堆垛机实时控制系统优化设计

朱建红，顾菊平，吴 晓，陈 娟

（南通大学 电气工程学院，南通 226007）

堆垛机实时控制系统优化设计

朱建红，顾菊平，吴 晓，陈 娟

（南通大学 电气工程学院，南通 226007）

1 问题提出

立体仓库三维空间如图1所示，堆垛机存取货地址通常以层、排、列区分，原系统沿X方向与Y方向机械传动由两台三相交流电机拖动，实现到位操作，电机在每次存取操作时都以固定最高频率运行，运行频率采用面板输入，原控制系统虽然达到了效率优先。但是基于以下三点不足，有必要对系统进行优化设计。1）两方向都以最高速度运行，不利于节能。2）系统通信采用PPI点对点串行通信，网络扩展。3）由于惯性作用，堆垛机在极限位置易冲出轨道，可控性差。

图1 仓库三维示意图

2 系统优化方案设计

系统设计遵循效率优先、节能兼顾原则，从动态频率给定方案，下位机PLC控制系统及监控网络等方面进行模块化优化设计。

2.1 动态频率下合成轨迹模型研究

图2 机械手运行轨迹示意图

图2展示了两方向电机运行在不同速率下的轨迹差异：1）为两电机以先后次序一定速度运行的轨迹。2）为两电机都以最高的相同速度同步运行，机械手先以合成的45度角运行，然后进行X方向或Y方向的单方向运行，轨迹如A-B-C所示。3）为两电机都以不同的频率同步运行，两速率比例不同导致最终合成轨迹也有所差别，轨迹A-B(B/)-C就是其中一例。原系统固定速度运行的合成轨迹如图2中（2）所示。

图2在第（3）种情况下，如果在动态频率给定时由X方向与Y方向所要行走路径之比来确定两方向的频率比值，同时忽略交流变频特性如图3所示的启停二次曲线特性带来的误差，则合成轨迹可以理想化的逼近直线A-C。

2.2 系统动态频率可行性方案设计

系统动态频率给定设计从变频数值设计，能耗分析，货位寻址，频率给定方式及途径，误差分析等方面进行可行性设计。

2.2.1 频率数值分析与设计中的每个元素代表一个库位，现要将货物从（xa，yb）（设为图2中点A）搬运到点（xc，yd）（设为图2中点B），从效率优先考虑， 两方向同步运行情况下，如果同步到达终点，那么控制每次存取操作总时间问题实质就是控制其中任一方向电机耗时最短问题。

图3 变频特性曲线示意图

系统从S型曲线的构造进行研究，分析移动距离与变频速度之间的关系。图3中斜坡上升段直线BC与曲线段AB、弧线CD分别相切，延长BC直线与最大频率运行线及时间轴相交于点M、N。在实际面积计算时，由于启动时间很短，近似阴影ANB的面积与CMD的面积相等， S曲线的面积简化为一梯形面积求取。

2.2.2 能耗分析

图4 PLC程序优化梯形

2.2.3 频率给定方式与途径

系统接收到货物调度信息时，首先结合当前所要存取货物的种类及系统不同的存取功能需求，如：定位存取、随机存取、分类存取、就近存取等，根据现场立体仓库货存情况及堆垛机运行状态监控结果。通过SQL Server对货位实时数据库进行动态分析，由可取货物信息及可放货位信息，给出目的取货与放货地址，然后根据当时堆垛机层排位置(x1－y1)，由目标位置寻优函数min| (y2－y1)2＋(x2－x1)2|进行最优目的位置查询，决定货位分配目的层排(x2，y2)。

针对每次存取货位置不同的情况，频率由上位机根据位置信息动态给定，下位机接受控制信息，通过PLC程序实现可靠传动，方案设计了能够实现各方向运行频率动态给定的通信网络，由USS通信协议提供技术支持[2]。

