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    基于ZigBee无线网络的立体仓库自动化物流控制系统

      信息来源:   发布时间:2021-09-30  点击数:

    0 引言

    在当今世界,改造物流结构,降低物流成本已经成为市场竞争中企业取胜的重要方法.仓库物流为了能够适应生产的需要,开始向自动化控制的方向进行演变.由半自动化和全自动化组成的现代仓库物流系统包括了由物流管理软件、智能物流设备和控制系统组成.物流系统在国外的设计,往往采用布局规划的方法,美国维吉尼亚理工大学的De La Cruz提出了一种预测控制的方法[1] ,该方法根据有关信息智能预测,实时采集有关信息,可能故障出现的情况,以此降低物流系统人工操作造成的各种失误.在我国,北京机械工业自动化研究所设计了一条六万吨级的自动化物流输送系统,是一套针对玻璃纤维各条生产环节和生产工艺的自动化物流输送解决方案;沈阳理工大学机械工程学院王霄,段智敏等开发了一种自动化存储系统,该系统由PLC作为控制核心,适应不同规模的生产线的需要能够进行存储和扩展;徐仰高等[2] ,利用现场总线和网络组建的物流系统也多有报导.

    目前,我国多数的物流控制系统,还以有线的控制方式为主,存在扩展和结构调整不方便的缺点.本文针对该问题提出了一种基于Zigbee无线网络技术的立体仓库自动化物流控制系统设计方案,该方案采用了星形控制结构,上位机采用了工控机,其他工控机设置为从机,从而构建成星形结构的立体仓库控制自动化物流控制系统.为了有效提高星形控制网络模型中堆垛机的寻址精度,本文还提出了堆垛机的二维模型并进行了Matlab仿真分析.

    1 无线Zig Bee通信的原理

    1.1 Zigbee概述

    Zig Bee是低功耗局域网协议,其基于IEEE802.15.4标准[3] .

    Zig Bee技术与其他无线通信技术相比,其具有的优势主要体现在以下方面:

    (1)可靠性高:能够在数据发送时采用碰撞避免机制[4] ,从而能够避免出现冲突或者混乱.(2)安全性高:能够提供使用访问控制清单、安全设定的三级安全模式.(3)网络容量大.可以容纳最大65 000个节点.可容纳255节点在一个协调器中,庞大通覆盖范围达到75 m,采用功率放大能够达到几公里覆盖.(4)成本低:易于开发、协议简单免费,硬件模块便宜.(5)覆盖范围广:覆盖范围达到75 m,采用功率放大能够达到几公里覆盖[5] .

    因此Zig Bee技术很适用于监控的网点多,需要进行数据采集;要求设备成本低,并且数据传输量不大;要求安全性高,数据传输可靠性高;充电电池不便放置,设备体积很小无法采用大的模块;地形复杂,电池供电;需要网络大面积的覆盖等情况下组建立体仓库的自动化物流控制系统.

    1.2 Zig Bee通讯控制协议

    Zigbee的协议栈结构是依据IEEE 802.15.4构建的[6] .Zig Bee通讯控制协议由多个层次组成,每个层可以提供特定的服务给上一层.从下往上依次是物理层,MAC层,网络安全层,应用支持子层,应用层.如图1所示Zig Bee通讯控制协议层次结构.

    图1 Zig Bee通讯控制协议层次结构

    图1 Zig Bee通讯控制协议层次结构   下载原图


    物理层是协议的最底层,承担与外界直接作用的任务.应用层可以提供一些应用框架模型为Zigbee技术的实际应用,对Zigbee技术能够进行开发和应用,其开发应用框架需要根据不同的应用场合来调整.应用支持层在多个器件之间根据服务和需求进行通信.网络层主要应用在WPAN网的组网连接,以及Zigbee的无线个人区域网的网络安全[7] ,以及数据管理.MAC层负责维护、建立和结束设备间的无线数据链路,对于模式数据接收和传送进行确认.

    2 智能物流控制系统架构分析

    自动化立体仓库是智能物流控制系统的核心部分,在商业物流和在企业物流中,成品和原材料都需要仓储中心.为了有效、合理的利用仓储中心的空间,所有企业都会采用大型立体仓库,这种仓库非常庞大,面积有的长达几百平方米,由多个巷道式堆垛机和几十列货架组成,并且还有出入货台和出入库流水线,仓库中的货物可以快速的定位,还可以高效的进行盘点、移库、入库、出库操作.

