智能模型在行李控制系統垂直升降機中的應用

孫勇　呂霄霄　田海東

摘 要：將垂直連續輸送機引入行李控制系統，并結合速度模型、跟蹤模型和參考模型，有效控制行李在連接輸送過程中的間距，進而提高系統的穩定性。在此基礎上，結合系統的實際運行情況，及時預測其與模型之間的偏差，發現和判斷系統存在的故障，大大提高系統的可靠性，降低系統的運行成本和維護成本。

關鍵詞：行李控制系統；垂直連續輸送機；速度模型；跟蹤模型

中圖分類號：TH222 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.076

連續升降機是利用電機拖動4條等長的同步帶，拖動固定在同步帶上的托盤做連續周期性運轉。其主要有節省空間、輸送高效和流量穩定等特點。

電機是主要控制對象，控制指令主要是啟動＼停止＼方向選擇，根據需要還可增加速度選擇（或者是設定速度值）。這些控制都是為了實現控制輸送機的運行，以此來輸送行李，并達到系統所需的功能和性能。

1 系統功能

1.1 輸送機基本控制行為

輸送機基本控制行為包括漸停、節能和堵塞等。

1.1.1 漸停

漸停常發生于上下游輸送機接口之間，下游輸送機不具備接收行李的條件，而上游輸送機卻有行李需要輸送至下游輸送機，則行李會在輸送機的末端位置等待，終止輸送動作。一旦下游輸送機具備接收行李的條件，將會重啟行李傳送過程，等待的過程就是漸停的過程。

1.1.2 節能

為了節約能源，當輸送機上沒有行李需要輸送，輸送機運轉超過輸送機長度時，就可以停止輸送機的運行，以節省能源，直到上游發出請求發送行李信號時，再將其復位。

1.2 流量控制

為了保證系統的穩定性，實現行李在輸送機之間的同步傳輸，就必須嚴格控制行李之間的距離。其控制方式主要有2種，即間距控制和窗口控制。間距控制就是控制第一個行李的末端至第二個行李前端之間的距離；窗口控制則是控制2個行李前端之間的距離。

1.3 跟蹤

在很多場合，當為行李選擇必要路徑時，就需要賦予行李相應的信息，并且使信息與行李的運動保持一致，即為跟蹤功能。

2 系統性能

2.1 處理量

一般情況下，以1 h為單位計算此時間段內通過系統的行李數量。選擇1個測量位置，當系統運行后，用第一個行李經過測量點與最后一個行李經過測量點之間的時間除以行李數量減去1，即為處理量。該性能體現了系統的處理能力。

2.2 處理時間

選擇整個控制系統的起始點和控制系統的最遠點，從行李導入起始點開始計時，當行李到達最遠點結束，兩者之間的時間差即為行李的一般輸送時間。

2.3 故障率

故障率的類型和數量可以表現出系統可能存在的隱患。

3 基本設計

整個系統控制的基礎就是輸送機運轉的速度，用v來表示，單位為m/min；樓層之間的高度差為H，單位為m；處理量用C來表示，單位為pcs/hour。假設2個托盤之間的間距為l，單位為m，即可以得到托盤之間的間距：

. （1）

樓層之間需要的托盤數為：

. （2）

輸送機的速度在30～60 m/min之間，而處理量則在900～1 300 pcs/hour之間，結合式（1）和式（2）可得到圖1.

圖 1 不同速度在不同處理量情況下的托盤頭與頭之間的間距

由圖1可知，當速度一定時，如果處理量越大，托盤之間的間距就會越小；當處理量一定時，速度越大，托盤之間的間距就越小。將其反映到托盤數量上，則可以得到圖2所示的曲線。

圖2 不同速度在不同處理量情況下的托盤數量

由圖2可知，當速度相同時，處理量越大，托盤的數量就越多；當處理量相同時，速度越快，托盤的數量就越少。

3.1 速度模型

時間是用來實現系統功能的基本控制變量，但是，每一個輸送機的速度，啟動＼停止時間特性都不同。因此，通過時間是無法精確描述控制對象和過程的。鑒于此，建立輸送機的精確運動模型，能有效地實現控制功能，并且這也是建立其他模型的基本條件。所以，要引入速度控制相關的關鍵變量，并建立其精確的速度模型。

3.1.1 勻速運動分析

設穩態速度為V，則連續時間變量的速度公式是：

s=Vt. （3）

然而，PLC是無法連續運算的，所以，只能將運算過程離散化。PLC能處理的最小時間單位為系統的掃描周期△t（k），假設勻速過程速度是恒定不變的，用v（k）表示，則每一個掃描周期輸送機所運行的距離為：

Δs（k）=v（k）×Δt（k）. （4）

3.1.2 加速過程分析

用穩態速度計算速度模型結果不夠精確，特別是當輸送機頻繁加減速時，會使得模型與實際對象之間的誤差在每次起停過程中累加，進而導致控制出現偏差。因此，在建立速度模型時，要考慮加速過程和減速過程等相關因素。

