自動化立體倉庫控制系統設計

張建奇 李墨翰 張建鋒

(西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

立體倉庫是現代物流系統中的重要物流節點，它在物流中心的應用越來越普遍。由于使用高層貨架存儲貨物，存儲區可以大幅度地向高空發展，因此能夠大幅節省倉庫的占地面積，有效提高空間利用率。在立體倉庫中使用自動化設備，具有存取貨物速度快、準確可靠以及查詢方便等優點，同時還提高了勞動生產率，降低了操作人員的勞動強度。

當前立體倉庫市場控制方式的主流是單機自動控制和變頻調速運行機構控制;供電方式為封閉滑觸線供電。我國立體倉庫行業現已形成一定規模的開發能力，但與發達國家相比還有很大差距［1］。目前，美、日等發達國家立體倉庫高度已達幾十米，運行速度超過100 m/min。同時還具有形式繁多的出入庫物流分配系統和安全保障系統。根據用途，立體倉庫設備的形式可以分為很多種，最新的重力式貨架在國外已成功應用［2－3］，但在國內市場基本還是空白。

1 方案設計

1.1 工藝流程

本立體倉庫系統的主要工藝是將前一級平面物流中承載產品的托盤存入到庫中的承載架上，經過一段固定時間的工藝處理后將其取出，并放入到后面一級平面物流當中。立體倉庫系統的主要控制對象為一輛六層堆棧車。在自動運行時，通過提升機將承載產品的托盤送入六層入庫暫存架，存滿后向堆棧系統發出取托盤請求信號。上位機接到請求信號后，發出指令控制堆棧車取暫存架托盤，然后將托盤存入某一列承載架上。當某一列承載架的托盤完成工藝處理后，上位機會發出取指令，將其送入到六層出庫暫存架中，完成動作后向后一級平面物流發出托盤準備好的信號，這時平面物流就會通過提升機將出庫暫存架上的托盤取走。

本立體倉庫系統要求能夠自動、快速、可靠、高效地完成所有的存取動作。但受到現場環境的約束，立體倉庫系統有著十分復雜的數據傳輸及處理工作。本立體倉庫系統中的被控對象堆棧車的重量大(超過5 t)、高度高(超過10 m)，且剛性較差，停位精度要求較高(在40 m長的軌道上停位誤差不超過2 mm)。同時，根據生產的需要，堆棧車在運行過程中必須有較高的速度(最高速度必須能夠達到120 m/min)，且啟動停止平穩流暢。因此，為了實現目的，設計一個可靠的通信網絡和一個快速、平穩的伺服運動控制系統都是必不可少的。

1.2 立體倉庫控制系統

根據各功能區域明晰的特點，在每一個功能區域都設置一套控制系統，以便對該功能區域實行集中控制，從而提高控制系統的響應速度及系統的可靠性和易維護性。系統控制器由上位機、主控Master PLC和堆棧車Stacker PLC三部分組成。系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成圖Fig.1 System compositions

上位機硬件使用雙機熱備的研華工控機，軟件由Delphi和Oracle編程實現。上位機不僅要能夠完成立體倉庫歷史數據的存儲、向生產管理系統上報生產情況的工作，而且還要能夠通過制定好的控制策略向主控PLC下達存取指令。主控Master PLC使用三菱Q06H CPU，它具有以下幾個方面的作用:①通過H網獲取來自平面物流的托盤信息;②通過CC-Link網，采集立體倉庫外圍傳感器數據;③將來自光通信的堆棧車的存取完成情況、故障報警數據上傳至上位機;④將上位機下達的指令數據分解，指揮堆棧車PLC完成各項動作。堆棧車PLC同樣使用三菱Q06H CPU，其主要任務是根據主控PLC下達的指令控制各個伺服電機，完成各種伺服動作，并將伺服動作的完成情況報告給主控PLC。

