叉式穿梭車的電氣控制系統

余姚市供電局 楊立明 陳寧華 朱鳴晨 韓一舜 張 苗

1 引言

軌道式導引車（Rail Guide Vehicle，RGV）具有動態移載、運行穩定可靠、成本低等特點，在自動化倉庫系統中得到了廣泛應用。目前RGV 按運動方式不同可分為環形軌道式和直線往復式。一般地，環形軌道式RGV系統效率高且可多車同時工作，軌道多采用鋁合金，相對成本較高；直線軌道式RGV系統通常為單車單軌，通常采用鋼軌為軌道，成本較低。隨著PLC控制、分布式現場總線、矢量變頻調速、激光測距定位等技術的引入，使得RGV能夠實現精確絕對認址與平滑調速，從而提升了RGV的起動、運行與制動性能，確保了整個物流系統的可靠、平穩與高效。

針對某電力公司的電力柜存儲需求，采用升降橫移式立體庫的形式開發了自動化電力柜存儲系統。在輸送機、穿梭車等傳輸設備的配合下，該立體庫系統依靠網絡化倉庫管理系統，實現了迅速可靠地物品存取管理。本文介紹了該系統的核心組成部分——叉式直線穿梭車（RGV），對其電氣控制系統的設計與實現進行了詳細論述，展現了叉式直線穿梭車在自動化立體倉庫中的應用前景。

2 叉式穿梭車結構組成

直線軌道式RGV 系統通常為單車單軌，叉式穿梭車的硬件組成主要包括行走機構、升降機構、叉取機構，總體結構如圖1所示。行走電機通過驅動軸帶動車輪，使叉式穿梭車在下導軌上做水平行走；提升電機通過凸輪帶動載貨臺做垂直升降；載貨臺上的貨叉電機驅動貨叉左右伸縮。通過上述三維運動可將指定位置的貨物取出或將貨物送入指定位置。

圖1 叉式穿梭車結構組成

3 RGV電氣控制系統

3.1 電氣控制系統組成

叉式穿梭車的控制系統主要電氣元件包括PLC、變頻器和觸摸屏。RGV的電機采用SEW三相異步電機。其中行走和貨叉電機由一臺變頻器分時控制實現無極調速，而升降電機由另一臺變頻器實現無極調速。叉式穿梭車具有自動認址、貨位虛實監測以及其它自動檢測功能。RGV電氣控制系統總體結構如圖2所示。

系統以Siemens 公司CPU 314-2DP作為控制核心，負責處理從激光傳感器測得的距離值、RGV控制方式（自動或手動）、與上位機間的通訊、防撞策略和控制變頻器調速和停走方案等。CPU 314-2DP模擬量輸出滿足無極調速要求并自帶24個數字輸入和8個數字輸出，能夠接入激光測距儀的檢測信號輸入、輸出變頻器控制，繼電器輸出模塊SM322用于指示燈的輸出和電機抱閘等控制輸出。

圖2 叉式穿梭車控制系統

變頻器采用諾德變頻器SK520E 具有自動力矩調節功能 防止低頻力矩不夠。實現了轉矩的快速響應和準確控制，能以很高的控制精度進行寬范圍的調速運行 并可接入標準PROFIBUS-DP現場總線控制系統。

叉式穿梭車控制系統配備了多種激光測量傳感器 包括貨物檢測傳感器、貨物尺寸檢測傳感器、激光測距傳感器等 如圖3所示。

圖3 LEUZE測量傳感器與光通訊器

貨物檢測傳感器 采用德國勞易測（LEUZE）專為立體倉庫開發的HRTR 46B貨物檢測傳感器 具有檢測距離遠且可調、檢測光線強、受檢測物體顏色影響小等特點。貨物檢測可以防止空出庫、重復入庫等現象的發生。

貨物尺寸檢測傳感器 入庫輸送機上部安裝有門架式尺寸檢測裝置 貨物入庫時 可發現貨物外形尺寸的超出情況 并報警提示操作人員手工處理。固定條碼掃描儀安裝在尺寸檢測門架側面上 用于料箱上的條碼掃描 對未通過外形尺寸和條形碼檢測的貨物進行報警提示 以便操作人員人工處理。

激光測距傳感器 采用德國勞易測 LEUZE 激光測距儀AMS200進行水平位移檢測 檢測誤差可保證在±1mm 刷新速度可達2ms 具有速度/位置測量功能。激光絕對認址方式實現了貨位設定的數字化，易于實現精準定位功能，配合可編程控制器的控制算法求得速度設定值 并通過變頻器進行位置/速度的閉環控制 如圖2所示。在PLC編程軟件STEP7中的激光測距儀硬件組態配置如圖4所示。激光測距儀數值讀取模塊如圖5所示。

圖4 激光測距儀在STEP 7中的硬件組態

圖5 激光測距儀數值讀取模塊

3.2 系統通訊

整個叉式穿梭車傳輸系統的數據通訊采用PROFIBUSDP網絡，將RGV可編程控制器、激光測距儀、變頻器、控制面板觸摸屏、上位監控機等連接到PROFIBUS-DP網絡中，并為連接在網絡上的每個部件都分配不同的總線地址。

