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【摘要】
随着现代技术的发展，物流仓储系统中的堆垛机的电气系统设计也出现简洁化、模块化的变革趋势。本文通过某货运项目堆垛机电气系统基于IBS的电气模块化设计组成。展示现代电气设计技术的发展方向。
【Abstract】
With the development of modern technology, the design of electrical system of stacker logistics warehousing systems is also appear change trend concise, modular. It shows the development direction of modern electrical design technology.
【关键词】
自动化立体仓库; 堆垛机; 电气系统；货运管理系统；可编程逻辑控制器；现场控制总线；
【Keywords】
Automated warehouse; stacker; electrical system; Warehouse management system (WMS); Programmable logic controller（PLC）; IN TERBUS (IBS);
中圖分类号：F407.6 文献标识码：A 文章编号：
一、概述
堆垛机是立体仓库成套设备中的主机设备，与高层货架、出入库工作台或出入库系统设备配套使用,普遍用于货物量密集、存储量大的领域作为仓库储存，搬运货物的重要设备。因此设备性能备受用户的关注,电气控制的功能是电气设计的关键,电气设计的先进与否直接影响设备功能与造价,随着科学技术飞速发展.物流系统中的堆垛机系统的电气设计也被应用了大量的新科技,其设计也越来越高度智能化、集成化、模块化，这也成为今后电控设备发展的趋势,本文以堆垛机电气系统的硬件设计为例,说明设计高度智能化、集成化、模块化优越性。
由于某工程的现场I/O检测点数量多，且分布广、距离远、精度要求高。针对于该情况，为了适应现场环境、工艺和便于维护的要求，设计选择一种控制子站数目多，布线简单、维护方便、工作范围适应现场环境、系统安全可靠，诊断功能强大的堆垛机电控系统。
二、堆垛机电气控制系统设计
工艺流程
根据处理规模，选择设置高货架尺寸及出入通道的传输线长短。本系统采用两进两出的传输方式,入出库输送机系统设备组成及选型主要为链条输送机(用户可根据需要选取:辊式输送机、辊筒移载机、穿梭车等其他)输送设备。堆垛机为1500Kg的单轨输送机。
散货物收集进库后首先在地磅房进行安全检查、称重、条码扫描、装箱，经过链条传输机传输进库，交接给堆垛机，堆垛机将散货箱放入指定高货架位置收仓入库；系统接收到货库的出仓指令后由堆垛机从货架取出,交给出库链条传输机传输出库,完成出库指令。
从货库分配来的散装货物进入系统后，首先经过人工分装平台，将散装货物装箱，再传送至入库链条传输机入口，由系统的条码扫描装置对货箱号进行扫描，以保证后续的设备能够正确记录货箱正常运行位置。再经过外形检测处理后，送入下一个入库链条传输机等待入库。对于大件货物，外运至指定大件货物存储处存放。
堆垛机系统设置有入库链条传输机和出库链条传输机，操作人员在库区指定的操作区内进行入库和出操作，每条链条传输机传输线设置三个链条传输机，共各设置了2组出入传输线，避免拥堵。工艺流程如图2.1所示。
图2.1堆垛机工艺流程简图
2、堆垛机系统电气组成
堆多机上位系统采用WMS系统通无线以太网络与堆垛机系统相连，堆垛机系统的电控系统由电源模块、CPU模块、IBS控制板模块、I/O控制模块等组成；通信系统由IBS信号线、激光数据传输/接收电眼组成；执行构件是由伺服系统驱动的DC马达或马达开关控制器驱动的AC马达等组成：检测系统是由红外线检测元器件、激光巷道检测元器件、红外线测距定位元器件、称重检测模块等组成。以下是堆垛机系统基于IBS电控系统硬件结构：
