高温电池车间自动库堆垛机安全设计

一、前言

1.1 行业背景

低碳排放是当前世界共同的主题，碳达峰和碳中和已经成为了各个国家关注的重点。新能源行业是未来降低碳排放达到碳中和的重要手段；中国国内的目标是2030年之前碳达峰，联合国要求2050年世界达到碳中和。在国际形势和国内政策的双重影响下，新能源行业蓬勃发展，步入了高速发展的快车道。

新能源电池生产工艺复杂，其中常见的高温浸润、常温分容、高温老化和常温静置等工艺需要用到安全堆垛机设备。

1.2 堆垛机安全要求

在整个电池生产线的设备当中，堆垛机和输送线充当其中的搬运和传输工具，相较于输送线简单的平面动作，作为高速行驶的三维动作堆垛机更加凸显其安全生产的重要性。

在保证安全生产的同时，更要保证操作人员的安全。设备要有自锁、互锁、连锁的安全功能，在人员误操作或者故意错误操作、设备故障报警、车间联动报警的时候亦能够保证人员的安全。开发新的功能和策略进行前期预防，能快速操作将损失伤亡降到最低。

二、安全器件

在堆垛机上涉及到安全的器件非常多，以下分为电气和机械两类进行描述。

2.1 电气器件

西门子安全PLC搭配安全模块，安全模块采用双通道模式进行检测，若器件异常则安全模块报警钝化；安全PLC和安全模块之间是采用比profinet更加安全的profisafe通讯，每个安全模块拥有唯一的profisafe地址。

常规光通讯的使用环境温度为50℃，超温使用时会出现通讯中断的情况，且其使用寿命大大降低；可采用无线通讯的方式，将无线通讯模块置于带有空调的电柜内，只将天线露出即可解决光通讯存在的问题。

三阶使能开关，此开关手握部分包含三个档位，只有握到中间档位才有信号输出。为人员站在设备上操作的时候给出驱动器使能信号。在检修时候能够有效对人员进行操作防呆。

在人员需要进入巷道在非紧急情况下可按“请求”按钮，堆垛机在完成当前任务后停止动作，电磁门锁脱扣可以打开；在紧急情况下可以拍下“急停”按钮，设备立即停止所有动作。在人员进入巷道处理完事情后，关好安全门，将所有开关恢复原位，并长按几秒“复位”，安全门锁自动锁定，设备可以重新接受上位机命令恢复正常工作。

如图1为三阶使能开关和安全门锁。

图1 开关和安全门锁

2.2 机械器件

如下图2为堆垛机的前后方向防撞装置和安装在立柱上的替罪羊。

图2 防撞装置和替罪羊

机械防撞装置其由左侧的撞块和上下两个弹簧件组成，当遇到异物撞块受到挤压进而压缩弹簧，在堆垛机上安装有接近开关检测到撞块后信号触发，设备即停止运行。此设计是在维护模式水平行走过程中，保证维护人员安全。

替罪羊平时放置在载荷台上下升级立柱外侧，通过接近开关检测其是否在位。当人员在载荷台下作业时，取下替罪羊卡在立柱上预先开好的孔里，让载荷台落在替罪羊上，以确保维护人员的安全。

三、安全应用

3.1 原理逻辑

消防安全逻辑：若堆垛机载荷台上出现火情或

者正在取货的过程中发生火情，堆垛机判断取货完成后启动灭火器并关闭载荷台左右两侧的消防卷帘，同时堆垛机自动运行将起火的电池托盘放到消防水槽中。若电池托盘在分容柜或者货架库位中，DTS检测到有火警信号，堆垛机执行消防避让程序，根据火情发生时当前所在位置的不同而执行不同的避让位置。

在堆垛机运行时候，通过激光扫描的配置软件设置扫描的范围，并将其信号传递给控制器，使得堆垛机在不同的距离范围设置不同的响应方式。如可在第一减速区减速到70%、第二减速区减速到30%、在核心区立即停止。

