電力計量中心自動化倉儲系統(tǒng)電氣設(shè)計研究

［摘 要］文章針對自動化倉儲系統(tǒng)中的堆垛機和出入庫輸送系統(tǒng)的電氣控制設(shè)計進行了詳細分析，以期提升電力計量中心的運營效率，實現(xiàn)高質(zhì)量運營。

［關(guān)鍵詞］電力計量中心；自動化倉儲系統(tǒng)；電氣設(shè)計

［中圖分類號］TM933.4 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0114–03

1 項目概況

研究圍繞某省電力公司計量中心自動化倉儲庫房規(guī)劃的工程進行，涵蓋庫區(qū)、倉儲空間、物流通道等關(guān)鍵部分。在進行電氣設(shè)計時需要保持高度自動化程度，以滿足內(nèi)部業(yè)務(wù)的科學運營。針對電力計量中心自動化倉儲系統(tǒng)中，電力計量裝置包括單相電能表、低壓互感器、信息采集器及三相電能表等，在立體倉庫空間中建設(shè)14 586 個貨位，規(guī)劃9 個巷道。為提高系統(tǒng)運維穩(wěn)定性，在系統(tǒng)設(shè)計時優(yōu)先根據(jù)項目需求對硬件進行選型，主要包括測距傳感器、控制器、電機驅(qū)動器、攝像頭及可觸摸式屏幕。考慮到該系統(tǒng)的主控模塊需支持多通道脈沖輸出，同時保證電氣系統(tǒng)能夠高速運轉(zhuǎn)，并配合各處理器完成各自電氣控制功能，選擇STM32F407 控制器。其內(nèi)核采用32 位高性能ARM 處理器，支持DSP（數(shù)字信號處理）和PPU（加速物理效果）；多個I/O 口，支持SWD（串行線調(diào)試接口）和JTAG（微控制器測試、調(diào)試接口）；存儲器為1042K FLASH ；設(shè)計多個看門狗定時器，實現(xiàn)對各個電機的控制；通信接口采用SPI（串行通信接口）和USART（異步串行通信接口）。

2 自動化倉儲系統(tǒng)分析

自動化倉儲系統(tǒng)主要利用電氣完成對輸送系統(tǒng)和巷道式堆垛機的有效控制，從而實現(xiàn)物資的輸送、存儲等功能。在系統(tǒng)設(shè)計中主要依賴數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、計算機監(jiān)控及局域網(wǎng)，來實現(xiàn)對電氣系統(tǒng)的制訂發(fā)布與信息處理。針對該項目的分析，詳細作業(yè)流程如下。

（1） 人工將物品推至入庫口， 并通過射頻門RFID 識別。

（2）若識別驗證通過，則繼續(xù)通過巷道口送至站臺，并通知上位計算機。若驗證未通過，則需拆垛機拆垛，通過單箱射頻門進行RFID 識別。

（3）若單箱射頻門通過測試，重新碼垛，并再次送至入庫輸送系統(tǒng)的站臺，通知上位計算機。反之，若驗證未通過，則需再次通過單箱射頻門進行RFID識別。

（4）通過上位機后直接進入生產(chǎn)調(diào)度平臺更新信息。針對自動化倉儲系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括計算機監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、局域網(wǎng)構(gòu)成，并配合電器管理系統(tǒng)逐層執(zhí)行調(diào)度命令，處理各項信息。

本文針對巷道式堆垛機和出入庫輸送系統(tǒng)的電氣控制設(shè)計作詳細分析。

3 堆垛機電氣控制設(shè)計

堆垛機在自動化倉儲系統(tǒng)中屬于核心設(shè)備，能夠快速在三維空間中完成貨物存取，適應(yīng)電力計量中心對大量電能計量設(shè)備的高效存儲需求。針對堆垛機的電氣控制設(shè)計，研究從堆垛機的控制系統(tǒng)功能角度出發(fā)，包括驅(qū)動系統(tǒng)、定位導向控制系統(tǒng)、通訊功能、保護功能及人機界面。綜合來看，在設(shè)計堆垛機控制系統(tǒng)時需要考慮運動控制單元、位置信息反饋單元、通信單元及屏幕。其中運動控制單元采用變頻調(diào)速方案，位置信息反饋單元利用主控制器實現(xiàn)對信號的接收與發(fā)送，通過激光測距儀獲得位置信息，實現(xiàn)精準定位。本次研究根據(jù)電力計量中心自動化倉儲系統(tǒng)的硬件設(shè)施條件和建設(shè)標準，選擇應(yīng)用西門子S7-300PLC 系統(tǒng)實現(xiàn)堆垛機的電氣控制，配合測距系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)及總線完成電氣設(shè)計。

3.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)

