叉式穿梭車的電氣控制系統(tǒng)

余姚市供電局 楊立明 陳寧華 朱鳴晨 韓一舜 張 苗

1 引言

軌道式導(dǎo)引車（Rail Guide Vehicle，RGV）具有動(dòng)態(tài)移載、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、成本低等特點(diǎn)，在自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。目前RGV 按運(yùn)動(dòng)方式不同可分為環(huán)形軌道式和直線往復(fù)式。一般地，環(huán)形軌道式RGV系統(tǒng)效率高且可多車同時(shí)工作，軌道多采用鋁合金，相對(duì)成本較高；直線軌道式RGV系統(tǒng)通常為單車單軌，通常采用鋼軌為軌道，成本較低。隨著PLC控制、分布式現(xiàn)場(chǎng)總線、矢量變頻調(diào)速、激光測(cè)距定位等技術(shù)的引入，使得RGV能夠?qū)崿F(xiàn)精確絕對(duì)認(rèn)址與平滑調(diào)速，從而提升了RGV的起動(dòng)、運(yùn)行與制動(dòng)性能，確保了整個(gè)物流系統(tǒng)的可靠、平穩(wěn)與高效。

針對(duì)某電力公司的電力柜存儲(chǔ)需求，采用升降橫移式立體庫(kù)的形式開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化電力柜存儲(chǔ)系統(tǒng)。在輸送機(jī)、穿梭車等傳輸設(shè)備的配合下，該立體庫(kù)系統(tǒng)依靠網(wǎng)絡(luò)化倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了迅速可靠地物品存取管理。本文介紹了該系統(tǒng)的核心組成部分——叉式直線穿梭車（RGV），對(duì)其電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)論述，展現(xiàn)了叉式直線穿梭車在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中的應(yīng)用前景。

2 叉式穿梭車結(jié)構(gòu)組成

直線軌道式RGV 系統(tǒng)通常為單車單軌，叉式穿梭車的硬件組成主要包括行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、叉取機(jī)構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。行走電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)車輪，使叉式穿梭車在下導(dǎo)軌上做水平行走；提升電機(jī)通過(guò)凸輪帶動(dòng)載貨臺(tái)做垂直升降；載貨臺(tái)上的貨叉電機(jī)驅(qū)動(dòng)貨叉左右伸縮。通過(guò)上述三維運(yùn)動(dòng)可將指定位置的貨物取出或?qū)⒇浳锼腿胫付ㄎ恢谩?/p>

圖1 叉式穿梭車結(jié)構(gòu)組成

3 RGV電氣控制系統(tǒng)

3.1 電氣控制系統(tǒng)組成

叉式穿梭車的控制系統(tǒng)主要電氣元件包括PLC、變頻器和觸摸屏。RGV的電機(jī)采用SEW三相異步電機(jī)。其中行走和貨叉電機(jī)由一臺(tái)變頻器分時(shí)控制實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，而升降電機(jī)由另一臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速。叉式穿梭車具有自動(dòng)認(rèn)址、貨位虛實(shí)監(jiān)測(cè)以及其它自動(dòng)檢測(cè)功能。RGV電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)以Siemens 公司CPU 314-2DP作為控制核心，負(fù)責(zé)處理從激光傳感器測(cè)得的距離值、RGV控制方式（自動(dòng)或手動(dòng)）、與上位機(jī)間的通訊、防撞策略和控制變頻器調(diào)速和停走方案等。CPU 314-2DP模擬量輸出滿足無(wú)極調(diào)速要求并自帶24個(gè)數(shù)字輸入和8個(gè)數(shù)字輸出，能夠接入激光測(cè)距儀的檢測(cè)信號(hào)輸入、輸出變頻器控制，繼電器輸出模塊SM322用于指示燈的輸出和電機(jī)抱閘等控制輸出。

圖2 叉式穿梭車控制系統(tǒng)

變頻器采用諾德變頻器SK520E 具有自動(dòng)力矩調(diào)節(jié)功能 防止低頻力矩不夠。實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很高的控制精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行 并可接入標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

叉式穿梭車控制系統(tǒng)配備了多種激光測(cè)量傳感器 包括貨物檢測(cè)傳感器、貨物尺寸檢測(cè)傳感器、激光測(cè)距傳感器等 如圖3所示。

圖3 LEUZE測(cè)量傳感器與光通訊器

貨物檢測(cè)傳感器 采用德國(guó)勞易測(cè)（LEUZE）專為立體倉(cāng)庫(kù)開(kāi)發(fā)的HRTR 46B貨物檢測(cè)傳感器 具有檢測(cè)距離遠(yuǎn)且可調(diào)、檢測(cè)光線強(qiáng)、受檢測(cè)物體顏色影響小等特點(diǎn)。貨物檢測(cè)可以防止空出庫(kù)、重復(fù)入庫(kù)等現(xiàn)象的發(fā)生。

