摘要：大跨距重载车身立体仓库系统是通过工业自动化控制并结合监控计算机管理，实现全面货物的仓储、输送、周转、协调、监视、控制等功能。主要表现在接收操作指令、检测信号、指挥作业、判断故障、监控及调动、返回信息等，它与平面式货物储存相比，可有效节约库房的占地面积，提高库房的空间利用率，并可减少70％以上的劳动力。能加快货物的出入库存储节奏，减轻劳动强度，提高生产效率，在汽车制造业具有很强的使用功能和推广前景。
关键词：立体仓库；有轨巷道堆垛机；仓库计算机管理系统；控制系统
1概述
在国内汽车制造业，大多数汽车制造厂在汽车整车装配过程中，车身大多数都采用平面储存方式，此储存方式既浪费储存立体空间又不便于输送和系统管理，给生产及装配带来了诸多不便，是汽车整车装配物流中的“瓶颈”。
针对上述存在问题，提出一种在汽车整车装配过程中车身立体储存输送及自动化控制管理的系统，可对集装单元货物实现存储输送及计算机管理。
1.1自动化立体仓库系统组成
·大跨距高层重载货架
·多层钢结构平台
·有轨巷道堆垛机
·出入库输送机系统
·自动化控制系统
·仓库管理计算机系统
·周边围护安全系统及其它周边设备
1.2自动化立体仓库系统特点
（1）大跨距高层重载货架由若干直立柱和层板构成多排、多列、多层和多位，用于存放汽车车身。
（2）多层钢结构平台设置在货架的一端，用于货物的输送，该多层钢结构平台由若干立柱与横杆连接而成，在每一层铺设层板。
（3）有轨巷道堆垛机包括立柱，连接在立柱上下端的下横梁与上横梁，在立柱间形成巷道，在巷道内有可以上下移动的提升装置、在提升装置上有载货台、货叉及配重，在堆垛机上安装用于人员上下的爬梯及控制柜；用于通过三维运动将指定货位的货物取出或将货物送入指定货位；由行走电机通过驱动轴带动车轮在下导轨上做水平行走，由提升电机通过链条带动载货台做垂直升降运动，载货台上的货叉在货叉电机的驱动下做伸缩运动。
（4）出入库输送机系统包括动力辊床、重载双皮带输送移行机、滑撬码垛机、往复式皮带升降机、动力回转台，用于将货物输送基础仓库，动力辊床由安装于机架上的可转动的传动辊构成。
（5）自动控制系统由用于实时测量速度信号的SICK激光测距仪、SEW变频器、光电传感器、SIEMENS PLC、RESOTEC HMI组成，用于控制堆垛机的运行速度、运行位移或者位置定位点的无级运行。所控制的设备采用PROFIBUS-DP现场总线。
（6）仓库管理计算机系统包括中央计算机用于发送物料需求计划、立体仓库管理系统用于接收中央计算机发出的信号并作出响应、堆垛机用于接收立体仓库管理系统发出的指令自动存取物料。通过激光测距器和旋转编码器以及无线通讯，可实现计算机控制，仓库管理计算机系统也可实现机上控制盘的手动、半自动、单机自动控制。
（7）周边围护安全系统采用机械和电气双重保险，以确保人身及设备的安全。堆垛机采用双提升、双配重的结构。以增加设备的稳定、平衡及安全性。处理器中设有立体仓库信息管理系统。人员安全保护：堆垛机周围的区域被分为几个安全区。要进入库区，必须要打开安全门，一旦安全门被打开，安全开关即被触发，堆垛机自然停止运行。每个安全区有两个安全门（一个仅为出口—紧急出口）。安全门有两个按钮用于确认（一个位于安全区内，另一个位于安全区外）。其中安全区内的复位按钮仅当堆垛机处于本地控制模式时有效。在堆垛机的操作面板上也可以运行堆垛机，这也就是设计“本地”运行的初衷。在此种模式下，可以使用库区内部的复位按钮来复位安全门开关。要使堆垛机在本地控制模式下运行，需将选择本地模式的钥匙开关拔下插入堆垛机控制面板上。这样就避免了别人将堆垛机打回自动模式的可能性。机械安全保护：机械安全保护用于保护堆垛机的机械机构。通过触发传感器可以直接停止硬件的运行。因此，一旦用户误操作或软件发生故障，也可以通过这种机械保护开关停止堆垛机，以避免损失。机械保护开关主要对以下几个方面对机械装置进行保护：①水平方向的极限位置；②垂直方向上、下的极限位置；③前、后的断带保护开关；④前、后的过载开关；⑤松绳保护。
如果发生了以上情况，可以将这些功能进行短接处理。但只能在堆垛机本地模式下运行时才能实现。
2 车身立体仓库控制系统设计