现场要求地面柜和机载柜一柜一屏需要在使用时双屏互锁，禁止一人多机操作。当地面柜触摸屏使用时候，机载柜上的钥匙开关置0位置，屏幕用黄色的屏保遮盖，在此触摸屏对设备进行自动、半自动、手动操作。当机载柜的钥匙开关打到1位置，地面柜触摸屏锁定，借助于三阶使能开关，才能在机载柜上进行半自动和手动、维修操作。

3.2 功能设计

转矩设置如图3所示，控制器采集变频器上该电机的实际扭矩值。图中电机扭矩实际值反映实际实时电机扭矩大小，实际扭矩值超过电机扭矩额定值时会警告，超过电机扭矩阈值会报警停机。电机扭矩最大值为程序中采集到的电机扭矩的实际最大。清除按钮可以清除屏幕设置值和实际的采集值。

图3 转矩设置

鉴于此设备安装了诸如急停、安全门、替罪羊、激光扫描仪、防撞装置等安全器件，安全地图显示各器件的位置和状态，能有效减少操作人员的维护时间如图4所示。

图4 安全地图

四、结语

通过以上的安全设计，能够有效避免绝大多数意外情况的发生，同时能够方便地进行操作和维护，提高了设备的工作效率并降低了故障率。现在设备已经通过客户的测试和验收，投入到高强度、快节拍、严要求、多环境的电池生产线当中，满足了生产和应用的需求。

----好的文章，值得分享----

作者：季华实验室盛飞龙

来源:<<工业设计>>

物流文视界

编辑转发只为传递更多信息，并不代表本号观点。

如有侵权，请联删。

堆垛机立体库在航天军工项目的设计与应用

文｜力鼎智能装备（青岛）集团有限公司

全兴科 李敏 石义民

摘 要：本文介绍堆垛机立体库用于某航天军工项目的仓库储存和出入库作业。随着智能立体仓储的不断发展，立体仓库也开始逐渐用于军工行业，发挥其储存量大，储位密集，占用空间少，出入库效率高，人员使用少等优势。

关键词：堆垛机、货架、设计、立体库

一、项目背景

该航天军工仓库用于储存稀有材料半成品和成品，产品易燃，体积大，减少人为操作有利于产品的储存安全，军工行业保密要求较高，项目需求仅局限于仓储中的部分功能，项目启动时间为2021年8月，工期3个月。

堆垛机能充分利用仓库的垂直空间，其面积实际利用率、储存量远远大于普通的单层储存。货物的储存工作实现机械化和自动化，有效节省人力，提高整个仓储环节的效率。采取先进的管理和储存方式，有效地做到“先进先出”，避免货物无法及时出入库带来的损失。另外储位集中，有利于控制和处理，尤其是应用了计算机技术，不仅能够实现仓储工作的主动控制，还可以进行信息处理，更好地适应黑暗、低温、有毒等独特条件的要求。

二、设计与选型原则

该仓库规划占地面积长度约50米，宽度约9米，高度约10米。立体库的高度，低于仓库顶部照明、暖通、消防、电缆桥架等。在系统设计中，由于军工行业的保密性要求，不能使用Wi-Fi等通信技术，采用光通信传输。在充分满足立体仓库储存及输送系统的功能要求和主要技术指标前提下，遵循系统完整、通畅实用、安全可靠、先进成熟、规范标准的设计思想与原则进行系统设计和设备制造。结合实际情况，总体规划既要满足当前的使用，又要考虑今后的发展，还需要遵循物流行业一些通用性原则:系统最高可靠性和安全性原则；有限空间最大储存量原则；配置流程最合理、最简捷原则；设备选用先进性、成熟性原则；规划合理性、实用性及标准化原则；安装操作简便、人机界面友好、维护简单原则。

三、方案设计

1.设计原则

（1）满足客户需求的原则，货物后期会有长度超过目前储存货物尺寸的情况，储存量低，出入库效率低，为解决这种特殊储存要求，将规划图中的托盘库最下面一列货架设置成可扩展储位，两个货位合并占中只放置一托货物。

