（机械电子工程专业论文）自动化立体仓库建模及堆垛机运动控制研究.pdf

j 一 ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a ie i e c t r o n i ce n g i n e e r i n g t h er e s e a r c ho nt h em o d e l f o u n d i n g f o r a s r sa n dm o t i o nc o n t r o lf o rs t a c kc r a n e 、 b yg ey a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs o n gw e i g a n g n o r t h e a s t e m u n i v e r s i t y j a n u a r y 2 0 0 8 ，lrp ， 独创性l 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。 仿j 学位论文作者签名：易厂月 日期： 如9 莎够 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 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 一 上 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 0 1 盖 j 、 一 东北大学硕士学位论文摘要 自动化立体仓库建模及堆垛机运动控制研究 摘要 自动化立体仓库( a u t o m a t e ds t o r a g ea n dr e t r i e v a ls y s t e m ，a s r s ) 是物 流系统的重要组成部分，与传统仓库相比，具有搬运机械化、控制自动化、管 理微机化、信息网络化等优势。伴随着经济的发展和物流行业的兴起，自动化 立体仓库的应用将更加广泛，经济效益将日益显著。为了满足工业生产和经济 发展的需求，缩短在该领域我国与先进国家的差距，并结合国内的实际需要， 提出一些提高立体仓库作业效率的方案、方法。 建立自动化立体仓库系统模型，在此基础上利用f l e x s i m 系统仿真软件， 对系统模型进行仿真。仿真结果表明，所建立的自动化立体仓库系统模型符合 设计要求。 以高加减速堆垛机的运动控制为主要研究方向。采用双电动机驱动技术， 来实现堆垛机的高加减速，同时为保证运动的平稳性，以s 型速度控制曲线取 代传统的梯形速度控制曲线。并在堆垛机运动控制的实现方法上，采用位移和 速度双闭环的控制方案，以实现对堆垛机的调速和定位。为解决双电动机驱动 同步性的问题，采取主从式的同步控制方案，以主电动机的速度作为输入，从 电动机跟踪主电动机的速度值。在控制策略上，采用模糊控制的方法，并通过 m a t l a b s i m u l i n k 仿真，来检验此方法的性能。从仿真结果来看，模糊控制可以 到达控制要求。 利用r s v i e w 3 2 组态软件，开发自动化立体仓库监控系统应用程序，通过 r s l i n k 建立上位机与p l c 的通信，使上位机可以实时采集现场数据。监控系 统软件设有巷道整体监控，堆垛机实时监控，故障报警，库存信息查询及作业 完成报表5 方面功能模块。起到了现场监控的目的。 关键字：a s r s ；仿真模型；双电动机驱动；模糊控制；组态监控 -i； j i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nt h em o d e l f o u n d i n g f o r a s r sa n dm o t i o nc o n t r o lf o rs t a c kc r a n e a bs t r a c t a u t o m a t e ds t o r a g ea n dr e t r i e v a ls y s t e m( a s r s ) i sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n t o ft h el o g i s t i c ss y s t e m c o m p a r e dw i t ht h et r a d “i o n a lw a r e h o u s e ，a s r so w nt h e a d v a n t a g eo fm e c h a n i c a lh a n d l i n ga n da u t o m a t e dc o n t r o l ，c o m p u t e rm a n a g e m e n t ， a n di n f o r m a t i o nn e t w o r