【正文】 ：堆垛機采用 X、 Y、 Z 三自由度模式。系 統(tǒng) 中提供：安全保 護 、程序 雙層 保 護 和 電 器 閉鎖 的安全功能；上位機下 達的 指令通 過 PLC 控制系 統(tǒng)來進 而控制堆垛機的 運 行，并完成存取 貨 物的任 務 ；堆垛機有手 動 、自 動操 作方式； 還 可 實現(xiàn) 故障 報 警及故障 處 理。 圖 立體 倉庫 控制 結構圖 堆垛機 堆垛機是自 動 化立體 倉庫 的核心部分，堆垛機必 須 具有 嚴格的 技 術 要求， 這樣 自 動化立體 倉庫 的優(yōu)越性才能 夠 通 過其 表 現(xiàn) 出 來 。相關參數(shù)如表 所示。圖 為固高 FMS平面布局示意圖， 系 統(tǒng) 硬件 結 構如 圖 所示 。 碩士論文 基于固高 FMS 的控制系統(tǒng)設計 5 2 固高 FMS 介紹及系統(tǒng)改進方向 目前，傳統(tǒng)的實驗設備已經(jīng)無法滿足社會對畢業(yè)生在知識的廣度和深度方面的要求。 第五章 FMS 的綜 合 運 行。 第四章 FMS 主要功能模塊的設計。 第三章 立體 倉庫調 度算 法的研究。 本文共分 為 六章， 結 構安排如下： 第一章 緒論 。一 個 好的 FMS 控制系 統(tǒng) 需要 綜 合多種先 進 的 計 算機技 術 ，包括 專 家系 統(tǒng) 、智 能傳 感器技 術 、模糊控制技 術 、神 經(jīng) 網(wǎng) 絡 技 術 等，才能更好的 發(fā)揮 FMS 的 優(yōu)勢 。在系統(tǒng)運行的過程中，這些數(shù)據(jù)相互聯(lián)系，包括數(shù)據(jù)聯(lián)系、決策聯(lián)系和組織聯(lián)系等。 FMS 是一類復雜的實時系統(tǒng)，也是一個多層次、多結構的集成化復雜系統(tǒng)。主要包括系 統(tǒng)規(guī) 劃、系 統(tǒng)監(jiān)督 、 設計 和生 產(chǎn) 控制等部分。 今天，真正成 規(guī) 模的 FMS 并不多，但 FMS 的構想已 經(jīng) 得到了大家的肯定 。 國 家機 電 部“七五”重 點 科 技項目 的支持和 國 家 863 高技 術發(fā) 展 計 劃在自 動 化 領 域 的發(fā) 展使得 FMS 得到極大的重 視和發(fā) 展。 1982年，日 本發(fā) 那科公司建成自 動 化 電 機加工 車間 ，由 60 個 柔性制造 單 元 （ 包括 50 個工業(yè)機器人）和一 個立 體 倉庫組 成，另 有兩 臺自 動引導 臺 車傳 送毛坯和工件，此外 還 有一 個無 人化 電 機 裝配車間 ，它 們 都能 連續(xù) 24 小 時運轉 。 日本，前 蘇聯(lián) 和德 國 等也都在 60 年代末至 70 年代初，先后開 展了 FMS 的研制工作。其主要 設備 是六臺模 塊 化 結 構的多任 務 序 數(shù) 控機床，目的是在 無 人看管的 條 件下，實現(xiàn)晝 夜 24 小 時連續(xù) 加工，但最 終 由于 經(jīng)濟 和技 術 上的困 難 而未全部建成。 它可以加工 較 大批 量規(guī) 格不同的零件。柔性制造系 統(tǒng)適 合加工工序多，形 狀 復 雜， 大批量的零件。 該單 元可以通 過 自 動換 刀具 來 加工不同的 產(chǎn) 品。 80 年代中期使用的 FMS，基本上只是用于切削加工，少部分 應 用于 沖壓 和焊接，而 現(xiàn) 在的 FMS 已 經(jīng) 成 為 了在批量切削加工中以先 進 的自 動 化和高水平的柔性 為 目 標 的制造系 統(tǒng) 。 ⑷ 監(jiān)控管理方面：設計了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了報表的查詢打印功能， 并 對 系 統(tǒng) 的監(jiān) 控 界面 進 行改 進設計 。 本文主要工作包括以下幾 個 方面： ⑴ 作 業(yè)調 度方面： 設計開發(fā)了立體倉庫管理系統(tǒng)中的復雜作業(yè)功能， 包括一 鍵入 /出 庫 作 業(yè) ， 揀選 作 業(yè) 功能，可以一次完成多 個連續(xù)的倉儲 任 務 ，提高了 倉儲 效率。對于保密論文，按保密的有關規(guī)定和程序處理。 學 位 論 文 基于固高 FMS的控制系統(tǒng)設計 申請學位級別 碩士 專業(yè)名稱 控制理論與控制工程 學位授予單位和日期 南 京 理 工 大 學 答辯委員會主席 評閱人 注 1：注明《國際十進分類法 UDC》 的類號。 研究生簽名： 年 月 日 學位論文使用授權聲明 南京理工大學有權保存本學位論文的電子和紙質文檔，可以借閱或上網(wǎng)公布本學位論文的部分或全部內(nèi)容，可以向有關部門或機構送交并授權其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學位論文的部分或全部內(nèi)容。為了讓學生能夠接觸工業(yè)現(xiàn)場的設備，認識工業(yè)現(xiàn)場設備的組織形式和控制形式， 實驗室購 置了一套固高公司的 FMS 系 統(tǒng) ，本文主要基于 該設備 的硬件系 統(tǒng) ， 對 部分控制模 塊和 系統(tǒng)管 理 軟 件 進 行研究和改 進。 ⑶ 系統(tǒng)控制方面：基于 MATLAB 軟件平臺，對堆垛機速度控制系統(tǒng)進行了仿真研究，分析了 PID 調節(jié)器各參數(shù)對速度性 能的影響，得到了理論上的較好參數(shù)。柔性制造系 統(tǒng) 具有部分生 產(chǎn) 管理和加工制造的功能，能 夠進 行機械加工、 裝配 和 質量檢驗 、毛坯制造等，可以有效地提高企 業(yè) 的生 產(chǎn) 和管理效益。柔性制造系 統(tǒng)有 以下三 種類 型 [2]： ? 柔性制造 單 元 柔性制造 單 元（ Flexible Manufacture Cell， 簡稱 FMC）是由一臺或 數(shù)臺數(shù) 控機床構成的加工中心構成的加工 單 元。 ? 柔性制造系 統(tǒng) 柔性制造系 統(tǒng) 是以加工中心或 數(shù) 控機床 為 基 礎 ，另外配 備 合適的 傳 送物料 裝 置 而組成的生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 。 ? 柔性自 動 生 產(chǎn)線 柔性自 動 生 產(chǎn)線是聯(lián) 接多 臺專用 機床，再配 備 合適的自 動運 送 裝 置 而組 成的自 動 生產(chǎn)線。 1967 年，英 國莫 林斯公司首次根據(jù)威廉森提出的 FMS 基本概念，研制了 “ 系 統(tǒng)24” 。 這 種柔性 自 動 化 設備 適于在少品種、大批量的生 產(chǎn) 中使用，在形式上與 傳統(tǒng) 的 自 動 生 產(chǎn)線 相似，所以也叫柔性自 動線。 70 年代末期 ， FMS 在技 術 上和 數(shù) 量上都有 較 大 發(fā) 展， 80 年代初期的 FMS 進 入 實 用階 段，其中由 3～ 5 臺 設備組 成的 FMS 最多，但也有 規(guī) 模更 龐 大的系 統(tǒng) 投入使用。 FMS 系 統(tǒng) 在我 國的發(fā) 展比 較 晚，據(jù) 統(tǒng)計 ，我 國 在 1984 年 開始 研制 FMS，比 國 外晚了整整 17 年。