王柱，朱盛方，王天雷，康獻(xiàn)民

(1.北京信息控制研究所，北京100037;2.五邑大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東江門529020;3.五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東江門529020;4.五邑大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東江門529020)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、物流、商品制造、軍事等領(lǐng)域。隨著嵌入式系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)在更廣闊的范圍內(nèi)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，同時(shí)社會(huì)的自動(dòng)化程度日益提高也對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)在更多行業(yè)的應(yīng)用提出了現(xiàn)實(shí)需求。把自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)應(yīng)用在銀行以及安防領(lǐng)域，可以拓展銀行業(yè)務(wù)(為客戶提供貴重物品保管等業(yè)物)、加強(qiáng)企業(yè)或個(gè)人保密文件的管理，為人類帶來(lái)更多的方便，具有重要的研究?jī)r(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的硬件主要由CPAC(Computerized Programmable Automation Controller，計(jì)算機(jī)可編程自動(dòng)化控制器)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、顯示器、鼠標(biāo)、接線端子板等器件組成。軟件由安裝在CPAC 中的WinCE 嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序組成。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

CPAC 通過(guò)VGA 接口、PS/2 接口、系統(tǒng)總線接口分別連接液晶顯示器、鼠標(biāo)、接線端子板;伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電纜分別與接線端子板的控制軸接口、伺服電機(jī)連接。

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序在OtoStudio 編程環(huán)境中編制完成后，通過(guò)網(wǎng)線下載到CPAC自帶的WinCE 嵌入式操作系統(tǒng)中運(yùn)行。該系統(tǒng)以CPAC 為核心，控制6 個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，接收用戶從鍵盤、鼠標(biāo)中輸入的命令以及傳感器信號(hào)，通過(guò)顯示器顯示圖形界面程序、返回運(yùn)行結(jié)果。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPAC

CPAC 是固高科技研發(fā)的嵌入式PC、PLC 及運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)合為一體的產(chǎn)品，與“工業(yè)計(jì)算機(jī)+ 運(yùn)動(dòng)控制器”結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相比，具有更高的可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾能力和更好的性價(jià)比，是自動(dòng)化工業(yè)產(chǎn)品的理想選擇。

CPAC 分為常規(guī)型與網(wǎng)絡(luò)型。網(wǎng)絡(luò)型除具有運(yùn)動(dòng)控制功能外還支持 Googollink、Mechatrolink Ⅱ、Mechatrolink Ⅲ、RS485、CANopen、Ethernet 等現(xiàn)場(chǎng)總線。

CPAC 由嵌入式計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制模塊兩大核心部分組成。嵌入式計(jì)算機(jī)包括CPU、內(nèi)存、顯示接口、USB 接口、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、鼠標(biāo)PS/2 接口、RS232接口、RTL8139 網(wǎng)口以及WinCE 嵌入式操作系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)CPAC 的核心功能，包括電機(jī)控制模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、I/O 模塊以及其他擴(kuò)展功能模塊。

CPAC 通過(guò)總線連接端子板，在端子板上引出不同功能的接口:控制軸接口、數(shù)字量輸入接口、數(shù)字量輸出接口、RS232 調(diào)試接口(非用戶使用)、輔助編碼器接口、擴(kuò)展模塊接口、端子板電源接口、運(yùn)動(dòng)控制器連接接口。CPAC 與端子板的組成與連接如圖2所示。

