基于變頻定位技術(shù)的無線全自動巷道堆垛機系統(tǒng)

張卓 張大明

（哈爾濱電氣集團阿城繼電器有限責任公司，哈爾濱 150090）

1 巷道堆垛機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

1.1 機械設(shè)備結(jié)構(gòu)

1）堆垛機主體，它由上下兩個橫梁和一個立柱作為主框架，整體移動時則代表開始“列”的選擇。

2）貨叉機構(gòu)，貨叉可以理解為收取貨物的一個機械手抓，它在堆垛機主體靜止時，可以上下移動，代表“行”的選擇，并可以向立體庫內(nèi)部伸出，進行取貨、放貨操作。

3）電氣控制柜，所有電氣元件安裝于控制柜中，并隨堆垛機主體進行左右移動。優(yōu)勢在于正臺堆垛機供電線路只需一根電源線即可。省去了為固定控制柜而必須在控制柜和設(shè)備本體之間必須架設(shè)的繁瑣電纜及移動電纜拖鏈。

4）立體倉庫單元，所有貨品承與標準的貨物箱之中，放置于立體倉庫單元內(nèi)。

5）入庫承接機構(gòu)，氣缸驅(qū)動，用于在輸送帶上托起貨物箱等待堆垛機貨叉收取。

6）出庫承接機構(gòu)，氣缸驅(qū)動，用于接收堆垛機貨叉上的貨物箱，并放置在輸送線上使貨物箱傳輸至下一位置。

7）輥筒傳輸線，用于傳輸貨物箱進出。

8）貨物箱，外側(cè)粘貼有RFID電子標簽，貨物箱外形相同，不同的ID值及貨物信息存儲在電子標簽內(nèi)部。

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）主控機，操作者通過連接在主控制上位 PC機（下稱主控機）上的RFID讀寫器，將信息寫入貨物箱上的空白電子標簽中，再通過人機交互程序，操作堆垛機及立體庫的入庫，出庫等操作。

2）無線網(wǎng)絡(luò)，操作者的命令及設(shè)備狀態(tài)信息均由無線Zigbee網(wǎng)絡(luò)相互傳輸。

3）堆垛機系統(tǒng)，有一臺主PLC通過modbus控制兩臺變頻驅(qū)動器，進而驅(qū)動平移與升降兩臺普通三相異步電機，通過PLC高速計數(shù)器接收到的編碼器返回值，實時糾正modbus發(fā)出的方向，速度等指令達到高效率，高精度定位。

4）傳輸線系統(tǒng)，一臺PLC通過zigbee接入網(wǎng)絡(luò)。完成操作控制與狀態(tài)傳輸。

2 無線Zigbee技術(shù)的體現(xiàn)

2.1 Zigbee技術(shù)特點

在本套系統(tǒng)中，無線部分采用的是進口模塊產(chǎn)品，省去了繁瑣的通信電纜鋪設(shè)、大大提高了系統(tǒng)無線通信部分的穩(wěn)定性。該產(chǎn)品核心采用Zigbee無線通信技術(shù)，其相比以往同類技術(shù)，具有以下特點：

1）基于IEEE802.15.4標準的無線私人局域網(wǎng)（WPANs）。

2）價格低廉，專為低數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計。

3）可組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，廣泛應用于工業(yè)控制，嵌入式傳感器，醫(yī)藥醫(yī)療，智能家居等諸多行業(yè)。

4）采用主從結(jié)構(gòu)配置。

5）工作頻段2.4GHz。

連接主控機的Zigbee主機型號為zb-2550（HOST），連接PLC的Zigbee從機型號為zb-2551(SLAVE)。他們允許RS485或RS232接口的接入，將其轉(zhuǎn)化為 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)信息。在同一個網(wǎng)絡(luò)中必須只有一個主機，用于初始化和管理數(shù)據(jù)傳輸路線。從機負責從主機或者路由器中發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)傳輸距離小于模塊標稱距離（100m），所以沒有選擇路由中繼器。模塊原理如圖1所示。

圖1 Zigbee模塊原理圖

2.2 工作模式

標準的Zigbee模塊提供一共四種傳輸模式：透明模式、modbus模式、選址模式、和IO模式。

1）透明模式：此時主站和所有從站模塊類似路由器傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)備主機由無線主站發(fā)出的信息，會被所有無線從站接收，并反映到設(shè)備從站之中。一幀的最大數(shù)據(jù)是200字節(jié)，原始數(shù)據(jù)被分解為許多小數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包為50個字節(jié)。

2）modbus模式：基于 modbus協(xié)議的無線傳輸，適用于原始數(shù)據(jù)大于50個字節(jié)的情況。并且原始數(shù)據(jù)不會分解為小數(shù)據(jù)包，一幀最大數(shù)據(jù)是200字節(jié)。

