智能模型在行李控制系统垂直升降机中的应用

孙勇　吕霄霄　田海东

摘 要：将垂直连续输送机引入行李控制系统，并结合速度模型、跟踪模型和参考模型，有效控制行李在连接输送过程中的间距，进而提高系统的稳定性。在此基础上，结合系统的实际运行情况，及时预测其与模型之间的偏差，发现和判断系统存在的故障，大大提高系统的可靠性，降低系统的运行成本和维护成本。

关键词：行李控制系统；垂直连续输送机；速度模型；跟踪模型

中图分类号：TH222 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.076

连续升降机是利用电机拖动4条等长的同步带，拖动固定在同步带上的托盘做连续周期性运转。其主要有节省空间、输送高效和流量稳定等特点。

电机是主要控制对象，控制指令主要是启动＼停止＼方向选择，根据需要还可增加速度选择（或者是设定速度值）。这些控制都是为了实现控制输送机的运行，以此来输送行李，并达到系统所需的功能和性能。

1 系统功能

1.1 输送机基本控制行为

输送机基本控制行为包括渐停、节能和堵塞等。

1.1.1 渐停

渐停常发生于上下游输送机接口之间，下游输送机不具备接收行李的条件，而上游输送机却有行李需要输送至下游输送机，则行李会在输送机的末端位置等待，终止输送动作。一旦下游输送机具备接收行李的条件，将会重启行李传送过程，等待的过程就是渐停的过程。

1.1.2 节能

为了节约能源，当输送机上没有行李需要输送，输送机运转超过输送机长度时，就可以停止输送机的运行，以节省能源，直到上游发出请求发送行李信号时，再将其复位。

1.2 流量控制

为了保证系统的稳定性，实现行李在输送机之间的同步传输，就必须严格控制行李之间的距离。其控制方式主要有2种，即间距控制和窗口控制。间距控制就是控制第一个行李的末端至第二个行李前端之间的距离；窗口控制则是控制2个行李前端之间的距离。

1.3 跟踪

在很多场合，当为行李选择必要路径时，就需要赋予行李相应的信息，并且使信息与行李的运动保持一致，即为跟踪功能。

2 系统性能

2.1 处理量

一般情况下，以1 h为单位计算此时间段内通过系统的行李数量。选择1个测量位置，当系统运行后，用第一个行李经过测量点与最后一个行李经过测量点之间的时间除以行李数量减去1，即为处理量。该性能体现了系统的处理能力。

2.2 处理时间

选择整个控制系统的起始点和控制系统的最远点，从行李导入起始点开始计时，当行李到达最远点结束，两者之间的时间差即为行李的一般输送时间。

2.3 故障率

故障率的类型和数量可以表现出系统可能存在的隐患。

3 基本设计

整个系统控制的基础就是输送机运转的速度，用v来表示，单位为m/min；楼层之间的高度差为H，单位为m；处理量用C来表示，单位为pcs/hour。假设2个托盘之间的间距为l，单位为m，即可以得到托盘之间的间距：

. （1）

楼层之间需要的托盘数为：

. （2）

输送机的速度在30～60 m/min之间，而处理量则在900～1 300 pcs/hour之间，结合式（1）和式（2）可得到图1.

图 1 不同速度在不同处理量情况下的托盘头与头之间的间距

由图1可知，当速度一定时，如果处理量越大，托盘之间的间距就会越小；当处理量一定时，速度越大，托盘之间的间距就越小。将其反映到托盘数量上，则可以得到图2所示的曲线。

图2 不同速度在不同处理量情况下的托盘数量

由图2可知，当速度相同时，处理量越大，托盘的数量就越多；当处理量相同时，速度越快，托盘的数量就越少。

3.1 速度模型

时间是用来实现系统功能的基本控制变量，但是，每一个输送机的速度，启动＼停止时间特性都不同。因此，通过时间是无法精确描述控制对象和过程的。鉴于此，建立输送机的精确运动模型，能有效地实现控制功能，并且这也是建立其他模型的基本条件。所以，要引入速度控制相关的关键变量，并建立其精确的速度模型。

3.1.1 匀速运动分析

设稳态速度为V，则连续时间变量的速度公式是：

s=Vt. （3）

然而，PLC是无法连续运算的，所以，只能将运算过程离散化。PLC能处理的最小时间单位为系统的扫描周期△t（k），假设匀速过程速度是恒定不变的，用v（k）表示，则每一个扫描周期输送机所运行的距离为：

Δs（k）=v（k）×Δt（k）. （4）

3.1.2 加速过程分析

用稳态速度计算速度模型结果不够精确，特别是当输送机频繁加减速时，会使得模型与实际对象之间的误差在每次起停过程中累加，进而导致控制出现偏差。因此，在建立速度模型时，要考虑加速过程和减速过程等相关因素。

