V90PN在立體倉庫堆垛機(jī)中的應(yīng)用研究

李立夫

（廣州市殯葬服務(wù)中心，廣東 廣州 510630）

立體倉庫由于具有很高的空間利用率、強(qiáng)大的出入庫能力、可以采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制、有利于企業(yè)實(shí)行數(shù)字化管理等特點(diǎn)，已經(jīng)成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲技術(shù)，越來越受到企業(yè)的重視。自動(dòng)化立體倉庫是由立體貨架、有軌巷道堆垛機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等組成的自動(dòng)化系統(tǒng)，運(yùn)用一流的集成化物流理念，采用先進(jìn)的控制、總線通信和信息技術(shù)，通過以上設(shè)備的協(xié)調(diào)協(xié)作進(jìn)行出入庫作業(yè)。自動(dòng)化立體倉庫的主體是堆垛機(jī)，堆垛機(jī)在高層貨架的巷道中主要有以下運(yùn)動(dòng)：堆垛機(jī)沿巷道前后方向的水平運(yùn)動(dòng)、位于立柱上的升降平臺沿垂直方向的上下運(yùn)動(dòng)、升降平臺上的貨叉左右方向的伸縮運(yùn)動(dòng)。由于整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜，下面僅對堆垛機(jī)沿巷道前后方向（下稱X軸方向）的水平運(yùn)動(dòng)做簡單介紹。

1 系統(tǒng)組成

堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制采用的是伺服系統(tǒng)。

那么，什么是伺服系統(tǒng)呢？通常來講，伺服系統(tǒng)是具有負(fù)反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。一個(gè)完整的伺服控制系統(tǒng)包括以下設(shè)備：控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)以及反饋裝置。在本控制系統(tǒng)中，控制器采用的是西門子S7-1215C PLC，驅(qū)動(dòng)器采用的是西門子SINAMICS V90帶有PROFINET接口的驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)采用的是與V90 PN配套使用的1FL6伺服電機(jī)，反饋裝置就是電機(jī)上所帶的編碼器。系統(tǒng)主要元件明細(xì)表見表1。

表1 控制系統(tǒng)主要元件表

（1）1臺S7-1215C PLC通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)，使用軸工藝對象（TO）控制5臺V90PN的啟動(dòng)和停止，5臺V90PN工作在速度模式，使用3號標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文。5臺V90PN分別為水平方向（X方向）2臺，垂直方向（Y方向）2，貨叉伸縮方向（Z方向）1臺。

（2）S7-1200小型可編程控制器是充分滿足中小型自動(dòng)化系統(tǒng)需求，面向簡單而高精確度自動(dòng)化任務(wù)的產(chǎn)品，它具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面等特點(diǎn)。SIMATIC S7-1200具有集成的PROFINET接口、強(qiáng)大的集成工藝功能和靈活的可擴(kuò)展性特點(diǎn)，為各種工藝任務(wù)提供了簡單的通信和有效的解決方案。S7-1200可編程控制器通過PROFINET接口，可以連接多臺V90 PN產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，這樣可以把網(wǎng)絡(luò)布局傳送到更高層的顯示屏和數(shù)據(jù)庫里。

（3）SINAMICS V90是西門子推出的一款小型、高效便捷的伺服驅(qū)動(dòng)控制器，它與SIMOTICS S-1FL6電機(jī)組成的伺服系統(tǒng)是面向標(biāo)準(zhǔn)通用市場的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制和扭矩控制。帶有PROFINET接口的SINAMICS V90驅(qū)動(dòng)器簡稱V90 PN，通過它的網(wǎng)絡(luò)接口，可以獲取到從調(diào)試、診斷到維護(hù)的各種數(shù)據(jù)。

（4）S7-1200進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，要生成工藝對象，工藝對象實(shí)際上是驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)映射，是以DB塊形式存儲的軸的相應(yīng)信息，包括軸的最大速度、最小速度、加減速時(shí)間、回原點(diǎn)及相應(yīng)的其它信息。工藝對象會將組態(tài)的數(shù)據(jù)傳遞給CPU的固件，同時(shí)CPU的固件會將當(dāng)前軸的數(shù)據(jù)包括速度以及位置傳遞給工藝對象。在用戶程序中，可以編寫程序讀取當(dāng)前軸數(shù)據(jù)（也就是從當(dāng)前工藝對象的數(shù)據(jù)塊中讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如位置、速度等），也可以編程來實(shí)現(xiàn)對可更改的組態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行更改。在用戶指令中，還可以生成符合PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制指令來實(shí)現(xiàn)想要的運(yùn)動(dòng)控制軌跡，如軸的啟動(dòng)、停止、點(diǎn)動(dòng)、相對位移、絕對位移等運(yùn)動(dòng)控制。用戶程序?qū)⑦\(yùn)動(dòng)控制指令傳遞給CPU的固件，固件接收到運(yùn)動(dòng)控制指令后控制CPU的硬件（包括PTO、PROFIdrive或者模擬量）去控制驅(qū)動(dòng)器，控制方式的選擇取決于驅(qū)動(dòng)器的類型。同時(shí)，對于運(yùn)動(dòng)控制指令都會有相應(yīng)的輸出管腳來指示當(dāng)前指令的狀態(tài)和錯(cuò)誤信息。我們可以根據(jù)這些信息去評估和診斷當(dāng)前軸的狀態(tài)，這些信息也是由固件傳遞給用戶程序的。

