摘要：智慧物流的蓬勃发展，使得自动化立体仓库迅速扩张，广泛应用于各行各业。堆垛机作为自动化立体仓库中最重要的设备，各类传感器在其上的精准应用，对于提高仓储生产效率、增强搬运准确性、提升系统安全防护性能、保障设备稳定运行起到了至关重要的作用。
本文以各类传感器组建的感知系统为切入点，详细介绍了传感器在立体仓库堆垛机系统中的应用和功能。基于各类传感器的特点，进行定制化应用，实现了堆垛机的定位检测、关键节点监控、设备状态监控、物料流量统计等功能，提升了货物搬运的准确性和监控的实时性；解决了定位复核、安全防护、机械防撞等诸多安全问题，保证堆垛机和系统的安全稳定运行。
关键词：智慧物流；传感器；堆垛机
一、引言
国内物流行业的蓬勃发展，带动了智慧物流技术的迭代升级，众多感知技术的加持为智慧物流稳定运行保驾护航，其中关键的技术之一便是传感器。传感器作为基础信息数据采集源头，在物流行业的作用逐渐显著，尤其是在堆垛机系统中应用，使得货位识别、超限检测、货物搬运、位置检测、精准定位、动态检测、安全检测、实时通讯、设备之间安全联动等环节更加精准高效。
二、堆垛机控制系统架构
堆垛机是在立体仓库巷道间的轨道上运动的起重运输机械设备，能在三维空间上按照一定的顺序组合进行重复运动。堆垛机根据控制系统下发的命令，将入库平台上的货物存入货架指定货位，完成入库作业；或将指定货位中的货物搬运到出库平台，完成出库作业。
堆垛机控制系统是驱动机械本体行走的大脑，以可编程逻辑控制器（PLC）为核心中枢。包含行走、起升、货叉驱动器组成的驱动系统及配套电机组成的执行器件，各类传感器、编码器组成的信号采集系统，总线通讯传输系统，光通讯、交换机等网络设备组成的以太网通讯系统，PC、触摸屏组成的人机交互系统。
图1 堆垛机控制系统构架
图1是以PLC为核心组建的堆垛机控制系统构架，由众多传感器组成的感知层是金字塔的基石，犹如堆垛机的眼睛和耳朵，帮助堆垛机“眼观六路、耳听八方、听声辨位、触类旁通”。
三、传感器在堆垛机系统中的应用
堆垛机系统中使用到的传感器主要包括光电传感器（漫反射光电、对射光电、镜反射光电、U型检测光电传感器）、接近开关、超声波传感器、激光测距仪、条码测距仪、绝对值编码器、增量型编码器、区域防护扫描仪、磁性开关、限位开关、拉力传感器、安全门锁、拉绳开关等。不同类型传感器根据其各自特点在堆垛机控制系统中起着不同作用。
1.漫反射光电传感器
图2为探货检测与货叉保护开关在堆垛机中的应用。漫反射光电安装在堆垛机载货台两侧，用于检测货架两侧货位占用情况，此为探货检测；货叉保护由上下两组开关组成，用于探测横梁边缘，当两组开关同时触发后，为正常状态，货叉可正常伸叉，保护货叉及货架横梁安全。
图2 探货和货叉保护光电在堆垛机中的应用
双伸位堆垛机常使用带模拟量信号的漫反射光电，用于判断托盘与货叉的距离，更精确地检测货架远端储位的状态。上位系统发送入库指令后，堆垛机可以利用左、右探货开关来判断目标货位有无货物，防止货叉误动作损伤货叉、货架或货物，避免发生安全事故，防患于未然。
2.对射、镜反射光电
图3为对射开关组成的载货台有货检测和尺寸超限检测，一般安装在堆垛机载货台铝型材上，尺寸超限检测可避免堆垛机运行时货物超出载货台安全区域发生碰撞的风险；载货台有货检测，防止有货取货造成的碰撞风险。
图3 对射开关组成的尺寸超限检测、有货检测
镜反开关广泛用于层、列方向定位复核，保证货叉动作安全，避免定位错误导致的撞货风险，增强定位容错率，保证货物和设备安全。
3．接近开关
图4为接近开关在堆垛机中的应用，通常安装在堆垛机货叉两侧和中心，即可用于货叉中位、左右端位置检测，也可用于定位复核。
图4 接近开关在堆垛机中的应用
现阶段堆垛机应用日益广泛，安全生产显得尤为重要。当前主流应用为货叉定位依靠绝对值编码器，接近开关用于复核位置，双重安全确认，保证堆垛机安全作业。
4.磁性开关或U型检测光电
图5为磁性开关在堆垛机中的应用，一般设置在巷道前后或升降末端的位置，作为强制减速检测开关使用。
图5 磁性开关在堆垛机中的应用
