Универсальный сервоконтроллер Dual-Axis DC-Servo в автоматизированных системах перемещения грузов

Шаттл — автономное устройство, которое в автоматическом режиме и без участия оператора перевозит единичные и тарные грузы на поддонах, перемещаясь по специальным рельсам внутри глубинного стеллажа. Устройство представляет собой мобильную платформу на съемных аккумуляторных батареях. Основные элементы шаттла приведены на рис. 1, а технические характеристики — в таблице 1.

Рис. 1. Основные элементы шаттла:
1 — корпус;
2 — подъемная платформа;
3 — аккумуляторная батарея;
4 — опорное колесо;
5 — индикаторные лампы;
6 — кнопка включения питания;
7 — кнопка аварийного останова;
8 — индикатор заряда батареи;
9 — замок блокировки включения;
10 — бамперы безопасности;
11 — система экстренной эвакуации

Автоматизированная стеллажная система с шаттлами (рис. 2) служит для оптимизации технологических процессов хранения, сортировки и учета грузов. Она позволяет размещать ограниченное количество товарных позиций в пределах каждого яруса стеллажного канала в отличие от глубинных стеллажей, обеспечивая экономию пространства, времени и финансовых затрат. Особенно такая стеллажная система актуальна для разгрузки или погрузки товара, отгружаемого большими партиями. Преимущества автоматизированной шаттловой системы:

• эффективное использование площади склада;
• высокая скорость обработки грузов;
• легкий переход между системами хранения;
• большой диапазон глубины хранения;
• высокая безопасность эксплуатации стеллажной системы.

Рис. 2. Шаттловая система

Шаттлы реализованы на основе двух тяговых приводов, выполняющих задачи по перемещению данных устройств вдоль направляющих и подъему груза. Как правило, тяговый привод, обеспечивающий передвижение шаттла, имеет большую мощность, поскольку на нем лежит задача быстрого разгона/торможения независимо от груза, установленного на сам шаттл. Масса груза может достигать 1600 кг. Современные двухдвигательные электроприводы обычно унифицированы и имеют два отдельных блока управления, что не позволяет компактно использовать пространство внутри шаттла. Это в свою очередь приводит к тому, что сокращается внутреннее пространство, доступное для аккумуляторной батареи. А уменьшение аккумуляторной батареи в итоге приводит к меньшему времени работы шаттла в автономном режиме после зарядки, снижая эффективное перемещение грузов. Применение одного контроллера на два мотора позволяет облегчить монтаж, уменьшить количество проводов и кабелей, реализовать управление мотором на передвижение груза, основываясь на информации, полученной при подъеме палеты с грузом.

Рис. 3. Внешний вид сервоконтроллера Dual-Axis DC-Servo

Рассмотрим вариант компоновки шаттловой системы производства АО «Опытный завод «Микрон» с новейшим сервоконтроллером Dual-Axis DC-Servo, разработанным ООО «НПФ Мехатроника-Про» (рис. 3). Его параметры приведены в таблице 2. В отличие от классической концепции в данном сервоконтроллере предусмотрена возможность подключения либо двух двигателей постоянного тока, либо одного переменного тока. Компоновка шаттла с применением двигателей постоянного тока приводит к тому, что позволяет одному блоку сразу координировать не только работу приводов подъема, но и передвижение, причем делать это при габаритах, практически идентичных контроллеру, осуществляющему управление только одним двигателем.

Сервоконтроллер Dual-Axis DC-Servo обеспечивает следующие виды защит:

• максимально токовую (программно и аппаратно);
• защиту от перегрева (используя встроенный датчик температуры);
• защиту от обрыва датчика скорости (для механизма передвижения и аварийного дискретного сигнала, который приходит от концевого выключателя, установленного на бамперах шаттла).

