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基于ZigBee无线网络的立体货仓自动化物流控制系统

来源：本站 | 宣布日期：2023-03-24

0 引言

在当今世界,革新物流结构,降低物流本钱已经成为市场竞争中企业取胜的重要要领.货仓物流为了能够适应生产的需要,开始向自动化控制的偏向进行演变.由半自动化和全自动化组成的现代货仓物流系统包括了由物流治理软件、智能物流设备和控制系统组成.物流系统在外洋的设计,往往接纳结构计划的要领,美国维吉尼亚理工大学的De La Cruz提出了一种预测控制的要领[1] ,该要领凭据有关信息智能预测,实时收罗有关信息,可能故障泛起的情况,以此降低物流系统人工操作造成的种种失误.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计划;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作为控制焦点,适应差别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,我国大都的物流控制系统,还以有线的控制方法为主,保存扩展和结构调解不便当的缺点.本文针对该问题提出了一种基于Zigbee无线网络技术的立体货仓自动化物流控制系统设计计划,该计划接纳了星形控制结构,上位机接纳了工控机,其他工控机设置为从机,从而构建成星形结构的立体货仓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仿真剖析.

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:能够在数据发送时接纳碰撞制止机制[4] ,从而能够制止泛起冲突或者杂乱.(2)宁静性高:能够提供使用会见控制清单、宁静设定的三级宁静模式.(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,庞大通笼罩规模抵达75 m,接纳功率放大能够抵达几公里笼罩.(4)本钱低:易于开发、协议简单免费,硬件� ？樽灾�.(5)笼罩规模广:笼罩规模抵达75 m,接纳功率放大能够抵达几公里笼罩[5] .

因此Zig Bee技术很适用于监控的网点多,需要进行数据收罗;要求设备本钱低,并且数据传输量不大;要求宁静性高,数据传输可靠性高;充电电池未便安排,设备体积很小无法接纳大的� ？�;地形庞大,电池供电;需要网络大面积的笼罩等情况下组建立体货仓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条理组成,每个层可以提供特定的效劳给上一层.从下往上依次是物理层,MAC层,网络宁静层,应用支持子层,应用层.如图1所示Zig Bee通讯控制协议条理结构.

图1 Zig Bee通讯控制协议条理结构

图1 Zig Bee通讯控制协议条理结构 


物理层是协议的最底层,担负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凭据差别的应用场合来调解.应用支持层在多个器件之间凭据效劳和需求进行通信.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宁静[7] ,以及数据治理.MAC层卖力维护、建立和结束设备间的无线数据链路,关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剖析

自动化立体货仓是智能物流控制系统的焦点部分,在商业物流和在企业物流中,制品和原质料都需要仓储中心.为了有效、合理的利用仓储中心的空间,所有企业都会接纳大型立体货仓,这种货仓很是庞大,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,并且另有收支货台和收支库流水线,货仓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.

立体货仓自动化物流控制系统中的堆垛机是很是重要的运输设备,随着立体货仓的泛起,巷道式堆垛机也快速的生长起来,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.

堆垛机的焦点控制系统结构如图2所示.堆垛机的焦点控制系统通常接纳嵌入式运动控制器+交流伺服电机的驱动形式.内置堆垛机控制程序接纳了一体化设计,包括了运动控制器和嵌入式盘算机.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 堆垛机的焦点控制系统

图2 堆垛机的焦点控制系统 


3 基于Zig Bee无线网络的立体货仓自动化物流控制系统构建计划

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、治理网络节点、发送网络信标、存储网络节点信息、不绝接受信息,从而构建通信网络.二是指全功效设备,是网络中的路由.担当网络协调者,形成网络,便于其它节点间的连接.三是功效设备,在网络中属于终端节点,只能和全功效设备之间收发信息.

本文提出的Zigbee星形控制网络接纳四块Zigbee� ？�[8] ,划分作为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口转串口的要领进行连接控制.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直接做在信号收罗板上,直接连接压力开关板上的铜导线.上位机把压力开关收罗板上收罗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.立体货仓自动化物流控制系统网络结构如图3所示.

图3 立体货仓自动化物流控制系统网络结构

图3 立体货仓自动化物流控制系统网络结构 


Zigbee网络中的协调器节点作为焦点节点,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] .协调器功效由全功效设备实现,在整个网络中协调器设备具有网络的治理者和构建者的作用,卖力选择网络的信道,加入、退出和建立节点.

在新的网络建立时,协调器创立源端点必须见告目标端点,通过链路协议在它们之间进行端点绑定的界说,远程网络作为绑定历程的一部分,协调器会请求修改其绑定表,类似于设备治理器的节点,在多个端点之间协调器节点维护逻辑链路的绑定表,包括两个以上的节点.凭据其源端点每个链路需要进行群集的界说,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派该网络地点给这个设备[10] ,该地点是16位的,并且是网络中唯一的,也可以是64位的地点其是设备自己具有的.

本文研究的Zigbee协调器和终端均接纳以CC2430为焦点的DTD243A� ？�,编写程序接纳了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,这样就可以区分自己应该执行的操作指令,从而便当接收到对方的信息.

