（控制理论与控制工程专业论文）自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计与路径优化.pdf

荔 f j ” 、f 囊 卜。珏” 牡铅i 1 1 。j 川、；叫ioh，dd棚删跫叫，i1： i at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i ：l e e r i n g d e s i g na n d p a t ho p t i m i z a t i o no fs t a c k e r co n t r o ls y s t e mi na u t o m a t e dw a r e h o u s e b yh a o y a n z h u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rm a s h u h u a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 够 j u n e2 0 0 9 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彳，彩牲 日 期：二n 7 ：刃、7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位沦文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年函一年口一年半口 学位论文作者签名：韶岩寸盔 签字日期： z 肿7 1 印 两年口 导师签名：习淑华 签字日期：乒尉甲刃卯 - i 参 一 1 、 自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计与路径优化 摘要 自动化立体仓库是物料搬运、仓储科学的一门综合科学技术工程。它以高层 立体货架为主要标志，以成套先进的搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术 为主要手段，实现搬运、存取机械化、自动化，储存管理现代化的新型仓库。它 具有占地面积小、储存量大、周转快的优点，是集信息、存储、管理于一体的高 技术密集型机电一体化的产物。 在本文中，首先是对自动化立体仓库的整体结构进行介绍，如立体仓库中移 动货架，堆垛机系统，条码系统，信息流控制，物质流控制，管理系统，监控系 统等等，并对每一个系统所发挥的作用进行了阐述。 其次，本文对仓库存储系统中货位选择的算法进行了研究，考虑到货物的位 置对于货物存取以及货物管理的影响，运用了动念规划算法进行路径优化，保证 堆垛机在进行货物存取的过程中能够使存取过程快速化，准确化，提高立体仓库 本身的工作效率和准确性。本文中也对自动化立体仓库堆垛机控制系统进行了 p l c 程序设计和触摸屏界面设计，并通过v c + + 6 0 程序的编写和i f i x 4 5 程序的 编写，完成了管理界面和监控界面的设计工作，实现了对货物自动存取、监控、 管理与控制的目的，结合动态规划算法对t s p 问题进行求解并对结果进行了工程 应用，提高了堆垛机的作业效率。 最后，对实际工程结果进行了分析，提出了存在的问题和今后工作的设想。 关键词：立体仓库；堆垛机；动态规划；t s p ；p l c 一 f 一 ，j 东北大学硕士学位论文 a b s 打a c t d e s i 盟m d p a m q 虹血撕 s y s t e m i na 1 l t o m 狁dw 疵舭嶙e a b s t r a c t a u t o m a t e dt h r e e i i i m 朗s i o n a lw a r e h o u s ei sa ni n t e 黟a t e ds c i e l l c e t e c h n o l o g y p r o j e c to f t h em a t e r i a lh a n d l i n ga n ds t o r a g es c i e n c e i ti san e wt y p eo fw a r e h o u s ew i m t h r e e d i m e n s i o n a ll l i 曲- l e v e ls h e l v e sa st h em a i ni n d i c a t o r ，a d v a n c e dm a t e r i a l - h a n d l i n g e q u i p m e n ta sf o u n d a t i o na i l da d v a n c e dc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g ya sm em a i nm e a n