編碼器定位技術在巷道堆垛機系統(tǒng)中的應用

李國洪

摘要：編碼器計數(shù)與定位技術應用于有軌巷道堆垛機控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了絕對認址，不僅提高了定位精度，又有效地降低成本，提高了堆垛機的整體性價比，是一種可廣泛應用于中、低端堆垛機中的控制系統(tǒng)。

關鍵詞：旋轉(zhuǎn)編碼器、矢量變頻器、堆垛機、PLC、低成本

近年來。由有軌巷道堆垛機組成的自動化立體倉庫的應用越來越普及，同時，用戶對立體倉庫性能的要求越來越高，對價格的要求也越來越苛刻。

為了滿足部分低端客戶群體對于自動化倉庫高性能、低價格的要求，在有軌巷道堆垛機的電控制系統(tǒng)中采用編碼器+認址片的定位技術，結合PLC控制、矢量變頻器、模擬量控制的應用，實現(xiàn)堆垛機的絕對認址、線性速度調(diào)節(jié)，提高了認址精度，實現(xiàn)平滑調(diào)速的控制性能，整機在實際應用過程中，性能可靠、平穩(wěn)。其整體控制性能可以和激光測距系統(tǒng)相媲美，但單臺堆垛機的電氣硬件成本較激光測距系統(tǒng)可降低2～3萬元，可以廣泛應用于運行速度在120米／分以下的堆垛機控制系統(tǒng)中。

過去，認址片形式的相對認址法的缺點是易出現(xiàn)計數(shù)錯誤，尤其在緊急制動或機械晃量變大時更易出現(xiàn)錯誤，直接導致取送貨位的錯誤。此外，速度調(diào)節(jié)不精確，定位時存在欠調(diào)或過調(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，將相對認址(認址片)的控制系統(tǒng)加入編碼器，一是起到絕對認址的作用，二是實現(xiàn)對精確距離值的采集(不再以格為單位)，通過PLC對模擬量輸出模塊的電流控制，最終達到對變頻器頻率線性給定的調(diào)速過程。下面以某部隊倉庫為例，對編碼器認址系統(tǒng)的堆垛機電氣控制進行闡述。

自動化立體庫設備構成

該立體庫為某部隊的備品備件庫，平時出庫頻率不是很高，一年中只有兩三個月出入庫頻率較高。整個系統(tǒng)由14排貨架、7臺堆垛機、一臺RGV輸送車、14條出入庫輸送線及6條轉(zhuǎn)接輸送線構成。倉庫系統(tǒng)設備構成如圖1所示。

1控制系統(tǒng)結構

整個系統(tǒng)采用典型的管理、監(jiān)控及現(xiàn)場設備控制三層結構。在Server服務器、工控機和終端計算機上運行以下軟件，執(zhí)行不同的任務。

服務器：在服務器上運行管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件，存儲所有相關的庫位、器材、用戶、人員等信息。

庫區(qū)監(jiān)控站(工控機)：負責立體庫的設備監(jiān)控、設備調(diào)度、通訊管理。

出入庫站計算機：運行客戶端軟件，負責立體庫的出入庫操作，同時連接1臺打印機負責打印出入庫報表。

2計算機信息管理系統(tǒng)硬件組成

計算機信息管理系統(tǒng)硬件包括服務器、UPS電源、監(jiān)控計算機、出入庫計算機、打印機、條碼設備、網(wǎng)絡連接等設備。為保證系統(tǒng)的安全可靠，系統(tǒng)主要設備均選用知名廠家的設備。

3控制軟件組成

SAC-WMS：即庫存管理軟件(標準版)，是一套面向庫存管理的數(shù)據(jù)管理軟件，完成存儲所有相關的貨物、用戶、人員等信息的功能。

SAC-WMCS：即監(jiān)控操作軟件(標準版)，含作業(yè)和通信管理。監(jiān)控操作負責接收出入庫的任務信息，并進行分解處理后通過網(wǎng)絡傳遞到相應的立體庫設備上，同時通過網(wǎng)絡采集設備信息對設備進行實時監(jiān)控。

