自動化立體倉庫虛擬樣機與控制程序的聯(lián)合仿真

華 雋，王宏民，馬文棟，胡宗山，秦 超

HUA Juan1 , WANG Hong-min1, MA Wen-dong1, HU Zong-shan2, QIN Chao2

（1.河南省電力公司，鄭州 450001；2.河南九域騰龍信息工程有限公司，鄭州 450001）

0 引言

隨著德國“工業(yè)4.0”、美國“工業(yè)互聯(lián)網”在全球的風靡，以及“中國制造2025”戰(zhàn)略的如火如荼地推進。制造業(yè)是國民經濟的重要支柱，也是今后我國經濟“創(chuàng)新驅動、轉型升級”的主戰(zhàn)場[1]。以新一代信息技術與制造業(yè)深度融合為特點的智能制造已經引發(fā)了全球性的新一輪工業(yè)革命，并成為制造業(yè)轉型升級的重要抓手與核心動力[2,3]。

以此為背景國家電網公司全面推進智能計量體系的工作進度，目前各省公司陸續(xù)建成投運省級計量“四線一庫”生產自動化系統(tǒng)。大量新型、先進自動化倉儲設備的廣泛應用，對系統(tǒng)工作提出了更高要求，改變目前計量生產自動化系統(tǒng)人工效率低、質量不穩(wěn)定的弊端，提升生產質量。

1 MCD簡介和自動化立體倉庫簡介

機電一體化概念設計解決方案（MCD）是一種全新解決方案，借助該軟件，可對包含多物理場以及通常存在于機電一體化產品中的自動化相關行為的概念進行3D建模和仿真。MCD支持功能設計方法，可集成上游和下游工程領域，包括需求管理、機械設計、電氣設計以及軟件自動化工程。MCD涉及機械、電氣和軟件設計學科的產品的開發(fā)，使這些學科能夠同時工作，專注于包括機械部件、傳感器、驅動器和運動的概念設計[4]。

自動化立體倉庫采用先進的自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)貨物出庫、入庫管理，不僅能使貨物在倉庫內按要求自動出庫、入庫，而且可以與倉庫周邊的生產環(huán)節(jié)進行有機的鏈接[3]。與傳統(tǒng)倉儲相比自動化立體倉庫具有以下優(yōu)越性：

1）節(jié)約倉庫占地面積。

2）減少工人勞動強度，降低人力資源成本。

3）自動化管理提高倉庫的管理水平，增加倉儲貨物安全性。

4）做到庫存實時監(jiān)控和查詢，可及時更新庫存[5]。

2 研究對象

2.1 項目模型仿真簡介

圖1 立體倉庫模型圖

本次仿真運行的模型以漯河市計量中心庫為原型，漯河計量中心倉儲系統(tǒng)采用高自動化、高智能化的軟硬件系統(tǒng)，并與營銷業(yè)務應用系統(tǒng)高度協(xié)作，共同完成電能表的全生命周期管理。

該套設備主要包括以下幾種設備：

表1 設備清單表

該套系統(tǒng)的入庫運行流程如下：

1）平板車或者agv小車將載有電能表的周轉箱托運至拆碼垛機設備內部。

2）周轉箱達到預定工作位置后，拆碼垛機將周轉箱兩箱作為一垛拆下來并轉移放置與輥道上。

3）經過輥道的轉動和射頻門的開合，輥道將兩箱周轉箱運輸至射頻門內部。當射頻門全部關閉時，開始射頻識別，并將識別到的電能表數(shù)據(jù)存儲于上位機程序內。

4）射頻識別之后，該垛周轉箱在輥道的作用下繼續(xù)向前運行；與此同時拆碼垛機將第二垛周轉箱放置與輥道上，輥道開始重復第3步驟的運行。

5）通過三個輥道和兩個輥道升降機的作用，將周轉箱運轉至堆垛機的接貨臺位置。

6）堆垛機運轉至接貨位置，檢測出有貨，伸出貨叉至周轉箱底部；堆垛機升降將周轉箱抬離接貨臺，堆垛機貨叉載著周轉箱回收到位。

7）堆垛機載著周轉箱運行至倉庫貨架，將周轉箱放置于貨架上。

8）入庫存貨流程完成。

出庫流程與入庫流程相反，在此不再贅述。

2.2 機電概念屬性施加過程

由于本次設備較多，將整個模型裝配后進行機電概念屬性添加，如果出現(xiàn)錯誤將會導致較大的重復工作量。本次調試采取并聯(lián)式調試，將模型分成三部分，主要分為：

