自动化立体仓库堆垛机控制系统稳定性优化研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 24 日 作者简介：柳绍军（1995），男，江西宜春人，本科学历，助理工程师，研究方向为城市轨道交通机车车辆。-41-自动化立体仓库堆垛机控制系统稳定性优化研究 柳绍军 广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000 摘要：摘要：堆垛机设备为自动化立体仓库重要基础组成，堆垛机设备运行的稳定性直接影响自动化立体仓库使用安全性。本文对立体仓库设备的堆垛机设备控制系统进行介绍和研究，阐述堆垛机设备组成和控制系统基本工作原理和运行逻辑，分析其控制系统存在运行的安全隐患，并对堆垛机控制系统进行优化，提升堆垛机设备控制系统运行稳定性，进而提高立体仓库设备整体运行安全性。关键词：关键词：自动化立体仓库；堆垛机；控制系统；优化升级 中图分类号：中图分类号：TP273 1 概述 堆垛机设备为自动化立体仓库货物运输的关键设备，它沿着自动化立体仓库轨道在货架巷道中做往复穿梭运动，对货物进行取、存和移动，完成对货物的出库、入库功能1。堆垛机运动形式如下：堆垛机沿着巷道轨道的前后运动（也称 Y 轴方向）；堆垛机载货台沿着立柱的上下运动（也称 Z 轴方向）；载货台货叉横向左右运动（也称 X 轴方向）。堆垛机根据控制系统给出指令，按照一定的逻辑顺序在三个方向进行往复组合运动，到达预定目标位置，完成对单元货物的出库、入库的搬运作业。根据立体仓库结构可知，堆垛机设备为立体仓库货物从出（入）货口到立体仓库货架货位的运输的主要、甚至是唯一运动部件。一般中高层立体仓库设备的堆垛机设计额定载重量可达到 1000KG，即堆垛机设备需将重达 1000KG 货物从入货口送至指定高度（最高可达十几米）位置货位，或者从指定高度货位中将货物取出运送至出货口，两者均属于重物高空运送作业。堆垛机设备运行的平稳性和安全性影响待运输货物完好性和设备使用寿命，甚至是影响堆垛机设备操作人员安危，因此立体仓库设备实际使用过程中，对堆垛机设备运行稳定性和安全性有较高要求，来满足使用运行需求。本文对堆垛机设备组成进行介绍，研究及分析控制系统运行逻辑，对控制系统中存在的安全隐患进行优化，提升堆垛机设备的可靠度和安全度。2 堆垛机结构 堆垛机是自动化立体仓库货物从高处货位运输至地面出货口最直接和最重要的设备。为保证货物在运输过程中的安全性和高效性，堆垛机设备通过一整套机械组件、电气组件以及PLC控制系统进行联合控制，满足技术使用需求。2.1 机械结构 堆垛机设备主要由上轨道、立柱、载货台、货叉、行走机构、过载机构、下轨道、电器柜、提升电机、行走电机、货叉电机、电气设备以及随机控制装置等部件组成，其结构如图 1 所示。注：1、导向轮 2、上轨道 3、立柱 4、载货台 5、货叉 6、维修扶梯 7、提升电机 8、行走电机 9、货叉电机 10、导线槽 11、电控柜 12、下轨道 图 1 堆垛机 根据结构图易知，堆垛机设备三个方向运行原理如下：行走电机通过减速箱带动堆垛机走行部沿着下轨道进行前后方向运动（Y 轴方向运动）；提升电机通过链传动系统带着载货台沿着立柱方向进行上下运动（Z 轴方向运动），货叉电机通过链传动系统带着货叉沿载货台导向轨进行左右运动（X 轴方向运行）。中国科技期刊数据库 工业 A-42-分析堆垛机设备三个方向运动可知，堆垛机设备的前后运动为整机整体运动，此运行状态下，堆垛机设备视为一个整体相对外界进行移动，除内部动力系统的零部件的旋转运动和行走轮的滚动运动，无其他相对运动，无冲击力产生。堆垛机的载货台部件上、下运动和货叉部件左、右运动，属于堆垛机内部相对运动。此两种运动状态下，堆垛机内部部件发生相对运动产生内部冲击力，如无法有效的减缓或者消除该冲击力，堆垛机设备内部将形成较大冲击，对堆垛机设备产生很大的损伤，同时载货台上货物也将承受较大冲击。堆垛机设备载货台和货叉的相对运动，致使堆垛机内部存在相对运动，在载货台承载货物时运行产生较大的冲击力，需要缓解消除该作用力，避免较大的冲击力对设备造成破坏。因此在堆垛机机械组件设计中，在载货台下端位置安装四个橡胶缓冲胶，吸收载货台下降靠近或冲出极限位置时发生碰撞而产生的冲击力。另外升降链条通过螺栓与载货台连接并带动载货台进行升降往复运动，也视为载货台垂向方向的约束装置。