购信气搿皴雠数 l i堆垛机将货厢运回原货位 图2 4 分拣作业流程图 2 2 控制系统功能及主要参数 ( 1 ) 一台单轨单立柱巷道式堆垛机，最大载重量：5 0 0 k g 堆垛机的速度参数：运 行速度o 6 0 m m i n ，提升速度0 1 6 m m i n ，货叉伸缩速度o 6 m m i n 。 ( 2 ) 货架形式：横梁式货架；货厢容量：9 5 0 7 5 0 3 8 0 m 。 ( 3 ) 一台出入库辊道链条输送机。 ( 4 ) 货物入库前，产生并打印唯一的货物条形码序列号标签。 ( 5 ) 货物入库、出库时，手持条码扫描仪扫描条形码，货物库存量自动增加或减 1 0 华中科技大学硕士学位论文 少。 ( 6 ) 货物入库时，系统可自动安排仓位。 ( 7 ) 货物出库时，系统自动按照同类货物“先进先出”原则 ( 8 ) 堆垛机控制分为手动、半自动和全自动控制3 种。 ( 9 ) 堆垛机与监控机通信采用红外通信方式。 ( 1 0 ) 监控机的显示屏动态显示：堆垛机位置、各仓位的货物信息，库存量信息， 库存下限报警信息等。 ( 1 1 ) 监控机将堆垛机置于手动或半自动控制时，可在堆垛机上，通过触摸屏，人 工控制堆垛机的运行，出入库作业。 ( 1 2 ) 辊道链条输送机的控制可通过触摸屏置于手动或自动，并在其触摸屏上完成 货物出入库操作及仓库信息显示 ( 1 3 ) 货物入库：可以自动生成入库单号。 货物出库：可以自动生成出库单号。 库存管理：当入库和出库时，系统自动生成每类货物的库存数量且查询方便； 盘点管理：用户随时可以盘点仓库，自动生成盘点单据，使盘点工作方便快捷。 ( 1 4 ) 库存货物总套数查询。 ( 1 5 ) 月末、季度末以及年末报表自动生成功能。 ( 1 6 ) 按照某个条件，单个货物查询，库存查询等功能。 ( 1 t ) 支持以太网t c p i p 通讯，可通过w e b 浏览功能，在整个企业范围内浏览监 测仓库控制信息，实现设备管理和企业管理的集成。 ( 1 8 ) 系统具有可扩展性。 2 3 控制系统总体方案设计 监控系统是自动化仓库的信息枢纽，是实现自动化仓库实时控制的重要组成部 分。包括：信息自动检测与录入系统；仓库自动化设备监控系统；设备自动控制系统 等。 监控机是自动化立体仓库的控制中心，负责协调系统中各个部分的运行，控制和 监视整个自动化立体仓库的运行，控制堆垛机、出入库输送机等现场设备运行，完成 货物出入库作业。承担入库管理、出库管理、盘库管理、查询、打印及显示。通过监 控系统的监视画面，以动画方式显示设备的载货状态、运行位置等实时信息“帅”。 自动化立体仓库控制系统组成“”“加。1 如图2 - 5 所示。 1 ) 出入库输送机自动控制系统 华中科技大学硕士学位论文 出入库输送机自动控制系统由主控制器( p l c ) 、输入及显示操作系统( 触摸屏) 等组成。 ( 1 ) p l c 实现输送机的自动或手动控制。 ( 2 ) 触摸屏实现货物出入库的相关操作、货物信息显示、仓位信息显示、输送机的 自动或手动操作等。 ( 3 ) 货箱到位信号检测采用红外光电开关。 图2 5自动化立体仓库控制系统组成框图 2 ) 堆垛机自动控制系统 巷道式堆垛机的控制包括位置控制、速度控制、货又控制以及方向控制等。 堆垛机控制分为手动、半自动和全自动控制3 种。全自动控制是由监控机发送作 业命令和地址给堆垛机。手动、半自动控制是由操作员直接在堆垛机操作面板上设定 作业命令和地址。 堆垛机的控制系统中，还应采取一系列自检和联锁保护措施，确保在工作人员操 华中科技大学硕士学位论文 作错误时不发生事故。对机械及电器故障能进行判断、报警和向主机系统传递信息。 堆垛机自动控制系统如图2 - 6 所示。 对堆垛机的控制包括： ( 1 ) 作业命令设置。