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摘要

随着电商行业的迅速发展，各种企业对物流行业的需求及要求也愈加强烈，传统的仓储方式已经不足以满足现代物流行业的需求，因此自动化立体仓库随着时代的发展，逐渐走入大众的视野，该系统是一种新型物流仓储系统，高效的运作方式可以实现解放人力，有着划时代的意义。而穿梭车作为运输设备，对自动化立体仓库的正常运作有着极其重要的意义。本文基于国内外研究现状，针对穿梭车在速度控制这方面不足、定位精度不足、机械结构自动化不足的问题进行优化设计。本文主要依据可编程逻辑控制器技术、电机拖动原理、自动控制原理等基础原理，并根据市面上已有的穿梭车参数及其需求进行优化研究设计。首先，以电机拖动原理为基础，进行穿梭车各个模块的选型并构建穿梭车的机械结构。将S型速度曲线加减速算法运用到穿梭车的速度控制中，以获得穿梭车更优的速度控制方案，并运用可编程控制器完成控制系统部分的PLC设计流程图的绘制。并对后续需要进行的工作进行详细介绍，包括机械结构、模块选型、算法优化、程序流程图设计等内容。最后，对上述提出的S型速度曲线加减速算法进行Matlab软件仿真，证明该方案的可行性。

关键词：自动化立体仓库  智能穿梭车  S型速度曲线  可编程控制器

Abstract

 With the rapid development of e-commerce industry, the demands and requirements of various enterprises for the logistics industry are more and more intense. The traditional storage mode is not enough to meet the needs of the modern logistics industry. Therefore, with the development of the times, the automatic three-dimensional warehouse gradually enters the public's vision. The system is a new logistics storage system, and the efficient operation mode can realize the liberation of human resources With epoch-making significance. As a transportation equipment, shuttle car is of great significance to the normal operation of automated warehouse. Based on the research status at home and abroad, this paper optimizes the design of shuttle in terms of speed control, positioning accuracy and mechanical structure automation. This paper is mainly based on the PLC technology, motor driving principle, automatic control principle and other basic principles, and according to the existing shuttle parameters and their needs on the market for optimization research and design. First of all, based on the principle of motor driving, the model selection of each module of the shuttle is carried out and the mechanical structure of the shuttle is constructed. The acceleration and deceleration algorithm of S-type speed curve is applied to the speed control of the shuttle, so as to obtain a better speed control scheme of the shuttle, and the PLC design flow chart of the control system is completed by using the programmable controller.And the design of shuttle control system is introduced in detail, including mechanical structure, module selection, algorithm optimization, program flow chart design and so on, and the research contents of each part are introduced in detail according to the actual needs. Finally, the simulation of the S-shaped speed curve acceleration and deceleration algorithm is carried out by MATLAB software, which proves the feasibility of the scheme.

Key words Automated warehouse  Intelligent shuttle  S-shaped speed curve  Programmable controller

引言

近年来，自动化立体仓库这一新兴仓储方式走入大众的视线，自动化立体仓库具有：操作智能化、节约人力、节约占地面积，仓储容量大等特点[[[] De Donno D, Catarinucci L, Tarricone L. A Battery-Assisted Sensor-Enhanced RFID TagEnabling Heterogeneous Wireless Sensor Networks [J]. IEEE Sensors Journal, 2014,14(4):1048-1055.]]；自动化立体仓库现已成为越来越多的企业的主流仓储方式。

自动化立体仓库（Automation technology）是指不进行人工工作，可以进行自动化操作就能存入获取出货物的系统，广泛用于工业物流、家电汽车以及食品生产的行业[[[]杨映. 基于分类随机策略的自动化立体库存取优化研究[D]. 天津科技大学.2015.]]。一般由货物存取机、存储机构、输送设备以及以上位机控制为基础的高效率控制系统这几部分组成。自动化立体仓库的快速发展得益于科学技术的迅速发展，自问世以来就饱受物流行业欢迎。自动化立体仓库系统主体部分有高层货架组成，可以大幅度提高仓库的仓储水平，与传统仓库相比对占地要求更低，具有较高的储存效率。该系统是一种新型物流仓储系统，高效的运作方式可以实现解放人力，有着划时代的意义。广泛应用于食品生产、医疗设备等专业领域，已经成为现在主流仓储方式[[[] Archetti,F. ， Schionmachen,A ， Gaivoronski,A.Optimal control policies for automatedstorage/retrieval system using PN models and stochastic optimization[C]. FourthInternational Workshop on Petri Nets and Performance Models，1991，Melbourne, Vic.,Australia，258-267.]]。

