張卓 張大明

（哈爾濱電氣集團(tuán)阿城繼電器有限責(zé)任公司，哈爾濱 150090）

1 巷道堆垛機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

1.1 機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)

1）堆垛機(jī)主體，它由上下兩個(gè)橫梁和一個(gè)立柱作為主框架，整體移動(dòng)時(shí)則代表開始“列”的選擇。

2）貨叉機(jī)構(gòu)，貨叉可以理解為收取貨物的一個(gè)機(jī)械手抓，它在堆垛機(jī)主體靜止時(shí)，可以上下移動(dòng)，代表“行”的選擇，并可以向立體庫內(nèi)部伸出，進(jìn)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(jī)主體進(jìn)行左右移動(dòng)。優(yōu)勢(shì)在于正臺(tái)堆垛機(jī)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(dòng)電纜拖鏈。

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

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

6）出庫承接機(jī)構(gòu)，氣缸驅(qū)動(dòng)，用于接收堆垛機(jī)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(jìn)出。

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

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）主控機(jī)，操作者通過連接在主控制上位 PC機(jī)（下稱主控機(jī)）上的RFID讀寫器，將信息寫入貨物箱上的空白電子標(biāo)簽中，再通過人機(jī)交互程序，操作堆垛機(jī)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(jī)系統(tǒng)，有一臺(tái)主PLC通過modbus控制兩臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)平移與升降兩臺(tái)普通三相異步電機(jī)，通過PLC高速計(jì)數(shù)器接收到的編碼器返回值，實(shí)時(shí)糾正modbus發(fā)出的方向，速度等指令達(dá)到高效率，高精度定位。

4）傳輸線系統(tǒng)，一臺(tái)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(diǎn)

在本套系統(tǒng)中，無線部分采用的是進(jìn)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(diǎn)：

1）基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線私人局域網(wǎng)（WPANs）。

2）價(jià)格低廉，專為低數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)。

3）可組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)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(jī)的Zigbee主機(jī)型號(hào)為zb-2550（HOST），連接PLC的Zigbee從機(jī)型號(hào)為zb-2551(SLAVE)。他們?cè)试SRS485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(gè)網(wǎng)絡(luò)中必須只有一個(gè)主機(jī)，用于初始化和管理數(shù)據(jù)傳輸路線。從機(jī)負(fù)責(zé)從主機(jī)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(jī)由無線主站發(fā)出的信息，會(huì)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(gè)數(shù)據(jù)包為50個(gè)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(gè)字節(jié)的情況。并且原始數(shù)據(jù)不會(huì)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(huì)被分解為小的數(shù)據(jù)包，一幀最大數(shù)據(jù)是200個(gè)字節(jié)，比較適合沒有地址的設(shè)備從機(jī)，如條形碼閱讀器。連接無線從站后，即可獲得一個(gè)從站地址，由主機(jī)選址進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。從站不會(huì)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(yīng)用到DCON或modbus協(xié)議。這個(gè)模式就類似選址模式發(fā)送數(shù)據(jù)給相應(yīng)從站設(shè)備，而其他從站不會(huì)響應(yīng)。

2.3 配置及協(xié)議

本套堆垛機(jī)控制系統(tǒng)采用的是選址模式：

1）主控機(jī)側(cè)：控制器為一體電腦，Zigbee主站模塊占用一個(gè)串口，波特率均為115200，N，8，1。無線模塊節(jié)點(diǎn)ID=0000，PAN-ID=FF00，RF信道為9。當(dāng)控制器發(fā)送ASCII碼指令“0004(ID)+11+行號(hào)+列號(hào)”為啟動(dòng)入庫功能的指令、發(fā)送“0004(ID)+12+行號(hào)+列號(hào)”為啟動(dòng)出庫功能的指令等等。從機(jī)返回的指令，按照規(guī)定協(xié)議實(shí)時(shí)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(gè)串口，波特率均為115200，N，8，1。無線模塊節(jié)點(diǎn)ID=0003，PAN-ID=FF00，RF信道為9。協(xié)議格式見表1。

3）堆垛機(jī)側(cè)：控制器為PLC，zigbee從站模塊占用一個(gè)串口，波特率均為115200，N，8，1。無線模塊節(jié)點(diǎn)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(jī)側(cè)的協(xié)議，可以控制從機(jī)設(shè)備的各個(gè)工作的開展，即任務(wù)下達(dá)；從機(jī)側(cè)的協(xié)議，可以實(shí)時(shí)提現(xiàn)該設(shè)備當(dāng)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(jī)兩自由度貨倉選擇，是控制的核心部分。如何達(dá)到高效率、低振動(dòng)、高精度是整套系統(tǒng)的關(guān)鍵。眾所周知，普通直角坐標(biāo)系統(tǒng)，通過交流伺服或步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)類似功能，但對(duì)于即使最普通的立體式倉庫而言，動(dòng)輒幾米或幾十米的行程，任何品牌的上述電機(jī)加上傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采購價(jià)格都會(huì)讓設(shè)計(jì)廠家望塵莫及。怎樣能用最低的成本，達(dá)到理想的效率、精度及穩(wěn)定性呢，本系統(tǒng)采用的電機(jī)為普通的三相異步電動(dòng)機(jī)，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(shí)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(jì)數(shù)器，執(zhí)行反饋控制，實(shí)現(xiàn)通過變頻器進(jìn)行精確的定位控制。在偏差計(jì)數(shù)器中，自動(dòng)計(jì)算來自內(nèi)部計(jì)算脈沖數(shù)和旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋脈沖數(shù)之位置差，運(yùn)用modbus變頻器速度指令，使位置偏差始終為零。

