李國(guó)洪

摘要：編碼器計(jì)數(shù)與定位技術(shù)應(yīng)用于有軌巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)認(rèn)址，不僅提高了定位精度，又有效地降低成本，提高了堆垛機(jī)的整體性?xún)r(jià)比，是一種可廣泛應(yīng)用于中、低端堆垛機(jī)中的控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)編碼器、矢量變頻器、堆垛機(jī)、PLC、低成本

近年來(lái)。由有軌巷道堆垛機(jī)組成的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的應(yīng)用越來(lái)越普及，同時(shí)，用戶(hù)對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)性能的要求越來(lái)越高，對(duì)價(jià)格的要求也越來(lái)越苛刻。

為了滿(mǎn)足部分低端客戶(hù)群體對(duì)于自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)高性能、低價(jià)格的要求，在有軌巷道堆垛機(jī)的電控制系統(tǒng)中采用編碼器+認(rèn)址片的定位技術(shù)，結(jié)合PLC控制、矢量變頻器、模擬量控制的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的絕對(duì)認(rèn)址、線(xiàn)性速度調(diào)節(jié)，提高了認(rèn)址精度，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速的控制性能，整機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，性能可靠、平穩(wěn)。其整體控制性能可以和激光測(cè)距系統(tǒng)相媲美，但單臺(tái)堆垛機(jī)的電氣硬件成本較激光測(cè)距系統(tǒng)可降低2～3萬(wàn)元，可以廣泛應(yīng)用于運(yùn)行速度在120米／分以下的堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中。

過(guò)去，認(rèn)址片形式的相對(duì)認(rèn)址法的缺點(diǎn)是易出現(xiàn)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，尤其在緊急制動(dòng)或機(jī)械晃量變大時(shí)更易出現(xiàn)錯(cuò)誤，直接導(dǎo)致取送貨位的錯(cuò)誤。此外，速度調(diào)節(jié)不精確，定位時(shí)存在欠調(diào)或過(guò)調(diào)現(xiàn)象，其主要原因是速度調(diào)節(jié)依據(jù)以貨格為單位。

本文介紹的控制方案中，將相對(duì)認(rèn)址(認(rèn)址片)的控制系統(tǒng)加入編碼器，一是起到絕對(duì)認(rèn)址的作用，二是實(shí)現(xiàn)對(duì)精確距離值的采集(不再以格為單位)，通過(guò)PLC對(duì)模擬量輸出模塊的電流控制，最終達(dá)到對(duì)變頻器頻率線(xiàn)性給定的調(diào)速過(guò)程。下面以某部隊(duì)倉(cāng)庫(kù)為例，對(duì)編碼器認(rèn)址系統(tǒng)的堆垛機(jī)電氣控制進(jìn)行闡述。

自動(dòng)化立體庫(kù)設(shè)備構(gòu)成

該立體庫(kù)為某部隊(duì)的備品備件庫(kù)，平時(shí)出庫(kù)頻率不是很高，一年中只有兩三個(gè)月出入庫(kù)頻率較高。整個(gè)系統(tǒng)由14排貨架、7臺(tái)堆垛機(jī)、一臺(tái)RGV輸送車(chē)、14條出入庫(kù)輸送線(xiàn)及6條轉(zhuǎn)接輸送線(xiàn)構(gòu)成。倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成如圖1所示。

1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)采用典型的管理、監(jiān)控及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制三層結(jié)構(gòu)。在Server服務(wù)器、工控機(jī)和終端計(jì)算機(jī)上運(yùn)行以下軟件，執(zhí)行不同的任務(wù)。

服務(wù)器：在服務(wù)器上運(yùn)行管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，存儲(chǔ)所有相關(guān)的庫(kù)位、器材、用戶(hù)、人員等信息。

庫(kù)區(qū)監(jiān)控站(工控機(jī))：負(fù)責(zé)立體庫(kù)的設(shè)備監(jiān)控、設(shè)備調(diào)度、通訊管理。

