數字化定位傳感器WCS的應用

李劭

上海倍加福工業自動化貿易有限公司，上海 200436

一、前言

與過去的特快列車相比，高鐵最突出的感受除了速度快以外，就是平穩和安靜，再也聽不到車輪通過鋼軌接縫時發出的撞擊聲響，其根本原因是高鐵鋼軌采用了先進的焊軌技術。

目前，全國的高鐵系統至少建設了16個焊軌基地。它們的主要任務就是將5根100m長的鋼軌焊接成500m長的超長鋼軌用于高鐵軌道鋪設。在焊軌基地，最讓人印象深刻場景的就是十幾臺、二十幾臺龍門吊協調一致地吊運長長的鋼軌（圖1所示）。

十幾臺、二十幾臺龍門吊合力吊運一根長鋼軌，要求各吊具的空間位置保持在一根直線上，并能夠同步移動。這就要求對每一臺龍門吊吊具的空間位置進行準確定位。吊具在垂直方向上的定位通常采用絕對值旋轉編碼器，在水平方向上的定位則需要絕對值的直線定位傳感器來完成。在國內多個焊軌基地的龍門吊上裝備了德國倍加福公司（Pepperl+Fuchs）的數字化定位傳感器WCS，用以實現吊具在水平方向上的精確定位（圖2所示）。WCS的長量程、數字化、高精度絕對值定位、耐嚴酷環境等特點，都非常契合長鋼軌程控群吊的應用需求。

本文將簡要介紹數字化定位傳感器WCS系統在工廠自動化領域的實際應用。

二、數字化定位傳感器WCS系統 [1]

1、工作原理

數字化定位傳感器WCS的基本工作原理是在不銹鋼帶或者聚酯帶上沖出代表位置信息的一維碼（條形通孔），用配備有對射光電傳感器組件的讀頭來讀取碼帶上的位置信息，并將此位置信息編輯成標準的數字化協議信號輸出。

2、性能參數

數字化定位傳感器WCS系統由讀頭和一維碼碼帶（圖3）組成。以最新的WCS3B系列為例，碼帶長度可達314.5m，絕對值定位分度±0.4mm，碼帶材質有不銹鋼和聚酯兩種。WCS3B讀頭的讀碼速度可達12.5m/s，有 RS485、EtherNet/IP、ProfiNet等多種數字輸出接口品種，有室內型（IP54）和戶外型（IP67/IP69），有常規環境溫度型（0℃～ 60℃）和低溫型（-40℃～ 60℃），廣泛適合各種工廠自動化應用環境。

3、產品優勢

用數字化碼帶標志絕對位置信息為工廠自動化的定位應用提供了便利。首先，通過讀碼而不是測量來確定位置，定位的準確性和長期穩定性就不再受測量誤差、時間漂移、溫度漂移、模數轉換誤差的影響；其次，由于碼帶可以在一定程度上彎曲，不但能夠實現直線定位，而且能夠實現曲線定位，從而擴展了自動化定位的應用領域；第三，通過讀碼定位可以實現多臺裝備同時在同一條碼帶上工作，從而提高整體工作效率。

WCS的突出優勢在于其全天候的整體設計。其碼帶不僅材質為不銹鋼或者聚酯，抗風雨、耐腐蝕、不易損毀，而且條形通孔的信息碼不怕污染和磨損，再配上高防護等級的讀頭，整體適合戶外環境或條件惡劣的室內環境。

三、數字化定位傳感器WCS系統的應用

1、長鋼軌程控群吊

在高鐵焊軌基地吊運100m長、甚至更長的高鐵鋼軌需要十幾、二十幾臺龍門吊協同工作，每臺吊車上的電動葫蘆要同步運動，運動的速度一致、停止的位置一致、吊具的高度一致。德國倍加福的絕對值編碼器可以用來解決垂直方向上吊具高低定位問題，而倍加福的WCS系統能夠很好地解決水平方向的定位。

水平方向定位有兩個方向的應用。沿鋼軌長度方向（或稱X方向），排列著十幾、二十幾臺龍門吊，它們在同一軌道上運動，根據工藝需要調整相互間的間距。它們的定位精度要求并不高，主要考慮的是定位的效率和靈活性。WCS的定位碼帶可長達314.5m，可滿足大多數焊軌基地在X方向上的定位長度需求。所有龍門吊可以在同一碼帶上分別定位；在鋼軌的垂直方向（或稱Y方向），十幾、二十幾臺吊車的吊具必須同步運動，而且定位精度要求高。WCS靠讀碼定位，定位分度±0.4mm，沒有額外的測量誤差和時漂、溫漂，不僅定位精度完全滿足要求，而且從原理上保證每臺吊車定位的一致性。此外，WCS3B系列有戶外型，防護等級達到IP67/IP69，同時工作環境溫度達到-40℃～ 60℃，滿足全天候工作要求。WCS3B系列可選ProfiNet和EtherNet/IP兩種常用的工業以太網數字輸出接口，可極大地方便群吊的控制系統集成。