k sa n ds oo n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i ca n d l o g i s t i c s ，a s r sw i l lb ea p p l i e dm o r ee x t e n s i v e ；e c o n o m i cb e n e f l t sb e c o m e i n c r e a s i n g l ys i g n i f i c a n t i no r d e rt od e c r e a s et h eg a pw i t ha d v a n c e dc o u n t r i e si n t h i sn e l d ，t h ep a p e rm e n t i o n ss o m em e t h o d st oi m p r o v eo p e r a t i o n a le m c i e n c yo f a s r s t h r o u g hc o n s u l tl i t e r a t u r ea n dp a r t i a lc a s e s ， e s t a b l i s hw a r e h o u s es y s t e m m o d e l i nt h a tc a s e ，u s i n gt h es y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r ef l e x s i m ，s i m u l a t et h e s y s t e mm o d e l f r o mt h er e s u l t ，t h es y s t e mm o d e la d a p tt ot h ed e s i g na c q u i r e m e n t t a k et h em o t i o nc o n t r o lo nh i g ha c c e l e r a t i o ns t a c kc r a n ea st h e p r i m a r y r e s e a r c hp a r t a d o p tt h et w om o t o rd r i v i n gt e c h n o l o g i e st op r o m o t et h ev e l o c i t yo f s t a c kc r a n e i no r d e rt of u l n l lt h es m o o t ho fm o v e m e n t ，t h es c u r v es p e e dc o n t r o l r e p l a c e dt h et r a d i t i o n a lt r a p e z o i d a ls p e e dc o n t r o lc u r v e t h em o t i o nc o n t r o l m e t h o d sf o rs t a c kc r a n ei s u s i n gd o u b l ed i s p l a c e m e n ta n ds p e e dc l o s e d l o o p c o n t r o ls c h e m e ，i no r d e rt oa d j u s tt h es p e e do ft h es t a c kc r a n ea n dp o s i t i o n i n g t os o l v es y n c h r o n o u sp r o b l e mo ft h ed u a l m o t o rd r i v i n g ，t a k em a s t e r s l a v e s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y m a k et h em a i nm o t o r ss p e e da si n p u tf r o mt h e s l a v em o t o rt r a c ko ft h es p e e do ft h em a i nm o t o r u s i n gf h z z yc o n t r o lm e t h o d s ， a n dt h r o u 曲m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h i sm e t h o d f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，f u z z yc o n t r o lc a nb er e a c h e dc o n t r o lr