CN103359490A - 电能表周转箱自动装车系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电能表自动装车的系统装置，该电能表自动装车系统实现了电能表从立库出库到货车内自动装车工作。本系统由接驳系统、自动搬运码垛机器人和倒车诱导系统组成。本系统与立库输送线和货车车厢接驳，并与上层管控平台通信，当系统与三部分接驳成功后，系统开始在出库口实时核对出库信息与订单信息，若不符，系统停止作业并报警，报警排除后恢复作业；若符合，周转箱由输送线送到本系统的垂直双向移栽平台，而后被输送到装车机上，装车机抓取两垛电能表沿轨道行驶到货车车厢内的相应位置进行码垛操作，然后返回作业平台接取下两垛电能表。本发明经现场实际工作测试效果不错，解决了现有电能表装车强度大、效率低的难题。

Description

电能表周转箱自动装车系统

1.技术领域

本发明涉及电能表的自动装车。 

2.背景技术

目前全国省市级计量中心电能表装车的模式仍采用人工装车模式，这些电能表计量中心的年出库量达到十万只左右，凭人工作业具有劳动强度大、工作效率低下等弊端，这就促使相关部门采用更先进的装车模式和更先进的管理手段，使电能表的装车工作能够高效、可靠、准确地完成，以适应电力事业的发展需要。 

采用自动化装车系统进一步提高计量中心的自动化程度、提高劳动生产率是各计量机构的共同愿望。目前国内外从事电能表自动装车的研究还是空白，因此迫切需要研发一款可以对电能表进行自动装车的系统解决此行业现有电能表装车强度大、效率低等难题。 

3.发明内容

针对上述目前电能表装车情况，本发明主要是解决这一问题，设计一套电能表自动装车系统，实现电能表的自动装车。本发明的主要内容是设计一种自动化装置完成电能表的自动装车工作，有一定的实际应用价值及市场前景。 

3.1功能及使用 

该电能表自动装车系统实现了电能表的自动装车工作。首先再运行系统前，检查系统以确保电能表自动装车系统一切正常。一切正常后按下系统运行按钮S1，电能表自动装车系统开始启动，系统运行指示灯L1亮起，然后系统接收上层管控平台发送来的订单并在系统触摸屏上显示，操作人员根据实际装车需要在触摸屏上点击将要进行的装车订单，此时被选择的订单呈现蓝色，系统将需要装车的订单信息，如电能表数量、型号、需求单位和货车车号，发送给上层管控平台，上层管控平台将需要装车的订单信息发送给立库系统，当电能表自动装车系统发送给立库准备好装车信号后，立库开始根据需求进行相应的电能表检出，电能表自动装车系统在输送线末端经条形码扫描仪检测核对出库电能表是否为所需电能表，若出库信息错误，则电能表自动装车系统报警，立库停止出库，待报警排除后正常出库装车，若信息正确，电能表自动装车系统接取立库输出的电能表，并在货车车厢内进行相应的码垛操作，此过程为全自动运行的，若在装车作业过程中系统任何环节出现故障，系统会立即停止所有工作，报警指示灯L3开始闪烁，并发出报警声音，此时操作人员为保证检修时的人身安全，按下停止急停开关S，然后查看故障原因，排除故障后，松开急停开关S，按下按钮S3消除 报警信息，点击系统运行按钮S1，系统会恢复运行，继续进行相应的装车作业直至装车任务完成，此时系统触摸屏弹显示某订单装车任务完成。所有装车任务完成后，操作人员按下停止按钮S2，关闭系统电源，工作停止。 

3.2系统总体概况 

该电能表自动装车系统实现了电能表从立库出库到货车装车的自动装车工作。系统主要由接驳系统、自动箱搬运码垛机器人系统和倒车诱导系统组成。 

接驳系统：要想完成电能表的自动装车工作，首先需要实现输送线-货车车厢的机构接驳工作，该系统实现了输送线-货车车厢的间接接驳，为电能表的自动装车和输送奠定基础。 

自动搬运码垛机器人系统：该系统是电能表自动装车系统的核心部分，主要负责电能表从电能表自动装车系统作业平台到货车车厢的自动搬运工作和在货车车厢内实现自动码垛操作。 

倒车诱导系统：在货车停靠时，为保证货车车厢停靠在适于自动装车的位置，且货车车身要正，此系统实时辅助货车司机，帮助司机把货车停在理想区域，为实现输送线-货车车厢机构对准和自动装车做准备。 

