張建奇 李墨翰 張建鋒

(西安航天自動(dòng)化股份有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

立體倉(cāng)庫(kù)是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中的重要物流節(jié)點(diǎn)，它在物流中心的應(yīng)用越來(lái)越普遍。由于使用高層貨架存儲(chǔ)貨物，存儲(chǔ)區(qū)可以大幅度地向高空發(fā)展，因此能夠大幅節(jié)省倉(cāng)庫(kù)的占地面積，有效提高空間利用率。在立體倉(cāng)庫(kù)中使用自動(dòng)化設(shè)備，具有存取貨物速度快、準(zhǔn)確可靠以及查詢(xún)方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

當(dāng)前立體倉(cāng)庫(kù)市場(chǎng)控制方式的主流是單機(jī)自動(dòng)控制和變頻調(diào)速運(yùn)行機(jī)構(gòu)控制;供電方式為封閉滑觸線供電。我國(guó)立體倉(cāng)庫(kù)行業(yè)現(xiàn)已形成一定規(guī)模的開(kāi)發(fā)能力，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距［1］。目前，美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家立體倉(cāng)庫(kù)高度已達(dá)幾十米，運(yùn)行速度超過(guò)100 m/min。同時(shí)還具有形式繁多的出入庫(kù)物流分配系統(tǒng)和安全保障系統(tǒng)。根據(jù)用途，立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)備的形式可以分為很多種，最新的重力式貨架在國(guó)外已成功應(yīng)用［2－3］，但在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)基本還是空白。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 工藝流程

本立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的主要工藝是將前一級(jí)平面物流中承載產(chǎn)品的托盤(pán)存入到庫(kù)中的承載架上，經(jīng)過(guò)一段固定時(shí)間的工藝處理后將其取出，并放入到后面一級(jí)平面物流當(dāng)中。立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的主要控制對(duì)象為一輛六層堆棧車(chē)。在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)提升機(jī)將承載產(chǎn)品的托盤(pán)送入六層入庫(kù)暫存架，存滿(mǎn)后向堆棧系統(tǒng)發(fā)出取托盤(pán)請(qǐng)求信號(hào)。上位機(jī)接到請(qǐng)求信號(hào)后，發(fā)出指令控制堆棧車(chē)取暫存架托盤(pán)，然后將托盤(pán)存入某一列承載架上。當(dāng)某一列承載架的托盤(pán)完成工藝處理后，上位機(jī)會(huì)發(fā)出取指令，將其送入到六層出庫(kù)暫存架中，完成動(dòng)作后向后一級(jí)平面物流發(fā)出托盤(pán)準(zhǔn)備好的信號(hào)，這時(shí)平面物流就會(huì)通過(guò)提升機(jī)將出庫(kù)暫存架上的托盤(pán)取走。

本立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)要求能夠自動(dòng)、快速、可靠、高效地完成所有的存取動(dòng)作。但受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的約束，立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)有著十分復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸及處理工作。本立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中的被控對(duì)象堆棧車(chē)的重量大(超過(guò)5 t)、高度高(超過(guò)10 m)，且剛性較差，停位精度要求較高(在40 m長(zhǎng)的軌道上停位誤差不超過(guò)2 mm)。同時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)的需要，堆棧車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中必須有較高的速度(最高速度必須能夠達(dá)到120 m/min)，且啟動(dòng)停止平穩(wěn)流暢。因此，為了實(shí)現(xiàn)目的，設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的通信網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)快速、平穩(wěn)的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)都是必不可少的。

1.2 立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)

根據(jù)各功能區(qū)域明晰的特點(diǎn)，在每一個(gè)功能區(qū)域都設(shè)置一套控制系統(tǒng)，以便對(duì)該功能區(qū)域?qū)嵭屑锌刂疲瑥亩岣呖刂葡到y(tǒng)的響應(yīng)速度及系統(tǒng)的可靠性和易維護(hù)性。系統(tǒng)控制器由上位機(jī)、主控Master PLC和堆棧車(chē)Stacker PLC三部分組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1 System compositions

