叉式穿梭车的电气控制系统

2013-10-24余姚市供电局杨立明陈宁华朱鸣晨韩一舜

物流技术 2013年14期

余姚市供电局杨立明陈宁华朱鸣晨韩一舜张苗

1 引言

轨道式导引车（Rail Guide Vehicle，RGV）具有动态移载、运行稳定可靠、成本低等特点，在自动化仓库系统中得到了广泛应用。目前RGV 按运动方式不同可分为环形轨道式和直线往复式。一般地，环形轨道式RGV系统效率高且可多车同时工作，轨道多采用铝合金，相对成本较高；直线轨道式RGV系统通常为单车单轨，通常采用钢轨为轨道，成本较低。随着PLC控制、分布式现场总线、矢量变频调速、激光测距定位等技术的引入，使得RGV能够实现精确绝对认址与平滑调速，从而提升了RGV的起动、运行与制动性能，确保了整个物流系统的可靠、平稳与高效。

针对某电力公司的电力柜存储需求，采用升降横移式立体库的形式开发了自动化电力柜存储系统。在输送机、穿梭车等传输设备的配合下，该立体库系统依靠网络化仓库管理系统，实现了迅速可靠地物品存取管理。本文介绍了该系统的核心组成部分——叉式直线穿梭车（RGV），对其电气控制系统的设计与实现进行了详细论述，展现了叉式直线穿梭车在自动化立体仓库中的应用前景。

2 叉式穿梭车结构组成

直线轨道式RGV 系统通常为单车单轨，叉式穿梭车的硬件组成主要包括行走机构、升降机构、叉取机构，总体结构如图1所示。行走电机通过驱动轴带动车轮，使叉式穿梭车在下导轨上做水平行走；提升电机通过凸轮带动载货台做垂直升降；载货台上的货叉电机驱动货叉左右伸缩。通过上述三维运动可将指定位置的货物取出或将货物送入指定位置。

图1 叉式穿梭车结构组成

3 RGV电气控制系统

3.1 电气控制系统组成

叉式穿梭车的控制系统主要电气元件包括PLC、变频器和触摸屏。RGV的电机采用SEW三相异步电机。其中行走和货叉电机由一台变频器分时控制实现无极调速，而升降电机由另一台变频器实现无极调速。叉式穿梭车具有自动认址、货位虚实监测以及其它自动检测功能。RGV电气控制系统总体结构如图2所示。

系统以Siemens 公司CPU 314-2DP作为控制核心，负责处理从激光传感器测得的距离值、RGV控制方式（自动或手动）、与上位机间的通讯、防撞策略和控制变频器调速和停走方案等。CPU 314-2DP模拟量输出满足无极调速要求并自带24个数字输入和8个数字输出，能够接入激光测距仪的检测信号输入、输出变频器控制，继电器输出模块SM322用于指示灯的输出和电机抱闸等控制输出。

图2 叉式穿梭车控制系统

变频器采用诺德变频器SK520E 具有自动力矩调节功能防止低频力矩不够。实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行并可接入标准PROFIBUS-DP现场总线控制系统。

叉式穿梭车控制系统配备了多种激光测量传感器包括货物检测传感器、货物尺寸检测传感器、激光测距传感器等如图3所示。

图3 LEUZE测量传感器与光通讯器

货物检测传感器采用德国劳易测（LEUZE）专为立体仓库开发的HRTR 46B货物检测传感器具有检测距离远且可调、检测光线强、受检测物体颜色影响小等特点。货物检测可以防止空出库、重复入库等现象的发生。

货物尺寸检测传感器入库输送机上部安装有门架式尺寸检测装置货物入库时可发现货物外形尺寸的超出情况并报警提示操作人员手工处理。固定条码扫描仪安装在尺寸检测门架侧面上用于料箱上的条码扫描对未通过外形尺寸和条形码检测的货物进行报警提示以便操作人员人工处理。

