摘要：堆垛机在重型智能仓储场景中运用越来越广泛，为提升堆垛机在实际应用场景中的稳定性，使其在异常情况下仍能完成紧急任务的出入库作业。本文基于实际案例针对堆垛机重要部件进行冗余设计，并增加提升、插取机构手动装置，最终实现堆垛机在异常情况下依旧能够不停机，完成紧急任务。对后续重载堆垛机安全性设计具备一定参考价值。
关键词：冗余设计；堆垛机；手动装置
作者：周兵
一
引言
随着自动化技术的不断发展，重载堆垛机在智能仓储系统中的应用日益深入，实现了物料的高效自动化搬运与精准存取，显著提升了仓储作业效率。然而，重载堆垛机在实际运行过程中仍面临诸多安全隐患，尤其是在高负荷、连续作业环境下，关键部件的突发故障可能导致严重事故。一旦堆垛机失去运行能力，整个仓库就会面临瘫痪的风险，影响物流生产的正常运转。本文主要从重载堆垛机主要机构的冗余设计、异常或断电情况下的手动操作模式以及控制系统的冗余设计这三个方面，保障堆垛机在实际场景中的稳定运行。
二
重载堆垛机开发需求
基于项目现场的实际工况，仓库设计为以重载堆垛机为执行机构的高位立体库，仓库尺寸为150m×10m×7m（L×W×H），存储物料为外形尺寸6 m×1.2 m×1.2 m（L×W×H）质量为3.5t的箱式货物，整个系统通过堆垛机完成货物的出入库动作，因此对堆垛机的安全及稳定性提出了更高要求，对容易造成堆垛机无法工作的关键结构及系统提出了如下设计要求：
（1）堆垛机PLC控制系统、24V供电系统均采用双回路冗余设计，保证一路故障后，备用系统可立即切换保证堆垛机继续运行。
（2）行走电机、激光测距等关键环节采用冗余备份设计，主电机及激光测距故障后可手动切换至备用电机、激光测距，保证堆垛机继续执行出入库作业。
（3）行走、升降、货叉伸缩等关键功能具备应急救援功能，在停电等极端情况下可以手动的方式实现货物的取放。
三
堆垛机行走机构冗余设计
堆垛机行走机构是堆垛机在工作过程中使用频率最高的机构，行走机构的安全稳定性决定了整个堆垛机的稳定性。行走机构由行走电机、行走轮、减速机、行走车轮座、轨道刷、安全夹钩、行走导向轮组成（如图1）。减速电机借助键轴传递动力，确保动力稳定；通过法兰盘固定，保证输出轴同心且连接强度可靠；车轮装置通过胀套固定在轴上[1]，保证连接的稳定性和安全性；轴承装置由轴承固定套，调心滚子轴承及密封装置组成。
图1 行走机构示意图
在下横梁上装有两套行走机构（如图2），行走机构采用双G120变频器实现双闭环控制，结合SSI绝对值激光测距和电机尾部编码器的直接接入，确保了设备的平稳启停和防摇功能。通过S型控制曲线和变加速度的策略，提高了设备的稳定性和运行效率。在正常工作模式下，两套电机系统同时运行，以保证生产连续性。一旦检测到其中一套系统出现异常，PLC将发出报警信号，操作人员在确认故障后，可以通过触摸屏上的按钮进行切换，使另一套系统独立运行，确保生产线的稳定运行。
图2 双电机示意图
行走配置双激光测距，两路都接到变频器中进行位置控制[2]，调试时设置两套变频器参数，其中一套参数作为主控制，另外一路数据作为校验数据。两路光测距数据和与固定值（巷道总长与两路光测距间距的差值）偏差±3mm内时，判定数据正常。如果误差大于±3mm时，设备报警。如果出现异常，异常时仅一个变频器工作，由正常工作的激光测距作为主数据，可通过触摸屏按钮进行切换（如图3）。
图3 行走控制电气原理图
四
手动操作设计
该设计旨在满足堆垛机在运行过程中遭遇断电或电器部件损坏，且无法立即修复时的应急操作需求，确保紧急物料能够通过人工操作完成出入库。主要针对堆垛机的提升、货叉伸缩等主要动作进行手动操作设计。