上位機(jī)硬件使用雙機(jī)熱備的研華工控機(jī)，軟件由Delphi和Oracle編程實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)不僅要能夠完成立體倉(cāng)庫(kù)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、向生產(chǎn)管理系統(tǒng)上報(bào)生產(chǎn)情況的工作，而且還要能夠通過(guò)制定好的控制策略向主控PLC下達(dá)存取指令。主控Master PLC使用三菱Q06H CPU，它具有以下幾個(gè)方面的作用:①通過(guò)H網(wǎng)獲取來(lái)自平面物流的托盤(pán)信息;②通過(guò)CC-Link網(wǎng)，采集立體倉(cāng)庫(kù)外圍傳感器數(shù)據(jù);③將來(lái)自光通信的堆棧車(chē)的存取完成情況、故障報(bào)警數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī);④將上位機(jī)下達(dá)的指令數(shù)據(jù)分解，指揮堆棧車(chē)PLC完成各項(xiàng)動(dòng)作。堆棧車(chē)PLC同樣使用三菱Q06H CPU，其主要任務(wù)是根據(jù)主控PLC下達(dá)的指令控制各個(gè)伺服電機(jī)，完成各種伺服動(dòng)作，并將伺服動(dòng)作的完成情況報(bào)告給主控PLC。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 通信系統(tǒng)

出于控制功能的需求以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的約束，整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)采用的通信方式多種多樣。采用的通信方式分為管理級(jí)的以太網(wǎng)通信、控制級(jí)的RS-422串口通信、H網(wǎng)通信以及現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的CC-Link等。

三菱MELSECNET/H網(wǎng)通信(簡(jiǎn)稱(chēng)H網(wǎng)通信)以及CC-Link通信分別位于工業(yè)控制通信網(wǎng)絡(luò)中的控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，具有通信速度快、數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)。使用GX Developer就可以方便地實(shí)現(xiàn)MELSECNET/H模塊QJ71LP21-25和CC-Link模塊QJ61BT11N的配置［4－8］。其中，MELSECNET/H 網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)了 PLC 和PLC之間的通信;CC-Link網(wǎng)連接各個(gè)遠(yuǎn)程站，實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的采集以及電機(jī)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

上位機(jī)和主控PLC之間采用以太網(wǎng)通信。在主控PLC上通過(guò)GX Developer可實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)模塊的配置，其通信協(xié)議采用無(wú)順序的固定緩沖區(qū)方式［7］。上位機(jī)和PLC的通信程序采用三菱的MC協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，程序中需要加入三菱MC通信的套接字程序。

在通信編程時(shí)，上位機(jī)和主控、主控和堆棧車(chē)這二者之間的自定義通信的內(nèi)容，按照功能可以分為指令幀、參數(shù)幀、報(bào)警內(nèi)容幀、狀態(tài)監(jiān)視幀以及任務(wù)完成幀等。不同的幀具有不同的數(shù)據(jù)頭和長(zhǎng)度，每一幀數(shù)據(jù)的最后加入奇偶校檢。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)重發(fā)。下位系統(tǒng)通信協(xié)議如圖2所示。

