穿梭式立体库的软硬件配置系统

作者：张卫国

客观地分析客户的需求，合理配置托盘四向穿梭式立体库物流管控系统，托盘四向穿梭式立体库物流管控系统一般由多层托盘四向穿梭式货架、存储单元、物流搬运设备（含托盘四向穿梭车、托盘提升机等）、出入库输送系统、通讯系统、WCS控制系统、计算机监控系统、WMS计算机管理信息系统以及其他辅助设备组成；WCS通过网络通讯、PLC来操控和管理托盘四向穿梭车、其它物流搬运设备、托盘提升机和输送链；托盘四向穿梭车采用光电开关加编码器的双重认址方式，通过计算目标的相对位置方式来实现方向控制和位置控制，实现所有的托盘四向穿梭车、存储物品沿托盘四向穿梭式立体库内钢货架结构中配置的运行轨道在各个层面合理移动与调度，大大提高了货物周转的速度；出入库输送系统包括单元化输送系统、纸箱(物流箱)拣选输送系统、连续提升机、分配车、AGV等，出入库输送系统的规划设计以及输送设备的配置，需要根据仓库的整体布局、仓库的功能以及存储单元或货物的类型等情况决定，出入库系统的输送速度以及分岔、合流点的数量等，都要以满足仓库的出入库效率为原则来确定，并处理好电气控制技术问题。

图6 托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的拓扑图

整个计算机系统由中控室计算机系统和仓库计算机系统所组成，仓库计算机系统均通过网络连接到中控室计算机系统，并通过应用服务器访问数据库和各个设备系统。

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的功能架构分为：信息管理层、调度监控层和设备执行层三个层次；信息管理层实现物流系统的管理功能，同时还是衔接自动化物流系统与企业信息管理系统的接口层，这一层由物流计算机系统实现，软件的可用性、技术的先进性与接口的开放性尤为关键，该层对围绕生产组织的物流活动提供最大化的信息管理，并具备与相关的信息管理系统接口的能力，以确保信息的自动化和实现资料共享；调度监控层是连接信息管理层和设备控制层的纽带；设备执行层是集成了各种执行设备的工业控制网或专用控制系统；在托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中包括：输送控制系统、托盘四向穿梭车、托盘货物提升机、地面搬运AGV、拣选设备控制系统等。托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的仓库管理系统功能架构图如下：

图7  WMS与WCS功能图

电气控制技术主要指对相关机械机构运动的控制，包括对机械部分的定位、轨迹、速度、压力、角度等进行控制；另一个是逻辑控制：

（a）运动控制：运动控制就是以电机与传动机构为控制对象，通过控制器和驱动装置，对机电系统的速度、加速度(转矩)、位置等运动量进行控制，以满足托盘四向穿梭车的功能和性能的要求。

（b）逻辑控制：逻辑控制是以逻辑代数为理论基础的一种控制思想，它遵循一定的规律，托盘四向穿梭车必须根据客户的工艺路线设置合理的行程顺序逻辑控制；

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中常用的电气控制技术主要有常用传感器、低压控制电器、电动机驱动、可编程控制器、嵌入式系统和机电系统接口技术，

（1）传感器：主要被用于检测托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中的自身与作业对象、作业环境的状态，向控制器提供信息以决定系统的动作。传感器的精度、灵敏度和可靠性很大程度上决定了系统性能的好坏；

（2）直流伺服电动机：就是微型的他励直流电动机，其结构与原理都与他励直流电动机相同。按磁极的种类划分为两种：一种是永磁式直流伺服电动机，它的磁极是永久磁铁；另一种是电磁式直流伺服电动机，它的磁极是电磁铁，磁极外面套着他励励磁绕组；