（2）托盘、料箱采用条形码管理，采用入库扫码的方式进行出库的数据采集和货物转移确认。

（3）货物入出库规则，线路最短、在巷道组中均布、ABC分类等，按照指定的次序优先出库或先进先出（FIFO）等。

（4）货物存放的原则，同品种分巷道储存，降低故障风险；系统最高可靠性和安全性原则；有限空间最大储存量原则；配置流程合理、简捷原则。

（5）设备选用先进性、规划合理性、实用性及标准化原则；安装操作简便、维护简单原则；性价比最高原则；物流规划向国际标准统一原则；安全性符合或超过国家标准的原则。

2.系统功能分区

方案图（如图1）中系统主要分4个功能区：托盘立体库储存区、托盘出入库暂存区、料箱立库储存区、料箱出入库分拣区。

图1：方案图

3.操作流程说明

（1）原料、半成品和成品来料作业

原料、半成品和成品来料根据SAP下发的定单，对应的容器（托盘或者料箱）物料粘贴的信息标签，并将对应物料放置到容器内，上游完成物料配盘和容器信息绑定。

（2）入库作业

WMS接收上层SAP入库单信息，入库作业分为托盘入库和料箱入库两种。

①托盘入库

.。。AGV由上游搬运物料进行入库作业，与入库口滚筒线接驳后，经自动扫描待入库单条码，检索对应的入库单据，包括物料名称、规格、型号、数量等信息，使物料与托盘形成绑定关系。

.。。所有物料确定无误后，提交至WMS，WMS根据上架原则，分配合适的立库货位给WCS，WCS入库完成后，返回信息至WMS，告知入库完成；WMS反馈信息至SAP，通知其入库完成。

②料箱入库

.。。AGV由上游搬运物料进行入库作业，与入库口滚筒线接驳后，经自动扫描待入库单条码，检索对应的入库单据，包括物料名称、规格、型号、数量等信息，使物料与料箱形成绑定关系。

.。。所有物料确定无误后，提交至WMS，WMS根据上架原则，分配合适的立库货位给WCS，WCS入库完成后。返回信息至WMS，告知入库完成。WMS反馈信息至SAP，通知其入库完成。

（3）出库作业

WMS接到SAP出库单后，系统根据先进先出与空盘先出的原则，自动分配好物料的批次和货位，确定好后，将出库指令传送至WCS，WCS控制立库设备进行出库，当立库将物料推送至出货口。将整托放置到指定出库区域，若是分拣出库，则拣货完成后，将料箱重新上架至立库。最后将数据反馈给SAP，完成出库作业。

4.作业流程

托盘出入库流程如图2所示，料箱出入库流程如图3所示。

图2：托盘出入库流程

图3：料箱出入库流程

四、货架设计

1.货架规划

立体库货架采用独立的钢结构系统，为横梁组合式货架，按当地地震烈度设防（如图4）。

图4：货架

(1)货架材料：选用国内大型钢厂生产的优质型材。

(2)货架有能力承受由货物重量分布不均所造成的变形。

(3)货架的设计和安装考虑足够的安全系数并符合相关国家标准。

(4)货架端部部分加强，以承受由堆垛机入库出库动作引起的横向冲力。

(5)货架顶部、背部和水平面有拉杆保证安装精度和稳定性。

(6)货架的固定以及其他配套的钢架满足指定要求，货架的设计、运输、安装、测量、调试等工作由我司负责。

2.货架结构

高位货架为双货位横梁式货架，每个货格保管2个托盘。货架严格按照《立体仓库焊接式钢结构货架技术条件》设计，保证足够的强度和稳定性。主要由以下几部分组成：货架片、横梁、背部拉杆、水平及水平斜拉杆、吊梁等。

(1)货架片为组合式，是由两个立柱之间用C型型材连接成片状框架，立柱孔距为75mm，连接横梁可以在货架全高范围内做间隔为75mm的调整。

(2)立柱由优质带钢经过冷弯机轧制而成，截面复杂，惯性矩大，承载能力和抗冲性强，采用孔距75mm；结构更加适合组装连接。

(3)横梁是将各货架片连接成一体的构件。横梁采用L型梁，通过挂片同立柱连接，并插入保险销来保证货架的安全性。

(4)垂直拉杆装置分布在货架两端及中部的背后，对整个货架系统起到顺巷道方向的稳定作用。垂直拉杆装置通过螺栓同货架立柱连接在一起。

(5)水平拉杆装置分布在相对于垂直拉杆位置的货架某几层处，对整个结构的平面方向起到稳定作用。水平拉杆通过螺栓同货架连接在一起。

(6)吊梁用于吊装巷道堆垛机天轨，吊梁固定在货架片的顶部；吊梁制作安装的好坏将直接关系到巷道堆垛机的正常运行；由于巷道堆垛机的运行范围超出货架长度方向，为保证堆垛机的运行范围，在货架的两端设置三角支架来保证天轨的长度，并承受由堆垛机入库出库动作引起的横向冲力；货架与地面连接方式采用化学螺栓。

