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應用變頻定位技術,設計立體倉庫的全自動巷道堆垛機系統

發布時間:2020-10-28

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  自動化立體倉庫是現代物流領域中的一個重要組成部分,也稱為自動存儲、檢索系統。其核\心構成者立體倉庫,以高層貨架為主要標志,一般采用幾層,多至幾十層存儲單元存放貨物。

自動巷道堆垛機作為立體倉庫的關鍵搬運設備,以其效率快,精度高,控制簡便等諸多優勢,逐漸取代了移動叉車,巷道起重機等諸多手工操作搬運設備,解放了勞動力,高度體現了自動化設備在生產生活之中的應用。

作者所介紹的全自動巷道堆垛機控制系統,由自動化領域中多門相輔相成的技術有機結合而成,其中涵蓋了RFID射頻技術、zigbee無線技術、PLC變頻定位功能、modbus通訊配置等。

1 巷道堆垛機系統結構概述

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。

5)入庫承接機構,氣缸驅動,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部。

1.2 控制系統結構

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)無線網絡,操作者的命令及設備狀態信息均由無線zigbee網絡相互傳輸。

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

4)傳輸線系統,一臺PLC通過zigbee接入網絡。完成操作控制與狀態傳輸。

2 無線zigbee技術的體現

2.1 zigbee技術特點

在本套系統中,無線部分采用的是進口模塊產品,省去了繁瑣的通訊電纜鋪設、大\大提高了系統無線通訊部分的穩定性。該產品核\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(WPANs)

2) 價格低廉,專為低數據傳輸設計

3) 可組織網狀網絡,廣泛應用于工業控制,嵌入式傳感器,醫藥醫療,智能家居等諸多行業

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無線網絡信息。在同一個網絡中必須只有一個主機,用于初始化和管理數據傳輸路線。從機負責從主機或者路由器中發送、接收數據。本系統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。

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據,設備主機由無線主站發出的信息,會被所有無線從站接收,并反映到設備從站之中。一幀的大數據是200字節,原始數據被分解為許多小數據包,每個數據包為50個字節。

2)modbus 模式:基于modbus協議的無線傳輸,適用于原始數據大于50個字節的情況。并且原始數據不會分解為小數據包,一幀大數據是200字節。

3)選址模式:原始數據不會被分解為小的數據包,一幀大數據是200個字節,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,由主機選址進行數據傳輸。從站不會收到主站發給其他從站的信息。

4) IO模式:比較適用于傳輸距離長,網絡擁有許多中繼器的情況。網絡本身多層傳輸,并應用到DCON或modbus協議。這個模式就類似選址模式發送數據給相應從站設備,而其他從站不會響應。

2.3 配置及協議

本套堆垛機控制系統采用的是選址模式:

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。無線模塊節點ID=0000,PAN-ID=FF00,RF信道為9。

當控制器發送ASCII碼指令“0004(ID)+11+行號+列號”為啟動入庫功能的指令、發送“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,按照規定協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。無線模塊節點ID=0003,PAN-ID=FF00,RF信道為9。

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。無線模塊節點ID=0004,PAN-ID=FF00,RF信道為9。

2.4 小結

如上所述,主機側的協議,可以控制從機設備的各個工作的開展,即任務下達;從機側的協議,可以實時提現該設備當前的狀態以及故障信息等。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,高精度是整套系統的關鍵。眾所周知,普通直角坐標系統,通過交流伺服或步進電機可以實現類似功能,但對于即使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。

怎樣能用低的成本,達到理想的效率、精度及穩定性呢,本系統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、變頻器調速以及PLC的定位功能,以實現上述功能。

3.1 原理

架構系統采用omron品牌的CP系列PLC,通過PLC內部的位置偏差計數器,執行反饋控制,實現通過變頻器進行精確的定位控制。在偏差計數器中,自動計算來自內部計算脈沖數和旋轉編碼器的反饋脈沖數之位置差,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,控制器都會自動產生相反的力矩用于消除位置偏移。使電機繼續靜止。

3.2 參數匹配

不同的傳動系統,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。

增益:設定值乘以0.1。默認10*0.1=1為斜率為1的直線。偏差計數器當前值乘以增益數據,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。電機到達此范圍內時,隨即停止至偏差計數器的脈沖輸出,并且偏差計數器當前值在進入位置范圍內時,A26.03標志為1。此參數越小,電機定位精度越高,但是容易產生反復抖動現象(由于慣性而無法到達目的位置)。

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

大輸出值:原理同上,防止速度過快產生意外。

錯誤計數器溢出: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,而是將脈沖發送給PLC內部的偏差計數器,偏差計數器經過同內部高速計數器采集的旋轉編碼器位置的比較,產生實際控制的速度及位置數據,在PLC串行接口中經由modbus下達給變頻驅動器。

4 基于PLC的modbus簡介

上述PLC的變頻定位功能,輸出數據流給變頻驅動器,此數據流根據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生電機速度跳動,所以本控制系統采用的是PLC串行通訊輸出,協議為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“串口網關”波特率默認9600,7,2,E。PLC的“modbus-RTU簡易主站”功能將數據寄存器區域固定分配。包含從站設備地址、功能、數據等字節。發出modbus-RTU指令時,接收的應答信息被自動保存到固定的數據寄存器區域。

在變頻驅動器側,需要設置的幾個主要參數如下:

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,以達到電機穩定加速及減速。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,故變頻器中設置數值應為“0”。

5)通信從站地址:此變頻器在串行網絡中的地址,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。

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,每個進入傳輸線內的帶有RFID信息的貨物箱,會自動的被系統識別,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,經遠程電腦的鼠標點擊,或由調度運算自動產生,都可以通過無線網絡下達給堆垛機,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。

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