电能表自动装车系统具体工作过程：上层管控平台将出库订单发送给电能表自动装车系统，电能表自动装车系统接收到一若干出库订单，并在触摸屏上显示，操作人员根据实际需要，在电能表自动装车系统触摸屏上选择需要装车的订单。此时操作人员可以根据需要出库电能表的数量选择电能表的堆垛模式，从而合理的在车厢内进行电能表布局。电能表自动装车系统将装车订单信息发送给上层管控平台，上层管控平台接收到装车订单信息后转发给立库系统，当立库接收到电能表自动装车系统准备好装车信号后，立库开始对所需数量和型号的电能表进行检出，电能表自动装车系统在输送线末端经条形码扫描实时核对出库电能表信息是否正确，若出库电能表信息不正确，电能表自动装车系统报警，立库停止出库，待报警消除后立库正常出库，系统并进行装车作业，若出库电能表信息正确，则按正常程序进行装车工作。电能表自动装车系统在输送线末端接取电能表到电能表自动装车系统垂直双向移栽平台上，然后等垂直双向移栽平台与装车机机构对准后将电能表输送到装车机上，装车机的行驶轨道与货车车厢内轨道对准后，装车机抓取两垛电能表沿轨道行驶到货车车厢内，经伺服位置控制和传感器感知进行车内定位，并在相应位置根据传感器检测和选择的堆垛模式进行码垛操作，码垛结束后装车机返回作业平台接取下两垛电能表。整个电能表自动装车系统如此往复工作直至装车任务完成。 

3.3系统功能的实现 

为实现电能表的自动装车，本发明设计建立了一套自动控制系统来控制协调整个装置的 相关动作。该系统的控制系统以研华PCM-9562工控机和松下FP-X C30T PLC作为核心运动控制部件。工控机、PLC、触摸屏及上层管控平台之间通过Ethernet进行通信。上层管控平台首先将所要出库的任务订单通过Ethernet通信方式传送给电能表自动装车系统，该系统工控机接收到任务订单之后，采用Modbus/TCP通信协议将订单信息发送到昆仑通态触摸屏显示出来，操作人员根据实际需要选择合适的出库订单并将选择结果经工控机反馈回上层管控平台，上层管控平台然后给立库下达相应订单的出库命令，立库接到相关命令后进入准备出库状态，当电能表自动装车系统发送准备好装车信号后，立库系统开始对电能表进行检出。在出库的同时立库系统将出库的电能表信息反馈回上层管控平台，上层管控平台将出库电能表信息转发给电能表自动装车系统，系统工控机负责接收信息，电能表自动装车系统条形码扫描仪在输送线末端扫描出库电能表信息，将扫描的数据通过串口通信发送给系统工控机，工控机对扫描的数据和上层管控平台发来的数据进行核对，检验出库信息是否正确。并将核对后的结果发送给触摸屏显示，若出库错误，发送报警信息给报警系统。出库正确时，电能表自动装车系统工控机和PLC结合底层传感器反馈回来的信号向运动执行器发出相应的运动控制指令。伺服控制器和相关的液压控制器接收到相关的控制指令后，控制相应伺服电机或者油缸进行相应运动，以此来自动执行装车任务，实现各功能单元要求。装车完成后，电能表自动装车系统会经工控机主动向上层管控平台上传装车信息。同时在电能表自动装车系统运行过程中，可以通过上层管控平台实时监控各个作业环节及设备运行状况，提供故障报警信号以及出库验证信号等。整个控制系统的基本结构见说明书附图控制系统基本结构图。 

