自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)虛擬樣機(jī)與控制程序的聯(lián)合仿真

華 雋，王宏民，馬文棟，胡宗山，秦 超

HUA Juan1 , WANG Hong-min1, MA Wen-dong1, HU Zong-shan2, QIN Chao2

（1.河南省電力公司，鄭州 450001；2.河南九域騰龍信息工程有限公司，鄭州 450001）

0 引言

隨著德國(guó)“工業(yè)4.0”、美國(guó)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在全球的風(fēng)靡，以及“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的如火如荼地推進(jìn)。制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，也是今后我國(guó)經(jīng)濟(jì)“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)型升級(jí)”的主戰(zhàn)場(chǎng)[1]。以新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為特點(diǎn)的智能制造已經(jīng)引發(fā)了全球性的新一輪工業(yè)革命，并成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要抓手與核心動(dòng)力[2,3]。

以此為背景國(guó)家電網(wǎng)公司全面推進(jìn)智能計(jì)量體系的工作進(jìn)度，目前各省公司陸續(xù)建成投運(yùn)省級(jí)計(jì)量“四線(xiàn)一庫(kù)”生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)。大量新型、先進(jìn)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)工作提出了更高要求，改變目前計(jì)量生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)人工效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定的弊端，提升生產(chǎn)質(zhì)量。

1 MCD簡(jiǎn)介和自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)簡(jiǎn)介

機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)解決方案（MCD）是一種全新解決方案，借助該軟件，可對(duì)包含多物理場(chǎng)以及通常存在于機(jī)電一體化產(chǎn)品中的自動(dòng)化相關(guān)行為的概念進(jìn)行3D建模和仿真。MCD支持功能設(shè)計(jì)方法，可集成上游和下游工程領(lǐng)域，包括需求管理、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)以及軟件自動(dòng)化工程。MCD涉及機(jī)械、電氣和軟件設(shè)計(jì)學(xué)科的產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，使這些學(xué)科能夠同時(shí)工作，專(zhuān)注于包括機(jī)械部件、傳感器、驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)的概念設(shè)計(jì)[4]。

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)采用先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)貨物出庫(kù)、入庫(kù)管理，不僅能使貨物在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)按要求自動(dòng)出庫(kù)、入庫(kù)，而且可以與倉(cāng)庫(kù)周邊的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)的鏈接[3]。與傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)相比自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)具有以下優(yōu)越性：

1）節(jié)約倉(cāng)庫(kù)占地面積。

2）減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人力資源成本。

3）自動(dòng)化管理提高倉(cāng)庫(kù)的管理水平，增加倉(cāng)儲(chǔ)貨物安全性。

4）做到庫(kù)存實(shí)時(shí)監(jiān)控和查詢(xún)，可及時(shí)更新庫(kù)存[5]。

2 研究對(duì)象

2.1 項(xiàng)目模型仿真簡(jiǎn)介

圖1 立體倉(cāng)庫(kù)模型圖

本次仿真運(yùn)行的模型以漯河市計(jì)量中心庫(kù)為原型，漯河計(jì)量中心倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)采用高自動(dòng)化、高智能化的軟硬件系統(tǒng)，并與營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)高度協(xié)作，共同完成電能表的全生命周期管理。

該套設(shè)備主要包括以下幾種設(shè)備：

表1 設(shè)備清單表

該套系統(tǒng)的入庫(kù)運(yùn)行流程如下：

1）平板車(chē)或者agv小車(chē)將載有電能表的周轉(zhuǎn)箱托運(yùn)至拆碼垛機(jī)設(shè)備內(nèi)部。

2）周轉(zhuǎn)箱達(dá)到預(yù)定工作位置后，拆碼垛機(jī)將周轉(zhuǎn)箱兩箱作為一垛拆下來(lái)并轉(zhuǎn)移放置與輥道上。

3）經(jīng)過(guò)輥道的轉(zhuǎn)動(dòng)和射頻門(mén)的開(kāi)合，輥道將兩箱周轉(zhuǎn)箱運(yùn)輸至射頻門(mén)內(nèi)部。當(dāng)射頻門(mén)全部關(guān)閉時(shí)，開(kāi)始射頻識(shí)別，并將識(shí)別到的電能表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于上位機(jī)程序內(nèi)。

4）射頻識(shí)別之后，該垛周轉(zhuǎn)箱在輥道的作用下繼續(xù)向前運(yùn)行；與此同時(shí)拆碼垛機(jī)將第二垛周轉(zhuǎn)箱放置與輥道上，輥道開(kāi)始重復(fù)第3步驟的運(yùn)行。

5）通過(guò)三個(gè)輥道和兩個(gè)輥道升降機(jī)的作用，將周轉(zhuǎn)箱運(yùn)轉(zhuǎn)至堆垛機(jī)的接貨臺(tái)位置。