出入庫操作軟件(標準版)：出入庫操作負責進行出庫、入庫、查詢等日常操作。

立體庫入庫操作流程見圖2。

4堆垛機電控系統(tǒng)組成

針對現(xiàn)有的交流變頻調(diào)速技術，結合PLC的控制，使用西門子低端PLC$7-200，充分利用其性價比降低電控系統(tǒng)成本，同時采用編碼器+相對認址方式滿足性能的需求。由于系統(tǒng)中的堆垛機運行速度不高(行走120米／分)，但平滑性較好，通過對交流變頻器系統(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形曲線實現(xiàn)堆垛機調(diào)速的平滑啟停；利用編碼器反饋、模擬量速度給定滿足堆垛機線性速度調(diào)節(jié)和精確定位。

同時。通訊功能采用紅外線通訊配合現(xiàn)場總線技術，將S7-200 PLC通過EM277通訊模塊接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。S7-300與PROFIBUS總線形成對整個高架庫的計算機三級管理模式。人機界面HMI置于出入庫端的地面，以遙控方式操作堆垛機。應用西門子公司STEP7編程軟件對變頻器進行模擬量控制。應用結構化編程設計，編制梯形圖。

堆垛機通過編碼器定位的實現(xiàn)

在該立體倉庫中采用增量型編碼器，通過相應的安裝方式，將堆垛機的距離值通過編碼器轉(zhuǎn)化為相應的脈沖數(shù)值。行走編碼器直接與PLC的高速計數(shù)端子相接，實現(xiàn)行走方向的計數(shù)，提升編碼器的反饋值先進入變頻器的速度反饋卡(PG卡)，實現(xiàn)變頻的PG閉環(huán)矢量控制。然后通過速度反饋卡(PG卡)的分頻端子，將分頻后的脈沖信號接入PLC的另一路高速輸入端子，實現(xiàn)提升方向的認址計數(shù)。

由于要通過編碼器來采集堆垛機的實時位置值，為確保采集的準確性。編碼器必須安裝在適當?shù)奈恢?。如果誤差過大。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行走輪的從動輪側(cè)，裝在主動輪時丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象十分嚴重，因此不宜采用。如果要求精度更高時，可以單獨鋪設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尾部，這里因堆垛機高度相對較低，鋼絲繩彈性伸縮不明顯，計數(shù)誤差不大。如果堆垛機高度大于10米以上，鋼絲繩彈性過大，建議另外加裝同步帶機構來提高編碼器的采集精度。

編碼器計數(shù)與定位的實現(xiàn)

對編碼器脈沖的采集是通過PLC的高速計數(shù)器實現(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)渲糜嫈?shù)器。完成行走和提升兩路高速計數(shù)后，即可進行貨位地址初始值設定。

堆垛機對作業(yè)命令的處理

當堆垛機接收到上位觸摸屏或上位計算機發(fā)來的操作指令時，根據(jù)指令中指定目標的行、列數(shù)，PLC將該數(shù)據(jù)作為指針，調(diào)出對應的行、列數(shù)的具體編碼器的脈沖值，通過對兩個數(shù)據(jù)的比較來判斷堆垛機的運行方向。因為所有數(shù)值都是數(shù)字量的，同時編碼器的分辨率很高，因此可以將距離精確到毫米級以下，完全能滿足速度的調(diào)節(jié)要求。

此時的關鍵問題是對變頻的頻率實施動態(tài)的線性給定。由于目標列距離與當前列距離的脈沖差值會隨堆垛機的運行而實時變化，因此將脈沖差值與速度值之間建立起數(shù)學函數(shù)曲線后，就可得到連續(xù)的速度給定值。在堆垛機到達指定目標位后，還可以通過相應位置的認址片做一確認。以加強保護。在連續(xù)運行中，程序中要有對編碼器產(chǎn)生的累計誤差進行校準功能，以確保定位和速度給定的準確性。

通過編碼器計數(shù)與定位技術在堆垛機控制系統(tǒng)中的應用，實現(xiàn)了堆垛機的絕對認址，相比傳統(tǒng)的認址片的相對認址技術，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。提高了堆垛機計數(shù)的可靠性，也實現(xiàn)了線性的速度給定。通過不斷的優(yōu)化控制曲線或者運用多條控制曲線，可以大幅提高堆垛機的整體運行性能。其成本雖比傳統(tǒng)的認址片認址系統(tǒng)略有增加，但與激光測距的系統(tǒng)相比，成本大大降低，同時，在中、低運行速度的堆垛機中的性能不遜于激光測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)在幾年的運行中，穩(wěn)定性、效率性均能滿足用戶的要求，是性價比較高的一種堆垛機控制形式。