（1）、WMS系统
堆垛机系统的上位管理系统采用货运局域网络控制。即所谓的联机自动控制方式：由计算机管理系统发出的作业命令经由无线以太网，堆垛机系统上的通讯模块在接到命令后自动完成一次作业，堆垛机系统的PLC及时将堆垛机系统的运行状况通过远通讯模块和无线以太网返回监控计算机，监控计算机通过监视器将各设备的运行状态实时显示。
（2）、堆垛机的PLC
PLC：选用西门子S7-400 PLC系列PLC系统，其主机采用CPU443，编程：控制器 使用的程序语言是“STEP 7”，该语言由各功能模块（如：运行机构、起升结构、干扰测定等等）组成。堆垛机采用触摸屏E470制面板作为人机界面， 17英吋,256K用户内存,16MB RAM。
（3）、Interbus系统
本系统使用西门子Profibus（ET 200L系列）产品现场总线用来减少整个系统电缆和端子连接的数目。把分布的输入/输出组件及自动操纵的装置（操作和指示装置，传动机构，编码器）通过串行传输方法连接到PLC上。PLC和高级WMS控制系统通讯，实现远程在线控制，PLC向下与较低级的现场总线器件交换连续传输的数据，现场总线再将数据下传给各个控制器件。数据交换是在两个方向同时循环进行的，互不干扰。
现场总线技术使传感器和控制箱的安装位置分散开来，现场设备和输入组件定位紧密。在工厂即可装配和全面检测操作台。
为了保证现场总线数据的长距离、运动中传输，设计中采用LS600-DA是一个用于无线，串行数据传输的远红外光电器件。LS 600-DA利用远红外光在两个传输通道进行数据传输，从而避免数据传输期间发生冲突。从实现堆垛机在运动中传输数据，避免连线限制。
（4）、变频器类型与功能
垂直、水平两个运动电机均采用DC变频器（LENZE），DC变频器控制着堆垛机的行进和提升电机，由于采用直流电机，堆垛机运行平稳，加减速和定位精确，速度精度高于0.2‰。
（5）、堆垛机上各个检测传感器安装的位置、功能作用
a、水平方向检测传感器
水平方向检测传感器分前后两组：限速开关、端点开关、极限位置开关。限速开关、端点开关选用磁性开关，与地面触发磁铁配合使用。极限位置开关选用OMRON小型安全限位开关。
b、垂直方向检测传感器
垂直方向检测传感器分上下两组：端点开关、极限位置开关。端点开关选用磁性开关，与安装在立柱上的触发磁铁配合使用。极限位置开关选用OMRON小型安全限位开
载货台设有货架货位虚实探测器，以确认货架货位是否有货，避免双重入库。当发现货位有货时，停止送货并报警。载货台货叉设有中位检测开关，以防止货叉在堆垛机行走和升降运行时，出现误动作，确保堆垛机运行的安全。
C、载货台检测传感器
左右侧探测开关选用漫反射光电开关。功能探测货架内有无货物。
货物检测开关选用对射型光电开关。一个光电开关为发射端，另一个为接受端。检测载货台内部有无货物。
超高、歪斜探测开关选用镜反射光电开关。与反射板配合使用，探测货物是否太高、歪斜。
货叉中位开关安装在货叉两侧，检测货叉是否在中间位置。
D、保护开关检测传感器
保护开关检测传感器有三种开关组成，分别为：速度过快开关、松绳开关、过载开关。速度过快开关安装在下横梁限速器上。松绳、过载开关安装在上横梁。
(6)、ICS 5000（TRIMBLE）
ICS是一个完全一体化的定位系统。采用了定向间歇操作的闭环控制，在线性系列产品中，是最先进的。它是针对那些把最大可能的吞吐货物量与平稳而精确的控制溶为一起，本系统安装2个ICS。用来水平和垂直定位。
(7)、激光区域防撞检测仪
本项目使用PLS-115区域防护激光扫描仪，是一款光学测量传感器，它有两个不同半径的测量区域。激光扫描仪（PLS）装在搬运装置的前面和后面。该扫描仪是一个安全仪器，当它探测出行进着的搬运装置在其行进的道路中有物体时，它就能减缓搬运装置的运动速度或使装置停下来。
随着物体所在的位置不同，PLS定义的“警戒区”和“安全区”将触发爬行速度或搬运装置的紧急停车。
(8)、条码扫描仪
