編碼器定位技術在巷道堆垛機系統中的應用

李國洪

摘要：編碼器計數與定位技術應用于有軌巷道堆垛機控制系統中，實現了絕對認址，不僅提高了定位精度，又有效地降低成本，提高了堆垛機的整體性價比，是一種可廣泛應用于中、低端堆垛機中的控制系統。

關鍵詞：旋轉編碼器、矢量變頻器、堆垛機、PLC、低成本

近年來。由有軌巷道堆垛機組成的自動化立體倉庫的應用越來越普及，同時，用戶對立體倉庫性能的要求越來越高，對價格的要求也越來越苛刻。

為了滿足部分低端客戶群體對于自動化倉庫高性能、低價格的要求，在有軌巷道堆垛機的電控制系統中采用編碼器+認址片的定位技術，結合PLC控制、矢量變頻器、模擬量控制的應用，實現堆垛機的絕對認址、線性速度調節，提高了認址精度，實現平滑調速的控制性能，整機在實際應用過程中，性能可靠、平穩。其整體控制性能可以和激光測距系統相媲美，但單臺堆垛機的電氣硬件成本較激光測距系統可降低2～3萬元，可以廣泛應用于運行速度在120米／分以下的堆垛機控制系統中。

過去，認址片形式的相對認址法的缺點是易出現計數錯誤，尤其在緊急制動或機械晃量變大時更易出現錯誤，直接導致取送貨位的錯誤。此外，速度調節不精確，定位時存在欠調或過調現象，其主要原因是速度調節依據以貨格為單位。

本文介紹的控制方案中，將相對認址(認址片)的控制系統加入編碼器，一是起到絕對認址的作用，二是實現對精確距離值的采集(不再以格為單位)，通過PLC對模擬量輸出模塊的電流控制，最終達到對變頻器頻率線性給定的調速過程。下面以某部隊倉庫為例，對編碼器認址系統的堆垛機電氣控制進行闡述。

自動化立體庫設備構成

該立體庫為某部隊的備品備件庫，平時出庫頻率不是很高，一年中只有兩三個月出入庫頻率較高。整個系統由14排貨架、7臺堆垛機、一臺RGV輸送車、14條出入庫輸送線及6條轉接輸送線構成。倉庫系統設備構成如圖1所示。

1控制系統結構

整個系統采用典型的管理、監控及現場設備控制三層結構。在Server服務器、工控機和終端計算機上運行以下軟件，執行不同的任務。

服務器：在服務器上運行管理系統數據庫軟件，存儲所有相關的庫位、器材、用戶、人員等信息。

庫區監控站(工控機)：負責立體庫的設備監控、設備調度、通訊管理。

出入庫站計算機：運行客戶端軟件，負責立體庫的出入庫操作，同時連接1臺打印機負責打印出入庫報表。

2計算機信息管理系統硬件組成

計算機信息管理系統硬件包括服務器、UPS電源、監控計算機、出入庫計算機、打印機、條碼設備、網絡連接等設備。為保證系統的安全可靠，系統主要設備均選用知名廠家的設備。

3控制軟件組成

SAC-WMS：即庫存管理軟件(標準版)，是一套面向庫存管理的數據管理軟件，完成存儲所有相關的貨物、用戶、人員等信息的功能。

SAC-WMCS：即監控操作軟件(標準版)，含作業和通信管理。監控操作負責接收出入庫的任務信息，并進行分解處理后通過網絡傳遞到相應的立體庫設備上，同時通過網絡采集設備信息對設備進行實時監控。

出入庫操作軟件(標準版)：出入庫操作負責進行出庫、入庫、查詢等日常操作。

立體庫入庫操作流程見圖2。

4堆垛機電控系統組成

針對現有的交流變頻調速技術，結合PLC的控制，使用西門子低端PLC$7-200，充分利用其性價比降低電控系統成本，同時采用編碼器+相對認址方式滿足性能的需求。由于系統中的堆垛機運行速度不高(行走120米／分)，但平滑性較好，通過對交流變頻器系統性能的比較，最終選用安川G7系列具有速度反饋的矢量變頻器，利用其s形曲線實現堆垛機調速的平滑啟停；利用編碼器反饋、模擬量速度給定滿足堆垛機線性速度調節和精確定位。

