自动化立体仓库运作：巷道堆垛机全面解析

一、实训目标

了解自动化立体仓库的概述; 熟悉立体仓库的系统组成及各种设备的用途; 熟练掌握入库、出库、调库作业的工作流程及操作。

二、任务导入

仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。20世纪50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库; 50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库; 1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。

自动化立体仓库 (AS/RS) 是由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库托盘输送机系统、尺寸检测条码阅读系统、通信系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其他如电线电缆桥架配电柜、托盘、调节平台、钢结构平台等辅助设备组成的复杂的自动化系统。运用一流的集成化物流理念，采用先进的控制、总线、通信和信息技术，通过以上设备的协调动作，按照用户的需要完成指定货物的自动有序、快速准确、高效的入库出库作业。

那么我们要如何控制立体仓储，实现货物的自动存取和管理呢?

三、实训步骤

首先认识自动化立体仓库的构成情况，仓位名称的约定; 后完成入库任务，第三步完成出库任务，第四步完成调库任务和移库任务。最后总结自动化立体仓库的优良性能。

四、发任务书

任务1: 请将条码为6921168509256的农夫山泉天然饮用水20瓶装箱并入库到A10505仓位;

任务2: 请将条码为6901294174115的六神止痒花露水20瓶装箱并入库到A10605仓位;

任务3: 请将条码为6920816320120的荷嫂清爽型洗手液20瓶装箱并入库到B10605仓位;

任务4: 请将条码为6921168509256的农夫山泉天然饮用水20瓶从A10505仓位出库;

任务5: 请将A10605仓位条码为6901294174115的六神止痒花露水与B10605仓位条码为6920816320120的荷嫂清爽型洗手液存储位置调换;

任务6: 请将A10605 条码为6920816320120 的荷嫂清爽型洗手液移库到空仓位B10606。

五、任务分配

(1) 老师主讲演示任务1;

(2) 第1组学生演示操作任务2，一个同学控制堆垛机程序，一个同学负责配合扫描;

(3) 第2组学生演示操作任务3; 一个同学控制堆垛机程序，一个同学负责配合扫描;

(4) 第3组学生演示操作任务4; 一个同学控制堆垛机程序，一个同学负责接运货物;

(5) 第4组学生演示操作任务5; 一个同学控制堆垛机程序，一个同学负责配合协调;

(6) 第4组学生演示操作任务6; 一个同学控制堆垛机程序，一个同学负责配合协调。

六、任务说明

第一至第三项任务为入库，入库作业流程完成入库作业; 第四项任务为出库，使用出库作业流程完成出库作业; 第五项任务为调库，使用调库作业流程完成调库任务; 第六项为移库作业，由于移库是调库的一种特殊情况 (仓位地址二为空)，因此使用调库作业流程完成调库任务。

七、教师演示

(一) 入库操作流程

(1) 启动条码软件控制程序 (双击桌面的“条码”图标);

(2) 启动巷道堆垛机控制程序 (双击桌面的“组态王6.5”图标，进入主界面);

(3) 巷道堆垛机复位 (核对堆垛机当前位置，一切正常核对完之后，点击“确定”，进入主界面);

(4) 设置入库作业(入库作业) →输入货物条码 (输入入库货物条码和数量，点击“添加入库请求按钮) →添加入库请求→选择储存货位→生成入库单→返回主画面;

(5) 导入入库作业(选择要导入的入库单，并选择“导入数据并运行) →执行;

(6) 执行完毕→删除命令。

(二) 出库操作流程

(1) 启动条码软件控制程序;

(2) 启动巷道堆垛机控制程序;

(3) 巷道堆垛机复位;

(4) 设置出库作业→添加出库请求→可选取货位号出库，也可选取货物条码出库→选择出口→审查货物信息，单击确定按钮→生成出库单→返回主页面;

(5) 导入出库作业并执行。

(三) 调库 (移库) 操作流程

(1) 启动条码软件控制程序;

(2) 启动巷道堆垛机控制程序;

(3) 巷道堆垛机复位;

(4) 设置调库作业→添加调库请求→选取需要移出的货位号及将要移入的货位号→单击移库 (调库) →生成调库单，确定调库单号→返回主页面;

(5) 导入调库作业→执行。

八、任务执行

(一) 准备工作

打开控制柜电源，启动控制电脑。

(二) 基本知识

货架自动化仓库简称立体仓库，一般是指采用高层货架储存单元货物，采用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业，采用计算机管理控制的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓库”，如图4-103所示。

