自動化立體倉庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動化立體倉庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)張建奇;李墨翰漲建鋒【摘要】為滿足大載重、高速、高精度立體倉庫控制系統(tǒng)的自動化運(yùn)行要求，設(shè)計(jì)了一種PIC控制器和伺服控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)方案.系統(tǒng)采用了三菱以太網(wǎng)、H網(wǎng)、CC-Link和串口通信等不同層次，不同通信協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)來滿足現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的通信需求，并采用三菱伺服的半閉環(huán)、全閉環(huán)等多種控制方式來滿足生生產(chǎn)對系統(tǒng)的運(yùn)行速度、精度和平穩(wěn)性的需求.實(shí)際運(yùn)行效果表明，該控制方案較好地適應(yīng)了現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，滿足了各項(xiàng)生產(chǎn)需要，大大節(jié)約了人力和物力.%Inordertosatisfytheautomaticrunningrequirementsofthecontrolsystemforhighspeedandhighaccurateheavyload3-Dwarehouse,thestrategyofcontrolsystemcombiningPICcontrollerandservocontrolisdesigned.Inthissystem,thecommunicationnetworkiscomposedofMitsubishiEthernel,MEISECNET/H,CC-Linkandserialportcornmunirationindifferentlayeranddifferentprotocoltomeetthecommunicationdemandsforcomplexenvironmentinthefield,fnaddition,thesemi-closedloopandfullyclosedloopcontrolarealsoadoptedtosatisfytherequirementsonhighrunningspeed,accuracyandstabilityofthesysteminproduction.Theeffectsofpracticaloperationindicatethatthecontrolstrategyimplementssafetyandstableoperationandwellsuitabletheproductiveenvironmentinthefield,amialsoconsiderablysaveslaborcostandmaterialresources.【期刊名稱】《自動化儀表》【年(卷)，期】2012(033)001【總頁數(shù)】4頁(P28-31)【關(guān)鍵詞】立體倉庫；PLC；全閉環(huán)控制;以太網(wǎng)通信;串口通信;伺服電機(jī)【作者】張建奇;李墨翰漲建鋒【作者單位】西安航天自動化股份有限公司，陜西西安710065;西安航天自動化股份有限公司，陜西西安710065;西安航天自動化股份有限公司，陜西西安710065【正文語種】中文【中圖分類】TP273+.50引言立體倉庫是現(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)用越來越普遍。由于使用高層貨架存儲貨物，存儲區(qū)可以大幅度地向高空發(fā)展，因此能夠大幅節(jié)省倉庫的占地面積，有效提高空間利用率。在立體倉庫中使用自動化設(shè)備，具有存取貨物速度快、準(zhǔn)確可靠以及查詢方便等優(yōu)點(diǎn)，同時還提高了勞動生產(chǎn)率，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度。當(dāng)前立體倉庫市場控制方式的主流是單機(jī)自動控制和變頻調(diào)速運(yùn)行機(jī)構(gòu)控制;供電方式為封閉滑觸線供電。我國立體倉庫行業(yè)現(xiàn)已形成一定規(guī)模的開發(fā)能力，但與發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距［1］。目前，美、日等發(fā)達(dá)國家立體倉庫高度已達(dá)幾十米，運(yùn)行速度超過100m/min。同時還具有形式繁多的出入庫物流分配系統(tǒng)和安全保障系統(tǒng)。根據(jù)用途，立體倉庫設(shè)備的形式可以分為很多種，最新的重力式貨架在國外已成功應(yīng)用［2-3］，但在國內(nèi)市場基本還是空白。1方案設(shè)計(jì)1.1工藝流程本立體倉庫系統(tǒng)的主要工藝是將前一級平面物流中承載產(chǎn)品的托盤存入到庫中的承載架上，經(jīng)過一段固定時間的工藝處理后將其取出，并放入到后面一級平面物流當(dāng)中。立體倉庫系統(tǒng)的主要控制對象為一輛六層堆棧車。在自動運(yùn)行時，通過提升機(jī)將承載產(chǎn)品的托盤送入六層入庫暫存架，存滿后向堆棧系統(tǒng)發(fā)出取托盤請求信號。