堆垛機實時控制系統優化設計

朱建紅，顧菊平，吳 曉，陳 娟

（南通大學 電氣工程學院，南通 226007）

堆垛機實時控制系統優化設計

朱建紅，顧菊平，吳 曉，陳 娟

（南通大學 電氣工程學院，南通 226007）

1 問題提出

立體倉庫三維空間如圖1所示，堆垛機存取貨地址通常以層、排、列區分，原系統沿X方向與Y方向機械傳動由兩臺三相交流電機拖動，實現到位操作，電機在每次存取操作時都以固定最高頻率運行，運行頻率采用面板輸入，原控制系統雖然達到了效率優先。但是基于以下三點不足，有必要對系統進行優化設計。1）兩方向都以最高速度運行，不利于節能。2）系統通信采用PPI點對點串行通信，網絡擴展。3）由于慣性作用，堆垛機在極限位置易沖出軌道，可控性差。

圖1 倉庫三維示意圖

2 系統優化方案設計

系統設計遵循效率優先、節能兼顧原則，從動態頻率給定方案，下位機PLC控制系統及監控網絡等方面進行模塊化優化設計。

2.1 動態頻率下合成軌跡模型研究

圖2 機械手運行軌跡示意圖

圖2展示了兩方向電機運行在不同速率下的軌跡差異：1）為兩電機以先后次序一定速度運行的軌跡。2）為兩電機都以最高的相同速度同步運行，機械手先以合成的45度角運行，然后進行X方向或Y方向的單方向運行，軌跡如A-B-C所示。3）為兩電機都以不同的頻率同步運行，兩速率比例不同導致最終合成軌跡也有所差別，軌跡A-B(B/)-C就是其中一例。原系統固定速度運行的合成軌跡如圖2中（2）所示。

圖2在第（3）種情況下，如果在動態頻率給定時由X方向與Y方向所要行走路徑之比來確定兩方向的頻率比值，同時忽略交流變頻特性如圖3所示的啟停二次曲線特性帶來的誤差，則合成軌跡可以理想化的逼近直線A-C。

2.2 系統動態頻率可行性方案設計

系統動態頻率給定設計從變頻數值設計，能耗分析，貨位尋址，頻率給定方式及途徑，誤差分析等方面進行可行性設計。

2.2.1 頻率數值分析與設計中的每個元素代表一個庫位，現要將貨物從（xa，yb）（設為圖2中點A）搬運到點（xc，yd）（設為圖2中點B），從效率優先考慮， 兩方向同步運行情況下，如果同步到達終點，那么控制每次存取操作總時間問題實質就是控制其中任一方向電機耗時最短問題。

圖3 變頻特性曲線示意圖

系統從S型曲線的構造進行研究，分析移動距離與變頻速度之間的關系。圖3中斜坡上升段直線BC與曲線段AB、弧線CD分別相切，延長BC直線與最大頻率運行線及時間軸相交于點M、N。在實際面積計算時，由于啟動時間很短，近似陰影ANB的面積與CMD的面積相等， S曲線的面積簡化為一梯形面積求取。

2.2.2 能耗分析

圖4 PLC程序優化梯形

2.2.3 頻率給定方式與途徑

系統接收到貨物調度信息時，首先結合當前所要存取貨物的種類及系統不同的存取功能需求，如：定位存取、隨機存取、分類存取、就近存取等，根據現場立體倉庫貨存情況及堆垛機運行狀態監控結果。通過SQL Server對貨位實時數據庫進行動態分析，由可取貨物信息及可放貨位信息，給出目的取貨與放貨地址，然后根據當時堆垛機層排位置(x1－y1)，由目標位置尋優函數min| (y2－y1)2＋(x2－x1)2|進行最優目的位置查詢，決定貨位分配目的層排(x2，y2)。

針對每次存取貨位置不同的情況，頻率由上位機根據位置信息動態給定，下位機接受控制信息，通過PLC程序實現可靠傳動，方案設計了能夠實現各方向運行頻率動態給定的通信網絡，由USS通信協議提供技術支持[2]。