變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的科學性是保證設(shè)備平穩(wěn)高效運行的關(guān)鍵，根據(jù)對該項目工作環(huán)境、電壓等級等需求的調(diào)查，決定選擇西門子品牌高性能矢量控制方案。在匹配電機時優(yōu)先對堆垛機行走速度和旋轉(zhuǎn)動作等需求進行調(diào)查，本次工程中參數(shù)中最大行走速度設(shè)計為240 m/min，行走加速度最大設(shè)計為0.4 m/s2。升降參數(shù)方面，最大升降速度在滿載條件下為120 m/min，在空載條件下為180 m/min， 升降最大加速度為0.5 m/s2。貨叉的參數(shù)在滿載條件下為20 m/min，在空載條件下為30 m/min，貨叉最大加速度在滿載條件下為0.3 m/s2，在空載條件下為0.6 m/s2。

根據(jù)此條件，本次研究設(shè)計3 套方案，并對比其優(yōu)缺點。

（1）ACS880 系列變頻器，具有高性能矢量控制的優(yōu)勢，一般被應(yīng)用于大型工業(yè)驅(qū)動控制，能夠根據(jù)用戶需求定制功能，適應(yīng)性和兼容性較強，方便調(diào)試，可提高能源效率。但在面對項目的特殊需求時需要定制開發(fā)，時間和經(jīng)濟成本較高。

（2）SIEMENS 系列變頻器，該系列為西門子的典型產(chǎn)品，穩(wěn)定性高，使用壽命較長，數(shù)據(jù)分析能力強，但系統(tǒng)集成存在一定復雜性，對技術(shù)人員要求較高，后期針對系統(tǒng)的升級與處理相對麻煩。

（3）EMERSON 系列變頻器，與前2 種一樣，具有先進的實時控制技術(shù)，普遍被應(yīng)用于起重運輸、紡織機械等對動力響應(yīng)要求較高的領(lǐng)域，數(shù)字處理算法相對先進，但設(shè)備配置方面相對復雜。

針對本次自動化倉儲系統(tǒng)電氣設(shè)計中堆垛機變頻調(diào)速系統(tǒng)的選擇，綜合思考項目需求、成本問題及應(yīng)用的可持續(xù)性，最終選擇SIEMENS 系列變頻器。

3.2 測距系統(tǒng)

測距系統(tǒng)主要用于測量平行距離和垂直高度，從而判斷貨叉運行是否符合規(guī)范。在實際應(yīng)用中，將測距模塊安裝在堆垛機上，通過發(fā)送和接收信號的過程計算距離，并完成信息反饋，利用編碼系統(tǒng)測量電機旋轉(zhuǎn)角度，通過信號處理單元將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進行過濾和校正后傳至PLC 系統(tǒng)或其他控制器。本次研究采用編碼器+ 激光測距的雙閉環(huán)控制方式，利用軟件編程進行參數(shù)設(shè)定，配合測距系統(tǒng)實現(xiàn)對堆垛機的精準控制。在電氣設(shè)計過程中，提出3 種編碼器方案，詳細如下。

（1）HENGSTLER RI36 系列，屬于緊湊型產(chǎn)品，編碼器體積較小，在堆垛機上安裝相對靈活，分辨率較高，能夠提供較為精準的數(shù)據(jù)，同時防護等級較高，能夠在惡劣環(huán)境下運行，但成本也相對較高。

（2）HENGSTLER RI41H 系列，擁有較高的脈沖數(shù)，與本次工程需求適配，且具有極高的耐用性，適合在惡劣工況下長期運行，具有多類法蘭尺寸和電氣接口選擇，反應(yīng)快速，也屬于緊湊型電子結(jié)構(gòu)。

（3）HENGSTLER RI58 系列， 相較于前兩者，RI58 系列的產(chǎn)品抗沖擊性較強，IP 防護等級上有更高的優(yōu)勢，具有較強的通用性，可連接機械的類型設(shè)備相對豐富。但旋轉(zhuǎn)編碼器在測量直線位移時需要借助其他機械轉(zhuǎn)換裝置，存在額外成本。

綜合來看，3 款產(chǎn)品的性能均比較高，精度和分辨率在常規(guī)產(chǎn)品中都具有一定優(yōu)勢。對比來看，RI41H 系列每轉(zhuǎn)具有1 024 個及以上的脈沖數(shù)，無論是軸徑還是電機接口，兼容性都比較高，且反應(yīng)實時性優(yōu)勢明顯。RI36 系列各項性能也符合本次自動化倉儲系統(tǒng)電氣設(shè)計的需求，但在測試中卻暴露出一定缺陷，更適用于輸出通道數(shù)量較少、物理尺寸較小的環(huán)境，與本項目設(shè)計需求不符。而RI58 系列產(chǎn)品，雖然抗沖擊抗振動等級較高，但出于成本的考慮，RI41H 系列是性價比更好的選擇。針對激光測距儀方面，本項目強調(diào)堆垛機的移動測量精度應(yīng)控制在±3 mm 以內(nèi)，且設(shè)備活動范圍較大，需滿足一定距離需求。因此，本次設(shè)計選擇HENGSTLER 品牌RI58系列型號，精度能夠控制在±2 mm 以內(nèi)，測量半徑達到50 m。

