有色金屬倉庫行車自動化控制系統研究與開發

劉仲敏

(上海海事大學經濟管理學院，上海 201306)

0 引言

某港口物流公司的主要業務涵蓋國際貨物代理、倉庫堆存、重大件貨物接運、物流管理軟件開發等全方位物流業務。在物流過程中，倉庫系統尤為關鍵。行車(橋式起重機)作為倉儲系統中重要的搬運、堆垛工具，已廣泛應用于現代化車間、生產線、倉庫等領域[1-3]。

傳統的橋式起重機主要依靠司機駕駛或手柄操作，定位精度低、自動控制性能差[4-6]，不能滿足機械設備信息化和自動化的需要。本文提出了行車自動化改造方案，采用開放式通信接口及單片機控制應用相結合[7-9]，通過在X、Y方向的電機上安裝變頻器實現變速平穩運行，通過激光定位傳感器實現定位，并通過以太網和RS-485完成上位機、工控機以及單片機系統之間的通信，最終實現倉庫無人抓取。

1 行車作業自動化控制系統結構

1.1 需求分析

某港口物流有色金屬工廠原來通過操作員在駕駛室中控制行車運行，而自動運行行車主要通過操作人員在上位機終端發送指令實現。天車接收到指令后，能夠確定目標有色金屬的位置并進行抓取，并根據目標位置自動分析行駛路線，自動行駛至目標位置后松開液壓爪釋放貨物。為了確保無人操作時天車能夠安全、穩定運行，行車的自動運行需要滿足以下需求。

①運行平穩。

行車自動運行要求啟停平穩、調速范圍廣、加減速線性。由于行車與下方液壓爪之間采用鋼絲繩連接，在自動運行過程中，通過變頻機調節在行車啟動和停止過程中保持運行平穩，保證液壓爪在啟停過程中減少液壓爪的擺動，降低事故發生的概率。這樣可以保證行車根據距離合理調節速度，既提高了運行效率，又可確保液壓爪擺動量在允許范圍內。

②定位精確。

改造前，工廠內部劃分成多個區域，用來存放有色金屬板塊。每個區域可以堆放兩到三堆有色金屬。改造后，對工廠地面進行重新規劃，劃分成若干正方形區域。有色金屬坐落在每個正方形方格中間，方便自動抓取時定位。每堆有色金屬板堆放四捆有色金屬，每捆有色金屬的長寬為1.5 m×1 m，質量約為1.5 t。液壓爪每次搬運1～2捆有色金屬。由于每堆有色金屬以及每捆有色金屬之間距離較短，為了實現穩定、高效的自動抓取并使得有色金屬板擺放整齊美觀，對定位精度的要求較高。

③開放的通信接口及單片機控制的應用。

自動化包含自動定位和自動運行(貨物抓取)。自動定位要求行車能夠實時讀取自身位置坐標信息。自動運行要求當目標貨物位置(行、列、層)確定后，行車控制系統能夠計算出目標位置在存儲區域的絕對坐標，并結合存儲區域的當前存儲狀況動生成運行路徑；路徑生成后，行車控制系統驅動電機完成自動運行。

④故障解決。

電氣裝置中，無法避免在運行過程中出現故障，如斷電、貨物摔落等。在發生這些突發問題后，行車要能保證電氣設備的安全，緩慢停止或回到出發點。

1.2 系統結構設計

根據課題目標，繪制倉庫行車自動化運行系統拓撲圖，如圖1所示。

圖1 倉庫行車自動化系統拓撲圖

由圖1可知:上位機位于倉庫貨物出入口處，與公司內網連接；公司內網通過WebService接入公司的倉庫管理系統(warehouse management system，WMS)；上位機、內網、倉庫管理系統之間為雙向通信。自動運行時，操作員通過手持終端下達抓取貨物的指令。指令通過云服務器傳達給倉庫管理系統。倉庫管理系統再通過內網向上位機下達對應指令。指令為JSON格式。上位機解析后，通過無線路由將消息傳遞給位于液壓爪上的工控機。工控機中運行著行車自動運行的主控程序，并且接收工控機上傳感器的信息。工控機通過RS-485與單片機模塊交互。單片機接收工控機傳來的信號后開始控制變頻器以及行車上各個組件開始運行。行車將有色金屬抓取到倉庫貨物出入口處，通過條形碼掃碼器掃描核對抓取貨物的正確性，并將信號反向傳遞給WMS更新數據庫。當將行車切換至通過手持遙控器進行控制時，則部分傳感器停止工作，通過操作員控制將貨物搬運至固定位置。