本发明实现了电能表以周转箱为单位自动装车的目的。 

4.附图说明

图1为本发明的电能表自动装车系统结构图。 

图2为本发明的系统总体工作流程图。 

图3为本发明的控制系统的基本结构图。 

图4为本发明的Modbus/TCP通信流程图。 

图5为本发明的位置伺服控制系统工作原理示意图。 

图6为本发明的PLC实现位置控制图。 

图7为本发明的电机或油缸控制软件流程图。 

图8为本发明按照满载情况进行堆垛形成的特殊状况图 

图9为本发明的堆垛模式一图。 

图10为本发明的堆垛模式二图。 

图11为本发明的堆垛模式三图。 

图12为本发明的出库管理系统框图。 

图13为本发明的触摸屏主界面示意图。 

图14为本发明的Modbus TCP数据帧格式。 

5.具体实施方式

图1给出了本发明的电能表自动装车系统结构图。电能表自动装车系统结构由垂直双向移栽平台、作业平台、水平调整装置、装车机和顶车器五部分组成。垂直双向移栽平台是为了与输送线相接驳，接取输送线电能表而设计，由松下FP-X C30T PLC控制两台750W松下伺服电机控制接取平台的上下运动和两台200W松下伺服电机控制接取平台的水平运转，垂直双向移栽平台的横向运动由一个液压油缸控制。作业平台用于实现电能表自动装车系统与货车车厢、输送线机构对准和方便系统作业而设计的一个平台。水平调整装置由一个液压油缸控制其横向位置调整，以实现装车机与货车车厢的对准。装车机由一个松下FP-X C30TPLC控制两个200W松下伺服电机采用链条式方式传送输送来的电能表，在装车机前端由两个200W松下伺服电机控制托盘机构将电能表送出。再由一个松下FP-X C30T PLC控制两个750W松下伺服电机带动抓手采用位置控制方式运动抓取电能表。顶车器由一个液压油缸控制顶起货车车厢防止因装车自动下沉而引起机构未对准。 

图2给出了本发明的系统总体工作流程图。上层管控平台将出库订单发送给电能表自动装车系统，电能表自动装车系统接收到一若干出库订单，并在触摸屏上显示，操作人员根据实际需要，在电能表自动装车系统触摸屏上选择需要装车的订单。此时操作人员可以根据需要出库电能表的数量选择电能表的堆垛模式，从而合理的在车厢内进行电能表布局。需要装载电能表的货车此时在倒车诱导系统的辅助诱导下，将货车相对准确的停在装车口处。电能表自动装车系统将装车订单信息发送给上层管控平台，上层管控平台接收到装车订单信息后转发给立库系统，当立库接收到电能表自动装车系统准备好装车信号后，立库开始对所需数量和型号的电能表进行检出，电能表自动装车系统在输送线末端经条形码扫描实时核对出库电能表信息是否正确，若出库电能表信息不正确，电能表自动装车系统报警，立库停止出库，待报警消除后立库正常出库，系统并进行装车作业，若出库电能表信息正确，则按正常程序进行装车工作。当电能表自动装车系统垂直双向移栽平台与输送线实现机构对准后，接取电能表到电能表自动装车系统垂直双向移栽平台上，然后等垂直双向移栽平台与装车机机构对准后将电能表输送到装车机上，装车机的行驶轨道与货车车厢内轨道对准后，装车机抓取两 垛电能表沿轨道行驶到货车车厢内，经伺服位置控制和传感器感知进行车内定位，并在相应位置根据传感器检测和选择的堆垛模式进行码垛操作，码垛结束后装车机返回作业平台接取下两垛电能表。整个电能表自动装车系统如此往复工作直至装车任务完成。 

图3给出了本发明的控制系统的基本结构图。电能表自动装车系统通过工控机采用Ethernet通信方式实现与上层管控平台之间互相进行数据通讯。这样工控机可以接收上层管控平台发送来的订单信息和实时出库电能表信息，并可以经条形码扫描仪的扫描实时核对出库信息是否正确，并将核对的结果和装车的实时信息反馈给上层管控平台。于此同时工控机也将这些信息发送给触摸屏显示，也可以接收触摸屏的按钮动作指令来控制相应的动作。工控机和松下PLC之间也进行数据交换，由5个松下FP-X C30T PLC控制11台相应型号的松下伺服电机和3台液压油缸，在底层传感器和限位装置的配合下实现执行机构的动作，实现系统的自动运行，从而实现电能表的自动装车作业。 

