编码器定位技术在巷道堆垛机系统中的应用

李国洪

摘要：编码器计数与定位技术应用于有轨巷道堆垛机控制系统中，实现了绝对认址，不仅提高了定位精度，又有效地降低成本，提高了堆垛机的整体性价比，是一种可广泛应用于中、低端堆垛机中的控制系统。

关键词：旋转编码器、矢量变频器、堆垛机、PLC、低成本

近年来。由有轨巷道堆垛机组成的自动化立体仓库的应用越来越普及，同时，用户对立体仓库性能的要求越来越高，对价格的要求也越来越苛刻。

为了满足部分低端客户群体对于自动化仓库高性能、低价格的要求，在有轨巷道堆垛机的电控制系统中采用编码器+认址片的定位技术，结合PLC控制、矢量变频器、模拟量控制的应用，实现堆垛机的绝对认址、线性速度调节，提高了认址精度，实现平滑调速的控制性能，整机在实际应用过程中，性能可靠、平稳。其整体控制性能可以和激光测距系统相媲美，但单台堆垛机的电气硬件成本较激光测距系统可降低2～3万元，可以广泛应用于运行速度在120米／分以下的堆垛机控制系统中。

过去，认址片形式的相对认址法的缺点是易出现计数错误，尤其在紧急制动或机械晃量变大时更易出现错误，直接导致取送货位的错误。此外，速度调节不精确，定位时存在欠调或过调现象，其主要原因是速度调节依据以货格为单位。

本文介绍的控制方案中，将相对认址(认址片)的控制系统加入编码器，一是起到绝对认址的作用，二是实现对精确距离值的采集(不再以格为单位)，通过PLC对模拟量输出模块的电流控制，最终达到对变频器频率线性给定的调速过程。下面以某部队仓库为例，对编码器认址系统的堆垛机电气控制进行阐述。

自动化立体库设备构成

该立体库为某部队的备品备件库，平时出库频率不是很高，一年中只有两三个月出入库频率较高。整个系统由14排货架、7台堆垛机、一台RGV输送车、14条出入库输送线及6条转接输送线构成。仓库系统设备构成如图1所示。

1控制系统结构

整个系统采用典型的管理、监控及现场设备控制三层结构。在Server服务器、工控机和终端计算机上运行以下软件，执行不同的任务。

服务器：在服务器上运行管理系统数据库软件，存储所有相关的库位、器材、用户、人员等信息。

库区监控站(工控机)：负责立体库的设备监控、设备调度、通讯管理。

出入库站计算机：运行客户端软件，负责立体库的出入库操作，同时连接1台打印机负责打印出入库报表。

2计算机信息管理系统硬件组成

计算机信息管理系统硬件包括服务器、UPS电源、监控计算机、出入库计算机、打印机、条码设备、网络连接等设备。为保证系统的安全可靠，系统主要设备均选用知名厂家的设备。

3控制软件组成

SAC-WMS：即库存管理软件(标准版)，是一套面向库存管理的数据管理软件，完成存储所有相关的货物、用户、人员等信息的功能。

SAC-WMCS：即监控操作软件(标准版)，含作业和通信管理。监控操作负责接收出入库的任务信息，并进行分解处理后通过网络传递到相应的立体库设备上，同时通过网络采集设备信息对设备进行实时监控。

出入库操作软件(标准版)：出入库操作负责进行出库、入库、查询等日常操作。

立体库入库操作流程见图2。

4堆垛机电控系统组成

针对现有的交流变频调速技术，结合PLC的控制，使用西门子低端PLC$7-200，充分利用其性价比降低电控系统成本，同时采用编码器+相对认址方式满足性能的需求。由于系统中的堆垛机运行速度不高(行走120米／分)，但平滑性较好，通过对交流变频器系统性能的比较，最终选用安川G7系列具有速度反馈的矢量变频器，利用其s形曲线实现堆垛机调速的平滑启停；利用编码器反馈、模拟量速度给定满足堆垛机线性速度调节和精确定位。

同时。通讯功能采用红外线通讯配合现场总线技术，将S7-200 PLC通过EM277通讯模块接入PROFIBUS-DP网络，实现数据的高速传输。S7-300与PROFIBUS总线形成对整个高架库的计算机三级管理模式。人机界面HMI置于出入库端的地面，以遥控方式操作堆垛机。应用西门子公司STEP7编程软件对变频器进行模拟量控制。应用结构化编程设计，编制梯形图。

堆垛机通过编码器定位的实现

在该立体仓库中采用增量型编码器，通过相应的安装方式，将堆垛机的距离值通过编码器转化为相应的脉冲数值。行走编码器直接与PLC的高速计数端子相接，实现行走方向的计数，提升编码器的反馈值先进入变频器的速度反馈卡(PG卡)，实现变频的PG闭环矢量控制。然后通过速度反馈卡(PG卡)的分频端子，将分频后的脉冲信号接入PLC的另一路高速输入端子，实现提升方向的认址计数。

由于要通过编码器来采集堆垛机的实时位置值，为确保采集的准确性。编码器必须安装在适当的位置。如果误差过大。速度调节将出现失调。行走方向的编码器安装在堆垛机行走轮的从动轮侧，装在主动轮时丢转现象十分严重，因此不宜采用。如果要求精度更高时，可以单独铺设一条同步带提高编码器的采集精度。提升编码器装于提升电机尾部，这里因堆垛机高度相对较低，钢丝绳弹性伸缩不明显，计数误差不大。如果堆垛机高度大于10米以上，钢丝绳弹性过大，建议另外加装同步带机构来提高编码器的采集精度。

编码器计数与定位的实现

对编码器脉冲的采集是通过PLC的高速计数器实现的。编码器的A、B相分别接入PLC的高速输入端子。CPU 226 CN支持四路的双相计数器，每路的最高频率是20Hz。在STEP 7-Micro／WINV4.0编程软件中可以使用HSC指令向导配置计数器。完成行走和提升两路高速计数后，即可进行货位地址初始值设定。

堆垛机对作业命令的处理

当堆垛机接收到上位触摸屏或上位计算机发来的操作指令时，根据指令中指定目标的行、列数，PLC将该数据作为指针，调出对应的行、列数的具体编码器的脉冲值，通过对两个数据的比较来判断堆垛机的运行方向。因为所有数值都是数字量的，同时编码器的分辨率很高，因此可以将距离精确到毫米级以下，完全能满足速度的调节要求。

此时的关键问题是对变频的频率实施动态的线性给定。由于目标列距离与当前列距离的脉冲差值会随堆垛机的运行而实时变化，因此将脉冲差值与速度值之间建立起数学函数曲线后，就可得到连续的速度给定值。在堆垛机到达指定目标位后，还可以通过相应位置的认址片做一确认。以加强保护。在连续运行中，程序中要有对编码器产生的累计误差进行校准功能，以确保定位和速度给定的准确性。

通过编码器计数与定位技术在堆垛机控制系统中的应用，实现了堆垛机的绝对认址，相比传统的认址片的相对认址技术，定位精度更高，速度调节方面不再是以格为单位的调节，变成精度高得多的脉冲数值。提高了堆垛机计数的可靠性，也实现了线性的速度给定。通过不断的优化控制曲线或者运用多条控制曲线，可以大幅提高堆垛机的整体运行性能。其成本虽比传统的认址片认址系统略有增加，但与激光测距的系统相比，成本大大降低，同时，在中、低运行速度的堆垛机中的性能不逊于激光测距系统。该系统在几年的运行中，稳定性、效率性均能满足用户的要求，是性价比较高的一种堆垛机控制形式。