假设加速是不变的，用aacc表示，速度v从0增加到恒定值V，则加速过程的速度变化为：

. （5）

已知输送机的恒定速度，则可将式（3）转化为：

. （6）

通过测量可得输送机加速过程的距离，由式（4）可以得出加速过程的时间为：

. （7）

将CPU的扫描周期作为采样周期，则当前扫描周期输送机的速度为：

v（k）=v（k-1）+a×Δt（k）. （8）

由此可知，加速过程的位移公式为：

. （9）

在PLC运算的过程中，为了提高控制精度，要考虑每次速度运算的除法运算余数，否则也会因为余数的累加导致运算与实际对象产生较大的误差。每一个扫描周期触发运算的余数为δ（k-1），因此，可将式（4）和式（9）转换为：

Δs（k）=v（k）×Δt（k）+δ（k-1）. （10）

. （11）

将每一个周期的位移值累加起来，就可得到最终的位移模型，即：

. （12）

为了更加精确地描述输送机运行的模型，在垂直输送机的从动轴上安装了1个脉冲发生器，脉冲发生器的脉宽要大于CPU的扫描周期。假设脉冲发生器的1个脉宽对应的垂直输送机的运行距离是β，则定义1个采样周期，假设是n个脉宽，则确定了采样周期为nβ。在一次采样开始时记录下位移值位

，则在nβ时刻记录下位移的值为△s（j），

经过对比可得：

. （13）

在式（13）中，j>i.

如果最终得到的值小于设定的百分比范围，则将nβ作为此次运算的位移。

3.2 跟踪模型

从实际对象分析，每一个托盘就是1个数据位置，其中，包含的信息有位置信息、行李信息，所以，可将其定义为：

. （14）

式（14）中：a1为位置信息；由式（12）得，a2取值为1或者-1（不能使用0，因为当没有输入、写入时，数据中的值为0），-1表示空托盘，1表示已经被占用。因此，1个托盘的向量信息可以转换为：

. （15）

式（15）中： ；a2（k）在托盘被导入位置

的传感器检测到时，写入-1，则表明它是1个空托盘，如果有1个行李导入时，则会将a2（k）赋值为1，表明已被占用。当系统中有n个托盘的时候，则会有n个向量组合成1个矩阵，即：

. （16）

式（16）中的变量都是根据k变化的，其中位移的最小值是设定的起始位置，可能出现的情况有0或者是负数，要根据导入位置和生成托盘数据的位置来确定。

最大值为系统的高度H，当有1个数据超过H时，则表示溢出。如果a2值等于1，则要将1个传感器安装在垂直输送机的末端，用来确认跟踪对象是否存在；如果在设定的范围内检测到1个物体，则表明跟踪成功，并将其数据传递至下一节输送机。

3.3 参考模型

在上述内容中，建立了输送机的精确速度、位移和跟踪模型。为了有效地控制系统运行，需要比较这些运算变量与实际参数，预测系统故障，实现闭环控制。其控制的基本框图如图3所示。

图3 参考模型控制框图

在此过程中，主要故障识别包括以下几部分。

3.3.1 托盘检测

由式（16）中托盘的位置信息可知托盘间距，则：

Hi=ai1-a（i-1）. （17）

式（17）中：0

在设计中，托盘之间的高度差为H，则：

≤α%. （18）

式（18）中：α为设定的误差允许范围。如果期在误差范围内，则表明托盘之间的间距正常；一旦超过这个范围，则表明其可能存在以下2种情况：①Hi>H×（1+α%），传感器漏检测到托盘，导致托盘之间的间距过大；②Hi

当有行李等待导入时，如果发生了第二种情况，则不允许导入。因为在第二种情况下，这可能是1个虚假的托盘。

3.3.2 行李长度检测

已知系统中托盘的长度，则每一个行李的长度必须要小于该长度。当行李进入系统时，要利用光电开关计算行李的长度，并在其等待导入时，利用光电开关检测行李的长度，如果发现行李的长度超过托盘长度，则不允许导入；如果显示超长故障，则不允许导入。

3.3.3 行李跟踪丢失

在垂直输送机的末端位置安装光电开关，测量确定光电开关的具体位置。一旦发现系统中有1个行李要到达光电开关位置时，则开始判断是否在误差允许范围内检测到行李，如果没有检测到行李，则存在行李掉落的可能。针对其他情况，要在特定的位置安装传感器检测行李，如果被触发，则立即显示故障，比如，行李掉落至垂直输送机的底部等。

4 结束语

文中所述模型已经被应用在了机场的行李控制系统中，但是，仍然会有一些尚未预测到的情况发生，进而导致故障发生。因为垂直输送机是系统中的关键设备，一旦发生故障，不能及时恢复，将会降低系统的运营性能。因此，要在其使用过程中，收集更多的数据，在已经建立的模型基础上，进一步优化模型和算法，使控制更加精确，能更加有效地预测故障发生的可能，及时将相关情况反馈给操作人员，以确保系统的稳定运行。

〔编辑：白洁〕