s t oa c h i e v em e c h a n i z a t i o na i l da u t o m a t i o no fs t o r a g ea n dr e t r i e v a lc a r g o ，s t o r a g e m a l l a g e m e n tm o d e m i z a t i o n i th a st h ea d v a n t a g e so fs m a l la r e a ，l a 玛es t o r a g ec a p a c i t y a n dq u i c k 咖o v i sh i 曲一t e c h - i n t e n s i v em e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o d u c t sw i m i n f o 肌a t i o ns t o r a g ea n dm a n a g e m e n t i nt h i sp a p e r ，f i r s to fa 1 1 ，i n t r o d u c i n gt h eo v e r a ns t r u c t u r eo ft h r e e d i m e n s i o n a l w a r e h o u s ea u t o m a t i o n ，w a r e h o u s ec o n t r o ls y s t e m s ，s u c ha st 1 1 r e e d i m e n s i o n a ls h e l e s t a c k e rs y s t e m s ，b a rc o d es y s t e m s ，i n f o n n a t i o nn o wc o n 臼0 1 ，m a t e r i a ln o wc o n t t 0 1 ， m a i l a g e m e n ts y s t e m ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，e t c ，a n de a c hs y s t e mh a sa r o l et op l a yo n s e c o n d ，t h i sp 印e rh a dar e s e a r c ho fm ew a r e h o u s ef o rc a r 9 0s t o r a g es y s t e m c h o s e na l g o r i t h m ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h el o c a t i o no ft h ec a f g oa n dc a r g om a n a g e m e n t s i m p a c t ，m a d ei i y i l 锄i cp r o g r 锄m i n go p t i m i z a t i o nd l g o r i t b a s e do nc o m p 撕s o no f a 、s 甜e so fo p t i m i z a t i o na l g 州t h m st o 朗s u r e t h a ts t a c k e rc r a n ew i l le 1 1 a b l et ov i s i tc a r g o q u i c k l ya n da c c u r a t e l yi n t h ep r o c e s so fs t o r a g ea n dr e t r i e v a l ，a n dr a i s et h e i ro w n ， t h r e e d i m e n s i o n a lw a r e h o u s ee e i c ie n c ya n da c c u r a c y t h i sp a p e ra l s om a d em ed e s i 印 o fp l cp r o c e d u r e sa n dt o u c hs c r e e nc o n t r o l i n t e r f a c ef o rs t a c k e rc r a n ec o n t r o ls y s t e m ， t h r o u 曲m ed e s i g no fv c + + 6 0p r o c e d u r e sa n di f i x 4 5p r o c e d u r e s ，c o m p l e t e dm e d e s i g nw o r ko fm a n a g e m e n ti n t e r f a c ea n dm o n i t o 订n gi