同時。通訊功能采用紅外線通訊配合現場總線技術，將S7-200 PLC通過EM277通訊模塊接入PROFIBUS-DP網絡，實現數據的高速傳輸。S7-300與PROFIBUS總線形成對整個高架庫的計算機三級管理模式。人機界面HMI置于出入庫端的地面，以遙控方式操作堆垛機。應用西門子公司STEP7編程軟件對變頻器進行模擬量控制。應用結構化編程設計，編制梯形圖。

堆垛機通過編碼器定位的實現

在該立體倉庫中采用增量型編碼器，通過相應的安裝方式，將堆垛機的距離值通過編碼器轉化為相應的脈沖數值。行走編碼器直接與PLC的高速計數端子相接，實現行走方向的計數，提升編碼器的反饋值先進入變頻器的速度反饋卡(PG卡)，實現變頻的PG閉環矢量控制。然后通過速度反饋卡(PG卡)的分頻端子，將分頻后的脈沖信號接入PLC的另一路高速輸入端子，實現提升方向的認址計數。

由于要通過編碼器來采集堆垛機的實時位置值，為確保采集的準確性。編碼器必須安裝在適當的位置。如果誤差過大。速度調節將出現失調。行走方向的編碼器安裝在堆垛機行走輪的從動輪側，裝在主動輪時丟轉現象十分嚴重，因此不宜采用。如果要求精度更高時，可以單獨鋪設一條同步帶提高編碼器的采集精度。提升編碼器裝于提升電機尾部，這里因堆垛機高度相對較低，鋼絲繩彈性伸縮不明顯，計數誤差不大。如果堆垛機高度大于10米以上，鋼絲繩彈性過大，建議另外加裝同步帶機構來提高編碼器的采集精度。

編碼器計數與定位的實現

對編碼器脈沖的采集是通過PLC的高速計數器實現的。編碼器的A、B相分別接入PLC的高速輸入端子。CPU 226 CN支持四路的雙相計數器，每路的最高頻率是20Hz。在STEP 7-Micro／WINV4.0編程軟件中可以使用HSC指令向導配置計數器。完成行走和提升兩路高速計數后，即可進行貨位地址初始值設定。

堆垛機對作業命令的處理

當堆垛機接收到上位觸摸屏或上位計算機發來的操作指令時，根據指令中指定目標的行、列數，PLC將該數據作為指針，調出對應的行、列數的具體編碼器的脈沖值，通過對兩個數據的比較來判斷堆垛機的運行方向。因為所有數值都是數字量的，同時編碼器的分辨率很高，因此可以將距離精確到毫米級以下，完全能滿足速度的調節要求。

此時的關鍵問題是對變頻的頻率實施動態的線性給定。由于目標列距離與當前列距離的脈沖差值會隨堆垛機的運行而實時變化，因此將脈沖差值與速度值之間建立起數學函數曲線后，就可得到連續的速度給定值。在堆垛機到達指定目標位后，還可以通過相應位置的認址片做一確認。以加強保護。在連續運行中，程序中要有對編碼器產生的累計誤差進行校準功能，以確保定位和速度給定的準確性。

通過編碼器計數與定位技術在堆垛機控制系統中的應用，實現了堆垛機的絕對認址，相比傳統的認址片的相對認址技術，定位精度更高，速度調節方面不再是以格為單位的調節，變成精度高得多的脈沖數值。提高了堆垛機計數的可靠性，也實現了線性的速度給定。通過不斷的優化控制曲線或者運用多條控制曲線，可以大幅提高堆垛機的整體運行性能。其成本雖比傳統的認址片認址系統略有增加，但與激光測距的系統相比，成本大大降低，同時，在中、低運行速度的堆垛機中的性能不遜于激光測距系統。該系統在幾年的運行中，穩定性、效率性均能滿足用戶的要求，是性價比較高的一種堆垛機控制形式。