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    智能仓储系统RGV柔性运动控制的研究

      信息来源:   发布时间:2021-10-25  点击数:

    随着国家对智能制造业的大力推广和支撑,现代仓储物流技术密集化、智能化发展趋势已成主流,智能仓储物流逐渐成为生产制造企业提高自身核心竞争力的重要手段。智能仓储系统由立体货架、输送系统、条码识别系统、穿梭车、堆垛机等多个单元组成,其中高速轨道式导引穿梭车(Rail Guided Vehicle,RGV)属于高速行走设备,是智能仓储系统出入库效率提高的关键点,启停过程加减速若处理不当会产生较大的冲击力,可能对RGV造成不同程度的机械损伤以及货物掉落等风险。因此,对RGV柔性运动控制的研究至关重要。

    穿梭车RGV配置两条导轨,轨道可设计任意长度,具有独立控制系统,采用变频调速方式,可以十分方便地与系统内其他设备实现自动化连接,很大程度上降低仓库管理成本,提高仓储出入库效率,提高劳动生产率,安全性、可靠性高。RGV通过激光测距或条码认址等方式精确定位各取送货工位,采用380V定位各取,50HZ三相四线制滑触线供电。

    本文基于智能仓储系统穿梭车RGV,提出速度曲线理论模型,通过可编程逻辑控制器(PLC)和人机界面面板(HMI)分别对速度曲线功能块进行开发和搭建仿真测试平台,对RGV速度曲线仿真测试研究,并对测试结果与理论模型进行对比分析。

    一、RGV运动速度曲线理论模型分析

    穿梭车RGV启动至停止整个运行过程可分为加速、匀速、减速三个区间,加速度的大小是影响RGV运行稳定性和可靠性的关键,若加速度过大,较大的冲击力会导致负载状态的RGV货物堕落等,加速度过小会影响整个系统的运行效率。为了保证穿梭车RGV能够在启动和停止阶段速度变化更加平缓,以及最大程度提高物流系统的运行效率,将加速阶段和减速阶段再细分为3个阶段,图1为RGV穿梭车行走电机运动速度曲线理论模型。

    现对每个阶段的运动特性分析如下:

    第1阶段:加加速阶段,加速度a逐渐增大,RGV从静止状态缓缓启动,速度逐渐增大;

    第2阶段:匀加速阶段,加速度a采用第1阶段结束时的加速度值,进行匀加速运动,这一阶段速度增加较快,但该阶段是基于第1阶段速度基础上进行加速,并不会给RGV带来很大的冲击力;

    第3阶段:减加速阶段,加速度a采用第2阶段的加速度值,进行匀减速运动直到速度增加至最大值;

    第4阶段:匀速阶段,加速度a为0,该阶段的运行时间与实际任务区间长度有关;

    第5阶段:加减速阶段,加速度为负值,绝对值逐渐减小,RGV从最大速度值开始减速;

    第6阶段:匀减速阶段,加速度a为第5阶段结束时的加速度值,进行匀减速运动;

    第7阶段:减减速阶段,加速度的绝对值在第6阶段的基础上继续减小,直到速度达到设定的末速度值,最后RGV以恒定的末速度运行至目标位置。为了减小接近末速度时由于速度突变带来较大的冲击力,减速阶段的速度变化率较小。

    通过上述对RGV速度曲线理论模型分析可知,整个运动过程中速度的变化包括了线性和非线性加减速。

    二、程序开发及仿真测试

    1. 程序开发

    基于上述速度曲线理论模型分析,在速度模型中引入S型曲线,让加减速速度变化呈S型波形曲线变化。通过SCL编程语言进行速度曲线功能块程序开发,具体过程如下:

    第一阶段加速:

    IF速度值<加速第1阶段末速度值THEN

    加速度:=加速度+加速第1阶段加速度;

    END_IF;

    第二阶段加速;

    IF速度值>=加速第1阶段末速度值AND速度值<加速第2阶段末速度值THEN

    加速度:=加速度+加速第2阶段加速度;

    END_IF;

    第三阶段加速;

    IF速度值>=加速第2阶段末速度值AND速度值<速度最大值THEN

    加速度:=加速度+加速第3阶段加速度;

    END_IF;

    第一阶段减速;

    IF速度值>减速第1阶段末速度值THEN

    加速度:=加速度-减速第1阶段加速度;

    END_IF;

    第二阶段减速;

    IF速度值>=减速2阶段末速度值+爬行速度值AND速度值<=减速第1阶段末速度值THEN

    加速度:=加速度-减速第2阶段加速度;

    END_IF;

    第三阶段减速;

    IF速度值>爬行速度值AND速度值<减速2阶段末速度值+爬行速度值THEN

    加速度:=加速度-减速第3阶段加速度;

    END_IF;