Электромеханическая часть шаттла в таком случае состоит из двухдвигательного привода постоянного тока. Первый электропривод обеспечивает передвижение шаттла по рельсам по одной оси вперед и назад. Электропривод оснащен двигателем постоянного тока с датчиком скорости, который через редуктор приводит в движение колесную пару. Второй электропривод обеспечивает подъем и опускание палеты с грузом над рельсами для дальнейшего передвижения и складирования на стеллаже и также содержит двигатель постоянного тока, который через редуктор и цепную передачу приводит в движение кривошипно-шатунный механизм, поднимающий палету. Функциональная схема системы управления электроприводом представлена на рис. 4.

Рис. 4. Функциональная схема системы управления электроприводом шаттла

Контроллер Dual-Axis DC-Servo получает питание от аккумуляторной батареи и обеспечивает управление двумя моторами постоянного тока.

Для внедрения шаттла в рамках складирования продукции система имеет три уровня автоматизации. Верхний реализован на уровне цеха предприятия, где формируются поочередные команды на передвижение вновь прибывших грузов по стеллажу или разгрузки продукции со стеллажа. В качестве верхнего уровня может выступать и оператор с пультом дистанционного управления, который будет координировать погрузочно-разгрузочные работы в полуавтоматическом режиме. Команды на передвижения палет поступают по радиоканалу на контроллер среднего уровня, который размещен на шаттле, и уже он формирует отдельные команды на поднятие, опускание и перемещение палет. Контроллер среднего уровня ведет обработку всех датчиков, расположенных на шаттле: датчики обнаружения палет, препятствий, рельс; датчики перемещения шаттла и палеты с грузом. Далее контроллер исполнительных механизмов Dual-Axis DC-Servo получает команды по RS-485 или CAN и осуществляет движение шат­тла и палеты по необходимой траектории. Поскольку оба сервомотора работают на общую нагрузку, создаваемую перемещаемым грузом, то контуры систем управления являются взаимосвязанными. Структурная схема, поясняющая этот принцип, приведена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема системы управления электроприводами шаттла

Система управления электроприводом подъема выполнена разомкнутой, без датчика скорости. Масса палеты представляет собой активную нагрузку. При задании на подъем палеты непрерывно отслеживается текущий ток мотора. За весь этот период фиксируется максимальный ток мотора I_max. Данный параметр необходим для косвенного определения массы поднимаемого груза, что позволяет отказаться от дополнительных тензодатчиков. Такая информация необходима для управления механизмом передвижения шаттла в режиме разгона/торможения.

Система управления электроприводом механизма передвижения шаттла — это система подчиненного регулирования координат, состоящая из контура тока и контура скорости. Регуляторы тока и скорости пропорционально-интегрального типа. Масса палеты с грузом является реактивной нагрузкой для мотора, причем момент инерции механизма меняется значительно. Соответственно, при управлении механизмом передвижения необходимо учитывать массу груза, которая косвенно измеряется по максимальному току при подъеме палеты. Далее рассчитываются коэффициенты для задатчика интенсивности, чтобы получить кривые разгона и торможения. Настройки регулятора тока адаптивно меняются в зависимости не только от массы груза, но и от режима разгона или торможения.

В комплекте с сервоконтроллером поставляется программное обеспечение MViewer, позволяющее провести настройку устройства через интерфейс RS-485 или CAN. Окно настройки представлено на рис. 6.

Рис. 6. Настройки программы MViewer

Данная программа была специально разработана для настройки контроллеров и позволяет редактировать все адресное пространство сервоконтроллера: выполнить калибровку датчиков напряжения, тока и скорости, провести настройку регуляторов тока и скорости, определить кривые разгона и торможения, выставить значения срабатывания защит и т. д. Для проверки работы электропривода удобно использовать визуализацию переменных в реальном времени. На рис. 7 показаны переходные процессы тока (фиолетовый) и скорости (красный) мотора постоянного тока под управлением сервоконтроллера Dual-Axis DC-Servo. Приведенный переходный процесс состоит из пуска, наброса и сброса нагрузки и торможения.

Рис. 7. Графики переходных процессов тока и скорости мотора в программе MViewer