e q u i r e m e n t s u s i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r er s v i e w 3 2 ，d e v e l o pm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h r o u g h t h ee s t a b l i s h m e n to fr s l i n kp ca n dp l cc o m m u n i c a t i o n s ，t h ep cr e a l t i m en e l d d a t ac o l l e c t i o n r o a d w a ym o n i t o r i n gs y s t e mw i t ht h eo v e r a l lm o n i t o r i n g ，s t a c k e r c r a n er e a l - t i m em o n i t o r i n g ，f a u l ta l a r m ，i n v e n t o r ya n do p e r a t i n gi n f o r m a t i o nf o r c o m p l e t es t a t e m e n t sn v ea s p e c t sf u n c t i o n a lm o d u l e s c o m p l e t eas c e n em o n i t o r i n g p u r p o s e s k e y w o r d s ：a s r s ； s i m u l a t i o nm o d e l ；d u a l - m o t o r d r i v e ； f u z z yc o n t r o l ； c o n 行g u r a t i o nm o n i t o r - i i i - 0 ； - 东北大学硕士学位论文 目录 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 自动化立体仓库简介1 1 1 1 自动化立体仓库的概念1 1 1 2 自动化立体仓库的优越性1 1 2 自动化立体仓库的发展状况2 1 2 1 国内外的发展现状2 1 2 2 发展趋势及展望3 1 3 课题的研究内容及方法4 第2 章自动化仓库的系统建模与仿真5 2 1 自动化立体仓库组成5 2 2 自动化立体仓库作业流程6 2 2 1 入库作业流程6 2 2 2 出库作业流程7 2 2 3 盘库作业流程8 2 3 确定参数建立仓库系统模型9 2 4 基于f l e x s i m 的立体仓库系统仿真9 2 4 1f l e x s i m 软件介绍9 2 4 2 仿真的目的1 0 - 。 东北大学硕士学位论文 目录 2 4 3f l e x s i m 的仿真步骤1 l 2 4 4 仿真模型的建立与分析1 l 第3 章堆垛机运动控制系统的设计16 3 1 堆垛机的运动特点1 6 3 2 堆垛机的运动控制要求17 3 3 实现堆垛机高速的两点措施17 3 3 1 双电动机驱动1 7 3 3 2s 型速度控制曲线1 9 3 4 运动控制系统硬件设计2 0 3 4 1 堆垛机的设计参数2 0 3 4 2 电动机的选取及功率计算2 0 3 4 3 控制器和变频器2 1 3 4 4 速度检测装置2 2 3 4 5 测速方法2 4 3 5 堆垛机的运动控制实现方法2 5 第4 章双电动机驱动的同步控制研究2 8 4 1 双电动机驱动同步控制方案2 8 4 2 模糊控制的基本理论2 9 4 2 1 模糊控制理论2 9 4 2 2 模糊控制系统组成2 9 4 2 3 模糊控制器的结构3 l 4 2 4 量化因子和比例因子对控制质量的影响3 2 4 3 控制系统模糊控制器的设计3 3 4 3 1 输入输出变量的定义3 3 v 一 0 l 东北大学硕士学位论文目录 4 3 2 输入输出变量的模糊化3 3 4 3 3 输入输出变量的隶属函数3 4 4 3 4 模糊控制规则3 4 4 3 5 模糊量的判决方法3 5 4 4m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台3 6 4 4 1s i m u l i n k 仿真的优点3 6 4 4 2 模糊逻辑控制工具箱应用3 7 4 5 双电动机驱动系统仿真3 7 4 5 1m a t l a b 环境下的模糊控制器设置3 7 4 5 2 基于模糊控制的仿真4 1 4 5 3 基于p i d 控制的仿真4 2 4 5 4 模糊控制与p i d 控制的比较4 3 第5 章自动化立体仓库监控系统软件开发4 4 5 1 监控系统开发工具4 4 5 1 1 组态软件概述4 4 5 1 2 组态软件r