6）堆垛機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至接貨位置，檢測(cè)出有貨，伸出貨叉至周轉(zhuǎn)箱底部；堆垛機(jī)升降將周轉(zhuǎn)箱抬離接貨臺(tái)，堆垛機(jī)貨叉載著周轉(zhuǎn)箱回收到位。

7）堆垛機(jī)載著周轉(zhuǎn)箱運(yùn)行至倉(cāng)庫(kù)貨架，將周轉(zhuǎn)箱放置于貨架上。

8）入庫(kù)存貨流程完成。

出庫(kù)流程與入庫(kù)流程相反，在此不再贅述。

2.2 機(jī)電概念屬性施加過(guò)程

由于本次設(shè)備較多，將整個(gè)模型裝配后進(jìn)行機(jī)電概念屬性添加，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤將會(huì)導(dǎo)致較大的重復(fù)工作量。本次調(diào)試采取并聯(lián)式調(diào)試，將模型分成三部分，主要分為：

1）堆垛機(jī)和貨架。

2）輥道、輥道升降機(jī)和射頻門(mén)。

3）拆碼垛機(jī)。

對(duì)這三個(gè)部分設(shè)備分別添加約束、信號(hào)、碰撞等機(jī)電概念屬性。然后將機(jī)電概念模型與控制系統(tǒng)通過(guò)OPC協(xié)議進(jìn)行聯(lián)通調(diào)試，當(dāng)三個(gè)部分都調(diào)試成功后再將三個(gè)模型裝配到一起。三個(gè)分組件機(jī)電概念模塊所添加的屬性和信號(hào)等也會(huì)被帶入到新的總裝配體中，新的總裝配體直接運(yùn)行調(diào)試就可以。

由于之前項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行了拆碼垛機(jī)進(jìn)行仿真（參見(jiàn)：基于UGNX的拆碼垛機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)仿真研究[7]），仿真模型已經(jīng)完成。所以本次仿真使用堆垛機(jī)之前模型，不再重新對(duì)其進(jìn)行仿真，只仿真輥道、輥道升降機(jī)和射頻門(mén)組件和堆垛機(jī)貨架組件。仿真完成后將三個(gè)模型裝配。

3 輥道施加機(jī)電概念仿真

圖2 輥道圖

輥道如圖2所示，共計(jì)有三節(jié)輥道。其作用是負(fù)責(zé)周轉(zhuǎn)箱從拆碼垛機(jī)與堆垛機(jī)之間的輸送，途中要經(jīng)過(guò)射頻門(mén)進(jìn)行信號(hào)識(shí)別。

3.1 對(duì)象源

輥道運(yùn)行時(shí)需要在輥道初始位置生成量箱電能表，即圖2所示對(duì)象源位置處。這就用到了機(jī)電概念設(shè)計(jì)的對(duì)象源屬性，對(duì)象源可以源源不斷的生成仿真所需要的對(duì)象。對(duì)象源觸發(fā)的條件有兩種，一種是基于時(shí)間；一種是每次激活時(shí)一次。本次仿真箱子的產(chǎn)生設(shè)計(jì)采用外部開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)外部開(kāi)關(guān)閉合時(shí)MCD模塊中的信號(hào)接收到變化即對(duì)象源屬性觸發(fā)，開(kāi)始生成定義對(duì)象。

當(dāng)對(duì)象源的觸發(fā)方式選擇為每次激活時(shí)觸發(fā)一次，當(dāng)外部開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí)對(duì)象源一直處于觸發(fā)狀態(tài)，所以會(huì)一直在生成周轉(zhuǎn)箱，無(wú)法精確控制周轉(zhuǎn)箱的生成數(shù)量。所以最終采用基于時(shí)間的屬性，設(shè)置時(shí)間間隔為4秒。最終的結(jié)果為：當(dāng)外部開(kāi)關(guān)閉合滿(mǎn)4秒對(duì)象源觸發(fā)一次，此時(shí)周轉(zhuǎn)箱會(huì)生成一垛；一直循環(huán)，每滿(mǎn)4秒周轉(zhuǎn)箱會(huì)生成一垛。當(dāng)不需要新的周轉(zhuǎn)箱生成時(shí)即把外部開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，此時(shí)該對(duì)象源屬性不觸發(fā)，也就不能生成新的周轉(zhuǎn)箱。

