摘要：本文介紹西門子MM440變頻器在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中堆垛機(jī)上的應(yīng)用，著重介紹MM440變頻器在堆垛機(jī)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用。由于在堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中采用西門子MM440變頻器閉環(huán)調(diào)速，通過(guò)PROFIBUS總線與PLC通訊，實(shí)現(xiàn)了無(wú)沖擊的平穩(wěn)機(jī)械動(dòng)作以及縮短停于目標(biāo)位置時(shí)低速爬行時(shí)間，從而大幅度地縮短了堆垛機(jī)的作業(yè)周期時(shí)間，使系統(tǒng)效能得到了顯著提高。
關(guān)鍵詞：堆垛機(jī) MM440變頻器 立體倉(cāng)庫(kù)
Abstract: This article introduces the application of SIEMENS MM440 inverters on stacking cranes in stereoscopic warehouses. The main focus is on the using of MM440 inverters in the stacking crane driving system. With the close loop speed control by MM440 and communications between MM440 and PLC via PROFIBUS, the cranes move smoothly with no impact and need less crawling time when closing to the target in low speed. The system efficiency has been significantly enhanced for the less operation time.
Key words: Stacking crane MM440 inverter Stereoscopic warehouse
1 引言
隨著物流業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)對(duì)物流的合理化和效率要求越來(lái)越高，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)已經(jīng)成為現(xiàn)在物流發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)和企業(yè)物流及生產(chǎn)管理不可缺少的重要手段。北京起重運(yùn)輸研究所自上世紀(jì)70年代開始研發(fā)我國(guó)第一座自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)到目前為止已經(jīng)成功承建上百座大型自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)項(xiàng)目，涉及的行業(yè)包括IT、醫(yī)藥、乳液制品、軍事、造紙、食品、機(jī)場(chǎng)等等，技術(shù)水平和研發(fā)實(shí)力在國(guó)內(nèi)物流業(yè)中處于領(lǐng)先地位。
本文以剛調(diào)試完成的某醫(yī)藥行業(yè)的物流配送中心項(xiàng)目為背景，介紹西門子的MM440變頻器在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中搬運(yùn)設(shè)備上的應(yīng)用。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是采用多層鋼結(jié)構(gòu)貨架組成存儲(chǔ)單元貨格。利用專用物料搬運(yùn)設(shè)備堆垛機(jī)和運(yùn)送機(jī)以及分配車來(lái)完成物料的運(yùn)送。而堆垛機(jī)運(yùn)行在有軌巷道內(nèi)，是所有設(shè)備中運(yùn)動(dòng)方式最復(fù)雜、所處環(huán)境最為重要的設(shè)備，它的性能決定著立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)能力的優(yōu)劣，是立體倉(cāng)庫(kù)中的最關(guān)鍵設(shè)備。堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由行走機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)三個(gè)主要部分組成，它在巷道內(nèi)進(jìn)行水平往復(fù)直線、垂直升降、貨叉左右伸縮叉取等一系列協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元貨物從巷道端口輸送機(jī)到指定貨位的入庫(kù)作業(yè)，或者從指定貨位到巷道端口輸送機(jī)的出庫(kù)作業(yè)，從而與巷道端口入出庫(kù)輸送機(jī)系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)入出庫(kù)。