貨物尺寸檢測(cè)傳感器 入庫(kù)輸送機(jī)上部安裝有門(mén)架式尺寸檢測(cè)裝置 貨物入庫(kù)時(shí) 可發(fā)現(xiàn)貨物外形尺寸的超出情況 并報(bào)警提示操作人員手工處理。固定條碼掃描儀安裝在尺寸檢測(cè)門(mén)架側(cè)面上 用于料箱上的條碼掃描 對(duì)未通過(guò)外形尺寸和條形碼檢測(cè)的貨物進(jìn)行報(bào)警提示 以便操作人員人工處理。

激光測(cè)距傳感器 采用德國(guó)勞易測(cè) LEUZE 激光測(cè)距儀AMS200進(jìn)行水平位移檢測(cè) 檢測(cè)誤差可保證在±1mm 刷新速度可達(dá)2ms 具有速度/位置測(cè)量功能。激光絕對(duì)認(rèn)址方式實(shí)現(xiàn)了貨位設(shè)定的數(shù)字化，易于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位功能，配合可編程控制器的控制算法求得速度設(shè)定值 并通過(guò)變頻器進(jìn)行位置/速度的閉環(huán)控制 如圖2所示。在PLC編程軟件STEP7中的激光測(cè)距儀硬件組態(tài)配置如圖4所示。激光測(cè)距儀數(shù)值讀取模塊如圖5所示。

圖4 激光測(cè)距儀在STEP 7中的硬件組態(tài)

圖5 激光測(cè)距儀數(shù)值讀取模塊

3.2 系統(tǒng)通訊

整個(gè)叉式穿梭車傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊采用PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)，將RGV可編程控制器、激光測(cè)距儀、變頻器、控制面板觸摸屏、上位監(jiān)控機(jī)等連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中，并為連接在網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)部件都分配不同的總線地址。

此外 地面主站需要與叉式穿梭車之間傳輸RGV的當(dāng)前位置與目標(biāo)位置信息。由于本系統(tǒng)為直線往復(fù)式導(dǎo)軌 因此在RGV車載電氣控制系統(tǒng)中加入了無(wú)線紅外激光通訊器DDLS 200，如圖6所示。在RGV與地面主站之間對(duì)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上 實(shí)現(xiàn)兩者之間的遠(yuǎn)紅外線光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸 并且支持最大數(shù)據(jù)傳輸范圍500m、最大傳輸速度200kbps。

圖6 紅外激光通訊示意圖

3.3 RGV定位與速度控制

當(dāng)RGV接收到地面站或操作面板觸摸屏下達(dá)的作業(yè)指令時(shí)，PLC根據(jù)作業(yè)指令裝入目標(biāo)貨位地址，同時(shí)通過(guò)激光測(cè)距器讀取RGV當(dāng)前地址 PLC計(jì)算出位移差值△S0。由于RGV的最大運(yùn)行速度受其機(jī)構(gòu)、電機(jī)性能、功率、負(fù)載及安全等方面的限制 設(shè)有最大限速值 而RGV的最小運(yùn)行速度受到負(fù)載與拖動(dòng)力矩等的影響 設(shè)有最小速度限制，否則低速時(shí)就無(wú)法拖動(dòng)和正常工作。為實(shí)現(xiàn)RGV平滑調(diào)速 采用三段式策略對(duì)變頻器的頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)的線性給定。

啟動(dòng)階段 根據(jù) △S0計(jì)算初始運(yùn)動(dòng)速度V0。設(shè)Vmax和Vmin分 別是穿梭車允許運(yùn)行的最高和最低速度Smin是水平方向相鄰貨位間距Smax是立庫(kù)水平方向最大寬度 則

其中 f(·)是查表函數(shù) 即查詢事先建立的測(cè)距值與速度給定值之間的數(shù)學(xué)函數(shù)曲線。

勻速階段 穿梭車啟動(dòng)之后不斷獲取當(dāng)前絕對(duì)測(cè)距值△S當(dāng)△S＞0.5△S0即未達(dá)到半程之前 均保持初始速度運(yùn)行。

