二次改造对立体库系统性能的提升

摘要：随着淮南矿业集团产量近几年的大跨步发展，立体库的实际吞吐量已达到甚至超过了原有的设计参数。为保证生产业务顺利进行，需要在原有系统基础上，对其关键技术进行研究，优化控制系统，提升运行速度和效率，以此来达到系统性能提升，从而满足生产需要。本文结合具体案例对立体库系统性能改造提升的要点进行了介绍。

关键词：立体库、技术改造、系统性能

淮南矿业集团现有2座自动化立体仓库，分别建造于2004年和2005年，立项时提供的设计参数距今已有12年的历史，自动化立体仓库在经过7、8年的运行后存在诸多问题，需要对其关键技术进行革新改进。

一、改造项目立项的必要性

1 吞吐量饱和

随着企业大跨步发展，立体库的实际吞吐量已达到甚至超过了原有设计参数。为保证生产业务顺利进行，需要在原有系统的基础上，对其关键技术进行研究，优化控制系统，提升运行速度和效率，以此达到提升仓库吞吐量的目的，从而满足生产需要。具体措施如下：

（1）在控制软件中，添加倒库、多地址设定、路径优化等功能。

（2）通过使用托盘条码识别技术，提升入库效率。系统可实现入库前组盘操作，确认入库时，系统自动分配库位。可以预先组好多个托盘，组盘操作可通过无线手持终端完成。

2 故障报警现象频繁

根据对设备管理台账的统计，发现堆垛机停位不准或摆动幅度过大，导致死机以及货叉运行超时等故障，占所有故障的70%左右。故障发生后，操作人员需要到货台位手动处理，或重新启动设备，从而浪费了大量有效工作时间，增加了操作人员的工作量。

根据分析，现有控制系统在设置上不够成熟，在准确认址（计数）和精确停准定位（误差10mm）这一关键技术问题上稳定性较差，造成上述故障重复频繁发生。

3 现有系统存在安全隐患

原有货物外形检查安全装置有疏忽的地方，具体表现在：

（1）在外形检测框架上，目前只有检测左右两个方位的超限传感器，对前端和后端则没有检测。

（2）同样在载货台上，也是只有检测左右方位的超限传感器，对前端和后端则没有检测。

当托盘上的货物在前后方向超出限制时（造成此现象的原因，一种是码盘未码好；另一种是堆垛机运行当中，由于惯性影响，造成货物前后窜动），系统探测不到，货叉继续向货架存放货物，会剐蹭货架或旁边托盘的货物，造成货架立柱损坏或者货物滑落、摔坏，甚至影响人身安全。

为此，先从2座立体库中，选取1座进行试验性改造。在成功经验的基础上，再完成另一座立体库的改造。

二、改造项目研究的可行性

在控制系统设计中，采用两种控制方式：手动控制和自动控制。为了满足整个仓库控制系统的安装调试、维修及其他要求，手动控制方式是必不可少的。在自动控制方式下堆垛机的工作过程如下：

1 入库

堆垛机从控制器内部状态得到入库命令或接收到由控制面板发来的入库控制信号，并有“开车”命令后自动回到巷道口原始位置（X0，Y0），向入库台方向控测有货后伸叉，货叉到位后微提升，把货抬起取到叉上，收叉至中位，启动堆垛机到目的地址（X列，Y层）。这一目的地址已在地址设定程序中取到，并已建立在控制状态及地址表中。到达目的地后，载货台要停在上浮位，货位探测器探到货架中无货，则向该目标货架伸叉，把货送进货架，再微下降至下浮位，置货物于货架中，然后收叉至中位，完成一个作业周期。若堆垛机将控制状态及地址表中的任务全部执行完后，则发出“待机”信号，可继续接受和执行其他任务。

2 出库

当堆垛机接收到出库命令后，自动去寻找出库货位，到达目的地址，对准下浮位，探测有货则伸叉，货叉到位后微提升至上浮位把货抬起，收叉至中位将货物取到堆垛机上，返回原点，定位于上浮位，探测出库台无货后向出库方向伸叉，微下降把货物搁于出库台，收叉到巾位，完成出库作业。

