ATV340 变频器在仓储堆垛机上的应用

李洪亮 杨黎明

北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

摘 要：介绍施耐德御卓ATV340 同步和异步电机变频器在自动化立体仓储水平轴方向的调速应用，以及其与西门子STEP7 系列PLC 共同组成堆垛机控制系统的硬件配置、网络组态、参数设置。结合项目应用分析变频器和异步电机组合在水平轴方向调速的调试重点与难点。

关键词：堆垛机；变频器；调速

中图分类号：TH 242 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2020）18-0064-04

0 引言

自每年一届亚洲国际物流技术与运输系统展览会和中国国际进口博览会的成功举办，自动化立体仓库在我国发展迅猛，由末端存储向生产过程延伸，并且自动化程度更高，物联网信息高度融合。在医药行业、汽车制造、机械制造、烟草行业、机场货运、纺织行业、印刷、化工等领域得到普遍应用。

自动化立体仓库的应用越来越广泛，而堆垛机作为自动化立体仓库的关键设备，在产品存储与配送的过程中起着关键作用。企业生产效率越高，意味着对巷道内堆垛机存取效率以及堆垛机的精细化程度要求更高。堆垛机系统由机械、电气、软件组成，三者高效融合。通过软件调度系统下发指令到堆垛机，堆垛机PLC 控制系统根据收到的作业命令、存储地址，在货架巷道内来回穿梭，在输送机上取货或是将货物送至输送机。如何保证堆垛机运行更高效、安全、环保成为专业工程师研究的重点。

1 项目背景

青岛大牧人机械设备制造有限公司是国内畜禽养殖机械领域的领导者。公司集产品研发、工程设计、制造、安装与服务为一体，承建的标准化、自动化、规模化的肉鸡、种鸡、蛋鸡、养猪场工程以及温室调温工程具有国际先进水平。企业为促进产能、完善物流体系，特邀我院为新建制造中心及研发中心项目规划建设自动化立体仓库。

自动化立体仓库堆垛机由机械结构( 包括上下横梁及立柱)、载货台、运行机构、起升机构、货叉伸缩机构及电控装置构成，见图1。

图1 堆垛机

2 堆垛机水平轴调速要求

堆垛机因其本体机械结构的特殊性，运行过程中载货台和货物对立柱的弯矩、堆垛机加减速产生的水平惯性力等都会使立柱在巷道平面内产生挠曲变形，影响堆垛机运行的稳定性、可靠性，使堆垛机水平轴方向的运行速度、运行加速度的调试也变得复杂。水平轴变频器调速要满足堆垛机加速过程平稳、短时间内加到最大速度且高速运行到目的地址时以最短的减速距离精准停车，整个过程堆垛机运行要可靠、平稳。堆垛机性能参数 ：最大载重量1 000 kg，运行轴最大速度160 m/min，运行轴加速度0.5 m/s2。

3 堆垛机控制系统

堆垛机的控制系统采用西门子STEP7 300 系列PLC作为上位控制，下位控制由变频器驱动异步电动机实现，堆垛机水平轴、垂直轴、货叉运行均采用变频器控制异步电机调速，通过激光测距传感器、条码定位器、绝对值编码器反馈的位置值来定位。

3.1 控制系统的网络拓扑

通过PN/IE(Profinet) 网络协议将PLC 与变频器、编码器、激光测距传感器连接，变频器通过现场总线接收PLC 发出的启动停止命令，同时将变频器在线数据电流、电压、电机的运行状态反馈至上位控制系统。本项目将变频器的运行信号采集到PLC 作为判断堆垛机水平轴完全停车的保护程序，见图2。

图2 网络拓扑图

3.2 变频器总线参数配置

堆垛机控制系统硬件配置完成后，将变频器的输入与输出（I/O）配置文件与PLC 输入与输出映像区匹配，将PLC 的输出区对应变频器的输入区，PLC 的输入区对应变频器的输出区，变频器通过改变参数状态字来接收频率脉冲调速或转速调速并反馈信息，见图3。