智能穿梭车是一种自动化智能运输设备，有动态转移的显著特点，属于自动化立体仓库系统中运输环节，可以极大的提高物料运输的效率，实现立体仓库系统中各个环节更加紧凑。通过可编程控制器实现对穿梭车的控制，穿梭车通过光电传感器进行准确定位，在系统的各个工位中穿梭，从而实现物料的出库入库以及在轨道上的运输环节，主要应用于立体仓库系统中货物的往复输送，自动化程度高、存取货物灵活。

穿梭车作为自动化立体仓库系统中极其重要的运输设备，其自动化程度决定了立体仓库系统的工作效率高低[[[]黄学飞. 中小型自动化立体仓库的智能管理控制系统研制[D]. 浙江大学.2007.]]。通过对穿梭车的机械结构进行优化可实现穿梭车在机械结构层面的自动化；对于更高层面的控制系统，由于有轨穿梭车轨道材质的特殊性，需要更为精确的定位方式实现穿梭车在正常运行中的精确性，以光电传感器设备为基础，还需要更为优化的速度控制方式来提高穿梭车的运动定位精准度，因此基于穿梭车机械结构的速度控制方案研究也具有重要意义。

研究现状

自动化立体仓库研究现状

自动化立体仓库是物流仓储出现的新概念，是一种以高层立体货架为基础，以自动化控制技术和上位机设备等控制系统为辅的一种智能仓储系统[[[] 廖理. 仓储机电设备运行状态监测系统的设计与实现[D]. 兰州交通大学.2015.]]，通过穿梭车等运输设备进行货物的存取。货架层数越高，意味着土地使用率越高。该系统的主要优势就是利用高层货架进行物料与货物的存储，有利于货物的分类储存，因此被称为立体仓库[[[]董皓. 基于排队论理论的自动化立体仓库系统的规划设计及仿真研究[D]. 兰州交通大学.2010]]。

在自动化立体仓库是研发与使用方面，我国明显晚于其他发达国家，直到上世纪七十年代，我国才真正意义上出现立体仓库。1980年，以北京工业研究所为首一些研发单位设计的我国第一座自动化立体仓库在北京汽车制造厂投入使用。目前，我国越来越多的自动化立体仓库投入使用，并且自动化立体仓库技术也日渐成熟，基本实现与其他信息集成系统的互通，现阶段我国的研究工作重点是智能控制与模糊控制方向[[[] 刘大平. 物流自动化存取过程中的交互控制[D]. 武汉理工大学.2005.]]。随着我国经济的高速发展，自动化立体技术已与发达国家齐平。

自动化立体仓库的发展过程可分为五个阶段，从1950年后期到二十世纪前期，仓储物流系统的主要发展方向就是仓储智能化。

第一阶段：人工仓储技术阶段。在这一阶段，货物的运输、储存、管理等主要工作全部依靠人力完成。到目前为止，世界上仍有许多国家的仓储物流系统水平停留在此阶段。人工仓储的优点就是高度的直观性和实时性，操作透明，比较直观，面对面的交流可以减少对接出现的问题。但是缺点相对明显，人工成本高，人工的失误易造成货物的耗损。

第二阶段：机械化仓储物流技术阶段。在这个阶段，各式各样的运输机、机械手、工业吊车、升降机和码垛机是货物运输的主要手段，但是这些机械设备还是主要依靠人工操作。这一阶段，物资的储存速率得到明显的提高，人力资本相对降低了许多。

第三阶段：自动化存储技术阶段。自动化技术在仓储物流技术中的应用得到了发展。1950年到1960年，自动引导车、自动存取机相继应用到仓储物流中，自动化技术第一次应用到仓储系统。到了上世纪七十年代到八十年代，可移动式货架、旋转式货架、码垛机也相继应用到仓储系统中。随着计算机的发展，该技术也应用到自动化立体仓库系统中，自动化仓储的工作重点逐渐转移到货物的实时管理与控制，也逐渐成为自动化仓库控制系统的核心与重点。

第四阶段：集成自动化仓储阶段。上世纪七十年代到八十年代，越来越多的企业与行业开始应用自动化立体仓储系统，这一系统包括人、设备和控制系统几个要素，以前三个阶段为基础，首次出现“集成系统”的概念，该系统的协调性所带来的效益远大于单独效益的总和[[[]互联网. 基于自适应遗传算法的自动化立体仓库堆垛机路径优化[M].]]。

第五阶段：智能自动化仓储阶段。随着人工智能技术的日益成熟，仓储物流也向着自动化方向发展。目前，智能化仓储技术的发展仍在初级阶段，但是相信在未来的一段时间内，智能仓储技术必将日益成熟，有着更广阔的发展前景。

