智能倉儲系統(tǒng)RGV柔性運動控制的研究

隨著國家對智能制造業(yè)的大力推廣和支持，現(xiàn)代倉儲物流技術(shù)密集化、智能化發(fā)展趨勢已成主流，智能倉儲物流逐漸成為生產(chǎn)制造企業(yè)提高自身核心競爭力的重要手段。智能倉儲系統(tǒng)由立體貨架、輸送系統(tǒng)、條碼識別系統(tǒng)、穿梭車、堆垛機等多個單元組成，其中高速軌道式導(dǎo)引穿梭車（Rail Guided Vehicle，RGV）屬于高速行走設(shè)備，是智能倉儲系統(tǒng)出入庫效率提高的關(guān)鍵點，啟停過程加減速若處理不當會產(chǎn)生較大的沖擊力，可能對RGV造成不同程度的機械損傷以及貨物掉落等風險。因此，對RGV柔性運動控制的研究至關(guān)重要。

穿梭車RGV配置兩條導(dǎo)軌，軌道可設(shè)計任意長度，具有獨立控制系統(tǒng)，采用變頻調(diào)速方式，可以十分方便地與系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備實現(xiàn)自動化連接，很大程度上降低倉庫管理成本，提高倉儲出入庫效率，提高勞動生產(chǎn)率，安全性、可靠性高。RGV通過激光測距或條碼認址等方式精確定位各取送貨工位，采用380V定位各取，50HZ三相四線制滑觸線供電。

本文基于智能倉儲系統(tǒng)穿梭車RGV，提出速度曲線理論模型，通過可編程邏輯控制器（PLC）和人機界面面板（HMI）分別對速度曲線功能塊進行開發(fā)和搭建仿真測試平臺，對RGV速度曲線仿真測試研究，并對測試結(jié)果與理論模型進行對比分析。

一、RGV運動速度曲線理論模型分析

穿梭車RGV啟動至停止整個運行過程可分為加速、勻速、減速三個區(qū)間，加速度的大小是影響RGV運行穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵，若加速度過大，較大的沖擊力會導(dǎo)致負載狀態(tài)的RGV貨物墮落等，加速度過小會影響整個系統(tǒng)的運行效率。為了保證穿梭車RGV能夠在啟動和停止階段速度變化更加平緩，以及最大程度提高物流系統(tǒng)的運行效率，將加速階段和減速階段再細分為3個階段，圖1為RGV穿梭車行走電機運動速度曲線理論模型。

現(xiàn)對每個階段的運動特性分析如下：

第1階段：加加速階段，加速度a逐漸增大，RGV從靜止狀態(tài)緩緩啟動，速度逐漸增大；

第2階段：勻加速階段，加速度a采用第1階段結(jié)束時的加速度值，進行勻加速運動，這一階段速度增加較快，但該階段是基于第1階段速度基礎(chǔ)上進行加速，并不會給RGV帶來很大的沖擊力；

第3階段：減加速階段，加速度a采用第2階段的加速度值，進行勻減速運動直到速度增加至最大值；

第4階段：勻速階段，加速度a為0，該階段的運行時間與實際任務(wù)區(qū)間長度有關(guān)；

第6階段：勻減速階段，加速度a為第5階段結(jié)束時的加速度值，進行勻減速運動；

通過上述對RGV速度曲線理論模型分析可知，整個運動過程中速度的變化包括了線性和非線性加減速。

二、程序開發(fā)及仿真測試

1.程序開發(fā)

基于上述速度曲線理論模型分析，在速度模型中引入S型曲線，讓加減速速度變化呈S型波形曲線變化。通過SCL編程語言進行速度曲線功能塊程序開發(fā)，具體過程如下：

第一階段加速：

IF速度值<加速第1階段末速度值THEN

加速度:=加速度＋加速第1階段加速度;

END_IF;

第二階段加速；

IF速度值>=加速第1階段末速度值A(chǔ)ND速度值<加速第2階段末速度值THEN

加速度:=加速度＋加速第2階段加速度;

END_IF;

第三階段加速；

IF速度值>=加速第2階段末速度值A(chǔ)ND速度值<速度最大值THEN

加速度:=加速度＋加速第3階段加速度;

END_IF;

第一階段減速；

IF速度值>減速第1階段末速度值THEN

加速度:=加速度－減速第1階段加速度;

END_IF;

第二階段減速；

IF速度值>=減速2階段末速度值＋爬行速度值A(chǔ)ND速度值<=減速第1階段末速度值THEN

加速度:=加速度－減速第2階段加速度;

END_IF;

第三階段減速；

IF 速度值>爬行速度值A(chǔ)ND速度值<減速2階段末速度值＋爬行速度值THEN

加速度:=加速度－減速第3階段加速度;

END_IF;