n t e r f a c e ，a c h i e v e dm ep u 印o s e s o fa u t o m a t i ca c c e s so fg o o d s ，m o n i t o r i n g ，m a n a g e m e n ta n dc o n t r o lo ft h ep u r p o s eo f a u t o m a t i c s t o r a g ea n dr e t r i e v a l o fc a r g o ，m o n i t o 订n g ，m a i l a g e m e n ta n dc o n f o 佃i t y ， s o l v e dt h et s pp r o b l e mw i t hd y n a m i cp r o 伊砌m i n ga l g o r i t h ma n da p p l i e dm e r e s u l t st o p r a c t i c a le n 西n e 谢n gt oi m p r o v e t h ee m c i e n c yo fc r a n eo p e r a t i o n s f i n a l l y ，a n a l y z i n gt h er e s u l t so fp r a c t i c a le n 百n e 砸n gp r o j e c t ，a 1 1 dp u tf o n ) l ，a r dt h e i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t p r o b l 锄sa n dt h ei d e ao f 如m 】汜w o r k k e yw o r d s ：a u t o m a t e dw a r e h o u s e ；s t a c k e rc r a n e ；d y n a m i cp r o 黟a m m i n g ；t s p ；p l c i v ( i 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究目的及意义2 1 3 国内外发展现状2 1 3 1 立体仓库发展现状2 1 3 2 优化调度发展现状3 1 4 本课题宅要研究内容4 第2 章自动化立体仓库控制系统总体设计5 2 1 系统功能及控制框图5 2 2 立体仓库的组成6 2 2 1 货架6 2 2 2 堆垛机系统8 2 2 3 天车8 2 2 4 条形码系统9 2 2 5 调速系统1o 2 2 6 仓库监控系统1 0 2 2 7 仓库管理系统11 2 3 堆垛机出入库作业流程12 2 3 1 入库作业流稃1 2 2 3 2 出库作、j k 流程14 2 4 本章小结15 第3 章堆垛机拣选作业优化设计1 7 3 1 货位管理1 7 3 1 1 货位存储策略1 7 v 3 1 2 货位分配原则1 8 3 2 堆垛机调度策略：2 0 3 3t s p 问题分析2 1 3 3 1t s p 数学模型2 1 3 3 2 求解t s p 问题的常用算法2 2 3 3 2 1 传统的确定性算法2 2 产 3 3 2 2 现代流行的智能算法2 2 3 4 基于动态规划算法的堆垛机拣选作业优化设计2 5 3 4 1 基本条件2 7 3 4 2t s p 问题求解2 7 3 4 3 运行结果2 9 3 4 4 优化算法的实现2 9 3 5 本章小结3 0 第4 章堆垛机控制系统p l c 程序设计3 1 4 1 堆垛机设备选型及配置3 2 4 2p l c 控制方案设计3 4 4 3p l c 程序设计3 9 4 3 1 原点搜索4 1 4 3 2 认址方式4 2 4 3 3 速度控制4 3 4 3 4 条码通信4 4 4 3 5 货叉运行控制4 5 4 3 6 动态规划算法在p l c 上实现4 5 一 4 4 触摸屏的应用4 6 4 5 本章小结4 9 第5 章密集型立体仓库管理和监控系统的设计5 1 5 1 管理系统总体描述5 2 5 2 数据库管理与整体结构设计5 3 5 2 1 系统设计要求5 3 v i 5 2 2 自动化立体仓库管理系统功能分析5 4 5 2 3 自动化仓库管理系统整体结构设计5 5 5 3 计算机监控系统一5 8 5 3 1 系统功能分析5 8 5 3 2 基于i f i x 4 5 的监控系统的开发5 9 5 4 本章小结一6 2 第6 章结论与展望6 3 6 1 论文主要研究工作及结论一6 3 6 2 展望一6 3 参考文献6 5 致谢6 9 攻读研究生学位期间发表的论文7 1 v i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着经济和现代科技的不断发展，物流已由最初概念的形成、发展和不断完 善，在全球迅速成长为具有无限潜力和发展空间的新型服务产业。