3 倒库

倒库分两种情况：

（1）在同一巷道内倒库。当堆垛机收到倒库命令且得到第一目标地址（X1，Y1）和第二目标地址（X2，Y2）后，首先去第一目标地址取货，然后自动移动到第二目标地址送货。

（2）在两个巷道间进行倒库。由于立体库为回流式仓库，每个巷道各有一台堆垛机在其间服务。因此当堆垛机接到此命令后。其操作是第一目标地址所在巷道的堆垛机执行出库作业，将货物送往第一目标所在巷道的出库台，货物再由叉车送往第二目标地址所在巷道的入库台，由该巷道堆垛机执行入库操作。

4 改进措施

通过细致分析系统的现状，并根据现在实际需求，本系统应该作如下改进：

（1）手动控制系统亦可引入可编程序控制器，减少了许多中间继电器，使外部联线简化，并提高了整个系统的响应速度和可靠性。

（2）可一次设定多个地址，堆垛机依次执行工作，有条不紊地连续作业，待全部作业完成后发“待机”信号再次请求接受任务。

（3）实现入库、出库、倒库功能，并可在一次命令中混合设定，进行混合作业。

（4）添加运行路径的优化控制功能，以提高作业效率，增强运行的平稳性。

（5）具有水平和垂直方向提前自动减速和极限限位保护功能。

（6）认址与定位过程中，意外情况堆垛机过冲时，可自动校正。低速返回重新对准。

（7）对各货位及货物情况进行探测，避免堆垛机在货架无货时的出库空操作以及有货时入库，货位不正或倒塌带来的事故。

（8）对运行的货位地址具有校验功能，以免堆垛机认址错格。

（9）有对机、电及其他故障的报警及诊断显示功能，并对某些报警可自动进行处理。

（10）通过对起升驱动装置及准停计算运行驱动装置及准停计算，采用合适的电机变频器组合，设定恰当的变频器输出曲线，并配以相应的检查原件，以达到对停准精度的要求。

（11）在检查框架和载货台上，增加货物前后限位传感器，控制货物相对货叉的位置。

自动化立体仓库控制技术，最近几年取得了飞速的发展。上面提到的功能在当前实施的项目中已有广泛应用，在实际中被证明是正确可行的。

三、改造项目的目标及主要任务

1 起升驱动装置及准停计算

为了使起升定位精度达到10mm，而又不影响其工作效率，取一档高速11m/min和一档低速3.5m/min。起升载荷1000kg，载货台机构自重载荷500kg。

在每个工作循环中，起升机构被持续地开动与停止，而每次开动过程中又包括起动（加速），稳定运动（等速）及制动（减速）三个时期，当起动、制动时间过长时，加速度固然很小，但这会影响堆垛机的生产率，对定位精度也有影响；而起动、制动时间过短时加速度太大，会给金属结构和机械部分带来很大的动载何。而对变频器输出曲线的设定，会直接影响加速、等速和减速的效果。因此，需要对起动与制动时间进行验算。

根据现有系统的参数，按满载和空载两种情况计算出制动时间及制动距离，如表1。

提升升降方向上的定位分两个位置：上浮位和下浮位，根据作业方式的不同，定位顺序不同。检测片安装在立柱上，三个检测点安装在载货台上，随载货台升降。由于上升和下降两种运动过程制动距离不同，因此这两种过程在同一位置定位时必然产生定位误差。若取两检测点距离为100mm，检测片长为120mm，当不考虑其他因素时，定位误差δ

因此，需要通过现场对堆垛机的测试，来完成变频器的选型和变频器输出曲线的设定，从而达到对停准精度的要求。

2 运行驱动装置及准停计算

（1）运行驱动装置计算

根据已知参数运行部分的自重载荷25000kg和起升载荷500kg以及车轮轴径0.07m、车轮踏面直径0.25m，堆垛机满载运行时的最大摩擦阻力F为211kg。由于堆垛机在室内工作，且轨道坡度在1/2000～1/1000之间，小于0.005，故不计风阻力和坡阻力。取运行最大速度为80m/min，可计算出电动机起动时间t起为4.13s，起动平均加速度为0.32m/s2，起动时间合适。