sv i e w 3 2 4 5 5 2 监控系统的组态4 5 5 2 1 监控系统编制原则4 5 5 2 2 监控系统编制步骤4 6 5 2 3p l c 与上位机的通信设置5 1 5 3 监控系统所实现的功能5 3 第6 章结论5 7 参考文献5 8 致谢6 1 v i 0 i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 自动化立体仓库简介 1 1 1 自动化立体仓库的概念 自动化立体仓库又称自动存储检索系统( a u t o m a t e ds t o r a g ea n dr e t r i e v a l s y s t e m ，即a s r s ) 。它是以高层货架为主体，以成套搬运设备为基础，以计算 机控制技术为手段的高效率物流、大容量存储的机电一体化高科技集成系统。 它集机械、电子、计算机、通信、网络、传感器和自动控制等多种技术于一体， 以搬运机械化、控制自动化、管理微机化、信息网络化为特征，成为现代化物 流设计中商品生产与存储的枢纽【1 1 。 1 1 2 自动化立体仓库的优越性 随着世界经济的快速发展和现代科学技术的进步，物流产业作为国民经济 中一个新兴的服务部门，正在全球范围内迅速发展。在国际上，物流产业被认 为是国民经济发展的动脉和基础产业，其发展程度成为衡量一国现代化程度和 综合国力的重要标志之一。从我国目前经济发展来看，随着市场经济的深入， 单纯依赖商流赚取利润的机会愈来愈少。因此，企业逐渐将目光转向素有“第 三利润源 之称的物流。纷纷投资兴建不同类型的流通中心、物流中心或者配 送中心，想以此形成新的经济增长点【3 j 。 自动化立体仓库是物流系统的重要组成部分，是一个复杂的综合自动化系 统。自诞生以来，它就受到了极大的关注。仓储作为物流的主要功能之一，它 将实现货物在时间上的转移，创造时间效益。自动化立体仓库在此方面较传统 仓库有着其无可比拟的优势。 自动化立体仓库的优越性主要表现以下几方面： ( 1 ) 高层货架存储：由于使用高层货架存储货物，存储区可以大幅度地 向高空发展，充分利用仓库地面和空间，因此节省了库存占地面积，提高了空 间利用率。 ( 2 ) 自动化作业：a s r s 使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提 高了劳动生产率，降低、消除了操作人员的劳动强度。同时能方便的纳入企业 的物流系统，使企业物流更趋合理化。 ( 3 ) 计算机控制：计算机能够长时间工作，并能准确无误地对系统各种 信息进行存储和管理，因此，能大大降低货物处理和信息处理过程中的出错。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 同时，借助计算机管理还能有效的利用仓库的存储能力，便于清点和盘库，合 理减少库存，加快储备资金周转，节约流动资金【3 】。 ( 4 ) 信息集成：自动化立体仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统 集成，实现企业信息管理的自动化。同时，由于使用自动化立体仓库，促进了 企业的科学管理，减少浪费，保证均衡生产。另一方面也提高了操作人员素质 和管理人员的水平【4 j 。 1 2 自动化立体仓库的发展状况 1 2 1 国内外的发展现状 高层货架仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产和技术发展的结 果。在生产发展的实际需要和科学技术发展的现实可能情况下，五十年代初开 始出现了自动化立体仓库，并在实践中显示出了其优越性，随即得到迅速的推 广和发展。 1 9 5 0 年，美国首先产生了手动控制的桥式堆垛起重机，这种起重机的大梁 上悬挂一个门架( 立柱) ，利用门架的上下移动和旋转运动来搬运货物，与此同 时也提出了高层货架的新概念，被认为是自动化仓库的雏形。19 6 0 年左右在美 国开始出现了没有大梁的由人工操作的巷道式堆垛机。随着立体仓库的发展， 巷道式堆垛机逐渐代替了桥式堆垛机。19 6 3 年美国的一个食品厂在仓库工作中 采用电子计算机，成为世界上最早的全自动化仓库。此后，从1 9 6 3 年开始，在 欧洲各国，由于用地紧张，开始计划建造2 5 3 0 米的高层自动化仓库。从1 9 6 7 年开始，相继完成了一些计算机管理和计算机控制的全自动化仓库。19 7 0 年安 装了由货架支承式改变为地面支承式的高度达4 0 米的堆垛机，7 0 年代还提出了 采用5 0 米高堆垛机的可能性。进入9 0 年代后，堆垛机在使用范围和性能上有了 很大的发展。 在日本，从l9 6 7 年开始安装了高度为2 5 米的高层堆垛机，19 6 9 年出现了联 机全自动化仓库。此后，日本的自动化仓库技术和设备的台数都有了突飞猛进 的发展，在各个部门都安装了各种各样的堆垛机。