现代物流业发 展水平是衡量一个国家综合国力的重要标志，正日益受到各国的重视。因此，加 快发展现代物流业，对拓展新的经济增长空间，提高城市经济的国际化、信息化、 市场化水平具有十分重要的意义【l j 。 企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得仓库成为生产物流系统中的一 个重要且不可缺少的环节。自动化立体仓库因为它的六大优点：( 1 ) 存储量大， 占地面积小；( 2 ) 可迅速方便的进行货物的入、出库作业；( 3 ) 便于实现仓库的 机械化、自动化，从而可以节约劳动力，减轻劳动强度，提高入、出库的作业效 率和仓库周转能力；( 4 ) 提高了库存管理的准确性和快速性，从而相对减少了库 存量，减少了库存占有资金；( 5 ) 缩短交货时间，增加了操作的安全性，减少了 货物损坏率，提高了服务质量；( 6 ) 提高了整个工厂企业的管理和生产效率，正 在逐步替代面积利用率极低且陈旧落后的平面仓库，这种替代促使仓储物流业的 水平提高【2 1 。自动化立体仓库无论在运转，还是在管理上都显示出它的高效性、计 划性和便利性，库容库貌也得到改善，因此，自动化立体仓库目前正被越来越多 的企业所重视。 自动化仓库自从五十年代首次出现以来，由于它所具有的无比优越性，因此 得剑了迅速的推广、应用与发展。现在自动化立体仓库已经成为现代物资存取技 术与自动化技术相结合的高新技术产物，是物流自动化的显著标志之一，是现代 化大生产的必然产物。自动化技术和计算机技术的迅速发展为仓库的自动化提供 了可能和有利的条件。目前，美国、同本、德国和英国是世界上拥有自动化仓库 最多的国家。我国自动化仓库起步较晚，于七十年代后期丌始建市自动化仓库， 但在当时的发展却相当缓慢。自八十年代我困进行改革夕f ：放过渡为巾- 场经济以来， 国民经济迅速增长，科学技术也取得了突l i 猛进的发展。与工业增长相应的自动 化仓库的应用也取得了长足的发展，但在数量和技术上同发达凼家相比仍然有较 大的差距。因此大力发展我国的自动化仓库是提高企业生产能力，发展国民经济 的一个重要方面。为满足现代生产与物流的需要，就必须采用以计算机控制技术 为主要手段组成的自动化立体仓库。自动化立体仓库制造业在国外已经发展成为 一1 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 一个新兴的高科技产业，取得了可观的经济效益。而我国对该课题的研究起步较 晚，尤其缺少对物流信息论、输送系统控制和优化调度的系统性理论研究，使目 前的自动化仓库不能实现物流信息化、最优化作业，大大降低了操作效率，产生 高投入、低运行速度和低效率的状念。 1 2 研究目的及意义 从当l j i 自动化立体仓库的技术结构来看，人们已经越来越关注自动化仓库硬 设备技术和自动控制及通讯技术的完善，而自动化仓库的优化管理、调度和作业 优化尚未引起人们的高度重视，是一个未完全成熟的方面，因而未能使自动化立 体仓库的作用得到充分发挥【3 训。 随着计算机信息技术的发展，现代企业生产规模的不断扩大和竞争的日益加 剧，市场对企业物流系统提出了新的要求，自动化立体仓库越来越受到关注并得 到广泛应用。特别是近些年，自动化仓库技术进步非常显著，无论在生产、流通、 交通运输和物流企业都谋求在更广泛的范围内，各方配合、共同协作，以达到整 体的物流合理化。自动化立体仓库中，立体货架和巷道式堆垛机是重要组成部分， 而堆垛机是立体仓库中关键的起重、搬运设备，物资出入库的效率取决于堆垛机 的工作效率，除堆垛机本身的性能参数外，堆垛机的调度是影响其工作效率的主 要因素，因此研究堆垛机的作业调度问题，对提高立体仓库的工作效率具有非常 重要的实际意义而且具有很高的理论价值【5 】。 1 3 国内外发展现状 1 3 1 立体仓库发展现状 自动化立体仓库最早出现在美国，到现在大致经历了四代发展，并逐渐向第 五代过渡。第一代自动化仓库产乍于2 0 世纪6 0 年代，被称为机械式立体仓库， 主要通过电器按钮来控制机械设备的出入库作业，后来逐步增添了p l c 、自动导 引小车、条形码阅读器等设备。第二代自动化仓库实现了控制自动化。第三代自 动化仓库则侧重系统模块化和物流结构层次化，形成了由管理级、监控级、下位 控制级组成的三级控制结构，并实现了网络化管理。在2 0 世纪9 0 年代，出现了 第四代智能型自动化仓库。第【i 代仓库能自动完成货物出入库的整个流程，能根 据生产计划制定所需材料和劳动力，提出外购建议，逐步采用了部分人工智能算 法。时至今r ，随着信息技术的高速发展，以全自动化、智能化、集成化、信息 化为主要特点的第五代立体仓库币住逐步推广使用。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 据不完全统计，美国拥有各种类型的自动化仓库2 0 0 0 0 多座，日本拥有3 8 0 0 0 多座，德国拥有l o o o o 多座，英国有4 0 0 0 多座【乱8 1 。