图14给出了本发明设计的Modbus TCP数据帧格式图。在初始任务选择的过程中。工控机主要起到数据周转服务器的作用：接收上层管控平台发送的数据信息，并转发给触摸屏进行数据显示，触摸屏做出相应选择之后返回选择信息，工控机接收再转发给上层管控平台。当整个装车系统运行时，工控机负责接收上层管控平台发送的出库信息，并与扫描仪扫描到的信息进行比对，若不一致，则发出报警信号，并将报警信息反馈给上层管控平台，停止出库。 

数据交换是采用基于TCP/IP的Modbus TCP协议，数据帧包括报文头，功能码和数3个部分，如图所示。MBAP Header(MODBUS Applicant ion Protocol Header)由7个字节组成，是Modbus/TCP协议的头部，分4个域，其中Transact ion Identifier为传输标志，在主/从通信过程中标志Modbus请求或响应的传输，通常由主站生成，从站在响应请求时复制该值；Pro to col Identifier为协议标志，其值为0时表明是Modbus协议，其值为1时表明是UNI-TE协议；Length是长度域，即该域后续字节的总和；Unit Identifie是单元标志，用于定义从站的设备地址。其后的PDU(Protocol Data Unit)同串口协议一致，考虑到TCP网络是可靠的数据传输网络，不再有校验数据。 

根据上述信息，我们建立的数据读取时的请求报文的数据帧格式为 

写入数据时的报文数据帧格式为 

上述示例中数据帧报文采用的都是十六进制数 

图4给出了本发明设计的Modbus/TCP通信流程图。如图所示，读数据和写数据是在不同的线程中进行的，另外当工控机与触摸屏和上层管控平台通信时需要分别建立不同的套接字。 

图5给出了本发明的位置伺服控制系统工作原理示意图。位置给定信号与反馈信号之差值通过调节器进行动态校正，然后送至速率调节器、电流调节器、即经过外环、中环、内环三个闭环调节器的校正再由模拟功率接口驱动伺服电机，实现位置伺服控制。位置环处理时采用PID算法，通过调节比例、积分、微分的参数，使伺服电机获得较好的动态性能，使得实际位置与期望位置偏差较小，从而使得系统保持较高的运动精度。 

图6给出了本发明的PLC实现位置控制图。伺服电机转一圈所走的行程和转一圈所需要的脉冲数是已知的，为实现执行机构所要行走的固定距离，可推知需要伺服电机所转的圈数，从而计算出所需PLC发出的脉冲数量。从图中可以看出，PLC发出所需脉冲经伺服电机驱动器驱动伺服电机进行相应的运转，从而完成伺服电机的位置控制。 

图7给出了本发明的电机或油缸控制软件流程图。电能表自动装车系统经初始化后检测是否需要运动，当需要执行运动时，伺服系统控制端口发出脉冲给伺服电机驱动器或油缸控制器，驱动伺服电机或油缸开始运动，传感器实时检测执行装置的位置所在，当机构达到所需位置后，传感器向控制器发送位置到达信号，控制器停止发送脉冲信号，伺服电机或油缸停止运动。 

图8给出了本发明按照满载情况进行堆垛形成的特殊状况图。理想状态下的装车模式是当输送线的两个出货口各送来一垛(5箱电能表)，即两垛电能表时，电能表自动装车系统开始接取这两垛电能表，并对这两垛在货车车厢内进行码垛操作，货车车厢的长度是内部净宽度为1690mm，净高度为1700mm，长度为3665mm，而电能表周转箱尺寸为700×420×110mm，按照车厢容积计算，车厢内放置周转箱的布局是15×8×2，即一个位置是3垛(15 箱)电能表，放8排，每排放2列电能表。理想状态下若每次出库的电能表都是满垛，即为5箱的时候，在货车车厢里每个位置码垛三次，码垛后的效果图见图所示。 

图9给出了本发明的堆垛模式一图。码垛模式在理想状态下如图10所示，但立库系统不是每次出库电能表的数量正好是理想状态下的，有时会出现不满一垛也出库的情况，再者就是不是每次出库数量都是满车厢的，若是出库数量不满车的话，用这种方式码垛的话会出现堆垛不稳定，在运输的过程中会出现倾倒的问题，因此此时不能再按照理想状态下码垛，故当装车电能表周转箱数量≤80箱时，则堆垛时只堆1层(5箱一层)，即每个位置只码垛一次，从车厢最里端往外开始堆垛，直到所有电能表周转箱完成装车为止，如图所示。 

