有色金屬倉(cāng)庫(kù)行車自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)

劉仲敏

(上海海事大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，上海 201306)

0 引言

某港口物流公司的主要業(yè)務(wù)涵蓋國(guó)際貨物代理、倉(cāng)庫(kù)堆存、重大件貨物接運(yùn)、物流管理軟件開(kāi)發(fā)等全方位物流業(yè)務(wù)。在物流過(guò)程中，倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。行車(橋式起重機(jī))作為倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中重要的搬運(yùn)、堆垛工具，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化車間、生產(chǎn)線、倉(cāng)庫(kù)等領(lǐng)域[1-3]。

傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)主要依靠司機(jī)駕駛或手柄操作，定位精度低、自動(dòng)控制性能差[4-6]，不能滿足機(jī)械設(shè)備信息化和自動(dòng)化的需要。本文提出了行車自動(dòng)化改造方案，采用開(kāi)放式通信接口及單片機(jī)控制應(yīng)用相結(jié)合[7-9]，通過(guò)在X、Y方向的電機(jī)上安裝變頻器實(shí)現(xiàn)變速平穩(wěn)運(yùn)行，通過(guò)激光定位傳感器實(shí)現(xiàn)定位，并通過(guò)以太網(wǎng)和RS-485完成上位機(jī)、工控機(jī)以及單片機(jī)系統(tǒng)之間的通信，最終實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)無(wú)人抓取。

1 行車作業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 需求分析

某港口物流有色金屬工廠原來(lái)通過(guò)操作員在駕駛室中控制行車運(yùn)行，而自動(dòng)運(yùn)行行車主要通過(guò)操作人員在上位機(jī)終端發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)。天車接收到指令后，能夠確定目標(biāo)有色金屬的位置并進(jìn)行抓取，并根據(jù)目標(biāo)位置自動(dòng)分析行駛路線，自動(dòng)行駛至目標(biāo)位置后松開(kāi)液壓爪釋放貨物。為了確保無(wú)人操作時(shí)天車能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，行車的自動(dòng)運(yùn)行需要滿足以下需求。

①運(yùn)行平穩(wěn)。

行車自動(dòng)運(yùn)行要求啟停平穩(wěn)、調(diào)速范圍廣、加減速線性。由于行車與下方液壓爪之間采用鋼絲繩連接，在自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)變頻機(jī)調(diào)節(jié)在行車啟動(dòng)和停止過(guò)程中保持運(yùn)行平穩(wěn)，保證液壓爪在啟停過(guò)程中減少液壓爪的擺動(dòng)，降低事故發(fā)生的概率。這樣可以保證行車根據(jù)距離合理調(diào)節(jié)速度，既提高了運(yùn)行效率，又可確保液壓爪擺動(dòng)量在允許范圍內(nèi)。

②定位精確。

改造前，工廠內(nèi)部劃分成多個(gè)區(qū)域，用來(lái)存放有色金屬板塊。每個(gè)區(qū)域可以堆放兩到三堆有色金屬。改造后，對(duì)工廠地面進(jìn)行重新規(guī)劃，劃分成若干正方形區(qū)域。有色金屬坐落在每個(gè)正方形方格中間，方便自動(dòng)抓取時(shí)定位。每堆有色金屬板堆放四捆有色金屬，每捆有色金屬的長(zhǎng)寬為1.5 m×1 m，質(zhì)量約為1.5 t。液壓爪每次搬運(yùn)1～2捆有色金屬。由于每堆有色金屬以及每捆有色金屬之間距離較短，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的自動(dòng)抓取并使得有色金屬板擺放整齊美觀，對(duì)定位精度的要求較高。

③開(kāi)放的通信接口及單片機(jī)控制的應(yīng)用。

自動(dòng)化包含自動(dòng)定位和自動(dòng)運(yùn)行(貨物抓取)。自動(dòng)定位要求行車能夠?qū)崟r(shí)讀取自身位置坐標(biāo)信息。自動(dòng)運(yùn)行要求當(dāng)目標(biāo)貨物位置(行、列、層)確定后，行車控制系統(tǒng)能夠計(jì)算出目標(biāo)位置在存儲(chǔ)區(qū)域的絕對(duì)坐標(biāo)，并結(jié)合存儲(chǔ)區(qū)域的當(dāng)前存儲(chǔ)狀況動(dòng)生成運(yùn)行路徑；路徑生成后，行車控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成自動(dòng)運(yùn)行。

④故障解決。

電氣裝置中，無(wú)法避免在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障，如斷電、貨物摔落等。在發(fā)生這些突發(fā)問(wèn)題后，行車要能保證電氣設(shè)備的安全，緩慢停止或回到出發(fā)點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)課題目標(biāo)，繪制倉(cāng)庫(kù)行車自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)拓?fù)鋱D，如圖1所示。