圖2 CPAC 與端子板組成原理圖

CPAC 主要性能特點(diǎn):(1)每軸輸出差分脈沖，最高頻率:1 MHz;(2)每軸輸出電壓，范圍:-10～10 V，精度:16 位;(3)每軸編碼器反饋通道，倍頻可達(dá)8 MHz;(4)每軸Home、Index 及探針硬件捕獲功能;(5)每軸正負(fù)限位、伺服報(bào)警輸入及報(bào)警清除;(6)對(duì)稱及非對(duì)稱T 型曲線，S 型曲線速度規(guī)劃與PT(位置與時(shí)間)/PTV(位置、速度及時(shí)間)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃;(7)JOG 模式、電子齒輪、Follow模式(電子凸輪)、直線/圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)模式、位置比較輸出及運(yùn)動(dòng)合成功能;(8)小段的連續(xù)軌跡優(yōu)化策略-前瞻預(yù)處理功能，支持閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制，數(shù)字濾波器:PID+速度前饋+加速度前饋，運(yùn)動(dòng)控制器上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)邏輯管理，可運(yùn)行32 個(gè)高速PLC 進(jìn)程。(9)限位。伺服報(bào)警輸入與通用數(shù)字輸入可相互配置，16 路通用數(shù)字輸入/16 路通用數(shù)字輸出，并具有高速IO 計(jì)數(shù)功能，可擴(kuò)展數(shù)字IO 模塊、AD/DA模塊

2.2 交流伺服電機(jī)系統(tǒng)

伺服電機(jī)系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部包含:位置控制單元、速度控制單元和驅(qū)動(dòng)單元。依據(jù)控制方法，通用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般分為位置伺服、速度伺服、轉(zhuǎn)矩伺服。自動(dòng)化存取系統(tǒng)根據(jù)貨架的準(zhǔn)確位置進(jìn)行存取貨動(dòng)作，對(duì)位置精度的要求嚴(yán)格，故該系統(tǒng)采用的是位置伺服。

伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)CPAC 發(fā)送的指令驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)之間為閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)伺服電機(jī)送回的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制修正工作。圖3 為伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)的接線示意圖。

圖3 驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)接線示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式服務(wù)器軟件總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的軟件主要由兩部分組成:(1)圖形界面;(2)電機(jī)控制模塊。硬件連接正確后給系統(tǒng)上電，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化完成后程序進(jìn)入主循環(huán)，等待用戶刷卡。如果有用戶刷卡，系統(tǒng)將到數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢?cè)搸ぬ?hào)是否已經(jīng)開(kāi)通并且在有效期內(nèi)。如果查詢成功，則彈出對(duì)話框，要求用戶輸入箱號(hào)與密碼，否則系統(tǒng)返回初始界面，等待新的用戶請(qǐng)求。接著用戶輸入箱號(hào)與密碼，如果輸入正確，堆垛機(jī)開(kāi)始執(zhí)行取箱動(dòng)作，否則提示重新輸入正確的箱號(hào)與密碼，每天的錯(cuò)誤輸入不得超過(guò)3 次，超過(guò)3 次后則當(dāng)天不再響應(yīng)該用戶的請(qǐng)求。

堆垛機(jī)取箱完成后，用戶在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì)保管箱進(jìn)行操作，超時(shí)后系統(tǒng)彈出超時(shí)提示，要求用戶在30 s 內(nèi)完成操作。當(dāng)用戶點(diǎn)擊存箱命令或因超時(shí)自動(dòng)執(zhí)行存箱命令，堆垛機(jī)執(zhí)行存箱動(dòng)作;當(dāng)堆垛機(jī)存箱到位后，系統(tǒng)提示存箱成功，等待用戶退出系統(tǒng)。當(dāng)用戶點(diǎn)擊退出命令或因超時(shí)退出后，系統(tǒng)進(jìn)入初始界面，等待新的請(qǐng)求。控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)程序流程圖

3.2 OtoStudio 簡(jiǎn)介

OtoStudio 是用于控制系統(tǒng)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。OtoStudio 包含有控制方案編輯器和仿真調(diào)試器，是一套完整控制編輯和調(diào)試軟件包，它為程序員提供了一種操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大的編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)各種控制方案，并提供功能強(qiáng)大的離線仿真調(diào)試工具。它為CPAC 提供了相應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。OtoStudio 開(kāi)發(fā)環(huán)境如圖5所示。

