薛廣庫，曲　杰，喬永忠，夏遠(yuǎn)猛，程　志XUE Guang-ku，　QU Jie，　QIAO Yong-zhong，　XIA Yuan-meng，　CHENG Zhi（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠 四川，成都 610091）

檢測(cè)與監(jiān)控

激光測(cè)距絕對(duì)認(rèn)址技術(shù)在巷道堆垛機(jī)中的應(yīng)用

薛廣庫，曲杰，喬永忠，夏遠(yuǎn)猛，程志
XUE Guang-ku，QU Jie，QIAO Yong-zhong，XIA Yuan-meng，CHENG Zhi
（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠 四川，成都 610091）

激光測(cè)距技術(shù)在巷道堆垛機(jī)計(jì)數(shù)、定位領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了巷道堆垛機(jī)運(yùn)行過程的絕對(duì)認(rèn)址，提高了設(shè)備計(jì)數(shù)、定位的準(zhǔn)確性。以某單位巷道堆垛機(jī)計(jì)數(shù)、定位過程使用激光測(cè)距技術(shù)為例，講述激光測(cè)距絕對(duì)認(rèn)址技術(shù)對(duì)現(xiàn)代自動(dòng)倉儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展所帶來的深遠(yuǎn)影響，為同行們提供技術(shù)借鑒。

激光測(cè)距；絕對(duì)認(rèn)址；巷道堆垛機(jī)

0　引言

隨著科技和當(dāng)代物流業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)物流技術(shù)已無法滿足現(xiàn)代物流業(yè)對(duì)倉儲(chǔ)物流精細(xì)、準(zhǔn)確、高效化的技術(shù)要求。巷道堆垛機(jī)作為現(xiàn)代倉儲(chǔ)物流環(huán)節(jié)中重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其日常運(yùn)行過程中計(jì)數(shù)、準(zhǔn)停定位準(zhǔn)確性的高低直接影響著整個(gè)倉儲(chǔ)物流的效率。激光測(cè)距絕對(duì)認(rèn)址技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用使上述問題得到了很好的解決。

1　巷道堆垛機(jī)認(rèn)址技術(shù)簡(jiǎn)介

自動(dòng)化立體倉庫巷道堆垛機(jī)常見認(rèn)址方式如表1所示。

當(dāng)采用光電開關(guān)與認(rèn)址片組成的位置檢測(cè)裝置時(shí)，所使用的光電開關(guān)若固定在巷道堆垛機(jī)上隨設(shè)備一起運(yùn)動(dòng)，認(rèn)址片固定不動(dòng)，此種位置檢測(cè)、認(rèn)址方式稱為相對(duì)認(rèn)址方式；反之為絕對(duì)認(rèn)址方式。水平和起升方向上的檢測(cè)光電開關(guān)一般各有三組，即：起升方向上的上對(duì)準(zhǔn)光電檢測(cè)開關(guān)、縱向計(jì)數(shù)光電開關(guān)、下對(duì)對(duì)準(zhǔn)光電檢測(cè)開關(guān)；水平方向上的前對(duì)準(zhǔn)光電檢測(cè)開關(guān)、橫向認(rèn)址光電開關(guān)、后對(duì)準(zhǔn)光電檢測(cè)開關(guān)。當(dāng)設(shè)備計(jì)數(shù)、定位時(shí)，兩組光電檢測(cè)裝置上每組三個(gè)光電檢測(cè)開關(guān)需同時(shí)接收到感應(yīng)信號(hào)，才能準(zhǔn)確計(jì)數(shù)、定位。

表1　巷道堆垛機(jī)認(rèn)址檢測(cè)方式及特點(diǎn)

目前，絕對(duì)認(rèn)址常見的檢測(cè)方式有編碼器檢測(cè)、激光測(cè)距和條碼儀檢測(cè)三種。其中，編碼器檢測(cè)方式檢測(cè)過程中定位精度最差，故障率最高；條碼儀檢測(cè)方式檢測(cè)過程中條碼儀附近需有充足的光照。另外，因定位檢測(cè)過程為條碼儀掃描貨架各貨位上的位置條碼，因此要定期對(duì)位置條碼的完好性進(jìn)行檢查，并保證位置條碼表面干凈無灰塵。激光測(cè)距是當(dāng)前自動(dòng)化立體倉庫巷道堆垛機(jī)位置檢測(cè)、定位技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的絕對(duì)認(rèn)址方式。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，檢測(cè)定位精度高。具體檢測(cè)方式如圖1所示。

圖1　激光測(cè)距認(rèn)址方式檢測(cè)原理圖

如圖1所示，激光測(cè)距認(rèn)址檢測(cè)方式由激光測(cè)距發(fā)射器和測(cè)距光線反射板兩部分組成。一般水平方向（橫向）的測(cè)距發(fā)射器安裝在巷道堆垛機(jī)上，測(cè)距光線反射板固定在地面上；起升方向（縱向）的測(cè)距發(fā)射器安裝在巷道堆垛機(jī)的上橫梁上，測(cè)距光線反射板安裝在堆垛機(jī)載貨臺(tái)上，隨載貨臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。