以往對(duì)于此類架構(gòu)的控制方式，一般都是通過編碼器檢測(cè)出到達(dá)設(shè)定位置附近時(shí)，開始降低速度，在到達(dá)位置時(shí)停止電機(jī)。但在高速運(yùn)動(dòng)中停止，對(duì)于此類感應(yīng)電機(jī)，大多產(chǎn)生定位偏差，造成停止精度不良，而延長減速時(shí)間緩慢停止，又會(huì)使定位時(shí)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(dāng)前位置，實(shí)時(shí)修正，提升了定位精度，縮短了定位時(shí)間。即使在靜止情況下，任何外力施加移動(dòng)電機(jī)的力，控制器都會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生相反的力矩用于消除位置偏移。使電機(jī)繼續(xù)靜止。

3.2 參數(shù)匹配

不同的傳動(dòng)系統(tǒng)，精度要求與響應(yīng)特性等各不相同，想讓PLC準(zhǔn)確了解傳動(dòng)構(gòu)成，需要仔細(xì)配置功能參數(shù)。

增益：設(shè)定值乘以 0.1。默認(rèn)10×0.1=1為斜率為1的直線。偏差計(jì)數(shù)器當(dāng)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(hào)，使控制更加靈敏。但增益過大會(huì)使響應(yīng)過快，產(chǎn)生震蕩。

In-position范圍：即“位置到達(dá)范圍”，目的位置與實(shí)際位置的差值。電機(jī)到達(dá)此范圍內(nèi)時(shí)，隨即停止至偏差計(jì)數(shù)器的脈沖輸出，并且偏差計(jì)數(shù)器當(dāng)前值在進(jìn)入位置范圍內(nèi)時(shí)，A26.03標(biāo)志為1。此參數(shù)越小，電機(jī)定位精度越高，但是容易產(chǎn)生反復(fù)抖動(dòng)現(xiàn)象（由于慣性而無法到達(dá)目的位置）。

最小輸出值：變頻器與步進(jìn)或伺服驅(qū)動(dòng)器不同，低速輸出時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)沒有電機(jī)動(dòng)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(jì)數(shù)器脈沖很小時(shí)也能驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

最大輸出值：原理同上，防止速度過快產(chǎn)生意外。

錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器溢出：指旋轉(zhuǎn)編碼器行程超出設(shè)定值保護(hù)。

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(biāo)。

3.3 小結(jié)

通過以上設(shè)置，在PLC編程中可以與步進(jìn)電機(jī)編程相同，通過脈沖個(gè)數(shù)決定電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置，通過脈沖頻率決定電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)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(hào)，而是將脈沖發(fā)送給PLC內(nèi)部的偏差計(jì)數(shù)器，偏差計(jì)數(shù)器經(jīng)過同內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器采集的旋轉(zhuǎn)編碼器位置的比較，產(chǎn)生實(shí)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(dá)給變頻驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jī)速度跳動(dòng)，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(rèn)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(shí)，接收的應(yīng)答信息被自動(dòng)保存到固定的數(shù)據(jù)寄存器區(qū)域。

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

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

2）運(yùn)轉(zhuǎn)指令選擇：RS485。一般變頻器默認(rèn)運(yùn)轉(zhuǎn)指令為操作按鈕。

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

4）加減速時(shí)間：0s。變頻器普通使用時(shí)，加減速時(shí)間是必須設(shè)置的參數(shù)，以達(dá)到電機(jī)穩(wěn)定加速及減速。但由于應(yīng)用了PLC的變頻定位功能，加減速時(shí)間都是由不同的目標(biāo)位置、當(dāng)前速度、不同的阻力大小等因素共同決定的，是由PLC的運(yùn)算結(jié)果通過modbus來表達(dá)，故變頻器中設(shè)置數(shù)值應(yīng)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(jī)對(duì)立體倉庫的進(jìn)出貨操作，是針對(duì)貨物箱與儲(chǔ)貨倉位的，儲(chǔ)貨倉位按照實(shí)際位置確定行與列，貨物箱的ID與貨物信息是儲(chǔ)存在RFID射頻標(biāo)簽中的。

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

圖2 RFID讀寫器

選取的讀寫器指標(biāo)為：工作頻率：13.56MHz；檢測(cè)距離：6～10cm；標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)：ISO15693。

6 結(jié)論

通過以上技術(shù)的應(yīng)用，使得對(duì)于立體倉庫的操作變得簡單且易于維護(hù)，每個(gè)進(jìn)入傳輸線內(nèi)的帶有RFID信息的貨物箱，會(huì)自動(dòng)的被系統(tǒng)識(shí)別，在傳輸線的入庫承接機(jī)構(gòu)上緩?fù)?，等待任?wù)空閑的堆垛機(jī)將其取走并放置于對(duì)應(yīng)的倉位之中。將要出庫的貨物箱，經(jīng)遠(yuǎn)程電腦的鼠標(biāo)點(diǎn)擊，或由調(diào)度運(yùn)算自動(dòng)產(chǎn)生，都可以通過無線網(wǎng)絡(luò)下達(dá)給堆垛機(jī)，在任務(wù)空閑時(shí)將準(zhǔn)備出庫的貨物箱從立體倉庫中取出，并通過傳輸線運(yùn)送至需要的位置。