1）堆垛機和貨架。

2）輥道、輥道升降機和射頻門。

3）拆碼垛機。

對這三個部分設備分別添加約束、信號、碰撞等機電概念屬性。然后將機電概念模型與控制系統(tǒng)通過OPC協(xié)議進行聯(lián)通調試，當三個部分都調試成功后再將三個模型裝配到一起。三個分組件機電概念模塊所添加的屬性和信號等也會被帶入到新的總裝配體中，新的總裝配體直接運行調試就可以。

由于之前項目已經進行了拆碼垛機進行仿真（參見：基于UGNX的拆碼垛機系統(tǒng)聯(lián)合運動仿真研究[7]），仿真模型已經完成。所以本次仿真使用堆垛機之前模型，不再重新對其進行仿真，只仿真輥道、輥道升降機和射頻門組件和堆垛機貨架組件。仿真完成后將三個模型裝配。

3 輥道施加機電概念仿真

圖2 輥道圖

輥道如圖2所示，共計有三節(jié)輥道。其作用是負責周轉箱從拆碼垛機與堆垛機之間的輸送，途中要經過射頻門進行信號識別。

3.1 對象源

輥道運行時需要在輥道初始位置生成量箱電能表，即圖2所示對象源位置處。這就用到了機電概念設計的對象源屬性，對象源可以源源不斷的生成仿真所需要的對象。對象源觸發(fā)的條件有兩種，一種是基于時間；一種是每次激活時一次。本次仿真箱子的產生設計采用外部開關控制，當外部開關閉合時MCD模塊中的信號接收到變化即對象源屬性觸發(fā)，開始生成定義對象。

當對象源的觸發(fā)方式選擇為每次激活時觸發(fā)一次，當外部開關處于閉合狀態(tài)時對象源一直處于觸發(fā)狀態(tài)，所以會一直在生成周轉箱，無法精確控制周轉箱的生成數(shù)量。所以最終采用基于時間的屬性，設置時間間隔為4秒。最終的結果為：當外部開關閉合滿4秒對象源觸發(fā)一次，此時周轉箱會生成一垛；一直循環(huán)，每滿4秒周轉箱會生成一垛。當不需要新的周轉箱生成時即把外部開關斷開，此時該對象源屬性不觸發(fā)，也就不能生成新的周轉箱。

圖3 對象源圖

3.2 輥道傳輸面

當周轉箱的對象源生成屬性建立完成后，需要對輥道進行速度給定。一共三個輥道，每個輥道建立一個傳輸面屬性，但是傳輸面的速度由邏輯公式給定如圖4所示：以運行時表達式RuntimeExpression_3為例；這是定義輥道105的平移速度公式，完整的公式為If（M105輥道輸送正轉M=true）Then（260）Else If（M105輥道輸送反轉M=true）Then（-260）Else（0）。其中信號M105輥道輸送正傳和M105輥道輸送反轉為PLC給定的信號，通過OPC協(xié)議與MCD模塊進行信息互通。當M105輥道輸送正轉=true時輥道105的傳輸面?zhèn)鬏斔俣葹?60mm/s，方向為正方向；當M105輥道輸送反轉=true時輥道105的傳輸面?zhèn)鬏斔俣葹?260mm/s，此時為反方向輸送；當兩個都不觸發(fā)時速度為0。輥道正傳或反轉通過改變速度的正負值來實現(xiàn)。

圖4 邏輯公式圖

3.3 射頻門開合

射頻門的升降采用位置控制，如表達式RuntimeExpression_9所示：If（射頻門入門升=true）Then（250）Else If）射頻門入門降=true）Then（0）Else（0）。即當PLC給出信號射頻門入門升=true時射頻門的目標位置為250mm處，運行速度為100mm/s；此時射頻門為打開狀態(tài)。當PLC給出其他信號時射頻門的目標位置為0，此時射頻門為關閉狀態(tài)。

圖5 射頻門位置控制圖

3.4 激光傳感器

當傳周轉箱在輥道上傳輸運行時，需要在每個輥道上添加激光傳感器以檢測周轉箱在輥道上的位置。由于MCD模塊中沒有激光傳感器的屬性，所以需要將激光傳感器的屬性改為碰撞傳感器的屬性。將激光傳感器發(fā)射的激光表達為實體并賦予碰撞傳感器的屬性，當物體運行碰到激光時該碰撞傳感器觸發(fā)，將信號反饋至PLC。

圖6 激光傳感器模型圖

圖7 碰撞傳感器圖

3.5 輥道升降機

該套系統(tǒng)內存在兩個與輥道相配套的升降機；兩套升降機雖然尺寸、頂升高度不同；但均為電機驅動，凸輪頂升的原理。電機只有一個轉向，電機轉動凸輪帶動頂升裝置升降，當升降裝置上升碰觸到上限位開關時，該觸發(fā)信號會傳導至PLC內部，此時程序會控制電機停止轉動；升降機達到上頂升位置。當程序控制電機繼續(xù)轉動，此時升降裝置會向下運轉，直至下極限位置觸發(fā)；此時程序會控制電機停止轉動；升降機達到下回收位置。

