摘要：隨著物流業(yè)行業(yè)的飛速發(fā)展，企業(yè)對(duì)物流的效率要求也越來越高，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫已經(jīng)成為現(xiàn)在物流發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)。高速堆垛機(jī)對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫的效率起到了決定性的作用，高端伺服系統(tǒng)在高速堆垛機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文將結(jié)合西門子SINMAICS S120伺服驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)，介紹其在高速堆垛機(jī)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動(dòng)器 高速堆垛機(jī) 防搖擺功能 共直流母線

1.前言

傳統(tǒng)的堆垛機(jī)大多采用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)控制，利用多段速度控制，同時(shí)，將外部編碼器接至 PLC， 再通過PLC給變頻器不同的速度指令，這樣帶來的弊端就是定位動(dòng)作無法實(shí)現(xiàn)高速度以及高加速度，此外，驅(qū)動(dòng)的電機(jī)使用異步電動(dòng)機(jī)，也難達(dá)到高的動(dòng)態(tài)性能及精準(zhǔn)定位。

隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展，高速堆垛機(jī)已成為倉(cāng)儲(chǔ)物流的重要組成部分，這也促進(jìn)了伺服系統(tǒng)特別是高端伺服系統(tǒng)在堆垛機(jī)行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

西門子SINAMICS S120伺服驅(qū)動(dòng)器在物流行業(yè)有了極為廣泛的應(yīng)用。為達(dá)到堆垛機(jī)的高速及穩(wěn)定控制，西門子提供了完美的產(chǎn)品和解決方案。本文將主要以電氣伺服為主，介紹SINAMICS S120的顯著特點(diǎn)及在高速堆垛機(jī)上的應(yīng)用，此外，也將介紹西門子專為高速堆垛機(jī)應(yīng)用開發(fā)的防搖擺功能。

2. SINAMAICS S120 簡(jiǎn)介及特點(diǎn)

SINAMICS S120集矢量控制與伺服控制于一身，分為DC-AC與AC-AC兩種類型，DC-AC即多軸傳動(dòng)，是控制單元、整流、逆變都為獨(dú)立模塊，目前DC-AC類型功率范圍從0.9 kW到1200 kW，AC-AC即單軸傳動(dòng)，由控制單元和功率模塊組成，功率范圍從0.12到250 kW。其結(jié)構(gòu)如圖1，圖2所示。

DC-AC類型多軸傳動(dòng)中，均采用模塊化設(shè)計(jì)，共用直流母線，控制單元是CU320-2模塊，控制單元的Firmware存儲(chǔ)在其CF卡內(nèi)，可以通過CF卡里的軟件版本對(duì)整個(gè)S120進(jìn)行Firmware升級(jí)。

新一代的控制單元CU320-2，分為DP和PN兩種類型，其運(yùn)算能力更強(qiáng)，可以帶6個(gè)伺服軸或者6個(gè)矢量軸，12個(gè)V/F 軸。

圖1 AC-AC即單軸傳動(dòng)      圖2 DC-AC即多軸傳動(dòng)

3. 西門子在高速堆垛機(jī)上的解決方案

自動(dòng)化立體倉(cāng)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(cāng)庫系統(tǒng)能力的優(yōu)劣，是立體倉(cāng)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(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)。

為了提高存取貨物的速度及效率，堆垛機(jī)逐漸向著高速堆垛機(jī)發(fā)展。西門子推出了針對(duì)高速堆垛機(jī)的解決方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從系統(tǒng)組成上看，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)全集成自動(dòng)化系統(tǒng)（TIA），主要由下面幾個(gè)部分組成：PLC S7-1200， HMI KTP600和SINAMICS S120 伺服控制器及附屬器件。

SINAMICS S120 伺服驅(qū)動(dòng)器是高端伺服驅(qū)動(dòng)器，其有很多的優(yōu)點(diǎn)，下面就結(jié)合高速堆垛機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)，介紹共直流母線和防搖擺功能。