3）選址模式：原始數(shù)據(jù)不會被分解為小的數(shù)據(jù)包，一幀最大數(shù)據(jù)是200個字節(jié)，比較適合沒有地址的設(shè)備從機，如條形碼閱讀器。連接無線從站后，即可獲得一個從站地址，由主機選址進行數(shù)據(jù)傳輸。從站不會收到主站發(fā)給其他從站的信息。

4）IO模式：比較適用于傳輸距離長，網(wǎng)絡(luò)擁有許多中繼器的情況。網(wǎng)絡(luò)本身多層傳輸，并應用到DCON或modbus協(xié)議。這個模式就類似選址模式發(fā)送數(shù)據(jù)給相應從站設(shè)備，而其他從站不會響應。

2.3 配置及協(xié)議

本套堆垛機控制系統(tǒng)采用的是選址模式：

1）主控機側(cè)：控制器為一體電腦，Zigbee主站模塊占用一個串口，波特率均為115200，N，8，1。無線模塊節(jié)點ID=0000，PAN-ID=FF00，RF信道為9。當控制器發(fā)送ASCII碼指令“0004(ID)+11+行號+列號”為啟動入庫功能的指令、發(fā)送“0004(ID)+12+行號+列號”為啟動出庫功能的指令等等。從機返回的指令，按照規(guī)定協(xié)議實時顯示在電腦屏幕上。

2）輸送線側(cè)：控制器為PLC，Zigbee從站模塊占用一個串口，波特率均為115200，N，8，1。無線模塊節(jié)點ID=0003，PAN-ID=FF00，RF信道為9。協(xié)議格式見表1。

3）堆垛機側(cè)：控制器為PLC，zigbee從站模塊占用一個串口，波特率均為115200，N，8，1。無線模塊節(jié)點ID=0004，PAN-ID=FF00，RF信道為9。協(xié)議格式見表2。

表1

表2

2.4 小結(jié)

如上所述，主機側(cè)的協(xié)議，可以控制從機設(shè)備的各個工作的開展，即任務下達；從機側(cè)的協(xié)議，可以實時提現(xiàn)該設(shè)備當前的狀態(tài)以及故障信息等等。程序操作均為串口，這里不做過多闡述。

3 PLC變頻定位功能

堆垛機兩自由度貨倉選擇，是控制的核心部分。如何達到高效率、低振動、高精度是整套系統(tǒng)的關(guān)鍵。眾所周知，普通直角坐標系統(tǒng)，通過交流伺服或步進電機可以實現(xiàn)類似功能，但對于即使最普通的立體式倉庫而言，動輒幾米或幾十米的行程，任何品牌的上述電機加上傳動機構(gòu)，采購價格都會讓設(shè)計廠家望塵莫及。怎樣能用最低的成本，達到理想的效率、精度及穩(wěn)定性呢，本系統(tǒng)采用的電機為普通的三相異步電動機，通過外加旋轉(zhuǎn)編碼器、變頻器調(diào)速以及PLC的定位功能，以實現(xiàn)上述功能。

3.1 原理

架構(gòu)系統(tǒng)采用omron品牌的CP系列PLC，通過PLC內(nèi)部的位置偏差計數(shù)器，執(zhí)行反饋控制，實現(xiàn)通過變頻器進行精確的定位控制。在偏差計數(shù)器中，自動計算來自內(nèi)部計算脈沖數(shù)和旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋脈沖數(shù)之位置差，運用modbus變頻器速度指令，使位置偏差始終為零。

以往對于此類架構(gòu)的控制方式，一般都是通過編碼器檢測出到達設(shè)定位置附近時，開始降低速度，在到達位置時停止電機。但在高速運動中停止，對于此類感應電機，大多產(chǎn)生定位偏差，造成停止精度不良，而延長減速時間緩慢停止，又會使定位時間變長，無效率可言。而本系統(tǒng)選用的PLC變頻定位功能，通過反饋脈沖始終掌握當前位置，實時修正，提升了定位精度，縮短了定位時間。即使在靜止情況下，任何外力施加移動電機的力，控制器都會自動產(chǎn)生相反的力矩用于消除位置偏移。使電機繼續(xù)靜止。

3.2 參數(shù)匹配

不同的傳動系統(tǒng)，精度要求與響應特性等各不相同，想讓PLC準確了解傳動構(gòu)成，需要仔細配置功能參數(shù)。

增益：設(shè)定值乘以 0.1。默認10×0.1=1為斜率為1的直線。偏差計數(shù)器當前值乘以增益數(shù)據(jù)，作為傳遞給變頻器的輸出速度指令。功能為放大偏差信號，使控制更加靈敏。但增益過大會使響應過快，產(chǎn)生震蕩。

In-position范圍：即“位置到達范圍”，目的位置與實際位置的差值。電機到達此范圍內(nèi)時，隨即停止至偏差計數(shù)器的脈沖輸出，并且偏差計數(shù)器當前值在進入位置范圍內(nèi)時，A26.03標志為1。此參數(shù)越小，電機定位精度越高，但是容易產(chǎn)生反復抖動現(xiàn)象（由于慣性而無法到達目的位置）。