本项目使用SICK-CLV410一维码扫描仪,对散货箱条码进行自动扫描，并将条码信息上传给PLC。扫描器安装在输送口的两端。、
（9）、电子称
本系统采用CW1动态电子称重模块，安装在输送口的链条送机上，对进出货箱进行称重测量并将条码信息上传给PLC。
(10)、附属设备
链条机马达采用IBS IP500马达控制器，将马达控制与检测开关融为一体，方便设备检修与维护。
（11）无线AP
多台无线AP通讯，主站设为Access point 模式，其他从站Workgroup bridge模式，然后通过建立相一网段的I地址IP来进行通讯。
实际应用效果
本项目堆垛机设备自投产试运行以来，每日运行上千次，设备运行平稳，状态文稳定，定位精度可靠，达到了堆垛机设计要求。
监视控制站的所有信息，进行显示、操作、记录、数据处理、报表输出，并可以按一定的权限进行控制的组态和参数修改等操作。系统控制站通过控制单元检测和控制装备对整个生产过程实行实时控制，并通过系统总线与操作员站相连，向操作站传递现场的实时数据并且接受操作站的管理和控制信息。从实现立体库堆垛机的自动控制和无纸化管理。
采用IBS总线进行综合的控制，增加输入输出控制点，方便操作和维护；利用总线和模块化设计减少布线量约50%，节省布线资金；利用总线、模块集成，便于查找故障和减少故障，且排除故障快速的特点确保了控制系统的高可靠性。
结束语
本系统经过现场调试，用户考核，系统運行稳定，完全满足工艺控制要求，具有自动化程度高、可靠性高、精确度高、响应时间快、维护量小的特点。同时，提高了生产过程自动化水平、改善了劳动条件、降低了生产成本，使物流自动化仓储堆垛机系统设备的自动化水平迈上了一个新台阶，得到了用户的好评，极具推广价值。
本系实现自动化、智能化、集成化、模块化。安装简单、调试方便，并且大大降低了施工成本，而且技术上先进可行。对于其他类似工程具有借鉴意义。
【参考文献】
JB/T 9018-1999 《有轨巷道式高层货架仓库设计规范》
FEM9.311 堆垛机设计原理；
FEM9.512 堆垛机设计准则；
FEM9.851 堆垛机运行计算原则；
随着现代技术的发展，物流仓储系统中的堆垛机的电气系统设计也出现简洁化、模块化的变革趋势。本文通过某货运项目堆垛机电气系统基于IBS的电气模块化设计组成。展示现代电气设计技术的发展方向。
【Abstract】
With the development of modern technology, the design of electrical system of stacker logistics warehousing systems is also appear change trend concise, modular. It shows the development direction of modern electrical design technology.
【关键词】
自动化立体仓库; 堆垛机; 电气系统；货运管理系统；可编程逻辑控制器；现场控制总线；
【Keywords】
Automated warehouse; stacker; electrical system; Warehouse management system (WMS); Programmable logic controller（PLC）; IN TERBUS (IBS);
中圖分类号：F407.6 文献标识码：A 文章编号：
一、概述
堆垛机是立体仓库成套设备中的主机设备，与高层货架、出入库工作台或出入库系统设备配套使用,普遍用于货物量密集、存储量大的领域作为仓库储存，搬运货物的重要设备。因此设备性能备受用户的关注,电气控制的功能是电气设计的关键,电气设计的先进与否直接影响设备功能与造价,随着科学技术飞速发展.物流系统中的堆垛机系统的电气设计也被应用了大量的新科技,其设计也越来越高度智能化、集成化、模块化，这也成为今后电控设备发展的趋势,本文以堆垛机电气系统的硬件设计为例,说明设计高度智能化、集成化、模块化优越性。
