平板貨架放料箱堆垛機如何叉取

自動化立體倉庫是現代物流領域中的一個重要組成部分，也稱為自動儲存、檢索系統。其核心構成者立體倉庫，以高層貨架為主要標誌，一般採用幾層，多至幾十層儲存單元存放貨物。

自動巷道堆垛機作為立體倉庫的關鍵搬運裝置，以其效率快，精度高，控制簡便等諸多優勢，逐漸取代了移動叉車，巷道起重機等諸多手工操作搬運裝置，解放了勞動力，高度體現了自動化裝置在生產生活之中的應用。

作者所介紹的全自動巷道堆垛機控制系統，由自動化領域中多門相輔相成的技術有機結合而成，其中涵蓋了RFID射頻技術、zigbee無線技術、PLC變頻定位功能、modbus通訊配置等。

1 巷道堆垛機系統結構概述

1.1機械裝置結構

1）堆垛機主體，它由上下兩個橫樑和一個立柱作為主框架，整體移動時則代表開始“列”的選擇。

2）貨叉機構，貨叉可以理解為收取貨物的一個機械手抓，它在堆垛機主體靜止時，可以上下移動，代表“行”的選擇，並可以向立體庫內部伸出，進行取貨、放貨操作。

3）電氣控制櫃，所有電氣元件安裝於控制櫃中，並隨堆垛機主體進行左右移動。優勢在於正臺堆垛機供電線路只需一根電源線即可。省去了為固定控制櫃而必須在控制櫃和裝置本體之間必須架設的繁瑣電纜及移動電纜拖鏈。

4）立體倉庫單元，所有貨品承與標準的貨物箱之中，放置於立體倉庫單元內。

5）入庫承接機構，氣缸驅動，用於在輸送帶上托起貨物箱等待堆垛機貨叉收取。

6）出庫承接機構，氣缸驅動，用於接收堆垛機貨叉上的貨物箱，並放置在輸送線上使貨物箱傳輸至下一位置。

7）輥筒傳輸線，用於傳輸貨物箱進出。

8）貨物箱，外側貼上有RFID電子標籤，貨物箱外形相同，不同的ID值及貨物資訊儲存在電子標籤內部。

1.2 控制系統結構

1）主控機，操作者透過連線在主控制上位PC機（下稱主控機）上的RFID讀寫器，將資訊寫入貨物箱上的空白電子標籤中，再透過人機互動程式，操作堆垛機及立體庫的入庫，出庫等操作。

2）無線網路，操作者的命令及裝置狀態資訊均由無線zigbee網路相互傳輸。

3）堆垛機系統，有一臺主PLC透過modbus控制兩臺變頻驅動器，進而驅動平移與升降兩臺普通三相非同步電機，透過PLC高速計數器接收到的編碼器返回值，實時糾正modbus發出的方向，速度等指令達到高效率，高精度定位。

4）傳輸線系統，一臺PLC透過zigbee接入網路。完成操作控制與狀態傳輸。

2 無線zigbee技術的體現

2.1 zigbee技術特點

在本套系統中，無線部分採用的是進口模組產品，省去了繁瑣的通訊電纜鋪設、大大提高了系統無線通訊部分的穩定性。該產品核心採用zigbee無線通訊技術，其相比以往同類技術，具有以下特點：

1） 基於IEEE 802。15。4標準的無線私人區域網（WPANs）

2） 價格低廉，專為低資料傳輸設計

3） 可組織網狀網路，廣泛應用於工業控制，嵌入式感測器，醫藥醫療，智慧家居等諸多行業

4） 採用主從結構配置

5） 工作頻段2。4GHz

連線主控機的zigbee主機型號為zb-2550（HOST），連線PLC的zigbee從機型號為zb-2551（SLAVE）。它們允許RS485或RS232介面的接入，將其轉化為zigbee無線網路資訊。在同一個網路中必須只有一個主機，用於初始化和管理資料傳輸路線。從機負責從主機或者路由器中傳送、接收資料。本系統傳輸距離小於模組標稱距離（100米），所以沒有選擇路由中繼器。模組原理見圖1。

圖1 zigbee模組原理圖

2.2工作模式

標準的zigbee模組提供一共四種傳輸模式：透明模式、modbus模式、選址模式、和IO模式。

1）透明模式：此時主站和所有從站模組類似路由器傳輸資料，裝置主機由無線主站發出的資訊，會被所有無線從站接收，並反映到裝置從站之中。一幀的最大資料是200位元組，原始資料被分解為許多小資料包，每個資料包為50個位元組。