其中，爬行速度值為RGV穿梭車接近目標位置時最小運行速度，到達目標位置后RGV停止運行，速度值變?yōu)?。

圖1 速度曲線理論模型

圖2 仿真測試界面

2.測試平臺搭建

為了直觀地獲取RGV運動速度曲線，本文采用HMI搭建仿真測試平臺，如圖2，組態(tài)趨勢視圖用于輸出速度曲線，I/O域用于調(diào)整RGV速度最大值，并組態(tài)三個按鈕，分別用于啟動和停止速度曲線生成器，加速按鈕用于觸發(fā)加速模式，減速按鈕用于觸發(fā)減速模式。趨勢視圖Y軸坐標采用適用自動值范圍，X軸為時間，單位為秒。

三、仿真測試及分析

功能塊程序開發(fā)和平臺搭建完成后，將程序下載到PLC中，啟動HMI并連接到PLC。由于RGV穿梭車采用變頻器控制電機，程序輸出值為頻率值，頻率值50HZ對應(yīng)十六進制的16384，該頻率值通過以太網(wǎng)發(fā)送給RGV，程序輸出頻率值與RGV速度值同步變化，測試過程均通過采集頻率值曲線來對速度變化進行分析。

圖3 測試速度曲線

圖4 速度曲線對比圖

1.仿真測試

設(shè)置最大速度值調(diào)速比為30%，即頻率值為15Hz，十六進制為4915，爬行頻率值為2.5Hz，十六進制為328。按下啟動按鈕，點擊加速按鈕激活加速模式，待曲線與X軸平行后點擊減速按鈕激活減速模式，得到速度曲線，如圖3。

將速度曲線一個周期完整波形分為8個階段，對每個階段做分析如下：

第1階段為加加速階段，加速模式激活后，波形呈非線性曲線上升趨勢，速度值由0開始平緩逐步增大，符合緩啟的設(shè)計要求；

第2階段為勻加速階段，波形呈線性上升趨勢，速度值均勻上升；

第3階段為減加速階段，波形呈非線性曲線上升趨勢，速度值增大的速度逐漸減小，直到速度值增大到最大值后不再上升，即進入第4階段，RGV以最大速度運行；

第5階段為加減速階段，減速模式被激活，波形呈非線性曲線下降趨勢，速度值由最大值開始逐漸減??；

第6階段波形呈線性下降趨勢，即勻減速階段，波形呈線性曲線下降趨勢，速度均勻減??；

第7階段為減減速階段，波形呈非線性曲線下降趨勢，速度平緩逐步減小，直到速度減小至爬行頻率，符合緩?fù)５脑O(shè)計要求；

第8階段即為爬行階段，RGV以該頻率值運行至目標位置。

由上述分析可知，仿真測試速度曲線與理論模型每個階段的速度變化趨勢相一致，速度變化線性與非線性相結(jié)合，啟停過程速度變化較為平滑，符合緩啟緩?fù)５目刂埔螅策_到了對RGV柔性運動控制的要求。

2.測試數(shù)據(jù)對比分析

RGV的行程區(qū)間與系統(tǒng)接送貨站臺的位置相關(guān)，接送貨站臺位置不同，行程區(qū)間也不同，行程區(qū)間的大小直接影響到RGV運動過程的速度曲線。若行程區(qū)間足夠長，RGV均能達到最大速度后再進行減速；若行程區(qū)間過小，RGV加速到最大速度再減速可能會沒有足夠的距離完成減速過程，RGV必須到達某一個速度值后就要開始減速，這就要求RGV能夠在任何時刻介入減速模式后均能很好的按設(shè)計曲線完成減速。

為驗證RGV穿梭車不同行程的加減速過程是否也符合設(shè)計要求，加速模式激活后，在不同的時刻點擊減速按鈕激活減速模式，選取多組具有代表性速度曲線對比圖，如圖4。

測試結(jié)果表明：在RGV運行過程中，無論任何階段進入減速模式，均能按加減速、勻減速、減減速三個階段完成減速過程，且減速曲線與理論分析模式減速階段曲線變化趨勢一致，符合設(shè)計要求。

四、結(jié)論

本文對智能倉儲物流及生產(chǎn)物流系統(tǒng)高速軌道式導(dǎo)引穿梭車的柔性運動控制速度曲線進行了理論模型分析、程序開發(fā)以及仿真測試平臺搭建，并通過PLC和HMI平臺對程序進行仿真測試，以及對不同時刻介入減速模式的速度曲線進行測試，測試結(jié)果與理論模型速度曲線變化趨勢相一致，RGV整個運動過程融合了線性、非線性加減速階段以及勻速運動階段，加減速過程緩啟緩?fù)ＰЧ黠@，速度曲線平滑穩(wěn)定，符合本文對RGV運動的柔性控制的要求。