由于某工程的现场I/O检测点数量多，且分布广、距离远、精度要求高。针对于该情况，为了适应现场环境、工艺和便于维护的要求，设计选择一种控制子站数目多，布线简单、维护方便、工作范围适应现场环境、系统安全可靠，诊断功能强大的堆垛机电控系统。
二、堆垛机电气控制系统设计
工艺流程
根据处理规模，选择设置高货架尺寸及出入通道的传输线长短。本系统采用两进两出的传输方式,入出库输送机系统设备组成及选型主要为链条输送机(用户可根据需要选取:辊式输送机、辊筒移载机、穿梭车等其他)输送设备。堆垛机为1500Kg的单轨输送机。
散货物收集进库后首先在地磅房进行安全检查、称重、条码扫描、装箱，经过链条传输机传输进库，交接给堆垛机，堆垛机将散货箱放入指定高货架位置收仓入库；系统接收到货库的出仓指令后由堆垛机从货架取出,交给出库链条传输机传输出库,完成出库指令。
从货库分配来的散装货物进入系统后，首先经过人工分装平台，将散装货物装箱，再传送至入库链条传输机入口，由系统的条码扫描装置对货箱号进行扫描，以保证后续的设备能够正确记录货箱正常运行位置。再经过外形检测处理后，送入下一个入库链条传输机等待入库。对于大件货物，外运至指定大件货物存储处存放。
堆垛机系统设置有入库链条传输机和出库链条传输机，操作人员在库区指定的操作区内进行入库和出操作，每条链条传输机传输线设置三个链条传输机，共各设置了2组出入传输线，避免拥堵。工艺流程如图2.1所示。
图2.1堆垛机工艺流程简图
2、堆垛机系统电气组成
堆多机上位系统采用WMS系统通无线以太网络与堆垛机系统相连，堆垛机系统的电控系统由电源模块、CPU模块、IBS控制板模块、I/O控制模块等组成；通信系统由IBS信号线、激光数据传输/接收电眼组成；执行构件是由伺服系统驱动的DC马达或马达开关控制器驱动的AC马达等组成：检测系统是由红外线检测元器件、激光巷道检测元器件、红外线测距定位元器件、称重检测模块等组成。以下是堆垛机系统基于IBS电控系统硬件结构：
（1）、WMS系统
堆垛机系统的上位管理系统采用货运局域网络控制。即所谓的联机自动控制方式：由计算机管理系统发出的作业命令经由无线以太网，堆垛机系统上的通讯模块在接到命令后自动完成一次作业，堆垛机系统的PLC及时将堆垛机系统的运行状况通过远通讯模块和无线以太网返回监控计算机，监控计算机通过监视器将各设备的运行状态实时显示。
（2）、堆垛机的PLC
PLC：选用西门子S7-400 PLC系列PLC系统，其主机采用CPU443，编程：控制器 使用的程序语言是“STEP 7”，该语言由各功能模块（如：运行机构、起升结构、干扰测定等等）组成。堆垛机采用触摸屏E470制面板作为人机界面， 17英吋,256K用户内存,16MB RAM。
（3）、Interbus系统
本系统使用西门子Profibus（ET 200L系列）产品现场总线用来减少整个系统电缆和端子连接的数目。把分布的输入/输出组件及自动操纵的装置（操作和指示装置，传动机构，编码器）通过串行传输方法连接到PLC上。PLC和高级WMS控制系统通讯，实现远程在线控制，PLC向下与较低级的现场总线器件交换连续传输的数据，现场总线再将数据下传给各个控制器件。数据交换是在两个方向同时循环进行的，互不干扰。
现场总线技术使传感器和控制箱的安装位置分散开来，现场设备和输入组件定位紧密。在工厂即可装配和全面检测操作台。
为了保证现场总线数据的长距离、运动中传输，设计中采用LS600-DA是一个用于无线，串行数据传输的远红外光电器件。LS 600-DA利用远红外光在两个传输通道进行数据传输，从而避免数据传输期间发生冲突。从实现堆垛机在运动中传输数据，避免连线限制。
（4）、变频器类型与功能
垂直、水平两个运动电机均采用DC变频器（LENZE），DC变频器控制着堆垛机的行进和提升电机，由于采用直流电机，堆垛机运行平稳，加减速和定位精确，速度精度高于0.2‰。
（5）、堆垛机上各个检测传感器安装的位置、功能作用
a、水平方向检测传感器
