激光測距絕對認址技術在巷道堆垛機中的應用

薛廣庫，曲　杰，喬永忠，夏遠猛，程　志XUE Guang-ku，　QU Jie，　QIAO Yong-zhong，　XIA Yuan-meng，　CHENG Zhi（成都飛機工業（集團）有限責任公司數控加工廠 四川，成都 610091）

檢測與監控

激光測距絕對認址技術在巷道堆垛機中的應用

薛廣庫，曲杰，喬永忠，夏遠猛，程志
XUE Guang-ku，QU Jie，QIAO Yong-zhong，XIA Yuan-meng，CHENG Zhi
（成都飛機工業（集團）有限責任公司數控加工廠 四川，成都 610091）

激光測距技術在巷道堆垛機計數、定位領域的應用，實現了巷道堆垛機運行過程的絕對認址，提高了設備計數、定位的準確性。以某單位巷道堆垛機計數、定位過程使用激光測距技術為例，講述激光測距絕對認址技術對現代自動倉儲技術發展所帶來的深遠影響，為同行們提供技術借鑒。

激光測距；絕對認址；巷道堆垛機

0　引言

隨著科技和當代物流業的快速發展，傳統物流技術已無法滿足現代物流業對倉儲物流精細、準確、高效化的技術要求。巷道堆垛機作為現代倉儲物流環節中重要的執行機構，其日常運行過程中計數、準停定位準確性的高低直接影響著整個倉儲物流的效率。激光測距絕對認址技術的出現和應用使上述問題得到了很好的解決。

1　巷道堆垛機認址技術簡介

自動化立體倉庫巷道堆垛機常見認址方式如表1所示。

當采用光電開關與認址片組成的位置檢測裝置時，所使用的光電開關若固定在巷道堆垛機上隨設備一起運動，認址片固定不動，此種位置檢測、認址方式稱為相對認址方式；反之為絕對認址方式。水平和起升方向上的檢測光電開關一般各有三組，即：起升方向上的上對準光電檢測開關、縱向計數光電開關、下對對準光電檢測開關；水平方向上的前對準光電檢測開關、橫向認址光電開關、后對準光電檢測開關。當設備計數、定位時，兩組光電檢測裝置上每組三個光電檢測開關需同時接收到感應信號，才能準確計數、定位。

表1　巷道堆垛機認址檢測方式及特點

目前，絕對認址常見的檢測方式有編碼器檢測、激光測距和條碼儀檢測三種。其中，編碼器檢測方式檢測過程中定位精度最差，故障率最高；條碼儀檢測方式檢測過程中條碼儀附近需有充足的光照。另外，因定位檢測過程為條碼儀掃描貨架各貨位上的位置條碼，因此要定期對位置條碼的完好性進行檢查，并保證位置條碼表面干凈無灰塵。激光測距是當前自動化立體倉庫巷道堆垛機位置檢測、定位技術中應用最為廣泛的絕對認址方式。其結構簡單、環境適應能力強，檢測定位精度高。具體檢測方式如圖1所示。

圖1　激光測距認址方式檢測原理圖

如圖1所示，激光測距認址檢測方式由激光測距發射器和測距光線反射板兩部分組成。一般水平方向（橫向）的測距發射器安裝在巷道堆垛機上，測距光線反射板固定在地面上；起升方向（縱向）的測距發射器安裝在巷道堆垛機的上橫梁上，測距光線反射板安裝在堆垛機載貨臺上，隨載貨臺一起運動，如圖2所示。

圖2　激光測距檢測單元安裝位置布局圖

2　控制系統網絡結構

采用激光測距位置檢測認址方式的自動立體倉庫巷道堆垛機控制系統的數據通訊［1］一般是通過Profibus-DP總線將可編程控制器、激光測距儀、水平電機變頻器、升降電機變頻器、貨叉電機變頻器、堆垛機觸摸屏、現場操作平臺、上位機控制臺等連接到同一個Profibus-DP網絡中，并給連接在DP網絡上的每個模塊分配不同的總線地址。設備運行時，PLC通過訪問不同的DP總線地址實現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。最后，通過紅外通訊，實現PLC與上位機控制臺之間的數據通訊。整個控制系統通訊框架如圖3所示。

表2　Sick—DME5000系列激光測距傳感器主要參數

圖3　控制系統數據通訊框架

3　激光測距儀的選擇及應用

自動化立體倉庫巷道堆垛機絕對認址檢測用激光測距儀的選擇主要依據以下九點：1）所檢測的距離長度范圍；2）設備定位精度要求；3）檢測誤差范圍；4）設備最高運行速度；5）設備工作場所的環境及溫度范圍；6）設備供電系統所能提供的電壓、電流；7）設備控制系統提供的通訊接口方式；8）設備的設計壽命；9）檢測信號輸入/輸出方式等。以SICK-DME5000系列激光測距儀為例說明［2］，具體參數如表2所示。

