物流仓储系统中堆垛机相关电气选型及应用

黄鹏

摘要：堆垛机是自动化立体仓库的主要设备，根据实际经验分析物流仓储系统中，加强堆垛机相关电气元件的选型、应用，提高物流仓储生产效率以及企业效益。本文结合工作实践，对物流仓储系统中堆垛机相关电气选型及应用进行了探讨分析。

关键词：物流仓储；立体库；堆垛机

现代物流仓储系统中，立体库为必不可少的核心组成部分，而立体库的核心设备则为堆垛机。堆垛机种类繁多，由于终端客户注重的侧重点不同，市面上堆垛机的方案也各不相同，电气选型方案越来越具有针对性，许多电气元件都是进口设备，价格高，订货周期长所以合理选型和前期设计尤为重要。

一、物流仓储系统中堆垛机电气选型方案主要有以下几个方面：

1.可编程控制器：堆垛机总的来说是一个单体设备，执行程序并不复杂，复杂的是算法，而算法主要是WMS二级软件来进行的。从这方面来说，堆垛机的PLC不需要选太高端的。但是如果要求生产节拍较快，迅速精准定位，将二次定位的影响降到最低的话，建议也不要选太低端的PLC。例如西门子的S7-1200响应时间就有可能达不到要求。

2.电机控制器：变频器或者伺服驱动器。堆垛机有单驱动、双驱动、单货叉、双货叉、单伸位、双伸位几类。常见堆垛机运动轨迹基本分为XYZ三个坐标轴。X轴为巷道中整体运动轨迹，相对应运动到立体库的不同列，X轴由单电机驱动则叫单驱动。Y轴为载货台垂直运动轨迹，相对应到立体库的不同层；z轴为货叉的运动轨迹，相对应立体库的货位内和货位外，两个货叉叫做双货叉，货叉相对于原点既可以前伸又可以后伸叫做双伸位。正常情况下，由于堆垛机较重，属于拖动型重型负载，为保证生产节拍，速度和加速度都要求较大，在加速过程中的运行电流也会较大。所以在选择电机对应的变频器时，应在考虑成本的同时，充分考虑放量。对加速度和响应时间要求较高的情况，可以用伺服驱动器，轴数多的话，可以考虑多轴私服驱动器。

3.供电系统：供电系统大体分为三类：拖链、滑触线、无线供电。拖链供电方式成本较低，拖链中电缆需采用质量较高的柔性电缆，但是长期来回运动容易造成电缆损坏，根据现场经验，主要的损坏原因是拖链尽头卡子使电缆不正常受力，另外就是拖链变型或散落导致电缆被刮。其中第二种故障恢复时间较长。所以在加速度较大速度较快的现场不建议使用拖链供电。另外，x轴行程较长也不适合走拖链。滑触线供电为使用较多的供电方式，其缺点是集电臂为消耗品，双集电臂供电时两个集电臂一定要受力均匀，集电臂安装不规范会造成磨损或打火。无线供电由于需要预埋，并且成本相对高出不少，在目前市面上堆垛机中很少看到有使用这种方法供电的。

4.通讯系统：通讯主要分为两大类：有线和无线。有线通讯主要是采用拖链的情况下，控制系统安装在固定电器柜中，优点是减轻堆垛机的负载重量，成本有所降低。控制器与外部系统进行固定走线进行通讯，控制器与堆垛机的所有设备之间接线均走拖链。缺点即前文提到走拖链的缺点。无线通讯主要有工业无线网和光通讯两种。由于立体库货架大多是金属架构，堆垛机x轴行走轨迹又为一条直线轨道，综合考虑干扰的问题，所以大多选择光通讯。又由于涉及响应时间和高速运行过程中的安全考虑，建议选用百兆光通讯。另外，现在工业无线网技术比较成熟，金属干扰问题已有成熟的解决方案，但是如果只有一两台堆垛机，平均下来成本相对较高。

5.编码器：堆垛机很多都是轮驱动，高速运行过程中会有打滑现象，需要不断读取实际位置并做出修正，所以X轴和Y轴均采用闭环控制，在运动过程中，读取实际位置与计算位置，通过驱动器内部程序算法改变输出电流以控制电机转速。主流的外部测距方式有激光测距与条码测距两种。其中条码测距的精度更高，缺点是条码带有破损和污染的可能，并且从成本考虑距离越远，条码测距价格越高。条码测距一般用在运动轨迹非直线的工位或者行程比较短的工位，还有精度要求较高的工位。按照X轴35米行程，Y轴8米行程的堆垛机进行工艺和成本双向考虑后，建议X轴选用激光测距，Y轴选用条码测距。Z轴货叉大多数是链条传动，本身不存在打滑，每次收回又都会回到原点，考虑成本，可以采用电机直连的增量编码器即可。

6.电气保护：配按钮盒，盒上带钥匙旋钮，打手动状态时钥匙才能拔下。配有手自动指示灯，复位按钮，急停按钮。急停按钮用硬线链接的方式，链接脱扣线圈直接接入配电柜中的断路器里。紧急状态下拍急停直接断滑触线进线电源。X轴两端、Y轴两端均设电气极限位，使用闭点，触发后断控制柜接触器电源。钳制器，防止载货台坠落，速度过大时触发机械刹车装置。

7.传感器：X轴两端、Y轴两端均使用90°限位开关作为电气极限保护。载货台上超高、超宽、掉落检测、有无货物等工位采用对射光电开关，建议采用光斑较小的类激光式。货叉原点位用接近开关。货叉下部根據工艺情况选择不同类型的漫反射光电开关，距离正好即可，距离远的成本较高并且容易误判，距离太近无法准确检测到货物。另外，应当注意货物的颜色和材质，是否吸光，需要做测试以选定具体型号。

8.触摸屏或者上位机：需要做画面对堆垛机进行相应操作。一般分为手动：缓慢点动，可分别改变X/Y/Z方向的点动速度，主要用于调试和处理异常。半自动：直接到达某个工位，不会在非正常工位停留，主要用于调试方便，非熟练人员慎用。单机自动：可输入预定的到达位，直接运行到指定工位，主要用于异常处理。联机调试：用于正常生产，接收WMS立体库管理系统的指令，到系统指定位置去取货放货。

9.大屏幕：用于报警和显示任务状态。根据车间的生产环境进行选择，条件恶劣的要选工业LED屏，防护等级高，价格也贵。环境较好的厂房，可以选普通的液晶电视，加一个微型电脑主机，成本便宜很多，界面的软件程序开发也比较方便。

二、结论

虽然各行各业都有使用立体库的需求，需求不同导致堆垛机的配置大相径庭，但是将其归纳总结，总是能得出一些规律让我们加以利用。前期设计详尽，选型合理才是项目顺利进行的关键。

参考文献：

[1]陈伊菲，刘军.仓储拣选作业路径VRP模型设计与应用[J].计算机工程与应用，2016（6）：209-212.

[2]常发亮，刘增晓，辛征等.自动化立体仓库拣选作业路径优化问题研究[J].系统工程理论与实践，2015（2）：139-143.