1 巷道堆垛機系統(tǒng)結構概述

1.1機械設備結構

1）堆垛機主體，它由上下兩個橫梁和一個立柱作為主框架，整體移動時則代表開始“列”的選擇。

2）貨叉機構，貨叉可以理解為收取貨物的一個機械手抓，它在堆垛機主體靜止時，可以上下移動，代表“行”的選擇，并可以向立體庫內(nèi)部伸出，進行取貨、放貨操作。

3）電氣控制柜，所有電氣元件安裝于控制柜中，并隨堆垛機主體進行左右移動。優(yōu)勢在于正臺堆垛機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備本體之間必須架設的繁瑣電纜及移動電纜拖鏈。

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

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

6）出庫承接機構，氣缸驅(qū)動，用于接收堆垛機貨叉上的貨物箱，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，用于傳輸貨物箱進出。

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

1.2 控制系統(tǒng)結構

1）主控機，操作者通過連接在主控制上位PC機（下稱主控機）上的RFID讀寫器，將信息寫入貨物箱上的空白電子標簽中，再通過人機交互程序，操作堆垛機及立體庫的入庫，出庫等操作。

2）無線網(wǎng)絡，操作者的命令及設備狀態(tài)信息均由無線zigbee網(wǎng)絡相互傳輸。

3）堆垛機系統(tǒng)，有一臺主PLC通過modbus控制兩臺變頻驅(qū)動器，進而驅(qū)動平移與升降兩臺普通三相異步電機，通過PLC高速計數(shù)器接收到的編碼器返回值，實時糾正modbus發(fā)出的方向，速度等指令達到高效率，高精度定位。

4）傳輸線系統(tǒng)，一臺PLC通過zigbee接入網(wǎng)絡。完成操作控制與狀態(tài)傳輸。

2 無線zigbee技術的體現(xiàn)

2.1 zigbee技術特點

在本套系統(tǒng)中，無線部分采用的是進口模塊產(chǎn)品，省去了繁瑣的通訊電纜鋪設、大大提高了系統(tǒng)無線通訊部分的穩(wěn)定性。該產(chǎn)品核心采用zigbee無線通訊技術，其相比以往同類技術，具有以下特點：

1） 基于IEEE 802.15.4標準的無線私人局域網(wǎng)（WPANs）

2） 價格低廉，專為低數(shù)據(jù)傳輸設計

3） 可組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡，廣泛應用于工業(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） 采用主從結構配置

5） 工作頻段2.4GHz

連接主控機的zigbee主機型號為zb-2550（HOST），連接PLC的zigbee從機型號為zb-2551(SLAVE)。它們允許RS485或RS232接口的接入，將其轉化為zigbee無線網(wǎng)絡信息。在同一個網(wǎng)絡中必須只有一個主機，用于初始化和管理數(shù)據(jù)傳輸路線。從機負責從主機或者路由器中發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)傳輸距離小于模塊標稱距離（100米），所以沒有選擇路由中繼器。模塊原理見圖1。

圖1 zigbee模塊原理圖

2.2工作模式

標準的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：此時主站和所有從站模塊類似路由器傳輸數(shù)據(jù)，設備主機由無線主站發(fā)出的信息，會被所有無線從站接收，并反映到設備從站之中。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，每個數(shù)據(jù)包為50個字節(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個字節(jié)的情況。并且原始數(shù)據(jù)不會分解為小數(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)不會被分解為小的數(shù)據(jù)包，一幀最大數(shù)據(jù)是200個字節(jié)，比較適合沒有地址的設備從機，如條形碼閱讀器。連接無線從站后，即可獲得一個從站地址，由主機選址進行數(shù)據(jù)傳輸。從站不會收到主站發(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)絡擁有許多中繼器的情況。網(wǎng)絡本身多層傳輸，并應用到DCON或modbus協(xié)議。這個模式就類似選址模式發(fā)送數(shù)據(jù)給相應從站設備，而其他從站不會響應。