2 行車系統硬件設計

為實現行車的自動運行和貨物的自動抓取、行車位置檢測與定位、機械驅動、數據傳遞與存儲等功能，需要設計一整套完整的硬件[8-9]。倉庫行車自自動化系統硬件設計如圖2所示。

圖2 倉庫行車自動化系統硬件設計圖

針對圖2，本文將硬件部分分成四個部分，分別集成在四個工控箱內。1號控制箱內設有上位機，上位機上配有液晶顯示屏，主要負責出入庫操作和遠程倉庫管理系統的通信以及指令轉發。2號控制箱內設有工控機并連接自動運行中所需的傳感器，用于接收上位機傳遞的指令以及主控制程序的運行。3號控制箱內設有設計好的I/O端子排。I/O端子排的核心控制器是單片機。單片機主要負責行車電氣設備的控制，如變頻器和限位開關等。4號控制箱內裝有變頻器與電機間必須的接觸器等硬件設備(由于不涉及主要控制作用，后續不作過多介紹)。

通過上述的設計，需要對現有行車系統進行電氣改造。倉庫行車自動化系統電氣回路如圖3所示。

圖3 倉庫行車自動化系統電氣回路圖

由圖3可知，整個回路由主電源供電。主電源為三相380 V交流電源。行車系統供電由手持遙控器控制電源通斷，可以保證及時、有效地供、斷電。運行系統主要包含了主控制系統模塊、單片機控制系統模塊、限位開關模塊、電機模塊以及直流電壓模塊等。

主控制系統模塊是整個行車自動運行系統的核心模塊。主控制系統主要包含一臺工控機、各種通信端口和所用到的傳感器。工控機運行行車行駛主控程序。當主控制系統通過WiFi接收到運行信號后，首先對信號進行解析，確定搬運動作以及具體操作整個行車運行的動作。

單片機控制系統的核心控制器為單片機。單片機運行通信程序用于控制變頻器、接觸器、兩個限位開關以及光電定位模塊等。它通過RS-485串口與主控制系統進行通信，在接收到主控制系統發出的控制指令后，通過單片機控制變頻器、接觸器來控制行車的啟停以及速度。

限位開關模塊中包含兩個限位開關。當行車運動到第一個限位點時，正常情況下，繼電器斷電，行車停止行駛。當系統出現故障，導致行車未停止到達第二個限位點，整個系統會斷電強制停止。這樣可以保證行車安全運行在設計的區域內。

電機模塊主要包含了四個電機，分別為X、Y方向上的運行電機以及起重電機和液壓電機。本文在X與Y軸電機上分別添加了變頻器，既可減緩行車在運行過程中的造成貨物晃動，又可實現行車運行速度的改變。起重電機和液壓電機分別起到貨物升降以及貨物夾緊的作用。

由于倉庫中提供的電源是三相交流電源，需要先通過380 V/220 V變壓器，然后通過交流-直流(alternating current/direct current,AC/DC)轉換模塊將其轉換成12 V直流電源，并對工控機供電。

3 行車系統軟件設計

行車的自動定位是指當行車啟動且滿足自動運行的條件時，通過傳感器將行車的X、Y方向上的坐標信息實時傳遞給工控機。當上位機接收到遠程指令后，將指令傳遞給工控機。通過分析目標位置的坐標信息，自動計算行駛路徑并通過起始位置計算行駛速度，并將每段速度通過RS-485通信接口發送給單片機；由單片機控制變頻器速度給定，從而保證行車高效、安全、準確地運行。

起升液壓爪自動運行通過拉繩傳感器和激光測距傳感器聯合作用，保證在Z軸方向上的精準抓取；并且結合壓力傳感器和稱重傳感器，能夠大幅提升抓取準確概率。行車系統軟件設計如圖4所示。