最小輸出值：變頻器與步進或伺服驅(qū)動器不同，低速輸出時可能會出現(xiàn)沒有電機動作，不同的變頻器有著不同的無輸出頻率。設(shè)置此參數(shù)，使偏差計數(shù)器脈沖很小時也能驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。

最大輸出值：原理同上，防止速度過快產(chǎn)生意外。

錯誤計數(shù)器溢出：指旋轉(zhuǎn)編碼器行程超出設(shè)定值保護。

編碼器旋轉(zhuǎn)一周的分辨率：指所安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器精度指標。

3.3 小結(jié)

通過以上設(shè)置，在PLC編程中可以與步進電機編程相同，通過脈沖個數(shù)決定電機運動位置，通過脈沖頻率決定電機運動速度。實際上脈沖并不是直接從PLC通用輸出口輸出的物理脈沖信號，而是將脈沖發(fā)送給PLC內(nèi)部的偏差計數(shù)器，偏差計數(shù)器經(jīng)過同內(nèi)部高速計數(shù)器采集的旋轉(zhuǎn)編碼器位置的比較，產(chǎn)生實際控制的速度及位置數(shù)據(jù)，在PLC串行接口中經(jīng)由modbus下達給變頻驅(qū)動器。

4 基于PLC的Modbus簡介

上述PLC的變頻定位功能，最終輸出數(shù)據(jù)流給變頻驅(qū)動器，此數(shù)據(jù)流跟據(jù)變頻定位功能描述可分為兩種：模擬量輸出和串行通信輸出。模擬量輸出要求PLC必須配備模擬量輸出端口，并且模擬量容易受到外界干擾產(chǎn)生電機速度跳動，所以本控制系統(tǒng)采用的是PLC串行通信輸出，協(xié)議為Modbus。

物理連接只需將PLC于變頻器通過RS485結(jié)構(gòu)雙絞線連接。在PLC側(cè)，串口配置為“串口網(wǎng)關(guān)”波特率默認9600，7，2，E。PLC的“modbus-RTU簡易主站”功能將數(shù)據(jù)寄存器區(qū)域固定分配。包含從站設(shè)備地址、功能、數(shù)據(jù)等字節(jié)。發(fā)出modbus-RTU指令時，接收的應答信息被自動保存到固定的數(shù)據(jù)寄存器區(qū)域。

在變頻驅(qū)動器側(cè)，需要設(shè)置的幾個主要參數(shù)如下：

1）波特率默認：9600，7，2，E。同PLC的設(shè)置必須相同，才能建立通信連接。

2）運轉(zhuǎn)指令選擇：RS485。一般變頻器默認運轉(zhuǎn)指令為操作按鈕。

3）頻率指令選擇：RS485。一般變頻器默認運轉(zhuǎn)頻率為操作按鈕或者旋轉(zhuǎn)電位器。

4）加減速時間：0s。變頻器普通使用時，加減速時間是必須設(shè)置的參數(shù)，以達到電機穩(wěn)定加速及減速。但由于應用了PLC的變頻定位功能，加減速時間都是由不同的目標位置、當前速度、不同的阻力大小等因素共同決定的，是由PLC的運算結(jié)果通過modbus來表達，故變頻器中設(shè)置數(shù)值應為“0”。

5）通信從站地址：此變頻器在串行網(wǎng)絡(luò)中的地址，需與PLC程序中地址一致。

5 RFID射頻技術(shù)

堆垛機對立體倉庫的進出貨操作，是針對貨物箱與儲貨倉位的，儲貨倉位按照實際位置確定行與列，貨物箱的ID與貨物信息是儲存在RFID射頻標簽中的。

本控制系統(tǒng)中，每個貨箱外側(cè)都貼有 RFID射頻標簽，其中的信息都是惟一的。系統(tǒng)配備有兩套RFID讀寫器，如圖2所示。一臺連接在主控機上，用于讀取或改寫某個貨物箱信息；另一臺安裝于輸送線的入口處，用于讀取入庫的貨物箱應該存放在第幾行第幾列。

圖2 RFID讀寫器

選取的讀寫器指標為：工作頻率：13.56MHz；檢測距離：6～10cm；標簽標準：ISO15693。

6 結(jié)論

通過以上技術(shù)的應用，使得對于立體倉庫的操作變得簡單且易于維護，每個進入傳輸線內(nèi)的帶有RFID信息的貨物箱，會自動的被系統(tǒng)識別，在傳輸線的入庫承接機構(gòu)上緩停，等待任務空閑的堆垛機將其取走并放置于對應的倉位之中。將要出庫的貨物箱，經(jīng)遠程電腦的鼠標點擊，或由調(diào)度運算自動產(chǎn)生，都可以通過無線網(wǎng)絡(luò)下達給堆垛機，在任務空閑時將準備出庫的貨物箱從立體倉庫中取出，并通過傳輸線運送至需要的位置。