此外 地面主站需要與叉式穿梭車之間傳輸RGV的當前位置與目標位置信息。由于本系統為直線往復式導軌 因此在RGV車載電氣控制系統中加入了無線紅外激光通訊器DDLS 200，如圖6所示。在RGV與地面主站之間對準的基礎上 實現兩者之間的遠紅外線光學數據傳輸 并且支持最大數據傳輸范圍500m、最大傳輸速度200kbps。

圖6 紅外激光通訊示意圖

3.3 RGV定位與速度控制

當RGV接收到地面站或操作面板觸摸屏下達的作業指令時，PLC根據作業指令裝入目標貨位地址，同時通過激光測距器讀取RGV當前地址 PLC計算出位移差值△S0。由于RGV的最大運行速度受其機構、電機性能、功率、負載及安全等方面的限制 設有最大限速值 而RGV的最小運行速度受到負載與拖動力矩等的影響 設有最小速度限制，否則低速時就無法拖動和正常工作。為實現RGV平滑調速 采用三段式策略對變頻器的頻率進行動態的線性給定。

啟動階段 根據 △S0計算初始運動速度V0。設Vmax和Vmin分 別是穿梭車允許運行的最高和最低速度Smin是水平方向相鄰貨位間距Smax是立庫水平方向最大寬度 則

其中 f(·)是查表函數 即查詢事先建立的測距值與速度給定值之間的數學函數曲線。

勻速階段 穿梭車啟動之后不斷獲取當前絕對測距值△S當△S＞0.5△S0即未達到半程之前 均保持初始速度運行。

減速階段 當△S≤0.5△S0后開始均減速過程 當△S≤0.5Smin后 穿梭車以最小速度Vmin運行直到停下。

通過激光定位技術實現了穿梭車絕對認址 相比傳統的認址片相對認址技術 定位精度更高 并支持線性連續的速度給定 進一步可以通過優化速度控制曲線 大幅提高穿梭車的運行性能。

3.4 叉式穿梭車的安全運行控制

為了保證人身、貨物及設備的安全 叉式穿梭車配備有完善的硬件及軟件的安全保護裝置 并在電氣控制上采取一系列聯鎖和保護措施：

①從基本的電機控制角度 各電機均設有過電流繼電器對電機進行保護。

②從RGV安全運行控制角度 設置了走行端點限位及升降端點限位傳感器；設置了走行高速強制切除功能 從而防止穿梭車運行至軌道兩端附近運行速度過快；設置了升降高速強制切除功能 從而防止叉式穿梭車運行至升降兩端附近運行速度過快；另外 貨叉、行走、升降過程均具有邏輯互鎖功能 確保貨叉動作時禁止行走、行走中貨叉禁止動作、貨叉動作中禁止高速升降。

③從出入庫操作安全角度 為防止空出庫、重復入庫等現象的發生 設置了對貨架上貨位、入出庫位置上的貨物檢測傳感器 為防止貨物尺寸與欲入庫貨位的尺寸不符 設置了貨物尺寸檢測傳感器 為防止貨物坍塌情況的發生 叉式穿梭車上設置了貨物坍塌檢測傳感器 還設置了松鏈檢測傳感器 以檢測松鏈情況的發生。

④從安全報警角度，叉式穿梭車控制盤上設置緊急停止按鈕 以備在非常情況下切斷叉式穿梭車電源，設置有異常狀態下的聲光報警裝置，并用指示燈來指示叉式穿梭車工作狀態。

4 實現與應用

所研制的叉式穿梭車實物如圖7所示。該叉式穿梭車應用在某電力柜存儲系統中。此系統采用一套三層升降橫移式立體存儲結構 共計存儲42個托盤位 每個托盤位可存放一個2000×1500的大容量托盤。系統中采用兩臺RGV分別在庫的兩側各自軌道上運行。

圖7 叉式穿梭車實物圖

叉式穿梭車PLC通過紅外激光通訊方式與地面主站PLC通訊；而地面主站PLC通過以太網與監控級計算機通訊，實現整個自動化倉庫系統的聯網與監控，并實現了聯機自動、本機自動、半自動及手動控制這四種RGV控制模式。

叉式穿梭車通過激光絕對認址實現了測距、調速的數字化，確保了叉式穿梭車運行精準、平穩；由于叉式穿梭車運行靈活、速度較快的特點，使庫臺和貨位地址變更、出入庫操作更為高效、可靠。

5 結語

本文介紹了一種叉式穿梭車的電氣控制系統，通過集成可編程控制器、分布式現場總線、矢量變頻調速、激光測距定位等技術，實現了叉式穿梭車的精確絕對認址與平滑調速。實際工程應用結果表明該系統具有成本低、自動化程度高的特點，能夠顯著提高物流倉儲系統的效率。