漏波通信技术在铝加工自动仓库堆垛机上的应用实践

前言

堆垛机是自动化立体高架仓库的关键设备，它穿梭在各个料位之间，实现货物自动堆垛和转运功能。其运行时需要通过无线通讯实时地与ＰＬＣ控制系统进行信息传递，无线通讯的质量直接影响堆垛机运行的稳定性，该无线通讯也是自动化立体仓库的关键技术之一。

公司堆垛机设备采用红外无线对射方式进行通讯，该种通讯方式在设备运行至通道较远处时经常出现信号不稳定或通讯中断情况。分析主要原因为：(1) 由于通道较长传输距离远，堆垛机运行至较远处时红外光信号较弱；(2) 堆垛机运行中产生晃动，引起红外对射光线偏移；(3) 设备安装精度不够或部件松动；(4) 红外发光元件长期使用出现光功率衰减；(5) 仓库内空气湿度、能见度、气流等对光传输的影响。

堆垛机运行时通讯中断将造成失联停机，严重时堆垛机运行失控，对设备及人身造成很大的安全隐患，经多次对红外通讯设备调整优化没有明显改善。红外通讯所用激光元件寿命一般在２万小时至４万小时，目前该通讯装置已连续运行１０年，基本达到设计年限，为了使设备更稳定运行，决定对堆垛机的通讯方式进行优化改造。

一、方案的确定

1.1 几种无线通讯技术的比较

目前常用的工业无线通讯方式主要有红外无线通讯、以太网无线通讯和漏波电缆无线通讯，其特点及应用比较见表１。

表1 几种通讯方式的比较

1.2 漏波电缆与漏波通讯技术

漏波电缆是一种特别的同轴电缆，与普通同轴电缆的区别在于外导体上开有用作辐射的周期性槽孔，使得电磁波可以部分地从电缆内穿透到电缆外。当然，电缆外的电磁信号也将传入到电缆内。漏波电缆主要由内导体、绝缘介质、开有周期性槽孔的外导体和电缆护套等构成，射频信号通过槽孔向外辐射，如图１所示。

漏波通讯技术是一种融合了信号馈线传输损耗小以及射频信号衍射性等特点而产生的一种线状天线传输技术。工作时，在漏波馈线电缆周围区域辐射出一个锥形的信号区，无线客户端与无线接入点借助这个信号区可以建立一个稳定可靠的通讯连路，实现了无盲区覆盖的实时通讯。因此该通讯技术特别适用于不利于射频信号覆盖的复杂的空间环境，能够较好的用于轨道系统、移动平台、货架仓库、行车、涵洞、隧道等沿着固定路径运动的系统。

图1 漏波电缆结构示意图

1.3 改造方案

现场堆垛机通道长300ｍ，传输距离较远，设备通讯速率要求1.5Mbit/ｓbit/s，改造要满足原控制系统通讯的需要。通过几种无线通讯方式的比较分析，漏波通讯方案优势明显，完全适合现场环境条件，可消除红外通讯和传统无线通讯方案中不可靠因素的影响，很好地解决了堆垛机移动接入点和控制PLC通信的诸多问题，具有较好的可实施性。通过对比改造选用西门子公司SCALANCE W 漏波通讯方案进行，它主要有三个部分组成：无线接入点设备（AP主机），RCoax漏波馈线电缆和客户端设备。

(1)无线接入点设备即AP主机。SCALANCE W788-1RR，支持2.4Ｇ和5Ｇ两种频段，提供高频电磁场，实现可靠的无线连接，支持高达300Mbit/s的传输速率。

(2)RCoax漏波馈线电缆一般有耦合型、辐射型和漏泄型三种类型。其中辐射型漏波电缆具有电磁能量集中、方向性好、越抗干扰能力强、耦合损耗小等特点，非常适合在立体仓库现场环境的使用。应用时选择西门子公司2.4GHz频段的RCoax漏波电缆，型号为XV1875-2A,可以与西门子SCALANCE W 无线接入点和客户端完美的结合。

(3)客户端设备安装移动的堆垛机上，其接收天线置于无线接入点漏波馈线天线覆盖的无线网络中，用来实现移动设备无线通讯。应用时使用西门子IWLAN/PB Link PN IO模块实现从IWLAN工业以太网PROFINET I/O到Profibus-DP总线的转换，可以保持原控制系统的PROFIBUS硬件变动最少。