2.2.4 误差分析

系统频率设置由于近似交流变频特性的启停二次曲线特性为斜坡上升曲线，实际轨迹只能近似接近图2中（3）直线A-C。位置传感器的设置解决了准确到位问题。

图5 变频参数传输网络拓扑示意图

2.3 PLC程序设计

电机运行的频率、方向都在系统运行过程中根据不同起点与终点位置动态设置，由上位机通过PLC中间存储单元发送，逻辑控制系统优化中必须设计如图4所示程序段运行使能、方向与速度全由USS通信控制模块设置（如图6中V20.0、V24.1、V27.0、V25.0、V29.0、VD26、VD40 所示）。

3 通信网络设计

动态设定的变频参数如果以手动方式输入变频器不仅费时费率，容易出错，而且不易连续动态控制，影响运行效率。可靠的通信网络保证参数根据现场需求动态输入。

图6 USS通信协议控制模块

系统构建如图5所示的通信网络进行现场数据传输，上位机通过PC-ACCESS[3]组态S7-200 PLC，构建PROFIBUS-DP现场总线，保证上位机与PLC从站之间的高速数据通信，传输的距离较长，可以满足远程调速的需要。PLC与变频器之间采用USS协议进行数据通信，通过图6的控制模块参数设置，直接控制变频器运行。其中V25.0、V29.0、VD26、VD40用来对两电机的运行方向与频率进行动态设置。这种控制方式的硬件设备简单，不需要使用PLC的输入输出端口，留出的输入输出口可用于其它控制。

这种通信网络可以使上位机同时对多台变频器进行监控，修改变频器的参数，实现多台变频器的联动控制和同步控制。这里使用了两台地址分别为0与1的变频器，所以初始化模块地址设为16#03。

4 现场运行调试与误差分析

系统调试过程分三步走，首先进行系统通信网络的调试，在STEP7环境下硬件测试成功后，通过上位机组态王[4]环境进行参数写入与读取，经过变量类型的准确定义、反复修改与调试，确保数据的成功通信。其次是进行下位机PLC运行程序的调试，根据程序算法流图首先进行程序编写，通过编译后分手动与自动方式进行分步调试，在STEP7环境下通过状态图监视变频器参数数据变化，并修改变量值。最后是上位机动态监控程序的调试，系统经过反复调试与试验，实现了可靠运行。

5 结束语

系统在工程训练实验中心平台运行结果显示：堆垛机在动态速度给定情况下能按设计的最短路径、最快的速度运行至每一终点，由于系统中已设置位置检测信号，所以简化计算S型曲线面积所带来的误差能够通过传感器进行轨迹修正，保证了运行效率，节省了电能。

由于变频输出控制本身为半闭环控制，位置传感器设置完善了系统的功能，两者结合使用会使系统运行更稳定，定位更精确，系统设计成国可在立体仓库相似应用场合推广使用，具有一定的工程应用价值。

[1]孙强, 舒朝君, 等. 变频调速应用及其相关问题讨论[J].机床电器. 2006.

[2]SIEMENS MICROMASTER 440使用大全[Z]. 西门子(中国)有限公司. 2005: 374-376.

[3]PC access Getting Started [Z]. Siemens, 2009: 4-5.

[4]组态王使用手册[Z]. 北京亚控自动化软件科技有限公司. 2001: 388-392.

The optimal design on real-time control system for stacking machine

ZHU Jian-hong, GU Ju-ping, WU Xiao, CHEN Juan

分析固定速度运行控制系统的优缺点，从节能角度提出用USS协议实现频率动态实时控制的优化方案。利用STEP7进行下位机系统可编程逻辑控制程序设计。上位机利用组态王6.5进行变量的实时监测与控制。利用PC-ACCESS进行PROFIBUS系统通信网络的设计。最后通过状态图及程序监控单步调试、上位机离线调试、系统联调，实现系统的可靠运行。

优化方案；逻辑控制；监控网络；可靠运行

朱建红（1971－），女，江苏南通人，讲师，硕士研究生，主要从事自动控制方面的研究工作。

TP273

B

1009-0134(2011)4(下)-0010-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).04

2011-02-22

南通市科技局应用研究项目资助（K2009053）