若升降链条出现断裂，载货台在垂向方向失去约束将直接坠落，存在较大安全隐患，因此在堆垛机安全设计中增加一套防坠落装置，当链条出现断裂后，防坠落装置被触发开始动作，立即通过防坠落装置中的凸轮和卡爪装置将载货台锁死在支撑立柱上，防止载货台直接从高空坠落至地面。2.2 电气结构 为保证堆垛机设备运行效率，同时兼顾堆垛机运行平稳性和较小冲击的技术要求，在堆垛机设备设计过程中，对其运行速度进行自动调整控制。根据堆垛机的目标运行路程长短和提升（下降）距离高低，选定合适的运行速度和运行时间。堆垛机速度控制策略归纳为：靠近目标位置时为低速运行工况，堆垛机载货台平缓的降速到“0”速，配合载货台底部橡胶缓冲器缓冲作用，可有效降低冲击力产生，保证整机设备和货物的安全性；在中间运行阶段，需要堆垛机载货台保持高速度运行，降低中间运输距离的运行时间，提升堆垛机载货台运送效率；在低速度和高速度之间，需要设定中速运行速度进行过渡，保证堆垛机载货台不同速度之间变化的平顺性。堆垛机设备完整的取（入）货周期时，载货台的速度变化如下所示：低速启动-中速过渡运行-高速运行-中速过渡运行-低速制动直至设备停止2。为确保堆垛机运行时速度转化的平顺，堆垛机设备在电气系统硬件上布置了 U 型位置检测开关和认址片，来检测堆垛机所处具体位置。在软件控制系统中，PLC 控制系统通过接收不同位置的 U 型开关输入信号来计算判定堆垛机设备与目标位置的之间的距离，并发出相应的指令信号来调整变频器输出信号，从而控制各电机输出转速，实现不同工况下运行速度的自动调整。查看堆垛机程序“FC4-纵向主控”可知，堆垛机货叉下降的执行程序段为：“程序段 26-高速下降”、“程序段27-中速下降”和“程序段28-定位速（低速下降）”，程序段明细如下图（2、3、4）所示。控制系统接收不同点位的输出信号，依次执行不同速度程序段，满足堆垛机载货台工况速度需求。3 运行原理及优化 堆垛机载货台从高速运行状态到停止运动过程，PLC 控制系统中速度程序理论执行顺序应为：高速下降程序段-中速下降程序段-定位速（低速）下降程序段。即载货台将由高速运行转变为中速运行，再转变为定位速（低速）运行直至平稳停止3。图 2 高速下降程序段 图 3 中速下降程序段 中国科技期刊数据库 工业 A-43-图 4 定位速下降程序段 3.1 运行原理 分析堆垛机载货台速度运行程序可知，三段不同运行速度的程序段为同类型结构，通过控制 M83.7 点位（升降开关）开、闭，配合各点位开关和各触点开、闭来实现不同路径的运行速度控制。以高速下降程序为例，其运行路径 1 为：M40.7（常开）-M83.7（常开）-CMP=D-M41.2（常闭）-M41.1（常闭）-M41.4（常闭）-M35.4（常闭）-M129.0（常闭）-M33.1（常闭）-I2.7（常开）-M41.0（常开），也称之为编码器路径，通过计算升降电机编码器输出信号和设定数值之间差异，判定载货台是否到达指定位置；运行路径 2 为：M40.7（常开）-M83.7（常闭）-CMP=1-M41.2（常闭）-M41.1（常闭）-M41.4（常闭）-M35.4（常闭）-M129.0（常闭）-M33.1（常闭）-I2.7（常开）-M41.0（常开），也称之为到位开关路径，通过计算到位开关输出值和设定值差值大小，判定载货台是否到达指定位置。中速下降程序、低速下降程序与上述运行逻辑一致。3.2 运行隐患描述 堆垛机载货台在实际取货下降过程中，出现载货台直接冲出下极限位位置，堆垛机设备触发下限位故障。另外在立体仓库停电恢复后，在操作人员没有输入指令情况下，堆垛机载货台直接从断电时停止位置自动下降至载货台最低位置，存在极大的运行安全隐患风险。图 5 载货台货叉结构 在立体仓库堆垛机设备进行出（入）库运输货物过程中，对堆垛机程序“FC4-纵向主控”程序进行监控，在堆垛机设备的载货台下降时，发现程序段中的M83.7 点位一直为常开状态，即堆垛机设备载货台的下降程序执行路径为编码器路径。堆垛机载货台下降时程序执行逻辑为：高速下降程序-中速下降程序。堆垛机载货台在靠近目标位置，依然保持中速速度下降运行，直到冲出下限位位置被机械部件强制限位后才停止下降运动，定位速（低速）程序段始终为不导通状态，该程序段未能执行。可判定在程序在执行编码器路径时，出现程序执行逻辑错误，定位速（低速）程序一直处于被屏蔽状态，载货台无法以低速速度下降运行，在末端位置只能以中速下降速度运行，致使堆垛机载货台冲出下限位位置，产生巨大撞击，对堆垛机设备和运行货物形成一定损害和冲击。3.3 优化 M83.7 点位开、闭决定了堆垛机设备载货台在下降时程序选定的执行路径，查看主程序可知,M83.7 点位由M80.2点位和M5.1点位并联联合控制（如图6所示）。