上位機(jī)接到請求信號后，發(fā)出指令控制堆棧車取暫存架托盤，然后將托盤存入某一列承載架上。當(dāng)某一列承載架的托盤完成工藝處理后，上位機(jī)會發(fā)出取指令，將其送入到六層出庫暫存架中，完成動作后向后一級平面物流發(fā)出托盤準(zhǔn)備好的信號，這時平面物流就會通過提升機(jī)將出庫暫存架上的托盤取走。本立體倉庫系統(tǒng)要求能夠自動、快速、可靠、高效地完成所有的存取動作。但受到現(xiàn)場環(huán)境的約束，立體倉庫系統(tǒng)有著十分復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸及處理工作。本立體倉庫系統(tǒng)中的被控對象堆棧車的重量大（超過5t）、高度高（超過10m），且剛性較差，停位精度要求較高（在40m長的軌道上停位誤差不超過2mm）。同時，根據(jù)生產(chǎn)的需要，堆棧車在運(yùn)行過程中必須有較高的速度（最高速度必須能夠達(dá)到120m/min），且啟動停止平穩(wěn)流暢。因此，為了實(shí)現(xiàn)目的，設(shè)計(jì)一個可靠的通信網(wǎng)絡(luò)和一個快速、平穩(wěn)的伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)都是必不可少的。1.2立體倉庫控制系統(tǒng)根據(jù)各功能區(qū)域明晰的特點(diǎn)，在每一個功能區(qū)域都設(shè)置一套控制系統(tǒng)，以便對該功能區(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MasterPLC和堆棧車StackerPLC三部分組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。圖1系統(tǒng)組成圖Fig.1Systemcompositions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庫歷史數(shù)據(jù)的存儲、向生產(chǎn)管理系統(tǒng)上報生產(chǎn)情況的工作，而且還要能夠通過制定好的控制策略向主控PLC下達(dá)存取指令。主控MasterPLC使用三菱Q06HCPU，它具有以下幾個方面的作用:①通過H網(wǎng)獲取來自平面物流的托盤信息;②通過CC-Link網(wǎng)，采集立體倉庫外圍傳感器數(shù)據(jù);③將來自光通信的堆棧車的存取完成情況、故障報警數(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PLC完成各項(xiàng)動作。堆棧車PLC同樣使用三菱Q06HCPU，其主要任務(wù)是根據(jù)主控PLC下達(dá)的指令控制各個伺服電機(jī)，完成各種伺服動作，并將伺服動作的完成情況報告給主控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)場環(huán)境的約束，整個立體倉庫系統(tǒng)采用的通信方式多種多樣。采用的通信方式分為管理級的以太網(wǎng)通信、控制級的RS-422串口通信、H網(wǎng)通信以及現(xiàn)場級的CC-Link等。三菱MELSECNET/H網(wǎng)通信（簡稱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)中的控制級和現(xiàn)場級，具有通信速度快、數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)。使用GXDeveloper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)連接各個遠(yuǎn)程站，實(shí)現(xiàn)了傳感器信號的采集以及電機(jī)、氣動執(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GXDeveloper可實(shí)現(xiàn)對以太網(wǎng)模塊的配置，其通信協(xié)議采用無順序的固定緩沖區(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，上位機(jī)和主控、主控和堆棧車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)生錯誤時，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.2Communicationprotocolofthecontrollayer主控PLC與堆棧車之間采用串口RS-422轉(zhuǎn)光通信的方式來進(jìn)行。這是由于堆棧車始終在運(yùn)動當(dāng)中，行程較長，因此，使用布線方式時，線纜始終處于運(yùn)動狀態(tài)，磨損較快、可靠性較低。由于堆棧車在一個直線導(dǎo)軌上行走，因此，使用一個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)中的兩個串口模塊選用三菱QJ71C24N-R4，這兩個串口模塊間加入了東洋公司的空間光傳送裝置SOT-NS502/802，用來實(shí)現(xiàn)通信的光電轉(zhuǎn)換。在使用時，QJ71C24N-R4模塊的通信波特率、傳輸位、停止位、奇偶的配置可以在GXDeveloper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)作為整個立體倉庫系統(tǒng)的基石，伺服控制的性能直接影響立體倉庫系統(tǒng)的指標(biāo)。