2 應(yīng)用項(xiàng)目配置

2.1 S7-1200組態(tài)

添加新設(shè)備，安裝GSD文件，組態(tài)工藝對象。正確設(shè)置驅(qū)動(dòng)器、編碼器、機(jī)械參數(shù)、位置監(jiān)視、停止信號、控制回路等各項(xiàng)參數(shù)，注意驅(qū)動(dòng)器報(bào)文要選擇標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文3。如圖1所示。

圖1 S7-1200組態(tài)

2.2 V90設(shè)置

打開V-ASSISTANT軟件并設(shè)置V90控制模式為速度控制模式，設(shè)置IP地址、分配PROFINET設(shè)備名稱、按照工藝要求修改各種參數(shù)，完成后打開工藝對象的調(diào)試界面進(jìn)行調(diào)試，然后就可以編寫運(yùn)動(dòng)控制程序了。

3 程序編寫

S7-1215C組態(tài)工藝對象連接V90 PN實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制，使用的是PLCopen（標(biāo)準(zhǔn)程序塊）的運(yùn)動(dòng)控制指令。PLCopen運(yùn)動(dòng)控制指令包括控制指令、定位指令、速度指令、參數(shù)指令。由于程序邏輯關(guān)系比較復(fù)雜，下面只給出幾條重要的指令示例：

3.1 軸啟用指令MC_Power

MC_Power指令要在程序中一直調(diào)用，并且在其他運(yùn)動(dòng)控制指令之前調(diào)用。

3.2 回原點(diǎn)指令MC_Home

使用絕對定位控制功能前，必須先執(zhí)行回原點(diǎn)指令。

3.3 絕對定位指令MC_MoveAbsolute

軸以一定速度進(jìn)行絕對位置定位，使能絕對定位指令前，軸必須先回原點(diǎn)。

3.4 相對定位指令MC_MoveRelative

軸以一定速度在當(dāng)前位置的基礎(chǔ)上移動(dòng)一個(gè)相對距離，軸不需先回原點(diǎn)。

4 問題與方法

4.1 驅(qū)動(dòng)器報(bào)F7011電機(jī)過熱故障

（1）問題描述。堆垛機(jī)待機(jī)時(shí)，X軸電機(jī)在零速使能狀態(tài)下，電機(jī)軸會輕微抖動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器報(bào)F7011電機(jī)過熱故障。

（2）問題分析。

①靜態(tài)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算。V90伺服驅(qū)動(dòng)器速度環(huán)的采樣周期為250us，20位+12位多圈絕對值編碼器的分辨率為220=1048576。對于帶20位多圈絕對值編碼器的1FL6電機(jī)，1個(gè)碼值的變化轉(zhuǎn)換到電機(jī)上的轉(zhuǎn)速為：

②調(diào)試助手監(jiān)控。用V-ASSISTANT調(diào)試軟件通過Mini USB電纜連接V90伺服驅(qū)動(dòng)器，雖然此時(shí)沒有給電機(jī)輸入速度，但是，看到電機(jī)在給定速度為零時(shí)的確存在扭矩和電流。

③結(jié)論。SINAMICS V90PN不支持電機(jī)過熱保護(hù)（沒有溫度傳感器），電機(jī)過熱保護(hù)由I2t計(jì)算，通過驅(qū)動(dòng)器的輸出電流進(jìn)行保護(hù)。待機(jī)時(shí)，電機(jī)一直存在電流，經(jīng)過一段時(shí)間累計(jì)后達(dá)到過熱保護(hù)閾值，驅(qū)動(dòng)器報(bào)F7011過熱故障。

④改進(jìn)方法。添加輔助報(bào)文750，編寫定位軸的扭矩控制程序，通過釋放扭矩來減小電機(jī)電流,從而達(dá)到電機(jī)正常運(yùn)行的目的。

4.2 軸定位錯(cuò)誤

（1）問題描述。堆垛機(jī)X軸方向定位完成后，有時(shí)會出現(xiàn)軸錯(cuò)誤報(bào)警。

（2）問題分析。①該堆垛機(jī)采用了類似雙立柱式巷道堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式，由門架、貨叉、行走構(gòu)件組成。但與雙立柱式巷道堆垛機(jī)不同的是，它取消了上部水平導(dǎo)輪，下部安裝了2個(gè)主動(dòng)輪和2個(gè)被動(dòng)輪，伺服電機(jī)通過減速機(jī)聯(lián)接主動(dòng)輪。地面上鋪設(shè)有兩條平行的鋼軌，長約60m，堆垛機(jī)在平行鋼軌上來回行走，就像軌道車的行走方式一樣。②堆垛機(jī)自重約800kg，采用了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于負(fù)載慣量過大、平行鋼軌存在高低不平、4個(gè)定位輪磨損程度不一致等情形，導(dǎo)致堆垛機(jī)在定位過程中發(fā)生震蕩，出現(xiàn)“未到達(dá)目標(biāo)范圍”的軸定位錯(cuò)誤。

4.3 改進(jìn)方法

適當(dāng)降低速度增益、提高位置增益，適當(dāng)修改加、減速時(shí)間，使用二維碼讀取實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)用于定位控制，在程序中增加“定位回零”功能——絕對定位完成后執(zhí)行回原點(diǎn)指令。如圖2所示。

圖2 增加定位回零

5 結(jié)語

此堆垛機(jī)雖然采用了類似軌道車的外形結(jié)構(gòu)，但是，它實(shí)現(xiàn)的是市面上雙立柱式巷道堆垛的功能。從運(yùn)行的實(shí)際情況來看，由于采用了PLC和伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行閉環(huán)控制，運(yùn)行情況良好，起制動(dòng)平穩(wěn)，位置定位準(zhǔn)確，工作可靠。