1. 自动化立体仓库的货位

货架从右至左依次是1～10列，从下至上1～5层，前一排货架为A，后一排货架为B; 货位A10101，即处在A排货架的第一列第一层，依次类推，共计100个货位。

2. 自动化立体仓库的优点

自动化立体仓库是现代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分，它具有节约用地、消除差错、降低损耗、提高仓储自动化水平及提高物流效率等诸多优点。

3. 自动化立体仓库的组成部分

·货架: 用于存储货物的钢结构。

·托盘: 用于承载货物的器具。

·巷道堆垛机: 用于自动存取货物的设备。

·输送设备: 立体库的主要外围设备，负责将货物运送到入库台或从出库台将货物移走。

图4-103 自动化立体仓库

(三) 组织实施

各组在老师的指导下完成各组的任务，组长负责讲解，并穿插自动化立体仓库的基本知识。

九、过程指导

自动化立体仓库中，利用巷道堆垛机完成自动存取功能时，巷道堆垛机的控制有两种方式，具体如下:

(一) 堆垛机手动控制

打开控制柜，如图4-104所示。当开关拨至上方，堆垛机总电源被打开。

图4-104 堆垛机控制柜系统开关

在中央控制台处装有紧急置停按钮，当总电源开关打开时，如果控制柜无电流通过，请检查紧急置停按钮是否处于打开状态。

将堆垛机控制柜内的“手动/自动”开关打到手动档图，于是出现如图4-105所示位置，出现如图4-106所示PLC输入点I0.1亮。

图4-105 堆垛机控制柜挡位开关

图4-106 堆垛机控制柜PLC指示灯1

在操作过程中面对堆垛机控制柜，点动一下“向上”按钮，堆垛机即会向上移动一个位置; 点动一下“向下”按钮，堆垛机即会向下移动一个位置; 点动一下“前”按钮，堆垛机即会向前方移动一个位置; 点动一下“向后”按钮，堆垛机即会向后方移动一个位置; 点动一下“向右”按钮，叉板即会向右边的货架方向 (B区) 移动一个位置; 点动一下“向左”按钮，叉板即会向左边的货架方向 (A区) 移动一个位置。当到达某个位置时堆垛机会自动停下。在叉板伸出后点动“向前”“向后”按钮将不会有任何反应，此时需点动“向左”或“向右”按钮使叉板回到中间位置。这样就起到了一个保护的作用。

堆垛机的叉板能停在其所在层货架仓位平齐位置下方一点或上方一点。手动控制堆垛机取货时先停在其所在层货架仓位平齐位置下方一点，然后将叉板伸入货仓，提升至货架仓位平齐位置上方一点，最后把叉板缩回将货物取出。手动控制堆垛机放货时停在其所在层货架仓位平齐位置上方一点，然后将叉板伸入货仓，下降至货架仓位平齐位置下方一点，将货物放入，最后把叉板缩回。

注意: 将手/自动开关拨到自动挡前，必须点动“左”或“右”按钮使叉板伸回到中间位置，层的位置为某一层的下方。

立体货仓的仓位地址使用字符串表示: 前两位表示仓位所在行 (本实验室有两行，定义为A1和B1); 中间两位是堆垛机的所在列; 后两位是堆垛机的所在层。

如: “A10501”，表示堆垛机的当前所在位置为外面一行第5列第1层。

如: “B11105”，表示堆垛机的当前所在位置为靠墙一行第11列 (入库货台旁边一列) 第5层。

(二) 堆垛机的自动控制

(1) 将堆垛机和输送链控制柜内的“手动/自动”开关均打到自动挡 (图示位置， PLC输入点I0.1暗，如图4-107所示)。保证堆垛机的叉板伸在中间位置，对应层的位置为某一层的下方。

图4-107 堆垛机控制柜PLC指示灯2

(2) 运行“条码.exe”程序 和单片机通信程序，以便货物条码在出入库过程中被扫描仪扫描后能将条码数值顺利回传，从而保证在出入库过程中对于货物的识别。

双击桌面的“条码”图标。弹出如下画面，如图4-108所示。

图4-108 条码软件运行界面

(3) 双击桌面的“堆垛机控制程序”图标，启动巷道堆垛机控制程序，为自动化出入库做好准备。若先前未运行“条码.exe”程序，则会出现以下对话框，如图4-109所示。

图4-109 条码软件未启动导致连接失败(www.xing528.com)

点击“继续”可进入主界面，该画面为导入界面，为启动堆垛机做准备，如图4-110所示。

单击图片，进入程序。

图4-110 堆垛机控制程序启动画面

(4) 程序进入自动核对堆垛机当前位置。显示正在刷新数据库，数据库刷新完毕，启动正常则显示当前堆垛机所在的层与列，如图4-111所示。

图4-111 堆垛机控制程序启动正常

若出现如图4-112所示情况，未能正确显示堆垛机所在的层与列，说明主控机与PLC通信失败，请检查PLC控制柜电源是否打开，它与电脑的通信接口是否出现松动。

图4-112 堆垛机控制程序启动异常

一切正常核对完之后，点击“确定”，进入主界面，如图4-113所示.

