電力計(jì)量中心自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)研究

［摘 要］文章針對(duì)自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)中的堆垛機(jī)和出入庫輸送系統(tǒng)的電氣控制設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期提升電力計(jì)量中心的運(yùn)營效率，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量運(yùn)營。

［關(guān)鍵詞］電力計(jì)量中心；自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)；電氣設(shè)計(jì)

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

1 項(xiàng)目概況

研究圍繞某省電力公司計(jì)量中心自動(dòng)化倉儲(chǔ)庫房規(guī)劃的工程進(jìn)行，涵蓋庫區(qū)、倉儲(chǔ)空間、物流通道等關(guān)鍵部分。在進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)時(shí)需要保持高度自動(dòng)化程度，以滿足內(nèi)部業(yè)務(wù)的科學(xué)運(yùn)營。針對(duì)電力計(jì)量中心自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)中，電力計(jì)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(gè)貨位，規(guī)劃9 個(gè)巷道。為提高系統(tǒng)運(yùn)維穩(wěn)定性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先根據(jù)項(xiàng)目需求對(duì)硬件進(jìn)行選型，主要包括測(cè)距傳感器、控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)保證電氣系統(tǒng)能夠高速運(yùn)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(hào)處理）和PPU（加速物理效果）；多個(gè)I/O 口，支持SWD（串行線調(diào)試接口）和JTAG（微控制器測(cè)試、調(diào)試接口）；存儲(chǔ)器為1042K FLASH ；設(shè)計(jì)多個(gè)看門狗定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電機(jī)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(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)分析

自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)主要利用電氣完成對(duì)輸送系統(tǒng)和巷道式堆垛機(jī)的有效控制，從而實(shí)現(xiàn)物資的輸送、存儲(chǔ)等功能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要依賴數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、計(jì)算機(jī)監(jiān)控及局域網(wǎng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣系統(tǒng)的制訂發(fā)布與信息處理。針對(duì)該項(xiàng)目的分析，詳細(xì)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(shí)別。

（2）若識(shí)別驗(yàn)證通過，則繼續(xù)通過巷道口送至站臺(tái)，并通知上位計(jì)算機(jī)。若驗(yàn)證未通過，則需拆垛機(jī)拆垛，通過單箱射頻門進(jìn)行RFID 識(shí)別。

（3）若單箱射頻門通過測(cè)試，重新碼垛，并再次送至入庫輸送系統(tǒng)的站臺(tái)，通知上位計(jì)算機(jī)。反之，若驗(yàn)證未通過，則需再次通過單箱射頻門進(jìn)行RFID識(shí)別。

（4）通過上位機(jī)后直接進(jìn)入生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)更新信息。針對(duì)自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括計(jì)算機(jī)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(xiàng)信息。

本文針對(duì)巷道式堆垛機(jī)和出入庫輸送系統(tǒng)的電氣控制設(shè)計(jì)作詳細(xì)分析。

3 堆垛機(jī)電氣控制設(shè)計(jì)

堆垛機(jī)在自動(dòng)化倉儲(chǔ)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(jì)量中心對(duì)大量電能計(jì)量設(shè)備的高效存儲(chǔ)需求。針對(duì)堆垛機(jī)的電氣控制設(shè)計(jì)，研究從堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)功能角度出發(fā)，包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、定位導(dǎo)向控制系統(tǒng)、通訊功能、保護(hù)功能及人機(jī)界面。綜合來看，在設(shè)計(jì)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)需要考慮運(yùn)動(dòng)控制單元、位置信息反饋單元、通信單元及屏幕。其中運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的接收與發(fā)送，通過激光測(cè)距儀獲得位置信息，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。本次研究根據(jù)電力計(jì)量中心自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)的硬件設(shè)施條件和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，選擇應(yīng)用西門子S7-300PLC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的電氣控制，配合測(cè)距系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)及總線完成電氣設(shè)計(jì)。

3.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)