圖3 對(duì)象源圖

3.2 輥道傳輸面

當(dāng)周轉(zhuǎn)箱的對(duì)象源生成屬性建立完成后，需要對(duì)輥道進(jìn)行速度給定。一共三個(gè)輥道，每個(gè)輥道建立一個(gè)傳輸面屬性，但是傳輸面的速度由邏輯公式給定如圖4所示：以運(yùn)行時(shí)表達(dá)式RuntimeExpression_3為例；這是定義輥道105的平移速度公式，完整的公式為If（M105輥道輸送正轉(zhuǎn)M=true）Then（260）Else If（M105輥道輸送反轉(zhuǎn)M=true）Then（-260）Else（0）。其中信號(hào)M105輥道輸送正傳和M105輥道輸送反轉(zhuǎn)為PLC給定的信號(hào)，通過(guò)OPC協(xié)議與MCD模塊進(jìn)行信息互通。當(dāng)M105輥道輸送正轉(zhuǎn)=true時(shí)輥道105的傳輸面?zhèn)鬏斔俣葹?60mm/s，方向?yàn)檎较?；?dāng)M105輥道輸送反轉(zhuǎn)=true時(shí)輥道105的傳輸面?zhèn)鬏斔俣葹?260mm/s，此時(shí)為反方向輸送；當(dāng)兩個(gè)都不觸發(fā)時(shí)速度為0。輥道正傳或反轉(zhuǎn)通過(guò)改變速度的正負(fù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4 邏輯公式圖

3.3 射頻門(mén)開(kāi)合

射頻門(mén)的升降采用位置控制，如表達(dá)式RuntimeExpression_9所示：If（射頻門(mén)入門(mén)升=true）Then（250）Else If）射頻門(mén)入門(mén)降=true）Then（0）Else（0）。即當(dāng)PLC給出信號(hào)射頻門(mén)入門(mén)升=true時(shí)射頻門(mén)的目標(biāo)位置為250mm處，運(yùn)行速度為100mm/s；此時(shí)射頻門(mén)為打開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)PLC給出其他信號(hào)時(shí)射頻門(mén)的目標(biāo)位置為0，此時(shí)射頻門(mén)為關(guān)閉狀態(tài)。

圖5 射頻門(mén)位置控制圖

3.4 激光傳感器

當(dāng)傳周轉(zhuǎn)箱在輥道上傳輸運(yùn)行時(shí)，需要在每個(gè)輥道上添加激光傳感器以檢測(cè)周轉(zhuǎn)箱在輥道上的位置。由于MCD模塊中沒(méi)有激光傳感器的屬性，所以需要將激光傳感器的屬性改為碰撞傳感器的屬性。將激光傳感器發(fā)射的激光表達(dá)為實(shí)體并賦予碰撞傳感器的屬性，當(dāng)物體運(yùn)行碰到激光時(shí)該碰撞傳感器觸發(fā)，將信號(hào)反饋至PLC。

圖6 激光傳感器模型圖

圖7 碰撞傳感器圖

3.5 輥道升降機(jī)

該套系統(tǒng)內(nèi)存在兩個(gè)與輥道相配套的升降機(jī)；兩套升降機(jī)雖然尺寸、頂升高度不同；但均為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，凸輪頂升的原理。電機(jī)只有一個(gè)轉(zhuǎn)向，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪帶動(dòng)頂升裝置升降，當(dāng)升降裝置上升碰觸到上限位開(kāi)關(guān)時(shí)，該觸發(fā)信號(hào)會(huì)傳導(dǎo)至PLC內(nèi)部，此時(shí)程序會(huì)控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；升降機(jī)達(dá)到上頂升位置。當(dāng)程序控制電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)升降裝置會(huì)向下運(yùn)轉(zhuǎn)，直至下極限位置觸發(fā)；此時(shí)程序會(huì)控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；升降機(jī)達(dá)到下回收位置。

圖8 輥道升降機(jī)

在MCD模塊中存在電子凸輪的屬性，如圖9所示該電子凸輪隨著時(shí)間循環(huán)。其運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)需要重新定義。

圖9 電子凸輪

定義電子凸輪的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，該凸輪的位置與時(shí)間關(guān)系如圖10所示。高位時(shí)位置數(shù)值為0，低位時(shí)位置數(shù)值為-200。當(dāng)凸輪將要到達(dá)高位或者低位時(shí)其速度會(huì)減小，中間位置時(shí)速度較大；這樣做的原因是使其精確定位。

圖10 電子凸輪運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)圖

另外一臺(tái)升降機(jī)M103與之相類(lèi)似，只是運(yùn)行控制曲線(xiàn)略有不同。

圖11 輥道信號(hào)映射圖

當(dāng)MCD所有屬性都建立后將MCD信號(hào)與外部信號(hào)建立映射關(guān)系，如圖11所示。

此時(shí)運(yùn)行MCD模型，用PLC程序控制模型進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 堆垛機(jī)施加機(jī)電概念仿真

圖12 堆垛機(jī)圖

堆垛機(jī)設(shè)備主要包含堆垛機(jī)和貨架兩部分。由于堆垛機(jī)貨叉和貨架需要與周轉(zhuǎn)箱相接觸，所以堆垛機(jī)的貨叉與貨架均需要添加碰撞屬性。貨架的貨位為728個(gè)。