圖2 下位系統(tǒng)通信協(xié)議示意圖Fig.2 Communication protocol of the control layer

主控PLC與堆棧車(chē)之間采用串口RS-422轉(zhuǎn)光通信的方式來(lái)進(jìn)行。這是由于堆棧車(chē)始終在運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，行程較長(zhǎng)，因此，使用布線方式時(shí)，線纜始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，磨損較快、可靠性較低。由于堆棧車(chē)在一個(gè)直線導(dǎo)軌上行走，因此，使用一個(gè)空間光傳送裝置就能夠完成通信的光點(diǎn)轉(zhuǎn)換，使通信可靠性大幅提升，還能夠有效降低電磁干擾的影響。系統(tǒng)中的兩個(gè)串口模塊選用三菱QJ71C24N-R4，這兩個(gè)串口模塊間加入了東洋公司的空間光傳送裝置SOT-NS502/802，用來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的光電轉(zhuǎn)換。在使用時(shí)，QJ71C24N-R4模塊的通信波特率、傳輸位、停止位、奇偶的配置可以在GX Developer中實(shí)現(xiàn)?？臻g光傳送裝置SOT-NS502/802在編程中是完全透明的，接入即可實(shí)現(xiàn)通信介質(zhì)的轉(zhuǎn)換。

2.2 伺服控制系統(tǒng)

作為整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的基石，伺服控制的性能直接影響立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的指標(biāo)。本立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)共有8個(gè)伺服電機(jī)，即6個(gè)托盤(pán)推拉伺服電機(jī)、1個(gè)提升伺服電機(jī)和1個(gè)行走伺服電機(jī)。除了行走伺服電機(jī)以外，其余7個(gè)伺服電機(jī)為鏈條或齒輪傳動(dòng)，移動(dòng)距離短、負(fù)載慣量小，且伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)移動(dòng)距離固定，使用伺服電機(jī)自帶編碼器反饋即可完成伺服控制，控制相對(duì)簡(jiǎn)單。行走伺服電機(jī)帶動(dòng)堆棧車(chē)在軌道上行走。由于堆棧車(chē)高度高、剛性較差、慣量大，在運(yùn)行時(shí)車(chē)輪與軌道之間會(huì)不可避免地發(fā)生打滑。如果采用變頻調(diào)速或傳統(tǒng)的伺服速度控制，由于其運(yùn)行速度波動(dòng)較大、停止位置重復(fù)精度較差，將嚴(yán)重影響托盤(pán)的取放，甚至?xí)斐稍O(shè)備的損壞。

本項(xiàng)目采用多閉環(huán)伺服控制模式，即對(duì)堆棧軌道車(chē)的運(yùn)行速度、位置定位點(diǎn)實(shí)施多閉環(huán)伺服控制;伺服控制系統(tǒng)中加入負(fù)載側(cè)編碼器，從根本上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停位;程序中加入伺服電機(jī)的運(yùn)行速度自調(diào)節(jié)部分，以滿(mǎn)足最佳平穩(wěn)運(yùn)行速度的要求。

2.2.1 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)

根據(jù)編碼器反饋脈沖的來(lái)源不同，三菱伺服控制分為半閉環(huán)控制、雙反饋閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制這3 種控制方式［9－10］。

半閉環(huán)控制使用電機(jī)側(cè)編碼器，不需要添加額外設(shè)備，具有成本低、受機(jī)械共振影響小、伺服放大器增益大以及響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。但是位置反饋脈沖并不是通過(guò)直接測(cè)量機(jī)械位置獲得，所以定位運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生誤差。

本項(xiàng)目中的6個(gè)托盤(pán)推拉伺服電機(jī)和1個(gè)提升伺服電機(jī)的電機(jī)每轉(zhuǎn)前進(jìn)距離固定，所以控制都是采用這種半閉環(huán)控制，從而在保證定位精度的情況下提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

全閉環(huán)控制使用負(fù)載編碼器，轉(zhuǎn)移保證定位精度，但容易受機(jī)械共振等因素影響。伺服放大器增益小，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

雙閉環(huán)控制同時(shí)使用電機(jī)側(cè)編碼器和負(fù)載側(cè)編碼器，并在伺服定位運(yùn)行時(shí)切換反饋脈沖來(lái)源，從而集合了半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)，克服了半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制的缺點(diǎn)。因此，本立體倉(cāng)庫(kù)項(xiàng)目中的行走伺服電機(jī)采取雙閉環(huán)控制。

