卷煙工業(yè)穿梭車電控系統(tǒng)的優(yōu)化改造

吳少軍

摘 要：穿梭車系統(tǒng)在實際運行中，存在著定位方式不合理，滑觸線供電系統(tǒng)不穩(wěn)定，車載控制系統(tǒng)PLC等器件長年震動故障率高等問題。為此，對龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司自動化物流穿梭車系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造：①穿梭車走行定位方式由編碼器、認(rèn)址鏈與認(rèn)址片校驗結(jié)合更改為激光測距器與認(rèn)址片校驗結(jié)合；②通過采用拖鏈系統(tǒng)，將車載控制系統(tǒng)移至車體外地面控制柜，電控柜與車體分離；③采用功能更強(qiáng)的PLC對控制程序、定位數(shù)據(jù)、運行曲線進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。改造后，解決了車載PLC等器件長期震動、積塵、不易散熱導(dǎo)致故障率高，滑觸線供電不穩(wěn)定、故障信息不明確、更換器件困難等問題，維護(hù)簡便，對車間的正常生產(chǎn)提供有力的保障。

關(guān)鍵詞：穿梭車電控系統(tǒng)；激光測距器；拖鏈系統(tǒng)；S曲線速度控制

中圖書分類號：TF341.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）32-0096-02

自動化立體倉庫是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中迅速發(fā)展的一個重要組成部分，它具有節(jié)約用地、減輕勞動強(qiáng)度、提高倉儲自動化水平、管理水平和提高物流效率等諸多優(yōu)點。其中穿梭車系統(tǒng)是自動化立體倉庫的重要環(huán)節(jié)之一，擔(dān)負(fù)著串連立體貨架和輸送設(shè)備的作用。龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司自2002年投入使用物流自動化系統(tǒng)以來，實現(xiàn)了現(xiàn)代物流的自動化和智能化，提高了生產(chǎn)效率。但是，穿梭車系統(tǒng)作為現(xiàn)代物流自動化系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，目前存在著器件老化、部分備件已無法采購、設(shè)備運行不穩(wěn)定、維修困難等問題，嚴(yán)重威脅了物流系統(tǒng)的正常運行。為此，對穿梭車電控系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化改造，以解決上述問題。

1 存在問題

1.1 定位方式不合理

穿梭車采用認(rèn)址鏈與增量型編碼器結(jié)合的定位方式，在認(rèn)址鏈機(jī)構(gòu)與編碼器之間配合不好、認(rèn)址鏈中有較大雜物時，會導(dǎo)致運行時丟失脈沖，造成認(rèn)址定位誤差較大，原因排查困難。重新上電后，要回到原點后，才能正確識別當(dāng)前位置。

1.2 車載電控系統(tǒng)PLC等器件長年震動、積塵、不易散熱

穿梭車電控系統(tǒng)PLC等主要器件全部安裝在車體上，處于半密封狀態(tài)，不僅容易積累灰塵，且不易散熱；器件隨車體運行，長期處于震動狀態(tài)，嚴(yán)重影響器件的使用壽命，造成故障率逐年增加。

1.3 滑觸線供電系統(tǒng)不穩(wěn)定

穿梭車通過電刷滑動，提供整個車載控制系統(tǒng)電源。穿梭車在高速運行時，難免有跳動，電刷暫時脫離滑觸線本體，再加上滑觸線多年摩擦，磨損嚴(yán)重，穿梭車在瞬時斷電或缺相嚴(yán)重，引起故障。

2 穿梭車電控系統(tǒng)優(yōu)化改造

2.1 控制系統(tǒng)主要組成

穿梭車的控制核心由可編程序控制器（PLC）控制。本項目采用西門子S7-315-2DP型PLC，一塊FM338模塊、一塊242-5通訊模塊、一塊32點輸入模塊、一塊16點輸出模塊。

穿梭車電控系統(tǒng)主要電氣器件的選擇本著通用、可靠的原則。

2.1.1 可編程序控制器（PLC）

PLC控制器采用SIEMENS公司生產(chǎn)的S7-315-2DP型PLC，該型號PLC帶有兩個通訊接口。其中，MPI接口與穿梭車人機(jī)交互界面（HMI）通訊，DP接口與變頻器進(jìn)行通訊。

