V90PN在立體倉庫堆垛機中的應用研究

李立夫

（廣州市殯葬服務中心，廣東 廣州 510630）

立體倉庫由于具有很高的空間利用率、強大的出入庫能力、可以采用計算機進行控制、有利于企業實行數字化管理等特點，已經成為企業物流和生產管理不可缺少的倉儲技術，越來越受到企業的重視。自動化立體倉庫是由立體貨架、有軌巷道堆垛機、自動控制系統、計算機監控系統等組成的自動化系統，運用一流的集成化物流理念，采用先進的控制、總線通信和信息技術，通過以上設備的協調協作進行出入庫作業。自動化立體倉庫的主體是堆垛機，堆垛機在高層貨架的巷道中主要有以下運動：堆垛機沿巷道前后方向的水平運動、位于立柱上的升降平臺沿垂直方向的上下運動、升降平臺上的貨叉左右方向的伸縮運動。由于整個系統比較復雜，下面僅對堆垛機沿巷道前后方向（下稱X軸方向）的水平運動做簡單介紹。

1 系統組成

堆垛機的運動控制采用的是伺服系統。

那么，什么是伺服系統呢？通常來講，伺服系統是具有負反饋的閉環自動控制系統。一個完整的伺服控制系統包括以下設備：控制器、伺服驅動器、伺服電機以及反饋裝置。在本控制系統中，控制器采用的是西門子S7-1215C PLC，驅動器采用的是西門子SINAMICS V90帶有PROFINET接口的驅動器，伺服電機采用的是與V90 PN配套使用的1FL6伺服電機，反饋裝置就是電機上所帶的編碼器。系統主要元件明細表見表1。

表1 控制系統主要元件表

（1）1臺S7-1215C PLC通過PROFINET網絡，使用軸工藝對象（TO）控制5臺V90PN的啟動和停止，5臺V90PN工作在速度模式，使用3號標準報文。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化系統需求，面向簡單而高精確度自動化任務的產品，它具有模塊化、結構緊湊、功能全面等特點。SIMATIC S7-1200具有集成的PROFINET接口、強大的集成工藝功能和靈活的可擴展性特點，為各種工藝任務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產品進行網絡化設計，這樣可以把網絡布局傳送到更高層的顯示屏和數據庫里。

（3）SINAMICS V90是西門子推出的一款小型、高效便捷的伺服驅動控制器，它與SIMOTICS S-1FL6電機組成的伺服系統是面向標準通用市場的驅動產品，可以實現位置控制、速度控制和扭矩控制。帶有PROFINET接口的SINAMICS V90驅動器簡稱V90 PN，通過它的網絡接口，可以獲取到從調試、診斷到維護的各種數據。

（4）S7-1200進行運動控制時，要生成工藝對象，工藝對象實際上是驅動器的一個映射，是以DB塊形式存儲的軸的相應信息，包括軸的最大速度、最小速度、加減速時間、回原點及相應的其它信息。工藝對象會將組態的數據傳遞給CPU的固件，同時CPU的固件會將當前軸的數據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前軸數據（也就是從當前工藝對象的數據塊中讀取相應的數據，如位置、速度等），也可以編程來實現對可更改的組態數據進行更改。在用戶指令中，還可以生成符合PLCopen的運動控制指令來實現想要的運動控制軌跡，如軸的啟動、停止、點動、相對位移、絕對位移等運動控制。用戶程序將運動控制指令傳遞給CPU的固件，固件接收到運動控制指令后控制CPU的硬件（包括PTO、PROFIdrive或者模擬量）去控制驅動器，控制方式的選擇取決于驅動器的類型。同時，對于運動控制指令都會有相應的輸出管腳來指示當前指令的狀態和錯誤信息。我們可以根據這些信息去評估和診斷當前軸的狀態，這些信息也是由固件傳遞給用戶程序的。

2 應用項目配置

2.1 S7-1200組態

添加新設備，安裝GSD文件，組態工藝對象。正確設置驅動器、編碼器、機械參數、位置監視、停止信號、控制回路等各項參數，注意驅動器報文要選擇標準報文3。如圖1所示。

圖1 S7-1200組態

2.2 V90設置

打開V-ASSISTANT軟件并設置V90控制模式為速度控制模式，設置IP地址、分配PROFINET設備名稱、按照工藝要求修改各種參數，完成后打開工藝對象的調試界面進行調試，然后就可以編寫運動控制程序了。

3 程序編寫

S7-1215C組態工藝對象連接V90 PN實現閉環運動控制，使用的是PLCopen（標準程序塊）的運動控制指令。PLCopen運動控制指令包括控制指令、定位指令、速度指令、參數指令。由于程序邏輯關系比較復雜，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用，并且在其他運動控制指令之前調用。

3.2 回原點指令MC_Home

使用絕對定位控制功能前，必須先執行回原點指令。

3.3 絕對定位指令MC_MoveAbsolute

軸以一定速度進行絕對位置定位，使能絕對定位指令前，軸必須先回原點。

3.4 相對定位指令MC_MoveRelative

軸以一定速度在當前位置的基礎上移動一個相對距離，軸不需先回原點。

4 問題與方法

4.1 驅動器報F7011電機過熱故障

（1）問題描述。堆垛機待機時，X軸電機在零速使能狀態下，電機軸會輕微抖動，驅動器報F7011電機過熱故障。

（2）問題分析。

①靜態電機轉速計算。V90伺服驅動器速度環的采樣周期為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，1個碼值的變化轉換到電機上的轉速為：

②調試助手監控。用V-ASSISTANT調試軟件通過Mini USB電纜連接V90伺服驅動器，雖然此時沒有給電機輸入速度，但是，看到電機在給定速度為零時的確存在扭矩和電流。

③結論。SINAMICS V90PN不支持電機過熱保護（沒有溫度傳感器），電機過熱保護由I2t計算，通過驅動器的輸出電流進行保護。待機時，電機一直存在電流，經過一段時間累計后達到過熱保護閾值，驅動器報F7011過熱故障。

④改進方法。添加輔助報文750，編寫定位軸的扭矩控制程序，通過釋放扭矩來減小電機電流,從而達到電機正常運行的目的。

4.2 軸定位錯誤

（1）問題描述。堆垛機X軸方向定位完成后，有時會出現軸錯誤報警。

（2）問題分析。①該堆垛機采用了類似雙立柱式巷道堆垛機結構的設計方式，由門架、貨叉、行走構件組成。但與雙立柱式巷道堆垛機不同的是，它取消了上部水平導輪，下部安裝了2個主動輪和2個被動輪，伺服電機通過減速機聯接主動輪。地面上鋪設有兩條平行的鋼軌，長約60m，堆垛機在平行鋼軌上來回行走，就像軌道車的行走方式一樣。②堆垛機自重約800kg，采用了雙電機驅動。由于負載慣量過大、平行鋼軌存在高低不平、4個定位輪磨損程度不一致等情形，導致堆垛機在定位過程中發生震蕩，出現“未到達目標范圍”的軸定位錯誤。

4.3 改進方法

適當降低速度增益、提高位置增益，適當修改加、減速時間，使用二維碼讀取實時位置數據用于定位控制，在程序中增加“定位回零”功能——絕對定位完成后執行回原點指令。如圖2所示。

圖2 增加定位回零

5 結語

此堆垛機雖然采用了類似軌道車的外形結構，但是，它實現的是市面上雙立柱式巷道堆垛的功能。從運行的實際情況來看，由于采用了PLC和伺服驅動器進行閉環控制，運行情況良好，起制動平穩，位置定位準確，工作可靠。