CN113794426B - 回转库料斗速度及位置闭环控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种回转库料斗速度及位置闭环控制系统及控制方法，以解决现有的回转库料斗定位精度不高、取货时间较长的问题。该系统包括速度编码器、料斗当前层号编码器、PLC控制器及变频器。速度编码器用于采集变频电机输出转速的数据，料斗当前层号编码器用于获取料斗当前层号的数据；PLC控制器包括高速计数器、减法器、数字PID调节器，高速计数器用于读取数据并获得变频电机输出转速和料斗当前层号，减法器用于计算料斗目标层号与料斗当前层号的差值，数字PID调节器根据预定输入频率值、变频电机输出转速、料斗目标层号与料斗当前层号的差值及变频电机的转矩，计算变频器的输出频率；变频器根据数字PID调节器发送的输出频率驱动变频电机运行。
Description
技术领域
本发明涉及智能仓储设备领域，具体涉及一种回转库料斗速度及位置闭环控制系统及控制方法。
背景技术
回转库作为一种智能仓储设备，目前已陆续进驻各个仓库管理现场。现有的回转库大多采用交流电机驱动料斗，并采用开环控制实现料斗的运行。由于交流电机具有参数时变、负载扰动以及交流电机自身的非线性机械特性，导致回转库在存取货物时存在料斗定位精度不高、取货时间较长的问题。
发明内容
为了解决现有的回转库采用交流电机驱动料斗，并采用开环控制实现料斗的运行，导致料斗定位精度不高、取货时间较长的问题，本发明现提供一种回转库料斗速度及位置闭环控制系统及控制方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种回转库料斗速度及位置闭环控制系统，其特殊之处在于：
包括速度编码器、料斗当前层号编码器、PLC控制器及变频器；
所述速度编码器安装在变频电机的转轴上，用于实时采集变频电机输出转速的数据，并送入PLC控制器；
所述料斗当前层号编码器安装在变频电机减速器的低速端，用于获取料斗当前层号的数据，并送入PLC控制器；
所述PLC控制器包括高速计数器、减法器和数字PID调节器；所述高速计数器用于读取速度编码器和料斗当前层号编码器的数据并进行计数，获得变频电机输出转速和料斗当前层号；所述减法器用于计算料斗目标层号与料斗当前层号的差值；所述数字PID调节器根据预定输入频率值、高速计数器输出的实时变频电机输出转速、减法器输出的料斗目标层号与料斗当前层号的差值以及从变频器读取的变频电机转矩，计算变频器的输出频率，并送入变频器；
所述变频器根据数字PID调节器发送的输出频率驱动变频电机启动、停止、正转、反转以及速度切换。
进一步地，还包括温度传感器，用于采集变频电机温度，并发送给PLC控制器；所述PLC控制器在温度高于设定值时降低变频器的输出频率。
进一步地，还包括上位机；所述上位机与PLC控制器通过路由器通信，用于向PLC控制器发送控制命令。
进一步地，还包括设置在回转库存取口、原点位置处的多个检测开关，用于料斗到位检测、货物测高和/或货物称重，并将检测结果送入PLC控制器。
进一步地，所述PLC控制器为西门子S7-200 SMART系列PLC。
一种回转库料斗速度及位置闭环控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)速度编码器实时采集变频电机输出转速的数据，并送入PLC控制器，经高速计数器计数获得变频电机输出转速；料斗当前层号编码器获取料斗当前层号的数据，并送入PLC控制器，经高速计数器计数获得料斗当前层号，再由减法器对料斗目标层号与料斗当前层号进行减法运算，得到料斗目标层号与料斗当前层号的差值；
2)PLC控制器的数字PID调节器根据预定输入频率值、高速计数器输出的实时变频电机输出转速、减法器输出的料斗目标层号与料斗当前层号的差值以及从变频器读取的变频电机转矩，计算变频器的输出频率；
3)PLC控制器通过控制变频器的输出频率，实现变频电机的启动、停止、正转、反转以及速度切换；
其中，PLC控制器根据减法器的计算结果决定变频电机正转或反转：
若
或者，
则变频电机正转；
若
或者，
则变频电机反转；
式中：
DetNum为料斗目标层号；
PresNum为料斗当前层号；
MaxNum为总层数。