本立體倉庫系統(tǒng)共有8個伺服電機(jī)，即6個托盤推拉伺服電機(jī)、1個提升伺服電機(jī)和1個行走伺服電機(jī)。除了行走伺服電機(jī)以外，其余7個伺服電機(jī)為鏈條或齒輪傳動，移動距離短、負(fù)載慣量小，且伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)移動距離固定，使用伺服電機(jī)自帶編碼器反饋即可完成伺服控制，控制相對簡單。行走伺服電機(jī)帶動堆棧車在軌道上行走。由于堆棧車高度高、剛性較差、慣量大，在運(yùn)行時車輪與軌道之間會不可避免地發(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)行速度波動較大、停止位置重復(fù)精度較差，將嚴(yán)重影響托盤的取放，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，即對堆棧軌道車的運(yùn)行速度、位置定位點(diǎn)實(shí)施多閉環(huán)伺服控制洞服控制系統(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，以滿足最佳平穩(wěn)運(yùn)行速度的要求。2.2.1全閉環(huán)伺月艮系統(tǒng)根據(jù)編碼器反饋脈沖的來源不同，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)時間短等優(yōu)點(diǎn)。但是位置反饋脈沖并不是通過直接測量機(jī)械位置獲得，所以定位運(yùn)行會產(chǎn)生誤差。本項(xiàng)目中的6個托盤推拉伺服電機(jī)和1個提升伺服電機(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)時間較長。雙閉環(huán)控制同時使用電機(jī)側(cè)編碼器和負(fù)載側(cè)編碼器，并在伺服定位運(yùn)行時切換反饋脈沖來源，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，本立體倉庫項(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22kW伺服電機(jī)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2000r/min，減速比為18。其外部編碼器使用了Leuze的AMS200激光測距儀，距離信號通過脈沖發(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激光測距儀精度為0.1mm，編碼器輸出的ABZ脈沖為80000pluse/m。圖3行走伺月服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3Structureofthetravelingservosystem使用MRconfigurator軟件可以對伺服放大器獨(dú)立運(yùn)行測試，從而完成對伺月艮系統(tǒng)動態(tài)性能的調(diào)整。進(jìn)行性能調(diào)整時需要注意以下幾點(diǎn)。在控制對象移動固定距離時，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為車輪每轉(zhuǎn)前進(jìn)距離。確定脈沖極性，即負(fù)載側(cè)脈沖在正向前進(jìn)時是增加還是減少。各個環(huán)的增益可以由伺服放大器自動調(diào)整運(yùn)行［3,8］，測試運(yùn)行時只需調(diào)整系統(tǒng)相應(yīng)性參數(shù)PA09。在加減速有震動時，既可以通過調(diào)整參數(shù)PA09，也可以通過適當(dāng)延長加減速時間加以解決。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GXConfigurator-QP軟件寫入伺服定位模塊中。GXConfigurator-QP的基本參數(shù)包括Pr01（單位:unit）、Pr02（每轉(zhuǎn)脈沖:pulseperrotation）.Pr03（每轉(zhuǎn)行程:travelperrotation）.Pr08（速度限:speedlimit）、Pr09（加速時間:ACCtime）、Pr10（減速時間:DECtime）等。將修改好的基本參數(shù)和伺服參數(shù)寫入伺服定位模塊Q75MH2，即可完成雙閉環(huán)行走伺服的系統(tǒng)調(diào)試。2.3PLC軟件設(shè)計(jì)立體倉庫下位系統(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、顯示模塊和報警處理模塊等。PLC軟件流程圖如圖4所示。圖4PLC軟件流程圖Fig.4FlowchartofPLCsoftware3結(jié)束語本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了自動化立體倉庫控制系統(tǒng)?？紤]到現(xiàn)實(shí)過程中通信的復(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)場通信中遇到的問題。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