2.1 控制系统主要组成
一汽大众大跨距重载车身立体仓库系统，包括输送系统、控制系统和输出系统，其中：
输送系统包括动力辊床、重载双皮带输送移行机、滑撬码垛机、往复式皮带升降机、动力回转台；控制系统包括自动化立体仓库控制模块，其上连接的输入设备有按钮、急停开关、接近开关、光电开关、行程开关和PLC，用于通过Profibus-DP网络控制上述输送系统的传输；输出系统基于EtherNet网络，用于将自动化立体仓库控制模块与EtherNet上的监控计算机连接，应用组态软件可以显示各生产设备的运行状态、运行参数、自动故障报警，记录故障点，调出相关的控制程序。
2.2系统工作原理
自动化立体仓库计算机控制系统将采用联网技术，通过计算机网络使立体仓库与中央计算机实现联网通讯，可以提高库存管理的准确性、迅速性，使整个系统的生产、库存、销售等信息能及时地传递和处理，从而使中央计算机可以准确地检索立体仓库的管理控制信息，使系统的管理者能及时、迅速地掌握立体仓库的库存情况和运行情况，从而可以准确地掌握库存量，及时调度生产，调节工序间、单元间的生产节拍，保证生产的均衡，提高生产中诸多变化的灵活性，准确迅速地确定接受订货的交货期，以及对迟误的交货及时进行督促等，可以提高库存管理的准确性和迅速性，从而相对减少库存量，缩短车身及空滑橇的存储周期，减少库存积压，对系统的生产经营活动起到良好的促进作用。
有轨巷道堆垛机控制选用闭环无级运行控制模式，对堆垛机的运行速度、运行位移量或位置定位点实现闭环无级运行控制模式，从而从根本上实现到达目的地址时的制动停准，根据运行距离实现平稳换速、适时调整变频器的运行控制频率，以实现最佳平稳运行速度的要求，并能缩短作业周期，提高作业效率。该变频调速手段控制精度高，运动控制平稳，具体场合的适应性好，系统运行的可靠性高，易调试。
实现自动化立体仓库巷道堆垛机的闭环无级控制，必须根据变频器和堆垛机电机的特性，即：在一定载荷下变频器所存在的理想加速和减速特性曲线，或根据不同的品牌和规格的变频器的特性参考资料、所运输载运货物所允许的最大加速度以及现场运行试验的结果、堆垛机电机的负荷特性等进行控制，基本控制思想为：（1）根据激光测距仪测量反馈的当前速度信号适时调整变频器的输出驱动频率值，从而保证堆垛机能以要求的速度平稳运行；其还表现在必须根据自动化立体仓库库存的具体货物，如货物的重量、重心高度等选择相应的速度控制模式，即初时运动加速度与加速控制时间、平稳运行速度与距离、减速运动加速度与控制时间等；（2）根据激光测距仪测量反馈当前堆垛机的距离信号及预先设定的控制方案适时调整变频器的输出驱动频率值，使堆垛机先以较高的速度运行到接近目的地址的位置后将速度平稳降到较低的速度下工作，并在目的地址处准确制动停准，必要时可采取机械抱闸系统来辅助快速定位；堆垛机在工作过程中实时采集水平运行、货物升降、货叉伸缩三个方向的数据，并不断地与存放在软件控制数据块里的标准位置参数进行比较和控制决策，从而达到准确定位、快速存储货物、提高作业效率的目的，并与监控系统交换工作信息和库位状态信息等以实现系统的全面动态管理。
操作模式有远程和本地，选择远程控制模式时，无需操作人员在堆垛机的移动操作室内。本地控制时，必须有一名操作人员站在操作室内在触摸屏上进行操作。
设备的所有运行功能都可以选择是本地运行模式还是远程运行模式。主要有以下几个运行模式：自动、半自动、手动。在自动模式下实现的是由最高级别的仓库管理系统控制，它通过PLC来控制堆垛机；在半自动模式下，可以实现一些特定的传送功能，这几个功能可以通过操作面板选择；手动模式主要用于故障处理或调试，这种模式下任何自动功能均不生效，堆垛机必需由其各自的操作面板手动控制，各个传送机构都分开控制。
维护模式有紧急中断模式和修正模式。紧急中断模式只用于在紧急情况下移动组件，该模式只能由高级用户在触摸屏上进行选择；修正模式用于调试或者完成定位，该模式中有一些附加的连锁条件。
2.3系统特点