激光测距传感器采用德国劳易测 LEUZE 激光测距仪AMS200进行水平位移检测检测误差可保证在±1mm 刷新速度可达2ms 具有速度/位置测量功能。激光绝对认址方式实现了货位设定的数字化，易于实现精准定位功能，配合可编程控制器的控制算法求得速度设定值并通过变频器进行位置/速度的闭环控制如图2所示。在PLC编程软件STEP7中的激光测距仪硬件组态配置如图4所示。激光测距仪数值读取模块如图5所示。

图4 激光测距仪在STEP 7中的硬件组态

图5 激光测距仪数值读取模块

3.2 系统通讯

整个叉式穿梭车传输系统的数据通讯采用PROFIBUSDP网络，将RGV可编程控制器、激光测距仪、变频器、控制面板触摸屏、上位监控机等连接到PROFIBUS-DP网络中，并为连接在网络上的每个部件都分配不同的总线地址。

此外地面主站需要与叉式穿梭车之间传输RGV的当前位置与目标位置信息。由于本系统为直线往复式导轨因此在RGV车载电气控制系统中加入了无线红外激光通讯器DDLS 200，如图6所示。在RGV与地面主站之间对准的基础上实现两者之间的远红外线光学数据传输并且支持最大数据传输范围500m、最大传输速度200kbps。

图6 红外激光通讯示意图

3.3 RGV定位与速度控制

当RGV接收到地面站或操作面板触摸屏下达的作业指令时，PLC根据作业指令装入目标货位地址，同时通过激光测距器读取RGV当前地址 PLC计算出位移差值△S0。由于RGV的最大运行速度受其机构、电机性能、功率、负载及安全等方面的限制设有最大限速值而RGV的最小运行速度受到负载与拖动力矩等的影响设有最小速度限制，否则低速时就无法拖动和正常工作。为实现RGV平滑调速采用三段式策略对变频器的频率进行动态的线性给定。

启动阶段根据 △S0计算初始运动速度V0。设Vmax和Vmin分别是穿梭车允许运行的最高和最低速度Smin是水平方向相邻货位间距Smax是立库水平方向最大宽度则

其中 f(·)是查表函数即查询事先建立的测距值与速度给定值之间的数学函数曲线。

匀速阶段穿梭车启动之后不断获取当前绝对测距值△S当△S＞0.5△S0即未达到半程之前均保持初始速度运行。

减速阶段当△S≤0.5△S0后开始均减速过程当△S≤0.5Smin后穿梭车以最小速度Vmin运行直到停下。

通过激光定位技术实现了穿梭车绝对认址相比传统的认址片相对认址技术定位精度更高并支持线性连续的速度给定进一步可以通过优化速度控制曲线大幅提高穿梭车的运行性能。

3.4 叉式穿梭车的安全运行控制

为了保证人身、货物及设备的安全叉式穿梭车配备有完善的硬件及软件的安全保护装置并在电气控制上采取一系列联锁和保护措施：

①从基本的电机控制角度各电机均设有过电流继电器对电机进行保护。

②从RGV安全运行控制角度设置了走行端点限位及升降端点限位传感器；设置了走行高速强制切除功能从而防止穿梭车运行至轨道两端附近运行速度过快；设置了升降高速强制切除功能从而防止叉式穿梭车运行至升降两端附近运行速度过快；另外货叉、行走、升降过程均具有逻辑互锁功能确保货叉动作时禁止行走、行走中货叉禁止动作、货叉动作中禁止高速升降。

③从出入库操作安全角度为防止空出库、重复入库等现象的发生设置了对货架上货位、入出库位置上的货物检测传感器为防止货物尺寸与欲入库货位的尺寸不符设置了货物尺寸检测传感器为防止货物坍塌情况的发生叉式穿梭车上设置了货物坍塌检测传感器还设置了松链检测传感器以检测松链情况的发生。

④从安全报警角度，叉式穿梭车控制盘上设置紧急停止按钮以备在非常情况下切断叉式穿梭车电源，设置有异常状态下的声光报警装置，并用指示灯来指示叉式穿梭车工作状态。