2.3 配置及協(xié)議

本套堆垛機控制系統(tǒng)采用的是選址模式：

1）主控機側：控制器為一體電腦，zigbee主站模塊占用一個串口，波特率均為115200、N、8、1。無線模塊節(jié)點ID=0000，PAN-ID=FF00，RF信道為9。

當控制器發(fā)送ASCII碼指令“0004(ID)+11+行號+列號”為啟動入庫功能的指令、發(fā)送“0004(ID)+12+行號+列號”為啟動出庫功能的指令等等。從機返回的指令，按照規(guī)定協(xié)議實時顯示在電腦屏幕上。

2）輸送線側：控制器為PLC，zigbee從站模塊占用一個串口，波特率均為115200、N、8、1。無線模塊節(jié)點ID=0003，PAN-ID=FF00，RF信道為9。協(xié)議格式如表1。

表1

3）堆垛機側：控制器為PLC，zigbee從站模塊占用一個串口，波特率均為115200，N，8，1。無線模塊節(jié)點ID=0004，PAN-ID=FF00，RF信道為9。協(xié)議格式如表2。

表2

2.4 小結

如上所述，主機側的協(xié)議，可以控制從機設備的各個工作的開展，即任務下達；從機側的協(xié)議，可以實時提現(xiàn)該設備當前的狀態(tài)以及故障信息等。程序操作均為串口，這里不做過多闡述。

3 PLC變頻定位功能

堆垛機兩自由度貨倉選擇，是控制的核心部分。如何達到高效率，低振動，高精度是整套系統(tǒng)的關鍵。眾所周知，普通直角坐標系統(tǒng)，通過交流伺服或步進電機可以實現(xiàn)類似功能，但對于即使最普通的立體式倉庫而言，動輒幾米或幾十米的行程，任何品牌的上述電機加上傳動機構，采購價格都會讓設計廠家望塵莫及。

怎樣能用最低的成本，達到理想的效率、精度及穩(wěn)定性呢，本系統(tǒng)采用的電機為普通的三相異步電動機，通過外加旋轉編碼器、變頻器調(diào)速以及PLC的定位功能，以實現(xiàn)上述功能。

3.1 原理

架構系統(tǒng)采用omron品牌的CP系列PLC，通過PLC內(nèi)部的位置偏差計數(shù)器，執(zhí)行反饋控制，實現(xiàn)通過變頻器進行精確的定位控制。在偏差計數(shù)器中，自動計算來自內(nèi)部計算脈沖數(shù)和旋轉編碼器的反饋脈沖數(shù)之位置差，運用modbus變頻器速度指令，使位置偏差始終為零。

以往對于此類架構的控制方式，一般都是通過編碼器檢測出到達設定位置附近時，開始降低速度，在到達位置時停止電機。但在高速運動中停止，對于此類感應電機，大多產(chǎn)生定位偏差，造成停止精度不良，而延長減速時間緩慢停止，又會使定位時間變長，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前位置，實時修正，提升了定位精度，縮短了定位時間。即使在靜止情況下，任何外力施加移動電機的力，控制器都會自動產(chǎn)生相反的力矩用于消除位置偏移。使電機繼續(xù)靜止。

3.2 參數(shù)匹配

不同的傳動系統(tǒng)，精度要求與響應特性等各不相同，想讓PLC準確了解傳動構成，需要仔細配置功能參數(shù)。

增益：設定值乘以0.1。默認10*0.1=1為斜率為1的直線。偏差計數(shù)器當前值乘以增益數(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，使控制更加靈敏。但增益過大會使響應過快，產(chǎn)生震蕩。

In-position范圍：即“位置到達范圍”，目的位置與實際位置的差值。電機到達此范圍內(nèi)時，隨即停止至偏差計數(shù)器的脈沖輸出，并且偏差計數(shù)器當前值在進入位置范圍內(nèi)時，A26.03標志為1。此參數(shù)越小，電機定位精度越高，但是容易產(chǎn)生反復抖動現(xiàn)象（由于慣性而無法到達目的位置）。

最小輸出值：變頻器與步進或伺服驅(qū)動器不同，低速輸出時可能會出現(xiàn)沒有電機動作，不同的變頻器有著不同的無輸出頻率。設置此參數(shù)，使偏差計數(shù)器脈沖很小時也能驅(qū)動電機旋轉。

