基于变频定位技术的无线全自动巷道堆垛机系统

张卓 张大明

（哈尔滨电气集团阿城继电器有限责任公司，哈尔滨 150090）

1 巷道堆垛机系统结构概述

1.1 机械设备结构

1）堆垛机主体，它由上下两个横梁和一个立柱作为主框架，整体移动时则代表开始“列”的选择。

2）货叉机构，货叉可以理解为收取货物的一个机械手抓，它在堆垛机主体静止时，可以上下移动，代表“行”的选择，并可以向立体库内部伸出，进行取货、放货操作。

3）电气控制柜，所有电气元件安装于控制柜中，并随堆垛机主体进行左右移动。优势在于正台堆垛机供电线路只需一根电源线即可。省去了为固定控制柜而必须在控制柜和设备本体之间必须架设的繁琐电缆及移动电缆拖链。

4）立体仓库单元，所有货品承与标准的货物箱之中，放置于立体仓库单元内。

5）入库承接机构，气缸驱动，用于在输送带上托起货物箱等待堆垛机货叉收取。

6）出库承接机构，气缸驱动，用于接收堆垛机货叉上的货物箱，并放置在输送线上使货物箱传输至下一位置。

7）辊筒传输线，用于传输货物箱进出。

8）货物箱，外侧粘贴有RFID电子标签，货物箱外形相同，不同的ID值及货物信息存储在电子标签内部。

1.2 控制系统结构

1）主控机，操作者通过连接在主控制上位 PC机（下称主控机）上的RFID读写器，将信息写入货物箱上的空白电子标签中，再通过人机交互程序，操作堆垛机及立体库的入库，出库等操作。

2）无线网络，操作者的命令及设备状态信息均由无线Zigbee网络相互传输。

3）堆垛机系统，有一台主PLC通过modbus控制两台变频驱动器，进而驱动平移与升降两台普通三相异步电机，通过PLC高速计数器接收到的编码器返回值，实时纠正modbus发出的方向，速度等指令达到高效率，高精度定位。

4）传输线系统，一台PLC通过zigbee接入网络。完成操作控制与状态传输。

2 无线Zigbee技术的体现

2.1 Zigbee技术特点

在本套系统中，无线部分采用的是进口模块产品，省去了繁琐的通信电缆铺设、大大提高了系统无线通信部分的稳定性。该产品核心采用Zigbee无线通信技术，其相比以往同类技术，具有以下特点：

1）基于IEEE802.15.4标准的无线私人局域网（WPANs）。

2）价格低廉，专为低数据传输设计。

3）可组织网状网络，广泛应用于工业控制，嵌入式传感器，医药医疗，智能家居等诸多行业。

4）采用主从结构配置。

5）工作频段2.4GHz。

连接主控机的Zigbee主机型号为zb-2550（HOST），连接PLC的Zigbee从机型号为zb-2551(SLAVE)。他们允许RS485或RS232接口的接入，将其转化为 Zigbee无线网络信息。在同一个网络中必须只有一个主机，用于初始化和管理数据传输路线。从机负责从主机或者路由器中发送、接收数据。本系统传输距离小于模块标称距离（100m），所以没有选择路由中继器。模块原理如图1所示。

图1 Zigbee模块原理图

2.2 工作模式

标准的Zigbee模块提供一共四种传输模式：透明模式、modbus模式、选址模式、和IO模式。

1）透明模式：此时主站和所有从站模块类似路由器传输数据，设备主机由无线主站发出的信息，会被所有无线从站接收，并反映到设备从站之中。一帧的最大数据是200字节，原始数据被分解为许多小数据包，每个数据包为50个字节。

2）modbus模式：基于 modbus协议的无线传输，适用于原始数据大于50个字节的情况。并且原始数据不会分解为小数据包，一帧最大数据是200字节。

3）选址模式：原始数据不会被分解为小的数据包，一帧最大数据是200个字节，比较适合没有地址的设备从机，如条形码阅读器。连接无线从站后，即可获得一个从站地址，由主机选址进行数据传输。从站不会收到主站发给其他从站的信息。

4）IO模式：比较适用于传输距离长，网络拥有许多中继器的情况。网络本身多层传输，并应用到DCON或modbus协议。这个模式就类似选址模式发送数据给相应从站设备，而其他从站不会响应。

2.3 配置及协议

本套堆垛机控制系统采用的是选址模式：

1）主控机侧：控制器为一体电脑，Zigbee主站模块占用一个串口，波特率均为115200，N，8，1。无线模块节点ID=0000，PAN-ID=FF00，RF信道为9。当控制器发送ASCII码指令“0004(ID)+11+行号+列号”为启动入库功能的指令、发送“0004(ID)+12+行号+列号”为启动出库功能的指令等等。从机返回的指令，按照规定协议实时显示在电脑屏幕上。

2）输送线侧：控制器为PLC，Zigbee从站模块占用一个串口，波特率均为115200，N，8，1。无线模块节点ID=0003，PAN-ID=FF00，RF信道为9。协议格式见表1。

3）堆垛机侧：控制器为PLC，zigbee从站模块占用一个串口，波特率均为115200，N，8，1。无线模块节点ID=0004，PAN-ID=FF00，RF信道为9。协议格式见表2。

表1

表2

2.4 小结

如上所述，主机侧的协议，可以控制从机设备的各个工作的开展，即任务下达；从机侧的协议，可以实时提现该设备当前的状态以及故障信息等等。程序操作均为串口，这里不做过多阐述。