因此 21 世 紀 初在我 國 FMS 開始 全面流行 [4]。 柔性制造系統(tǒng) 的基本 組 成 就機械制造 業(yè) 的柔性制造系 統(tǒng) 而言，其基 本組 成部分有： 軟 件系 統(tǒng) ： 軟 件系 統(tǒng) 是必不可少 的組 成部分，它可以保 證計 算機有效地控制柔性制造系 統(tǒng) 。 自 動 加工系 統(tǒng) ：自 動 加工系 統(tǒng) 是把材料相同，重量、外形、 工藝 、尺寸大致相似的零件集中在一起，利用成 組 技 術 （ GTGroup Technology， 揭示和利用事物 間 的相似性，按照一定的準 則分類 成 組，同組 事物能 夠 采用同一方法 進 行 處 理，以便提高效益的技術 ），用一臺或 數(shù)臺數(shù) 控機床或 專用 機床等 進 行 設備 加工的系 統(tǒng) [5]。 FMS 中有基本數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)這三種不同類型的數(shù)據(jù)。因此，它1 緒論 碩士論文 4 的發(fā) 展已 經(jīng) 成 為 了一 個 企 業(yè)現(xiàn) 代化的重 要標 志。最后 將設計成 果 應 用于系 統(tǒng) ，完成了 FMS 的綜 合 調試 。 詳細 介 紹 了固高 FMS 的整體結構和各功能組件的技術參數(shù)；描述了系統(tǒng)的所有功能；針對原系統(tǒng)存在的不足，提出了系統(tǒng)改進的方向。分析仿真 結 果，得到了適于本系 統(tǒng) 的最優(yōu) 調 度算法。改進了堆垛機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對堆垛機的快速定位和更好的速度控制。對本文工作進行總結，提出了進一步研究的方向。本課題是基于該綜合平臺，對物流、控制、總線等相關技術進行研究，進一步開發(fā)系統(tǒng)平臺的功能，改善系統(tǒng)的控制性能和調度策略。自動化立體倉庫倉位編碼規(guī)定：從左到右，從下到上。立體 倉庫 控制 結 構如 圖 所示。 運 行起升機構采用旋 轉編碼 器和光 電 定位伸叉。堆垛 機內(nèi) 置的 運動 控制器可 實現(xiàn)運動 控制 軸 的多 軸 協(xié)調控 制， 遠遠 優(yōu)于“ PLC+變頻 器控制”的方式。 Z 方向采用三 級貨 叉伸出形式， 貨 叉可以上升或下降， 來實現(xiàn)雙向 取出或放置 貨 物。系 統(tǒng) 通 過 PLC 處 理 流水線 各 個 光 電開關的 采集信 號 ，以及 對流水 線 和機器人 運 行 邏輯 控制，可以按要求添加按位或者 檢測行程開關 等。本系 統(tǒng) 中的 皮帶在線 安 裝 了 3 個 歐姆龍 光 電 感 應開關，當 托 盤經(jīng)過這些開關的時 候，光 電 感 應開關 可以 檢測 到信 號 ，并反饋 給 系 統(tǒng) ，然后根據(jù)中央控制 計 算機設 定的 虛擬 工位停留的 時間 控制 皮帶線 停下。 AGV 具有三 色聲光報 警功能，它在 運 行中遇到障 礙物時將 自 動 停 車 ，當 障 礙物 消失 時 ，能自 動 恢復 運轉 。也可作 為開 放式 數(shù) 控 設備 平臺使用。 ? 自 動 控制柜，可以完成 對雕 刻機的 驅動 功能，它 內(nèi) 部的 PLC 可以完成 將控 制流 信 號轉 化 為電 信 號 。 雕刻機加工過程如圖 所示?？刂?終 端通 過總線 把信 號傳遞給 主控 PLC控制 電 機 運動 ，最 終 控制 傳 送 帶 的 運 行 [7]。 出 庫 操作 出庫操作和入庫操作的順序是相反的。最后同樣的光電傳感器，采集信號來發(fā)出指令控制電機 使得皮帶停止。