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張宇欣 朱忠烈                                                                                                                                  摘 要：上海洋山港四期自動化碼頭在國內率先建成一個全自動化AGV 換電站，解決了AGV 長時間續航的問題，保證了AGV 能夠24 h 全天候運作。文中簡述了洋山四期自動化碼頭AGV 自動充電、換電站的工作原理及自動充換電作業流程。

0 引言
洋山四期自動化碼頭將智能化生產過程控制系統和綠色節能技術運用到自動化設備中，打造了一座自動化無人碼頭。項目首批50 臺自動頂升AGV 采用綠色環保全鋰電池為動力，相比傳統燃油發動機，具有能耗小、能源效率系數高的優勢；二氧化碳零排放，綠色環保；在連續續航方面，該項目AGV 配備的鋰電池的配置容量滿足全自動化碼頭8 h 以上連續作業的需求。洋山四
期AGV 項目最大特點是取電系統采用整體換電形式，為AGV 配套提供能源保障的換電站已正式投入使用。
上海振華重工首次在AGV 項目上采用此項換電技術，相較于其他取電方案，其優點在于：整體更換電池，采用集成式大容量電池包，續航時間長，可有效避免AGV 在長時間重載或長距離調度時可能存在的虧電情況；充、換電設施相對集中，方便管理，特別適用于AGV 設備較多的大型自動化碼頭；當電池出現故障時，可直接更換使用備用電池，避免了設備長時間等待。
整個換電站內包括16 臺架載充電機、1 臺換電機器人以及卷閘門、門禁系統、空調、消防系統等，而這些設備統一由充換電站管理系統（以下簡稱BES）進行管理。每次進行換電作業時，換電機器人需舉起3.5 m3重達5.5 t 的電池包，為確保電池包能夠準確無誤存放到充電架或AGV 車身上，貨叉安放電池的精度要控制在±3 mm 以內。為了將換電對整個運營的影響減至最
小，整個換電作業流程用時需控制在6 min 以內。從安全可靠的角度考慮，整個換電站還配備有全套消防系統、冷卻通風系統、監控系統、門禁系統等保障換電站內的人員、設備的安全，見圖1。
圖1 AGV 充換電系統

1 AGV 自動充換電站管理系統（BES 系統）
1.1 BES 系統配置架構
BES 系統開發遵循“基礎平臺+ 應用平臺+ 工程配置”的設計理念。其特點：采用模塊化和層次化的軟件開發思想，可靈活擴展業務的處理功能；采用大型數據庫與自行開發的實時數據庫結合，使歷史庫和內存庫的訪問達到數據無縫連接和統一管理；系統具有完備的軟硬件自診斷、自恢復功能，通過完善的進程管理系統、運行日志系統確保系統的長期穩定可靠運行。           整個BES 系統包括充電監控子系統、換電監控子系統、計量子系統、自動充換電子系統、報表統計子系統和安防子系統等，利用抽象數據模型統一描述，將系統有機融為一體進行綜合設計，實現了充換電站的信息化、網絡化、智能化的監控和管理。自動充換電子系統在充換電監控和AGV-MS（AGV 車輛管理系統）系統信息支持的基礎上，實現無人值守條件下的自動充換電控制邏輯。見圖2。

圖2 BES 系統架構

充電監控子系統實時監視并控制充電機的運行狀態，能夠遠程設定充電機相關運行參數并實時監視相關電池包的充電狀態，包括SOC、充電電壓、充電電流等具體數據。換電監控子系統實時監視換電設備的運行狀態以及電池包更換的內容和結果，并能夠實現相關控制。計量子系統監視并記錄全站總電量、各充電機總電量和充電電量，用于運營管理和統計分析。報表統計子系統對充換電站的充電、換電、計量數據、報警和操作記錄進行查詢和統計分析。
這些子系統與上位機系統AGV-MS（碼頭車輛管理系統）、RCMS（遠程設備管理系統）、TOS（碼頭運營管理系統）之間進行信息交互，從而將充換電站有機融合到港口的信息化自動系統中。
1.2 BES 系統職責劃分
BES 系統由站控層、間隔層兩部分組成，并用分層、分布、開放式網絡實現連接，見圖3。
站控層由計算機網絡連接的系統主機或操作員站、視頻工作站等設備構成，提供站內運行的人機界面，實現管理控制間隔層設備等功能，形成全站的監控、管理中心，并可與上級系統通訊。除站控層設備布置在充換電站內的工作站以外，其他服務器、工作站均布置在港口服務器機房內，與充換電站內的網絡通過光纖通道連接。
間隔層由站內充電機監控單元、配電自動化終端、間隔層設備和各種網絡、通信接口設備等構成，完成面向單元設備的監測控制等功能。
間隔層采用以太網、CAN 網、RS485 等方式連接，站控層和間隔層之間采用以太網連接，站控層各主機之間也采用以太網連接。

圖3 BES 系統拓撲圖

2 換電站充電系統
由16 臺200 kW 的架載充電機完成對換電站內所有電池包的充電。架載充電機的充電流程見圖4。由于電池包在架載充電機上進行充電時無法收到AGV 車的控制、狀態等信息，因此，需要架載充電機對電池包內各項數據進行實時交互，從而準確切換充電狀態。                                      

圖4 架載充電機充電流程

充電開啟條件：架載充電機需在開啟充電前向電池包控制器模擬發送AGV 電池包連接器連接確認和AGV運行狀態。
充電階段：根據電池特性，架載充電機充電模式分為CC（恒流）和CV（恒壓）兩種狀態。在啟動初期，充電機按照CC 模式對電池進行持續的大電流充電，當max cell voltage=4.1 V 或total voltage=738 V 時切換至CV 模式對電池進行持續涓流充電。