2.2.2 行走伺服的系統(tǒng)構(gòu)成

行走伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)硬件使用了Q75MH2定位模塊、MR-J3-B系列伺服放大器和22 kW伺服電機(jī)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2000 r/min，減速比為18。其外部編碼器使用了Leuze的AMS200激光測(cè)距儀，距離信號(hào)通過(guò)脈沖發(fā)生器SSI通信轉(zhuǎn)換為ABZ脈沖，送入到伺服放大器中。Leuze的AMS200激光測(cè)距儀精度為0.1 mm，編碼器輸出的ABZ脈沖為80000 pluse/m。

圖3 行走伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the traveling servo system

使用MR configurator軟件可以對(duì)伺服放大器獨(dú)立運(yùn)行測(cè)試，從而完成對(duì)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的調(diào)整。進(jìn)行性能調(diào)整時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)。

①在控制對(duì)象移動(dòng)固定距離時(shí)，反饋脈沖數(shù)應(yīng)該近似相等。為使電機(jī)側(cè)編碼器脈沖匹配負(fù)載側(cè)編碼器脈沖，其中間需要加入電子齒輪，電子齒輪的計(jì)算公式為:

式中:K為電子齒輪;P1為電機(jī)側(cè)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù);P2為負(fù)載側(cè)編碼器每毫米脈沖數(shù);r為減速比;s為車(chē)輪每轉(zhuǎn)前進(jìn)距離。

②確定脈沖極性，即負(fù)載側(cè)脈沖在正向前進(jìn)時(shí)是增加還是減少。

③各個(gè)環(huán)的增益可以由伺服放大器自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行［3，8］，測(cè)試運(yùn)行時(shí)只需調(diào)整系統(tǒng)相應(yīng)性參數(shù) PA09。

④ 在加減速有震動(dòng)時(shí)，既可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)PA09，也可以通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)加減速時(shí)間加以解決。

⑤原點(diǎn)回歸采用制定位置的方式。

最后，將調(diào)整好的參數(shù)通過(guò)GX Configurator-QP軟件寫(xiě)入伺服定位模塊中。GX Configurator-QP的基本參數(shù)包括Pr01(單位:unit)、Pr02(每轉(zhuǎn)脈沖:pulse per rotation)、Pr03(每轉(zhuǎn)行程:travel per rotation)、Pr08(速度限:speed limit)、Pr09(加速時(shí)間:ACC time)、Pr10(減速時(shí)間:DEC time)等。將修改好的基本參數(shù)和伺服參數(shù)寫(xiě)入伺服定位模塊Q75MH2，即可完成雙閉環(huán)行走伺服的系統(tǒng)調(diào)試。

2.3 PLC 軟件設(shè)計(jì)

立體倉(cāng)庫(kù)下位系統(tǒng)PLC程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)的修改、調(diào)試與維護(hù)。系統(tǒng)模塊主要包括伺服控制模塊、當(dāng)前位置計(jì)算模塊、通信模塊、顯示模塊和報(bào)警處理模塊等。

PLC軟件流程圖如圖4所示。

圖4 PLC軟件流程圖Fig.4 Flowchart of PLC software

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)?？紤]到現(xiàn)實(shí)過(guò)程中通信的復(fù)雜性、伺服運(yùn)行的速度和平穩(wěn)性，系統(tǒng)采用了以太網(wǎng)、H網(wǎng)、CC-Link、串口通信等不同層次的多樣通信介質(zhì)，多種通信協(xié)議解決了現(xiàn)場(chǎng)通信中遇到的問(wèn)題。此外，系統(tǒng)采用了伺服的半閉環(huán)、雙閉環(huán)等多種控制組合的方式，實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的快速平穩(wěn)運(yùn)行。

實(shí)際運(yùn)行效果表明，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了安全、穩(wěn)定的自動(dòng)化運(yùn)行，很好地適應(yīng)了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境，滿(mǎn)足了各項(xiàng)生產(chǎn)需要，大大節(jié)約了人力和物力。

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