3 PLC变频定位功能

堆垛机两自由度货仓选择，是控制的核心部分。如何达到高效率、低振动、高精度是整套系统的关键。众所周知，普通直角坐标系统，通过交流伺服或步进电机可以实现类似功能，但对于即使最普通的立体式仓库而言，动辄几米或几十米的行程，任何品牌的上述电机加上传动机构，采购价格都会让设计厂家望尘莫及。怎样能用最低的成本，达到理想的效率、精度及稳定性呢，本系统采用的电机为普通的三相异步电动机，通过外加旋转编码器、变频器调速以及PLC的定位功能，以实现上述功能。

3.1 原理

架构系统采用omron品牌的CP系列PLC，通过PLC内部的位置偏差计数器，执行反馈控制，实现通过变频器进行精确的定位控制。在偏差计数器中，自动计算来自内部计算脉冲数和旋转编码器的反馈脉冲数之位置差，运用modbus变频器速度指令，使位置偏差始终为零。

以往对于此类架构的控制方式，一般都是通过编码器检测出到达设定位置附近时，开始降低速度，在到达位置时停止电机。但在高速运动中停止，对于此类感应电机，大多产生定位偏差，造成停止精度不良，而延长减速时间缓慢停止，又会使定位时间变长，无效率可言。而本系统选用的PLC变频定位功能，通过反馈脉冲始终掌握当前位置，实时修正，提升了定位精度，缩短了定位时间。即使在静止情况下，任何外力施加移动电机的力，控制器都会自动产生相反的力矩用于消除位置偏移。使电机继续静止。

3.2 参数匹配

不同的传动系统，精度要求与响应特性等各不相同，想让PLC准确了解传动构成，需要仔细配置功能参数。

增益：设定值乘以 0.1。默认10×0.1=1为斜率为1的直线。偏差计数器当前值乘以增益数据，作为传递给变频器的输出速度指令。功能为放大偏差信号，使控制更加灵敏。但增益过大会使响应过快，产生震荡。

In-position范围：即“位置到达范围”，目的位置与实际位置的差值。电机到达此范围内时，随即停止至偏差计数器的脉冲输出，并且偏差计数器当前值在进入位置范围内时，A26.03标志为1。此参数越小，电机定位精度越高，但是容易产生反复抖动现象（由于惯性而无法到达目的位置）。

最小输出值：变频器与步进或伺服驱动器不同，低速输出时可能会出现没有电机动作，不同的变频器有着不同的无输出频率。设置此参数，使偏差计数器脉冲很小时也能驱动电机旋转。

最大输出值：原理同上，防止速度过快产生意外。

错误计数器溢出：指旋转编码器行程超出设定值保护。

编码器旋转一周的分辨率：指所安装的旋转编码器精度指标。

3.3 小结

通过以上设置，在PLC编程中可以与步进电机编程相同，通过脉冲个数决定电机运动位置，通过脉冲频率决定电机运动速度。实际上脉冲并不是直接从PLC通用输出口输出的物理脉冲信号，而是将脉冲发送给PLC内部的偏差计数器，偏差计数器经过同内部高速计数器采集的旋转编码器位置的比较，产生实际控制的速度及位置数据，在PLC串行接口中经由modbus下达给变频驱动器。

4 基于PLC的Modbus简介

上述PLC的变频定位功能，最终输出数据流给变频驱动器，此数据流跟据变频定位功能描述可分为两种：模拟量输出和串行通信输出。模拟量输出要求PLC必须配备模拟量输出端口，并且模拟量容易受到外界干扰产生电机速度跳动，所以本控制系统采用的是PLC串行通信输出，协议为Modbus。

物理连接只需将PLC于变频器通过RS485结构双绞线连接。在PLC侧，串口配置为“串口网关”波特率默认9600，7，2，E。PLC的“modbus-RTU简易主站”功能将数据寄存器区域固定分配。包含从站设备地址、功能、数据等字节。发出modbus-RTU指令时，接收的应答信息被自动保存到固定的数据寄存器区域。

在变频驱动器侧，需要设置的几个主要参数如下：

1）波特率默认：9600，7，2，E。同PLC的设置必须相同，才能建立通信连接。

2）运转指令选择：RS485。一般变频器默认运转指令为操作按钮。

3）频率指令选择：RS485。一般变频器默认运转频率为操作按钮或者旋转电位器。

4）加减速时间：0s。变频器普通使用时，加减速时间是必须设置的参数，以达到电机稳定加速及减速。但由于应用了PLC的变频定位功能，加减速时间都是由不同的目标位置、当前速度、不同的阻力大小等因素共同决定的，是由PLC的运算结果通过modbus来表达，故变频器中设置数值应为“0”。

5）通信从站地址：此变频器在串行网络中的地址，需与PLC程序中地址一致。

5 RFID射频技术

堆垛机对立体仓库的进出货操作，是针对货物箱与储货仓位的，储货仓位按照实际位置确定行与列，货物箱的ID与货物信息是储存在RFID射频标签中的。

本控制系统中，每个货箱外侧都贴有 RFID射频标签，其中的信息都是惟一的。系统配备有两套RFID读写器，如图2所示。一台连接在主控机上，用于读取或改写某个货物箱信息；另一台安装于输送线的入口处，用于读取入库的货物箱应该存放在第几行第几列。

图2 RFID读写器

选取的读写器指标为：工作频率：13.56MHz；检测距离：6～10cm；标签标准：ISO15693。

6 结论

通过以上技术的应用，使得对于立体仓库的操作变得简单且易于维护，每个进入传输线内的带有RFID信息的货物箱，会自动的被系统识别，在传输线的入库承接机构上缓停，等待任务空闲的堆垛机将其取走并放置于对应的仓位之中。将要出库的货物箱，经远程电脑的鼠标点击，或由调度运算自动产生，都可以通过无线网络下达给堆垛机，在任务空闲时将准备出库的货物箱从立体仓库中取出，并通过传输线运送至需要的位置。