朱建紅，顧菊平，吳 曉，陳 娟

（南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南通 226007）

堆垛機實時控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

朱建紅，顧菊平，吳 曉，陳 娟

（南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南通 226007）

1 問題提出

立體倉庫三維空間如圖1所示，堆垛機存取貨地址通常以層、排、列區(qū)分，原系統(tǒng)沿X方向與Y方向機械傳動由兩臺三相交流電機拖動，實現(xiàn)到位操作，電機在每次存取操作時都以固定最高頻率運行，運行頻率采用面板輸入，原控制系統(tǒng)雖然達到了效率優(yōu)先。但是基于以下三點不足，有必要對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。1）兩方向都以最高速度運行，不利于節(jié)能。2）系統(tǒng)通信采用PPI點對點串行通信，網(wǎng)絡(luò)擴展。3）由于慣性作用，堆垛機在極限位置易沖出軌道，可控性差。

圖1 倉庫三維示意圖

2 系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計遵循效率優(yōu)先、節(jié)能兼顧原則，從動態(tài)頻率給定方案，下位機PLC控制系統(tǒng)及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等方面進行模塊化優(yōu)化設(shè)計。

2.1 動態(tài)頻率下合成軌跡模型研究

圖2 機械手運行軌跡示意圖

圖2展示了兩方向電機運行在不同速率下的軌跡差異：1）為兩電機以先后次序一定速度運行的軌跡。2）為兩電機都以最高的相同速度同步運行，機械手先以合成的45度角運行，然后進行X方向或Y方向的單方向運行，軌跡如A-B-C所示。3）為兩電機都以不同的頻率同步運行，兩速率比例不同導(dǎo)致最終合成軌跡也有所差別，軌跡A-B(B/)-C就是其中一例。原系統(tǒng)固定速度運行的合成軌跡如圖2中（2）所示。

圖2在第（3）種情況下，如果在動態(tài)頻率給定時由X方向與Y方向所要行走路徑之比來確定兩方向的頻率比值，同時忽略交流變頻特性如圖3所示的啟停二次曲線特性帶來的誤差，則合成軌跡可以理想化的逼近直線A-C。

2.2 系統(tǒng)動態(tài)頻率可行性方案設(shè)計

系統(tǒng)動態(tài)頻率給定設(shè)計從變頻數(shù)值設(shè)計，能耗分析，貨位尋址，頻率給定方式及途徑，誤差分析等方面進行可行性設(shè)計。

2.2.1 頻率數(shù)值分析與設(shè)計中的每個元素代表一個庫位，現(xiàn)要將貨物從（xa，yb）（設(shè)為圖2中點A）搬運到點（xc，yd）（設(shè)為圖2中點B），從效率優(yōu)先考慮， 兩方向同步運行情況下，如果同步到達終點，那么控制每次存取操作總時間問題實質(zhì)就是控制其中任一方向電機耗時最短問題。

圖3 變頻特性曲線示意圖

系統(tǒng)從S型曲線的構(gòu)造進行研究，分析移動距離與變頻速度之間的關(guān)系。圖3中斜坡上升段直線BC與曲線段AB、弧線CD分別相切，延長BC直線與最大頻率運行線及時間軸相交于點M、N。在實際面積計算時，由于啟動時間很短，近似陰影ANB的面積與CMD的面積相等， S曲線的面積簡化為一梯形面積求取。

2.2.2 能耗分析

圖4 PLC程序優(yōu)化梯形

2.2.3 頻率給定方式與途徑

系統(tǒng)接收到貨物調(diào)度信息時，首先結(jié)合當(dāng)前所要存取貨物的種類及系統(tǒng)不同的存取功能需求，如：定位存取、隨機存取、分類存取、就近存取等，根據(jù)現(xiàn)場立體倉庫貨存情況及堆垛機運行狀態(tài)監(jiān)控結(jié)果。通過SQL Server對貨位實時數(shù)據(jù)庫進行動態(tài)分析，由可取貨物信息及可放貨位信息，給出目的取貨與放貨地址，然后根據(jù)當(dāng)時堆垛機層排位置(x1－y1)，由目標(biāo)位置尋優(yōu)函數(shù)min| (y2－y1)2＋(x2－x1)2|進行最優(yōu)目的位置查詢，決定貨位分配目的層排(x2，y2)。

針對每次存取貨位置不同的情況，頻率由上位機根據(jù)位置信息動態(tài)給定，下位機接受控制信息，通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)可靠傳動，方案設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)各方向運行頻率動態(tài)給定的通信網(wǎng)絡(luò)，由USS通信協(xié)議提供技術(shù)支持[2]。

2.2.4 誤差分析

系統(tǒng)頻率設(shè)置由于近似交流變頻特性的啟停二次曲線特性為斜坡上升曲線，實際軌跡只能近似接近圖2中（3）直線A-C。位置傳感器的設(shè)置解決了準確到位問題。