3.货架工艺特点

(1)货架型材截面结构合理，外形美观。

(2)部件焊缝表面焊接均匀，没有裂纹、夹渣、焊瘤、烧穿、弧坑和针状气孔等缺陷。

(3)对按焊缝和贴角焊缝的外形尺寸极限偏差符合GBJ205中有关规定。

(4)货架及零部件表面进行喷漆，涂层厚度达60微米。

(5)涂层表面丰满平滑无色差，无缩孔包花等现象，其质量符合GB6807-86中有关规定。

(6)货架颜色将按照招标方确认的配色方案执行。

4.地面连接方式

(1)货架同地面的联接采用可调地脚的方式，地脚与地基采用化学螺栓固定。

(2)此种结构可以将立柱所传下来的力均匀地分散开，有助于地面承载。

(3)此种联接方式安装、制作方便，地面不平的情况下，通过螺母方便调节，确保货架安装精度。

五、巷道式堆垛机

1.工作原理

巷道堆垛机（如图5）在机架的顶架和底架上分别装有导行轮，夹持着天轨与地轨。走行电机驱动地轨上的走行轮，沿天地轨水平走行；系着升降台的提升钢丝绳，在提升电机的驱动下，以立柱两侧为导向，完成载货台的升降运动；货叉电机驱动一套运动倍增机构，使上叉体完成左右存、取托盘运动。三种运动分别在电控系统协调控制下，完成本巷道对站台托盘的出、入库工作。堆垛机存取货物和运输货物过程中对货物进行状态监测以保证运行安全；具有货叉运动安全互锁功能；超速报警功能；安全的速度控制方法及其他安全防护系统。

图5：巷道堆垛机

2.控制技术

选用世界先进的控制器件，在通用器件上独立开发控制程序，便于器件采购和系统维护，主要采用机载PLC及总线控制技术应用于堆垛机的控制系统。

在堆垛机上应用现场总线技术比一般解决方案节省了大量接线工作，现场出错的可能性大大减少，任何故障都限制在局部，因此故障查找和消除快捷方便，显著地缩短了设备停机时间。

电机驱动技术是堆垛机的关键技术，选用先进驱动器件，采用矢量闭环变频器，圆滑控制，最佳速度输出，实现高速度下运行无货物溃散。

3.机械结构

堆垛机机械部分主要由金属结构、载货台、水平运行机构、起升机构、货叉伸缩机构、导轮装置、安全保护装置组成。

(1)金属结构

立柱与上、下横梁通过法兰定位，用高强度螺栓连接，整个金属结构具有重量轻、抗扭、抗弯性性能好、刚度大、强度高等特点。

(2)载货台

载货台是一个通过动力牵引作上下垂直运动的部件，由垂直框架和水平框架焊接而成的U型结构。在载货台上设置了多方位尺寸检测装置，避免货物托盘在运行过程中尺寸变化而造成的故障。垂直框架用于安装起升导轮和一些安全保护装置。

(3)水平运行机构

水平运行机构是由动力驱动和主被动轮组组成，用于整个设备巷道方向的运行。选用了变频电机直接驱动车轮，质量可靠，维护方便，噪声低。被动轮组采用了偏心结构用来调整整台设备的垂直度和受力变形的影响。

(4)起升机构

起升机构是由动力驱动、卷筒、滑动组和钢丝绳组成，用于提升载货台作垂直运动。选用变频电机直接驱动卷筒，钢丝绳带动载货台上下运动。定滑轮和动滑轮均采用工程尼龙车制而成，此种卷扬方式，噪声低，便于维修和发现隐患。