出入庫(kù)站計(jì)算機(jī)：運(yùn)行客戶(hù)端軟件，負(fù)責(zé)立體庫(kù)的出入庫(kù)操作，同時(shí)連接1臺(tái)打印機(jī)負(fù)責(zé)打印出入庫(kù)報(bào)表。

2計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)硬件組成

計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)硬件包括服務(wù)器、UPS電源、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、出入庫(kù)計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、條碼設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接等設(shè)備。為保證系統(tǒng)的安全可靠，系統(tǒng)主要設(shè)備均選用知名廠家的設(shè)備。

3控制軟件組成

SAC-WMS：即庫(kù)存管理軟件(標(biāo)準(zhǔn)版)，是一套面向庫(kù)存管理的數(shù)據(jù)管理軟件，完成存儲(chǔ)所有相關(guān)的貨物、用戶(hù)、人員等信息的功能。

SAC-WMCS：即監(jiān)控操作軟件(標(biāo)準(zhǔn)版)，含作業(yè)和通信管理。監(jiān)控操作負(fù)責(zé)接收出入庫(kù)的任務(wù)信息，并進(jìn)行分解處理后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞到相應(yīng)的立體庫(kù)設(shè)備上，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)采集設(shè)備信息對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

出入庫(kù)操作軟件(標(biāo)準(zhǔn)版)：出入庫(kù)操作負(fù)責(zé)進(jìn)行出庫(kù)、入庫(kù)、查詢(xún)等日常操作。

立體庫(kù)入庫(kù)操作流程見(jiàn)圖2。

4堆垛機(jī)電控系統(tǒng)組成

針對(duì)現(xiàn)有的交流變頻調(diào)速技術(shù)，結(jié)合PLC的控制，使用西門(mén)子低端PLC$7-200，充分利用其性?xún)r(jià)比降低電控系統(tǒng)成本，同時(shí)采用編碼器+相對(duì)認(rèn)址方式滿(mǎn)足性能的需求。由于系統(tǒng)中的堆垛機(jī)運(yùn)行速度不高(行走120米／分)，但平滑性較好，通過(guò)對(duì)交流變頻器系統(tǒng)性能的比較，最終選用安川G7系列具有速度反饋的矢量變頻器，利用其s形曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)調(diào)速的平滑啟停；利用編碼器反饋、模擬量速度給定滿(mǎn)足堆垛機(jī)線(xiàn)性速度調(diào)節(jié)和精確定位。

同時(shí)。通訊功能采用紅外線(xiàn)通訊配合現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，將S7-200 PLC通過(guò)EM277通訊模塊接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。S7-300與PROFIBUS總線(xiàn)形成對(duì)整個(gè)高架庫(kù)的計(jì)算機(jī)三級(jí)管理模式。人機(jī)界面HMI置于出入庫(kù)端的地面，以遙控方式操作堆垛機(jī)。應(yīng)用西門(mén)子公司STEP7編程軟件對(duì)變頻器進(jìn)行模擬量控制。應(yīng)用結(jié)構(gòu)化編程設(shè)計(jì)，編制梯形圖。

堆垛機(jī)通過(guò)編碼器定位的實(shí)現(xiàn)

在該立體倉(cāng)庫(kù)中采用增量型編碼器，通過(guò)相應(yīng)的安裝方式，將堆垛機(jī)的距離值通過(guò)編碼器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脈沖數(shù)值。行走編碼器直接與PLC的高速計(jì)數(shù)端子相接，實(shí)現(xiàn)行走方向的計(jì)數(shù)，提升編碼器的反饋值先進(jìn)入變頻器的速度反饋卡(PG卡)，實(shí)現(xiàn)變頻的PG閉環(huán)矢量控制。然后通過(guò)速度反饋卡(PG卡)的分頻端子，將分頻后的脈沖信號(hào)接入PLC的另一路高速輸入端子，實(shí)現(xiàn)提升方向的認(rèn)址計(jì)數(shù)。