減速階段 當(dāng)△S≤0.5△S0后開(kāi)始均減速過(guò)程 當(dāng)△S≤0.5Smin后 穿梭車以最小速度Vmin運(yùn)行直到停下。

通過(guò)激光定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了穿梭車絕對(duì)認(rèn)址 相比傳統(tǒng)的認(rèn)址片相對(duì)認(rèn)址技術(shù) 定位精度更高 并支持線性連續(xù)的速度給定 進(jìn)一步可以通過(guò)優(yōu)化速度控制曲線 大幅提高穿梭車的運(yùn)行性能。

3.4 叉式穿梭車的安全運(yùn)行控制

為了保證人身、貨物及設(shè)備的安全 叉式穿梭車配備有完善的硬件及軟件的安全保護(hù)裝置 并在電氣控制上采取一系列聯(lián)鎖和保護(hù)措施：

①?gòu)幕镜碾姍C(jī)控制角度 各電機(jī)均設(shè)有過(guò)電流繼電器對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

②從RGV安全運(yùn)行控制角度 設(shè)置了走行端點(diǎn)限位及升降端點(diǎn)限位傳感器；設(shè)置了走行高速?gòu)?qiáng)制切除功能 從而防止穿梭車運(yùn)行至軌道兩端附近運(yùn)行速度過(guò)快；設(shè)置了升降高速?gòu)?qiáng)制切除功能 從而防止叉式穿梭車運(yùn)行至升降兩端附近運(yùn)行速度過(guò)快；另外 貨叉、行走、升降過(guò)程均具有邏輯互鎖功能 確保貨叉動(dòng)作時(shí)禁止行走、行走中貨叉禁止動(dòng)作、貨叉動(dòng)作中禁止高速升降。

③從出入庫(kù)操作安全角度 為防止空出庫(kù)、重復(fù)入庫(kù)等現(xiàn)象的發(fā)生 設(shè)置了對(duì)貨架上貨位、入出庫(kù)位置上的貨物檢測(cè)傳感器 為防止貨物尺寸與欲入庫(kù)貨位的尺寸不符 設(shè)置了貨物尺寸檢測(cè)傳感器 為防止貨物坍塌情況的發(fā)生 叉式穿梭車上設(shè)置了貨物坍塌檢測(cè)傳感器 還設(shè)置了松鏈檢測(cè)傳感器 以檢測(cè)松鏈情況的發(fā)生。

④從安全報(bào)警角度，叉式穿梭車控制盤(pán)上設(shè)置緊急停止按鈕 以備在非常情況下切斷叉式穿梭車電源，設(shè)置有異常狀態(tài)下的聲光報(bào)警裝置，并用指示燈來(lái)指示叉式穿梭車工作狀態(tài)。

4 實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

所研制的叉式穿梭車實(shí)物如圖7所示。該叉式穿梭車應(yīng)用在某電力柜存儲(chǔ)系統(tǒng)中。此系統(tǒng)采用一套三層升降橫移式立體存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 共計(jì)存儲(chǔ)42個(gè)托盤(pán)位 每個(gè)托盤(pán)位可存放一個(gè)2000×1500的大容量托盤(pán)。系統(tǒng)中采用兩臺(tái)RGV分別在庫(kù)的兩側(cè)各自軌道上運(yùn)行。

圖7 叉式穿梭車實(shí)物圖

叉式穿梭車PLC通過(guò)紅外激光通訊方式與地面主站PLC通訊；而地面主站PLC通過(guò)以太網(wǎng)與監(jiān)控級(jí)計(jì)算機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)與監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)了聯(lián)機(jī)自動(dòng)、本機(jī)自動(dòng)、半自動(dòng)及手動(dòng)控制這四種RGV控制模式。

叉式穿梭車通過(guò)激光絕對(duì)認(rèn)址實(shí)現(xiàn)了測(cè)距、調(diào)速的數(shù)字化，確保了叉式穿梭車運(yùn)行精準(zhǔn)、平穩(wěn)；由于叉式穿梭車運(yùn)行靈活、速度較快的特點(diǎn)，使庫(kù)臺(tái)和貨位地址變更、出入庫(kù)操作更為高效、可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種叉式穿梭車的電氣控制系統(tǒng)，通過(guò)集成可編程控制器、分布式現(xiàn)場(chǎng)總線、矢量變頻調(diào)速、激光測(cè)距定位等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了叉式穿梭車的精確絕對(duì)認(rèn)址與平滑調(diào)速。實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)具有成本低、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，能夠顯著提高物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的效率。