圖2　激光測(cè)距檢測(cè)單元安裝位置布局圖

2　控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

采用激光測(cè)距位置檢測(cè)認(rèn)址方式的自動(dòng)立體倉庫巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊［1］一般是通過Profibus-DP總線將可編程控制器、激光測(cè)距儀、水平電機(jī)變頻器、升降電機(jī)變頻器、貨叉電機(jī)變頻器、堆垛機(jī)觸摸屏、現(xiàn)場(chǎng)操作平臺(tái)、上位機(jī)控制臺(tái)等連接到同一個(gè)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中，并給連接在DP網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)模塊分配不同的總線地址。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，PLC通過訪問不同的DP總線地址實(shí)現(xiàn)PLC可編程控制器與激光測(cè)距器、觸摸屏及各驅(qū)動(dòng)變頻器之間的數(shù)據(jù)通訊。最后，通過紅外通訊，實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)控制臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通訊。整個(gè)控制系統(tǒng)通訊框架如圖3所示。

表2　Sick—DME5000系列激光測(cè)距傳感器主要參數(shù)

圖3　控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊框架

3　激光測(cè)距儀的選擇及應(yīng)用

自動(dòng)化立體倉庫巷道堆垛機(jī)絕對(duì)認(rèn)址檢測(cè)用激光測(cè)距儀的選擇主要依據(jù)以下九點(diǎn)：1）所檢測(cè)的距離長(zhǎng)度范圍；2）設(shè)備定位精度要求；3）檢測(cè)誤差范圍；4）設(shè)備最高運(yùn)行速度；5）設(shè)備工作場(chǎng)所的環(huán)境及溫度范圍；6）設(shè)備供電系統(tǒng)所能提供的電壓、電流；7）設(shè)備控制系統(tǒng)提供的通訊接口方式；8）設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命；9）檢測(cè)信號(hào)輸入/輸出方式等。以SICK-DME5000系列激光測(cè)距儀為例說明［2］，具體參數(shù)如表2所示。

3.1激光測(cè)距儀與PLC之間通訊連接的實(shí)現(xiàn)

SICK-DME5000系列激光測(cè)距儀與PLC最常用的通訊連接方式有以下三種：

1）通過Profibus總線進(jìn)行連接。

2）通過SSI同步串行輸出接口與帶有SSI輸入模塊的PLC連接。

3）通過RS422接口與帶有RS422通訊模塊的PLC連接。

三種連接方式的電氣接線圖分別如圖4、圖5所示。

圖4　Profibus總線連接

圖5　SSI/RS422接口連接

另外，激光測(cè)距儀與PLC實(shí)現(xiàn)通訊連接前（以西門子S7-300PLC為例），在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)硬件組態(tài)時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行激光測(cè)距儀對(duì)應(yīng)GSD文件的加載［3］后，才能進(jìn)行正常的硬件組態(tài)及相關(guān)通訊參數(shù)的設(shè)置?？刂葡到y(tǒng)在進(jìn)行硬件組態(tài)的過程中，各模塊訂貨號(hào)必須與實(shí)際所選硬件模塊色訂貨號(hào)完全一致，確保設(shè)備與PLC及上位機(jī)之間正常的數(shù)據(jù)傳輸。

3.2絕對(duì)認(rèn)址定位及合理調(diào)速的實(shí)現(xiàn)

在設(shè)備運(yùn)行過程中，激光測(cè)距儀通過Profibus-DP總線讀取PLC數(shù)據(jù)塊中貨架貨盤水平、起升方向上的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)，再通過激光測(cè)距儀發(fā)出的經(jīng)反射板反射回來的測(cè)距激光束來確定巷道堆垛機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的絕對(duì)坐標(biāo)位置。當(dāng)巷道堆垛機(jī)接收到上位機(jī)或操作面板觸摸屏下達(dá)的作業(yè)指令時(shí)，PLC通過Profibus-DP總線與激光測(cè)距儀進(jìn)行通訊，激光測(cè)距儀通過測(cè)距激光束進(jìn)行距離測(cè)量，PLC控制程序?qū)ο锏蓝讯鈾C(jī)當(dāng)前位置與目標(biāo)位置之間的距離進(jìn)行計(jì)算，得出巷道堆垛機(jī)水平、起升方向距離目標(biāo)位置的相對(duì)距離。激光測(cè)距儀將堆垛機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)位置反饋給PLC，PLC控制控制電機(jī)變頻器對(duì)水平、起升方向運(yùn)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行合理的加減速控制。設(shè)備運(yùn)行過程中，運(yùn)行電機(jī)末端的旋轉(zhuǎn)編碼器會(huì)實(shí)時(shí)將其檢測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速通過脈沖信號(hào)反饋給PLC和變頻器，并與激光測(cè)距儀的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，形成一條對(duì)激光測(cè)距檢測(cè)系統(tǒng)閉環(huán)位置檢測(cè)反饋回路。巷道堆垛機(jī)運(yùn)行坐標(biāo)系圖如圖6所示。