特别是1 9 7 3 年建成了一座贮 藏生鲜食品的自动化冷藏库。这是世界上第一座温度在零下4 0 摄氏度的极低温 仓库，解决了低温条件下堆垛机工作的可靠性和技术方面的问题，取得了引人 注目的成果。日本的自动化仓库技术和自动化仓库的拥有量位居世界前茅。 与发达国家相比，我国在立体仓库领域的相关技术发展并不算晚，19 6 3 年， 北京起重运输机械研究所研制了我国第一台桥式堆垛起重机，19 7 3 年开始研制 由计算机控制的自动化立体仓库，于1 9 8 0 年投入使用。到现在我国已有多家单 位研制和生产自动化立体仓库。如西安迪普物流机械有限公司生产的托盘式立 - 2 - t 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 体仓库、料箱式立体仓库、水平回转立体仓库、垂直回转立体仓库、重力自动 立体仓库。还有太原双塔刚玉股份有限公司、西安斯达机电有限责任公司、上 海精星仓储设备工程有限公司等多家公司。 虽然我国自动化仓库技术已有较快发展，但是与国外发达国家相比，无论 是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距。这些差距主要表现在： ( 1 ) 发展速度慢。目前我们国家自动化仓库的数量和生产能力还不能满 足今后我国经济发展的需求。 ( 2 ) 仓库型式和设备的品种、规格较少，还不能满足各方面的需求。 ( 3 ) 应用先进控制技术和驱动技术的还不多。例如，国内堆垛机大多采 用两速、三速电动机拖动，水平速度6 0 8 0 m m i n ，垂直运行速度1 6 6 0 m m i n ， 货叉速度4 10 m m i n ，速度不高，工作效率不高，经济效益也不好。 ( 4 ) 研究开发和创新能力还不强。 1 2 2 发展趋势及展望 由于自动化立体仓库的在当今物流和制造业中的广泛应用，计算机技术和 网络技术的推波助澜，使得立体仓库的发展十分迅速，其发展趋势主要有： ( 1 ) 仓储作业管理自动化水平逐步提高：随着生产的进一步发展，对物 流的要求将更加严格。具体说来，就是在要求的时间内，在准确的地点，按准 确的顺序与方法，提供准确的品种和数量的物品。 ( 2 ) 智能技术将会获得应用：人工智能技术的发展，推动了自动化技术 向其高级阶段一一智能化方向发展，已经在仓库的设计、搬运系统的控制和储 运设备的选用等方面应用了专家系统。如在自动导向小车和智能吊车中用专家 系统来确定行走路线和运行方案：在物料存取过程中，用专家系统指挥机器人 进行出、入库的操作；在仓库的建筑过程中，用专家系统确定最佳参数以及如 何缩短时间等。这些研究成果将会应用于自动化仓库的兴建和管理，从而使自 动化仓库进入智能化阶段。 ( 3 ) 仓库作业向柔性化发展：多品种小批量的生产将是今后的发展方向， 物流系统如何适应这种生产方式，将会是今后研究的一个重要课题。随着柔性 化的普及，自动化仓库的储运作业也将向柔性化发展。国外己经开始出现一批 可拆卸的或移动式的仓库结构。它采用组合式结构，可根据运输方式和货物的 品种批量进行拼装组建。其造价低、可靠性好、维修保养简单、施工进度快。 与此同时，仓储设备也开始向柔性化发展。各种模块式结构的机器人，自动装 卸车以及货架都相继出现。带可拆卸抓手的机器人已在自动化仓库中应用。它 可根据送来货物的不同更换机器人的抓手，由编好的程序控制它要抓取的货 物。仓储作业向柔性化发展，不仅能适应生产的需要，而且能提高物料的周转 - 3 - 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 率、减少库存。 1 3 课题的研究内容及方法 ( 1 ) 自动化立体仓库的系统建模及仿真：自动化立体仓库是一个复杂的 综合自动化系统。由于仓库类型的多样化、产品结构的差异化、设备参数更新 的高速化，所以我们首先要建立立体仓库的系统模型，以便将研究的问题限定 在一个范围之内，使得课题的开展能够有的放矢。通过查阅文献及部分案例， 来建立合理的立体仓库体统模型。在此基础上通过f l e x s i m 系统仿真软件，对 所建的系统模型进行仿真，以检验所建立的系统模型是否符合设计要求，对所 建模型的合理性进行评估。 ( 2 ) 高加减速堆垛机的运动控制技术研究：堆垛机是自动化立体仓库中 最重要的作业机械，是决定着整个系统出入库作业是否能流畅运行的关键设 备。一个自动化仓库技术水平的高低，往往通过堆垛机的性能来体现。目前， 国内的堆垛机的最大运行速度，一般为1 2 0 1 6 0 m m i n ，加速度为0 5 m s 2 ，与国 外相比有很大距离。因此本课题以高加减速堆垛机的运动控制作为研究的主要 方向，具有现实意义。在堆垛机的运动控制系统设计上，本课题应用了双电动 机驱动技术，来实现堆垛机的高加减速，为保证运动的平稳性，以s 型速度控 制曲线取代传统的梯形速度控制曲线。