激光測距技術在巷道堆垛機系統中的應用

管樹林

摘要：激光測距與定位技術在有軌巷道堆垛機自動控制系統中的應用，實現了堆垛機的絕對認址，不僅有效解決了計數與定位的精度與可靠性，而且方便地實現平滑調速，從而提升堆垛機的整機性能。

關鍵詞：激光測距與定位、有軌巷道堆垛機、PLC、變頻調速

隨著物流領域的自動化程度越來越高，各種信息技術如光電技術、計算機技術、控制技術等得到廣泛的應用，其中激光檢測技術憑借其在測距、定位等方面的優勢，在激光堆垛機和自動導向機等設備中起到了關鍵作用，并積極推動了物流系統整體性能的提升。尤其是在有軌巷道堆垛機自動控制系統中，激光測距與定位、P-C控制、分布式現場總線、矢量變頻調速等技術的應用，使有軌巷道堆垛機控制系統超越了原有的設計思路，實現堆垛機的絕對認址，不僅有效解決了計數與定位的精度與可靠性問題，而且方便地實現平滑調速，優化調速曲線、優化起動與制動性能。從而提升了堆垛機的整機性能，確保整機性能可靠、平穩、高效。目前，該技術已廣泛應用于機械、食品、煙草、電子、汽車、配送中心、藥品、電器和倉儲等領域。

系統構成與硬件配置

自動化立體倉庫(AS／RS)是土建、機械、電氣、通訊、信息等多專業的綜合工程，主要由土建設備、機械設備、電氣設備和計算機系統設備等四類設備組成。其中，機械設備包括立體貨架、搬運機械、輸送設備、分配小車。出入庫臺、貨箱及托盤等設備；電氣設備包括電控裝置、驅動裝置、變頻裝置、操作面板、PLC控制模塊、檢測裝置、通訊設備、監控調度設備、計算機管理設備，以及屏幕顯示圖像監視等設備；計算機系統主要包括監控系統、管理系統、數據庫服務器、通訊系統、計算機網絡控制等組成部分。

1AS／RS系統構成

AS／RS自動化立體倉庫由立體庫貨架、堆垛機、貨箱、地軌、出入庫臺、輸送機、激光測距、通訊設備、監控設備等組成，如圖1所示。其主要工作流程如下：

入庫作業流程：接收入庫作業命令－出入庫臺－取貨箱－堆垛機－立體庫貨架－存貨箱－返回出入庫臺－入庫作業完成待機；

出庫作業流程：接收出庫作業命令－去目的地址－立體庫貨架－取貨箱－堆垛機－出入庫臺－存貨箱－輸送機－出入庫臺－完成出庫到入庫臺待機。

圖1所示為一個巷道的自動化立體倉庫，通常情況下，立體庫由多個巷道組成。巷道有軌堆垛機是自動化立體倉庫的核心裝備及主要搬運設備，其主要用途是在高層立體貨架的巷道內來回穿梭運行，將位于巷道口的貨物自動存取，并放入指定的貨位即入庫作業，或者取出貨位內的貨物運送到巷道口即出庫作業，或者將貨物從一個貨位移位放入到另一個貨位中即盤庫移貨作業，廣泛應用于供應鏈物流、精確倉儲、快速配送中。

堆垛機總體結構及主要電氣元件布置如圖2所示。

2堆垛機電控系統總線網絡結構

整個自動化立體倉庫系統的數據通訊采用Profibus-DP網絡進行，將PLC可編程控制器、激光測距器、水平運行變頻器、升降運行變頻器、貨叉運行變頻器、控制面板觸摸屏、上位監控機等連接到Profibus-DP網絡中，組成一個Profibus-DP網絡，并為連接在DP網絡上的每個部件都分配不同的DP總線地址，通過訪問不同的DP總線地址實現對其相應部件的數據通訊；實現PLC可編程控制器與激光測距器、觸摸屏及各驅動變頻器之間的數據通訊；并通過紅外通訊通道，實現PLC可編程控制器與上位監控機之間的數據通訊。

激光測距與定位技術的應用與控制方案

隨著堆垛機在巷道內來回穿梭運行，裝設在堆垛機上的激光測距器與固定反射板問的距離也隨之不斷改變。從而實現了高速運行過程中的動態測距。通過PLC控制器讀取激光測距器的數據，并對數據進行處理，實現堆垛機的定位測距與調速自動控制。

1激光測距與定位的實現

(1)貨位基礎數據的初始化與自學習

在PLC上電初始化自檢測時，通過激光測距器將出入庫臺和每一個貨格的絕對地址數據讀出，并自動保存到PLC內部的貨位地址數據表DB0中，進行貨位地址數據表的修改設置與保存固化，形成貨位地址數據表DB0供堆垛機運行定位使用，完成原始數據的初始化和固化校準。

(2)堆垛機的作業數據處理

當堆垛機接收到上位監控機或操作面板觸摸屏下達的作業指令時，PLC可編程控制器接受作業指令，并根據作業指令裝入目標指針，修改目標指針并指向貨位地址數據表DB0相應的位置，將目標指針對應的數據讀出作為當前作業目的地址LN；同時，通過激光測距器讀取堆垛機當前地址IDO，并存儲在PLC內供程序計算用。

(3)激光測距與定位的實現

通過PLC程序對以上數據的處理，實現堆垛機的認址與定位。由于激光測距實現了絕對認址，實現了貨位設定的數字化。從而方便了貨位數據、出入庫臺位置、運行速度值等的設置，易于實現數據比較、計數、自動換速及精準定位等功能。

2堆垛機平滑調速的實現

通過PLC采集到動態運行數據后，通過公式AL=LN-ID0可以計算出當前列地址ID0與目的列地址LN的位移差AL。由于堆垛機的計算速度是由位移差計算得出，因此，計算速度是隨著位移差的變化而連續變化的，這樣就可以連續地控制堆垛機的運行速度，并通過程序自動進行換速，從而實現堆垛機的平滑調速。通常，堆垛機的最大運行速度受堆垛機機構、電機性能、功率、負載及安全等方面的限制，設有一個最大限速值；堆垛機的最小運行速度受到負載與拖動力矩等的影響，設有一個最小速度限制，否則低速時就無法拖動和正常工作。

通過激光測距與定位技術在巷道堆垛機系統中的應用，實現了堆垛機的絕對認址技術，相比傳統的檢測片相對認址技術。不僅有效地提高了檢測速度和效率，還有效解決了計數與定位的精度與可靠性問題。此外，還實現了測距、編址和調速的數字化，使庫臺和貨位地址變更、調速曲線優化、起動與制動性能優化等易于實現，從而大大提升堆垛機的整機性能，確保了堆垛機的定位精度、運行平穩性和運動噪音等關鍵參數。