目前比较有代表性的仓库应用 单位有s i k o r s k ys t r a t f o r dc o r u l 飞机制造厂、f = i 本m u r a t e c 公司、美国西蒙福兰 塞大学图书馆、美国h a l l m a r k 公司等。 我国自上世纪7 0 年代开始进行立体仓库的相关研发工作，8 0 年代及以前投入 使用的立体仓库在运行效率、自动化程度和智能化水平等多个方面与发达国家相 比有很大的差距。进入9 0 年代后，自动化立体仓库的研制进入了高速发展阶段， 部分国内厂家从给国外代理产品开始，逐步消化吸收发达国家的成熟技术，走上 了自主研发的道路。从事立体仓库设计和生产的科研院所和企业单位己从几家扩 展到了几十家。目前我国已拥有数百座自动化立体仓库，多数是中小型仓库。大 型自动化仓库对技术性能和可靠性要求高，工艺性强，设计制造难度大，大多由 国外进口。 随着经济全球化的发展和电子商务的发展，仓储物流的市场需求还会进一步 扩大，而国内立体仓库成套设备的自动化程度和运行效率与发达国家仍有不小的 差距。为了保障后勤物资的供应及时，对突发事件快速响应，必须建没一批高水 平的立体仓库，同时对现有仓库和待建仓库进行合理优化调度，提高其存储效率、 自动化程度、信息化程度和智能化程度。 1 3 2 优化调度发展现状 国外自7 0 年代开始研究自动化立体仓库的优化调度，内容涉及堆垛机和旋转 货架的路径规划、存储方式等多个方面。进入8 0 年代后，许多国际杂志刊登了大 量有关立体仓库技术的文章。从计算机集成制造系统的角度出发，介绍了自动化 立体仓库的规模设计和货位存储方式等多个方面。 目前我国对物流系统的优化j 三要体现在宏观方面，对于立体仓库内部机制的 优化调度已有部分文献，如文献1 】对堆垛机和旋转货架的优化主要体现在对旅行 商问题( t s p t r a v e l i n gs a l e s m a np r o b l e m ) 的理沦分析，对系统的总体调度、p e m 网建模，以及仓库的整体管理。困内的研究机构对立体仓库的研究各有侧重点， 如东北大学机械工程与自动化学院侧重仓库监控系统的研究及其优化调度，甘肃 工业大学机电学院侧重自动化的调度研究，山东大学控制科学与工程学院则主要 从事堆垛机、输送车和旋转货架的优化调度。 虽然人们从不同角度出发对立体仓库的优化调度进行了研究并取得了一定的 进展，但仍未寻找到具有普遍意义的高效通用算法，在工程实际应用中更是遇到 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 了极大的困难。其中的原因既有研究方法本身的问题，还有仓库优化调度本身复 杂性的影响。由于仓库优化调度数学模型的建立已经忽略了多个动态参数，优化 调度的多个方面都是非多项式时间可解的难题( n p _ h a r dp r o b l e m ) 【12 1 ，而n p - h a r d 问题的最优化求解过程又需要耗费大量的计算时间，因此，现有的许多方法往往 更具有理论意义【1 3 】。 1 4 本课题主要研究内容 本课题主要以密集型自动化立体仓库系统为研究对象，主要研究内容归纳为 密集型自动化立体仓库整体设计；堆垛机控制系统的p l c 程序设计；现场触摸屏 系统的程序设计；堆垛机存取货作业路径优化算法的设计；仓库监控系统的软件 开发；仓库管理系统的软件开发。 论文的章节内容如下： 第1 章：绪论。介绍选题的背景、目的和意义，即本文主要研究的问题和主 要工作。 。 第2 章：自动化立体仓库控制系统总体设计。本章主要介绍该立体仓库功能 及总体框图，仓库的组成，堆垛机出入库作业基本流程。 第3 章：自动化立体仓库作业优化设计。本章主要介绍立体仓库货位存储、 分配策略，t s p 问题分析及求解方法，基于递归算法实现仓库作业优化设计。 第4 章：堆垛机控制系统p l c 程序设计。本章主要介绍堆垛机控制单元的设 计。，主要包括：堆垛机的工艺过程分析、堆垛机控制方案设计、p l c 的选型及输 入输出端口分配、p l c 程序没计、触摸屏的设计。 第5 章：密集型立体仓库管理系统和监控系统的软件设计。本章着重介绍仓 库管理系统和监控系统的软件设计。 第6 章：总结与展望。 4 东北大学硕士学位论文 笫2 章自动化立体仓库控制系统总体设计 第2 章自动化立体仓库控制系统总体设计 2 1 系统功能及控制框图 自动化立体仓库除了具有传统仓库的基本功能外，还具有分拣、理货的功能， 以及在不直接进行人工处理的情况下，自动存储和取出物料的功能【1 4 】。 系统的控制框图如图2 1 所示： ： 白动存敬 ；：1 7 l 动存取： l 一j 一 图2 1 系统框图 f i g 2 1s y s t e mb l o c kd i a g r a m 管理层 监控层 执行层 自动化立体仓库系统从功能构成划分为三个层次：管理层、监控层、执行层。 