2）modbus 模式：基於modbus協議的無線傳輸，適用於原始資料大於50個位元組的情況。並且原始資料不會分解為小資料包，一幀最大資料是200位元組。

3）選址模式：原始資料不會被分解為小的資料包，一幀最大資料是200個位元組，比較適合沒有地址的裝置從機，如條形碼閱讀器。連線無線從站後，即可獲得一個從站地址，由主機選址進行資料傳輸。從站不會收到主站發給其他從站的資訊。

4） IO模式：比較適用於傳輸距離長，網路擁有許多中繼器的情況。網路本身多層傳輸，並應用到DCON或modbus協議。這個模式就類似選址模式傳送資料給相應從站裝置，而其他從站不會響應。

2.3 配置及協議

本套堆垛機控制系統採用的是選址模式：

1）主控機側：控制器為一體電腦，zigbee主站模組佔用一個串列埠，波特率均為115200、N、8、1。無線模組節點ID=0000，PAN-ID=FF00，RF通道為9。

當控制器傳送ASCII碼指令“0004（ID）+11+行號+列號”為啟動入庫功能的指令、傳送“0004（ID）+12+行號+列號”為啟動出庫功能的指令等等。從機返回的指令，按照規定協議實時顯示在電腦螢幕上。

2）輸送線側：控制器為PLC，zigbee從站模組佔用一個串列埠，波特率均為115200、N、8、1。無線模組節點ID=0003，PAN-ID=FF00，RF通道為9。協議格式如表1。

表1

3）堆垛機側：控制器為PLC，zigbee從站模組佔用一個串列埠，波特率均為115200，N，8，1。無線模組節點ID=0004，PAN-ID=FF00，RF通道為9。協議格式如表2。

表2

2.4 小結

如上所述，主機側的協議，可以控制從機裝置的各個工作的開展，即任務下達；從機側的協議，可以實時提現該裝置當前的狀態以及故障資訊等。程式操作均為串列埠，這裡不做過多闡述。

3 PLC變頻定位功能

堆垛機兩自由度貨倉選擇，是控制的核心部分。如何達到高效率，低振動，高精度是整套系統的關鍵。眾所周知，普通直角座標系統，透過交流伺服或步進電機可以實現類似功能，但對於即使最普通的立體式倉庫而言，動輒幾米或幾十米的行程，任何品牌的上述電機加上傳動機構，採購價格都會讓設計廠家望塵莫及。

怎樣能用最低的成本，達到理想的效率、精度及穩定性呢，本系統採用的電機為普通的三相非同步電動機，透過外加旋轉編碼器、變頻器調速以及PLC的定位功能，以實現上述功能。

3.1 原理

架構系統採用omron品牌的CP系列PLC，透過PLC內部的位置偏差計數器，執行反饋控制，實現透過變頻器進行精確的定位控制。在偏差計數器中，自動計算來自內部計算脈衝數和旋轉編碼器的反饋脈衝數之位置差，運用modbus變頻器速度指令，使位置偏差始終為零。

以往對於此類架構的控制方式，一般都是透過編碼器檢測出到達設定位置附近時，開始降低速度，在到達位置時停止電機。但在高速運動中停止，對於此類感應電機，大多產生定位偏差，造成停止精度不良，而延長減速時間緩慢停止，又會使定位時間變長，無效率可言。

而本系統選用的PLC變頻定位功能，透過反饋脈衝始終掌握當前位置，實時修正，提升了定位精度，縮短了定位時間。即使在靜止情況下，任何外力施加移動電機的力，控制器都會自動產生相反的力矩用於消除位置偏移。使電機繼續靜止。

3.2 引數匹配

不同的傳動系統，精度要求與響應特性等各不相同，想讓PLC準確瞭解傳動構成，需要仔細配置功能引數。

增益：設定值乘以0。1。預設10*0。1=1為斜率為1的直線。偏差計數器當前值乘以增益資料，作為傳遞給變頻器的輸出速度指令。功能為放大偏差訊號，使控制更加靈敏。但增益過大會使響應過快，產生震盪。