1. 提升机构手动操作设计
在堆垛机的上横梁设置2个手动葫芦安装点，并在载货台上配置2个葫芦吊环（如图4）。在意外断电时，可通过手拉葫芦实现载货台的升降操作。设计采用规格为HBSQ10、额定载重量为10t的手拉葫芦[3]。将载货台两侧分别挂上手拉葫芦，手拉葫芦上吊钩固定在上横梁上并把下吊钩固定到载货台上，固定好后扳动电机上刹车手动释杆，可以利用手拉葫芦进行升降操作。通电后，需先将手动释放杆复位，缓慢提升电机，待钢丝绳承载后，检查钢丝绳经过的定滑轮、动滑轮及卷筒缠绕情况[4]，确认正常后方可取下手拉葫芦。
图4 手动葫芦示意图
2. 货叉手动操作设计
货叉输入侧增设手动操作机构，该机构通过链条与货叉输入轴相连[5]，手柄设计为可折叠或快速装卸式，以便在断电时通过操作手轮实现货叉的伸缩（如图5）。
图5 货叉手动操作机构
在人工操作情况下，以0.1m/s²的加速度进行计算，根据图6所示的计算方法，货叉输入轴所需扭矩为98Nm。在输入轴前增加链条减速装置，速比为1:4，需要扭矩25Nm，手轮半径0.2m，需要推力为125N，符合常人力量。
图6 手轮转动情况下货叉输入扭矩
堆垛机采用2台CPU 1517H-3PN组成冗余控制核心[6]（如图7），当1台CPU宕机时，另外1台CPU可无缝在线切换，自动接管堆垛机的控制任务。过程数据和用户程序均冗余保存，可有效确保CPU发生故障时数据不会丢失。更换故障CPU并切换为RUN模式后，冗余系统将自动使用新CPU中的用户程序同步该项目。这一解决方案不仅可节省大量维护时间，同时还可有效降低仓库的停机成本。
图7 PLC冗余示意图
采用2个西门子开关电源（6EP3336-3SA00-0AY0）和1个西门子冗余电源（6EP19613BA21）组合（如图8），确保24V直流回路供电稳定。当其中一个开关电源损坏时，在冗余电源作用下将损坏的开关电源隔离，同时下游耗电设备将由另一个开关电源供电。
图8 24V供电冗余设计
五
现场应用
本项目在现场完成了安装调试后，针对堆垛机冗余设计及手动操作功能进行模拟测试，测试堆垛机是否能够实现24V供电回路、PLC控制系统双冗余自动切换功能以及堆垛机断电情况下手动应急功能。
1.堆垛机24V供电回路冗余功能测试
堆垛机内的传感器等弱电电气部件均由24V供电回路提供电力。若24V供电回路发生故障，堆垛机将立即发出警报并停止运行，进而对整个生产过程造成影响。为确保堆垛机稳定运行，设备采用两套24V供电回路进行供电，二者相互冗余，能够自动切换。在运行过程中对24V供电回路的自动切换功能进行测试，具体测试方法如下：
（1）通过机载柜触摸屏，下发搬运指令；
（2）在堆垛机运动状态下，手动断开任意一路开关电源短路器，仅保持1#或者2#开关电源断路器一路闭合，观察设备是否正常运行；
（3）重复上述实验3次。
在现场实验过程中，通过3次重复测试，堆垛机均能够自动实现24V开关电源切换，并不停机完成初始搬运任务。这表明堆垛机具备24V供电回路冗余功能，可以在任何一路供电回路故障情况下实现自动切换功能，避免堆垛机故障停机。
2.堆垛机PLC冗余功能测试
PLC是堆垛机整个运动控制的核心设备，PLC一旦故障会造成整个设备的瘫痪，为保证堆垛机稳定无故障运行，该项目中采用双PLC冗余系统，在运行过程中主PLC故障后，备用PLC自动接管程序，完成当前执行任务。设备调试完成后，针对堆垛机PLC冗余功能进行实际功能测试，测试办法如下：
（1）通过机载柜触摸屏，下发搬运指令；