2.2.4 誤差分析

系統頻率設置由于近似交流變頻特性的啟停二次曲線特性為斜坡上升曲線，實際軌跡只能近似接近圖2中（3）直線A-C。位置傳感器的設置解決了準確到位問題。

圖5 變頻參數傳輸網絡拓撲示意圖

2.3 PLC程序設計

電機運行的頻率、方向都在系統運行過程中根據不同起點與終點位置動態設置，由上位機通過PLC中間存儲單元發送，邏輯控制系統優化中必須設計如圖4所示程序段運行使能、方向與速度全由USS通信控制模塊設置（如圖6中V20.0、V24.1、V27.0、V25.0、V29.0、VD26、VD40 所示）。

3 通信網絡設計

動態設定的變頻參數如果以手動方式輸入變頻器不僅費時費率，容易出錯，而且不易連續動態控制，影響運行效率?？煽康耐ㄐ啪W絡保證參數根據現場需求動態輸入。

圖6 USS通信協議控制模塊

系統構建如圖5所示的通信網絡進行現場數據傳輸，上位機通過PC-ACCESS[3]組態S7-200 PLC，構建PROFIBUS-DP現場總線，保證上位機與PLC從站之間的高速數據通信，傳輸的距離較長，可以滿足遠程調速的需要。PLC與變頻器之間采用USS協議進行數據通信，通過圖6的控制模塊參數設置，直接控制變頻器運行。其中V25.0、V29.0、VD26、VD40用來對兩電機的運行方向與頻率進行動態設置。這種控制方式的硬件設備簡單，不需要使用PLC的輸入輸出端口，留出的輸入輸出口可用于其它控制。

這種通信網絡可以使上位機同時對多臺變頻器進行監控，修改變頻器的參數，實現多臺變頻器的聯動控制和同步控制。這里使用了兩臺地址分別為0與1的變頻器，所以初始化模塊地址設為16#03。

4 現場運行調試與誤差分析

系統調試過程分三步走，首先進行系統通信網絡的調試，在STEP7環境下硬件測試成功后，通過上位機組態王[4]環境進行參數寫入與讀取，經過變量類型的準確定義、反復修改與調試，確保數據的成功通信。其次是進行下位機PLC運行程序的調試，根據程序算法流圖首先進行程序編寫，通過編譯后分手動與自動方式進行分步調試，在STEP7環境下通過狀態圖監視變頻器參數數據變化，并修改變量值。最后是上位機動態監控程序的調試，系統經過反復調試與試驗，實現了可靠運行。

5 結束語

系統在工程訓練實驗中心平臺運行結果顯示：堆垛機在動態速度給定情況下能按設計的最短路徑、最快的速度運行至每一終點，由于系統中已設置位置檢測信號，所以簡化計算S型曲線面積所帶來的誤差能夠通過傳感器進行軌跡修正，保證了運行效率，節省了電能。

由于變頻輸出控制本身為半閉環控制，位置傳感器設置完善了系統的功能，兩者結合使用會使系統運行更穩定，定位更精確，系統設計成國可在立體倉庫相似應用場合推廣使用，具有一定的工程應用價值。

[1]孫強, 舒朝君, 等. 變頻調速應用及其相關問題討論[J].機床電器. 2006.

[2]SIEMENS MICROMASTER 440使用大全[Z]. 西門子(中國)有限公司. 2005: 374-376.

[3]PC access Getting Started [Z]. Siemens, 2009: 4-5.

[4]組態王使用手冊[Z]. 北京亞控自動化軟件科技有限公司. 2001: 388-392.

The optimal design on real-time control system for stacking machine

ZHU Jian-hong, GU Ju-ping, WU Xiao, CHEN Juan

分析固定速度運行控制系統的優缺點，從節能角度提出用USS協議實現頻率動態實時控制的優化方案。利用STEP7進行下位機系統可編程邏輯控制程序設計。上位機利用組態王6.5進行變量的實時監測與控制。利用PC-ACCESS進行PROFIBUS系統通信網絡的設計。最后通過狀態圖及程序監控單步調試、上位機離線調試、系統聯調，實現系統的可靠運行。

優化方案；邏輯控制；監控網絡；可靠運行

朱建紅（1971－），女，江蘇南通人，講師，碩士研究生，主要從事自動控制方面的研究工作。

TP273

B

1009-0134(2011)4(下)-0010-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).04

2011-02-22

南通市科技局應用研究項目資助（K2009053）