    立体仓库自动化物流控制系统中的堆垛机是非常重要的运输设备,随着立体仓库的出现,巷道式堆垛机也快速的发展起来,在高层货架的巷道内它的主要用途是可以进行往返运行,货物可以存入货格,也可以取出货格内的货物,并且运送到巷道口,其责任包括盘库、出库、进库等操作.

    堆垛机的核心控制系统结构如图2所示.堆垛机的核心控制系统通常采用嵌入式运动控制器+交流伺服电机的驱动形式.内置堆垛机控制程序采用了一体化设计,包括了运动控制器和嵌入式计算机.流水线上光电开关利用PLC来实现流水线的信号检测,并且还可以通过各个行程开关进行逻辑的控制.

    图2 堆垛机的核心控制系统

    图2 堆垛机的核心控制系统   下载原图


    3 基于Zig Bee无线网络的立体仓库自动化物流控制系统构建方案

    3.1 Zigbee星形控制网路的设计

    Zig Bee网络中一般有3类设备.一是网络协调器,是网络的中心节点,它的作用是寻找节点间路由信息、管理网络节点、发送网络信标、存储网络节点信息、不断接受信息,从而构建通信网络.二是指全功能设备,是网络中的路由.担任网络协调者,形成网络,便于其它节点间的连接.三是功能设备,在网络中属于终端节点,只能和全功能设备之间收发信息.

    本文提出的Zigbee星形控制网络采用四块Zigbee模块[8] ,分别作为1个协调器和3个终端.通过上位机的COM串口,上位机和协调器通过USB口转串口的方法进行连接控制.Zigbee终端1和导航小车工控机相连,Zigbee终端2和机械臂工控机相连,Zigbee终端3直接做在信号采集板上,直接连接压力开关板上的铜导线.上位机把压力开关采集板上采集到的信号进行无线数据传输,自动导航小车工控机,上位机和机械臂工控机相互通信,上位机可以给自动导航小车工控机和机械臂工控机发送指令,自动导航小车工控机和机械臂工控机可以回馈信息.立体仓库自动化物流控制系统网络结构如图3所示.

    图3 立体仓库自动化物流控制系统网络结构

    图3 立体仓库自动化物流控制系统网络结构   下载原图


    Zigbee网络中的协调器节点作为核心节点,在Zigbee网络中每个节点设备都必须有一个唯一的协调器,起到了在Zigbee传感器网络中的主导作用[9] .协调器功能由全功能设备实现,在整个网络中协调器设备具有网络的管理者和构建者的作用,负责选择网络的信道,加入、退出和建立节点.

    在新的网络建立时,协调器创建源端点必须告知目标端点,通过链路协议在它们之间进行端点绑定的定义,远程网络作为绑定过程的一部分,协调器会请求修改其绑定表,类似于设备管理器的节点,在多个端点之间协调器节点维护逻辑链路的绑定表,包含两个以上的节点.根据其源端点每个链路需要进行群集的定义,收到网络命令设备请求接入,网络协调器需要判断其加入自己的网络是否允许,如果允许那么就需要分配该网络地址给这个设备[10] ,该地址是16位的,并且是网络中唯一的,也可以是64位的地址其是设备本身具有的.

    本文研究的Zigbee协调器和终端均采用以CC2430为核心的DTD243A模块,编写程序采用了Zigbee协议栈.为了相互交换信息,从机和上位机需要遵从Zigbee协议栈协议和串口通信协议[11] ,并且需要制定三方的通信协议,这样就可以辨别自己应该执行的操作指令,从而方便接收到对方的信息.

    软件设计流程如图4所示,在Zigbee终端1上电后进行系统初始化,在从机1界面上显示初始化信息.上位机协调器在加入网络时需要等待终端,如果已经上电复位,那么终端1就需要进行复位,这样就可以加入网络[12] ,相应的网络短地址也需要协调器分配给终端1.成功加入网络后,在主从机之间如果没有信息传递,那么就需要侦听,在遇到请求时,需要判断是否主机在给从机发送数据,满足条件的话从机就可以接收数据并显示出来.加入时从机给主机发送数据,主机接收后并显示出来.

