1.1、自动化立体仓库国内外的发展现状

随着科学技术和工业生产的飞速发展,现代物流技术领域内出现了一种新型仓储方式——自动化立体仓库(简称为自动化仓库)。自动化立体仓库一般指由高层货架、物料搬运设备、控制和管理设备及公用设施等部分组成的，并用自动化物料搬运设备进行货物出、入库作业的仓库^[1]。

巷道式堆垛机是自动化立体仓库中的核心物流搬运设备，是随着自动化立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，其用途是在自动化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，或者将货架上的货物运送到巷道口。

1.1.1.国外研究及发展现状

第二次世界大战之后，自动化立体仓库开始产生。20世纪50年代初，美国首次出现了高架立体仓库。1963年，美国率先将计算机控制技术融入到高架自动化立体仓库中，并建立了第一座由计算机控制的自动化立体仓库。接着美国和欧洲迅速发展自动化立体仓库技术。20世纪60年代中期，日本开始研究建设自动化立体仓库，并且后来居上，成为世界上目前拥有自动化立体仓库最多的国家之一^[2]。以自动化功能齐全的立体仓库取代传统的普通房式仓库目前己成为世界仓储建设发展的潮流。据不完全统计,美国拥有各种类型的自动化立体仓库20000多座,日本拥有38000多座,德国拥有10000多座,英国有4000多座^[3]。

目前，自动化仓库大致经历了四代的发展,并逐步向第五代过渡,20世纪60年代产生了第一代机械式立体仓库系统,实现了搬运的机械化;到70年代末期,随着可编程控制器PLC等设备在立体仓库中的应用,第二代自动化仓库系统实现了控制自动化;到本世纪80年代末,计算机技术的异军突起及其在自动化仓库系统中的成功应用,产生了第三代集成化立体仓库系统;进入90年代,出现了第四代智能型立体仓库系统,该类仓库系统不仅实现了对出、人库任务和仓库信息的全自动处理,而且还可根据生产计划报表分析、制定出所需材料与劳动力,并智能产生库存量调整建议。此外,随着电子数据交换EDI技术的日臻完善,目前,自动化仓库系统逐步向第五代“3I”仓库系统过渡^[3]。

1.1.2.国内研究及发展现状

上世纪70年代初期，我国开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。1980年，由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成的我国第一座自动化立体仓库在北京汽车制造厂投产。从此以后，立体仓库在我国得到了迅速的发展^[4]。

我国的自动化立体仓库大致经历了以下几个阶段：

1973-1985年，属于起步阶段，这一阶段完成了系统的研制与应用，但由于国家经济发展的限制，应用比较有限。

1986-1998年，属于初步发展阶段，基于PLC控制的第二代立体仓库系统开始建立，总数超过200套，应用领域慢慢扩展到医药、化工、机械、烟草等。

1999-2005年，属于高速发展阶段，以联想电脑公司研发的基于激光测距的自动化物流系统作为第三代技术，立体仓库的建立迅速扩张，市场运用数量总共达到约500套左右。

2006-2010年，属于成熟应用阶段，市场需求量每年平均以90套左右快速增长，到2010年底，市场保有量超过1000座^[2]。

据不完全统计，目前我国已建成的立体仓库有1300座左右，其中全自动的立体仓库有500多座，其中高度在12米以上的大型立体仓库有180座，这些自动化的仓库主要集中在烟草、医药保健品、食品、通讯和信息、家具制造业、机械制造业等传统优势行业。在此基础上我国对仓库的研究也向着智能化的方向发展^[5]。

1.2、研究（设计）的目的

在自动化立体仓库中，堆垛机是最为关键的物流作业设备，是货物运输系统的核心^[6]。目前，我国的自动化仓库数量正在飞速增长，也在向着整体智能化的方向前进，因此，设计一种能够稳定应用，性能优良的堆垛机，是自动化仓库发展过程中的重点问题。本次设计的目的，就是设计一个合理可靠的巷道式堆垛机的自动控制系统，实现堆垛机的自动存取货控制，存取货行进过程变频调速自动控制，以及简单的存取货路径优化。

1.3、研究（设计）的意义

随着科学技术的的发展，以及经济全球化的推进，全球各地的货物流转量也变得越来越大，物流工程也成为了全球科学发展的重点领域，这其中自动仓储装置即自动化仓库也成为了一种发展趋势^[7]。目前世界上自动化仓库已经进入智能化发展阶段，而我国的发展程度与世界相比还有不小的差距，因此设计仓库智能控制系统对我国现阶段发展具有很重要的意义。而在仓库控制系统中，堆垛机控制系统占了很大的比重，可以说它的合理的加减速控制、精确的定位设计以及优良的故障诊断系统是实现堆垛机高效率、高准确度、高度安全性运行的重要因素，对提高自动化立体仓库的整体运行效率有重要的意义^[8]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1、研究（设计）的基本内容

本次设计要求对自动化立体仓库堆垛机控制系统的控制技术进行设计。完成系统的硬件实现和软件设计。重点研究PLC控制，确定设计方案，完成各功能单元的结构设计，参数计算和元件选择。

设计内容如下：

1.设计一个立体仓库堆垛机控制系统；

2.水平移动、垂直移动及伸叉机机构分别由220W 的三相交流异步电动机、200W 的单相交流异步电动机和二相混合式步进电机驱动；

3.上述电机由西门子S7-226型PLC控制，其中水平移动、垂直移动由PLC通过变频器控制，步进电机由步进驱动模块进行自动控制。

4.变频调速系统设计；

5.货叉伸缩控制；

6.PLC控制程序编写与调试；

7.堆垛机运行的速度范围：

水平方向：2m／min-200m／min；

垂直方向：2m／min-80m／min；

货叉： 2m／min-60m／min

2.2、研究的重点、难点

本次设计的重点在于对有轨式巷道堆垛机的整体控制系统的设计以及PLC程序的编写。堆垛机控制系统主要包括位置控制系统，变频调速系统，以及货叉的控制系统，PLC程序主要包含堆垛机的行进控制程序和故障检测程序。

