自动化立体仓库堆垛机速度优化控制研究

峁　瑞　柴润宁　刘立博　马　骥　袁钦平　薛　婷　蔡安江

（西安建筑科技大学，西安 710055）

自动化立体仓库堆垛机速度优化控制研究

峁瑞柴润宁刘立博马骥袁钦平薛婷蔡安江

（西安建筑科技大学，西安 710055）

随着物流行业的发展，企业对自动化立体仓库储运效率提出了更高的要求，而自动化立体仓库的工作效益主要取决于堆垛机的工作效率和稳定性。目前堆垛机的运行速度不理想导致自动化立体仓库的工作效率低下，因此采用合适的速度控制方案使堆垛机更加高效、平稳的运行具有重要的意义。本文采用S型曲线速度控制方案，并通过实验分析论证S型曲线速度控制方案的优越性。

自动化立体仓库堆垛机速度优化S型曲线

引言

自动化立体仓库是一种通过计算机控制管理以及自动控制堆垛机实现高层立体货架存储物资的仓库，在世界范围内的仓储领域中已经得到广泛应用。在一些发达国家，自动化立体仓库设计已采用参数化、模块化设计，货架已系列化、标准化，自动化程度相当高［1］。随着我国物流技术的发展，自动化立体仓库逐渐受到企业青睐，随之企业也对自动化立体仓库功能和运行效率提出了更高的要求。而堆垛机运行的平稳性、高效性很大程度影响着自动化立体仓库工作效益。南京化工职业技术学院张祖鹰采用了反馈校正模糊控制算法，将稳定运行速度保持在一定的范围内，解决了由于速度扰动的影响而产生的堆垛机的蠕动、抖动和定位错误等问题，但模糊处理导致系统的控制精度和稳态精度降低［2］；江汉大学王欢在某机械加工厂立体仓库中采用多段调速速度控制方式，虽然一定程度上提高了效率，但是存在速度起伏过大，稳定性差等问题［3］。

本文提出采用S型速度曲线控制方案，对堆垛机速度控制进行优化，将有效改善堆垛机的运行平稳性能、提高自动化立体仓库的工作效率。

1　堆垛机的速度控制及控制系统的搭建

1.1堆垛机的速度控制

目前自动化立体仓库堆垛机的速度控制方式主要有以下几种：

（1）由变频器完成对堆垛机的闭环速度控制。通过现场多次运行试验获得不同货位的速度运行曲线并存储在变频器里。但在实际应用中设计者难以设计存储所有速度曲线并调用，而且变频器存储空间较小难以大量存储信息［4］。这种控制方式较难获得使用者要求。

（2）多段调速运行方式，堆垛机运行速度根据堆垛机的控制需要以及操控人员的操作经验采用变化多档调速控制［5］。这种控制方式对控制器和变频器的配合要求较高。

图1　多段调速控制曲线

图2　S形速度控制曲线

（3）采用模糊技术控制方式，改善在原速度曲线拐点处的切换问题。在现实生产中，速度的输入信号先交由PLC进行处理，然后PLC根据处理结果选择相应的控制模式并在对应的模式响应表里提取到合适的频率控制量，最后通过变频器实现速度控制［6-7］。但此种控制方式容易受外界噪声，负载扰动等影响，难以获得满意的效果。

传统的堆垛机在水平方向上大都用多段调速来实现速度控制，如图1所示。该控制方式启停瞬间速度值变化较大、加速度变化过快有可能会导致货物偏斜甚至掉落，同时在加速过程中对堆垛机产生一定程度的有害冲击，会对堆垛机的运行效率和使用寿命产生不良影响［8］。

本文根据三个运行机构不同的行程和工作要求，设定三个不同运行机构的控制方案分别如下：堆垛机货叉的伸缩路程较短，通过PLC控制以恒低速运行；载货台则用双速电机进行变速，先以高速运行，当接近目标货位前一货格时降为低速运行；堆垛机沿巷道的运动行程长，故其对堆垛机整体运行效率影响显著，为了提高堆垛机整体的运行效率，该方向速度采用S型速度曲线控制。

相比多段调速的诸多不利因素，S型速度曲线的加速度化较为平顺，可以有效减少系统的冲击与振动，从而使系统的运行更加平稳、高效。

1.2控制系统硬件选型

本文确定S型速度曲线控制方案，基于合作项目河北金太阳有限公司自动化立体仓库进行堆垛机速度优化的研究。该自动化立体仓库采用的堆垛机的形式和速度控制方式与本文完全相符。采用Leuze DDLS 200/120.1-10激光测距仪、西门子 S7-300 PLC和施耐德ALTIVAL系列变频器实现S型速度曲线控制方案。通过激光测距仪反馈堆垛机的实时速度与距离信号，然后PLC对变频器的频率值进行调整以达到预期速度运行。

