摘 要 ：本文介紹西門子MM440變頻器在自動化立體倉庫中堆垛機上的應(yīng)用，著重介紹MM440變頻器在堆垛機行走機構(gòu)驅(qū)動中的應(yīng)用。由于在堆垛機控制系統(tǒng)中采用西門子MM440變頻器閉環(huán)調(diào)速，通過PROFIBUS總線與PLC通訊，實現(xiàn)了無沖擊的平穩(wěn)機械動作以及縮短停于目標位置時低速爬行時間，從而大幅度地縮短了堆垛機的作業(yè)周期時間，使系統(tǒng)效能得到了顯著提高。 關(guān)鍵詞： 堆垛機 MM440變頻器 立體倉庫 1 引言 隨著物流業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)對物流的合理化和效率要求越來越高，自動化立體倉庫已經(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。北京起重運輸機械研究所自上世紀70年代開始研發(fā)我國第一座自動化立體倉庫到目前為止已經(jīng)成功承建上百座大型自動化立體倉庫項目，涉及的行業(yè)包括IT、醫(yī)藥、乳液制品、軍事、造紙、食品、機場等等，技術(shù)水平和研發(fā)實力在國內(nèi)物流行業(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)的物流配送中心項目為背景，介紹西門子的MM440變頻器在自動化立體倉庫中搬運設(shè)備上的應(yīng)用。自動化立體倉庫是采用多層鋼結(jié)構(gòu)貨架組成存儲單元貨格，利用專用物料搬運設(shè)備堆垛機和輸送機以及分配車來完成物料的運送。而堆垛機運行在有軌巷道內(nèi)，是所有設(shè)備中運動方式最復(fù)雜、所處環(huán)節(jié)最為重要的設(shè)備，它的性能決定著立體倉庫系統(tǒng)能力的優(yōu)劣，是立體倉庫中的最關(guān)鍵設(shè)備。堆垛機的運動機構(gòu)是由行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、貨叉伸縮機構(gòu)三個主要部分組成，它在巷道內(nèi)進行水平往復(fù)直線、垂直升降、貨叉左右伸縮叉取等一系列協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)存儲單元貨物從巷道端口輸送機到指定貨位的入庫作業(yè)，或者從指定貨位到巷道端口輸送機的出庫作業(yè)，從而與巷道端口入出庫輸送機系統(tǒng)一起實現(xiàn)貨物的自動入出庫。目前對于象配送中心這樣的物料集散地，每天的存取貨物非常多，這就使得堆垛機等設(shè)備長時間處于頻繁工作狀態(tài)。而每個貨物存放單元都對應(yīng)精確的數(shù)據(jù)地址，因此要求堆垛機每次存取貨物必須快速運行而且停車要求平穩(wěn)精準。在以往的項目中采用的是其它公司的變頻器，可以完全實現(xiàn)工藝要求，目前根據(jù)西門子MM440變頻器的功能設(shè)計了另一套解決方案，已成功應(yīng)用在項目中，既達到了工藝要求又節(jié)約了成本，圖1為現(xiàn)場圖片。 [align=center] 圖1 現(xiàn)場照片[/align] 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、風(fēng)機、水泵等控制性能較低的小功率的場合；MM430、MM440為PID控制器，具有PID微調(diào)等功能，MM430多適合用于風(fēng)機水泵類平方轉(zhuǎn)矩負載用；MM440可用于矢量控制，可以實現(xiàn)高性能的應(yīng)用，帶內(nèi)置制動單元，可以快速制動。綜合各項指標采用了MM440變頻器。 采用帶傳感器矢量控制閉環(huán)調(diào)速，能滿足象堆垛機這樣動態(tài)特性要求較高，并且在低頻時輸出高轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速精度要求較高的場合。由于堆垛機在工作過程中是頻繁啟動和停車的，在高速運行的狀態(tài)下還要求堆垛機能夠快速精準地停在目的地，因此在制動方面采用了動能制動，將電動機運行在發(fā)電狀態(tài)下所回饋的能量消耗在制動電阻中，從而達到快速停車的目的。 