确定作业状态，全自动、手动、半自动；确定作业指令，货 物入库还是出库；确定作业地址，行地址、列地址和层地址。 ( 2 ) 位置检测。沿着堆垛机的行进方向和载货台的升降方向设置条形码，通过检 测条形码信息来判断堆垛机位置和载货台位置。 现场总线 触摸屏 堆垛机控制 p l c 水平运行速度、 位置控制 货叉运行速 度、位置控制 水平认 址系统 垂直认 址系统 水平位置 垂直位置 货叉位置 检测信号等 水平运行| l 升降运行速 垂直运行| f 度、位置控制 货叉伸缩l 一 速度检测l 图2 - 6 堆垛机自动控制系统框图 ( 3 ) 速度控制。为满足定位的快速性准确性和平稳性，采用模糊控制技术控制堆 垛机的水平运行速度，载货台升降速度。 ( 4 ) 定位检测控制。堆垛机到位后，定位系统进行定位检测，定位偏差超出允许 范围时，由p l c 控制回位。 ( 5 ) 安全保护控制。水平行走、载货台升降及货叉伸缩等设置限位保护。 ( 6 ) 具有故障报警功能。 ( 7 ) 监控机将堆垛机置于手动或半自动控制时，可在堆垛机上，通过触摸屏人工 1 3 华中科技大学硕士学位论文 控制堆垛机的运行，出入库作业。 ( 8 ) 堆垛机的水平运行速度、载货台升降运行速度、货叉运行速度可调。 ( 9 ) 堆垛机与监控机问的控制信号及信息传递采用红外通信方式。 3 ) 监控机 监控机是自动化仓库的指挥中心，完成对出入库输送系统、堆垛机的控制，对仓 库所有入、出库货物进行管理和仓位分配，对数据进行统计分析，并担负着与上级管 理层的通信任务。 4 ) 条码识别 在货物入库前，产生条形码序列号标签，在每个条形码中应包含产品的相关信息， 包括产品的品名、规格、数量、条形码序列号、入库日期等。由条形码打印机打印条 形码序列号标签。 在货物出入仓库作业时，对信息进行检测与录入，用条形码扫描器扫描记录出入 库货物的条码信息，完成准确、及时、交互的操作保证数据的准确、快速，减少人 工差错，实现标准化作业。 5 ) 系统的开发环境 ( 1 ) 监控组态软件：m c g s5 5 网络版组态环境、m c g s 5 5 网络版运行环境。 ( 2 ) p l c ( s 7 3 0 0 ) ：s t e p7v 5 i 。 ( 3 ) 触摸屏开发软件：组态软件p r o t o o lp r oc s 和过程可视化软件p r o t o o lr t 。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 堆垛机的定位与速度模糊控制技术 堆垛机是自动化立体仓库中最主要的设备，要完成货物入库、出库等功能，堆垛 机的认址系统必须可靠、准确，定位系统精确，才能保证堆垛机准确到达指定货位， 完成货物存取作业。 堆垛机的自动控制系统，采用条形码编码与识别技术认址，由红外光电开关检测 货位位置进行定位，堆垛机的水平运行速度、载货台升降运行速度采用模糊控制技术， 使堆垛机的运行过程平稳，定位准确。 3 1 条形码认址方式与交叉2 5 码编码设计 堆垛机进行货物存、取前必须先到达指定货位即认址。堆垛机的认址方式主要有 绝对认址、相对认址等。检测元件一般采用红外光电开关，利用安装在货架每一列上 的水平运行列认址片及安装于堆垛机立柱与每一层相对应的升降层认址片，在水平或 升降运行通过认址片时对相应的红外光电开关进行挡光或透光，使红外光电开关的状 态发生变化，便可得到堆垛机的列、层位置。 绝对认址是用n 个光电开关的通、断两种状态组合形成一组二进制编码，升降和 水平运行机构分别用一组n 1 个与n 2 个光电开关与堆垛机实际地址编码相对应，这 种认址方式具有p l c 编程简单、认址可靠等优点，但它的每个位置的认址片均不相同， 结构复杂，而且当货位较多时需要较多的认址光电开关“”啪】。 