进一步地，所述步骤3中，PLC控制器控制变频器的输出频率，具体是通过比例控制P和积分控制I实现的，其中，比例控制系数KP＝0.5T1/T2；积分控制系数KI＝4T2；T1为变频器的启动时间，T2为变频器的延时时间。
进一步地，所述步骤2具体为：
2.1)根据减法器输出的料斗目标层号与料斗当前层号的差值，设置系统加速点和系统减速点；其中，系统加速点为启动时间后的X秒时刻，系统减速点为距离目标层号还剩Y个脉冲位置时刻；
2.2)系统启动，此时为转矩控制模式，变频器输出频率为预定输入频率值；
2.3)当启动后达到系统加速点时，切换为速度控制模式，变频器的输出频率与速度成正比，根据变频器的加速斜坡曲线，变频电机由预置加速度加速至最大速度，此时变频器的输出频率与速度编码器实时采集的变频电机输出转速形成速度闭环；
2.4)当运行达到系统减速点时，此时变频器的输出频率与当前层号编码器输出的实时位置脉冲形成位置闭环，并根据预设的变频电机速度-时间曲线计算变频器的输出频率。
进一步地，还包括过原点位置时设置料斗当前层号编码器的步骤和/或采集变频电机温度并传送给PLC控制器的步骤：
当变频电机正转至料斗经过原点位置时，将当前层号编码器值清零；当变频电机反转至料斗经过原点位置时，将当前层号编码器整圈值赋值给高速计数器；
温度传感器采集变频电机温度并传送给PLC控制器，PLC控制器在温度高于设定值时降低变频器的输出频率。
进一步地，所述步骤2.1中，系统加速点为启动时间后的10秒时刻，系统减速点为距离目标层号还剩2500个脉冲位置时刻。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明提供的回转库料斗速度及位置闭环控制系统，主要运用编码器实现位置闭环控制和速度闭环控制，达到精准、快速停车，减少定位故障。通过速度编码器检测变频电机输出转速，运用PLC控制器自带的数字PID调节器控制变频器的输出频率，并加入了速度PI参数设计，使得系统动态响应高。运用PLC控制器的高数计数器、减法器，有效判断变频电机的运转方向，缩短了取货时间，提高了工作效率。
通过温度传感器采集变频电机温度，并传送给PLC控制器，当温度高于设定值时，降低变频器的输出频率，防止变频电机过热导致数据不准。
附图说明
图1是本发明回转库料斗速度及位置闭环控制系统的示意图；
图2是本发明回转库料斗速度及位置闭环控制系统的原理图；
图3是使用本发明回转库料斗速度及位置闭环控制系统的智能仓储设备出入库流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种回转库料斗速度及位置闭环控制系统及控制方法作进一步详细说明。
回转库主体为立体框架式结构，上下主传动轴通过轴承及轴承座置于左右两骨架之间；料斗经曲柄连杆与封闭链条连接，通过封闭链条与上下主传动轴上的链轮啮合，构成回转库的传输主体；变频电机通过链轮、链条带动传输主体沿环型导轨运行，实现回转库的循环运行；通过PLC控制器控制变频器的输出频率，以实现变频电机的启动、停止、正转、反转以及速度切换，达到自动控制的效果。
回转库以料斗为存储单元，通过触摸屏操作，软件控制寻址，链条传动使料斗在回转库柜体内循环转动，将存放货物的料斗取到操作者面前。
回转库的运动轨迹分为：货物在前后两面的垂直升降和上下两端圆弧运动两部分。
货物的升降运动：货物放置在料斗内，回转库底座上安装变频电机，变频电机带动链轮转动，两根链条通过曲柄和料斗连接，曲柄上导轮在前后两侧运行，在直线导轨内实现了料斗的上下运动。
货物的圆弧运动：两侧骨架上安装有圆弧导轨，料斗上安装有曲柄和导轮，导轮在上下两端运行，在圆弧导轨内实现货物的圆弧运动。
本实施例中，回转库料斗速度及位置闭环控制系统包括速度编码器、料斗当前层号编码器、PLC控制器、变频器、温度传感器以及上位机，如图1所示。
速度编码器安装在变频电机的转轴上，用于实时采集变频电机输出转速的数据，并送入PLC控制器。料斗当前层号编码器安装在机械传动的末端，本实施例中，具体安装在变频电机减速器的低速端，用于获取料斗当前层号的数据，并送入PLC控制器，可以提高位置控制精度与位置到位响应。