圖1 倉(cāng)庫(kù)行車自動(dòng)化系統(tǒng)拓?fù)鋱D

由圖1可知:上位機(jī)位于倉(cāng)庫(kù)貨物出入口處，與公司內(nèi)網(wǎng)連接；公司內(nèi)網(wǎng)通過(guò)WebService接入公司的倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)(warehouse management system，WMS)；上位機(jī)、內(nèi)網(wǎng)、倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)之間為雙向通信。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，操作員通過(guò)手持終端下達(dá)抓取貨物的指令。指令通過(guò)云服務(wù)器傳達(dá)給倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)。倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)再通過(guò)內(nèi)網(wǎng)向上位機(jī)下達(dá)對(duì)應(yīng)指令。指令為JSON格式。上位機(jī)解析后，通過(guò)無(wú)線路由將消息傳遞給位于液壓爪上的工控機(jī)。工控機(jī)中運(yùn)行著行車自動(dòng)運(yùn)行的主控程序，并且接收工控機(jī)上傳感器的信息。工控機(jī)通過(guò)RS-485與單片機(jī)模塊交互。單片機(jī)接收工控機(jī)傳來(lái)的信號(hào)后開(kāi)始控制變頻器以及行車上各個(gè)組件開(kāi)始運(yùn)行。行車將有色金屬抓取到倉(cāng)庫(kù)貨物出入口處，通過(guò)條形碼掃碼器掃描核對(duì)抓取貨物的正確性，并將信號(hào)反向傳遞給WMS更新數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)將行車切換至通過(guò)手持遙控器進(jìn)行控制時(shí)，則部分傳感器停止工作，通過(guò)操作員控制將貨物搬運(yùn)至固定位置。

2 行車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)行車的自動(dòng)運(yùn)行和貨物的自動(dòng)抓取、行車位置檢測(cè)與定位、機(jī)械驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)傳遞與存儲(chǔ)等功能，需要設(shè)計(jì)一整套完整的硬件[8-9]。倉(cāng)庫(kù)行車自自動(dòng)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 倉(cāng)庫(kù)行車自動(dòng)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

針對(duì)圖2，本文將硬件部分分成四個(gè)部分，分別集成在四個(gè)工控箱內(nèi)。1號(hào)控制箱內(nèi)設(shè)有上位機(jī)，上位機(jī)上配有液晶顯示屏，主要負(fù)責(zé)出入庫(kù)操作和遠(yuǎn)程倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)的通信以及指令轉(zhuǎn)發(fā)。2號(hào)控制箱內(nèi)設(shè)有工控機(jī)并連接自動(dòng)運(yùn)行中所需的傳感器，用于接收上位機(jī)傳遞的指令以及主控制程序的運(yùn)行。3號(hào)控制箱內(nèi)設(shè)有設(shè)計(jì)好的I/O端子排。I/O端子排的核心控制器是單片機(jī)。單片機(jī)主要負(fù)責(zé)行車電氣設(shè)備的控制，如變頻器和限位開(kāi)關(guān)等。4號(hào)控制箱內(nèi)裝有變頻器與電機(jī)間必須的接觸器等硬件設(shè)備(由于不涉及主要控制作用，后續(xù)不作過(guò)多介紹)。

通過(guò)上述的設(shè)計(jì)，需要對(duì)現(xiàn)有行車系統(tǒng)進(jìn)行電氣改造。倉(cāng)庫(kù)行車自動(dòng)化系統(tǒng)電氣回路如圖3所示。

圖3 倉(cāng)庫(kù)行車自動(dòng)化系統(tǒng)電氣回路圖

由圖3可知，整個(gè)回路由主電源供電。主電源為三相380 V交流電源。行車系統(tǒng)供電由手持遙控器控制電源通斷，可以保證及時(shí)、有效地供、斷電。運(yùn)行系統(tǒng)主要包含了主控制系統(tǒng)模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊、限位開(kāi)關(guān)模塊、電機(jī)模塊以及直流電壓模塊等。

主控制系統(tǒng)模塊是整個(gè)行車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的核心模塊。主控制系統(tǒng)主要包含一臺(tái)工控機(jī)、各種通信端口和所用到的傳感器。工控機(jī)運(yùn)行行車行駛主控程序。當(dāng)主控制系統(tǒng)通過(guò)WiFi接收到運(yùn)行信號(hào)后，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行解析，確定搬運(yùn)動(dòng)作以及具體操作整個(gè)行車運(yùn)行的動(dòng)作。