（3）嵌入式系统：嵌入式系统是计算机软件与计算机硬件集成在一起，嵌入到应用对象内部的计算机系统。这种系统往往与应用对象技术，如通信技术、传感技术、信号处理技术、控制技术等结合在一起，成为嵌入式系统应用对象的控制中枢。嵌入式系统具有芯片集成度高、硬件软件最小化、高度自动化、响应速度快以及性能可靠等基本特点，特别适合于要求实时和多任务的场合。从应用角度考察，目前相当一部分嵌入式产品都具有3c融合特征，即计算机（computcr）、通信(Communication)和消费电子(Consume Electronic)一体化；

（4）机电一体化接口技术：托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的性能在很大程度上取决于接口性能。各子系统之间的接口性能成为判断系统整体性能好坏的决定性因素。接口技术的研究对象正是机电自动化系统中的各种接口。机电接口包括硬件接口和软件接口两大类。硬件接口主要在于系统之间或人与系统之间建立物理连接，为信息和能量的输入／输出、传递和转换提供物理通道。软件主要是提供系统信息交互、转换、调整的方法和过程，协调和综合机电组成技术，使各子系统集成并融合为一个整体，实现新的功能。机电系统的接口根据输入／输出的关系，可以分为人机接口、机电接口、机械接口、电气接口和软件接口(信息接口)；

（a）人机接口是主要解决人与机电系统之间的接口。通过人机接口，可以向系统输入操作指令，计算机的处理信息、报警信号、系统的运行状态等都需要通过显示器的输出传递给操作者，便于操作者监视系统的运行状态，控制其运行过程。人机接口是双向互动的。接口硬件包括输入／输出设备，人机输入接口主要有；键盘鼠标、扫描仪、照相机、拨码盘、触摸屏、开关和旋钮、虹膜识别、手写输入、指纹识别、面部识别和声音识别等；人机输出接口主要有；触模屏、LED、LCD显示屏、打印机、数码管、指示灯和音响等；

（b）机电接口主要解决动力源与驱动装置之间的能量转换接口。机电系统中的驱动装置有各种交、直流电动机，液压执行装置，气动执行装置（机械手）和其他新型执行装置。驱动这些装置需要用到机电接口。托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中存在一定的输送线、提升机、叠码盘机、机械手等多种物流配置设备，内部的运动机构及其系统的工作方式和原理也是多种多样，要实现各类设备的合理配置与兼容，机电接口的设计也称为了项目案例成功与否的关键要素；

（c）电气接口主要解决控制系统与驱动系统、驱动系统与传感器、传感器与控制系统之间的接口，或解决外部装置与计算机之间的硬件接口。也就是说，电气接口将传感器输出的信号进行转换，输入到控制系统中，将控制系统输出的数字量信号转换为驱动系统所需要的信号；这些信号的转换都是通过软件进行的；这个也是托盘四向穿梭车电气模块化设计的关键之一。电气接口划分为输入接口和输出接口两种类型。输入接口包括开关量、数字量和模拟量这三种输入接口。输入接口的功能就是将传感器输出的信号经过信号放大、调制与解调、滤波、限幅和A／D转换等一系列操作，将输入信号转换成数字信号输入到计算机中，在这个转换过程中，要解决电平和量程匹配；输出接口输出数字量，经过电气隔离、D／A转换和功率放大，送到执行机构；

（d）软件接口主要解决不同总线、不同程序之间的信息格式转换。例如，ISA总线与USB总线的转换、windows下的设备驱动程序、不同语言之间的混合编程等；

（e）机械接口技术是主要解决执行机构和驱动系统之间的接口。机械接口有零接口和被动接口两种。零接口直接将执行机构和驱动系统连接，不进行能量和运动的变换，本系统中存在输送线与提升机、输送线与地面AGV、提升机内置运行轨道与货架结构轨道的对接等零接口。被动接口要进行能量的转换和运动的变换，例如托盘四向穿梭车内置电机驱动液压系统形成液压换向装载、托盘举升装置动作等，驱动电机减速器进行减速增矩构建行驶运动及运动加速度。