相对认址是用光电开关在经过每个货位的认址片时状态翻转，产生的电脉冲对地 址编码进行加1 或减1 ，但当在某处出现认址错误，则此后的所有地址都将出错，直 到到达巷道两端或最高、最底层的特殊位置才能被检测出来加以修正，因此这种方式 的认址可靠性较低，出错时纠正困难，因此为提高堆垛机相对认址的可靠性可采用分 段校验法，即增加一个光电开关，每隔一定货位加装相应的认址片，用它的信号对地 址进行校验；或采用双重相对认址法，利用两个光电开关同时进行认址，并进行相互 校验“”。 本文堆垛机的认址采用条形码认址方式，将各列、各层的地址信息编制成条形码， 堆垛机运行至某列时，通过安装在堆垛机上的条形码激光扫描仪读取地址信息。 条形码作为一种能为机器识别的信息代码，经过四十余年的不断发展和完善，至 今世界上已有四十余种不同码制的条形码。著名的有：u p c 条形码、e a n 条形码、五 取二条形码、三九条形码、九三条形码、十一条形码、一二八条形码、c o d a b a r 条形 华中科技大学硕士学位论文 码、t e l e p e n 条形码、a l a g 条形码、h i b c 条形码等”1 。 条形码识别具有识别速度快、准确性高、可靠性高、系统造价便宜、使用方便等 优点。使用激光飞点扫描器阅读条形码时，每秒可重复识别代码几百次，其置换误差 仅为三十万分之一，远小于光学字符识别装置的万分之一的置换误差。此外，由于条 形码的编制采用了与计算机机器语言中“0 ”、“1 ”两个状态相对应的条纹宽窄或条纹 与间隔的变化作为编码的基本元素，从而经过光电转换的信号只需经过简单的接口电 路即能输送到微处理器等数据处理装置，进行信息的判别和处理o ”。 条形码在编制上利用构成数字计算机内部逻辑基础的“0 ”、“1 ”比特流的概念， 使用若干个与二进制数字相对应的宽窄条纹( 或条纹与间隙) 来表示某个数字或字符。 将条形码按编码规则排列后，即可印刷在纸张或其它载体上，构成一幅幅包含不同信 息的条形码标签。 交叉2 5 码是一种长度可变的、连续型的、带自校验的数字式码制，它的字符集 是数字o - 9 ，交叉2 5 码采用两种元素宽度，每个条和空或是宽元素或是窄元素。交叉 2 5 码的每个字符实际上是将两个数据字符编码，一个是以条编码，其中2 个是宽条， 3 个是窄条，另一个是以空编码，其中2 个是宽空，3 个是窄空。 表3 - 1 是交叉2 5 码的编码规则嘲嘲 表3 - 1 交叉2 5 码编码规则 数字字符值编码结构逻辑值 oo i i i i 0 0 1 1 0 ll _ i l 1 0 0 0 l 22_ m l 0 1 0 0 l 33 i i 1 1 0 0 0 44 _ l 0 0 1 0 l 55- i ii 1 0 l o o 66i i i 0 1 1 0 0 77 i i _ 一 0 0 0 1 1 88i i 1 0 0 1 0 99 n i 一 0 1 0 1 0 为了提高交叉2 5 码的数据可靠性，可在数据字符的后面附加一位校验字符，校 验字符的计算方法如下： ， 从数据字符的第一位开始，从左至右赋予权系数序列3 、1 、3 、1 。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 将数据字符值与权系数相乘，并将它们的结果相加。 使第步所得的数据和成为l o 的倍数的最小差值，即为校验字符的值。 交叉2 5 码符号的编码字符个数为偶数，所有奇数位置上的数据以条编码，偶数 位置上的数据以空编码。如果为奇数个数据编码，则在第一位补0 ，以使数据位数为 偶数。 例如：第一巷道第1 6 列的数据字符为“1 1 6 ”。 数据字符值：l16 权系数：31 3 和数：l x 3 + l l + 6 x 3 = 2 2 ，使2 2 成为l o 的倍数3 0 的最小差值是8 。 