图2 高架仓库堆垛机漏波电缆无线通讯方案

根据现场情况及原系统特点确定改造方案如图２所示。接入点采用一个SCALANCE W788-1RR，无线接入点通过功率分配器将信号传输到两条150ｍ的漏波电缆上，实现无线信号全通道覆盖。客户端采用IWLAN/PB Link PN IO模块，安装在堆垛机控制柜内；接收天线安装在堆垛机上，位置距离漏波电缆为4cm-7cm为宜，垂直于漏波电缆，此时的耦合损耗最少。RCoax漏波电缆沿供电滑触线支架水平铺设。

二、需要解决的问题

2.1 漫游对通讯稳定性的影响及处理

由于单段2.4GHz频段漏波电缆有效距离为200ｍ，而堆垛机轨道总长为300ｍ，单条漏波线缆不能满足。起初采用两段漏波电缆布置，每段150ｍ，各连接一个无线接入点W788-1RR，两个无线接入点通过工业交换机相连的方案，但在测试时频繁出现信号中断现象，经检查确定原因为两个漏波电缆网段间存在漫游现象。最后通过对漏波电缆的硬件结构进行更改，在通道中部使用功率分配器，W788-1RR信号经功率分配器接入两段150ｍ电缆中，此时整个系统只存在一个通讯网段，避免了漫游的问题。

2.2 更改原系统组态设置

由于原控制系统采用DP通讯，使用漏波电缆通讯时需要更改系统配置及进行相关参数调整，主要包括漏波电缆参数设置，PLC硬件组态设置，PROFINET控制器更新数据的时间间隔设置，SCALANCE W788-1RR参数设置，IWLAN/PB Link PN IO参数设置。设置IWLAN/PB Link PN IO参数时，需使其与SCALANCE W788-1RR连接后，使用PST配置软件通过无线连接分配IP地址，并进行没置。具体的参数设置过程比较复杂，可参考西门子相关的操作文档。

2.3 现场安装注意要点

RCoax漏波电缆安装在滑触线固定架上，其路径与轨道一致，安装时应注意线缆标示线位置，使其对准支架卡座方向，使用配套的卡具进行固定，安装位置合适，同根线缆上的两个固定卡具之间间隔60cm为宜。架设前做好测量，架好的漏波电缆应平直延伸，中间不应有弯曲、下垂和拐弯情况。同时要重视漏波电缆附件的规范安装，如功分器、接地卡、直流隔断器、衰减器、定向耦合器等，其安装质量将对通信的效果产生直接影响。

三、结论

漏波电缆通讯改造完成后，堆垛机连续试运行6个月，现场检查在轨道不同位置通讯信号良好。此次改造有效解决了堆垛机运行至较远距离时通讯不稳定问题，降低了系统故障率，提高了物流运转率，促进了生产指标的提升。漏波通讯技术实现了无线通讯与漏波电缆的完美融合，避免了无线信号间的相互干扰，保证了数据的可靠性和安全性。该方案集成简单、系统扩展性好、稳定性高，可以很好的满足铝加工企业高架仓库堆垛机设备无线通讯的需要。

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作者：洛阳万基铝加工有限公司陈辉/李文华

来源：《有色金属加工》

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智能智造——原材料库房堆垛机

堆垛机

巷道式堆垛机概述

堆垛机是一个全高度整体钢结构的双立柱堆垛机，在地面单轨上行走，有天轨。配备双伸货叉，堆垛机用货叉精确安全地叉取货物并运输到选定的位置。为了保证每次运送都尽可能快，堆垛机用先进的变频电机来确保驱动的优化时间。水平和垂直方向的移动可以同时进行，减少存取时间。

堆垛结构及原理

由行走电机通过驱动轴带动车轮在下导轨上做水平行走，由提升电机通过钢丝绳（或链条）牵引载货台做垂直升降运动，由载货台上的货叉做伸缩运动。通过上述三维运动可将指定货位的货物取出或将货物送入指定货位。行走认址器用于控制堆垛机水平行走位置；提升认址器用于控制载货台升降位置。通过认址器和光电识别，以及光通讯信号的转化，实现计算机控制。可实现机上控制盘的手动控制、半自动控制功能，当发生异常如火灾可手动控制发料，堆垛机上有人站立的平台，可以带着人去清洁。如图18所示