图3 变频器PKW 属性设置

4 堆垛机控制系统功能

堆垛机控制系统水平轴调速分为手动运行调速与自动运行调速，手动调速是在堆垛机上，用操作手柄控制堆垛机低速前进、低速后退、高速前进、高速后退，在地面设有强制换速开关，高速运行到巷道端头后切换到低速运行。自动调速是堆垛机在联机模式下收到入库、出库等指令后根据运行距离自动由静止状态开始加速到高速运行，然后到目标货位后减速运行到准确停车。

4.1 激活变频器总线控制

用SoMove 软件连接变频器，将变频器的总线模块DHCP 功能打开，打开西门子STEP7 软件找到变频器总线模块的MAC地址，将写好的IP 地址分配到变频器。地址分配成功后，在SoMove 软件Profinet 设置参数界面可以查看IP 地址信息、监控参数有无错误。需要注意设备名称和IP 地址在堆垛机控制系统内是唯一的，Profinet 设置参数界面，见图4。

图4 Profinet 设置参数

4.2 配置变频器参数

利用SoMove 软件在线访问变频器，根据电机铭牌参数快速完成基本参数配置，进行电机参数静态识别，优化完成后，首先点动测试，检查编码器确定反馈参数与设定速度在合理偏差内，配置编码器参数，将开环运行改为闭环控制。继续点动测试，保证在手动低速控制下堆垛机水平轴的运行没有抖动，运行过程平稳。利用SoMove 软件示波器功能采集电机输出电流、频率、总线给定频率，监控数值的变化，对堆垛机水平轴加速段、均速段、减速段、停车精准段进行调试。优化各阶段的调试，达到缓起急加速匀速急减速缓停的目的。选用施耐德ATV340 变频器，用户自定义斜波来配合整个运行模式，根据运行情况自定义加减速段的斜波曲线，自定义整个加速和减速阶段的平滑占比，使堆垛机在从停止状态到加速阶段有足够的缓起时间(tA1) 来消除惯性，缓起结束即进入加速段，加速段要完成时由tA2 段做曲线平滑过渡到匀速段, 从匀速段切换到减速段时，由tA3 段做曲线平滑过渡，避免堆垛机速度发生突变导致冲击，减速到最后停止时由tA4 段做曲线平滑停车，以有效降低堆垛机停车时因大惯量而产生的冲击，自定义曲线见图5。

斜坡设置完成后，调试匀速段的平滑和减速停车，通过改变比例增益SPG、时间常数SIT、滤波系数SFC数值使匀速段平稳。调试中发现在均速稳定的PID 参数运行下，水平轴启动初期、匀速运行、减速初期平稳，但是水平轴的减速距离拉长，在相同的速度下，减速停车距离波动大，在停车的最后阶段减速不够。为了解决这个问题，通过调整速度环PID 参数提高水平轴调速效率，达到精准停车，速度环PID 的调节效果见图6。

图5 自定义曲线图

图6 速度环的PID 的调节效果

5 应用

堆垛机立柱的摆动情况与水平轴调速参数有很大关系，水平轴调速启动过猛或是停车太硬，都会导致堆垛机立柱摆动幅度大，造成载货台货物移位和水平轴驱动机构磨损严重，降低堆垛机的安全性，缩短其使用时间。因此调速完成后须保证堆垛机水平轴调速过程稳定，满足生产效率要求。应用ATV340 矢量变频器友好的调试软件和其调速运行的稳定性，可提高水平轴调速效率且维护方便，为后期稳定应用打下良好基础。

参考文献

[1] 孙琦, 郭梅忠. 基于施耐德变频器的自动化仓库堆垛机控制方案 [J]. 价值工程,2013 (24): 24，25.

[2] 付存银, 丁少华 , 王兆嘉 , 等. 堆垛机速度控制与立柱动态挠曲变形分析[ J ] . 机械设计与制造, 2 0 1 9 ( 6 ) :247-251.