交叉2 5 码为：1 1 6 8 可得到数据字符“1 1 6 8 ”的交叉2 5 码条形码如图3 - 1 所示。 1 l n 6 i 兮 - li _ - i _ i 表3 2 列举了巷道各列、层的交叉2 5 码。 交叉2 5 码单位元素宽度，即窄元素宽度x 的最小值是0 1 9 n m n 。在一个符号中，x 是恒定的，宽元素宽度与窄元素宽度的比值n 也是恒定的。n 的允许范围是2 0 3 0 ， 当x 小于0 5 1 m 时，n 值须大于2 2 。交叉2 5 码的最小静区宽度是1 0 x ，为获得最佳 的扫描效果，静区的宽度至少为6 3 5 m 。 交叉2 5 码的符号长度l 是x 值、n 值及被编码的字符个数c 的函数。其计算方法 如下： 三= 【c ( 2 n + 3 ) + 6 + n 】x 华中科技大学硕士学位论文 表3 2第一巷道各列、层的交叉2 5 码 列( 或层)数字交叉2 5 码 l1 0 l1 0 1 4 21 0 21 0 2 1 3 1 0 3 1 0 3 8 41 0 41 0 4 5 51 0 51 0 5 2 61 0 61 0 6 9 7 1 0 71 0 7 6 81 0 81 0 8 3 91 0 91 0 9 0 1 01 1 01 1 0 6 1 1 1 1 11 1 1 3 1 21 1 21 1 2 0 1 31 1 31 1 3 7 1 4 1 1 4i 1 4 4 1 5 1 1 51 1 5 1 1 61 1 61 1 6 8 1 71 1 71 1 7 5 1 81 1 81 1 8 2 1 991 1 9 9 2 01 2 01 2 0 5 2 l1 2 11 2 1 2 对于交叉2 5 码中的任意一个元素，其宽度的允许公差t 由下式决定： t = + ( 1 8 n 一2 1 ) e x 8 0 交叉2 5 码的一个突出优点是其密度高，当x 为0 1 9 r a m ，n 为2 2 时，其最大的 密度是7 8 字符c m 。 当扫描阅读器( 激光扫描器或手持光笔) 对标签扫描时，由条纹间隔所编码的二进 制数据可由扫描阅读器提取出来，并利用印刷条纹和载体基色之间的反差，如黑色条 1 8 华中科技大学硕士学位论文 纹吸收光线，而一般为白色的条纹间隔则反射光线，以及条纹间隔的时间响应差异进 行阅读识别。这时由发射器、探测器和透镜组成的扫描阅读器通过发射器发出的扫描 光束扫描到条纹间隔时，与发射器同步工作的探测器接收到的是强光，经过探测器内 部的光电转换装置进行转换即产生一高输出电流，而当扫描到条纹时，探测器接收到 的是弱光，则产生一低输出电流，因而就能阅读出相应的数字及字符，获得有用的数 据及信息。 如图3 2 所示的激光扫描条形码信息交换过程，表示了条形码信号的阅读和处理 的工作原理“”。 交叉2 5 码 扫描检测信号 i i _ i _ _ i li _ 八八八八厂v 八八八f 厂 二值化脉冲串 n 几厂 几几几厂 厂 几几n 几几厂 图3 - 2 激光扫描条形码信息交换过程 交叉2 5 码尺寸的测定嘲： 下列步骤用于确定一个交叉2 5 码符号是否符合规定的尺寸要求。 ( 1 ) 宽度测量：测量符号中每个元素的宽度和两个静区的宽度。 ( 2 ) 确认符号中的字：确认符号中的起始字符、终止字符和数据字符。 ( 3 ) 将所有元素宽度分成4 组：窄条、窄空、宽条、宽空。 ( 4 ) 评估符号质量：如果由标准中规定的x 值、n 值来评估符号的质量，则跳至第 ( 9 ) 步，否则向下进行。 ( 5 ) 计算以下4 组平均宽度： a n b - 平均窄条宽度 a n s = 平均窄空宽度 a w b = 平均宽条宽度 a w s = 平均宽空宽度 1 9 华中科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 计算x 值： x = ( a n