关于轨道式穿梭车安全改造的研究

刘伟 罗康福 张旭

摘 要：新型无人看护的轨道式穿梭车作为自动化物流系统中的一种固定轨道搬运设备，采用程序控制，具有运输效率高、自动化程度高、人工成本低等特点。现结合江中药业股份有限公司实际情况，阐述了轨道式穿梭车运行过程中存在的安全问题，并根据不同情况分别采用条形码读码器和激光测距仪的改造措施来实现自动精准定位。

关键词：穿梭车;条形码读码器;激光测距仪;自动精准定位

1    研究背景

随着自动化设备的广泛应用，越来越多的搬运工作已经交给机器完成。常见的搬运工具，如叉车和拖车，要求操作人员具备相关的操作证书，并且定期进行安全培训，落实设备点检措施，避免事故的发生，而AGV（Automated Guided Vehicle）采用控制程序控制，但运输效率低，在满足同等運输量的条件下投资成本高。

新型无人看护的轨道式穿梭车作为自动化物流系统中的一种固定轨道搬运设备，采用程序控制，如何在运行过程中保证人员及设备的安全，受到了人们广泛的关注。本文对往复式穿梭车特点及安全问题进行了研究，并提出了个人见解。

2    轨道式穿梭车的特点

轨道式穿梭车又称“往复式穿梭车”，即在一段直线轨道上进行往复运动，通过直线轨道路径将物品运输到设定位置。该模式的穿梭车具有无人看护、系统简单、设备小、运输系统占地面积小、输送快捷等优点，缺点是只能在指定轨道进行运输且设备充电需要固定区域。同时，因设备的应用场合限制，系统的复杂性及安全性很大程度上取决于单台穿梭车的可靠性。

3    轨道式穿梭车存在的安全问题及改造措施

3.1    全自动投料系统工序

我司提取车间的全自动投料工序是自动选择收取物料后，穿梭车搬运物料桶进行自动取料及配比称重，通过提升机到三楼，不锈钢空桶经隧道式清洗机进行清洗后再次取料。该工序将处理好的中药材通过机械输送至不锈钢物料桶装载，并使用轨道式穿梭车进行物料搬运（图1），穿梭车采用远程通信控制方式，通过上位机将参数指令传送到安装在穿梭车上的PLC模块内，再通过PLC模块控制穿梭车完成对应动作。

在正常使用过程中，人员可通过安装在操作面板上的急停按钮对穿梭车进行紧急刹车。因操作面板安装在固定位置，而中药材自动运输环节设计存在很多视觉盲区，且不锈钢物料桶装载中药材后质量最大能达到1.5 t，若出现异常需紧急停止，或者由于远程控制人员误操作等情况，现场人员无法及时触碰急停按钮或程序未设计补救措施，就可能导致输送线和不锈钢物料桶损坏，最坏可能导致操作人员安全事故。

同时穿梭车需停靠多站点进行物料桶搬运或转运，常规的定位方式采用定位片控制，当穿梭车移动至定位片进行停车及对应动作时，在使用过程中定位片因碰撞、震动等原因容易出现定位错误，造成穿梭车误动作或偏差动作，从而影响生产线效率，提升设备故障率。

为解决以上问题并保证穿梭车运行过程中人员的安全，兼顾操作简单、可靠防呆的设计理念，对穿梭车进行技术改造，具体措施如下：

（1）穿梭车新增在线条形码读码器（图2）替代站点物理定位片，仅保留两端极限物理定位片，穿梭车的一条轨道内侧面安装条形码（图3），采用程序控制定位，减少人员操作，防范误操作。

（2）在线条形码读码器具备让穿梭车低速稳定运行的功能，同时在穿梭车四周加装机械式防撞开关和物料滚轮输送轨道的激光定位装置，实现远近距离双重保护，在误动作时能及时切断穿梭车供电电源。

条形码读码器相对于定位片而言，可实时测定穿梭车的位置，具有精度高和寿命长的特点，适用于慢速直线运动定位控制，所以条形码的安装位置一定要非常精准。原方案采用定位片定位，因为精度差，所以穿梭车输送物料桶至各站点时会出现偏位，需要人员到现场查看，现场人员通知控制室人员对穿梭车进行微调移动，可能会出现操作人员误操作导致的偶发安全问题。采用条形码读码器替换定位片后，只保留定位片前后极限位定位，各停车站点采用条形码读码器进行定位，改造后无须人员微调穿梭车，减少了人员微调造成的隐患。

条形码读码器作为穿梭车定位的依据，需要轨道上的条形码位置准确无误且能100%读出，所以条形码读码器适用于环境相对干净和干燥的车间，以使条形码保持清晰的状态。

3.2    吊篮提取系统工序

我司提取车间吊篮提取系统工序是将吊篮经机械手提升进行组篮，穿梭车和伸缩杆通过定位，将成组的物料抓入提取罐。自动投料生产中的吊篮使用轨道式穿梭车进行物料搬运，穿梭车采用远程通信控制方式，通过上位机将参数指令传送到安装在穿梭车上的PLC模块内，再通过PLC模块控制穿梭车完成投料和出药渣动作。