假設加速是不變的，用aacc表示，速度v從0增加到恒定值V，則加速過程的速度變化為：

. （5）

已知輸送機的恒定速度，則可將式（3）轉化為：

. （6）

通過測量可得輸送機加速過程的距離，由式（4）可以得出加速過程的時間為：

. （7）

將CPU的掃描周期作為采樣周期，則當前掃描周期輸送機的速度為：

v（k）=v（k-1）+a×Δt（k）. （8）

由此可知，加速過程的位移公式為：

. （9）

在PLC運算的過程中，為了提高控制精度，要考慮每次速度運算的除法運算余數，否則也會因為余數的累加導致運算與實際對象產生較大的誤差。每一個掃描周期觸發運算的余數為δ（k-1），因此，可將式（4）和式（9）轉換為：

Δs（k）=v（k）×Δt（k）+δ（k-1）. （10）

. （11）

將每一個周期的位移值累加起來，就可得到最終的位移模型，即：

. （12）

為了更加精確地描述輸送機運行的模型，在垂直輸送機的從動軸上安裝了1個脈沖發生器，脈沖發生器的脈寬要大于CPU的掃描周期。假設脈沖發生器的1個脈寬對應的垂直輸送機的運行距離是β，則定義1個采樣周期，假設是n個脈寬，則確定了采樣周期為nβ。在一次采樣開始時記錄下位移值位

，則在nβ時刻記錄下位移的值為△s（j），

經過對比可得：

. （13）

在式（13）中，j>i.

如果最終得到的值小于設定的百分比范圍，則將nβ作為此次運算的位移。

3.2 跟蹤模型

從實際對象分析，每一個托盤就是1個數據位置，其中，包含的信息有位置信息、行李信息，所以，可將其定義為：

. （14）

式（14）中：a1為位置信息；由式（12）得，a2取值為1或者-1（不能使用0，因為當沒有輸入、寫入時，數據中的值為0），-1表示空托盤，1表示已經被占用。因此，1個托盤的向量信息可以轉換為：

. （15）

式（15）中： ；a2（k）在托盤被導入位置

的傳感器檢測到時，寫入-1，則表明它是1個空托盤，如果有1個行李導入時，則會將a2（k）賦值為1，表明已被占用。當系統中有n個托盤的時候，則會有n個向量組合成1個矩陣，即：

. （16）

式（16）中的變量都是根據k變化的，其中位移的最小值是設定的起始位置，可能出現的情況有0或者是負數，要根據導入位置和生成托盤數據的位置來確定。

最大值為系統的高度H，當有1個數據超過H時，則表示溢出。如果a2值等于1，則要將1個傳感器安裝在垂直輸送機的末端，用來確認跟蹤對象是否存在；如果在設定的范圍內檢測到1個物體，則表明跟蹤成功，并將其數據傳遞至下一節輸送機。

3.3 參考模型

在上述內容中，建立了輸送機的精確速度、位移和跟蹤模型。為了有效地控制系統運行，需要比較這些運算變量與實際參數，預測系統故障，實現閉環控制。其控制的基本框圖如圖3所示。

圖3 參考模型控制框圖

在此過程中，主要故障識別包括以下幾部分。

3.3.1 托盤檢測

由式（16）中托盤的位置信息可知托盤間距，則：

Hi=ai1-a（i-1）. （17）

式（17）中：0

在設計中，托盤之間的高度差為H，則：

≤α%. （18）

式（18）中：α為設定的誤差允許范圍。如果期在誤差范圍內，則表明托盤之間的間距正常；一旦超過這個范圍，則表明其可能存在以下2種情況：①Hi>H×（1+α%），傳感器漏檢測到托盤，導致托盤之間的間距過大；②Hi

當有行李等待導入時，如果發生了第二種情況，則不允許導入。因為在第二種情況下，這可能是1個虛假的托盤。

3.3.2 行李長度檢測

已知系統中托盤的長度，則每一個行李的長度必須要小于該長度。當行李進入系統時，要利用光電開關計算行李的長度，并在其等待導入時，利用光電開關檢測行李的長度，如果發現行李的長度超過托盤長度，則不允許導入；如果顯示超長故障，則不允許導入。

3.3.3 行李跟蹤丟失

在垂直輸送機的末端位置安裝光電開關，測量確定光電開關的具體位置。一旦發現系統中有1個行李要到達光電開關位置時，則開始判斷是否在誤差允許范圍內檢測到行李，如果沒有檢測到行李，則存在行李掉落的可能。針對其他情況，要在特定的位置安裝傳感器檢測行李，如果被觸發，則立即顯示故障，比如，行李掉落至垂直輸送機的底部等。

4 結束語

文中所述模型已經被應用在了機場的行李控制系統中，但是，仍然會有一些尚未預測到的情況發生，進而導致故障發生。因為垂直輸送機是系統中的關鍵設備，一旦發生故障，不能及時恢復，將會降低系統的運營性能。因此，要在其使用過程中，收集更多的數據，在已經建立的模型基礎上，進一步優化模型和算法，使控制更加精確，能更加有效地預測故障發生的可能，及時將相關情況反饋給操作人員，以確保系統的穩定運行。

〔編輯：白潔〕