（2）在堆垛机运动状态下，分别断开PLC01或者PLC02，仅保留一个PLC通电观察设备是否正常运行；
（3）重复上述实验3次。
在现场实验过程中，通过3次重复测试，堆垛机在断开PLC01或PLC02电源时，触摸屏提示“PLC01异常”或“PLC02异常”，并完成已下发搬运指令。结果表明堆垛机PLC冗余功能具备设计功能，能够在运行过程中实现自动切换功能，确保系统继续运行。
3.堆垛机行走驱动冗余功能测试
堆垛机行走驱动是堆垛机运行过程中使用频率最高的执行机构，故障概率也最高，在该项目中采用双行走驱动机构降低行走机构故障，调试完成后，在实际中运行中对行走驱动冗余进行功能测试：
（1）在堆垛机静止状态下，分别断开1#或者2#行走电机变频器的输入端断路器，仅保留一路行走电机变频器闭合；
（2）通过地面柜触摸屏，下发移动指令，观察设备是否可以完成移动指令；
（3）重复上述实验3次。
在现场实验过程中，通过3次重复测试，堆垛机断开1#或2#行走电机变频器的输入断路器时，触摸屏提示“行走1断路器断开”或“行走2断路器断开”，可以完成半自动移动指令。测试表明堆垛机行走驱动冗余功能满足单一行走驱动均能够实现堆垛机的行走功能。
4.应急救援功能测试
该项目中堆垛机需要保证在任何情况下均能够具备出入库作业工作能力，在调试完成、检验堆垛机断电后，可通过人力的方式实现货叉的伸缩以及整个设备的水平移动，测试步骤如下：
（1）将配重装载到载货台上，并关闭堆垛机工作电源；
（2）手动将行走电机、提升机电机、货叉电机抱闸解开（如图9）；
图9 抱闸解锁
（3）1名操作人员转动货叉手动操作机构，进行货叉的伸叉以及收叉动作；
（4）2名操作人员在前立柱侧发力，2名操作人员在后立柱侧发力，推动堆垛机前进/后退；
（5）手动将手拉葫芦挂钩固定在载货台吊环上，2名操作人员同时拉动手拉葫芦，观察载货台能否上升下降。
依照上述测试办法，堆垛机具备在断电情况下，人工手动能够实现货叉取放货（如图10）、载货台上升下降、堆垛机行走后退功能，表明堆垛机具备应急救援功能。
图10 手摇装置货叉移动
在上述测试实验中，分别针对行走驱动冗余功能、24V供电回路冗余功能以及PLC冗余功能以及堆垛机断电后，可通过人力的方式实现货叉的伸缩以及整个设备的水平、提升移动功能测试，设备均能按照设计指标实现运行过程中冗余自动切换，避免停机。在异常断电后，也具备人力方式实现物料手工出入库功能。保证了设备在任何情况下均能够实现紧急任务的出入库功能，测试结果如表1所示。
表1 测试结果
六
结论
本研究围绕重要场景下对堆垛机的高稳定、安全性要求，系统地阐述了堆垛机在机械结构、系统设计等方面的冗余及安全性设计思路与实施成效，并通过实际项目验证了该产品在实际运用场景下的可靠性，为同类场景下的智能仓储系统建设提供了可复制、可推广的解决方案。
参考文献:
[1]黄佳木,李玉刚,刘守平.工程设计基础[M] 重庆大学出版社,2006.
[2]张建超,李华义,崔熙.激光测距仪在起重机检验中的运用[J].产品可靠性报告,2026.
[3]中国国家标准化管理委员会.起重机设计规范:GB/T3811—2008[S].北京:中国标准出版社,
2008.
[4]中国国家标准化管理委员会.重要用途钢丝绳:GB/T 8918—2006 [S].北京：中国标准出版社,2006.
[5]张丽杰;李立华;孙爱丽. 机械设计原理与技术方法[M]. 化学工业出版社,2020.
[6]许厚富;张磊;史东飞;杨世栋.西门子PCS7 410 SMART冗余系统的选型配置及调试方法[J]. 自动化应用,2023(08)