其中M80.2为堆垛机设备货架垂直计数开关输出信号，M5.1 为上位机点位输出信号。两个点位仅需其中的一个点位处于接通状态，M83.7 点位也将随之转换为接通状态。根据 M83.7 点位控制功能可知，此时在堆垛机载货台下降过程中，载货台将优先执行编码器路径，造成载货台末端位置超速下降并触发下限位的故障。中国科技期刊数据库 工业 A-44-图 6 升降编码开关程序图 因此，为了消除堆垛机载货台在末端位置下降速度过快而引起故障安全隐患，需对堆垛机载货台速度控制程序进行优化，确保堆垛机载货台在末端位置运行速度转变为低速运行。目前 M83.7 点位由堆垛机设备输出信号和上位机输出信号单线控制，处于容易导通状态。将 M80.2 点位和 M5.1 点优化为串联共同控制M83.7 触点，只有当两个点位都处于接通状态时，M83.7触点才能接通。实现了堆垛机设备和上位机共同控制。M83.7 点位控制逻辑程序修改后如图 7 所示：图 7 优化后升降编码开关程序图 在 M83.7 点位通断控制方式优化为串联之后，堆垛机载货台下降时执行程序选定开关路径，程序执行时未出现逻辑错误。对运行中的立体仓库堆垛机设备控制系统系统程序进行监控，堆垛机载货台在下降时其程度执行顺序为：高速下降程序段-中速下降程序段-定位速下降程序段。堆垛机载货台下降接近目标位置时，其运行速度接近为零，未出现载货台冲出限位位置，引发超限故障。根据堆垛机载货台下降程序优化前逻辑运行图可知（图 8），PLC 控制系统在接收定位速下降开关点信号后，依旧执行“中速下降程序”，并保持该速度运行至极限位置而被迫停止，引起设备产生强烈冲击。根据堆垛机载货台下降程序优化后 PLC 控制系统图可知（图 9），在接收定位速下降开关点信号后，下降段程序立即进行转换执行“定位速下降”程序，此时堆垛机载货台的升降电机接收到“定位速下降”执行后运算结果，升降电机根据内置速度变化要求降低输出转速，载货台运行速度开始降低，在末端位置载货台以低速下降至指定限位位置，消除了堆垛机载货台撞击产生的隐患风险。图 8 优化前运行逻辑 图 9 优化后运行逻辑 在立体仓库设备实际使用过程中，由于种种因素，出现立体仓库处于正常出（入）货物运行状态中，出现突然停电的意外情况，导致运行中堆垛机设备断电而停止在当前位置，需要等恢复通电之后，堆垛机设备才能正常运行。在目前使用过程中，堆垛机上电复位功能在堆垛机断电重启时，该上电复位功能自动触发进而引起堆垛机载货台突然下降行至最低位。由于堆垛机载货台断电后重新通电，会突然自行运动，如此时有操作人员或者货位在载货台下方，将造成极大的安全隐患事件。查看堆垛机复位程序可知（图 10），在堆垛机设备进行重新通电通后，点位“M129.1”上电保持即接通，图 10 上电复位程序 中国科技期刊数据库 工业 A-45-随之“M129.0”点位线圈也处于接通状态。由“中速下降程序段”和“低速下降程序段”，点位“M129.0”也是该两段控制程序的接通点位。因此堆垛机载货台可以在上电复位后自行进行下降。在立体仓库运行中使用安全准则中，不允许出现上电后操作人员未下达命令，堆垛机载货台设备自行进行下降运行。需要将自行下降优化为操作人员操作后才能下降。因此将图 10 程序段进行屏蔽处理。即在堆垛机进行重新上电后，操作人员通过在工控机进行点击确认后，堆垛机载货台才能开始下降到初始最低位置，不是自行下降至最低位置。解决了由于断电后设备重新通电自行下降引起的安全风险隐患。4 结语 本文针对已投入使用的立体仓库堆垛机设备在末端位置下降速度过快，通过优化其控制程序，消除堆垛机设备运行中存在安全隐患，保证堆垛机设备运稳定性，降低了堆垛机设备内部损伤和提高了运输中货物的安全性；另外也解决了堆垛机载货台断电后重新上电的自行下降的安全风险。通过对控制系统优化改善了立体仓库设备在实际使用过程的稳定性和安全性。同时对其他同类设备开展类似安全隐患排查提供指引，也为后续新采购立体仓库设备的安全设计提供依据。参考文献 1周兴万.自动化立体仓库中堆垛机的位置定位和速度控制J.基础自动化,1998,0(6):48-49.2申小玲.基于 PLC 的立体仓库控制系统设计J.农机与农艺,2022,7(7):67-69.3渠广磊.高速移载堆垛机监控系统设计及可靠性分析D.宁夏:宁夏大学,2019.4尹国明.自动化立体仓库实验台堆垛机结构及控制系统设计研究D.山东:山东大学,2006.5王涛,王忠庆.自动化立体仓库堆垛机控制系统的研究J.电子世界,2014,0(1):3.