PLC控制器为西门子S7-200 SMART系列PLC，包括高速计数器、减法器、数字PID调节器。高速计数器用于读取速度编码器和料斗当前层号编码器的数据并进行计数，获得变频电机输出转速和料斗当前层号。减法器用于计算料斗目标层号与料斗当前层号的差值。数字PID调节器根据预定输入频率值、高速计数器输出的实时变频电机输出转速、减法器输出的料斗目标层号与料斗当前层号的差值以及变频电机转矩，计算变频器的输出频率，并送入变频器。变频电机转矩的计算公式为T＝K1*P/N，其中，P为变频电机的输出功率，N为变频电机的输出转速，K1为常量系数，K1＝9549；变频电机转矩值由PLC控制器从变频器读取。
变频器根据数字PID调节器发送的输出频率驱动变频电机启动、停止、正转、反转以及速度切换。
温度传感器用于采集变频电机温度，并传送给PLC控制器，PLC控制器在温度高于设定值时降低变频器的输出频率，通过降低输出频率的方法保证生产过程的正常进行。
上位机与PLC控制器通过路由器进行通信，用于向PLC控制器发送控制命令，管理PLC控制器的CPU。上位机与PLC控制器完成通讯接线以后，上位机做主站，发送命令至PLC控制器，再由PLC控制器发送数字信号至变频器。
回转库存取口、原点位置处设置有多个检测开关，用于料斗到位检测、货物测高和/或货物称重，并将检测结果送入PLC控制器。同时，回转库上装有多种用于定位和安全保护的传感器，它们通过数字I/O口将信号传递到PLC控制器。PLC控制器通过读取各传感器的信号来控制变频电机运转，达到可靠定位、安全运行。如果在操作过程中发生某些故障，回转库会立即停止运行以保证安全。
回转库总电路设计有电源缺相保护、电源相序保护及漏电保护。变频电机过载保护采用热继电器、变频器两级保护，在变频电机过载时，保护电路将自动切断驱动装置的供电，并提示相应的报警信息，当故障排除后，复位变频电机保护电路，设备可恢复正常运转。
回转库存取口设有安全光幕，如有异物进入操作区，系统会立即报警，并显示故障信息，同时设备停止运转，待排除故障后可恢复正常。
回转库内设置有监控摄像头和上位机监控，随时掌握库内现状。摄像头检测到库内异常时，可随时通过上位机对PLC控制器进行停车。
变频电机的转向和转矩都由闭环控制系统决定，闭环控制原理如图2所示。利用编码器作为检测装置，PLC控制器的高速计数器输入端接编码器的输出信号，PLC控制器的输出端接变频器的控制端，变频器控制变频电机运行。这样就构成了闭环控制的硬件结构。
位置闭环控制是从当前位置到目标位置的控制，由于回转库是一个循环运转的模式，所以还需要确定是正向运转还是反向运转。
对PLC控制器的高速计数器操作主要包含对脉冲进行计数前输入滤波、读取编码器值到寄存器，运用减法器计算正反转、以及对当前层号编码器的过原点位置设置四部分。
具体操作如下：
1、对脉冲进行计数前输入滤波
在S7-200 SMART CPU中。在HSC通道对脉冲进行计数前应用输入滤波。调整HSC通道所用输入通道的“系统块”数字量输入滤波时间。将HSC的每路输入的滤波时间组态为允许以应用需要的速率进行计数的值。
2、读取编码器值到寄存器
通过HSC高速计数器进行读取编码器的值。首先，设置高速计数器HSC，其次，在主程序中调用高速计数器模块。调用后，就可以读编码器的值，将读数HSC存入寄存器中。
3、运用减法器计算正反转
回转库进行运转时，要将料斗目标层号与料斗当前层号进行相减，传统的设计中相减结果若为正数，变频电机正转。若为负数，变频电机反转。本设计中为求最短路径，将相减结果代入回转库正反转选址计算公式中，来决定变频电机是正转还是反转，从而缩短回转库取货时间。
4、当前层号编码器的过原点位置设置
为了消除回转库运行中产生的累计误差，料斗到达原点位置时必须对当前层号编码器进行设置。在自动运行中，如果变频电机正转至料斗到达原点位置时，将当前层号编码器值清零。如果变频电机反转至料斗到达原点位置时，将当前层号编码器整圈值赋值给高速计数器。
闭环控制除了位置控制，还加入了速度控制。通过速度编码器来实时检测变频电机输出转速，速度可闭环控制直到停车。
速度闭环控制采用了PLC控制器自带的数字PID调节器，在组态过程中可以直接调用相关函数方程式得到，本实施例中，则运用了PI控制。速度控制的输入为预定速度输入，以及速度编码器采集回的实际速度。系统偏差用PI调节器放大并同预定值一起形成转矩输送给变频器。