管理层是自动化立体仓库系统的计算机管理系统，也是自动化立体仓库系统的中 5 一 东北大学硕士学位论文第2 章自动化立体仓库控制系统总体设计 枢，主要功能是负责自动化立体仓库系统的信息流管理和协调系统设备的正常运 行。监控层是自动化立体仓库系统的重要组成部分，也是自动化立体仓库系统的 信息中转机构。执行层由自动化的物流机械组成。物流设备的控制器接收监控层 的指令，控制设备执行各种操作。同时可以把现场信息上传到监控层，以便监控 层根据相应的信息状态来向执行层发送指令，保证系统不会在出错的情况下继续 运行。 ，l 地面控制台属于监控层中的一部分。地面控制台由触摸屏、电气控制系统、 操作台、以及其它电器元件组成。其中触摸屏是地面控制台的操作界面；电气控 制系统是地面控制台的控制部分；操作台和其它电器元件是地面控制台的辅助部 分。 由图2 1 可知，管理计算机通过条码扫描器获得货位信息数据，并把数据保存 到s q l 数据库里，此时，管理机可以对货位信息进行查询、修改、删除和打印等 操作来管理数据信息。管理机还可以调用c + + 编写优化的算法，并将优化结果( 最 优路径) 保存到e x c e l 文件或通过串口，以h o s t l i n k 协议将数据直接发送给 堆垛机p l c 的数据区进行执行。监控机可以完成实时监控堆垛机运行状况、修改 堆垛机参数、报警、生成报表等功能。监控机还可以与服务器交换信息，可以共 享优化结果的e x c e l 文件，通过i f 软件d d e 驱动与e x c e l 文件进行数据交 换或下达优化指令给堆垛机系统。手动操作台( 触摸屏) 可以在堆垛机系统出现 故障后进行手动调式，也可以完成单个货物的自动存取操作。此外，手动操作台 和监控软件上的货位选择都设置相应的键盘保护功能，即在堆垛机执行任务中， 货位选择键处于锁住状念，不可以对其操作。 监控机与p l c 的联机脱机申请由监控机与控制系统协商。监控机可申请与 p l c 的联机请求，如果收到p l c 应答电报，则该请求成功，反之，则不成功。p l c 一 也可申清与监控机的联机请求，如果收到监控机应答电报，则该清求成功，反之， 则不成功。 2 2 立体仓库的组成 2 2 1 货架 东北大学硕士学位论文第2 章自动化立体仓库控制系统总体设计 立体仓库的货架主要由4 排可以x 轴方向移动的货架组成，货架如图2 2 z 茎 图2 2 移动货架立体图 f i g 2 2n 玳e d i m e n s i o n a lm a po fm o b i l es h e l f 和图2 3 所示。每排货架分为4 列、4 层。立体仓库的货格总数为6 4 个，单元货 格的尺寸为4 5 0 m m 木3 1 0 m m 木6 0 0 m m 。共有4 个巷道。他们共用一个可3 自由度移 动的堆垛机，该堆垛机工作需要结合移动货架来共同完成。无操作时，货架密集 排列在一起；当有操作时，货架会根据接受到的指令在指定的货架前移动出一个 供堆垛机操作的巷道，以自动完成存取货任务。 货架 蚓2 3 移动货架平面图 f i g 2 3p l a no fm o b i l es h e l f 力轮 移动式货架的特点：它仅仅需要设置一条通道来让堆垛机或叉车对货物进行 存取工作，可以在提高搬运频率的同时也可达到提高库存能力、优化物流和采用 计算机支持盛货的目的。但工作效率受货架移动速度的影响，因此适用于出入库 频率较低的仓库。 东北大学硕士学位论文第2 章自动化立体仓库控制系统总体设计 2 2 2 堆垛机系统 堆垛机是自动化立体仓库中的主要设备，所有货物的入库、出库等作业都必 须通过堆垛机完成，其控制系统的性能对于自动化立体仓库系统起着重要的作用， 堆垛机控制系统综合了p l c 技术、调速技术、光电检测、条码技术及计算机技术 等多学科知识，由堆垛机运行机构结构特点及工作要求可知，能否保证堆垛机的 稳定工作关键在于堆垛机在x 轴、y 轴及z 轴方向上位置定位的精确性、快速性 和稳定性。结合本系统的实际结构和特点，本文采用p l c 完成自动化立体仓库堆 垛机控制系统的设计与调试。 p l c ( p m 伊锄m a b l e1 0 9 i cc o m r 0 1 1 e r ) ，即可编程逻辑控制器，是以微处理器为 基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业 控制装置。它具有可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单等 优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中【”】。据统计，可编程控制器是工 业自动化装置中应用最多的一种设备。