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期待终端,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] ,相应的网络短地点也需要协调器分派给终端1.乐成加入网络后,在主从机之间如果没有信息通报,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 


设计Zigbee终端2软件的要领,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点需要进行动态分派.上位机接纳单播方法,在Zigbee通信界面中,上位机与从机通信时,需要在从机地点中进行选择,上位机在建立通信后,与其它的从机不可进行操作.每个Zigbee协调器为了能够便当通信,需要对终端的短地点,进行牢固,复位序次在3个终端上电划分是:协调器,自动导航小车,终机械臂和压力开关信号收罗板.关于相应短地点协调器动态分派的顺序是协调器:0x0000,自动导航小车:0x1699,终机械臂:0x169a,压力开关信号收罗板:0x169b.为了制止地点杂乱,3个终端和协调器的短地点在牢固下来以后,就可以便当进行地点的程序的编写.Zigbee终端3设计要领与终端2类同.

3.2 定位入库设计

定位入库首先需要把货物安排于送货处,在监控界面,上位机入库对话框中纪录预存的货位,假如已有该货位存货纪录在库存纪录中,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.混淆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行动爆发,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   


在进行存取货物前,自动化立体货仓的堆垛机需要先抵达指定的货位,并且具有自动辨识货位地点的能力.货位的地点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,货位的地点就可以确定下来.关于堆垛机来说X坐标可以接纳水平移动来进行寻找,堆垛机Z坐标包括了两个位置,前后移动可以用货叉完成;堆垛机关于Y坐标可以接纳上下移动来寻找.堆垛性能自动检测它目今的坐标位置,并能抵达指定的货位.

上位机在给堆垛机发送指令后,自动进行认址,并抵达目的地点.检测目今的位置要领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装置认址档板,在升降台上各装置两个光电开关,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,这样就能够获得地点了.在遇到过失时,地点也会相应蜕化,堆垛机停止后才会结束认址的操作.相对认址要领可靠性较低.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相互校验,如果计数器值遇到差别,就会进行报警.

2)绝对认址.绝对认址在货格每一列上,利用装置的红外光电开关,认址档板装置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,通过盘算后XY的坐标就可以获得了.接纳绝对认址的要领认址可靠,在调试装置上比较庞大,硬件本钱较高,光电开关比较多,可是编程简单.

本课题接纳了相对认址的要领,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,因为其它货位地点需要凭据1号货位来决定.

3.3 堆垛机控制模型设计

堆垛机需要在寻址历程中进行入库,出库操作,调速控制接纳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,加速历程中,由于保存惯性力的作用,在纵向堆垛机立柱容易爆发弯曲变形,尤其在立柱顶端,爆发弯曲的挠度最大,对高层货架来说,堆垛机位置会爆发很大误差,严重时会爆发宁静事故,并影响事情效率.

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.可以用叠加法盘算立柱顶端的挠度.

由叠加法可知,立柱顶端的挠度w

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式中:wF为由惯性力引起的立柱柱端挠度;wq为惯性均匀漫衍力,以及立柱自重爆发的立柱柱端挠度;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.

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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为杨氏弹性模量关于立柱的质料;mg为集中质量在载货台上;H为立柱的高度;a为加速度,也就是水平的行走偏向;I为对中性轴柱横截面的惯性矩.

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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

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4 仿真剖析

本文接纳了Matlab进行立柱顶端的挠度的仿真剖析.堆垛机技术在挠度仿真中主要需要的参数为:均匀漫衍质量的自重81 kg/m,集中质量坐标在载货台40,1856 mm,最洪流平偏向的加速度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,没有其他滋扰,没有振动的情况下,该状态是最理想的情况.对立柱顶端挠度本文接纳了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,堆垛机水平行走偏向的立柱顶端挠度w与加速度a保存着抛物线的关系,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   


然而堆垛机在实际情况下,由于电压变革,在运行历程中来自自身和外部的振动,要受到不可制止的种种扰动.在Matlab仿真中,通过爆发一些随机的噪声,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   


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   


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

区段都爆发的弯曲,有的区段弯曲很大,所以设计或提高堆垛机速度时,有须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剖析,剖析结果标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爆发较大变形,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革,确保设计或提升的速度所导致的立柱最大挠度坚持在堆垛机正常运行允许的规模内.

5 结论

在物流控制系统中接纳Zigbee技术是一种扩展、增补目前现有的组网方法[13] .基于Zigbee无线网络技术的立体货仓自动化物流控制系统设计计划,接纳了星形控制结构,上位机接纳了工控机,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效.

某鞋业公司的大型立体货仓,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收支货台,该货仓接纳了基于Zigbee无线网络技术的立体货仓自动化物流控制系统设计计划,从而可以快速的定位货仓中的货物,并且进行高效的入库、出库、移库和盘点操作.实际运行结果标明,本文提出的基于Zigbee无线网络技术的立体货仓自动化物流控制系统计划具有系统规模和安排灵活可变的特点,用户能便当地设置和修改控制要求,使得物流控制系统越发智能化,简易化,有效的提高了作业的效率.


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