4.1 堆垛機(jī)平臺(tái)施加MCD

圖13 堆垛機(jī)平臺(tái)圖

堆垛機(jī)升降平臺(tái)上也有許多激光傳感器，但是由于MCD模塊沒(méi)有激光傳感器屬性；所以采用與輥道上激光傳感器同樣的方法將激光的光線(xiàn)實(shí)體畫(huà)出來(lái)，賦予其碰撞傳感器的屬性。為了視覺(jué)上的符合實(shí)際，將射線(xiàn)實(shí)體隱藏，但是其碰撞傳感器的屬性還時(shí)時(shí)存在，當(dāng)碰撞傳感器觸發(fā)時(shí)該實(shí)體會(huì)高亮顯示。

升降平臺(tái)由10個(gè)導(dǎo)向輪固定在堆垛機(jī)立柱上，兩端由鋼絲繩進(jìn)行提升。如果將導(dǎo)向輪和鋼絲繩都定義為MCD的相關(guān)屬性，會(huì)導(dǎo)致模型運(yùn)算時(shí)占用內(nèi)存增大，模型仿真延時(shí)增加。為了簡(jiǎn)小模型運(yùn)算量，對(duì)升降平臺(tái)的約束定義為滑動(dòng)副，固定在堆垛機(jī)立柱框架上。二堆垛機(jī)的兩個(gè)貨叉與升降平臺(tái)之間也定義為滑動(dòng)副。

同樣的堆垛機(jī)橫移也簡(jiǎn)化為一個(gè)滑動(dòng)副約束。如圖14所示：共計(jì)4個(gè)滑動(dòng)副。

圖14 滑動(dòng)約束

4.2 速度和位置控制

當(dāng)堆垛機(jī)的升降、橫移、貨叉伸縮約束給定后，通過(guò)運(yùn)行時(shí)表達(dá)式來(lái)控制堆垛機(jī)的速度。且該速度值由PLC給定，經(jīng)過(guò)公式的邏輯運(yùn)算后賦予模型，似的MCD模型達(dá)到理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。分別添加堆垛機(jī)貨叉運(yùn)行速度控制、升降平臺(tái)速度控制、堆垛機(jī)走行速度控制；通過(guò)速度的正負(fù)來(lái)區(qū)分設(shè)備的正傳反轉(zhuǎn)，如圖15所示。

圖15 邏輯運(yùn)算圖

為了時(shí)時(shí)反饋堆垛機(jī)模型的實(shí)際運(yùn)行位置，需要增加位置傳感器，機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊有位置傳感器屬性可以實(shí)現(xiàn)，如圖16所示。

圖16 位置傳感器圖

為了更好的控制模型運(yùn)轉(zhuǎn)和與PLC控制程序相匹配，增加堆垛機(jī)運(yùn)行的限位開(kāi)關(guān)，如圖17所示。

圖17 限位開(kāi)關(guān)圖

4.3 建立信號(hào)映射

當(dāng)所有MCD屬性建立完成后將MCD信號(hào)與外部信號(hào)進(jìn)行連接，建立信號(hào)映射，如圖18所示。

圖18 映射信號(hào)圖

5 全模型MCD與聯(lián)合仿真

將堆垛機(jī)和貨架，輥道、輥道升降機(jī)和射頻門(mén)，拆碼垛機(jī)三部分模型裝配至一個(gè)模型內(nèi)，進(jìn)入機(jī)電概念仿真模塊，可以看到三部分的MCD屬性都存在。通過(guò)PLC程序和上位程序控制整個(gè)模型運(yùn)行，以查看該系統(tǒng)模型是否符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

通過(guò)該聯(lián)合仿真可以檢驗(yàn)以下幾個(gè)方面內(nèi)容：

1）上位程序和PLC程序的運(yùn)行邏輯是否符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2）程序控制中設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行速度是否滿(mǎn)足實(shí)際需要，設(shè)備的最優(yōu)運(yùn)行速度。

3）各個(gè)設(shè)備在交互運(yùn)行時(shí)是否存在干涉或振動(dòng)。

4）設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中難以測(cè)量的數(shù)據(jù)，在模型中都可以時(shí)時(shí)測(cè)量。

5）設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間和效率是否滿(mǎn)足需要。

通過(guò)對(duì)機(jī)電概念模型聯(lián)合控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，也發(fā)現(xiàn)了設(shè)備在實(shí)際調(diào)試運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問(wèn)題：

1）輥道104與升降機(jī)103進(jìn)行交接時(shí)，如果升降機(jī)103重復(fù)定位精度不夠，可能會(huì)導(dǎo)致周轉(zhuǎn)箱交接干涉。

2）當(dāng)周轉(zhuǎn)箱與輥道護(hù)欄有摩擦或碰撞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致周轉(zhuǎn)箱偏移，難以定位。