目前，各厂家生产制造的立体库基本上都 采用p l c 作为堆垛机控制系统的核心控制单元，只是采用的品牌、型号有所差异。 本文选用欧姆龙公司的c p l hp l c 作为堆垛机控制系统的核心控制单元。 2 2 3 天车 天车是安装在移动货架上方横梁上的运动装置，可在水平x 方向和y 方向来 回运动，将堆垛机( 载货台上的货物) 运送到水平面上任意位置。天车的二维运 动通过可编程控制器( p l c ) 进行调度。需要注意的是，天车在水平x 方向和y 方向的运动不能同时进行，只能逐个进行，其运行区间如图2 4 所示： 图2 4 大车运行问例 f 培2 4c r a n eo p e r a t i o ni n t e r v a lm 叩 天车应该先完成x 方向的移动，到达指定地点。在进行y 方向的运动之前， 东北大学硕士学位论文 第2 章自动化立体仓库控制系统总体设计 移动货架应该已经做好相应准备( 即腾出一条工作巷道，让堆垛机进入) 。 2 2 4 条形码系统 + 该系统在物件运送的辊道上安装条码扫描器，当物件通过时自动识别物件上 的条码标记，从而判断应采取的动作。系统根据读到的条码信息，按事先的约定 进行处理，包括物件要存放的位置、是否放行、非正常情况的报警等、并和p l c 、 上位计算机进行数据交换。该系统共采用3 套固定式激光条形码阅读器 ( m e t r o l o 西ci s l 6 5 0 条码扫描器) ，一台h n e n n e cp f 8 ( 2 0 3 d p i ) 条码打印机。 m e t r o l o g i ci sl6 5 0 条码扫描器具有以下优点：采用f i r s t f l a s h t m 先进技术，扫 描高效，一次读取通过率高；全向扫描模式，解读所有标准一维条码和二维条码 ( 包括r s s ，p d f 4 1 7 ，d a t a m a 砸x ，m a x i c o d e ，q r 和各类邮政码) ；条码选读功 能，最多可一次扫描7 个条码并可按所需顺序排列输出；i r 红外感应，固定式扫 描自动探测功能；体积小巧，安装方便，适用于狭小空间的扫描；扫描范围：4 9 m m 宽1 9 珈m 高2 0 m m ；r s 2 3 2 串口接口，使通讯更加方便。条形码通过l a b e l s h o p s t a r t6 1 2 软件进行编辑，编辑界面如图2 5 所示。 图2 5 条形码编辑界面 f i g 2 5 e d i ti n t e r f a c eo f b a rc o d e 东北大学硕士学位论文第2 章自动化立体仓库控制系统总体设计 雾 鍪鞴鬻磁 互；誓蕊蟛 幽2 6p f 8 ( 2 0 3 d p i ) 条6 马手j e | j 1 j j l f i g 2 6p f 8( 2 0 3 d p i ) b a r c o d ep r i n t e r 图中条码号为0 1 1 1 ，代表货架1 、第一层、第一列的货位。 2 2 5 调速系统 该系统的堆垛机用于行走和货叉伸缩的电机是伺服电机，使用松下a 4 伺服驱 动器，它的变频调速性能很优越，可以使传动装置小型化、简单化，可以使立体 仓库节能和节省空间；可有效的控制速度，从而可以提高停车定位精度。 i 眦卜广叫伺服驱动器h 电机卜一一执行机构 i t 岛再互巽1 i 删习石哥1 1 i 纠2 7 运载装置的、 ，闭环控制原理图 f i g 2 7h a l f c l o s e l o o pt h e o r yc h a r to ft h ec 砒订e r 运载装置的控制方式采用的是半闭环控制方式，这是在实践中发展起来的一 种有效的控制方案。设罱驱动器在位置控制方式下，通过p l c 计算起始位置与目 标位置的相对距离，然后以计算电机需要的脉冲数为基准，与编码器的返回值比 较，达到调速和停准的目的，从而得到的一种比较满意结果的控制方式。图2 7 为 运载装置的半闭环控制原理图。 2 2 6 仓库监控系统 随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工 10 东北大学硕士学位论文 第2 章自动化立体仓库控制系统总体设计 业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应 用，使得传统的工业控制软件己无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控 制软件时，当被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开 发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率 很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人 员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是 相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种 崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户 能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，最终完成自动化控制工程。 