2　堆垛机的速度优化

本文中试验仓库共有货仓25列，每列有6层，单个货仓长1.45 m，将堆垛机的运行路径分为3类，即长行程（运行距离为10个货仓及以上）、中等行程（运行距离为3个货仓以上10个货仓以下）短行程［5］（运行距离为3个货仓及以下），并将S形速度曲线应用到不同行程的堆垛机速度控制中，减少堆垛机在运行过程中引起的速度冲击的同时提高其运行效率，满足自动化立体仓库运行平稳高效的要求。

当堆垛机运行行程为短行程时，加减速时间占总行驶时间较多，其最高速度运行时间很短，运行效率未得到提高，但因其加速度变化比多段调速较为平缓，仍可以减轻运行冲击。在长行程和中等行程中不同货仓的加减速运行曲线相同，只是恒定速度运行时间不同。

本文选择长行程和中等行程实验数据各一组作为本文速度优化的数据依据，见表1、表2。

表1　堆垛机水平方向运行曲线1的实验数据

表2　堆垛机水平方向运行曲线2的实验数据

根据表1和表2数据，绘制S型速度曲线V-t曲线如图3所示。

图3　S型速度曲线V-t曲线图

通过实验比较得出，应用 S型速度曲线控制，在长行程和中等行程中，运行相同距离用时明显减少，运行效率得到提高。同时应用S型速度曲线控制，堆垛机加减速变化缓慢，而多段调速控制的加速度存在非连续阶跃跳动，同时运用S型速度曲线也避免了多段调速控制的频繁加减速，这样明显减轻了堆垛机受到的振动冲击，运行将更加平稳，降低了噪声，增长了堆垛机使用寿命。

3　结论

本文主要针对S型速度曲线在自动化立体仓库堆垛机速度控制中的应用作了部分研究。比较堆垛机传统速度控制方式的缺陷引出了S型速度控制曲线的优化思路，通过多次实验及合作项目的实际生产进一步论证了S型速度控制曲线的优越性。特别在实际生产中按照S型速度曲线运行的堆垛机其速度得到了明显优化，运行效率显著提高。另外，堆垛机的运动平稳性、运行噪声均得到了不同程度的改善。

［1］Kyung Joon Sohn，Hyun Yong Lee，Joonyeob Song.Development of Operating Softwarefor AS/RS including Communication Protocol.IE Interfaces，I995，Vol.8，No.1，pp.45-52

［2］张祖鹰.堆垛机模糊反馈校正控制系统的设计 ［J］.控制技术，2010（14）：48-53.

［3］王欢.立体仓库堆垛机运动及控制系统设计 ［J］.应用技术. 2012（5）.184-186.

［4］李文灿.PLC-变频器在巷道堆垛机提升系统中的应用［J］.计算机应用技术，2009（5）：57-59.

［5］周新建，刘丹.基于自动化立体仓库堆垛机的运动仿真研究［D］.西安科技大学，2009.

［6］张欣，魏鑫.模糊控制技术在立体仓库堆垛机速度控制上的应用［J］.制造业自动化，2005（8）：66-68.

［7］周耀辉.立体仓库电控系统研究［D］.哈尔滨工程大学，2006.

［8］刘昌祺，董良.自动化立体仓库设计［M］.北京：机械工业出版社，2004.5.

A Study of Speed Optimization Control about Stacker in the Automatic Warehouse

MAORui，CHAIRunning，LIULibo，MAJi，YUANQinping，XUE Ting，CAI Anjiang
（Xi`an University of Architecture and Technology，Xi'an，Shaanxi 710055）

With the development of logistics industry，enterprises putforwardhigherrequirementstothestorageandtransportation efficiency of automated warehouse.And the working efficiency of the automated warehouse mainly depends on the efficiency and stability of the stacker.At present，the running speed of the stacker is not ideal，whichleadstothelowefficiencyoftheautomatedwarehouse. Therefore，it is very important to use the appropriate speed control scheme to make the stacker more efficient and stable.This paper adopted the control scheme of segmented S curve speed.According to analysis of the experimental results，we demonstrate the superiority of S type curve speed control scheme.

automatic warehouse，stacker，speed optimization，S curve

国家级大学生创新创业训练计划项目（201510703127）；教育部“蓝火计划”产学研联合创新项目（2014-LHJH-HSZX-018）。