本次设计的难点在于对有轨巷道式堆垛机的高速控制，技术要求中水平方向移动速度最高可达200m／min，从而带来大量振动和噪音，影响运行的平稳性，认址的准确性^[8]。对于位置控制系统来说，精确的位置信息反馈是很关键的，若不准确，则货物不能准确到达目标位置，完成任务；或者定位精度不够，托盘在货架上位置偏斜，易导致托盘滑落的危险^[9]。因此高速运行控制是本次设计中的关键难题。

2.3、研究（设计）拟采用的技术方案及措施

2.3.1、研究（设计）拟采用的技术方案

本次设计中，堆垛机主控制系统硬件主要包含三部分：堆垛机行进系统，变频调速系统，位置控制系统。

主体控制系统部分拟采用西门子S7-200型PLC控制。PLC控制系统是当今自动化仓库及CIMS计算机集成制造系统中应用最广泛的控制系统，其具有通俗易懂，编程方便，可靠性高等特点^[10]。这其中，西门子S7-200系列整体式小型PLC因具有结构紧凑，可靠性高，性价比高，扩展模块丰富而受到广泛应用。故本次设计中拟采用S7-226型PLC，基本I/O数为24/16，输出点数较少，而系统中输出元件较多，因此须加装扩展模块。

变频调速系统拟采用西门子公司MM440型变频器控制行向和列向三项异步电机，采用变频器闭环矢量控制。该变频器在恒定转矩控制方式下功率范围为120~200KW，具有很高的运行可靠性和功能多样性，控制算法为PID控制。

位置控制系统的选取比较复杂，由于堆垛机速度要求较快，常规采用的编码器很难做到精确控制^[11]，如果采用激光测距仪进行位置测定，成本又会太高，综合考虑，拟选择旋转编码器来进行位置控制。

程序设计方面，采用step7-win进行编程及仿真，模拟最终结果。

2.3.2、研究（设计）技术路线图

[1]中国仓储协会仓储设施与技术应用委员会. 自动化立体仓库应用及发展展望[J]. 物流技术与应用.2013(4)：106-108

[2]胡晓惠.基于PLC的液晶行业立体仓库自动控制系统的设计与实现[D].北京：北京工业大学.2016

[3]周奇才．基于现代物流的自动化立体仓库系统（AS/RS）管理及控制技术研究[D]．四川：西南交通大学．2002

[4]陈欣. 基于PLC的自动化立体仓库堆垛机运行及监控系统的研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨理工大学.2009

[5]薛明.浅析自动化立体仓库的应用及发展[J].物流技术.2014(2)：47-49

[6]刘昌棋，董良．自动化立体仓库设计[M]．北京：机械工业出版社，2004

[7]郑洋.探讨自动化立体仓库的发展及堆垛机位置控制系统[J].世界华商经济年鉴(科技财经).2013(1)：43

[8]峁瑞，柴润宁，刘立博等. 自动化立体仓库堆垛机速度优化控制研究[J].现代制造技术与装备.2016(8)：138-139

[9]刘付超，廖理，郭春晖.基于双位置环的立体仓库堆垛机高精度定位[J].计算机测量与控制.2015(11)：3733-3735

[10]高安邦，石磊，张晓辉.西门子S7-200/300/400系列PLC自学手册[M].北京：中国电力出版社，2013.1:4-7

[11]王勇军，周奇才．自动化仓库堆垛机的高速运行控制技术研究[J]．起重运输机械，2003(1)：27-29

[12] 唐广耀. 基于RFID的智能仓储控制系统设计[D]. 宁夏：宁夏大学. 2016

[13] 王雪，蔡安江，应嘉奇. 基于模糊PID的堆垛机控制系统研究[J]. 机械设计与制造.2017(5)：17-20

[14]Bashir Salah，Omar Janeh，Bernd Noche，Tobias Bruckmann ，Saber Darmoul. Design and simulation based validation of the control architectureof a stacker crane based on an innovative wire-driven robot[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 2017(44)：117-128

[15]Hubert Rams, Markus Schouml;berl, and Kurt Schlacher.Optimal Motion Planning and Energy-Based Control of a Single Mast Stacker Crane[J].Optimal Motion Planning and Energy-Based Control of a Single Mast Stacker Crane.IEEE Transactions on Control Systems Technology.2017，PP(99)：1-9

[16] 王涛. 自动化立体仓库堆垛机控制系统的研究[D].山西：中北大学.2015

[17]Hajdu, S (Hajdu, Sandor) ; Gaspar, P (Gaspar, Peter).REDUCING THE MAST VIBRATION OF SINGLE-MAST STACKER CRANES BY GAIN-SCHEDULED CONTROL[J].2016(4)：791-802

1.1、自动化立体仓库国内外的发展现状

随着科学技术和工业生产的飞速发展,现代物流技术领域内出现了一种新型仓储方式——自动化立体仓库(简称为自动化仓库)。自动化立体仓库一般指由高层货架、物料搬运设备、控制和管理设备及公用设施等部分组成的，并用自动化物料搬运设备进行货物出、入库作业的仓库^[1]。

巷道式堆垛机是自动化立体仓库中的核心物流搬运设备，是随着自动化立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，其用途是在自动化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，或者将货架上的货物运送到巷道口。