2.1.2 人機(jī)界面（HMI）

穿梭車人機(jī)界面采用SIEMENS公司生產(chǎn)的TP177功能型操作面板，使用Simatic WinCC Flexible組態(tài)軟件進(jìn)行編程組態(tài)，操作簡單方便。

2.1.3 拖鏈系統(tǒng)

拖鏈系統(tǒng)包括拖鏈、導(dǎo)槽、拖鏈電纜、耐磨裝置、隔片等。拖鏈系統(tǒng)采用拖鏈專家—易格斯公司的產(chǎn)品，穩(wěn)定、耐用、可靠。通過拖鏈系統(tǒng)，使地面電控柜和穿梭車本體串連起來，可以通過地面控制柜控制穿梭車的運行，并接收穿梭車上光電開關(guān)的信號信息。

2.1.4 激光測距器

穿梭車走行認(rèn)址使用的激光測距器是采用SICK公司DME4000-211激光測距器，其應(yīng)用激光三角原理和回波分析原理進(jìn)行非接觸位置、位移測量的精密傳感器，具有高速響應(yīng)、抗光干擾能力強(qiáng)、測量精度高、檢測距離長和高穩(wěn)定性等主要功能和特點。

2.1.5 變頻器

走行電機(jī)變頻器采用英國艾默生公司Unidrive SP1406變頻器，該變頻器是標(biāo)準(zhǔn)伺服變頻器，功能強(qiáng)大、適合控制各個廠家的電機(jī)，擁有可優(yōu)化速度控制、精確的距離控制、零伺服、用于參數(shù)設(shè)置及儲存的智能卡、通用編碼器和內(nèi)置EMC濾波器等主要功能及特點。輸送電機(jī)變頻器采用艾默生公司Commander SK系列變頻器，它是一種簡單、緊湊、實用型驅(qū)動器，具有設(shè)置簡單、安裝方便、接線容易、系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試簡單化和運行快速可靠等功能及特點。

2.2 控制系統(tǒng)工作原理

線控通過Profibus總線給穿梭車下達(dá)任務(wù)，穿梭車到指定的位置上貨或卸貨，并隨時向線控PLC發(fā)送當(dāng)前的狀態(tài)。穿梭車獲得任務(wù)后，將上貨站臺的站臺號地址譯碼成激光測距器的值，然后判斷當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的差值，即可獲取穿梭車運動的方向和速度，然后控制變頻器輸出，驅(qū)動走行。走行到位后，通過站臺的認(rèn)址校驗確認(rèn)穿梭車到達(dá)指定站臺位置，同時給線控發(fā)送穿梭車到達(dá)站臺信號，此時穿梭車輸送機(jī)構(gòu)和輸送站臺的輸送鏈機(jī)同時動作，把貨物輸送到穿梭車上，并發(fā)送上貨完成信號，完成上貨任務(wù)。同樣，穿梭車再根據(jù)線控指令，運行到卸貨站臺完成卸貨，并發(fā)送卸貨完成信號。