在堆垛机运动控制的实现方法上，采用 了位移和速度双闭环的控制方案，将预先设定好的s 型速度控制曲线下载到变 频器中，p l c 根据测距和测速传感器反馈的数值，调用s 曲线的加速模块和减 速模块，以实现对堆垛机的调速和定位。 ( 3 ) 双电动机驱动的同步控制研究：由于堆垛机采用了双电动机驱动的 方式，一方面，它提高堆垛机的速度和加速度，但是，另一方面，它带来的双 电动机驱动同步性的问题。为解决此问题，本课题采取了主从式的同步控制方 案，即选取两电动机中的一个为主电动机，一个为从电动机，以主电动机的速 度作为输入，从电动机跟踪主电动机的速度值，为了达到控制的精度的要求， 采用模糊控制的方法，并通过m a t l a b s i m u l i n k 仿真，来检验此方法的性能。 ( 4 ) 自动化立体仓库监控系统软件开发：利用r s v i e w 3 2 组态软件，开 发自动化立体仓库监控系统应用程序，通过r s l i n k 建立上位机与p l c 的通信， 使上位机可以实时采集现场数据，在线监控设备的作业情况。例如当堆垛机出 现重入库、空出库或认址错位等故障时，操作人员中断堆垛机作业过程。此外， 利用r s v i e w 3 2 中内嵌的v b a 功能，开发监控系统软件的库存信息查询模块， 由此，管理人员掌握货物的出入库时间，所在库位，以及货架的占用信息等， 是仓储作业有序进行。 4 东北大学硕士学位论文 第2 章自动化仓库的系统建模与仿真 第2 章自动化立体仓库的系统建模与仿真 2 1 自动化立体仓库组成 自动化立体仓库系统，是在不直接进行人工处理的情况下能自动存储和取 出物料的系统。而且它是基于现代信息技术、控制技术及计算机通信技术等而 发展起来的综合应用系统，是现代物流观念与现代计算机及自动控制技术相结 合的产物。 自动化立体仓库系统主要由高层立体货架、托盘与货箱、出入库输送机、 巷道式堆垛机等硬件设备，以及计算机管理系统、实时监控系统组成，其系统 组成框图，如图2 1 所示。 自动化立体仓库系统 高 层 立 体 货 架渊陲 其 他 作 业 辍 管 理 监 控 系 统 图2 1 自动化立体仓库系统组成框图 f i g 2 1c o m p o s i t i o nb l o c kd i a g r a mo ft h et h r e e d i m e n s i o n a lw a r e h o u s es y s t e m ( 1 ) 高层立体货架：高层立体货架( 简称货架) 形式有多种，货架材料 一般用钢材或钢筋混凝土制作。钢货架的优点是构件尺寸小、仓库空间利用率 高、制作方便、安装建设周期短。而且随着高度的增加，钢货架比钢筋混凝土 货架的优越性更明显。因此，目前国内外大多数立体仓库都采用钢货架。钢筋 混凝土货架的突出优点是防火性能好，抗腐蚀能力强，维护保养简单。 ( 2 ) 托盘或货箱：托盘是用于集装、堆放、搬运和运输的放置作为单元 负荷的货物和制品的水平平台装置。其基本功能是装载货物，同时还应该便于 叉车和堆垛机的叉取和存放。托盘是由两层面板中间夹以纵梁( 或柱脚) 或单层 面板下设纵梁( 垫板或柱脚) 组成的一种平面结构。为了提高出入库效率和仓库 的利用率，实现存储自动化作业，通常采用货物连带托盘的存储方法，托盘成 为一种存储工具。 托盘规格尺寸实行标准化，国际标准化组织于1 9 8 1 年i s o t c 51 第八次会 议在通过的3 5 4 号文件中建议采用下列择优尺寸：8 0 0 12 0 0 m m ： - 5 - 东北大学硕士学位论文 笫2 章自动化仓库的系统建模与仿真 1 0 0 u 1 2 u u m m 。 19 9 6 年我国颁布国家标准g b t 2 9 3 4 19 9 6 ，将托盘标准尺寸定为： 8 0 0 1 2 0 0 m m 、10 0 0 12 0 0 m m 、11 4 0 1 1 4 0 m m 、1 2 1 9 1 0 16 m m4 种，载重量 l t 【7 1 。 ( 3 ) 出入库输送机：出入库输送机是当货物入库时将货物输送到入库口， 或出库时将货物送至出库口的输送机械。最常用的是辊式输送机和链式输送 机，且往往是两种形式并用。一套输送系统由若干段辊式( 或链式) 输送机组合 而成。 ( 4 ) 巷道式堆垛起重机：巷道式堆垛起重机( 简称堆垛机) 是立体仓库 中最重要的运输设备。堆垛机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重 机。的主要用途是：在立体仓库的货架巷道间来回穿梭运行，将位于巷道口的 货物存入货格，或者相反，取出货格内的货物运送到巷道口。整机结构高而窄， 由起升机构、运行机构、货叉、伸缩机构、机架以及电气部分等组成。额定载 重量一般为几十千克到几吨，其中o 5 t 的使用最多。堆垛机的类型可按其支承 方式、结构形式和作业方式等进行分类。