3.1激光測距儀與PLC之間通訊連接的實現

SICK-DME5000系列激光測距儀與PLC最常用的通訊連接方式有以下三種：

1）通過Profibus總線進行連接。

2）通過SSI同步串行輸出接口與帶有SSI輸入模塊的PLC連接。

3）通過RS422接口與帶有RS422通訊模塊的PLC連接。

三種連接方式的電氣接線圖分別如圖4、圖5所示。

圖4　Profibus總線連接

圖5　SSI/RS422接口連接

另外，激光測距儀與PLC實現通訊連接前（以西門子S7-300PLC為例），在進行PLC控制系統硬件組態時，應先進行激光測距儀對應GSD文件的加載［3］后，才能進行正常的硬件組態及相關通訊參數的設置。控制系統在進行硬件組態的過程中，各模塊訂貨號必須與實際所選硬件模塊色訂貨號完全一致，確保設備與PLC及上位機之間正常的數據傳輸。

3.2絕對認址定位及合理調速的實現

在設備運行過程中，激光測距儀通過Profibus-DP總線讀取PLC數據塊中貨架貨盤水平、起升方向上的目標位置數據，再通過激光測距儀發出的經反射板反射回來的測距激光束來確定巷道堆垛機當前運行的絕對坐標位置。當巷道堆垛機接收到上位機或操作面板觸摸屏下達的作業指令時，PLC通過Profibus-DP總線與激光測距儀進行通訊，激光測距儀通過測距激光束進行距離測量，PLC控制程序對巷道堆垛機當前位置與目標位置之間的距離進行計算，得出巷道堆垛機水平、起升方向距離目標位置的相對距離。激光測距儀將堆垛機的實時運動位置反饋給PLC，PLC控制控制電機變頻器對水平、起升方向運動電機進行合理的加減速控制。設備運行過程中，運行電機末端的旋轉編碼器會實時將其檢測的電機轉速通過脈沖信號反饋給PLC和變頻器，并與激光測距儀的實時測量數據進行對比，形成一條對激光測距檢測系統閉環位置檢測反饋回路。巷道堆垛機運行坐標系圖如圖6所示。

圖6　堆垛機運行坐標系

以圖6的自動化立體倉庫巷道堆垛機為例，Sn為自動化立體倉庫中第n列貨架距離水平方向激光測距反射板的距離；0.5m為兩貨盤中心距；D=1.2m為距離水平方向激光測距發射板最近貨架立柱與其間距；Sw為堆垛機當前水平方向絕對位置；△S水平方向激光測距儀距目標位置的間距；L為水平方向激光測距儀與堆垛機載貨臺中心間距；Qn為貨架中第z層距離起升方向激光測距儀的距離間距；0.7m為貨架上兩相鄰貨層間貨位低位間距；F=0.8m為起升方向激光測距反射板距離載貨臺中心的距離；△Q為起升方向激光測距儀到反射板的間距；Qw為起升方向激光測距儀距目標位置的間距。

在巷道堆垛機運行過程中，需將當前檢測到的測距脈沖信號發送給控制系統PLC，系統經過計算得出當前堆垛機載貨臺中心位置距離目標位置坐標（Xn、Yn），實現巷道堆垛機運行過程的絕對認址定位。Xn、Yn的計算公式如下所示：

控制系統PLC將當前檢測到的巷道堆垛機載貨臺中心點到目標位置的距離與控制系統設置的水平、起升方向變頻調速距離進行比對，調取合理的運行電機變頻控制曲線［4］，如圖7所示對水平、起升方向電機進行控制，實現設備運行過程中的安全、合理、調速及準確定位。

如上圖所示，當巷道堆垛機載貨臺當前中心位置距離目標位置間距D≥D2時，控制系統調用上圖中T1進行運行電機變頻調速；當D2＞D≥D3時，控制系統調用T2進行運行電機變頻調速；當D＜D3時，控制系統調用T3進行運行電機變頻調速。

另外，為避免因變頻調速過程中急速加減速控制造成的運行電機抱閘現象的出現，進一步提高運行電機運行、制動過程的綜合性能和激光測距認址定位的準確性，控制系統運行電機端頭增加了旋轉編碼器檢測裝置，形成了雙重閉環位置檢測反饋系統，如圖8所示。

圖8　堆垛機運行閉環檢測反饋系統

4　結束語

圖7　運行電機變頻調速控制曲線

通過激光測距絕對認址定位技術在巷道堆垛機中的應用，極大程度的簡化了巷道堆垛機的計數、測距機構，有效的提高了堆垛機運行過程中的計數、定位的精確度。長期的現場應用表明，采用該種方式進行巷道堆

【】【】垛機的認址、定位，使得自動化倉儲系統運行可靠、定位精度高、設備故障率低、方便維修等方面的特點凸顯。

［1］ 向曉漢.西門子PLC高級應用實例精解［M］.北京:機械工業出版社，2010，7.

［2］ Sick DME5000激光測距儀應用手冊［Z］.

［3］ 廖常初.西門子S7-300/400應用技術［M］.北京:機械工業出版社，2008，5.

［4］ 葛蕓萍.電機調速應用技術及實訓［M］.北京:化學工業出版社2010，9.

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薛廣庫（1988 -），男，陜西興平人，本科，主要從事自動化立體倉儲技術應用及日常維護工作。