有效利用BiCo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 堆垛機的行走機構(gòu)、起升機構(gòu)和貨叉機構(gòu)是通過交流異步電機驅(qū)動，3臺電機的調(diào)速由S7-300PLC通過PROFIBUS總線控制3臺MM440變頻器來實現(xiàn)。水平方向的定位采用帶PROFIBUS接口的第三方激光測距產(chǎn)品。配件配置如圖2所示。 [align=center] 圖2 硬件配置[/align] 2）行走機構(gòu)參數(shù) 行走機構(gòu)是堆垛機水平運動的驅(qū)動機構(gòu)。由SEW齒輪電機減速機連接主動輪組成。行走機構(gòu)采用變MM440閉環(huán)調(diào)速，高速可達160m/min，低速可達2m/min以下，保證了生產(chǎn)效率和停準精度兩方面的要求。 行走機構(gòu)參數(shù):主動輪直徑400mm;減速機速比19.45;運行高速160m/min；低速2m/min；加速度0.5m/s2;電機額定功率7.5kW;額定電流26.6A;額定電壓380V/220V（星形/角形）；功率因數(shù)0.85；額定轉(zhuǎn)速1430r/min。 根據(jù)以上參數(shù)計算，行走機構(gòu)驅(qū)動選擇如下：變頻器型號6SE6440-2UD31-1CA1；編碼器模板6SE6400-0EN00-0AA0。 3 行走速度曲線 [align=center] 圖3 行走速度曲線[/align] 在堆垛機接收監(jiān)控機作業(yè)命令后，PLC進行數(shù)據(jù)處理取得目標地址并計算出各機構(gòu)的平均運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PROFIBUS總線對變頻器進行控制。在圖3所示的運行機構(gòu)速度曲線的加速段P1130、P1131用以平滑加速過程避免產(chǎn)生加速超調(diào)和欠調(diào)。勻速運行到減速位置（激光測距獲得）后PLC給定變頻器爬行速度，變頻器按照P1121設(shè)定的斜坡下降時間使堆垛機降低至爬行速度進入爬行階段。當堆垛機行走到停車位置后PLC給變頻器下達停車指令，變頻器進行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 （1）快速調(diào)試參數(shù) P0010=1 快速調(diào)試； P0304=220 電機額定電壓220V； P0305=26.6 電機額定電流26.6A； P0307=7.5 電機額定功率7.5kW； P0308=0.85 電機功率因數(shù)； P0311=1430 電機額定轉(zhuǎn)速r/min； P0355=2 電機冷卻方式自冷內(nèi)置風(fēng)機冷卻; P0640=150 電動機過載因子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 斜坡上升時間5s; P1121=3 斜坡下降時間5s; P1130=1 斜坡上升起始圓弧時間5s； P1131=1 斜坡下升結(jié)束圓弧時間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。 （2）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個脈沖； P0494=100 速度信號丟失時的措施延遲時間100ms。 （3）其他參數(shù) P1237=4 動力制動工作周期工作/停止時間 的比率為50%； P1240=0 禁止直流電壓控制器； P1215=1 抱閘使能； P1216=0 抱閘延時打開時間0s； P1217=0 斜坡曲線結(jié)束后延時抱閘時間0s； P0731=52.C 數(shù)字輸出1功能52.C電動機抱閘 （MHB）投入； P2000=87 基準頻率87Hz。 4.2 電機參數(shù)優(yōu)化 P1910=1 自動檢測電動機的數(shù)據(jù)和變頻器的特性; P1910=3 自動檢測飽和曲線。 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） 在進行速度控制器優(yōu)化之前先將電動機轉(zhuǎn)動慣量輸入到P0341，計算出驅(qū)動裝置總慣量，并把它與電機慣量的比值輸入到P0342（驅(qū)動裝置總慣量/電動機慣量之比）.