最大輸出值：原理同上，防止速度過快產(chǎn)生意外。

錯誤計數(shù)器溢出：指旋轉編碼器行程超出設定值保護。

編碼器旋轉一周的分辨率：指所安裝的旋轉編碼器精度指標。

3.3 小結

通過以上設置，在PLC編程中可以與步進電機編程相同，通過脈沖個數(shù)決定電機運動位置，通過脈沖頻率決定電機運動速度。實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，而是將脈沖發(fā)送給PLC內(nèi)部的偏差計數(shù)器，偏差計數(shù)器經(jīng)過同內(nèi)部高速計數(shù)器采集的旋轉編碼器位置的比較，產(chǎn)生實際控制的速度及位置數(shù)據(jù)，在PLC串行接口中經(jīng)由modbus下達給變頻驅(qū)動器。

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)動器，此數(shù)據(jù)流根據(jù)變頻定位功能描述可分為兩種：模擬量輸出和串行通訊輸出。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)生電機速度跳動，所以本控制系統(tǒng)采用的是PLC串行通訊輸出，協(xié)議為modbus。

物理連接只需將PLC與變頻器通過RS485結構雙絞線連接。在PLC側，串口配置為“串口網(wǎng)關”波特率默認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。包含從站設備地址、功能、數(shù)據(jù)等字節(jié)。發(fā)出modbus-RTU指令時，接收的應答信息被自動保存到固定的數(shù)據(jù)寄存器區(qū)域。

在變頻驅(qū)動器側，需要設置的幾個主要參數(shù)如下：

1）波特率默認：9600，7，2，E。同PLC的設置必須相同，才能建立通訊連接。

2）運轉指令選擇：RS485。一般變頻器默認運轉指令為操作按鈕。

3）頻率指令選擇：RS485。一般變頻器默認運轉頻率為操作按鈕或者旋轉電位器。

4）加減速時間：0s。變頻器普通使用時，加減速時間是必須設置的參數(shù)，以達到電機穩(wěn)定加速及減速。但由于應用了PLC的變頻定位功能，加減速時間都是由不同的目標位置、當前速度、不同的阻力大小等因素共同決定的，是由PLC的運算結果通過modbus來表達，故變頻器中設置數(shù)值應為“0”。

5）通信從站地址：此變頻器在串行網(wǎng)絡中的地址，需與PLC程序中地址一致。

5 RFID射頻技術

堆垛機對立體倉庫的進出貨操作，是針對貨物箱與儲貨倉位的，儲貨倉位按照實際位置確定行與列，貨物箱的ID與貨物信息是儲存在RFID射頻標簽中的。

本控制系統(tǒng)中，每個貨箱外側都貼有RFID射頻標簽，其中的信息都是唯一的。系統(tǒng)配備有兩套RFID讀寫器，如圖二。一臺連接在主控機上，用于讀取或改寫某個貨物箱信息；另一臺安裝于輸送線的入口處，用于讀取入庫的貨物箱應該存放在第幾行第幾列。

圖2 RFID讀寫器

選取的讀寫器指標為：工作頻率：13.56MHz；檢測距離：6-10cm；標簽標準：ISO15693。

6 結論

通過以上技術的應用，使得對于立體倉庫的操作變得簡單且易于維護，每個進入傳輸線內(nèi)的帶有RFID信息的貨物箱，會自動的被系統(tǒng)識別，在傳輸線的入庫承接機構上緩停，等待任務空閑的堆垛機將其取走并放置于對應的倉位之中。

將要出庫的貨物箱，經(jīng)遠程電腦的鼠標點擊，或由調(diào)度運算自動產(chǎn)生，都可以通過無線網(wǎng)絡下達給堆垛機，在任務空閑時將準備出庫的貨物箱從立體倉庫中取出，并通過傳輸線運送至需要的位置。

本文編自《電氣技術》，標題為“基于變頻定位技術的無線全自動巷道堆垛機系統(tǒng)”，作者為張卓、張大明。