圖6　堆垛機(jī)運(yùn)行坐標(biāo)系

以圖6的自動(dòng)化立體倉庫巷道堆垛機(jī)為例，Sn為自動(dòng)化立體倉庫中第n列貨架距離水平方向激光測(cè)距反射板的距離；0.5m為兩貨盤中心距；D=1.2m為距離水平方向激光測(cè)距發(fā)射板最近貨架立柱與其間距；Sw為堆垛機(jī)當(dāng)前水平方向絕對(duì)位置；△S水平方向激光測(cè)距儀距目標(biāo)位置的間距；L為水平方向激光測(cè)距儀與堆垛機(jī)載貨臺(tái)中心間距；Qn為貨架中第z層距離起升方向激光測(cè)距儀的距離間距；0.7m為貨架上兩相鄰貨層間貨位低位間距；F=0.8m為起升方向激光測(cè)距反射板距離載貨臺(tái)中心的距離；△Q為起升方向激光測(cè)距儀到反射板的間距；Qw為起升方向激光測(cè)距儀距目標(biāo)位置的間距。

在巷道堆垛機(jī)運(yùn)行過程中，需將當(dāng)前檢測(cè)到的測(cè)距脈沖信號(hào)發(fā)送給控制系統(tǒng)PLC，系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算得出當(dāng)前堆垛機(jī)載貨臺(tái)中心位置距離目標(biāo)位置坐標(biāo)（Xn、Yn），實(shí)現(xiàn)巷道堆垛機(jī)運(yùn)行過程的絕對(duì)認(rèn)址定位。Xn、Yn的計(jì)算公式如下所示：

控制系統(tǒng)PLC將當(dāng)前檢測(cè)到的巷道堆垛機(jī)載貨臺(tái)中心點(diǎn)到目標(biāo)位置的距離與控制系統(tǒng)設(shè)置的水平、起升方向變頻調(diào)速距離進(jìn)行比對(duì)，調(diào)取合理的運(yùn)行電機(jī)變頻控制曲線［4］，如圖7所示對(duì)水平、起升方向電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過程中的安全、合理、調(diào)速及準(zhǔn)確定位。

如上圖所示，當(dāng)巷道堆垛機(jī)載貨臺(tái)當(dāng)前中心位置距離目標(biāo)位置間距D≥D2時(shí)，控制系統(tǒng)調(diào)用上圖中T1進(jìn)行運(yùn)行電機(jī)變頻調(diào)速；當(dāng)D2＞D≥D3時(shí)，控制系統(tǒng)調(diào)用T2進(jìn)行運(yùn)行電機(jī)變頻調(diào)速；當(dāng)D＜D3時(shí)，控制系統(tǒng)調(diào)用T3進(jìn)行運(yùn)行電機(jī)變頻調(diào)速。

另外，為避免因變頻調(diào)速過程中急速加減速控制造成的運(yùn)行電機(jī)抱閘現(xiàn)象的出現(xiàn)，進(jìn)一步提高運(yùn)行電機(jī)運(yùn)行、制動(dòng)過程的綜合性能和激光測(cè)距認(rèn)址定位的準(zhǔn)確性，控制系統(tǒng)運(yùn)行電機(jī)端頭增加了旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)裝置，形成了雙重閉環(huán)位置檢測(cè)反饋系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8　堆垛機(jī)運(yùn)行閉環(huán)檢測(cè)反饋系統(tǒng)

4　結(jié)束語

圖7　運(yùn)行電機(jī)變頻調(diào)速控制曲線

通過激光測(cè)距絕對(duì)認(rèn)址定位技術(shù)在巷道堆垛機(jī)中的應(yīng)用，極大程度的簡(jiǎn)化了巷道堆垛機(jī)的計(jì)數(shù)、測(cè)距機(jī)構(gòu)，有效的提高了堆垛機(jī)運(yùn)行過程中的計(jì)數(shù)、定位的精確度。長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，采用該種方式進(jìn)行巷道堆

【】【】垛機(jī)的認(rèn)址、定位，使得自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行可靠、定位精度高、設(shè)備故障率低、方便維修等方面的特點(diǎn)凸顯。

［1］ 向曉漢.西門子PLC高級(jí)應(yīng)用實(shí)例精解［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010，7.

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［3］ 廖常初.西門子S7-300/400應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008，5.

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薛廣庫（1988 -），男，陜西興平人，本科，主要從事自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)用及日常維護(hù)工作。