(5)货叉伸缩机构

货叉伸缩机构是由动力驱动和三叉组成的机构，用于垂直于巷道方向的存取货物运动。下叉固定于载货台上，中间二叉之间通过链条传动作直线差动式伸缩，货叉由优质金属精制而成，成超薄形C型梁体，力学性能佳。

4.运行特点

堆垛机采用变频调速技术，采用更平顺、更可靠的速度技术-S形速度曲线（如图6）控制，运行更加平稳。

图6：S型速度曲线

S型速度曲线加速度的变化连续，可以有效削弱系统冲击和振动，各段加减速平滑过渡，将会使系统运行更加平稳。

其中：α为加速度，ρ加速度变化率，Vmax最大运行速度。

一个完整的S型速度曲线运行周期包括三个阶段：

(1)加速度阶段：0～t3；起动圆角段：0～t1；恒加速段：t1～t2；加速圆角段：t2～t3 。

(2)等速运行阶段：t3～t4 。

(3)减速阶段：t4～t7；减速圆角段：t4～t5；恒减速段：t5～t6；平层圆角段：t6～t7 。

六、计算机软件系统

1.概述

在智能仓库自动化物流系统中，计算机软件系统是自动化物流系统的调度核心和信息存储处理中心，运行于计算机网络环境与数据库系统之上，上联企业信息管理系统，下接工业实时控制系统。它以集成技术为核心，实现物流指令快速、准确的下达及物流执行信息的收集、处理、储存和传送，并做出正确的调度以协调各业务环节，保障各种物料准确调度、及时输送，实现对物流信息的一体化管理，进而实现企业物料高效有序地流动和科学管理以满足企业物流自动化的需要，同时，为上层信息管理系统提供所需的物流信息。

2.设计范围

本项目软件系统作为自动化系统的一个组成部分，主要实现各种物料入库、出库、库存、预警、盘点、统计等业务管理功能，对物料和系统设备进行统一管理和调度，确保物料快速的出入库以及快捷、准确、高效的输送。业务范围包括立体库区、出入库作业区以及分拣区的作业管理及配套物流传输系统的调度管理。同时通过与上层信息管理系统的接口和对接，实现表计仓储和输送管理的自动化、智能化、信息化，提高物料周转和出入库各个环节方面工作效率。

3.设计原则

为了建立一个高效有序的计算机系统，在设计中遵循了以下主要设计原则：

（1）模块化

系统功能模块化，能灵活组合、调用、调整、分步实施，以方便使用。

（2）开放性

采用统一的标准系统接口、通信协议，能兼容不同厂家的同类产品，选择独立于计算机平台的数据库管理系统及开发工具，保证应用系统的可移植性可扩展性。

（3）可靠性

工具软件选用成熟的优秀平台和工具软件，采用模块化设计，保证信息、数据准备无误，确保数据通讯安全和控制的实时性，具备检错、纠错、容错、排错能力，发生故障时，能够迅速恢复系统运行。

（4）易用性

充分考虑操作、管理、维护的可视化，采用友好的人机界面，尽量贴近招标方人员的操作习惯，易学易用，能满足不同计算机水平人员使用。

（5）可维护性

系统应建立在稳定、灵活的信息结构基础上，选用先进的开发工具，采用模块化、层次性、独立性的软件结构，并降低系统维护的频率。

（6）环保性

选用节能环保型设备和产品。

4.控制体系架构（如图7）

图7：体系架构图

按照自动化物流系统的功能，可分为上位信息系统层、物流计算机系统层和物流作业执行层。其中计算机系统层又可以分为系统接口、仓库管理（WMS）、调度控制(WCS)三大模块，分别实现与外围信息系统的接口、物流管理层和物流调度层相应的功能。通过对主机设备、电控系统、数据库服务器、管理软件等统一配置，实现对物流自动化系统的管理和调度。

系统接口，向上可与SAP、生产管理系统以及其它信息管理系统以通用标准的接口方式实现集成、信息互联互通、资源共享，且提供开放、透明的接口，实现各系统之间信息的传送和流转。

