MM440在自动化立体仓库中库堆垛机上的应用

1 引言

      随着物流业的飞速发展，现代企业对物流的合理化和效率要求越来越高，自动化立体仓库已经成为现在物流发展中的重要环节和企业物流及生产管理不可缺少的重要手段。北京起重运输研究所自上世纪70年代开始研发我国第一座自动化立体仓库到目前为止已经成功承建上百座大型自动化立体仓库项目，涉及的行业包括IT、医药、乳液制品、军事、造纸、食品、机场等等，技术水平和研发实力在国内物流业中处于领先地位。

      本文以刚调试完成的某医药行业的物流配送中心项目为背景，介绍西门子的MM440变频器在自动化立体仓库中搬运设备上的应用。自动化立体仓库是采用多层钢结构货架组成存储单元货格。利用专用物料搬运设备堆垛机和运送机以及分配车来完成物料的运送。而堆垛机运行在有轨巷道内，是所有设备中运动方式最复杂、所处环境最为重要的设备，它的性能决定着立体仓库系统能力的优劣，是立体仓库中的最关键设备。堆垛机的运动机构是由行走机构、起升机构、货叉伸缩机构三个主要部分组成，它在巷道内进行水平往复直线、垂直升降、货叉左右伸缩叉取等一系列协调工作，实现存储单元货物从巷道端口输送机到指定货位的入库作业，或者从指定货位到巷道端口输送机的出库作业，从而与巷道端口入出库输送机系统一起实现货物的自动入出库。目前，对于像配送中心这样的物料集散地，每天的存取货物非常多，这就使得堆垛机等设备长时间处于频繁工作状态。而每个货物存放单元都对应精确的数据地址，因此要求堆垛机每次存取货物必须快速运行而且停车要求平稳精准。在以往的项目中采用的是其它公司的变频器，可以完全实现工艺要求，目前根据西门子MM440变频器的功能设计了另一套解决方案，已成功应用在项目中，既达到了工艺要求又节约了成本，图一为现场图片。

      西门子MM4系列不同的变频器提供了不同的控制器，如MM420为PI控制器，一般应用在传送机、风机、水泵等控制性能较低的小功率的场合；MM430、MM440为PID控制器，具有PID微调等功能，MM430多适合用于风机水泵类平方转矩负载用；MM440可用于矢量控制，可以实现高性能的应用，带内置制动单元，可以快速制动。综合各项指标采用了MM440变频器。

      采用带传感器矢量控制闭环调速，能满足象堆垛机这样动态特性要求较高，并且在低频时输出高转矩以及转速精度要求较高的场合。由于堆垛机在工作过程中是频繁启动和停车的，在高速运行的状态下还要求堆垛机能够快速精准地停在目的地，因此在制动方面采用了动能制动，将电动机运行在发电状态下所回馈的能量消耗在制动电阻中，从而达到快速停车的目的。

      有效利用Bi Co参数互联功能，使得复杂繁琐的参数设置变得逻辑清晰明了。

2 系统构成

1) 系统的硬件配置

      堆垛机的行走机构、起升机构和货叉机构是通过交流异步电机驱动，3台电机的调速由S7-300PLC通过PROFIBUS总线控制3台MM440变频器来实现。水平方向的定位采用带PROFIBUS接口的第三方激光测距产品。配件配置如图2所示。

2) 行走机构参数

      行走机构是堆垛机水平运动的驱动机构。由SEW齿轮电机减速机连接主动轮组成。行走机构采用变MM440闭环调速，高速可达160m/min，低速可达2m/min以下，保证了生产效率和停准精度两方面的要求。

      行走机构参数：主动轮直径400mm；减速机速比19.45；运行高速160m/min；低速2m/min；加速度0.5m/s2 ；电机额定功率7.5kW；额定电流26.6A；额定电压380V/220V（星型/角型）；功率因数0.85；额定转速1430r/min。

      根据以上参数计算，行走机构驱动选择如下：变频器型号6SE6440-2UD31-1CA1；编码器模板6SE6400-0EN00-0AA0。

3 行走速度曲线

      在堆垛机接收监控机作业命令后，PLC进行数据处理取得目标地址并计算出各机构的平均运行速度以及减速距离停车距离等数据。PLC依据这些数据通过PROFIBUS总线对变频器进行控制。在图3所示的运行机构速度曲线的加速段P1130、P1131用以平滑加速过程避免产生加速超调和欠调。匀速运行到减速位置（激光测距获得）后PLC给定变频器爬行速度，变频器按照P1121设定的斜坡下降时间使堆垛机降低至爬行速度进入爬行阶段。当堆垛机行走到停车位置后PLC给变频器下达停车指令，变频器进行OFF1停车，频率降低至最低频率后抱闸断电抱死。