    图4 Zigbee终端1软件设计流程图

    图4 Zigbee终端1软件设计流程图   下载原图


    设计Zigbee终端2软件的方法,与Zigbee终端1的自动导航小车有相同的地方,最大的区别是Zigbee协调器在两者加入网络时短地址需要进行动态分配.上位机采用单播方式,在Zigbee通信界面中,上位机与从机通信时,需要在从机地址中进行选择,上位机在建立通信后,与其它的从机不能进行操作.每个Zigbee协调器为了能够方便通信,需要对终端的短地址,进行固定,复位次序在3个终端上电分别是:协调器,自动导航小车,终机械臂和压力开关信号采集板.对于相应短地址协调器动态分配的顺序是协调器:0x0000,自动导航小车:0x1699,终机械臂:0x169a,压力开关信号采集板:0x169b.为了避免地址混乱,3个终端和协调器的短地址在固定下来以后,就可以方便进行地址的程序的编写.Zigbee终端3设计方法与终端2类同.

    3.2 定位入库设计

    定位入库首先需要把货物放置于送货处,在监控界面,上位机入库对话框中记录预存的货位,假如已有该货位存货记录在库存记录中,那么预存货位需要重新进行选择.在入库任务开始执行前需要确定预存货位.混合式流水线控制柜通过上位机来发送指令,机械操作可以将货物送至入货台,光电开关在入货台检测到货物有动作发生,于是停止运转.流水线任务操作结束需要给上位机发送回馈,在上位机确认以后,给堆垛机控制柜发送入库指令,堆垛机启动,就可以把货物放到预存的货位上.定位入库流程图如图5所示.

    图5 定位入库流程图

    图5 定位入库流程图   下载原图


    在进行存取货物前,自动化立体仓库的堆垛机需要先到达指定的货位,并且具有自动辨识货位地址的能力.货位的地址在同一巷道内包括了3个参数,Z坐标的左右侧,Y坐标的货架列、X坐标的货架层.通过这个三维的坐标,货位的地址就可以确定下来.对于堆垛机来说X坐标可以采用水平移动来进行寻找,堆垛机Z坐标包含了两个位置,前后移动可以用货叉完成;堆垛机对于Y坐标可以采用上下移动来寻找.堆垛机能自动检测它当前的坐标位置,并能到达指定的货位.

    上位机在给堆垛机发送指令后,自动进行认址,并到达目的地址.检测当前的位置方法包括相对认址和绝对认址.

    1)相对认址.相对认址是在巷道每列货格上和堆垛机立柱上相应的位置安装认址档板,在升降台上各安装两个光电开关,在堆垛机上下和前后运动时,光电脉冲经过每个货位进行加或减,这样就能够获得地址了.在遇到错误时,地址也会相应出错,堆垛机停止后才会结束认址的操作.相对认址方法可靠性较低.为了能够把认址可靠性提高,可以同时进行认址,利用两个光电开关进行互相校验,如果计数器值遇到差异,就会进行报警.

    2)绝对认址.绝对认址在货格每一列上,利用安装的红外光电开关,认址档板安装在载货台上和堆垛机的侧部,通过在每一层上的光电开关,进行位置检测和自动寻址.认址档板在堆垛机通过时,进行透过和挡光,利用光电开关的状态就可以形成位的进制编码,通过计算后XY的坐标就可以得到了.采用绝对认址的方法认址可靠,在调试安装上比较复杂,硬件成本较高,光电开关比较多,但是编程简单.

    本课题采用了相对认址的方法,由于每个货位尺寸在组合式货架是相同的,堆垛机载货台中每个货位相应的间距和高度是一样的,在水平运行的时候,每个货位经过的间距相同,运动控制器在堆垛机控制柜需要发出一定间隔和数量的脉冲,电机的转速和时间由变频器进行控制,这样能够省去认址挡板和光电开关.重要的是1号货位要标定好,因为其它货位地址需要根据1号货位来决定.

    3.3 堆垛机控制模型设计

    堆垛机需要在寻址过程中进行入库,出库操作,调速控制采用S型速度曲线,从静止状态启动,然后加速,匀速行走,最后在目的货位进行减速和停止制动.堆垛机在制动,启动,减速,加速过程中,由于存在惯性力的作用,在纵向堆垛机立柱容易发生弯曲变形,尤其在立柱顶端,发生弯曲的挠度最大,对高层货架来说,堆垛机位置会产生很大误差,严重时会发生安全事故,并影响工作效率.