目前，對(duì)于像配送中心這樣的物料集散地，每天的存取貨物非常多，這就使得堆垛機(jī)等設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于頻繁工作狀態(tài)。而每個(gè)貨物存放單元都對(duì)應(yīng)精確的數(shù)據(jù)地址，因此要求堆垛機(jī)每次存取貨物必須快速運(yùn)行而且停車要求平穩(wěn)精準(zhǔn)。在以往的項(xiàng)目中采用的是其它公司的變頻器，可以完全實(shí)現(xiàn)工藝要求，目前根據(jù)西門子MM440變頻器的功能設(shè)計(jì)了另一套解決方案，已成功應(yīng)用在項(xiàng)目中，既達(dá)到了工藝要求又節(jié)約了成本，圖一為現(xiàn)場(chǎng)圖片。
西門子MM4系列不同的變頻器提供了不同的控制器，如MM420為PI控制器，一般應(yīng)用在傳送機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等控制性能較低的小功率的場(chǎng)合；MM430、MM440為PID控制器，具PID微調(diào)等功能，MM430多適合用于風(fēng)機(jī)水泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載用；MM440可用于矢量控制，可以實(shí)現(xiàn)高性能的應(yīng)用，帶內(nèi)置制動(dòng)單元，可以快速制動(dòng)。綜合各項(xiàng)指標(biāo)采用了MM440變頻器。
采用帶傳感器矢量控制閉環(huán)調(diào)速，能滿足象堆垛機(jī)這樣動(dòng)態(tài)特性要求較高，并且在低頻時(shí)輸出高轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速精度要求較高的場(chǎng)合。由于堆垛機(jī)在工作過(guò)程中是頻繁啟動(dòng)和停車的，在高速運(yùn)行的狀態(tài)下還要求堆垛機(jī)能夠快速精準(zhǔn)地停在目的地，因此在制動(dòng)方面采用了動(dòng)能制動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)下所回饋的能量消耗在制動(dòng)電阻中，從而達(dá)到快速停車的目的。
有效利用Bi Co參數(shù)互聯(lián)功能，使得復(fù)雜繁瑣的參數(shù)設(shè)置變得邏輯清晰明了。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
1) 系統(tǒng)的硬件配置
堆垛機(jī)的行走機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)和貨叉機(jī)構(gòu)是通過(guò)交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，3臺(tái)電機(jī)的調(diào)速由S7-300PLC通過(guò)PROFIBUS總線控制3臺(tái)MM440變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。水平方向的定位采用帶PROFIBUS接口的第三方激光測(cè)距產(chǎn)品。配件配置如圖2所示。
2) 行走機(jī)構(gòu)參數(shù)
行走機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)水平運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。由SEW齒輪電機(jī)減速機(jī)連接主動(dòng)輪組成。行走機(jī)構(gòu)采用變MM440閉環(huán)調(diào)速，高速可達(dá)160m/min，低速可達(dá)2m/min以下，保證了生產(chǎn)效率和停準(zhǔn)精度兩方面的要求。
行走機(jī)構(gòu)參數(shù)：主動(dòng)輪直徑400mm；減速機(jī)速比19.45；運(yùn)行高速160m/min；低速2m/min；加速度0.5m/s2 ；電機(jī)額定功率7.5kW；額定電流26.6A；額定電壓380V/220V（星型/角型）；功率因數(shù)0.85；額定轉(zhuǎn)速1430r/min。
根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算，行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)選擇如下：變頻器型號(hào)6SE6440-2UD31-1CA1；編碼器模板6SE6400-0EN00-0AA0。
3 行走速度曲線