4 变频器参数设定及优化

4.1 参数设定
⑴ 快速调试参数
P0010=1 快速调试；
P0304=220 电机额定电压220V；
P0305=26.6 电机额定电流26.2A；
P0307=7.5 电机额定功率7.5kW；
P0308=0.85 电机功率因数；
P0311=1430 电机额定转速r/min；
P0355=2 电机冷却方式自冷内置风机冷却；
P0640=150 电动机过载因子150%；
P0700=6 命令源COM链路的通讯板控制；
P1000=6 频率设定COM链路的通讯板设定；
P1080=0.5 最小频率0.5Hz；
P1082=87 最大频率87Hz；
P1120=5 斜坡上升时间5s；
P1121=3 斜坡下降时间5s；
P1130=1 斜坡上升起始圆弧时间5s；
P1131=1 斜坡下升结束圆弧时间5s；
P1300=21 控制方式带传感器的矢量控制；
P3900=1 结束快速调试。

⑵ 编码器参数
P0400=2 不带零位脉冲的正交编码器；
P0408=1024 编码起一圈的脉冲数1024；
P0492=5 允许的速度偏差5个脉冲；
P0494=100 速度信号丢失时的措施延迟时间100ms；

 ⑶ 其它参数
P1237=4 动力制动工作周期工作/停止时间的比率为50%；
P1240=0 禁止直流电压控制器；
P1215=1 抱闸使能；
P1216=0 抱闸延时打开时间0s；
P1217=0 斜坡曲线结束后延时抱闸时间0s；
P0731=52.C 数字输出1功能52.C电动机抱闸（MHB）投入；
P2000=87 基准频率87Hz。

4.2 电机参数优化

P1910=1 自动检测电动机的数据和变频器的特性；
P1910=3 自动检测饱和曲线。

4.3 速度控制器优化

P1960=1 速度控制器的优化（带载优化）

在进行速度控制器优化之前先将电动机转动惯量输入到P0341，计算出驱动装置总惯量，并把它与电机惯量的比值输入到P0342（驱动装置总惯量/电动机惯量之比）。驱动装置总惯量计算公式如下：

JX = 91.2 Χ M Χ (Vmax / n)2 +JM

式中：M - 设备质量；
Vmax - 设备运行的最高速度；
n - 对应Vmax 的电机转速；
JM - 电动机转动惯量。

      速度控制器优化结束后试运行，根据运行状况手动调节：P1460、P1462、P0342、P1496参数，使其达到良好的动态性能和速度稳定性。

5 应用体会

      在系统设计及调试的初期感觉MM440变频器参数设置烦琐无序，并没有从前使用的SEW变频器方便，但经过一段时间对产品的应用和熟悉后感觉MM440变频器是一款功能强大灵活性非常高的变频器，加上它有独特的BICO功能，是系统设计更方便。在系统设计中通过MM440在87Hz使电机满功率运转的特点，采用电机以低压方式连接（三角形连接额定电压220V）变频器87Hz输出电压能够达到400V，获得了0～87Hz全磁通和满功率运行，这样在减速机速比一定的情况下获得了更宽的恒转矩调速范围，提高了堆垛机的最高行走速度同时也获得了低速爬行时的稳定性。对于MM440与第三方电机配合使用时，440提供了完善的电机参数检测功能，使电机数学模型建立更符合实际矢量控制精度更高。

      在设备的调试初期采用梯形曲线的速度控制，使用这种曲线在加速与减速过程中会产生由于机械跟随滞后产生的超调与欠调。经过反复试验改用半S形半梯形曲线控制，这样避免了加速阶段的超调与欠调，为了便于停车距离的计算减速过程仍使用梯形曲线。采用半S半梯形曲线能够抑制加速过程中产生的超调与欠调，但减速过程中仍然存在超调与欠调的现象，没有完全解决问题。在今后的项目中通过完善PLC程序与变频器参数实现完全的S形曲线速度控制。

      在MM440调试中有以下几点容易被忽视：

⑴ 在进行电机参数自动监测前应先设置电机环境温度P0625；

⑵ 在更改命令源P0700时，所有的数字量输入输出都将复位。控制对象为位能负载并使用数字量输出控制抱闸时，更改P0700会造成溜车；

⑶ 适用带编码器的矢量控制方式的电机参数自动检测结束后会自动更改P0492（允许速度偏差），如运行中容易