文|李晋青、陈传军、韩亮、徐健

当前工业用地成本呈现连年增长趋势，某一线城市生物医药企业为提升仓储物流智能化水平、提高库容存储能力，引入了北自所（北京）科技发展股份有限公司（下文简称：北自科技）研制的超高型堆垛机智能仓储物流系统，该系统针对超高型堆垛机进行了稳定性、可靠性、高效性等技术优化，提升了物流作业效率和仓储能力。

应用超高型堆垛机立体库解决存储空间不足痛点

近年来，生物医药市场需求不断扩大，企业仓储需求也随之剧增，现有的存储空间已无法满足需求。超高型堆垛机立体库与常规堆垛机立体库在占地面积相同的情况下，库容量可以提升约30%~40%[1]。因此，一些医药企业投资建立了超高型自动化仓储系统，以期在有限的占地面积内提高库容量。

 

与常规堆垛机相比，超高型堆垛机在机械结构方面需要具备足够的强度和刚性，以满足静止、加减速、运行或急停过程中的使用要求。同时，通过优化控制系统，减少堆垛机在正常加减速运行过程中结构受到的交变应力，从而避免设备顶部发生明显晃动。北自科技在堆垛机机械结构优化的基础上，开发了智能防摇摆控制技术，采用匀变加速度直线运动曲线方法进行系统速度控制，使堆垛机在加速和减速过程中速度变化平稳，避免较大的冲击力，从而提高了系统的动态性能。

高达44米的智能仓储物流系统

该生物医药类新建立体库存储各类疫苗产品数十种，仓储温度环境为2~8℃，立体库（含女儿墙）高度达44米。该智能仓储物流系统包含近1万个托盘货位，5套38米超高型堆垛机系统，1套托盘输送系统，1套仓储管理系统（WMS）以及1套监控调度系统（WCS）。

技术要点和创新

优化超高堆垛机机械结构

鉴于提升高度较高，在未加入防摇摆技术时，堆垛机行走到达位置后，立柱顶部通常需要晃动2至3秒的时间才能稳定。为降低超高堆垛机所带来的顶部摇晃，首先在控制系统硬件上进行了相应的防摇摆设计，选择了西门子S7系列PLC作为主控制器，伺服运动控制器驱动水平和垂直异步伺服电机运行。

堆垛机控制系统硬件防摇摆，有别于水平单驱堆垛机，北自科技在规划本方案时，在堆垛机的水平行走方向，设计了两台伺服电机，通过“主从控制”同时驱动堆垛机运行。该设计不仅加快了系统的动态响应速度，也增加了系统运行的平稳性，双驱系统将转动力矩均匀的分配给堆垛机的前后驱动轮，保证了前后轮的负载平衡，可有效的抑制堆垛机上半部分的机械惯量，同时也可以避免系统在加速或减速过程中的打滑现象。

 

 

伺服系统与上位系统采用现场总线进行通信，行走、提升和防摇摆之间通过内部运动控制总线相连。行走和提升均采用双闭环形式，外部测距采用SSI激光测距传感器。伺服控制器负责设备的定位动作、安全保护以及轴间管理。智能化的单轴结构极大提高了设备的运行效率、安全性和维护性。

堆垛机电机端反馈和外部反馈可以同时连接至伺服控制器，实现位置环和速度环全闭环，定位过程中的曲线计算由伺服控制器单独完成。电机温度反馈、制动电阻温度反馈、极限开关、断带开关等安全保护点都可以直接连接驱动器，不仅可以快速响应外部触发，同时也可以通过总线上传至上位系统。防摇摆驱动、提升驱动与行走驱动之间需要一定的安全联锁，这些均可在驱动器内编程实现，无须外部PLC的干预。

先进算法保证系统稳定增加堆垛机使用寿命

堆垛机的作业效率主要取决于系统的运行速度和动态响应时间，但这两个技术指标的提高会使堆垛机立柱的摇摆振幅加剧，进而直接影响堆垛机的系统运行稳定性，为此北自科技推出了堆垛机软件防摇摆技术以提升系统作业效率和运行平稳性。

根据实际运行过程中堆垛机立柱摇摆的频率、幅值以及负载高度，自动生成防摇摆补偿曲线。经实地测验，可节省约10%的停准时间。结果表明堆垛机采用防摇摆功能显著提高了系统的吞吐率，降低了过大立柱摆动振幅造成的立柱冲击疲劳，降低了加速度突变对电机造成伤害，在提升系统运行平稳性的同时，增加了堆垛机的使用寿命。

轴间智能管理模板实现绿色节能

超高型堆垛机随着电机选型的加大，能耗急剧增加，影响着客户的长期运行成本。传统堆垛机的行走和提升是独立的，这在超高堆垛机情况下是不经济的。为此北自科技开发了轴间智能管理模板，即根据系统设定的速度、加速度以及定位距离，系统自动插补计算出合理的曲线，堆垛机按照优化的曲线运行。

 

该系统可以通过插补计算实现堆垛机同时启动同时到达，或者错峰启动同时到达。此外，各轴之间通过直流母线共联实现了能量的交互，如提升在发电状态下反馈的能量，可以被行走使用，进一步实现了绿色节能。

货架纠偏功能实现一次运行到位

在超高型立体库中，货架的高层货位因地面的局部细微沉降而产生误差累积，影响堆垛机的存取稳定性。针对这种情况，北自科技设计了货架纠偏功能，在堆垛机载货台的两侧分别安装一个视觉孔定位传感器，在货架货位上的配合位置安装了定位识别反光板，当堆垛机到达取放货位置时可进行精确的二次定位。堆垛机系统在每次定位成功后，将自动更新堆垛机水平或垂直位置表中存储的定位数据信息，使系统下次定位运行时可以精确的一次运行到目的位置。

应用货架纠偏功能后，当设备放生形变时，定位识别技术能够精确指明货物单元相对于货叉存取的位置。所应用的孔定位传感器的精度能够达到±2mm；并且能够远近景深切换，保证双伸位远近都能准确定位。

大幅提升仓储库容和作业效率

针对该项目，北自科技完成了超高堆垛机机械结构优化、智能防摇摆控制技术应用、轴间运行能量补偿、货架智能纠偏等一系列创新。大幅提升了客户仓储库容水平和出入库效率，为企业进一步提升智能制造水平奠定了坚实的基础。

该项目作为超高堆垛机标杆案列具有很好的参考意义。北自科技每时每刻都在用实际行动践行交付美好的庄严承诺。
 

[1] 章真雄.40m高单立柱巷道堆垛机结构设计与分析[D]. 苏州：苏州大学,2014.

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