在正常使用过程中，人员可通过安装在操作面板上的急停按钮对穿梭车进行紧急刹车。因操作面板安装在固定位置，若出现异常需紧急停止，或者由于远程控制人员误操作穿梭车启动，现场人员无法及时触碰急停按钮或程序未设计补救措施，此时极易发生安全事故。

同时穿梭车需停靠10个站点（10个提取罐）进行吊篮的转运，常规的定位方式采用定位片控制，当穿梭车移动至定位片时进行停车及对应动作，在使用过程中因定位片碰撞、震动等原因容易出现定位错误，造成穿梭车误动作，从而影响提取工序效率，增加设备故障率。

为解决以上问题并保证穿梭车运行过程中人员的安全，兼顾操作简单、可靠防呆的设计理念，对穿梭车进行技术改造，具体措施如下：

（1）穿梭车新增激光测距设备（图4、图5）替代站点物理定位片，仅保留两端极限物理定位片，采用程序控制定位，减少人员操作，防范误操作。

（2）激光测距仪具备感应穿梭车四周异物的功能，同时在穿梭车四周加装机械式防撞开关，实现远近距离双重保护，在误动作时能及时切断穿梭车供电电源。

激光测距仪相对于定位片而言，可实现被测目标与测距仪之间距离的实时测定（图6），具有精度高和寿命长的特点，也可作为安全光栅使用，适用于快速直线运动定位控制。原方案采用定位片定位，定位精度差，导致穿梭车输送物料桶至各站点时易出现偏位，需要人员到现场查看，现场人员通知控制室人员对穿梭车进行微调移动，可能会出现操作人员误操作导致的偶发安全问题。采用激光测距仪替换定位片后，只保留定位片前后极限位定位，各停车站点采用激光测距仪进行定位，改造后无须人员微调穿梭车，减少了人员微调造成的隐患。

激光测距仪作为安全光栅使用时，若人员误闯入正在运动的穿梭车区域，穿梭车会通过设定程序进行停车保护，避免撞上人员。但激光测距仪作为安全光栅使用时，安全范围具有局限性，只能扫描反光板与激光头之间的区域，其他区域无法扫描，且无法扫描放置在穿梭车运动区域不规则的重物。基于激光测距仪安全光栅的局限性，在穿梭车上加装一圈机械防撞条，机械防撞条控制变频器输出与电机之间的交流接触器，为防止控制程序出现异常，采用机械防撞条物理触点控制交流接触器线圈，在穿梭车电气元件出现异常无法停车时，切断电机电源可避免危险扩大化。

4    改造后的效果

改造后经过10个月的效果跟踪可知：

（1）全自动投料系统工序：条形码读码器定位方案定位精度更高，上电后无须回零，且维护成本更低，投入使用的10个月内从未发生不锈钢物料桶倒塌和错位现象;但因安装条码难度大，现场灰尘多，容易造成条码沾灰，阅读器读数不准的情况。

（2）吊篮提取系统工序：现场曾出现夜班人员误将登高梯放置在穿梭车运动区域的意外，白班人员在未发现的情况下启动穿梭车，当穿梭车碰撞到登高梯后机械防撞条触发保护，穿梭车及时停车，未造成设备损坏;投入使用的10个月内吊篮与提取罐投料口对应位置从未发生偏差。

5    经济和社会效益

改造完成后，应用程序及操作流程可固化，具备自动化、安全、无人操作等特点，节约了人工劳动，解决了频繁维修的问题，具有良好的经济和社会效益。

6    推广应用或行业带动作用

改造完成后，解决了穿梭车精准定位问题。经过10个月的运行，自动穿梭车未出现过异常故障。以上技术改进措施可复制推广到大宗物料输送、自动化仓库、物流中心和医药零售等领域应用，例如密集库或者高架库采用穿梭车作为运输工具时（图7、图8），采用上述技术成果可有效解决穿梭车自动运输和自动充电等安全问题;物流中心和医药零售采用的穿梭车如具备地轨、激光测距仪和条形码读码器功能（图9），可实现货物自动分拣和输送。

7    结语

笔者和团队通过努力完成了对穿梭车的技术改造，解决了现场存在的安全隐患，提高了穿梭车输送系统的定位精度，为设备的安全高效运转提供了有力保障。本次改造简单，投资少，设备运行稳定高效，对于轨道式穿梭车设备安全性改造具有一定的参考价值。

收稿日期：2021-08-09

作者简介：刘伟（1984—），男，江西南昌人，主管藥师，从事制药生产和项目规划工作。