回转库最优路径设计：
为了使得回转库每次在旋转时达到路径最短，设计了以下的计算方法，从而实现路径最优法，DetNum为目标仓位层号，PresNum为当前仓位层号MaxNum为总仓位层数。
垂直回转库正转选址计算公式：
垂直回转库反转选址计算公式：
回转库PLC程序出入库流程如图3所示。
利用上述回转库料斗速度及位置闭环控制系统进行闭环控制的方法，包括以下步骤：
1)速度编码器实时采集变频电机输出转速的数据，并送入PLC控制器，经高速计数器计数获得变频电机输出转速；料斗当前层号编码器获取料斗当前层号的数据，并送入PLC控制器，经高速计数器计数获得料斗当前层号，再由减法器对料斗目标层号与料斗当前层号进行减法运算，得到料斗目标层号与料斗当前层号的差值。
2)PLC控制器的数字PID调节器根据预定输入频率值、高速计数器输出的变频电机输出转速、减法器输出的料斗目标层号与料斗当前层号的差值以及变频电机的转矩，计算变频器的输出频率。
变频调速在绝大多数情况下都是通过调节频率来调节电机转速，它和转矩控制需要进行相互切换。在变频电机的启动初始过程中，采用转矩控制，避免由于负载较轻导致启动瞬间因产生冲击而抖动，使得启动过程十分平稳。当启动到一定速度时，对变频电机开始速度控制。具体过程如下：
2.1)根据减法器输出的料斗目标层号与料斗当前层号的差值，设置系统加速点和系统减速点，本发明中，系统加速点为启动时间后的10秒时刻，系统减速点为距离目标层号还剩2500个脉冲位置时刻。
2.2)系统刚启动时，为转矩控制模式，转矩控制模式下，变频器输出频率大小不能调节，此时变频器输出频率为预定输入频率值。变频器为不同的负载提供了不同的转矩特性曲线，根据所选变频器的参数手册选取理想的转矩特性曲线，并因此设定变频电机的启动频率即变频器的输出频率，保证电机有足够的启动转矩，避免电机无法启动或电流过大而跳闸。
2.3)当启动后达到系统加速点时，切换为速度控制模式，变频器的输出频率与速度成正比，根据变频器的加速斜坡曲线，变频电机由预置加速度加速至设置好的的电机运行最大速度，此时变频器的输出频率与速度编码器实时采集的变频电机输出转速形成速度闭环。
2.4)当运行达到系统减速点时，此时变频器的输出频率与当前层号编码器输出的实时位置脉冲形成位置闭环，并根据预设的变频电机速度曲线计算变频器的输出频率。速度曲线是速度-时间曲线，从系统运行的平稳度出发，本发明中设计为S型速度曲线。
3)PLC控制器通过控制变频器的输出频率，实现变频电机的启动、停止、正转、反转以及速度切换。
其中，PLC控制器根据减法器相减结果决定变频电机正转或反转：
若
或者，
则变频电机正转；
若
或者，
则变频电机反转；
式中：
DetNum为料斗目标层号；
PresNum为料斗当前层号；
MaxNum为总层数。
PLC控制器控制变频器的输出频率，具体是通过比例控制P和积分控制I实现的，其中，比例控制系数KP＝0.5T1/T2；积分控制系数KI＝4T2；T1为变频器的启动时间，T2为变频器的延时时间。比例控制系数的选择可以加快调节作用，减少系统产生的偏差。积分控制系数的选择主要在于消除系统的稳态误差，提高无误差度，可改善控制系统的稳态性能。
上述过程中还包括过原点位置时设置料斗当前层号编码器的步骤：当变频电机正转至料斗经过原点位置时，将当前层号编码器值清零；当变频电机反转至料斗经过原点位置时，将当前层号编码器整圈值赋值给高速计数器。
还包括采集变频电机温度并传送给PLC的步骤：温度传感器采集变频电机温度并传送给PLC控制器，PLC控制器在温度高于设定值时降低变频器的输出频率，防止变频电机过热导致数据不准。
Claims (10)
1.一种回转库料斗速度及位置闭环控制系统，其特征在于：
包括速度编码器、料斗当前层号编码器、PLC控制器及变频器；
所述速度编码器安装在变频电机的转轴上，用于实时采集变频电机输出转速的数据，并送入PLC控制器；
所述料斗当前层号编码器安装在变频电机减速器的低速端，用于获取料斗当前层号的数据，并送入PLC控制器；
所述PLC控制器包括高速计数器、减法器和数字PID调节器；所述高速计数器用于读取速度编码器和料斗当前层号编码器的数据并进行计数，获得变频电机输出转速和料斗当前层号；所述减法器用于计算料斗目标层号与料斗当前层号的差值；所述数字PID调节器根据预定输入频率值、高速计数器输出的实时变频电机输出转速、减法器输出的料斗目标层号与料斗当前层号的差值以及从变频器读取的变频电机转矩，计算变频器的输出频率，并送入变频器；