速度控制器優(yōu)化結(jié)束后試運行，根據(jù)運行狀況手動調(diào)節(jié)：P1460、P1462、P0342、P1496參數(shù)，使其達到良好的動態(tài)性能和速度穩(wěn)定性。 5 應(yīng)用體會 在系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試的初期感覺MM440變頻器參數(shù)設(shè)置煩瑣無序，并沒有從前使用的SEW變頻器方便，但經(jīng)過一段時間對產(chǎn)品的應(yīng)用和熟悉后感覺MM440變頻器是一款功能強大靈活性非常高的變頻器，加上它有獨特的BICO功能，使系統(tǒng)設(shè)計更方便。在系統(tǒng)設(shè)計中通過MM440在87Hz使電機滿功率運轉(zhuǎn)的特點，采用電機以低壓方式連接（三角形連接額定電壓220V）變頻器87Hz輸出電壓能夠達到400V，獲得了0～87Hz全磁通和滿功率運行，這樣在減速機速比一定的情況下獲得了更寬的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍，提高了堆垛機的最高行走速度同時也獲得了低速爬行時的穩(wěn)定性。對于MM440與第三方電機配合使用時，440提供了完善的電機參數(shù)檢測功能，使電機數(shù)學(xué)模型建立更符合實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程中會產(chǎn)生由于機械跟隨滯后產(chǎn)生的超調(diào)與欠調(diào)。經(jīng)過反復(fù)試驗改用半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算減速過程仍使用梯形曲線。采用半S半梯形曲線能夠抑制加速過程中產(chǎn)生的超調(diào)與欠調(diào)，但減速過程中仍然存在超調(diào)與欠調(diào)的現(xiàn)象，沒有完全解決問題。在今后的項目中通過完善PLC程序與變頻器參數(shù)實現(xiàn)完全的S形曲線速度控制。 在MM440調(diào)試中有以下幾點容易被忽視： （1）在進行電機參數(shù)自動檢測前應(yīng)先設(shè)置電機環(huán)境溫度P0625； （2）在更改命令源P0700時，所有的數(shù)字量輸入輸出都將復(fù)位?？刂茖ο鬄槲荒茇撦d并使用數(shù)字量輸出控制抱閘時，更改P0700會造成溜車； （3）使用帶編碼器的矢量控制方式的電機參數(shù)自動檢測結(jié)束后會自動更改P0492（允許速度偏差），如運行中容易發(fā)生F0090故障可以適當增大此值。 （4）AOP高級操作面板只能上裝下載第3訪問級以下的參數(shù)（包括第3級別），在變頻器之間拷貝參數(shù)組時，用戶必須在此對變頻器進行快速調(diào)試和飽和曲線自動檢測（P1910=3），從而修改變頻器第4訪問級參數(shù)。使用PC調(diào)試軟件STARTER或者DriveMonitor軟件可以上裝下載全部級別的參數(shù)。 （5）在需要使用AOP對多臺相同變頻器進行參數(shù)下載操作時應(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，最好對不同軟件版本的變頻器從新調(diào)試。 6 結(jié)束語 西門子MM440變頻器以應(yīng)用于多個自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)中，它高質(zhì)量的矢量控制使堆垛機無論在高速運行或低速爬行中都表現(xiàn)出良好的速度穩(wěn)定性以及很好的動態(tài)性能。堆垛機水平軸方向移動是一種大慣性負載，在減速過程中變頻器經(jīng)常工作在發(fā)電狀態(tài)，MM440變頻器通過外接制動電阻在四象限運行方面也表現(xiàn)出良好的性能。西門子MM440變頻器在提高堆垛機性能降低設(shè)備成本方面做出了巨大的貢獻，今后將繼續(xù)使用西門子M440變頻器，并在不斷應(yīng)用實踐中完善參數(shù)，發(fā)揮MM440最大作用以提高的產(chǎn)品性能。