變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性是保證設(shè)備平穩(wěn)高效運(yùn)行的關(guān)鍵，根據(jù)對(duì)該項(xiàng)目工作環(huán)境、電壓等級(jí)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(jī)時(shí)優(yōu)先對(duì)堆垛機(jī)行走速度和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作等需求進(jìn)行調(diào)查，本次工程中參數(shù)中最大行走速度設(shè)計(jì)為240 m/min，行走加速度最大設(shè)計(jì)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(jì)3 套方案，并對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）ACS880 系列變頻器，具有高性能矢量控制的優(yōu)勢(shì)，一般被應(yīng)用于大型工業(yè)驅(qū)動(dòng)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(qiáng)，方便調(diào)試，可提高能源效率。但在面對(duì)項(xiàng)目的特殊需求時(shí)需要定制開發(fā)，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)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(qiáng)，但系統(tǒng)集成存在一定復(fù)雜性，對(duì)技術(shù)人員要求較高，后期針對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)與處理相對(duì)麻煩。

（3）EMERSON 系列變頻器，與前2 種一樣，具有先進(jìn)的實(shí)時(shí)控制技術(shù)，普遍被應(yīng)用于起重運(yùn)輸、紡織機(jī)械等對(duì)動(dòng)力響應(yīng)要求較高的領(lǐng)域，數(shù)字處理算法相對(duì)先進(jìn)，但設(shè)備配置方面相對(duì)復(fù)雜。

針對(duì)本次自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)中堆垛機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的選擇，綜合思考項(xiàng)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(cè)距系統(tǒng)

測(cè)距系統(tǒng)主要用于測(cè)量平行距離和垂直高度，從而判斷貨叉運(yùn)行是否符合規(guī)范。在實(shí)際應(yīng)用中，將測(cè)距模塊安裝在堆垛機(jī)上，通過發(fā)送和接收信號(hào)的過程計(jì)算距離，并完成信息反饋，利用編碼系統(tǒng)測(cè)量電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，通過信號(hào)處理單元將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)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(cè)距的雙閉環(huán)控制方式，利用軟件編程進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，配合測(cè)距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)的精準(zhǔn)控制。在電氣設(shè)計(jì)過程中，提出3 種編碼器方案，詳細(xì)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(jī)上安裝相對(duì)靈活，分辨率較高，能夠提供較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)防護(hù)等級(jí)較高，能夠在惡劣環(huán)境下運(yùn)行，但成本也相對(duì)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(yùn)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(qiáng)，IP 防護(hù)等級(jí)上有更高的優(yōu)勢(shì)，具有較強(qiáng)的通用性，可連接機(jī)械的類型設(shè)備相對(duì)豐富。但旋轉(zhuǎn)編碼器在測(cè)量直線位移時(shí)需要借助其他機(jī)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(shì)。對(duì)比來看，RI41H 系列每轉(zhuǎn)具有1 024 個(gè)及以上的脈沖數(shù)，無論是軸徑還是電機(jī)接口，兼容性都比較高，且反應(yīng)實(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)明顯。RI36 系列各項(xiàng)性能也符合本次自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)的需求，但在測(cè)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(xiàng)目設(shè)計(jì)需求不符。而RI58 系列產(chǎn)品，雖然抗沖擊抗振動(dòng)等級(jí)較高，但出于成本的考慮，RI41H 系列是性價(jià)比更好的選擇。針對(duì)激光測(cè)距儀方面，本項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)堆垛機(jī)的移動(dòng)測(cè)量精度應(yīng)控制在±3 mm 以內(nèi)，且設(shè)備活動(dòng)范圍較大，需滿足一定距離需求。因此，本次設(shè)計(jì)選擇HENGSTLER 品牌RI58系列型號(hào)，精度能夠控制在±2 mm 以內(nèi)，測(cè)量半徑達(dá)到50 m。

