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越高，自動(dòng)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(yùn)輸研究所自上世紀(jì)70年代開始研發(fā)我國第一座自動(dòng)化立體倉庫到目前為止已經(jīng)成功承建上百座大型自動(dòng)化立體倉庫項(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)場等等，技術(shù)水平和研發(fā)實(shí)力在國內(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)化立體倉庫中搬運(yùn)設(shè)備上的應(yīng)用。自動(dòng)化立體倉庫是采用多層鋼結(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(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)到指定貨位的入庫作業(yè)，或者從指定貨位到巷道端口輸送機(jī)的出庫作業(yè)，從而與巷道端口入出庫輸送機(jī)系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)入出庫。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(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合。由于堆垛機(jī)在工作過程中是頻繁啟動(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PROFIBUS總線控制3臺(tái)MM440變頻器來實(shí)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。

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)檢測電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)和變頻器的特性；
P1910=3 自動(dòng)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(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)置煩瑣無序，并沒有從前使用的SEW變頻器方便，但經(jīng)過一段時(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(xiàng)目中通過完善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?？刂茖?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（P1910=3），從而修改變頻器第4訪問級(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

    西門子MM440變頻器以應(yīng)用于多個(gè)自動(dòng)化立體倉庫堆垛機(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。