按支承方式可分为：悬挂式堆垛机、 地面支承式堆垛机；按结构形式分类：单立柱堆垛机和双立柱堆垛机：按作业 方式可以分为：单元式堆垛机、拣选式堆垛机和拣选单元混合式堆垛机。 ( 5 ) 其他作业机械：在自动化立体仓库的货物流通中，还有一些辅助搬 运机械。例如叉车、手推车和a g v ( a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l e ) 自动导引小 车。其中自动化程度较低的立体仓库使用叉车和手推车较多，a g v 是近几年 发展迅速，自动化程度较高，并且受到很多关注。 ( 6 ) 管理监控系统：管理监控系统实现的功能主要有以下几项：根据具 体仓库中出入库的实际情况对在库材料物品进行管理；依据用户所选择的具体 存储策略对仓库中的货位进行分配；根据仓库中设备的具体布置情况及当前状 态对各个出入库任务进行调度；对系统中的各种运作设备的状态进行实时监 视；对物流实施过程中的各种设备或装置进行实时控制；与上位企业网管理系 统进行通信，共享仓库基本数据；与下位执行设备进行通信，控制设备的运行 也占 予o 2 2 自动化立体仓库作业流程 自动化立体仓库的作业方式包括：单入库，单出库，出入库复合，拣选出 库，盘库作业等。下文将对他们各自的作业流程进行说明。 2 2 1 入库作业流程 入库作业流程，如图2 2 所示，通过叉车、a g v 、手推车或人工等作业， 6 东北大学硕士学位论文 第2 章自动化仓库的系统建模与仿真 将货物放置在入库台上，工作人员检测货物合格后，通过信息采集系统录入货 物入库信息，并将信息同步传递到上位管理计算机，上位机将货物信息传送给 计算机监控系统，监控系统程序则根据均匀分布、出库就近以及高号数巷道优 先等原则进行入库地址的分配，然后把分配好的地址信息及“存货命令下 发给相应的堆垛机p l c ，在货物尚未到达巷道入口的时候，堆垛机处于待命状 态。与此同时，在入库台上的货物由输送机传送到指定位置( 即码垛机器人工 作位置) 停止，此时码垛机器人开始工作，将货物码放到托盘上，码放完毕， 载满货物的托盘由输送带传送到输送机环线，当托盘运至指定位置时，输送系 统按照监控系统下达的指令将其送入指定的巷道入口，此时，堆垛机接受监控 系统入库作业命令开始工作，按照监控系统分配的货位地址和入库的顺序将载 货托盘送至指定的货格。堆垛机完成入库作业后，向上位机监控系统程序返回 作业完成等信息，并等待接收下一个作业命令。上位机监控系统程序把作业完 成等信息返回给数据库进行入库登帐管理。 图2 2 入库作业流程图 f i g 2 2t h ep r o c e d u r e0 fi n p u to fs t o r a g e 2 2 2 出库作业流程 出库作业流程，如图2 3 所示，首先，操作员根据要求将货物信息输入上位 机的出库单，并自动传送给监控系统程序。监控系统程序根据收到的出库单信 息，进行库存查询，并按先入先出( f i f o ) 、各巷道均匀出库和巷道就近出库等 原则选择出库的货位地址及相应的堆垛机，形成批出库命令，并根据当前入出 库作业的情况，对出库命令及其他作业命令进行作业的优化调度，安排各巷道 7 东北大学硕士学位论文第2 章自动化仓库的系统建模与仿真 的作业次序，把安排好的作业命令( 列、层、左右排等) 逐条发送给相关的堆垛 机p l c 。堆垛机按监控系统程序的出库命令运行到指定的货位，将货物取出并 送到巷道口的出库台上。堆垛机控制器能根据不同的运行距离和高度选择合理 的运行速度，并具有一系列安全保护和故障处理能力。堆垛机完成一个出库作 业后，堆垛机控制器向上位机监控系统程序返回作业完成信息，等待进行下一 次作业。此时，监控系统程序收到堆垛机的作业完成信息后向数据库管理系统 程序返回该货物出库完成信息。数据库管理系统程序对从监控系统程序收到的 完成信息进行货物出库记录，实现了“动态账本 动能。如果堆垛机在作业过 程中发生了故障，则堆垛机紧急停车，并向上位机监控系统程序返回故障及其 类别等信息。上位机监控系统程序进行相应的故障报警和记录处理，根据堆垛 机控制器返回的故障信息，自动停止相应巷道的堆垛机，自动或人工进行故障 排除处理。 图2 3 出库作业流程图 f i g 2 3t h ep r o c e d u r eo fo u t p u to fs t o r a g e 2 2 3 盘库作业流程 盘库主要是对仓库库存物资要进行定期核对，以防止出现人为错误，方式 主要有： 货架盘库，对库内所有货架进行盘库，主要是为核对货位地址与托盘条码 号是否正确，进行货架盘库时，堆垛机将托盘从货架取出读托盘条码，读完后 放回原位。 - 8 - 东北大学硕士学位论文 笫2 章自动化仓库的系统建模与仿真 货物盘库，只对有货货位进行盘库，以核对物资是否正确，堆垛机将有货 托盘取出送至指定位置，由人工对货物进行核对，完成后按“确认完成 ( 或 盘库完成) 按钮，堆垛机将托盘送回原位。 