堆垛机参考图

堆垛机主要由以下几部分组成：上横梁；立柱；钢丝绳；提升装置；升降轨道；下横梁；货叉；载货台；电机减速机；行走轮；护栏等；

设备颜色根据甲方要求确定实施。

金属结构

堆垛机主要由上横梁、立柱、下横梁和控制柜支座组成。

上、下横梁是由钢板或型钢焊接成箱型结构，截面性能好。下横梁上两侧的运行轮轴孔在专用机床上一次装夹加工完成，确保了主、被动轮轴线的平行，从而提高了整机运行平稳性。

上横梁、立柱、下横梁通过法兰定位，用高强度螺栓连接，整个金属结构具有重量轻、抗扭、抗弯性能好、刚度大、强度高等特点。

载货台

载货台是一个通过动力牵引到上下垂直运动的部件，是由垂直框架和水平框架焊接而成。垂直框架用于安装起升导轮和一些安全保护装置，孔位精度要求高，因此垂直框架钢板采用数控切割，一次定位加工而成。水平框架采用无缝钢管制成，外形美观，完全能够满足载货的要求。

水平运行机构

水平运行机构是由动力驱动和主、被动轮组组成，用于堆垛机沿巷道方向的运行。动力驱动为电机驱动行走轮，质量可靠、维护方便、噪音低，如图19所示。被动轮组采用了偏心结构用来，行走轮与地轨接触面采用非金属材质；调节整台设备的垂直度和受力变形的影响。定位精度±3mm。

驱动轮参考图

起升机构

起升机构是由动力驱动、滑动组和钢丝绳（或链条）组成，用于提升载货台作垂直运动。钢丝绳带动载货台上运动。定位精度±3mm。

货叉伸缩机构

货叉伸缩机构是由动力驱动和上、中、下三叉组成的一个机构，用于垂直于巷道方向的存取货物运动。下叉固定于载货台上，三叉之间通过链条传动作直线差动式伸缩。货叉由优质金属精制而成，成超薄形C 型梁体，力学性能佳。(a) 同步运行误差＜3mm；(b) 运行重复回位精度在±3mm 之内；(c) 平面高低差＜2mm。

导轮装置

堆垛机共采用了上下水平导轮、起升导轮三组导轮装置，上下水平导轮分别安装在上下横梁上，用于导向堆垛机沿巷道方向作水平运动。起升导轮安装于载货台上，沿立柱导轨上下运动，导向载货台的垂直运动。同时通过导轮支撑荷重，并传递给金属结构。

堆垛机技术参数要求

自动化立体仓库的可靠性和安全性是系统的重中之重，堆垛机是库内运行频率最高的设备，直接涉及整座仓库的可靠性和安全性。在可靠性、安全性与设计成本的矛盾选择上，需将可靠性和安全性放在设计的第一位。堆垛机所具备的以下特点也要本着这一出发点。同时堆垛机采用先进节能技术。

堆垛机采用双立柱结构，受力均匀，可靠性；断绳保护装置能够实现合理设计。走行和垂直方向认址选用条码带绝对认址方式，采用激光测距滑触线采用日本松下（或德国法勒），保证安全可靠性和使用寿命。货叉采用进口品牌（米亚斯）标准货叉，提高运行精度和使用寿命。本堆垛机的安全装置都采用机械和电气双重保险装置，保证人身设备安全