取满载时的最大制动时间为t=4s，则制动力矩M计算得11.6kg·m。

（2）运行停准的分析计算

堆垛机在运行速度方面要求较为特别：

①由于仓库面积大，堆垛机运行距离长，这就要求堆垛机要以较快的速度接受目标取货或送货，并能较快返回。

②由于堆垛机到达目标地址时必须定位准确，这就要求堆垛机在接近目标时以低速行驶，以保证停准。

③由于货物或操作人员在堆垛机上，为不使货物倒塌、保障人身安全，要求堆垛机加速、减速要平稳。

现在的电机变频器组合可以满足以上三条要求，但是需要在现场测试的基础上，重新设置现有变频器的输出曲线。通过设定变频调速器，使运行低速控制在4m/min左右，此时电机转速约为49r/min，电机在满载低速制动时的制动时间为，t制=0.196s，制动平均加速度为：a=0.34（m/s2），堆垛机定位制动距离为：S=0.0061（m）

堆垛机运行驱动为下部驱动，运行检测片安装在下导轨较为合理，可以消除制动引起的立柱挠度的影响，但下导轨机构较多，不便安装，故多数自动立体库运行检测片安装在上导轨上。这就必须考虑挠度对准确定位的影响。堆垛机结构为一悬臂梁，制动时堆垛机立柱顶端挠度为1.7mm。与前而起升定位的分析方法一样，若取前后两检测点距离为100mm，检测片长为120mm，定位精度可以保证，因此取运行低速为4m/min较为合理。

但是制动距离受到许多因素的影响，对于一台给定的堆垛机来讲，除了制动前的运行速度外，主要有下列诸因素影响制动距离：

①载荷情况。由于起升质量的不同，制动距离也不同。

②制动过程中，在轮滚动时有无轮缘（或水平轮）摩擦。

③位置检测元件在反应速度和重复精度上的误差（正反两方向不同）。

④运行轨道在制动点的坡度大小。

⑤检测系统的扫描周期和信息传输时间。为了保证达到

3 自动控制时提高堆垛机工作效率的措施

（1）堆垛机工作速度的合理确定

由堆垛机运行电机起动时间和加速度可以算出起动距离为2.73m，约为3个货格的距离。假如运行距离为5个货格，如果堆垛机运行电机只有两种速度——高速和低速，那么，当堆垛尚未启动到满速时，它已来到离开目的地址3格的地方，也就是按控制要求。运行电机应该开始减速的地方。这样减速的结果必将使低速提早出现，也就是说有更长的距离要用低速运行。因此，为了缩短近距离运行（例如，小于6个货格的距离启动运行）时堆垛机慢速爬行的时间，在高速和低速之间还需加一档中速。如果加一档中速，并要求堆垛机在距目标地址前3格开始降为中速运行，直到到达目的地址前1格时开始减速至低速爬行，这样就可以缩短爬行距离和时间，从而缩短作业周期，提高工作效率。当然，如果堆垛运行距离只有4格或更近，其效益将更为明显。

（2）改变工作过程，提高工作效率

原来的立体库堆垛机在自动控制时，只能一次设定单一任务，任务完成后返回巷道口待命。假设下一命令为出库或倒库，那么堆垛机又将返回巷道内取货，这样前一任务完成后的空载返回就为无用功了。我们在编制自动控制程序时，使之可一次设置多个任务，并且堆垛机在完成前一任务后，不需返回，直接接受下一命令。这样就减少了堆垛机的空程问题，使作业效率得到提高。若需要其返回，按下“返回”键，堆垛机将自动返回巷道口。

通过对立体库系统的技术改造，完全达到了预期的效果，实现了以较小投入达到显著提升系统性能的目标。