图4-113 堆垛机控制程序主界面

若先前出现“建立DDE失败”对话框，就需要单击“重新建立DDE连接”，若再未弹出“建立DDE失败”对话框，就说明与VB程序的连接已成功。

(5) 出/入库作业及调库作业操作。

①入库作业。单击“设置入库作业”按钮，如图4-114所示，新建入库申请。

图4-114 设置入库作业

输入入库货物条码或扫描货物条码和数量，点击“添加入库请求”按钮，出现下面的界面，如图4-115所示。

图4-115 堆垛机控制程序入库申请界面

选择入库仓位，如图4-116所示，点击“指定仓位”按钮确定。也可点击“随机仓位”按钮，待入库时系统自动分配。

图4-116 制定入库方式界面

所有入库请求添加完毕，点击“生成入库单”按钮，如图4-117左下侧按钮所示。

图4-117 堆垛机控制程序生成入库单

先选择“新建入库单”清空所有入库申请，然后在下拉列表中选择需要入库的货物条码，再点击“添加入库请求”按钮。

如果想删除某条入库申请，则输入货物条码，并选择“删除入库请求”。

所有入库申请建立后，点击“生成入库单”，保存在某个固定的路径下。

如果要导入一份已经保存过的入库单，则先选择“刷新入库列表”，选择右边的列表文件后选择“导入入库单”按钮，出现入库单选择画面，如图4-118所示。

图4-118 入库单选择对话框

选择要导入的入库单，并选择“导入数据并运行”。然后把货物放在入库区的辊筒输送链上。

手动依次将需要入货的物流盒放到入库输送链上，有条码的一面朝向条码阅读器。盒子的间距保持在0.3米以上。

入库执行过程: 入库单导入执行后，入库链开始工作，条码阅读器扫描条码，系统核对正确后，巷道堆垛机来取物流盒，送到指定仓位，放置，货叉收回。系统反馈“执行完毕”。

②出库作业。单击“设置出库作业”按钮，如图4-119所示。

图4-119 “设置出库作业”按钮

先选择“新建出库单”清空所有出库申请，然后选择“添加出库请求”。单击“设置出库作业”按钮，出现对话框，如图4-120所示，请求输入出库信息。

图4-120 “设置出库作业”对话框

有两种出库方式，一是根据仓位出库，选择需要出库的仓位，后选择出库口，确认出库信息; 二是根据仓库中的货物条形码出库，后选择出库口确认出库信息。出现如图4-121所示的对话框。

认真核对出库信息，确认出库货物信息后，点击“确定”。

如果想删除某条出库申请，则输入序号后，选择“删除出库请求”。

所有出库申请建立后，点击“生成出库单”，保存在某个固定的路径下。请记住该单号，一般单号的命名规则是年月日时分秒，比如20120612144523，下面导入并执行时请注意选择正确的单号，以免出现错误。

图4-121 出库信息确认对话框

如果要导入一份已经保存过的出库单，则先选择“刷新出库列表”，选择右边的列表文件后选择“导入出库作业”。如图4-122所示。

图4-122 “导入出库作业”按钮

选择要导入的出库单，并选择“导入数据并运行”。

出库执行过程: 出库单导入执行后，系统程序状态为“正在执行”，这时堆垛机开始运行，堆垛机在发动机的控制下，一边前进一边载货平台开始上升，来到目标仓位，升出货叉，上升少许，取到托盘货物，货叉收回，稍作停顿，堆垛机载货前进，来到出库平台，升出货叉，稍作下降，托盘货物放置在出库平台上，货叉收回。此时堆垛机的出库动作结束，程序中执行状态为“执行完毕”。与此同时，在控制柜的作用下，出库皮带开始运作，将货物送到出库辊筒链，辊筒链开始运行，将货物送到相应的出口完成出库任务。