2 系統軟件設計

2.1 通信系統

出于控制功能的需求以及現場環境的約束，整個立體倉庫系統采用的通信方式多種多樣。采用的通信方式分為管理級的以太網通信、控制級的RS-422串口通信、H網通信以及現場級的CC-Link等。

三菱MELSECNET/H網通信(簡稱H網通信)以及CC-Link通信分別位于工業控制通信網絡中的控制級和現場級，具有通信速度快、數據傳輸可靠等優點。使用GX Developer就可以方便地實現MELSECNET/H模塊QJ71LP21-25和CC-Link模塊QJ61BT11N的配置［4－8］。其中，MELSECNET/H 網通信實現了 PLC 和PLC之間的通信;CC-Link網連接各個遠程站，實現了傳感器信號的采集以及電機、氣動執行機構的控制。

上位機和主控PLC之間采用以太網通信。在主控PLC上通過GX Developer可實現對以太網模塊的配置，其通信協議采用無順序的固定緩沖區方式［7］。上位機和PLC的通信程序采用三菱的MC協議來實現，程序中需要加入三菱MC通信的套接字程序。

在通信編程時，上位機和主控、主控和堆棧車這二者之間的自定義通信的內容，按照功能可以分為指令幀、參數幀、報警內容幀、狀態監視幀以及任務完成幀等。不同的幀具有不同的數據頭和長度，每一幀數據的最后加入奇偶校檢。當數據傳輸發生錯誤時，還能夠實現數據重發。下位系統通信協議如圖2所示。

圖2 下位系統通信協議示意圖Fig.2 Communication protocol of the control layer

主控PLC與堆棧車之間采用串口RS-422轉光通信的方式來進行。這是由于堆棧車始終在運動當中，行程較長，因此，使用布線方式時，線纜始終處于運動狀態，磨損較快、可靠性較低。由于堆棧車在一個直線導軌上行走，因此，使用一個空間光傳送裝置就能夠完成通信的光點轉換，使通信可靠性大幅提升，還能夠有效降低電磁干擾的影響。系統中的兩個串口模塊選用三菱QJ71C24N-R4，這兩個串口模塊間加入了東洋公司的空間光傳送裝置SOT-NS502/802，用來實現通信的光電轉換。在使用時，QJ71C24N-R4模塊的通信波特率、傳輸位、停止位、奇偶的配置可以在GX Developer中實現。空間光傳送裝置SOT-NS502/802在編程中是完全透明的，接入即可實現通信介質的轉換。

2.2 伺服控制系統

作為整個立體倉庫系統的基石，伺服控制的性能直接影響立體倉庫系統的指標。本立體倉庫系統共有8個伺服電機，即6個托盤推拉伺服電機、1個提升伺服電機和1個行走伺服電機。除了行走伺服電機以外，其余7個伺服電機為鏈條或齒輪傳動，移動距離短、負載慣量小，且伺服電機每轉移動距離固定，使用伺服電機自帶編碼器反饋即可完成伺服控制，控制相對簡單。行走伺服電機帶動堆棧車在軌道上行走。由于堆棧車高度高、剛性較差、慣量大，在運行時車輪與軌道之間會不可避免地發生打滑。如果采用變頻調速或傳統的伺服速度控制，由于其運行速度波動較大、停止位置重復精度較差，將嚴重影響托盤的取放，甚至會造成設備的損壞。

本項目采用多閉環伺服控制模式，即對堆棧軌道車的運行速度、位置定位點實施多閉環伺服控制;伺服控制系統中加入負載側編碼器，從根本上實現準確停位;程序中加入伺服電機的運行速度自調節部分，以滿足最佳平穩運行速度的要求。

2.2.1 全閉環伺服系統

根據編碼器反饋脈沖的來源不同，三菱伺服控制分為半閉環控制、雙反饋閉環控制和全閉環控制這3 種控制方式［9－10］。

半閉環控制使用電機側編碼器，不需要添加額外設備，具有成本低、受機械共振影響小、伺服放大器增益大以及響應時間短等優點。但是位置反饋脈沖并不是通過直接測量機械位置獲得，所以定位運行會產生誤差。