由于要通過(guò)編碼器來(lái)采集堆垛機(jī)的實(shí)時(shí)位置值，為確保采集的準(zhǔn)確性。編碼器必須安裝在適當(dāng)?shù)奈恢?。如果誤差過(guò)大。速度調(diào)節(jié)將出現(xiàn)失調(diào)。行走方向的編碼器安裝在堆垛機(jī)行走輪的從動(dòng)輪側(cè)，裝在主動(dòng)輪時(shí)丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象十分嚴(yán)重，因此不宜采用。如果要求精度更高時(shí)，可以單獨(dú)鋪設(shè)一條同步帶提高編碼器的采集精度。提升編碼器裝于提升電機(jī)尾部，這里因堆垛機(jī)高度相對(duì)較低，鋼絲繩彈性伸縮不明顯，計(jì)數(shù)誤差不大。如果堆垛機(jī)高度大于10米以上，鋼絲繩彈性過(guò)大，建議另外加裝同步帶機(jī)構(gòu)來(lái)提高編碼器的采集精度。

編碼器計(jì)數(shù)與定位的實(shí)現(xiàn)

對(duì)編碼器脈沖的采集是通過(guò)PLC的高速計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的。編碼器的A、B相分別接入PLC的高速輸入端子。CPU 226 CN支持四路的雙相計(jì)數(shù)器，每路的最高頻率是20Hz。在STEP 7-Micro／WINV4.0編程軟件中可以使用HSC指令向?qū)渲糜?jì)數(shù)器。完成行走和提升兩路高速計(jì)數(shù)后，即可進(jìn)行貨位地址初始值設(shè)定。

堆垛機(jī)對(duì)作業(yè)命令的處理

當(dāng)堆垛機(jī)接收到上位觸摸屏或上位計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的操作指令時(shí)，根據(jù)指令中指定目標(biāo)的行、列數(shù)，PLC將該數(shù)據(jù)作為指針，調(diào)出對(duì)應(yīng)的行、列數(shù)的具體編碼器的脈沖值，通過(guò)對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)的比較來(lái)判斷堆垛機(jī)的運(yùn)行方向。因?yàn)樗袛?shù)值都是數(shù)字量的，同時(shí)編碼器的分辨率很高，因此可以將距離精確到毫米級(jí)以下，完全能滿(mǎn)足速度的調(diào)節(jié)要求。

此時(shí)的關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)變頻的頻率實(shí)施動(dòng)態(tài)的線(xiàn)性給定。由于目標(biāo)列距離與當(dāng)前列距離的脈沖差值會(huì)隨堆垛機(jī)的運(yùn)行而實(shí)時(shí)變化，因此將脈沖差值與速度值之間建立起數(shù)學(xué)函數(shù)曲線(xiàn)后，就可得到連續(xù)的速度給定值。在堆垛機(jī)到達(dá)指定目標(biāo)位后，還可以通過(guò)相應(yīng)位置的認(rèn)址片做一確認(rèn)。以加強(qiáng)保護(hù)。在連續(xù)運(yùn)行中，程序中要有對(duì)編碼器產(chǎn)生的累計(jì)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)功能，以確保定位和速度給定的準(zhǔn)確性。

通過(guò)編碼器計(jì)數(shù)與定位技術(shù)在堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了堆垛機(jī)的絕對(duì)認(rèn)址，相比傳統(tǒng)的認(rèn)址片的相對(duì)認(rèn)址技術(shù)，定位精度更高，速度調(diào)節(jié)方面不再是以格為單位的調(diào)節(jié)，變成精度高得多的脈沖數(shù)值。提高了堆垛機(jī)計(jì)數(shù)的可靠性，也實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)性的速度給定。通過(guò)不斷的優(yōu)化控制曲線(xiàn)或者運(yùn)用多條控制曲線(xiàn)，可以大幅提高堆垛機(jī)的整體運(yùn)行性能。其成本雖比傳統(tǒng)的認(rèn)址片認(rèn)址系統(tǒng)略有增加，但與激光測(cè)距的系統(tǒng)相比，成本大大降低，同時(shí)，在中、低運(yùn)行速度的堆垛機(jī)中的性能不遜于激光測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)在幾年的運(yùn)行中，穩(wěn)定性、效率性均能滿(mǎn)足用戶(hù)的要求，是性?xún)r(jià)比較高的一種堆垛機(jī)控制形式。