用OtoStudio 進(jìn)行一個(gè)項(xiàng)目的完整開(kāi)發(fā)過(guò)程需要按下列步驟順序進(jìn)行:(1)打開(kāi)OtoStudio 軟件。(2)新建一個(gè)項(xiàng)目。(3)進(jìn)行目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。(4)選擇主程序的編程語(yǔ)言(IL、ST、F- BD、LD、SFC、CFC)。⑤在資源的庫(kù)文件管理器里加載相應(yīng)的庫(kù)文件。(6)在資源的PLC 配置里進(jìn)行相應(yīng)的PLC 配置。(7)在POUS(程序組織單元)中進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)。(8)在可視化界面里進(jìn)行可視化界面的編寫。(9)按照需要進(jìn)行相應(yīng)的任務(wù)配置。(10)對(duì)程序進(jìn)行編譯、仿真調(diào)試。(11)編譯通過(guò)后設(shè)置通信參數(shù)。(12)登錄進(jìn)行程序的下載。(13)運(yùn)行工程。(14)設(shè)置密碼保護(hù)。

圖5 OtoStudio 開(kāi)發(fā)環(huán)境

該控制系統(tǒng)采用的目標(biāo)系統(tǒng)是CPAC GUC-X00-TPX，編程語(yǔ)言為ST(結(jié)構(gòu)化文本)。

3.3 控制系統(tǒng)運(yùn)行、測(cè)試結(jié)果

在OtoStudio 編程環(huán)境中編輯、編譯好程序后通過(guò)程序下載命令把程序下載到CPAC 上運(yùn)行，液晶屏上出現(xiàn)一個(gè)歡迎界面等待用戶刷卡進(jìn)行身份驗(yàn)證。當(dāng)用戶刷卡后，如果該卡號(hào)已經(jīng)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中并且在有效的使用期內(nèi)，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)將彈出如圖6所示的用戶界面。

圖6 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)用戶界面

用戶取箱時(shí)需輸入正確的箱號(hào)與密碼，任何一項(xiàng)不匹配系統(tǒng)都會(huì)彈出提示框要求重新輸入。每位用戶一天最多有3 次輸入不匹配的機(jī)會(huì)，超過(guò)3 次則鎖定該用戶的帳號(hào)，系統(tǒng)將返回初始?xì)g迎界面，不響應(yīng)該用戶的任何請(qǐng)求。輸入正確的箱號(hào)與密碼后，CPAC查詢相應(yīng)箱號(hào)在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中的位置，位置信息記錄保管箱在X、Y、Z三根軸上的坐標(biāo)(脈沖數(shù))，然后向堆垛機(jī)中的伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)堆垛機(jī)沿著導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行取箱動(dòng)作。當(dāng)堆垛機(jī)把保管箱送到出貨臺(tái)后，出貨臺(tái)上的3 個(gè)伺服電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)平移、旋轉(zhuǎn)、升降機(jī)構(gòu)把保管箱送達(dá)出貨口，供用戶存取物品。存取操作完成后用戶點(diǎn)擊存箱命令，堆垛機(jī)執(zhí)行存箱命令，存箱動(dòng)作與取箱動(dòng)作相反。

在程序中可以設(shè)置電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、加速度。綜合存取時(shí)間、堆垛機(jī)慣性、噪聲、振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響后，選擇了一個(gè)最佳速度。從用戶點(diǎn)擊取箱命令到用戶可以操作自己的保管箱，總時(shí)間約40 s，達(dá)到了比較好的性能。圖6 和圖7 分別為自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)用戶界面和自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)物圖。

圖7 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

基于CPAC 建立了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，對(duì)用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證，接收、響應(yīng)用戶的命令并顯示系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，能精確控制堆垛機(jī)的速度與位置，對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警，具有較高的可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾能力以及存取速度快、通信能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工作中，效果良好。

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