圖8 輥道升降機

在MCD模塊中存在電子凸輪的屬性，如圖9所示該電子凸輪隨著時間循環(huán)。其運動曲線需要重新定義。

圖9 電子凸輪

定義電子凸輪的運動曲線，該凸輪的位置與時間關系如圖10所示。高位時位置數(shù)值為0，低位時位置數(shù)值為-200。當凸輪將要到達高位或者低位時其速度會減小，中間位置時速度較大；這樣做的原因是使其精確定位。

圖10 電子凸輪運動曲線圖

另外一臺升降機M103與之相類似，只是運行控制曲線略有不同。

圖11 輥道信號映射圖

當MCD所有屬性都建立后將MCD信號與外部信號建立映射關系，如圖11所示。

此時運行MCD模型，用PLC程序控制模型進行運轉。

4 堆垛機施加機電概念仿真

圖12 堆垛機圖

堆垛機設備主要包含堆垛機和貨架兩部分。由于堆垛機貨叉和貨架需要與周轉箱相接觸，所以堆垛機的貨叉與貨架均需要添加碰撞屬性。貨架的貨位為728個。

4.1 堆垛機平臺施加MCD

圖13 堆垛機平臺圖

堆垛機升降平臺上也有許多激光傳感器，但是由于MCD模塊沒有激光傳感器屬性；所以采用與輥道上激光傳感器同樣的方法將激光的光線實體畫出來，賦予其碰撞傳感器的屬性。為了視覺上的符合實際，將射線實體隱藏，但是其碰撞傳感器的屬性還時時存在，當碰撞傳感器觸發(fā)時該實體會高亮顯示。

升降平臺由10個導向輪固定在堆垛機立柱上，兩端由鋼絲繩進行提升。如果將導向輪和鋼絲繩都定義為MCD的相關屬性，會導致模型運算時占用內存增大，模型仿真延時增加。為了簡小模型運算量，對升降平臺的約束定義為滑動副，固定在堆垛機立柱框架上。二堆垛機的兩個貨叉與升降平臺之間也定義為滑動副。

同樣的堆垛機橫移也簡化為一個滑動副約束。如圖14所示：共計4個滑動副。

圖14 滑動約束

4.2 速度和位置控制

當堆垛機的升降、橫移、貨叉伸縮約束給定后，通過運行時表達式來控制堆垛機的速度。且該速度值由PLC給定，經過公式的邏輯運算后賦予模型，似的MCD模型達到理想的運動狀態(tài)。分別添加堆垛機貨叉運行速度控制、升降平臺速度控制、堆垛機走行速度控制；通過速度的正負來區(qū)分設備的正傳反轉，如圖15所示。

圖15 邏輯運算圖

為了時時反饋堆垛機模型的實際運行位置，需要增加位置傳感器，機電概念設計模塊有位置傳感器屬性可以實現(xiàn)，如圖16所示。

圖16 位置傳感器圖

為了更好的控制模型運轉和與PLC控制程序相匹配，增加堆垛機運行的限位開關，如圖17所示。

圖17 限位開關圖

4.3 建立信號映射

當所有MCD屬性建立完成后將MCD信號與外部信號進行連接，建立信號映射，如圖18所示。

圖18 映射信號圖

5 全模型MCD與聯(lián)合仿真

將堆垛機和貨架，輥道、輥道升降機和射頻門，拆碼垛機三部分模型裝配至一個模型內，進入機電概念仿真模塊，可以看到三部分的MCD屬性都存在。通過PLC程序和上位程序控制整個模型運行，以查看該系統(tǒng)模型是否符合設計預期。

通過該聯(lián)合仿真可以檢驗以下幾個方面內容：

1）上位程序和PLC程序的運行邏輯是否符合設計目標。

2）程序控制中設備的實際運行速度是否滿足實際需要，設備的最優(yōu)運行速度。

3）各個設備在交互運行時是否存在干涉或振動。

4）設備在實際運行過程中難以測量的數(shù)據(jù)，在模型中都可以時時測量。

5）設備的實際運行時間和效率是否滿足需要。

通過對機電概念模型聯(lián)合控制系統(tǒng)進行仿真，也發(fā)現(xiàn)了設備在實際調試運行中可能出現(xiàn)的問題：

1）輥道104與升降機103進行交接時，如果升降機103重復定位精度不夠，可能會導致周轉箱交接干涉。

2）當周轉箱與輥道護欄有摩擦或碰撞時，會導致周轉箱偏移，難以定位。