图10给出了本发明的堆垛模式二图。同图11的道理，当装车电能表周转箱数量＞80箱且≤160箱时，为堆垛稳定，部分采用两层堆垛方式，最里面开始堆2层，到达一定位置之后再开始堆1层。堆2层的次数为不小于(N-80)/10的整数，如图所示。 

图11给出了本发明的堆垛模式三图。当电能表周转箱数量＞160箱且≤240箱时采用3层堆垛方式，最里面堆3层，到达一定数量时再开始堆2层。堆3层的次数为不小于(N-160)/10的整数，如图所示。 

图12给出了本发明的出库管理系统框图。电能表自动装车系统软件主要包括三个部分，分别为订单接收、出库任务选择以及运动控制等功能。系统首先由出入库管理系统接收上层管控平台出货订单信息，并将上述信息转发给显示屏进行出库任务选择。用户对出库单进行选择以后，对管理系统进行出库单确认返回出库码垛数，码垛结构等各种参数；同时发送相关信息给PLC，PLC发出相关指令控制相应电机实现自动装车，在装车过程中工控机还要接收管控平台返回的立库出货信息，与条码阅读器检测到的相应的周转箱信息进行对比，对比结果无误则启动装车程序进行装车，否则返回故障信息。 

工控机软件编程主要完成以下功能： 

1.接收管控平台发出出货订单信息，转发给触摸屏； 

2.接收触摸屏出货任务选择、码垛周转箱数量、堆型，层数等相关信息，讲任务选择信息反馈给上层管控平台，将码垛数量、堆型、层数等参数发送给PLC； 

3.接收管控平台转发回的立库出货信息、并与接收到的扫描仪扫描到的周转箱信息进行对比，判断是否故障，讲判断结果返送给管控平台进行显示； 

4.接收PLC返回的装车完成数量等相关信息返回到触摸屏上进行显示，同时返回到上层管控平台进行显示。 

图13给出了本发明的触摸屏主界面示意图。系统监控及参数设置界面主要是通过工控触摸屏集成的MCGS组态开发软件所开发。触摸屏主界面主要是显示现场电能表自动装车系统的 模拟画面、订单信息、出库订单信息和装车的订单信息。运行所编写软件实现的主要功能包括： 

1.首先接收出货任务列表信息，并选择合适的出货执行任务。 

2.在触摸屏上进行参数修改设置，包括修改码垛的周转箱数量、周转箱码垛的堆形，码垛层数等； 

3.实时动态监测各工作环节及设备运行情况； 

4.实现故障停车和报警显示等功能。 

5.定时存盘，可以查询历史装车记录。 

实际运行过程中相关操作可直接用手点击相关页面进行设置，相关参数回自动进行更新，具体的编程部分这里就不在赘述。 

经现场作业试验，本发明实际效果不错，实现了电能表以周转箱为单位从立库出库到货车装车的自动装车工作，解决了现有电能表装车强度大、效率低的难题，实现了电能表装车自动化和电能表物流智能化，使电能表的装车工作能够高效、可靠、准确地完成，最大程度上节省人力、物力，充分体现“讲究实效、完善管理、提升品质、增创效益”的主题，为适应电力事业的快速发展奠定了基础。 

Claims (2)

1.一种电能表自动装车系统，系统主要由周转箱自动化移动装载车，仓储装卸移动载物机器人机构，倒车诱导系统组成。

2.该电能表自动装车系统，其特征在于：

(1)集水平垂直移栽、水平搬运、码垛功能于一体，并具有倒车诱导及自动轨道对准功能的电能表自动装车系统机构。

(2)基于多传感器导引信息的倒车自动诱导技术，通过多种信息融合进行车辆定位，并对倒车轨迹进行实时监控与修正。

(3)通过水平及垂直自调整机构，结合多种距离测量手段，实现了带有实时位置修正的装车机轨道自动定位技术。

(4)通过车载位置测量系统，基于反馈位置信息进行车厢内自动码垛，并具有自动故障报警、诊断与恢复功能。

Images