该堆垛机监控系统主要通过组态软件实现，译自英文为s c a d a ，即 s u p e 而s i o nc o n 仃o la n dd a t aa q u i s i t i o n ( 数据采集与监视控制) 。i f 组态软件是目 前应用比较广泛的一种s c a d a 软件，因此该系统采用g ef a n u c 智能设备公司的 i f i x 4 5 软件编程实现的。主要实现以下功能：流程图功能、实时趋势监控及参数 操作功能、报警管理功能、历史趋势操作、报表功能。监控系统具体功能描述将 在本文第5 章详细介绍。 2 2 7 仓库管理系统 自动化立体仓库管理系统是用来管理仓库内部的人员、库存、出入库任务、 订单和设备的应用软件系统，对上可以与企业的e r p 即e n t e 印r i s er e s o u r c e p l a l l i l i 职( 企业资源计划) 系统连接，接受订单等原始数据；对下可以与监控系统 连接，把出入库任务下达给监控系统进行执行。使用仓库管理系统能改变传统上 的固定货位，实现全库优化存储，从而最大限度提高仓库利用率；能自动选择最 优的出入库货位，优化作j l k 路径，提高仓库运行效率；能为仓库作业全过程提供 自动化和令面的记录，提高发货的质量和正确性；能为仓库的所有活动、资源和 库存水平提供及时的j 下确信息。所有这些都表明对自动化仓库管理系统进行研究 具有很实际的意义。 本系统利用计算机强大的数据处理能力，通过计算机软件实现对门常仓库作 业的信息管理，可以更加准确、实时、可靠。而且可以快速的进行数据统汁分析， 对于仓库管理工作的改进和效率提高有很大的帮助。 仓库计算机信息管理系统主要包括：入库记录管理、出库记录管理、货位查 询管理，优化算法调用、与监控系统和p l c 通讯管理，任务表和打印等。该管理 系统主要通过s u a lc + + 6 o 和s q ls e r v e r 2 0 0 0 软件实现，管理系统具体功能描述 东北大学硕士学位论文第2 章自动化立体仓库控制系统总体设计 将在本文第5 章详细介绍。 2 3 堆垛机出入库作业流程 仓库的规定功能是保证货物的正常入库和出库，并应保证一定的可靠度，满 足预定的生产率，通过堆垛机设备完成的自动入库和出库，并为企业管理提供必 要的信息。 2 3 1 入库作业流程 首先，在入库申请中提出对产品或物料品种、型号、数量以及供货时限的要 求。接到申请后，系统通过管理机查询库存情况，如果入库货物数量小于空闲的 库位数量，系统将根据入库策略生成入库作业单，并将其发送至监控机，同时生 成条码和贴条码，否则，将给入库报警提示。 其次，货物经过入库条形码阅读器时，托盘号被扫描下来，并被传送给管理 计算机，货物放到空托盘上，然后送到立体仓库的堆垛机，开始进行入库作业。 计算机根据入库作业单调度堆垛机发出指令，当货物被运送至入库台，计算机控 制条码系统对货物进行扫描，判断扫描的货物和任务是否相符，如相符则执行入 库分拣，如不符，则给出报警信号。 入库是由堆垛机将货物送到指定货位处，人工在上位机填写入库任务单，填 写的入库任务单将货物信息传送给计算机监控系统程序，监控系统程序则根据均 匀分布、出库就近等原则进行入库地址分配，然后调用路径优化算法( 将在第4 章具体介绍) ，把求解后的最优路径发给堆垛机控制系统，堆垛机会自动寻址，将 货物按最优路径一一送到指定的货格。当堆垛机完成入库任务单上的任务后会自 动返回到初始位置，并把作业完成信息反馈给监控机系统和管理机系统进行入库 管理。 最后，在管理机出现故障时，可以通过现场手动操作台( 触摸屏) 人工操作 堆垛机进行入库操作，也可以在监控机系统中输入指定的货位来进行半自动化入 库操作。 入库作业流程如图2 7 所示。 1 2 东北大学硕士学位论文第2 章自动化立体仓库控制系统总体设计 图2 7 入库作业流程图 f i g 2 70 p e r a t i o nn o wc h a r to fs t o r a g e 一1 3 ， 东北大学硕士学位论文 第2 章自动化立体仓库控制系统总体设计 2 3 2 出库作业流程 其流程如图2 8 所示。 图2 8 出库作业流程图 f i g 2 8o p e r a t i o nn o wc h a r to f p i c k u p 仓库操作员在收到生产、客户