移庫操作基本都是發(fā)生在一個巷道內(nèi)。這樣做有利于管理，可增加倉庫的庫存能力，避免物品因過期而浪費。 雕刻功能 雕刻模塊的功能是控制雕刻機的雕刻，在模塊上面可以雕刻成用戶所需要的產(chǎn)品。主要由車架、蓄電池（充電裝置）、電氣系統(tǒng)、驅動裝置、轉向裝置、自動認址和精確停位系統(tǒng)、自動導向系統(tǒng)和無線通訊系統(tǒng)等組成。然后小車接受到 PLC 發(fā)來的信號 沿鋪設好的路線行至倉庫 后 貨物。本課題基于該綜合平臺，對堆垛機嵌入式控制、現(xiàn)代優(yōu)化調度算法等相關技術作進一步的研究和開發(fā)。 復雜作業(yè)可以一次完成多 個連續(xù)的倉儲 任 務 ， 節(jié) 省 時間 ， 倉儲 效率得到提高。 ? 堆垛機控制系 統(tǒng) ： 該 系 統(tǒng) 是控制系 統(tǒng) 的核心。 實驗仿真了不同的 PID 參數(shù)下的電流和速度圖形。本文對上述管理功能模塊進行了分析和設計。 TSP 可分為非對稱距離和對稱距離兩大類問題。 TSP 問題就是尋找一條最短的遍歷 n個城市的路徑，也就是搜索整數(shù)子集},2,1{ nX ?? ，其中 X 表示對城市的編號。 實踐表明，揀選 作業(yè)可提高自動化立體倉庫的工作效率。堆垛機對每個倉位都依次走一遍，那么如何走才是最短的路徑， TSP 問題就是要研究的內(nèi)容。 自動化立體倉庫系統(tǒng)是由機械和電氣、強電控制和弱電控制相結合的產(chǎn)品。 3 立體倉庫調度算法的研究 碩士論文 14 ? 堆垛機。貨物 在入庫前先在入庫臺等待巷道堆垛機的取貨入貨；貨物 在出庫時先被巷道堆垛機從貨架上取出，通過輸送系統(tǒng)運送到出庫站臺上等待運出?？梢愿鶕?jù)具體 的需要來選取合適的輸送線路。本系統(tǒng)采用計算機控制和管理，不同的控制方式可以控制不同的自 動化立體倉庫。 自動化立體倉庫的發(fā)展主要經(jīng)歷了五個大的階段 [14]：第一代機械式立體倉庫系統(tǒng)(Mechanical Highrise Warehouse System)；第二代自動化倉庫系統(tǒng)；第三代集成化立體倉庫系統(tǒng)；第四代智能型立體倉庫系統(tǒng)；第五代“ 3I” (Intelligent， Integrated， Information)。 1992 年清華大學建成了我國第一個CIMS 環(huán)境下的實驗工程物流系統(tǒng)，中科院沈陽自動化研究所開發(fā)研制了電磁導引自動車 [15]。大連理工大學的李梅娟的改進蟻群算法應用在含多個約束條件的揀選作業(yè)路徑規(guī)劃問題，提高了自動化立體倉庫的作業(yè)效率 [19]。美國的 RUSSELL 等人將 M=max(X,Y)的概率密度問題應用到多貨叉堆垛機的貨物存取優(yōu)化策略方面，以達到減少貨物的存取時間最短 [21]。它是指先到的作業(yè)優(yōu)先進入任務隊列，執(zhí)行系統(tǒng)按照任務來的先后來執(zhí)行。該策略的缺點是對長作業(yè)任務不利，在短任務總是優(yōu)先的情況下，長任務總是被放置到最后，而不考慮它進入任務隊列的時間 [23]。 在確定優(yōu)先權的時候有兩種方法：靜態(tài)優(yōu)先權和動態(tài) 優(yōu)先權。 對比以上的策略，高響應比優(yōu)先調度策略是一個比較好的策略，因為該策略首先通過優(yōu)先級照顧到了每個作業(yè)的優(yōu)先級別，又通過引入的響應比 r 來確保了長作業(yè)最后也能夠得到響應。首先， 它利用了編碼技術，作用于染色體，然后模擬其進化過程。到八十年代末期，隨著生物學的發(fā)展，由密歇安大學的 Holland[28,29]等