本項目中的6個托盤推拉伺服電機和1個提升伺服電機的電機每轉前進距離固定，所以控制都是采用這種半閉環控制，從而在保證定位精度的情況下提高了系統的響應速度。

全閉環控制使用負載編碼器，轉移保證定位精度，但容易受機械共振等因素影響。伺服放大器增益小，響應時間較長。

雙閉環控制同時使用電機側編碼器和負載側編碼器，并在伺服定位運行時切換反饋脈沖來源，從而集合了半閉環控制和全閉環控制的優點，克服了半閉環控制和全閉環控制的缺點。因此，本立體倉庫項目中的行走伺服電機采取雙閉環控制。

2.2.2 行走伺服的系統構成

行走伺服系統結構如圖3所示。系統硬件使用了Q75MH2定位模塊、MR-J3-B系列伺服放大器和22 kW伺服電機，電機額定轉速為2000 r/min，減速比為18。其外部編碼器使用了Leuze的AMS200激光測距儀，距離信號通過脈沖發生器SSI通信轉換為ABZ脈沖，送入到伺服放大器中。Leuze的AMS200激光測距儀精度為0.1 mm，編碼器輸出的ABZ脈沖為80000 pluse/m。

圖3 行走伺服系統結構Fig.3 Structure of the traveling servo system

使用MR configurator軟件可以對伺服放大器獨立運行測試，從而完成對伺服系統動態性能的調整。進行性能調整時需要注意以下幾點。

①在控制對象移動固定距離時，反饋脈沖數應該近似相等。為使電機側編碼器脈沖匹配負載側編碼器脈沖，其中間需要加入電子齒輪，電子齒輪的計算公式為:

式中:K為電子齒輪;P1為電機側編碼器每轉脈沖數;P2為負載側編碼器每毫米脈沖數;r為減速比;s為車輪每轉前進距離。

②確定脈沖極性，即負載側脈沖在正向前進時是增加還是減少。

③各個環的增益可以由伺服放大器自動調整運行［3，8］，測試運行時只需調整系統相應性參數 PA09。

④ 在加減速有震動時，既可以通過調整參數PA09，也可以通過適當延長加減速時間加以解決。

⑤原點回歸采用制定位置的方式。

最后，將調整好的參數通過GX Configurator-QP軟件寫入伺服定位模塊中。GX Configurator-QP的基本參數包括Pr01(單位:unit)、Pr02(每轉脈沖:pulse per rotation)、Pr03(每轉行程:travel per rotation)、Pr08(速度限:speed limit)、Pr09(加速時間:ACC time)、Pr10(減速時間:DEC time)等。將修改好的基本參數和伺服參數寫入伺服定位模塊Q75MH2，即可完成雙閉環行走伺服的系統調試。

2.3 PLC 軟件設計

立體倉庫下位系統PLC程序采用模塊化結構，便于系統的修改、調試與維護。系統模塊主要包括伺服控制模塊、當前位置計算模塊、通信模塊、顯示模塊和報警處理模塊等。

PLC軟件流程圖如圖4所示。

圖4 PLC軟件流程圖Fig.4 Flowchart of PLC software

3 結束語

本文設計并實現了自動化立體倉庫控制系統。考慮到現實過程中通信的復雜性、伺服運行的速度和平穩性，系統采用了以太網、H網、CC-Link、串口通信等不同層次的多樣通信介質，多種通信協議解決了現場通信中遇到的問題。此外，系統采用了伺服的半閉環、雙閉環等多種控制組合的方式，實現了伺服系統的快速平穩運行。

實際運行效果表明，該控制系統實現了安全、穩定的自動化運行，很好地適應了現場生產環境，滿足了各項生產需要，大大節約了人力和物力。

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