所述变频器根据数字PID调节器发送的输出频率驱动变频电机启动、停止、正转、反转以及速度切换。
2.根据权利要求1所述回转库料斗速度及位置闭环控制系统，其特征在于：还包括温度传感器，用于采集变频电机温度，并发送给PLC控制器；所述PLC控制器在温度高于设定值时降低变频器的输出频率。
3.根据权利要求1或2所述回转库料斗速度及位置闭环控制系统，其特征在于：还包括上位机；所述上位机与PLC控制器通过路由器通信，用于向PLC控制器发送控制命令。
4.根据权利要求3所述回转库料斗速度及位置闭环控制系统，其特征在于：还包括设置在回转库存取口、原点位置处的多个检测开关，用于料斗到位检测、货物测高和/或货物称重，并将检测结果送入PLC控制器。
5.根据权利要求4所述回转库料斗速度及位置闭环控制系统，其特征在于：所述PLC控制器为西门子S7-200 SMART系列PLC。
6.一种回转库料斗速度及位置闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)速度编码器实时采集变频电机输出转速的数据，并送入PLC控制器，经高速计数器计数获得变频电机输出转速；料斗当前层号编码器获取料斗当前层号的数据，并送入PLC控制器，经高速计数器计数获得料斗当前层号，再由减法器对料斗目标层号与料斗当前层号进行减法运算，得到料斗目标层号与料斗当前层号的差值；
2)PLC控制器的数字PID调节器根据预定输入频率值、高速计数器输出的实时变频电机输出转速、减法器输出的料斗目标层号与料斗当前层号的差值以及从变频器读取的变频电机转矩，计算变频器的输出频率；
3)PLC控制器通过控制变频器的输出频率，实现变频电机的启动、停止、正转、反转以及速度切换；
其中，PLC控制器根据减法器的计算结果决定变频电机正转或反转：
若
或者，
则变频电机正转；
若
或者，
则变频电机反转；
式中：
DetNum为料斗目标层号；
PresNum为料斗当前层号；
MaxNum为总层数。
7.根据权利要求6所述回转库料斗速度及位置闭环控制方法，其特征在于：所述步骤3中，PLC控制器控制变频器的输出频率，具体是通过比例控制P和积分控制I实现的，其中，比例控制系数KP＝0.5T1/T2；积分控制系数KI＝4T2；T1为变频器的启动时间，T2为变频器的延时时间。
8.根据权利要求6或7所述回转库料斗速度及位置闭环控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
2.1)根据减法器输出的料斗目标层号与料斗当前层号的差值，设置系统加速点和系统减速点；其中，系统加速点为启动时间后的X秒时刻，系统减速点为距离目标层号还剩Y个脉冲位置时刻；
2.2)系统启动，此时为转矩控制模式，变频器输出频率为预定输入频率值；
2.3)当启动后达到系统加速点时，切换为速度控制模式，变频器的输出频率与速度成正比，根据变频器的加速斜坡曲线，变频电机由预置加速度加速至最大速度，此时变频器的输出频率与速度编码器实时采集的变频电机输出转速形成速度闭环；
2.4)当运行达到系统减速点时，此时变频器的输出频率与当前层号编码器输出的实时位置脉冲形成位置闭环，并根据预设的变频电机速度-时间曲线计算变频器的输出频率。
9.根据权利要求8所述回转库料斗速度及位置闭环控制方法，其特征在于，还包括过原点位置时设置料斗当前层号编码器的步骤和/或采集变频电机温度并传送给PLC控制器的步骤：
当变频电机正转至料斗经过原点位置时，将当前层号编码器值清零；当变频电机反转至料斗经过原点位置时，将当前层号编码器整圈值赋值给高速计数器；
温度传感器采集变频电机温度并传送给PLC控制器，PLC控制器在温度高于设定值时降低变频器的输出频率。
10.根据权利要求9所述回转库料斗速度及位置闭环控制方法，其特征在于：所述步骤2.1中，系统加速点为启动时间后的10秒时刻，系统减速点为距离目标层号还剩2500个脉冲位置时刻。
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