③调库作业。单击“设置调库作业”按钮，弹出如图4-123所示的对话框。

先选择“新建调库单”清空所有调库申请，然后选择“添加调库请求”，如图4-124所示。

选择调库作业的两个操作地址，然后选择是“对调”流程还是“移库”流程，对调流程将实现两个仓位的对调，移库流程将某个仓位中的货物移动到另一个空仓位中。

图4-123 “设置调库作业”对话框

图4-124 “设置调库作业”对话框

如果想删除某条调库申请，则输入序号后，选择“删除调库请求”。

所有调库申请建立后，点击“生成调库单”，保存在某个固定的路径下。

如果要导入一份已经保存过的调库单，则先选择“刷新调库列表”，选择右边的列表文件后选择“导入调库作业”。选择要导入的调库单，并选择“导入数据并运行”。

调库执行过程: 调库单导入执行后，若为调库，堆垛机开始执行调库作业，具体执行过程是“腾出地址二”、“移入地址二”、“移入地址一”，以出库平台为中转站，来完成调库作业。而移库则相对简单，只需要移入地址一，即完成操作。系统反馈“执行完毕”。若为移库，直接完成“移入地址二”工作，收回货叉，停止工作。系统反馈“执行完毕”。

④复位。在界面的右下角还有个复位按钮，是“堆垛机复位”。当系统出现故障时，它是快速恢复到正常状态的有效方法。如图4-125所示。

图4-125 “堆垛机复位”按钮

将堆垛机移至出货台。当堆垛机不在它的标准位置时，点击此按钮可快速使堆垛机回到标准位置，并与主控机中的当前层、当前列保持一致。

点击“堆垛机复位”按钮时必须保证堆垛机的叉伸没有伸出。

注意: 请记住需要导入的单号，这样导入正确的单号才能保证正确的商品到达正确的仓位。

十、实训展示

针对1～6号题，每题选取配合最佳的两组，完成实训，讲解评价。

十一、拓展学习

(一) 桥式堆垛起重机

在桥式起重机的基础上结合叉车的特点发展起来的一种自动式堆货的机器。在从起重小车悬垂下来的刚性立柱上有可升降的货叉，立柱可绕垂直中心线转动，因此货架间需要的巷道宽度比叉车作业时所需要的小。这种起重机支承在两侧高架轨道上运行，除一般单元货物外还可堆运长物件。起重量和跨度较小时也可悬挂在屋架下面的轨道上运行，这时它的起重小车可以过渡到邻跨的另一台悬挂式堆垛起重机上。立柱可以是单节的或多节伸缩式的。单节立柱结构简单、较轻，但不能跨越货垛和其他障碍物，主要适用于有货架的仓库。多节伸缩式的一般有2～4节立柱，可以跨越货垛，因此也可用于使单元货物直接堆码成垛的无架仓库。起重机可以在地面控制，也可在随货叉一起升降的司机室内控制。额定起重量一般为0.5～5吨，有的可达20吨，主要用于高度在12米以下、跨度在20米以内的仓库。

(二) 巷道式堆垛起重机

专用于高架仓库。采用这种起重机的仓库高度可达45米左右。起重机在货架之间的巷道内运行，主要用于搬运装在托盘上或货箱内的单元货物; 也可开到相应的货格前，由机上人员按出库要求拣选货物出库。巷道式堆垛起重机由起升机构、运行机构、货台司机室和机架等组成。起升机构采用钢丝绳或链条提升。机架有一根或两根立柱，货台沿立柱升降。货台上的货叉可以伸向巷道两侧的货格存取物品，巷道宽度比货物或起重机宽度大15～20厘米。起重量一般在2吨以下，最大达10吨。起升速度为15～25米/分，有的可达50米/分。起重机运行速度为60～100米/分，最大达180米/分。货叉伸缩速度为5～15米/分，最大已达到30米/分。

有轨巷道堆垛机是自动化立体仓库中的关键设备，承担着仓库中货物的出库、入库、回流等工作。巷道堆垛机具备先进、实用、可靠、高效、安全的特点，在自动化立体仓库应用广泛。本文对巷道堆垛机的控制系统进行分析。

(1) 有轨巷道堆垛机电控系统。巷道堆垛机的电控系统采用行业领先的控制技术。堆垛机水平运行、垂直升降、货叉伸缩机构采用电梯专用变频器控制，整机系统由PLC (可编程控制器) 集中控制，并且保持对系统各个部分 (变频器、激光测距仪、条码测距仪、限位开关、光电开关等) 信号的监控。堆垛机触摸屏是当前堆垛机操作和监控先进性的一个标志，可对堆垛机的运行状况、机构状态进行实时显示与监控，及时显示故障信息。同时，可在触摸屏直接发出操作信号，实现堆垛机的控制; 操作分为手动、半自动、单机自动、联机四种控制方式。

