基于西門子S120變頻器的叉車門架動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)

倪 侶，丁利鋒，童可嘉

（杭叉集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311305）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)叉車在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷量和國(guó)外市場(chǎng)出口占比同步增長(zhǎng)的背景下，對(duì)于叉車的質(zhì)量、安全性檢查、檢測(cè)效率有更高的要求[1]。常規(guī)叉車門架舉升加載檢測(cè)采用不同規(guī)格的配重貨塊來完成，具有以下問題：安全性低、配重塊種類繁多、檢測(cè)占地面積大、檢測(cè)效率低[2-4]。基于西門子S120變頻器的叉車門架動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)，使用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過減速機(jī)、鏈輪鏈條、托盤來完成閉環(huán)PID動(dòng)態(tài)加載。同時(shí)可動(dòng)態(tài)給定載荷，載荷范圍0～2500 kg。動(dòng)態(tài)加載時(shí)變頻器和電機(jī)工作在四象限中的制動(dòng)狀態(tài)，卸載回位時(shí)變頻器和電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。為提高檢測(cè)效率，保證連續(xù)檢測(cè)，采用電機(jī)制動(dòng)能量回饋到電網(wǎng)的方式，可全天候持續(xù)檢測(cè)。

1 門架動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)概述及原理

動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備由防護(hù)架、激光測(cè)距模塊、加載托板、定滑輪組、絞盤、齒輪傳動(dòng)、交流伺服電機(jī)、減速機(jī)及控制系統(tǒng)等組成。動(dòng)態(tài)加載機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

叉車門架貨叉需要插入托盤，托盤通過鏈條下拉直接給門架提供拉力載荷。S型傳感器測(cè)量托盤加載拉力，信號(hào)輸入PLC。電機(jī)、減速機(jī)通過鏈輪和鏈條與托盤相連，給托盤提供動(dòng)力。西門子S120變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成閉環(huán)加載。編碼器用于檢測(cè)托盤的動(dòng)態(tài)位置。

圖1 動(dòng)態(tài)加載機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.1 工作原理

動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)的基本工作原理是，當(dāng)門架貨叉插入托盤后，S120變頻器根據(jù)叉車車型門架載荷要求設(shè)定動(dòng)態(tài)加載目標(biāo)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)動(dòng)態(tài)加載。當(dāng)門架帶載荷舉升到規(guī)定高度后，載荷降低為收鏈載荷。門架下降回位后，清零載荷，叉車調(diào)整門架抽出貨叉，駛出檢測(cè)區(qū)域，完成檢測(cè)。

1.2 控制要求

滿載最大舉升速度110 mm/s，舉升最大加載力25000 N，最大舉升高度3000 mm，S120變頻器動(dòng)態(tài)加載精度±0.5%FS。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成與設(shè)備選型

由于門架動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)對(duì)控制響應(yīng)和控制精度要求高，且需要高工作頻度連續(xù)檢測(cè)，因此選擇配有調(diào)節(jié)型能量回收模塊的伺服驅(qū)動(dòng)器S120。控制系統(tǒng)由西門子S120變頻器、伺服電機(jī)、西門子S7-1500 PLC及S傳感器、編碼器等組成。S型拉力傳感器與S120變頻器系統(tǒng)及PLC組成拉力閉環(huán)控制系統(tǒng)，S型拉力傳感器信號(hào)通過變送器轉(zhuǎn)為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)送入PLC的模擬量采集模塊。S120變頻器系統(tǒng)由CPU控制單元CU320-2PN、電源模塊ALM、電機(jī)模塊、24 V供電電源、進(jìn)線電抗器/濾波器、伺服電機(jī)組成[5]。控制單元CU320-2PN通過Drive-CliQ網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制各個(gè)逆變裝置的輸出。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

西門子S120系列傳動(dòng)交流伺服控制器是一種高性能、高精度的矢量控制與伺服控制與一身的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。S120具有模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)選用的控制單元、電源模塊、電機(jī)模塊均為獨(dú)立的書本型模塊。整流部分采用的ALM模塊帶有能量回饋功能，使得電機(jī)在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量可以高效的回饋到電網(wǎng)，省去了制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。電機(jī)可持續(xù)制動(dòng)，進(jìn)行高工作頻度的動(dòng)態(tài)加載[6]。

2.2 動(dòng)態(tài)加載能量回饋電氣原理

西門子S120 ALM整流回饋模塊（Active Line Module調(diào)節(jié)型電源模塊）原理如圖3所示。

S120工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，三相電通過全橋整流二極管整流后，經(jīng)過電容濾波，給直流母線提供540 V左右的直流電，在由電機(jī)模塊逆變后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。S120工作在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，伺服電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，ALM直流母線電壓升高，ALM模塊通過控制IGBT開關(guān)管來實(shí)現(xiàn)直流電壓逆變?yōu)楣ゎl三相電，反饋回電網(wǎng)[7]。