仓库管理（WMS）实现仓库管理层的功能，通过对物料和仓库进行全面的信息化管理，跟踪物料与仓库货位的对应关系，控制物料自动出入库，及时准确地反映库内物料的状态、出入库情况、库存状况以及仓库货位状态等，使管理人员能够随时掌握库内物料的储存情况，可有效避免物料在生产过程中出现积压或短缺，控制物料的储存成本，为企业生产决策提供准确、快捷的材料和数据。

调度控制（WCS）是介于WMS系统和物流设备之间的一层管理控制系统。负责协调、调度底层的各种物流设备，使底层的物流设备可以执行WMS仓储控制系统的业务流程，并且在这个过程中完全按照程序预先设定的流程来执行的。同时也能将物流设备的相关状态和数据根据需要实时反映给WMS仓储系统，并提供对物流设备的接口测试。

七、总结

军工航天企业作为国家制造业的核心，不仅代表了高端制造，更是代表了国家先进的技术能力和装备制造能力。其“保密性”、“安全性”“智能性”尤为重要。随着市场环境的快速变化，在内外部因素共同作用下，军工航天企业依托于智能制造与数字化网络技术，通过对生产运输过程进行智能化改造，以达到创新升级、提高安全、降本增效的目标。

智能堆垛机立库在民用方面已经相当广泛，其用于航天军工的智能立库的仓储管理，有利于推进某军工航天企业产品、技术与服务的创新升级，降低传统生产、运输、仓储中的不安全因素，使用现有的科技产品用于自动化传感技术、控制和传输应用，完全可以满足军工行业的特殊保密性要求。

相关问答

仓库管理中的一些中英文简写!我想要关于仓库的一些名词解释,...

[回答]更多的知识你可以去仓库社区看下,仓库社区--仓库管理人员必上的网站,第一个就是的.仓储作业专业术语及其含义1、物品article经济活动中涉及到...

请问:三节式堆垛机货叉的形式都有什么?求解答

[回答]三节式堆垛机货叉(1)单向节流阀不灵(2)起升油缸与活塞的间隙过大,或皮碗老化、损坏(3)分配器安全阀弹簧压力过低或与阀座磨损(4)管路或接头漏油(5)...

通讯超时什么意思?

一、网络通信超时很有可能是你的计算机的问题,有可能是你的计算机在运行一段时间后某个程序(可能是病毒)突然占用大量的带宽资源,阻碍了你正常的网络使用,以...

双伸位堆垛机货叉需要做那些检查工作?帮忙解答一下

[回答]双伸位堆垛机货叉水平、垂直运动两种均有,以垂直运动为主,提升货物。双伸位堆垛机货叉广泛应用于智能立体库、物流自动仓储系统中,配合堆垛机,连接...

自动化售货柜特点有什么拜托了帮个忙

[回答]自动化立体仓库是由立体货架、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、通讯系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管...

何为智能物流?

智能物流是利用集成智能化技术,使物流系统能模仿人的智能,具有思维,感知,学习,推理判断和自行解决物流中某些问题的能力。智能物流的未来发展将会体现出四个...

在线的各位知道吗，三节式堆垛机货叉运作原理是什么?知道的...

[回答]三节式堆垛机货叉的构造是由上叉体(前叉体)、上中叉体、下中叉体、下叉体(固定叉体)等四节或四段叉体组成,再配合导向滚轮、滚动轴承、齿轮齿条、链...

什么是智慧物流?智慧物流未来发展趋势如何?

在北京,"人机CP”创新物流模式应用在货到人系统、智能Shuttle系统、大型分拣线、“黑灯仓库”等场景中,实现了人与机器混合作业的大范围应用。物流园区是指在...

工业机器人难学吗?想学工业机器人从哪里入手?

报告看点梳理:①工业机器人行业概况及发展趋势②核心零部件制造商、本体制造商、系统集成商、机器人应用和下游服务商5大产业链布局③我国工业机器人主要集中...

谁能回答!仓储堆垛机货叉下降时为什么有打卡现象?在线等

[回答]仓储堆垛机货叉广泛应用于智能立体库、物流自动仓储系统中,配合堆垛机,连接托盘输送机系统、尺寸检测条码阅读系统、通讯系统、自动控制系统、计算...