(2) 变频调速系统。变频器调速属于高效调速系统，具有运行效率高、调速灵活、方便、系统反应速度快等特点。堆垛机的起升、运行、货叉机构均采用电梯专用变频器，采用适用于起重机控制的艾默生TD3100系列电梯专业变频器。

起升机构由一台变频电动机拖动。起升属于位能性负载，为了获得快速的动态响应，实现对转矩的快速调节，从而获得理想的动态性能，变频器通常采用矢量控制方式。变频电动机与变频器良好的起、制动功能相结合，特别适用于变频调速、短时或断续周期运行、频繁启动和制动的场合。

运行机构、货叉机构也分别由一台变频电动机拖动。由于两种机构动作时不在同一时间区域，因此两台电机共用一台变频器控制，通过变频器上的V/F功能端子切换两种工作状态。两台变频器均配备制动电阻，当电机处于制动状态时，能量回馈通过制动单元(内置在变频器中) 及制动电阻释放这部分能量。为了安全，所有机构同时设置机械制动器。

变频器投入运行前需对其进行调试，即参数设定。设定基本参数后，变频器需要对电动机进行自适应学习，自动获取电机的具体参数模型，然后设定其他参数。控制模式有面板控制、端子控制、距离控制，包括电机加减速时间、多段速度，以及各种电机保护功能的设定。运行过程中可根据情况调整参数，直到性能达到最佳状态。最后将变频器的参数上传到调试面板，以便将来维护时查看。

(3) PLC控制系统。PLC (可编程控制器) 是整机控制的核心技术，可称为堆垛机的中央控制系统。PLC采用集中控制方式，堆垛机各个机构的控制信号、行程限位开关、光电开关，以及测距仪数据等，输入到PLC中，PLC通过程序运算和处理，从而控制变频器实现对堆垛机的控制。

①系统配置。堆垛机自动控制系统根据工艺要求，配备PLC电源模块、输入输出模块、通信模块和外设开关电源模块。

②控制系统的自动定位功能。堆垛机水平运行、垂直升降的定位，根据激光测距仪或条码测距仪反馈的数据，PLC通过程序运算和处理，确定输出模块的信号输出，控制变频器，从而使堆垛机以合适的速度运行到目标位置，当距离目标位置达到一定距离时，PLC切断变频器的速度信号，电机抱闸关闭，然后再切断变频器使能信号，堆垛机零速停车。

当堆垛机运行机构和升降机构到达目标位置后，PLC自动计算确定堆垛机已经运行到位，然后进入货叉调度模块，通过输出模块的信号输出控制变频器，使货叉以加速再减速的过程运行到限位开关，然后停车。整个过程的实现是通过建立一个二维坐标系，包含水平运行 (X)、垂直升降 (Y)，从而确定立体仓库某个货位的位置，在PLC程序中建立货位坐标数据，来实现对货物的出库、入库、倒库的操作。

③自动操作与触摸屏。立体仓库设有固定的控制室和操作室，操作者通过操作台的终端机和触摸屏可以实现对堆垛机的自动控制和手动控制。

触摸屏通过MPI或DP口与PLC进行数据通信。系统中任何一个对象的状态都可以通过设置在堆垛机上的触摸屏显示出来，包括各机构的安全区域行程开关的状态显示，以及各光电开关的状态，激光测距值和条码测距值等。触摸屏上还设置了按钮命令，对PLC发出操作指令，如低速前进、高速上升; 还可以设定目标货位信息，如目标地址 (12列3层)、作业方式等命令。

④自动控制作业流程。堆垛机初始状态为待机，如果条件不符，需查明原因，校正堆垛机的状态，使其恢复初始状态后方可执行作业。堆垛机接收指令成功后，会根据指令要求运行到相应的货位，完成一次作业。

随着自动化立体仓库的应用日益广泛，有轨巷道堆垛机自动化控制系统的设计也更受关注。

十二、设备保养

(1) 注意检查立体仓储货架的稳固情况，螺丝要检查扭紧;

(2) 注意实训过程或巷道堆垛机工作过程中，人不要进入巷道，以免人身受伤;

(3) 巷道堆垛机电机要定期检查，是否正常工作;

(4) 巷道堆垛机电线要定期检查，防止受潮或被老鼠咬断;

(5) 巷道堆垛机链条部分要定期使用润滑油，以保证设备的高效运转;

(6) 巷道堆垛机载货重量不能超过额定载荷，仓位货物重量不能超过超限;

(7) 与设备供应商保持联系，有问题及时沟通。