3.1 SINAMAICS S120 共直流母線

普通堆垛機(jī)的行走電機(jī)和提升電機(jī)是獨(dú)立的，分別由獨(dú)立的變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。無論是行走電機(jī)還是提升電機(jī)，當(dāng)存在制動(dòng)的情況下，制動(dòng)所產(chǎn)上的能量都會(huì)通過制動(dòng)電阻以熱量的方式消耗。這在實(shí)際應(yīng)用中造成了能量浪費(fèi)。為達(dá)到節(jié)能為了滿足現(xiàn)場(chǎng)的不同需求，西門子使用SINAMICS S120 伺服驅(qū)動(dòng)器的共直流母線方式，即DC-AC的多軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。共直流母線實(shí)現(xiàn)各個(gè)驅(qū)動(dòng)的母線聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)能量交互，這樣能避免能量的浪費(fèi)，例如，提升電機(jī)在下放重物的情況下，處在發(fā)電狀態(tài)，其生成的能量反饋到直流母線，此能量可以被行走電機(jī)使用，達(dá)到節(jié)能的效果，同時(shí)，根據(jù)SINAMICS S120 伺服驅(qū)動(dòng)器的配置不同，直流母線上的儲(chǔ)存的能量，如果沒有被完全利用，可以將能量回饋到電網(wǎng)。

3.2 SINAMAICS S120 防搖擺功能

鑒于提升立柱高度較高，在未加入防搖擺功能時(shí)，行走設(shè)備在啟動(dòng)和停止的過程中，立柱通常需要晃動(dòng)幾秒的時(shí)間才能穩(wěn)定下來，加入防搖擺功能后，系統(tǒng)幾乎沒有搖擺，節(jié)省了行走定位花費(fèi)的時(shí)間。

西門子推出了專用于高速堆垛機(jī)的防搖功能，是完全基于軟件完成，不需要添加任何硬件而實(shí)現(xiàn)的。具體是，利用高級(jí)語言編寫軟件，使用SINAMICS S120調(diào)試軟件STARTER，將西門子提供的軟件包加載到S120伺服驅(qū)動(dòng)器中，加載完成后，只需要調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)防搖擺功能，其實(shí)現(xiàn)原理圖4所示。

圖4 防搖擺功能原理圖

為了查看SINAMICS S120伺服驅(qū)動(dòng)器防搖功能的效果，我們?cè)趹?yīng)用現(xiàn)場(chǎng)做了進(jìn)一步的測(cè)試，我們記錄了現(xiàn)場(chǎng)的速度/位置跟蹤圖，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)速度/位置跟蹤圖

現(xiàn)場(chǎng)跟蹤了速度曲線（上圖棕色曲線），分別是正向運(yùn)行和反向運(yùn)行，其中正向運(yùn)行沒有激活防搖擺功能，在啟動(dòng)S120的過程中，設(shè)備出現(xiàn)了較大的擺動(dòng)。反向運(yùn)行中激活防搖擺功能，在啟動(dòng)S120的過程中，設(shè)備沒有出現(xiàn)較大的擺動(dòng)，從應(yīng)用過程中，能夠發(fā)現(xiàn)SINAMICS S120伺服驅(qū)動(dòng)器很好的實(shí)現(xiàn)了防搖擺功能。

4. 總結(jié)

SINAMICS S120伺服驅(qū)動(dòng)器具有良好的性能和控制精度，在各個(gè)行業(yè)均有很好的業(yè)績(jī)。同時(shí)，西門子公司也為一些行業(yè)開發(fā)了一些特殊的功能，來滿足客戶的不同需求。其中，防搖擺功能就是專為高速堆垛機(jī)這一具體應(yīng)用而開發(fā)的功能。目前為止，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況，SINAMICS S120伺服驅(qū)動(dòng)器很好的實(shí)現(xiàn)了防搖擺功能。

參考文獻(xiàn)

[1] SINAMICS S120 list _manual ,SIEMENS AG.

[2] SINAMICS S120 function manual ,SIEMENS AG.

[3] SINAMICS S120 VIBX_OA_Function Manual,SIEMENS AG.