3 換電機器人系統
3.1 換電機器人
AGV 換電機器人是AGV 換電站系統的一部分，主要功能是將AGV 車載乏電電池與架載滿電電池進行更換，以滿足AGV 的續航功能。設備主要包含橫移、升降和貨叉伸出三個方向的運動功能，通過傳感器實現電池在X、Y、Z 三個方向任意位置自由運動。換電機器人采用雙立柱門式結構，橫移運動采用“地軌+ 天軌”導向模式。具有整體結構簡單、質量輕、可靠性高等特點。

圖5 換電機器人結構示意圖
3.2 換電機器人系統控制特點
機器人控制系統由核心控制單元集中控制，在設備控制層采用Profibus 現場總線，與現場I/O、各個驅動單元、人機交互界面等進行通訊，在信息管理層采用以太網絡與BES 系統、觸摸屏進行通訊。本項目對機器人定位精度要求高且要求換電時間短。要求各個機構運動平穩、快速、定位準確。因此，從系統控制及驅動上采用了如下方式：
1）為了保證平穩及高速度，采用S 形曲線控制方式對比結果表明，S 形速度控制曲線較梯形曲線能夠帶來更小的負載速度超調與調整時間，即在相同的速度超調要求下，S 形速度控制曲線下能夠進一步縮短加減速時間，提高負載速度的控制帶寬。見圖6 和圖7。

圖6 運動控制的梯形曲線與S 型曲線控制模式

圖7 仿真模型下梯形曲線與S 型曲線控制穩定性比較

2）為了保證高速度及大負載，采用了SVPWM 驅動方式根據Fortescue 提出的對稱分量法，將定子坐標系、轉子坐標系分別與驅動電流及執行電流進行對應。                                               本項目采用Clarke 變換和Park 變換，分析驅動與執行電流，通過控制系統進行協調，提高有功功率比例，減少無功功率消耗。見圖8。

圖8 SVPWM 過程中的坐標變換

基于3 軸、2 維的定子靜止坐標系的各物理量變換到2 軸的定子靜止坐標系中，該過程稱為 Clarke 變換。實現a、b、c 笛卡爾坐標系到α、β 的2 軸極坐標系的轉換，從而得到基于α、β 的 2 軸極坐標系的定子電流矢量。通過Park 變換，將其變換至隨轉子磁通同步旋轉的 2軸系統中，也就是d、q 坐標系。
3）為保證控制系統的實時高效，采用模糊自整定
方式計算id、iqCCC（Crossing Coupling Controller）模糊自整定通過識別軌跡跟蹤誤差e 和誤差變化率de 的大小，利用模糊規則進行模糊推理，然后根據推理結果對DKp、DKi、DKd 進行調整。定義e 、de 、DKp、DKi、DKd的模糊子集為[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，其為對稱三角形隸屬度函數。見圖9 和圖10。

圖9 軸控制時的CCC 控制結構

圖10 CCC 模糊自整定PID 控制
Kp =Kp′+ qp *DKp
Ki =Ki′+ qi *DKi
Kd =Kd′+ qd *KDd
其中PID 控制器的初值Kp′、Ki′、Kd′ 可根據X 或Y 的模型由Z-N 方法進行設定，然后根據實驗結
果Eo 對qp、qi、qd 進行調整。
4）為保證電池定位設備準確使用了各類高精度傳感器設備的定位系統包括DMP定位單元、條碼定位單元、絕對編碼器定位單元、激光測距定位單元等。所有這些定位傳感器向PLC 輸出一個位置數據（包含數字量和模擬量），PLC 可以通過采集的這些數據獲得當前位置，形成進一步的指令。通過以上這些精密設備的控制與保護，能夠保證整個換電機器人在半自動、全自動模式下安全、可靠的運行。機器人半自動定位流程見圖11。為了保證項目上所有AGV 電池包能夠平均使用，在上位機發出自動換電指令時，BES 系統內部還會進行篩選，根據某些特定條件選出優先級最高的電池包進行使用。                                                                                              1）電池包可用狀態由于電池特性和充電策略的雙重影響，當充電機從CC 模式轉換至CV 模式后直至完全充電完成之前會有一個很長的持續CV 的涓流充電過程。為了提高電池包使用效率，避免出現電站內無包可用的情況發生，為此引入一個“電池包可用”這個概念。當電池包已經完成充電或者該電池正處于CV 狀態下時，均定義為該電池包可用：                                                      2） 電池包選取策略電池選取策略優先級為電池無故障＞電池是否可用＞使用次數較少＞就近工位。                                                                                                                                            3） 換電站與卷閘門控制策略卷閘門的控制命令由上級VMS 系統發出，站級監控系統收到后檢查命令的合法性，合法則下發給執行設備。站級監控系統回復VMS系統控制命令的執行結果，如果執行失敗則需要回復失敗原因。

圖11 機器人半自動定位流程圖

4 結論
以國內第一個AGV 全自動化換電碼頭項目為研究背景，介紹了AGV 自動充、換電設備及管理。AGV 全自動電池更換站是全換電AGV自動化碼頭的關鍵設備，而換電站內的充電和換電設備是電池更換站內的核心，兩者相互適應、相輔相成，通過電池包充電和整體更換，使AGV 換電像加油一樣快捷。依據ZP15-2305E 洋山AGV 自動化項目，闡述了AGV 自動充換電站在自動化碼頭上的應用。