水平方向检测传感器分前后两组：限速开关、端点开关、极限位置开关。限速开关、端点开关选用磁性开关，与地面触发磁铁配合使用。极限位置开关选用OMRON小型安全限位开关。
b、垂直方向检测传感器
垂直方向检测传感器分上下两组：端点开关、极限位置开关。端点开关选用磁性开关，与安装在立柱上的触发磁铁配合使用。极限位置开关选用OMRON小型安全限位开
载货台设有货架货位虚实探测器，以确认货架货位是否有货，避免双重入库。当发现货位有货时，停止送货并报警。载货台货叉设有中位检测开关，以防止货叉在堆垛机行走和升降运行时，出现误动作，确保堆垛机运行的安全。
C、载货台检测传感器
左右侧探测开关选用漫反射光电开关。功能探测货架内有无货物。
货物检测开关选用对射型光电开关。一个光电开关为发射端，另一个为接受端。检测载货台内部有无货物。
超高、歪斜探测开关选用镜反射光电开关。与反射板配合使用，探测货物是否太高、歪斜。
货叉中位开关安装在货叉两侧，检测货叉是否在中间位置。
D、保护开关检测传感器
保护开关检测传感器有三种开关组成，分别为：速度过快开关、松绳开关、过载开关。速度过快开关安装在下横梁限速器上。松绳、过载开关安装在上横梁。
(6)、ICS 5000（TRIMBLE）
ICS是一个完全一体化的定位系统。采用了定向间歇操作的闭环控制，在线性系列产品中，是最先进的。它是针对那些把最大可能的吞吐货物量与平稳而精确的控制溶为一起，本系统安装2个ICS。用来水平和垂直定位。
(7)、激光区域防撞检测仪
本项目使用PLS-115区域防护激光扫描仪，是一款光学测量传感器，它有两个不同半径的测量区域。激光扫描仪（PLS）装在搬运装置的前面和后面。该扫描仪是一个安全仪器，当它探测出行进着的搬运装置在其行进的道路中有物体时，它就能减缓搬运装置的运动速度或使装置停下来。
随着物体所在的位置不同，PLS定义的“警戒区”和“安全区”将触发爬行速度或搬运装置的紧急停车。
(8)、条码扫描仪
本项目使用SICK-CLV410一维码扫描仪,对散货箱条码进行自动扫描，并将条码信息上传给PLC。扫描器安装在输送口的两端。、
（9）、电子称
本系统采用CW1动态电子称重模块，安装在输送口的链条送机上，对进出货箱进行称重测量并将条码信息上传给PLC。
(10)、附属设备
链条机马达采用IBS IP500马达控制器，将马达控制与检测开关融为一体，方便设备检修与维护。
（11）无线AP
多台无线AP通讯，主站设为Access point 模式，其他从站Workgroup bridge模式，然后通过建立相一网段的I地址IP来进行通讯。
实际应用效果
本项目堆垛机设备自投产试运行以来，每日运行上千次，设备运行平稳，状态文稳定，定位精度可靠，达到了堆垛机设计要求。
监视控制站的所有信息，进行显示、操作、记录、数据处理、报表输出，并可以按一定的权限进行控制的组态和参数修改等操作。系统控制站通过控制单元检测和控制装备对整个生产过程实行实时控制，并通过系统总线与操作员站相连，向操作站传递现场的实时数据并且接受操作站的管理和控制信息。从实现立体库堆垛机的自动控制和无纸化管理。
采用IBS总线进行综合的控制，增加输入输出控制点，方便操作和维护；利用总线和模块化设计减少布线量约50%，节省布线资金；利用总线、模块集成，便于查找故障和减少故障，且排除故障快速的特点确保了控制系统的高可靠性。
结束语
本系统经过现场调试，用户考核，系统運行稳定，完全满足工艺控制要求，具有自动化程度高、可靠性高、精确度高、响应时间快、维护量小的特点。同时，提高了生产过程自动化水平、改善了劳动条件、降低了生产成本，使物流自动化仓储堆垛机系统设备的自动化水平迈上了一个新台阶，得到了用户的好评，极具推广价值。
本系实现自动化、智能化、集成化、模块化。安装简单、调试方便，并且大大降低了施工成本，而且技术上先进可行。对于其他类似工程具有借鉴意义。
【参考文献】
JB/T 9018-1999 《有轨巷道式高层货架仓库设计规范》
FEM9.311 堆垛机设计原理；
FEM9.512 堆垛机设计准则；
FEM9.851 堆垛机运行计算原则；