2、集裝箱吊裝設備

“一帶一路”倡議給中國集裝箱運輸的進一步發展提供了契機，新的機會并不僅出現在集裝箱海運，更出現在集裝箱鐵路運輸，以及多式聯運。圖4所示為中鐵聯集的某個中心站。在一帶一路沿線，這樣的集裝箱貨場將越來越多，不計其數。

海運也好，鐵路運輸也好，集裝箱運輸的貨場箱位現在都已經離不開數字化管理，而集裝箱龍門吊司機必須依照箱位進行吊裝和堆放。數字化定位傳感器WCS可以幫助集裝箱龍門吊輕松實現數字化精確定位，如圖5所示。從而有效改善吊車司機的操作條件，大幅提高工作效率。

現在的中國，全自動集裝箱港口已經成為現實。隨著人工智能的進一步發展和應用，龍門吊的智能化并不遙遠，借助WCS數字化定位，實現自動化的鐵路集裝箱裝卸也不是沒有可能。

3、數字化工廠倉庫的行車

在很多情況下，工廠數字化升級首先考慮的便是廠內物流倉儲的數字化。在鋼鐵、有色金屬、造紙等行業，廠內數字化物流倉儲大量使用精確定位的行車。數字化定位傳感器WCS在這一領域具有得天獨厚的應用前景，如圖6所示。

如前所述，WCS絕對值定位距離長、定位精度高、運行速度快、環境耐受性強、長期穩定可靠，這些特性使其特別適用于冶金、造紙行業面積超大、環境塵埃多、維保不易的倉庫。

4、智能化立體倉庫的堆垛機

對于智能化立體倉庫的堆垛機，現在已經有了多種數字化定位方案，如激光測距定位、激光掃描一維碼碼帶定位、視覺讀取二維碼碼帶定位，以及這里介紹的WCS定位等。其中，WCS定位主要用于條件相對苛刻的應用場景。例如，冷鏈倉庫的應用環境要求在-28℃以下工作，其他方案都難以滿足，只有WCS可以勝任（WCS的工作溫度可以低到-40℃）。例如，小件、輕件直取的立體倉庫往往要求堆垛機高速取件，堆垛機在高速運行時則需要加速度控制，WCS能夠更有效地滿足這種應用要求。圖7是一款取件運行速度達到6m/s的輕型堆垛機實例。

5、汽車制造廠車身機械化運輸設備

汽車制造廠里車身在各車間之間的運輸和在各工位之間的運輸大都已經實現了機械化。車身運輸可分空中、地面，以及升降三種模式，無論對于哪一種，數字化定位傳感器WCS都有用武之地。

電動單軌懸掛小車（EMS Car）是車身在空中運輸的主要設備之一，使用WCS定位（如圖8（a）所示）的目的主要有兩個。一是實時掌握每一臺車身的空間位置，便于控制車距和進行車身調度編組；二是在總裝車間的底盤線上與地面承載動力總成的自動導航小車（AGV）實現精確對位。

應用WCS的電動單軌懸掛小車可以實現全程數字化定位，并可輕松完成轉彎和變軌動作，這樣，幾十輛、上百輛懸掛小車得以在空中有序行走，并進行調度編組，助力工廠實現柔性化生產。

WCS在車身地面運輸方面主要應用在車身總拼焊裝線的高速輥床上，如圖9所示。車身總拼線采用WCS為高速滾床定位，主要是利用WCS能夠快速精確定位的特點。由于車身總拼線復雜且昂貴，整車廠通常選擇只建一條柔性化高速總拼線的方案。這就要求車身在各工位之間的運輸快速、準確、一步到位。目前，在生產節拍超過45JPH的總拼線上，應用WCS定位的高速滾床已經非常普及。

6、全自動電鍍生產線

另一個凸顯WCS獨特優勢的應用場景是全自動電鍍生產線上的輸送吊具。如圖10所示。

電鍍車間的環境空氣中難免存在有毒、有害、腐蝕性的氣體，對于定位傳感器的抗腐蝕性能是很嚴酷的考驗。長期的應用實踐證明WCS的碼帶和讀頭在這方面表現卓越。

四、結論

綜上所述，德國倍加福公司（Pepperl+Fuchs）的數字化定位傳感器WCS廣泛適用于長鋼軌程控群吊、集裝箱吊裝設備，為“一帶一路”建設服務；廣泛適用于數字化工廠倉儲的行車、智能化立體倉庫的堆垛機、車身機械化運輸設備、電鍍生產線等嚴酷環境下的吊具等，為智能制造、制造業高質量發展提供高速、精確、可靠的數字化定位手段。