在堆垛機(jī)接收監(jiān)控機(jī)作業(yè)命令后，PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理取得目標(biāo)地址并計(jì)算出各機(jī)構(gòu)的平均運(yùn)行速度以及減速距離停車距離等數(shù)據(jù)。PLC依據(jù)這些數(shù)據(jù)通過(guò)PROFIBUS總線對(duì)變頻器進(jìn)行控制。在圖3所示的運(yùn)行機(jī)構(gòu)速度曲線的加速段P1130、P1131用以平滑加速過(guò)程避免產(chǎn)生加速超調(diào)和欠調(diào)。勻速運(yùn)行到減速位置（激光測(cè)距獲得）后PLC給定變頻器爬行速度，變頻器按照P1121設(shè)定的斜坡下降時(shí)間使堆垛機(jī)降低至爬行速度進(jìn)入爬行階段。當(dāng)堆垛機(jī)行走到停車位置后PLC給變頻器下達(dá)停車指令，變頻器進(jìn)行OFF1停車，頻率降低至最低頻率后抱閘斷電抱死。
4 變頻器參數(shù)設(shè)定及優(yōu)化
4.1 參數(shù)設(shè)定
⑴ 快速調(diào)試參數(shù)
P0010=1 快速調(diào)試；
P0304=220 電機(jī)額定電壓220V；
P0305=26.6 電機(jī)額定電流26.2A；
P0307=7.5 電機(jī)額定功率7.5kW；
P0308=0.85 電機(jī)功率因數(shù)；
P0311=1430 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速r/min；
P0355=2 電機(jī)冷卻方式自冷內(nèi)置風(fēng)機(jī)冷卻；
P0640=150 電動(dòng)機(jī)過(guò)載因子150%；
P0700=6 命令源COM鏈路的通訊板控制；
P1000=6 頻率設(shè)定COM鏈路的通訊板設(shè)定；
P1080=0.5 最小頻率0.5Hz；
P1082=87 最大頻率87Hz；
P1120=5 斜坡上升時(shí)間5s；
P1121=3 斜坡下降時(shí)間5s；
P1130=1 斜坡上升起始圓弧時(shí)間5s；
P1131=1 斜坡下升結(jié)束圓弧時(shí)間5s；
P1300=21 控制方式帶傳感器的矢量控制；
P3900=1 結(jié)束快速調(diào)試。
⑵ 編碼器參數(shù)
P0400=2 不帶零位脈沖的正交編碼器；
P0408=1024 編碼起一圈的脈沖數(shù)1024；
P0492=5 允許的速度偏差5個(gè)脈沖；
P0494=100 速度信號(hào)丟失時(shí)的措施延遲時(shí)間100ms；
⑶ 其它參數(shù)
P1237=4 動(dòng)力制動(dòng)工作周期工作/停止時(shí)間的比率為50%；
P1240=0 禁止直流電壓控制器；
P1215=1 抱閘使能；
P1216=0 抱閘延時(shí)打開時(shí)間0s；
P1217=0 斜坡曲線結(jié)束后延時(shí)抱閘時(shí)間0s；
P0731=52.C 數(shù)字輸出1功能52.C電動(dòng)機(jī)抱閘（MHB）投入；
P2000=87 基準(zhǔn)頻率87Hz。
4.2 電機(jī)參數(shù)優(yōu)化
P1910=1 自動(dòng)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)和變頻器的特性；
P1910=3 自動(dòng)檢測(cè)飽和曲線。
4.3 速度控制器優(yōu)化
P1960=1 速度控制器的優(yōu)化（帶載優(yōu)化）
在進(jìn)行速度控制器優(yōu)化之前先將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輸入到P0341，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)裝置總慣量，并把它與電機(jī)慣量的比值輸入到P0342（驅(qū)動(dòng)裝置總慣量/電動(dòng)機(jī)慣量之比）。驅(qū)動(dòng)裝置總慣量計(jì)算公式如下：
JX = 91.2 Χ M Χ (Vmax / n)2 +JM
式中：M – 設(shè)備質(zhì)量；
Vmax – 設(shè)備運(yùn)行的最高速度；
n – 對(duì)應(yīng)Vmax 的電機(jī)轉(zhuǎn)速；
JM – 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
速度控制器優(yōu)化結(jié)束后試運(yùn)行，根據(jù)運(yùn)行狀況手動(dòng)調(diào)節(jié)：P1460、P1462、P0342、P1496參數(shù)，使其達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)性能和速度穩(wěn)定性。
5 應(yīng)用體會(huì)