單片機(jī)控制系統(tǒng)的核心控制器為單片機(jī)。單片機(jī)運(yùn)行通信程序用于控制變頻器、接觸器、兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)以及光電定位模塊等。它通過(guò)RS-485串口與主控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，在接收到主控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令后，通過(guò)單片機(jī)控制變頻器、接觸器來(lái)控制行車的啟停以及速度。

限位開(kāi)關(guān)模塊中包含兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)。當(dāng)行車運(yùn)動(dòng)到第一個(gè)限位點(diǎn)時(shí)，正常情況下，繼電器斷電，行車停止行駛。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致行車未停止到達(dá)第二個(gè)限位點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)斷電強(qiáng)制停止。這樣可以保證行車安全運(yùn)行在設(shè)計(jì)的區(qū)域內(nèi)。

電機(jī)模塊主要包含了四個(gè)電機(jī)，分別為X、Y方向上的運(yùn)行電機(jī)以及起重電機(jī)和液壓電機(jī)。本文在X與Y軸電機(jī)上分別添加了變頻器，既可減緩行車在運(yùn)行過(guò)程中的造成貨物晃動(dòng)，又可實(shí)現(xiàn)行車運(yùn)行速度的改變。起重電機(jī)和液壓電機(jī)分別起到貨物升降以及貨物夾緊的作用。

由于倉(cāng)庫(kù)中提供的電源是三相交流電源，需要先通過(guò)380 V/220 V變壓器，然后通過(guò)交流-直流(alternating current/direct current,AC/DC)轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換成12 V直流電源，并對(duì)工控機(jī)供電。

3 行車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

行車的自動(dòng)定位是指當(dāng)行車啟動(dòng)且滿足自動(dòng)運(yùn)行的條件時(shí)，通過(guò)傳感器將行車的X、Y方向上的坐標(biāo)信息實(shí)時(shí)傳遞給工控機(jī)。當(dāng)上位機(jī)接收到遠(yuǎn)程指令后，將指令傳遞給工控機(jī)。通過(guò)分析目標(biāo)位置的坐標(biāo)信息，自動(dòng)計(jì)算行駛路徑并通過(guò)起始位置計(jì)算行駛速度，并將每段速度通過(guò)RS-485通信接口發(fā)送給單片機(jī)；由單片機(jī)控制變頻器速度給定，從而保證行車高效、安全、準(zhǔn)確地運(yùn)行。

起升液壓爪自動(dòng)運(yùn)行通過(guò)拉繩傳感器和激光測(cè)距傳感器聯(lián)合作用，保證在Z軸方向上的精準(zhǔn)抓??；并且結(jié)合壓力傳感器和稱重傳感器，能夠大幅提升抓取準(zhǔn)確概率。行車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 行車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖

4 行車距離與速度函數(shù)關(guān)系

在行車運(yùn)行的不同階段，使用變頻器控制行車速度。對(duì)于橋式起重機(jī)而言，由于啟停點(diǎn)位置的不確定性，在不同的距離起重機(jī)會(huì)產(chǎn)生不同的加減速曲線。加上起重設(shè)備的軟連接，需要針對(duì)不同的距離制定加減速計(jì)劃來(lái)保證行車的平穩(wěn)。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出當(dāng)前作業(yè)的起始位置和目標(biāo)位置坐標(biāo)時(shí)，工控機(jī)通過(guò)比較兩者間的距離，選擇合適的距離與速度的函數(shù)，計(jì)算加速、勻速、減速各個(gè)區(qū)間段的時(shí)間點(diǎn)以及時(shí)間長(zhǎng)度。通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制變頻器，實(shí)現(xiàn)精確到達(dá)目標(biāo)位置和調(diào)速的目的。

當(dāng)操作員輸入目標(biāo)位置時(shí)，系統(tǒng)立刻根據(jù)此時(shí)的起止位置計(jì)算出最佳路徑、每段區(qū)間的速度和換速點(diǎn)位置。工控機(jī)以每秒一次的頻率向單片機(jī)實(shí)時(shí)通信。單片機(jī)根據(jù)通信信息實(shí)時(shí)調(diào)整變頻器的頻率，從而控制行車的速度。行車距離與速度關(guān)系如圖5所示。