改造后，穿梭車系統(tǒng)是以西門子S7-300系列315C-2DP 型PLC作為電控核心。該P(yáng)LC主要由電源模塊、CPU模塊、輸入輸出模塊、SM338編碼器讀取塊和342-5總線模塊等組成。通過342-5總線模塊和線控組成Profibus總線網(wǎng)絡(luò)，穿梭車作為網(wǎng)絡(luò)中的一個子站，由線控PLC控制。SM338模塊用于采集激光測距值，輸入模塊采集由行程開關(guān)、光電檢測開關(guān)、空開反饋信號、變頻器故障反饋等設(shè)備的信號狀態(tài)，并接收主令控制器、按鈕開關(guān)、鑰匙開關(guān)等發(fā)出的控制指令。CPU通過讀取338模塊采集的值進(jìn)行運算，并將程序運算結(jié)果通過輸出模塊與Profibus現(xiàn)場總線傳至變頻器，通過輸出模塊控制繼電器、接觸器等執(zhí)行設(shè)備，從而驅(qū)動電動機(jī)、電磁抱閘等完成各種生產(chǎn)任務(wù)。另外，穿梭車電控系統(tǒng)采用的西門子TP177觸摸屏，與PLC之間也通過MPI協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交換，實時地顯示各光電開關(guān)、行程開關(guān)的狀態(tài)，穿梭車的站臺位置及故障信息。通過觸摸屏還可以查看穿梭車信息，對其進(jìn)行手動或者半自動操作，并能利用自身故障實時診斷系統(tǒng)對故障現(xiàn)象進(jìn)行判斷，記錄故障時的各種參數(shù)，這樣，操作人員和維護(hù)人員就可以全面及時地了解系統(tǒng)的狀態(tài)，并可按提示的故障信息去檢查和維修，達(dá)到準(zhǔn)確、快速排除故障的效果，真正實現(xiàn)了人機(jī)智能化。

2.2.1 速度控制

基本控制思想為：①根據(jù)電機(jī)編碼器反饋的當(dāng)前速度信號實時調(diào)整變頻器的輸出驅(qū)動頻率值，從而保證穿梭車能以要求的速度平穩(wěn)運行；②根據(jù)激光測距器測量反饋當(dāng)前穿梭車的距離信號及預(yù)先設(shè)定的控制方案，實時調(diào)整變頻器的輸出驅(qū)動頻率值，使穿梭車先以較高的速度運行到接近目標(biāo)地址的位置后將速度平穩(wěn)降到較低的速度下工作，并在目標(biāo)地址處準(zhǔn)確制動停準(zhǔn)。

穿梭車在工作過程中實時采集水平運行的數(shù)據(jù)，并不斷地與存放在PLC數(shù)據(jù)塊里的標(biāo)準(zhǔn)位置參數(shù)進(jìn)行比較和控制決策，從而到達(dá)準(zhǔn)確定位、快速存儲貨物、提高作業(yè)效率的目的。

2.2.2 認(rèn)址定位

穿梭車PLC接收到操作面板或線控PLC的存取站臺信號，正確可靠地輸送貨物，在此過程中準(zhǔn)確地認(rèn)址定位是關(guān)鍵。穿梭車軌道上相對于每個站臺都安裝一塊固定的認(rèn)址片，將檢測開關(guān)的檢測信號都實時的傳輸?shù)絇LC。同時在軌道一端水平方向安裝激光測距器，在穿梭車車體上安裝反射板，通過激光測距器將激光發(fā)射到反射板上，然后再根據(jù)激光發(fā)射器與反射板距離的變化來測出實時的變化距離，并實時傳輸?shù)絇LC中。通過采用激光測距技術(shù)和認(rèn)址片光電定位相結(jié)合的控制方式，使穿梭車在到達(dá)目標(biāo)地址時能夠迅速停穩(wěn)，并實現(xiàn)要求的精確定位精度。

3 改造后使用效果

改造前后效果比較如表1所示，穿梭車改造后解決了設(shè)備運行不穩(wěn)定、維修困難等方面問題；采用控制柜與車體分離的模式，有效避免了電氣元件長期處于震動、積塵和不易散熱的環(huán)境，延長備件使用周期；更換器件無需拆卸車體防護(hù)罩及蓋板，維護(hù)更加容易，減輕了維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，并縮短維護(hù)時間。采用人機(jī)界面，實時監(jiān)控和跟蹤穿梭車運行，進(jìn)而提高穿梭車電控系統(tǒng)的可維護(hù)性，改造取得成效后，可進(jìn)行推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳志敏，陽勝峰.西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應(yīng)用教程[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 湯偉文.激光測距器在立體倉庫穿梭車定位控制中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2011，40（6）：101-102，131.

[3] 何偉.立體庫穿梭車遙控功能在觸摸屏上的實現(xiàn)[J].中國科技縱橫，2011（24）：119.