    曲线调速控制要以堆垛机行走下横梁的基座位置为依据,可以忽略不计立柱顶端挠度的影响,在遇到立柱挠度最大的情况下,如果载货台定位在立柱顶端,堆垛机就可以进行二维模型的简化,这种情况相当于单立柱的悬臂梁.可以用叠加法计算立柱顶端的挠度.

    由叠加法可知,立柱顶端的挠度w

     


    式中:wF为由惯性力引起的立柱柱端挠度;wq为惯性均匀分布力,以及立柱自重产生的立柱柱端挠度;wM为载货台质量集中造成的立柱顶端挠度,对立柱轴线的力偶.

     


    式中:Fg为集中质量造成的惯性力在立柱顶端的载货台;x1,y1为集中质量的坐标在载货台;E为杨氏弹性模量对于立柱的材料;mg为集中质量在载货台上;H为立柱的高度;a为加速度,也就是水平的行走方向;I为对中性轴柱横截面的惯性矩.

     


    式中:mggx1y1载货台的集中质量对立柱轴线的力偶;g为重力加速度.

    所以立柱顶端挠度w

     


    4 仿真分析

    本文采用了Matlab进行立柱顶端的挠度的仿真分析.堆垛机技术在挠度仿真中主要需要的参数为:均匀分布质量的自重81 kg/m,集中质量坐标在载货台40,1856 mm,最大水平方向的加速度0.8 m/s2,集中质量在载货台53 kg,堆垛机的立柱高度2 560 mm,定位寻址精度±3 mm.

    如果堆垛机在平稳的运行,没有其他干扰,没有振动的环境下,该状态是最理想的情况.对立柱顶端挠度本文采用了Matlab软件对其与加速度的关系进行仿真模拟,结果如图6所示.

    从图6可以看出,堆垛机水平行走方向的立柱顶端挠度w与加速度a存在着抛物线的关系,提升的速度越高那么加速度也就越大,这样立柱挠度就会变的很大.

    图6 立柱顶端挠度理想状态下与加速度的关系

    图6 立柱顶端挠度理想状态下与加速度的关系   下载原图


    然而堆垛机在实际情况下,由于电压变化,在运行过程中来自自身和外部的振动,要受到不可避免的各种扰动.在Matlab仿真中,通过产生一些随机的噪声,就可以对实际情况进行扰动的模拟,在输出中可以加入理想的状态,这样就可以对加速度和挠度的关系进行模拟仿真,结果如图7和图8所示.

    图7 高噪声情况下后挠度和加速度关系曲线

    图7 高噪声情况下后挠度和加速度关系曲线   下载原图


    图8 低噪声情况下后挠度和加速度关系曲线

    图8 低噪声情况下后挠度和加速度关系曲线   下载原图


    从加入噪声后立柱顶端挠度和加速度关系曲线可以看出,加入正态随机噪声后,曲线某些

    区段都发生的弯曲,有的区段弯曲很大,所以设计或提高堆垛机速度时,有必要充分考虑现场周围的扰动情形.

    通过建立堆垛机二维模型,应用Matlab对立柱顶端挠度进行了仿真分析,分析结果表明理想状态下立柱顶端挠度近似正比与水平行走加速度,加入随机噪声后曲线发生较大变形,因此在设计或提升堆垛机行走速度时,必须考虑加速度和扰动带来的立柱挠度的变化,确保设计或提升的速度所导致的立柱最大挠度保持在堆垛机正常运行允许的范围内.

    5 结论

    在物流控制系统中采用Zigbee技术是一种扩展、补充目前现有的组网方式[13] .基于Zigbee无线网络技术的立体仓库自动化物流控制系统设计方案,采用了星形控制结构,上位机采用了工控机,其他工控机则可以设置为从机,从而构建了星形控制网络的物流控制系统,实现了智能物流控制系统中自动化入库流水线功能.

    某鞋业公司的大型立体仓库,高达几十米,长几百米,由几十列货架和多个巷道式堆垛机组成,配以专用出库流水线和出入货台,该仓库采用了基于Zigbee无线网络技术的立体仓库自动化物流控制系统设计方案,从而可以快速的定位仓库中的货物,并且进行高效的入库、出库、移库和盘点操作.实际运行结果表明,本文提出的基于Zigbee无线网络技术的立体仓库自动化物流控制系统方案具有系统规模和布置灵活可变的特点,用户能方便地设置和修改控制要求,使得物流控制系统更加智能化,简易化,有效的提高了作业的效率.

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