穿梭车研究现状

随着自动化立体仓库的高速发展，作为系统中最重要环节的穿梭车也引起了各国研究者的进一步研究[[[]  Philipp.J. Hortig. Steven M. DeMan. Shuttle for Automated Warehouse[P]. US PATENT: 13/246, 160.]]。

日本的大福公司（DAIFUKU）研发的几种穿梭车，如无轨运行节能型运输车(FAV、FAC)、有轨高速分拣车（STV）和安装在天花板的单轨悬挂运输车（SPC）。无轨运行节能穿梭车可以进行横行、斜行等多种动作的全方向移动，有轨高速分拣车可以与自动仓库组合形成高度复合系统，单轨悬挂运输车在天花板上设置轨道，运送集装箱和纸箱箱子的天花板。可以有效利用顶棚空间实现灵活的布局，节约用地面积[[[]黄学飞. 中小型自动化立体仓库的智能管理控制系统研制[D]. 浙江大学.2007.]]。

我国对自动化立体仓库的应用历史相对较短，目前取得成就如下：

（1）昆明船舶公司对穿梭车的研究时间较长，取得的成就较多，在2001年研发出一种双轨直线型往复式穿梭车，并根据穿梭车的机械结构在实际应用进行了详细阐述[[[] Kyung Joon Sohn,Hyun Yong Lee,Joonyeob Song.Development of Operating Software forAS/RS including Communication Protocol.IE Interfaces,1995,Vol.8,No.1,pp.45-52.]]。

（2）2004年，国内自主研发设计的一款具有货物归类功能的穿梭车，根据原有的往复式穿梭车具有的功能，添加了货物识别功能，有效解决了如何自动进行货物归类这一难题[[[] Marculescu D, Marculescu R, Park S, et. Ready to Ware [J]. IEEE Spectrum, 2003,40.]]。

（3）2010年，天津万事达公司研发设计一款顶升式穿梭车。通过调整行走轴与顶升轴的关系，实现单层往复工作和跨层顶升工作相互独立，这种穿梭车的顶升效率的到了提高，但是缺点就是顶升轴材质为空心的，对货物的重量要求较高，仅适用于负载较轻的工作场合。

总结

本文主要研究往复穿梭车机械机构选型、自动控制、速度控制以及PLC流程图等关键技术，并根据穿梭车实际应用与参数要求进行优化设计。根据国内外穿梭车的研究现状，确定穿梭车的功能要求和设计方案。进行机械结构选型，详细介绍硬件选择的原理和相关技术指标，并介绍设备结构。主要硬件设备包括电源模块、电机选型、行走模块、伸叉模块和机械传动模块等。对现有S型速度曲线进行理论分析，并将S型速度曲线应用于穿梭车得的速度控制方案中，在根据实际应用中的难题对原S型速度曲线进行优化设计，最后通过Matlab仿真及结果分析。系统的软件设计，根据穿梭车的参数和工作要求绘制部分PLC流程图，包括手动控制流程图、自动控制流程图和加减速控制流程图。

 

参考文献

[] De Donno D, Catarinucci L, Tarricone L. A Battery-Assisted Sensor-Enhanced RFID TagEnabling Heterogeneous Wireless Sensor Networks [J]. IEEE Sensors Journal, 2014,14(4):1048-1055.

[]杨映. 基于分类随机策略的自动化立体库存取优化研究[D]. 天津科技大学.2015.

[] Archetti,F. ， Schionmachen,A ， Gaivoronski,A.Optimal control policies for automatedstorage/retrieval system using PN models and stochastic optimization[C]. FourthInternational Workshop on Petri Nets and Performance Models，1991，Melbourne, Vic.,Australia，258-267.

[]黄学飞. 中小型自动化立体仓库的智能管理控制系统研制[D]. 浙江大学.2007.

[] 廖理. 仓储机电设备运行状态监测系统的设计与实现[D]. 兰州交通大学.2015.

[]董皓. 基于排队论理论的自动化立体仓库系统的规划设计及仿真研究[D]. 兰州交通大学.2010

[] 刘大平. 物流自动化存取过程中的交互控制[D]. 武汉理工大学.2005.

[]互联网. 基于自适应遗传算法的自动化立体仓库堆垛机路径优化[M].

[]  Philipp.J. Hortig. Steven M. DeMan. Shuttle for Automated Warehouse[P]. US PATENT: 13/246, 160.

[]黄学飞. 中小型自动化立体仓库的智能管理控制系统研制[D]. 浙江大学.2007.

[] Kyung Joon Sohn,Hyun Yong Lee,Joonyeob Song.Development of Operating Software forAS/RS including Communication Protocol.IE Interfaces,1995,Vol.8,No.1,pp.45-52.

[] Marculescu D, Marculescu R, Park S, et. Ready to Ware [J]. IEEE Spectrum, 2003,40.