本系统采用现场总线控制方式，立体仓库的控制模式采用PLC控制模式，该系统涉及到电气控制原理、数据库以及决策技术、计算机技术等，其核心控制部分为PLC，与外部周边设备或硬件采用Profibus-DP现场总线，备有连接SIMATIC系列元件的整套接口、固有的HMI（人机界面）等，但针对堆垛机电机的高、低速控制应用方案仍优先选用闭环变频调速控制方案，PLC与激光测距仪和旋转编码器的连接采用Profibus-DP现场总线。
立体仓库中堆垛机的主要工作是完成储存环节的搬运，即：准确地依照上位机给出的出入库地址将货物取出或放入有关货位，并将工作过程的状态信息反馈给监控系统；选择SIMATIC S7-300系列PLC系统并应用在立体仓库体系中已取得了很大的成功。
中央计算机还具有信息管理的功能，其将物料需求计划发给立体仓库信息管理计算机，立体仓库管理系统具有对现有资源进行分类、存储、库存统计，对出/入库作业合理优化调度，控制通用数据库管理等功能，并进一步控制堆垛机PLC自动存取物料。因此，立体仓库信息管理系统是全立体仓库进行物资管理、账目管理、货位管理、联网管理等信息管理的中心。立体仓库管理系统还具有完成动态地改账及信息修正等功能。当系统出现故障时能及时显示故障信息，显示网络信息，并能定期或不定期地打印各种报表。
本系统在联网运行中涉及到3个接口：
（1）工作站与车间控制器的网络接口，通过它工作站获得车间的命令及查询信息，并把工作站的信息返回给车间；
（2）工作站与堆垛机PLC之间的串行接口，工作站通过向PLC发送命令字串控制堆垛机取送物料资源，并监测堆垛机的状态，及时发现故障；
（3）工作站与故障监测计算机之间的网络接口，工作站通过它及时上报故障信息，以得到及时的处理。
在工作站一方，主要使用VB中的Winsock控件与车间的套接字建立连接。具体的工作方式是，工作站作为客户方，去连接车间的套接字，当车间的套接字侦听并接收到连接，双方的网络连接就建立起来，就可以互相通讯，传递信息。
工作站与堆垛机PLC之间的串行通讯是通过使用VB中的MSComm控件完成的。控制命令发出后，在MSComm控件的OnComm事件中监测堆垛机的状态，动作完成，上报给车间。如发生故障，将故障的具体情况上报给故障监测计算机。
工作站与故障监测计算机之间的网络接口也是通过VB中的Winsock控件实现的，工作站作为客户方，去连接故障监测计算机的套接字，当故障监测计算机的套接字侦听并接收到连接，双方的网络连接就建立起来，就可以互相通讯，传递信息。
本管理系统中采用Sybase来产生和维护数据库，用VisualBasic面向对象的可视化编程语言开发而成，并通过ODBC与数据库相连。向数据库中写入数据时，系统采用了数据先存放在内存中，当其他事务处理完毕后，再把内存中数据存放到相应的数据库中，从而使系统有较快的处理速度。系统功能全面，实现了物料的优化管理。整个立体库系统既可单机自动，又可与FIS联网运行，对故障能够实时监测，并上报给故障诊断计算机，以便于排除故障。
3 结论
本文详细讨论了大跨距重载车身立体仓库系统的总体设计、管理级软件系统、管理级与监控级之间通信和控制系统的问题。将立体仓库这一先进的仓储管理技术引进到汽车整车装配领域，对管理软件系统按照模块化设计的思想进行了详细的规划和设计，使管理软件的结构更加清晰。充实计算机管理系统，对数据库系统进行了逻辑结构设计；按照一定的检索条件实现了相关信息的查询，实现了数据库信息的修改等功能，使对车身信息的管理更加便捷。
参考文献：
[1] 罗志清. 自动化立体仓库堆剁机的控制与设计研究[D]. 甘肃：甘肃工业大学，2001.
[2] Terminal modules for power and electronic modules for ET200S. pdf SIEMENS.
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[5] Operating unit Redis 420 BP. pdf RESOTEC.
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1/15/2009
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