圖5 行車距離與速度關(guān)系圖

圖5中：橫坐標(biāo)為起始位置到目標(biāo)位置的距離。當(dāng)距離S超過(guò)高速行駛的臨界值(8個(gè)貨位)時(shí)：V0為行車運(yùn)行的速度，行車從0加速到Vmax需要10 s；當(dāng)距離位于3～8個(gè)貨位時(shí)，小車將以中速V1行駛。當(dāng)距離小于3個(gè)貨位時(shí)，將以V2速度行駛。V2是保證行車準(zhǔn)確停在的最小穩(wěn)定速度，也稱為爬行速度。其中:S0是保證起重機(jī)小車可以準(zhǔn)確且穩(wěn)定行駛到目標(biāo)位置V2所行駛的距離，稱為停車距離；S1是高速行駛的小車減速到V2所需要的距離，稱為高速減速區(qū)；S2為中速行駛的小車減速到V2。行車調(diào)速設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 行車調(diào)速設(shè)計(jì)流程圖

現(xiàn)場(chǎng)行車在得到起止位置后，計(jì)算出偏差距離，就可以準(zhǔn)確確定S0、S1、S2的距離，由此計(jì)算出距離和速度的關(guān)系函數(shù)。

行車在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)此時(shí)與目標(biāo)位置的距離調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行速度。本文將變頻式設(shè)置成三級(jí)調(diào)速，分別對(duì)應(yīng)行車初始位置處于高速區(qū)、中速度以及低速區(qū)。行車行駛的過(guò)程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)將行車的當(dāng)前位置與目標(biāo)位置進(jìn)行比較，再將得到的差值與每段速度的臨界點(diǎn)進(jìn)行比較，從而將控制電機(jī)運(yùn)行速度在目標(biāo)范圍內(nèi)，達(dá)到行車到達(dá)目的位置、液壓爪的擺動(dòng)范圍可控的效果。針對(duì)倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行一般情況(有加減速過(guò)程)設(shè)計(jì)的行車運(yùn)行流程如圖7所示。

圖7 行車運(yùn)行流程圖

從圖7中可以看到，在系統(tǒng)得到初始位置與目標(biāo)位置時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)算出加速度、最高運(yùn)行速度、減速點(diǎn)和爬行速度點(diǎn)。當(dāng)行車在運(yùn)行過(guò)程中達(dá)到固定位置時(shí)，由工控機(jī)發(fā)出對(duì)應(yīng)的指令執(zhí)行操作即可。

綜上所述，行車運(yùn)行速度是分段進(jìn)行的，通過(guò)計(jì)算行車當(dāng)前位置距離目標(biāo)位置的差值來(lái)調(diào)整運(yùn)行速度。當(dāng)行車距離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)時(shí)，電機(jī)高速運(yùn)行；當(dāng)行車距離目標(biāo)位置較近時(shí)，行車低速運(yùn)行。這樣既提高了倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化搬運(yùn)的效率，又可以使行車到達(dá)目的位置時(shí)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，便于接下來(lái)的抓取動(dòng)作。當(dāng)行車停止運(yùn)行時(shí)，行車發(fā)出運(yùn)行完成信號(hào)，進(jìn)行下一步操作。

5 行車運(yùn)行測(cè)試

行車運(yùn)行測(cè)試如表1所示。

表1 行車運(yùn)行測(cè)試表

行車在運(yùn)行的過(guò)程中，不斷通過(guò)I/O控制板控制速度與方向。而行車的實(shí)時(shí)位置卻通過(guò)傳感器傳遞給工控機(jī)，所以在測(cè)試的過(guò)程中要保持良好的通信狀況。合格的行車自動(dòng)行駛有以下指標(biāo)。

①行車X、Y軸可以按照指令方向運(yùn)行。

②行車X、Y軸可以按照指定速度運(yùn)行。

③Y軸接近開(kāi)關(guān)能夠正確計(jì)數(shù)。

④行車X、Y軸可以在換速點(diǎn)正確換速。

⑤行車能準(zhǔn)確停止在指定貨物上端。

通過(guò)啟動(dòng)主控程序并設(shè)置預(yù)留的參數(shù)，分別測(cè)試入庫(kù)和出庫(kù)的場(chǎng)景。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，可保證按照預(yù)期指標(biāo)實(shí)現(xiàn)每一步動(dòng)作，并保證測(cè)量精度在±20 mm內(nèi)。

6 結(jié)論

本文提出了一套適用于倉(cāng)庫(kù)行車控制的改造方案。該方案的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于:在硬件方面，對(duì)現(xiàn)有的驅(qū)車系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造以及傳感器升級(jí)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)度、定位度、抓取準(zhǔn)確度；在軟件方面，上位機(jī)軟件通過(guò)無(wú)線自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了行車的自動(dòng)運(yùn)行和貨物的自動(dòng)抓取、行車位置檢測(cè)與定位、機(jī)械驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)傳遞與存儲(chǔ)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試運(yùn)行，大大提高了倉(cāng)庫(kù)使用效率，減少了事故發(fā)生概率，為后期與集團(tuán)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)的對(duì)接奠定了基礎(chǔ)。