堆垛机

堆垛机技术参数如表11所示。

项目名称

技术参数

静置货架堆垛机

双立柱式　

高度

约20000 mm（以3D评审设计为准）

结构&机型

双伸单工位/单伸

立柱材料

Q235

单元货物规格

1200mm*1100mm*1300mm、1300mm*1100*1300mm

额定载荷

max1000kg

设备重量不含天、地轨

地轨型号

钢轨

天轨类型

角钢100*100*10mm

水平行走

行走驱动方式

矢量变频调速

制动方式

马达刹车

电机功率

约5.5kw（以最终设计为准）

定位方式（X向）

激光测距

定位（X向）精度

±3mm

速度vx

≥120m/min（现场速度满足甲方需求）

加速度ax

0.5m/s²

行程

≥32m（以现场设计为准）

载货台升降

台面尺寸（L×W）（mm）

工程设计为准（满足甲方使用需求）

升降行程

18000mm

升降方式

钢丝绳

制动方式

马达刹车

升降电机功率

11kw（以最终设计为准）

货形检测装置

高度和宽度

光电检测

长度

光电检测

定位方式（Y向）

激光测距

定位（y向）精度

±3mm

速度Vy

30m/min（以满足使用需求为准）

加速度ay

0.5m/s²

货叉

类型

双伸货叉/单伸

品牌

MIAS/LHD进口品牌

定位方式

编码器

定位（Z向）精度

±3mm

伸叉速度

40m/min（以满足使用需求为准）

伸叉行程

伸出距离

约1000mm/2000mm

微升

30mm

微降

30mm

电机功率

1kw（以最终设计为准）

货叉力矩限制保护功能

配有货叉扭力限制器

防货叉顶板脱落功能

机械限位，确保最上层顶板不脱落

安全装置及功能

故障报警功能

堆垛机发生异常情况时会报警，提醒作业人员注意

故障自诊断功能

有

机上控制急停装置

有

防止升降冲顶或冲底装置

限速器+防坠安全钳

松绳检测功能

有

上位急停

有

安全门机电联锁急停

有

堆垛机同时启动

行走货叉互锁，提升货叉互锁

红外防撞探测

有

其他功能

过载保护功能

有

货物异常检测功能

有

速度控制

S型，平滑停止，防止货物倒塌

货位虚实探测功能

有

取货超限检测功能

有

通讯方式

红外通讯

与WCS通讯方式

以太网

堆垛机防火设计

同时配置2个灭火器及1个烟感报警器。

需设计背负灭火器等消防设备；

检测系统在检测到异常时，堆垛机若有物料转运任务会立即中断当前任务，就近空库位放置转运物料，迅速移至报警库位进行火灾处理；若无转运任务，立即移至报警库位进行火灾处理；

与输送机联锁功能

有

与输送机通讯方式

以太网

控制方式

PLC

供电方式

滑触线（日本松下或德国法勒）

电源规格

380V三相五线制

操作方式

手动/本地半自动/本地自动/在线自动

电机

含运行、升降及货叉电机减速机

表面处理

喷塑处理

表面颜色

F08参见工艺装备、设备及其他工艺设施涂漆要求

带二氧化碳消防灭火器

有，每台堆垛机配置2个灭火器

设备增加区域防护功能

有

噪音（距离堆垛机1M外）

≤70dB

表11 堆垛机技术参数表

性能要求

堆垛机性能要求如表12所示。

位置

描述

备注

行走机构

安全功能

在上、下轨道前后两端的尽头有极限阻挡器防止冲撞出轨道。

在堆垛机上、下横梁二端安装有聚胺脂缓冲器，与极限阻挡器配合，防止失速冲撞。

在上下轨道两侧有堆垛机的水平方向的导轮夹紧天、地轨侧面，防止堆垛机运行中出轨或倾翻。

在堆垛机下横梁安装有清轨器和安全钩，能清除轨道上的异物，防止倾翻。

红外防撞探测，人误进轨道内应立即停车。

堆垛机停车时不能有抖动

升降机构

安全功能

安装有限速器和防坠落安全钳，防止载货台超速下坠或断绳坠落情况的发生，限速器先触发安全钳钳住升降轨道，保持载货台的位置，同时触发电气保护开关，电机停机。

过载及松绳的保护装置，当载货台上承受载荷大于1.25倍的额定载荷或钢丝绳失去张力时，能自动切断起升回路电源，使起升机构停止运转，以保证设备的安全。

松绳保护：当起升钢丝绳失去张紧力时，触发此保护功能启动，能自动切断起升电动机的电源，以保证设备的安全。

上、下横梁有聚胺脂缓冲器防止升降台意外撞击

极限开关防止升降台过限位

叉取装置

安全功能

在叉臂的端部装有极限止挡器防止断链后叉臂滑出

安全制动装置可防止货叉超行程

货位检查装置防止货叉在前进方向有物时伸出

货叉配有伸缩保护装置扭矩限制器，可防止货叉伸缩时顶到阻力物，过载就打滑，避免损坏运行机构

设有安装/维修用的铝型材安全梯并配安全绳保护装置

表12 堆垛机性能要求表

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