圖5 變頻參數(shù)傳輸網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

2.3 PLC程序設(shè)計

電機運行的頻率、方向都在系統(tǒng)運行過程中根據(jù)不同起點與終點位置動態(tài)設(shè)置，由上位機通過PLC中間存儲單元發(fā)送，邏輯控制系統(tǒng)優(yōu)化中必須設(shè)計如圖4所示程序段運行使能、方向與速度全由USS通信控制模塊設(shè)置（如圖6中V20.0、V24.1、V27.0、V25.0、V29.0、VD26、VD40 所示）。

3 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

動態(tài)設(shè)定的變頻參數(shù)如果以手動方式輸入變頻器不僅費時費率，容易出錯，而且不易連續(xù)動態(tài)控制，影響運行效率?？煽康耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)保證參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場需求動態(tài)輸入。

圖6 USS通信協(xié)議控制模塊

系統(tǒng)構(gòu)建如圖5所示的通信網(wǎng)絡(luò)進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸，上位機通過PC-ACCESS[3]組態(tài)S7-200 PLC，構(gòu)建PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，保證上位機與PLC從站之間的高速數(shù)據(jù)通信，傳輸?shù)木嚯x較長，可以滿足遠程調(diào)速的需要。PLC與變頻器之間采用USS協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，通過圖6的控制模塊參數(shù)設(shè)置，直接控制變頻器運行。其中V25.0、V29.0、VD26、VD40用來對兩電機的運行方向與頻率進行動態(tài)設(shè)置。這種控制方式的硬件設(shè)備簡單，不需要使用PLC的輸入輸出端口，留出的輸入輸出口可用于其它控制。

這種通信網(wǎng)絡(luò)可以使上位機同時對多臺變頻器進行監(jiān)控，修改變頻器的參數(shù)，實現(xiàn)多臺變頻器的聯(lián)動控制和同步控制。這里使用了兩臺地址分別為0與1的變頻器，所以初始化模塊地址設(shè)為16#03。

4 現(xiàn)場運行調(diào)試與誤差分析

系統(tǒng)調(diào)試過程分三步走，首先進行系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試，在STEP7環(huán)境下硬件測試成功后，通過上位機組態(tài)王[4]環(huán)境進行參數(shù)寫入與讀取，經(jīng)過變量類型的準確定義、反復(fù)修改與調(diào)試，確保數(shù)據(jù)的成功通信。其次是進行下位機PLC運行程序的調(diào)試，根據(jù)程序算法流圖首先進行程序編寫，通過編譯后分手動與自動方式進行分步調(diào)試，在STEP7環(huán)境下通過狀態(tài)圖監(jiān)視變頻器參數(shù)數(shù)據(jù)變化，并修改變量值。最后是上位機動態(tài)監(jiān)控程序的調(diào)試，系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試與試驗，實現(xiàn)了可靠運行。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)在工程訓(xùn)練實驗中心平臺運行結(jié)果顯示：堆垛機在動態(tài)速度給定情況下能按設(shè)計的最短路徑、最快的速度運行至每一終點，由于系統(tǒng)中已設(shè)置位置檢測信號，所以簡化計算S型曲線面積所帶來的誤差能夠通過傳感器進行軌跡修正，保證了運行效率，節(jié)省了電能。

由于變頻輸出控制本身為半閉環(huán)控制，位置傳感器設(shè)置完善了系統(tǒng)的功能，兩者結(jié)合使用會使系統(tǒng)運行更穩(wěn)定，定位更精確，系統(tǒng)設(shè)計成國可在立體倉庫相似應(yīng)用場合推廣使用，具有一定的工程應(yīng)用價值。

[1]孫強, 舒朝君, 等. 變頻調(diào)速應(yīng)用及其相關(guān)問題討論[J].機床電器. 2006.

[2]SIEMENS MICROMASTER 440使用大全[Z]. 西門子(中國)有限公司. 2005: 374-376.

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The optimal design on real-time control system for stacking machine

ZHU Jian-hong, GU Ju-ping, WU Xiao, CHEN Juan

分析固定速度運行控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，從節(jié)能角度提出用USS協(xié)議實現(xiàn)頻率動態(tài)實時控制的優(yōu)化方案。利用STEP7進行下位機系統(tǒng)可編程邏輯控制程序設(shè)計。上位機利用組態(tài)王6.5進行變量的實時監(jiān)測與控制。利用PC-ACCESS進行PROFIBUS系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。最后通過狀態(tài)圖及程序監(jiān)控單步調(diào)試、上位機離線調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運行。

優(yōu)化方案；邏輯控制；監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；可靠運行

朱建紅（1971－），女，江蘇南通人，講師，碩士研究生，主要從事自動控制方面的研究工作。

TP273

B

1009-0134(2011)4(下)-0010-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).04

2011-02-22

南通市科技局應(yīng)用研究項目資助（K2009053）