U型检测光电和磁性开关虽然工作原理不同，但均可作为堆垛机行驶到末端的强减速开关。堆垛机前后或升降各设置两级减速开关，堆垛机运行到磁性开关磁铁或U型开关检测片位置时触发，PLC命令堆垛机强制降低速度运行，降低运动势能，防止堆垛机在两端失速，保证堆垛机行驶安全。
5.激光测距与条码测距传感器
图6为激光测距在堆垛机中的应用，通常安装在堆垛机本体上，跟随堆垛机行走，用于检测堆垛机行走方向与起升方向的位置，相当于堆垛机的眼睛，通过总线通讯将实时位置信息传输至控制系统，实现精准位置定位。
图6 激光测距在堆垛机中的应用
条码测距不同于激光测距配置反光板实现测距功能，条码测距需配置条码纸实现测距功能。通常巷道距离较远的情况下，因轨道安装误差、地面水平度等原因导致激光点容易偏出反光板，致使位置丢失。因此在巷道较远的情况下建议使用条码测距避免这些问题的出现。
另外一个巷道中配置两个以上的堆垛机时，建议行走方向采用条码测距传感器，这样多台堆垛机可以建立同一个坐标系，方便电控编写避障程序。
6.绝对值编码器
图7为绝对值编码器在堆垛机中的应用，一般安装在货叉电机减速机轴输出端，随着电机正反向转动同步转动，将监控到的实际位置数据上报至PLC，控制系统通过当前位置信息判定货叉取货、放货的左右端位置。
图7 绝对值编码器在堆垛机中的应用
7.增量型编码器
图8为增量型编码器在堆垛机中的应用，通常安装在行走或升降电机轴上，用于监测电机转速，配合变频器完成速度闭环矢量控制。实时向变频器反馈当前电机转速，变频器根据反馈速度实时调整转速，完成的速度闭环控制。
图8 增量型编码器在堆垛机中的应用
8.超声波传感器
图9为超声波开关在堆垛机中的应用，当堆垛机与AGV直接交互时，在堆垛机取放货平台上安装超声波传感器，用于检测AGV上货或卸货动作以及AGV位置，当检测AGV动作完成且到达指定位置后，将安全信号传递至堆垛机，堆垛机通过信号实现动作互锁，确保堆垛机取放货安全。
图9 超声波开关在堆垛机中的应用
当一个巷道有两台以上堆垛机时，通常在堆垛机前后位置安装超声波传感器，实时保持与其他堆垛机的安全距离，当检测距离异常时，堆垛机紧急停止，保证作业和设备的安全。
9.区域扫描仪
图10为区域扫描仪在堆垛机中的应用，区域扫描仪一般用于巷道货物掉落监测、巷道内障碍物或人员检测，检测到异常后堆垛机紧急停止，保护人员、堆垛机及货物安全。
图10 区域扫描仪在堆垛机中的应用
10.安全门锁
图11为安全门锁在堆垛机中的应用，安全门锁安装在堆垛机巷道口的安全门上，安全门通常处于关闭状态，当维修人员进入巷道检修设备时，需打开安全门，安全门锁开门信号触发，堆垛机停止动作，确保维修人员安全。
图11 安全门锁在堆垛机中的应用
11.拉绳开关
图12为拉绳开关在堆垛机中的应用，安装在巷道内部与轨道平行，当人员进入堆垛机巷道内检修，堆垛机失控启动时，及时拖拽拉绳开关将安全信号传递至控制系统，控制系统控制堆垛机紧急停止，保障人身安全。
图12 拉绳开关在堆垛机中的应用
12.限位开关
图13为限位开关在堆垛机中的应用，一般作为堆垛机行走、升降、左右方向的安全限位装置，用于检测堆垛机处于端口终端位置的信息。限位开关与控制电路串联，触发后驱动机构断电，堆垛机急停刹车，保证运行安全及设备不受损伤。
图13 限位开关在堆垛机中的应用
13.拉力传感器
图14为拉力传感器在堆垛机中的应用，拉力传感器作用在牵引堆垛机载货台的钢丝绳上，和配套仪表组成了堆垛机松绳过载装置。通过仪表显示重量，根据预设的重量和标定信息，判断钢丝绳松动或超载的情况，并将安全信息传递至控制系统，控制系统驱动堆垛机紧急停止，防止钢丝绳彻底脱离起升辊筒，导致钢丝绳扭打成团或过载造成钢丝绳断裂及损伤。
图14 拉力传感器在堆垛机中的应用
四、结语
传感器是立体仓库堆垛机系统自动化、可视化、智能化的重要组成部分，其在不同场景的成熟应用，为现代工业和智慧物流的发展提供了可靠保障和数据基础。除了应用在堆垛机系统中，也广泛应用于输送系统、分拣系统、穿梭车、提升机、AGV等智慧物流设备以及其他智能制造领域。
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