圖4 行車系統軟件設計圖

4 行車距離與速度函數關系

在行車運行的不同階段，使用變頻器控制行車速度。對于橋式起重機而言，由于啟停點位置的不確定性，在不同的距離起重機會產生不同的加減速曲線。加上起重設備的軟連接，需要針對不同的距離制定加減速計劃來保證行車的平穩。當上位機發出當前作業的起始位置和目標位置坐標時，工控機通過比較兩者間的距離，選擇合適的距離與速度的函數，計算加速、勻速、減速各個區間段的時間點以及時間長度。通過單片機來控制變頻器，實現精確到達目標位置和調速的目的。

當操作員輸入目標位置時，系統立刻根據此時的起止位置計算出最佳路徑、每段區間的速度和換速點位置。工控機以每秒一次的頻率向單片機實時通信。單片機根據通信信息實時調整變頻器的頻率，從而控制行車的速度。行車距離與速度關系如圖5所示。

圖5 行車距離與速度關系圖

圖5中：橫坐標為起始位置到目標位置的距離。當距離S超過高速行駛的臨界值(8個貨位)時：V0為行車運行的速度，行車從0加速到Vmax需要10 s；當距離位于3～8個貨位時，小車將以中速V1行駛。當距離小于3個貨位時，將以V2速度行駛。V2是保證行車準確停在的最小穩定速度，也稱為爬行速度。其中:S0是保證起重機小車可以準確且穩定行駛到目標位置V2所行駛的距離，稱為停車距離；S1是高速行駛的小車減速到V2所需要的距離，稱為高速減速區；S2為中速行駛的小車減速到V2。行車調速設計流程如圖6所示。

圖6 行車調速設計流程圖

現場行車在得到起止位置后，計算出偏差距離，就可以準確確定S0、S1、S2的距離，由此計算出距離和速度的關系函數。

行車在自動運行時，系統會根據此時與目標位置的距離調整電機的運行速度。本文將變頻式設置成三級調速，分別對應行車初始位置處于高速區、中速度以及低速區。行車行駛的過程中，自動控制系統會將行車的當前位置與目標位置進行比較，再將得到的差值與每段速度的臨界點進行比較，從而將控制電機運行速度在目標范圍內，達到行車到達目的位置、液壓爪的擺動范圍可控的效果。針對倉庫運行一般情況(有加減速過程)設計的行車運行流程如圖7所示。

圖7 行車運行流程圖

從圖7中可以看到，在系統得到初始位置與目標位置時，系統將自動算出加速度、最高運行速度、減速點和爬行速度點。當行車在運行過程中達到固定位置時，由工控機發出對應的指令執行操作即可。

綜上所述，行車運行速度是分段進行的，通過計算行車當前位置距離目標位置的差值來調整運行速度。當行車距離目標位置較遠時，電機高速運行；當行車距離目標位置較近時，行車低速運行。這樣既提高了倉庫自動化搬運的效率，又可以使行車到達目的位置時處于相對穩定的狀態，便于接下來的抓取動作。當行車停止運行時，行車發出運行完成信號，進行下一步操作。

5 行車運行測試

行車運行測試如表1所示。

表1 行車運行測試表

行車在運行的過程中，不斷通過I/O控制板控制速度與方向。而行車的實時位置卻通過傳感器傳遞給工控機，所以在測試的過程中要保持良好的通信狀況。合格的行車自動行駛有以下指標。

①行車X、Y軸可以按照指令方向運行。

②行車X、Y軸可以按照指定速度運行。

③Y軸接近開關能夠正確計數。

④行車X、Y軸可以在換速點正確換速。

⑤行車能準確停止在指定貨物上端。

通過啟動主控程序并設置預留的參數，分別測試入庫和出庫的場景。經過多次測量，可保證按照預期指標實現每一步動作，并保證測量精度在±20 mm內。

6 結論

本文提出了一套適用于倉庫行車控制的改造方案。該方案的主要創新點在于:在硬件方面，對現有的驅車系統進行自動化改造以及傳感器升級，提高了系統運行的平穩度、定位度、抓取準確度；在軟件方面，上位機軟件通過無線自動控制，實現了行車的自動運行和貨物的自動抓取、行車位置檢測與定位、機械驅動、數據傳遞與存儲。系統經過測試運行，大大提高了倉庫使用效率，減少了事故發生概率，為后期與集團倉庫管理系統的對接奠定了基礎。