    其中,爬行速度值为RGV穿梭车接近目标位置时最小运行速度,到达目标位置后RGV停止运行,速度值变为0。

    图1 速度曲线理论模型

    图1 速度曲线理论模型   下载原图


    图2 仿真测试界面

    图2 仿真测试界面   下载原图


    2. 测试平台搭建

    为了直观地获取RGV运动速度曲线,本文采用HMI搭建仿真测试平台,如图2,组态趋势视图用于输出速度曲线,I/O域用于调整RGV速度最大值,并组态三个按钮,分别用于启动和停止速度曲线生成器,加速按钮用于触发加速模式,减速按钮用于触发减速模式。趋势视图Y轴坐标采用适用自动值范围,X轴为时间,单位为秒。

    三、仿真测试及分析

    功能块程序开发和平台搭建完成后,将程序下载到PLC中,启动HMI并连接到PLC。由于RGV穿梭车采用变频器控制电机,程序输出值为频率值,频率值50HZ对应十六进制的16384,该频率值通过以太网发送给RGV,程序输出频率值与RGV速度值同步变化,测试过程均通过采集频率值曲线来对速度变化进行分析。

    图3 测试速度曲线

    图3 测试速度曲线   下载原图


    图4 速度曲线对比图

    图4 速度曲线对比图   下载原图


    1. 仿真测试

    设置最大速度值调速比为30%,即频率值为15Hz,十六进制为4915,爬行频率值为2.5Hz,十六进制为328。按下启动按钮,点击加速按钮激活加速模式,待曲线与X轴平行后点击减速按钮激活减速模式,得到速度曲线,如图3。

    将速度曲线一个周期完整波形分为8个阶段,对每个阶段做分析如下:

    第1阶段为加加速阶段,加速模式激活后,波形呈非线性曲线上升趋势,速度值由0开始平缓逐步增大,符合缓启的设计要求;

    第2阶段为匀加速阶段,波形呈线性上升趋势,速度值均匀上升;

    第3阶段为减加速阶段,波形呈非线性曲线上升趋势,速度值增大的速度逐渐减小,直到速度值增大到最大值后不再上升,即进入第4阶段,RGV以最大速度运行;

    第5阶段为加减速阶段,减速模式被激活,波形呈非线性曲线下降趋势,速度值由最大值开始逐渐减小;

    第6阶段波形呈线性下降趋势,即匀减速阶段,波形呈线性曲线下降趋势,速度均匀减小;

    第7阶段为减减速阶段,波形呈非线性曲线下降趋势,速度平缓逐步减小,直到速度减小至爬行频率,符合缓停的设计要求;

    第8阶段即为爬行阶段,RGV以该频率值运行至目标位置。

    由上述分析可知,仿真测试速度曲线与理论模型每个阶段的速度变化趋势相一致,速度变化线性与非线性相结合,启停过程速度变化较为平滑,符合缓启缓停的控制要求,也达到了对RGV柔性运动控制的要求。

    2. 测试数据对比分析

    RGV的行程区间与系统接送货站台的位置相关,接送货站台位置不同,行程区间也不同,行程区间的大小直接影响到RGV运动过程的速度曲线。若行程区间足够长,RGV均能达到最大速度后再进行减速;若行程区间过小,RGV加速到最大速度再减速可能会没有足够的距离完成减速过程,RGV必须到达某一个速度值后就要开始减速,这就要求RGV能够在任何时刻介入减速模式后均能很好的按设计曲线完成减速。

    为验证RGV穿梭车不同行程的加减速过程是否也符合设计要求,加速模式激活后,在不同的时刻点击减速按钮激活减速模式,选取多组具有代表性速度曲线对比图,如图4。

    测试结果表明:在RGV运行过程中,无论任何阶段进入减速模式,均能按加减速、匀减速、减减速三个阶段完成减速过程,且减速曲线与理论分析模式减速阶段曲线变化趋势一致,符合设计要求。

    四、结论

    本文对智能仓储物流及生产物流系统高速轨道式导引穿梭车的柔性运动控制速度曲线进行了理论模型分析、程序开发以及仿真测试平台搭建,并通过PLC和HMI平台对程序进行仿真测试,以及对不同时刻介入减速模式的速度曲线进行测试,测试结果与理论模型速度曲线变化趋势相一致,RGV整个运动过程融合了线性、非线性加减速阶段以及匀速运动阶段,加减速过程缓启缓停效果明显,速度曲线平滑稳定,符合本文对RGV运动的柔性控制的要求。

    本文基于智能仓储系统穿梭车RGV,提出速度曲线理论模型,通过可编程逻辑控制器(PLC)和人机界面面板(HMI)分别对速度曲线功能块进行开发和搭建仿真测试平台,对RGV速度曲线仿真测试研究,并对测试结果与理论模型进行对比分析。

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