盘库作业流程：堆垛机自动从头至尾依次将所有货的货位上的托盘取出运 行至巷道原点，操作人员清点后按下堆垛机控制柜上的功能键约1 秒钟，堆垛 机会将托盘送回原来的货位，然后继续取出下一货位的托盘。本次盘库如未能 盘完整条巷道，堆垛机会一记忆下最后的位置，以便下次盘库时由此继续。 2 3 确定参数建立仓库系统模型 ( 1 ) 仓库功用：流通性仓库；一种服务性仓库，适用于企业为调节生产厂 与用户之间供需平衡而建立的仓库，特点是，仓库进出货物频繁，吞吐量大。 ( 2 ) 货架结构：单元货位式；这是使用最广、适应性最强的一种仓库形式。 其特点是货架沿仓库的宽度方向分成若干排，每两排货架为一组，其间有一条 巷道，供堆垛机或其他起重机作业。每排货架沿仓库纵深方向分为数列，沿垂 直方向又分若干层，从而形成大量货位，用于储存货物。在大多数情况下，每 个货位存放一个货物单元( 一个托盘或一个货箱) 。 ( 3 ) 货物存取形式：单元存取式；这是一种最常见的结构，要求货物先装 在托盘上或货箱内，作为一个载货单元，装入货架【3 1 。 ( 4 ) 规模尺寸：3 巷道3 6 列1 6 层共计3 4 5 6 个货位，每排货架长三= 4 3 2 m ， 高肛1 4 4 m ，宽d = 1 3 m 。 ( 5 ) 单元货位尺寸长，宽，高分别为1 2 0 0 m m l2 0 0 m m 8 0 0 m m ： ( 6 ) 托盘：g b 1 1 0 0 1 1 0 0 m m ： ( 7 ) 相关设备：巷道堆垛机；出入库输送机，a g v ，货物码放机器人等。 ( 8 ) 出入库方式：同端出入库。 2 4 基于f l e x s i m 的立体仓库系统仿真 2 4 1f l e x s i m 软件介绍 f l e x s i m 是一个强有力的分析工具，可帮助工程师和设计人员在系统设计和 运作中做出智能决策。采用f l e x s i m ，可以建立一个真实系统的3 d 计算机模型， 然后用比在真实系统上更短的时间或者更低的成本来研究系统。 f l e x s i m 是目前市场上应用范围最广泛的一款离散事件仿真软件。f l e x s i m 软件在建模、仿真和业务流程可视化方面都具有明显优势。f l e x s i m 可以通过拖 拉实体对象、建立关联和设置属性值，快速描述业务模型。f l e x s i m 提供灵活的 数据接口，可将仿真结果导入或者导出到e x c e l 等外部数据源中，利用o d b c ( 开放 - 9 - 东北大学硕士学位论文第2 章自动化仓库的系统建模与仿真 式数据库连接) 和d d e c ( 动态数据交换连接) 可以直接输入仿真数据。另外 f l e x s i m 允许在相应的n e t 环境中修改模型代码，增强了f l e x s i m 本身的二次开发 能力【引。 f l e x s i m 软件具有以下三方面优点： ( 1 ) 建模：f l e x s i m 应用深层开发对象，这些对象代表着一定的活动和排 序过程。要想利用模板里的某个对象，只需要用鼠标把该对象从库里拖出来放 在模型视窗即可。每一个对象都有一个坐标( x ，y ，z ) 、速度( x ，y ，z ) ，旋转以及 一个动态行为时间。对象可以创建、删除，而且可以彼此嵌套移动，它们都有 自己的功能或继承来自其他对象的功能。这些对象的参数可以把任何制造业、 物料处理和业务流程的快速、轻易、高效建模的主要特征描述出来。 ( 2 ) 可视化：如果一幅图能够表达上千的文字，那么f l e x s i m 的虚拟现实 动画以及模型浏览窗口就表达了无限的容量。f l e x s i m 把所有最新的虚拟现实博 奕图形整合在个人计算机上。f l e x s i m 中有可以直接导入3 d s ( 3 ds t u d i o ) 等类型 文件的选项，而其他仿真软件中没有这项功能。f l e x s i m 内置了虚拟现实浏览窗 口，可以让用户添加光源、雾以及虚拟现实立体技术。用户定义的 f l y t h r o u 曲s ”可以被定义为艺术模型状态显示出来。a v i 文件可以通过f l e x s i m 的a v i 录制器快速生成。任何模型都能被录制、拷贝到c d ，以及发送到任何人 的实时查看器中。 ( 3 ) 仿真：f l e x s i m 中有一个效率非常高的仿真引擎，该引擎可同时运行 仿真和模型视窗，并可以通过关闭模型视窗来加速仿真的运行速度。同时当仿 真运行时，利用该引擎和f l e x s c r i p t 语言可以改变模型的部分属性。我们可以非 常方便地利用丰富的预定义和自定义的行为指示器，像用处、生产量、研制周 期、费用等来分析每一个情节。而且也很容易将结果导入到别的应用程序像 m i c r o s o f tw o r d 和e x c e l 等，利用o d b c ( 开放式数据库连接) 和d d e c ( 动态数 据交换连接) 可以直接输入仿真数据