3.3 PLC控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目在PLC 系統(tǒng)控制方面已選擇S7-300 PLC系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的功能性，保證快速傳達(dá)指令，適應(yīng)性較強(qiáng)，且能夠根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求進(jìn)行編程，具有一定的可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)的電氣控制設(shè)計(jì)見表1。

4 出入庫輸送系統(tǒng)電氣控制設(shè)計(jì)

在進(jìn)行出入庫輸送系統(tǒng)的電氣控制設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先對(duì)項(xiàng)目的電氣控制系統(tǒng)功能需求進(jìn)行分析，主要包括3 點(diǎn)。

（1）保證通信功能并支持多種控制模式。在進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)融合手動(dòng)、自動(dòng)及在線控制模式，根據(jù)不同模式設(shè)計(jì)功能。手動(dòng)模式針對(duì)部分裝置需設(shè)置轉(zhuǎn)換按鈕。自動(dòng)模式則保證通信功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與升級(jí)位的連接，保證自動(dòng)傳輸避免脫離。在線控制模式由上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)出指令，并由電氣系統(tǒng)接收，完成對(duì)各個(gè)單元的控制。

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

（3）安全保護(hù)。自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)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(jī)等，保證能夠及時(shí)觸發(fā)急停按鈕維護(hù)現(xiàn)場安全。本項(xiàng)目重點(diǎn)加強(qiáng)堆垛機(jī)巷道安全門的設(shè)置，觸發(fā)限位開關(guān)立即停止對(duì)堆垛機(jī)作業(yè)。

根據(jù)電力計(jì)量中心的實(shí)際需求，出入庫輸送控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了光電開關(guān)信號(hào)、磁感應(yīng)開關(guān)信號(hào)、接近開關(guān)信號(hào)及限位開關(guān)信號(hào)。由于現(xiàn)場區(qū)域較大，且控制點(diǎn)眾多，應(yīng)設(shè)計(jì)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(dá)到0.1 ms，滿足響應(yīng)速度需求，且通訊功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快且精準(zhǔn)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。為適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，選擇三級(jí)供電方式。

（1）一級(jí)：電源柜→主控制柜。采用三相五線制配電，動(dòng)力電源為380±30 VAC，對(duì)應(yīng)位置安裝電流表和電壓表，以便于實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，為保障安全，便于后期管理，需詳細(xì)標(biāo)注電路電纜參數(shù)。

（2）二級(jí)：主控制柜→子站箱。從上級(jí)電源柜中分出一相并作為24 V 穩(wěn)壓直流電源，用于對(duì)現(xiàn)場傳感器的供電。其中三相動(dòng)力電源需與子站電控柜相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場電機(jī)和變頻器的供電。在電纜線接線方面采用上進(jìn)線方式，詳細(xì)標(biāo)注編號(hào)，以便于后期管理和擴(kuò)展操作，采用按照電壓等級(jí)編號(hào)的方式，外部設(shè)備接線保證接地導(dǎo)線通過母排分壓。

（3）三級(jí)：子站箱→現(xiàn)場設(shè)備。現(xiàn)場控制箱內(nèi)根據(jù)實(shí)際需求，配置了ET200S 系列的I/O 口模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàng)目為例，對(duì)電力計(jì)量中心自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)電氣部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，建立了一套能夠提高倉儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)，選擇應(yīng)用西門子S7-300 PLC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣控制，配合測(cè)距系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)及總線完成對(duì)堆垛機(jī)的設(shè)計(jì)，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(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)降低運(yùn)營成本，為相關(guān)領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有利參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 余冬. 運(yùn)用BIM 技術(shù)加速商業(yè)物流倉儲(chǔ)自動(dòng)化[J]. 中國商人，2023（11）：198-199.

[2] 梁景輝. 淺析汽車沖壓件倉儲(chǔ)自動(dòng)化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國設(shè)備工程，2023（20）：145-147.

[3] 高灼均. 袋裝材料自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2023（19）：103-110.