In-position範圍：即“位置到達範圍”，目的位置與實際位置的差值。電機到達此範圍內時，隨即停止至偏差計數器的脈衝輸出，並且偏差計數器當前值在進入位置範圍內時，A26。03標誌為1。此引數越小，電機定位精度越高，但是容易產生反覆抖動現象（由於慣性而無法到達目的位置）。

最小輸出值：變頻器與步進或伺服驅動器不同，低速輸出時可能會出現沒有電機動作，不同的變頻器有著不同的無輸出頻率。設定此引數，使偏差計數器脈衝很小時也能驅動電機旋轉。

最大輸出值：原理同上，防止速度過快產生意外。

錯誤計數器溢位：指旋轉編碼器行程超出設定值保護。

編碼器旋轉一週的解析度：指所安裝的旋轉編碼器精度指標。

3.3 小結

透過以上設定，在PLC程式設計中可以與步進電機程式設計相同，透過脈衝個數決定電機運動位置，透過脈衝頻率決定電機運動速度。實際上脈衝並不是直接從PLC通用輸出口輸出的物理脈衝訊號，而是將脈衝傳送給PLC內部的偏差計數器，偏差計數器經過同內部高速計數器採集的旋轉編碼器位置的比較，產生實際控制的速度及位置資料，在PLC序列介面中經由modbus下達給變頻驅動器。

4 基於PLC的modbus簡介

上述PLC的變頻定位功能，最終輸出資料流給變頻驅動器，此資料流根據變頻定位功能描述可分為兩種：模擬量輸出和序列通訊輸出。模擬量輸出要求PLC必須配備模擬量輸出埠，並且模擬量容易受到外界干擾產生電機速度跳動，所以本控制系統採用的是PLC序列通訊輸出，協議為modbus。

物理連線只需將PLC與變頻器透過RS485結構雙絞線連線。在PLC側，串列埠配置為“串列埠閘道器”波特率預設9600，7，2，E。PLC的“modbus-RTU簡易主站”功能將資料暫存器區域固定分配。包含從站裝置地址、功能、資料等位元組。發出modbus-RTU指令時，接收的應答資訊被自動儲存到固定的資料暫存器區域。

在變頻驅動器側，需要設定的幾個主要引數如下：

1）波特率預設：9600，7，2，E。同PLC的設定必須相同，才能建立通訊連線。

2）運轉指令選擇：RS485。一般變頻器預設運轉指令為操作按鈕。

3）頻率指令選擇：RS485。一般變頻器預設運轉頻率為操作按鈕或者旋轉電位器。

4）加減速時間：0s。變頻器普通使用時，加減速時間是必須設定的引數，以達到電機穩定加速及減速。但由於應用了PLC的變頻定位功能，加減速時間都是由不同的目標位置、當前速度、不同的阻力大小等因素共同決定的，是由PLC的運算結果透過modbus來表達，故變頻器中設定數值應為“0”。

5）通訊從站地址：此變頻器在序列網路中的地址，需與PLC程式中地址一致。

5 RFID射頻技術

堆垛機對立體倉庫的進出貨操作，是針對貨物箱與儲貨倉位的，儲貨倉位按照實際位置確定行與列，貨物箱的ID與貨物資訊是儲存在RFID射頻標籤中的。

本控制系統中，每個貨箱外側都貼有RFID射頻標籤，其中的資訊都是唯一的。系統配備有兩套RFID讀寫器，如圖二。一臺連線在主控機上，用於讀取或改寫某個貨物箱資訊；另一臺安裝於輸送線的入口處，用於讀取入庫的貨物箱應該存放在第幾行第幾列。

圖2 RFID讀寫器

選取的讀寫器指標為：工作頻率：13。56MHz；檢測距離：6-10cm；標籤標準：ISO15693。

6 結論

透過以上技術的應用，使得對於立體倉庫的操作變得簡單且易於維護，每個進入傳輸線內的帶有RFID資訊的貨物箱，會自動的被系統識別，在傳輸線的入庫承接機構上緩停，等待任務空閒的堆垛機將其取走並放置於對應的倉位之中。

將要出庫的貨物箱，經遠端電腦的滑鼠點選，或由排程運算自動產生，都可以透過無線網路下達給堆垛機，在任務空閒時將準備出庫的貨物箱從立體倉庫中取出，並透過傳輸線運送至需要的位置。

本文編自《電氣技術》，標題為“基於變頻定位技術的無線全自動巷道堆垛機系統”，作者為張卓、張大明。