3.3 PLC控制系統(tǒng)

本項目在PLC 系統(tǒng)控制方面已選擇S7-300 PLC系統(tǒng)，具有較強的功能性，保證快速傳達指令，適應(yīng)性較強，且能夠根據(jù)項目實際需求進行編程，具有一定的可擴展性。該系統(tǒng)的電氣控制設(shè)計見表1。

4 出入庫輸送系統(tǒng)電氣控制設(shè)計

在進行出入庫輸送系統(tǒng)的電氣控制設(shè)計時，優(yōu)先對項目的電氣控制系統(tǒng)功能需求進行分析，主要包括3 點。

（1）保證通信功能并支持多種控制模式。在進行電氣系統(tǒng)設(shè)計時融合手動、自動及在線控制模式，根據(jù)不同模式設(shè)計功能。手動模式針對部分裝置需設(shè)置轉(zhuǎn)換按鈕。自動模式則保證通信功能實現(xiàn)系統(tǒng)與升級位的連接，保證自動傳輸避免脫離。在線控制模式由上位機系統(tǒng)發(fā)出指令，并由電氣系統(tǒng)接收，完成對各個單元的控制。

（2）集中管理功能。在電氣系統(tǒng)控制時，需結(jié)合項目需求將硬件和軟件系統(tǒng)劃為多個功能片區(qū)，既保證獨立運行又要做到集中管理。

（3）安全保護。自動化倉儲系統(tǒng)電氣設(shè)計務(wù)必保障現(xiàn)場安全，在現(xiàn)場各重要設(shè)備附近安裝急停裝置，如主控柜、堆垛機等，保證能夠及時觸發(fā)急停按鈕維護現(xiàn)場安全。本項目重點加強堆垛機巷道安全門的設(shè)置，觸發(fā)限位開關(guān)立即停止對堆垛機作業(yè)。

根據(jù)電力計量中心的實際需求，出入庫輸送控制系統(tǒng)設(shè)計了光電開關(guān)信號、磁感應(yīng)開關(guān)信號、接近開關(guān)信號及限位開關(guān)信號。由于現(xiàn)場區(qū)域較大，且控制點眾多，應(yīng)設(shè)計容量高且響應(yīng)迅速的PLC 系統(tǒng)。為滿足以上需求，本次電氣控制系統(tǒng)選擇S71518-4 系列產(chǎn)品，CPU 處理速度達到0.1 ms，滿足響應(yīng)速度需求，且通訊功能強大，運算速度快且精準，保證系統(tǒng)運行的安全性。為適應(yīng)復雜的現(xiàn)場環(huán)境，選擇三級供電方式。

（1）一級：電源柜→主控制柜。采用三相五線制配電，動力電源為380±30 VAC，對應(yīng)位置安裝電流表和電壓表，以便于實時觀測系統(tǒng)狀態(tài)，為保障安全，便于后期管理，需詳細標注電路電纜參數(shù)。

（2）二級：主控制柜→子站箱。從上級電源柜中分出一相并作為24 V 穩(wěn)壓直流電源，用于對現(xiàn)場傳感器的供電。其中三相動力電源需與子站電控柜相連，實現(xiàn)對現(xiàn)場電機和變頻器的供電。在電纜線接線方面采用上進線方式，詳細標注編號，以便于后期管理和擴展操作，采用按照電壓等級編號的方式，外部設(shè)備接線保證接地導線通過母排分壓。

（3）三級：子站箱→現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)場控制箱內(nèi)根據(jù)實際需求，配置了ET200S 系列的I/O 口模塊，實現(xiàn)對周圍變頻器、光電開關(guān)等器件的數(shù)據(jù)采集，有效減少電纜材料敷設(shè)，降低成本。

5 結(jié)束語

文章以某項目為例，對電力計量中心自動化倉儲系統(tǒng)電氣部分進行了設(shè)計，建立了一套能夠提高倉儲管理效率、優(yōu)化了資源配置的方案。根據(jù)硬件設(shè)施條件和建設(shè)標準，選擇應(yīng)用西門子S7-300 PLC 系統(tǒng)實現(xiàn)電氣控制，配合測距系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)及總線完成對堆垛機的設(shè)計，并根據(jù)該系統(tǒng)的出入庫輸送條件分析電控需求，選擇S71518-4 系列產(chǎn)品，保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定，同時降低運營成本，為相關(guān)領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計提供有利參考。

參考文獻

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