2.3 S120動(dòng)態(tài)加載閉環(huán)PID控制方案

采用扭矩、電流雙閉環(huán)的控制模型，并附加速度限幅，扭矩調(diào)節(jié)器作為外環(huán)，電流調(diào)節(jié)器作為內(nèi)環(huán)，目標(biāo)拉力與電機(jī)反饋拉力求差后（換算為扭矩）作為輸入提供給外環(huán)扭矩PID調(diào)節(jié)器[8]。經(jīng)過扭矩PID運(yùn)算和速度限幅后輸出值作為電流調(diào)節(jié)的輸入。內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)PID運(yùn)算結(jié)果電流值輸出至電機(jī)。這種閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)可以確保受到外部影響導(dǎo)致加載拉力突然變化時(shí)，其扭矩PID調(diào)節(jié)器輸出的積分分量產(chǎn)生作用，使得電機(jī)加載同步調(diào)整，自動(dòng)消除誤差，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[9]。雙環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)較單環(huán)控制系統(tǒng)具有更高的控制精度和穩(wěn)定性。

扭矩PID調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過速度限幅，可有效防止突然失去拉力的情況下，電機(jī)飛車。閉環(huán)控制框圖如圖4所示。

圖3 ALM整流回饋單元

圖4 閉環(huán)控制框圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

叉車門架加載檢測(cè)流程如圖5所示。叉車門架到位后，PLC檢測(cè)到門架開始舉升動(dòng)作后，根據(jù)叉車型號(hào)給CU320設(shè)定扭力控制目標(biāo)，速度限定值，并使S120變頻器開始閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)加載。舉升到位后PLC改變目標(biāo)扭力值為收鏈預(yù)緊力，電機(jī)進(jìn)行門架回位時(shí)托盤收鏈，回位完成后，清除預(yù)緊力，結(jié)束檢測(cè)。

圖5 檢測(cè)流程圖

3.2 通訊報(bào)文配置

選擇自由報(bào)文999，以350號(hào)報(bào)為模板報(bào)文，帶有4個(gè)自定義過程數(shù)據(jù)，分別定義為扭力控制激活、目標(biāo)扭力值、速度限定值、反饋扭力值[10]。報(bào)文定義見表1。

表1 S120報(bào)文定義

PLC中DB28用作S120通訊報(bào)文數(shù)據(jù)交互存儲(chǔ)，控制字1控制啟停變頻器，目標(biāo)扭力值根據(jù)叉車車型設(shè)定，速度限定值根據(jù)叉車門架最大舉升速度限定，狀態(tài)字1獲取變頻器狀態(tài)參數(shù)，定義如圖6所示。

PLC調(diào)用博途TIA16中的DPWR_DAT模塊與S120進(jìn)行周期通訊。DPWR_DAT的LADDR裝入S120報(bào)文352，RECORD裝入DB28數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)地址，用于通訊交互數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[11]。如圖7所示。

圖6 PLC報(bào)文數(shù)據(jù)交互圖

圖7 PLC通訊程序示意圖

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

4.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于，采用三相五線制供電接入主塑殼斷路器，經(jīng)過變頻器斷路器后接入輸入濾波器后給S120變頻器供電。CU320和S7-1500 PLC供電采用直流24 V開關(guān)電源。拉力傳感器等信號(hào)接入PLC。使用博途組態(tài)PLC與S120變頻器，PLC與S120采用PROFINET網(wǎng)絡(luò)通訊。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

通過博途在線訪問S120變頻器，如圖8所示，通訊控制的轉(zhuǎn)矩設(shè)定已經(jīng)連接到主控制回路中。設(shè)定通訊控制的目標(biāo)扭力、轉(zhuǎn)速限定值、扭力控制激活，并設(shè)置STW1為0x047F來啟動(dòng)S120進(jìn)行閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制。實(shí)際測(cè)試使用扭力80%（20000N）加載為目標(biāo)，使用博途中trace功能，記錄實(shí)際動(dòng)態(tài)加載過程數(shù)據(jù)如圖9所示。

通過分析圖9中扭力控制過程數(shù)據(jù)，可得出S120系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能，上升時(shí)間為230 ms，穩(wěn)定時(shí)間為300 ms。實(shí)際轉(zhuǎn)矩碼值0～1000對(duì)應(yīng)拉力0～100%（25000 N）。

圖8 S120在線訪問示意圖

圖9 S120扭力加載過程數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的以西門子S7 1500系列PLC為主控制器，采用帶有能量回饋ALM模塊的SINAMICS S120變頻器作為伺服驅(qū)動(dòng)器，使用伺服電機(jī)加減速機(jī)以及鏈輪鏈條的方式進(jìn)行叉車門架動(dòng)態(tài)閉環(huán)PID加載，成功解決了傳統(tǒng)叉車門架舉升檢測(cè)使用配重塊存在的安全隱患、場(chǎng)地占用面積等問題。避免了種類繁多的配重塊，提高了檢測(cè)效率。ALM模塊能量回饋功能把舉升加載過程中電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的能量反饋到電網(wǎng)，較傳統(tǒng)制動(dòng)電阻消耗能量的方式效率更高，降低了系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)的發(fā)熱量，可連續(xù)進(jìn)行舉升加載。