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試的初期感覺MM440變頻器參數(shù)設(shè)置煩瑣無(wú)序，并沒有從前使用的SEW變頻器方便，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間對(duì)產(chǎn)品的應(yīng)用和熟悉后感覺MM440變頻器是一款功能強(qiáng)大靈活性非常高的變頻器，加上它有獨(dú)特的BICO功能，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)更方便。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過(guò)MM440在87Hz使電機(jī)滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，采用電機(jī)以低壓方式連接（三角形連接額定電壓220V）變頻器87Hz輸出電壓能夠達(dá)到400V，獲得了0～87Hz全磁通和滿功率運(yùn)行，這樣在減速機(jī)速比一定的情況下獲得了更寬的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍，提高了堆垛機(jī)的最高行走速度同時(shí)也獲得了低速爬行時(shí)的穩(wěn)定性。對(duì)于MM440與第三方電機(jī)配合使用時(shí)，440提供了完善的電機(jī)參數(shù)檢測(cè)功能，使電機(jī)數(shù)學(xué)模型建立更符合實(shí)際矢量控制精度更高。
在設(shè)備的調(diào)試初期采用梯形曲線的速度控制，使用這種曲線在加速與減速過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生由于機(jī)械跟隨滯后產(chǎn)生的超調(diào)與欠調(diào)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)改用半S形半梯形曲線控制，這樣避免了加速階段的超調(diào)與欠調(diào)，為了便于停車距離的計(jì)算減速過(guò)程仍使用梯形曲線。采用半S半梯形曲線能夠抑制加速過(guò)程中產(chǎn)生的超調(diào)與欠調(diào)，但減速過(guò)程中仍然存在超調(diào)與欠調(diào)的現(xiàn)象，沒有完全解決問(wèn)題。在今后的項(xiàng)目中通過(guò)完善PLC程序與變頻器參數(shù)實(shí)現(xiàn)完全的S形曲線速度控制。
在MM440調(diào)試中有以下幾點(diǎn)容易被忽視：
⑴ 在進(jìn)行電機(jī)參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)前應(yīng)先設(shè)置電機(jī)環(huán)境溫度P0625；
⑵ 在更改命令源P0700時(shí)，所有的數(shù)字量輸入輸出都將復(fù)位。控制對(duì)象為位能負(fù)載并使用數(shù)字量輸出控制抱閘時(shí)，更改P0700會(huì)造成溜車；
⑶ 適用帶編碼器的矢量控制方式的電機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)結(jié)束后會(huì)自動(dòng)更改P0492（允許速度偏差），如運(yùn)行中容易發(fā)生F0090故障可以適當(dāng)增大此值。
⑷ AOP高級(jí)操作面板只能上裝下載第3訪問(wèn)級(jí)以下的參數(shù)（包括第3級(jí)別），在變頻器之間拷貝參數(shù)組時(shí)，用戶必須在此對(duì)變頻器進(jìn)行快速調(diào)試和飽和曲線自動(dòng)檢測(cè)（P1910=3），從而修改變頻器第4訪問(wèn)級(jí)參數(shù)。使用PC調(diào)試軟件STARTER或者DriveMonitor軟件可以上裝下載全部級(jí)別的參數(shù)。
⑸ 在需要使用aop對(duì)多臺(tái)相同變頻器進(jìn)行參數(shù)下載操作時(shí)應(yīng)首先查看變頻器軟件版本是否相同（r0018），若不相同不要下載，最好對(duì)不同軟件版本的變頻器從新調(diào)試。
6 結(jié)束語(yǔ)
西門子MM440變頻器以應(yīng)用于多個(gè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中，它高質(zhì)量的矢量控制使堆垛機(jī)無(wú)論在高速運(yùn)行或低速爬行中都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性以及很好的動(dòng)態(tài)性能。堆垛機(jī)水平軸方向移動(dòng)是一種大慣性負(fù)載，在減速過(guò)程中變頻器經(jīng)常工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，MM440變頻器通過(guò)外接制動(dòng)電阻在四象限運(yùn)動(dòng)方面也表現(xiàn)出良好的性能。西門子MM440變頻器在提高堆垛機(jī)性能降低設(shè)備成本方面做出了巨大的貢獻(xiàn),今后將繼續(xù)使用西門子MM440變頻器，并在不斷應(yīng)用實(shí)踐中完善參數(shù)，發(fā)揮MM440最大作用以提高的產(chǎn)品性能。