1 引言

    隨著物流業的飛速發展，現代企業對物流的合理化和效率要求越來越高，自動化立體倉庫已經成為現在物流發展中的重要環節和企業物流及生產管理不可缺少的重要手段。北京起重運輸研究所自上世紀70年代開始研發我國第一座自動化立體倉庫到目前為止已經成功承建上百座大型自動化立體倉庫項目，涉及的行業包括IT、醫藥、乳液制品、軍事、造紙、食品、機場等等，技術水平和研發實力在國內物流業中處于領先地位。

    本文以剛調試完成的某醫藥行業的物流配送中心項目為背景，介紹西門子的MM440變頻器在自動化立體倉庫中搬運設備上的應用。自動化立體倉庫是采用多層鋼結構貨架組成存儲單元貨格。利用專用物料搬運設備堆垛機和運送機以及分配車來完成物料的運送。而堆垛機運行在有軌巷道內，是所有設備中運動方式最復雜、所處環境最為重要的設備，它的性能決定著立體倉庫系統能力的優劣，是立體倉庫中的最關鍵設備。堆垛機的運動機構是由行走機構、起升機構、貨叉伸縮機構三個主要部分組成，它在巷道內進行水平往復直線、垂直升降、貨叉左右伸縮叉取等一系列協調工作，實現存儲單元貨物從巷道端口輸送機到指定貨位的入庫作業，或者從指定貨位到巷道端口輸送機的出庫作業，從而與巷道端口入出庫輸送機系統一起實現貨物的自動入出庫。目前，對于像配送中心這樣的物料集散地，每天的存取貨物非常多，這就使得堆垛機等設備長時間處于頻繁工作狀態。而每個貨物存放單元都對應精確的數據地址，因此要求堆垛機每次存取貨物必須快速運行而且停車要求平穩精準。在以往的項目中采用的是其它公司的變頻器，可以完全實現工藝要求，目前根據西門子MM440變頻器的功能設計了另一套解決方案，已成功應用在項目中，既達到了工藝要求又節約了成本，圖一為現場圖片。

    西門子MM4系列不同的變頻器提供了不同的控制器，如MM420為PI控制器，一般應用在傳送機、風機、水泵等控制性能較低的小功率的場合；MM430、MM440為PID控制器，具有PID微調等功能，MM430多適合用于風機水泵類平方轉矩負載用；MM440可用于矢量控制，可以實現高性能的應用，帶內置制動單元，可以快速制動。綜合各項指標采用了MM440變頻器。

    采用帶傳感器矢量控制閉環調速，能滿足象堆垛機這樣動態特性要求較高，并且在低頻時輸出高轉矩以及轉速精度要求較高的場合。由于堆垛機在工作過程中是頻繁啟動和停車的，在高速運行的狀態下還要求堆垛機能夠快速精準地停在目的地，因此在制動方面采用了動能制動，將電動機運行在發電狀態下所回饋的能量消耗在制動電阻中，從而達到快速停車的目的。

    有效利用Bi Co參數互聯功能，使得復雜繁瑣的參數設置變得邏輯清晰明了。

2 系統構成

1) 系統的硬件配置

    堆垛機的行走機構、起升機構和貨叉機構是通過交流異步電機驅動，3臺電機的調速由S7-300PLC通過PROFIBUS總線控制3臺MM440變頻器來實現。水平方向的定位采用帶PROFIBUS接口的第三方激光測距產品。配件配置如圖2所示。

2) 行走機構參數

    行走機構是堆垛機水平運動的驅動機構。由SEW齒輪電機減速機連接主動輪組成。行走機構采用變MM440閉環調速，高速可達160m/min，低速可達2m/min以下，保證了生產效率和停準精度兩方面的要求。

    行走機構參數：主動輪直徑400mm；減速機速比19.45；運行高速160m/min；低速2m/min；加速度0.5m/s2 ；電機額定功率7.5kW；額定電流26.6A；額定電壓380V/220V（星型/角型）；功率因數0.85；額定轉速1430r/min。

    根據以上參數計算，行走機構驅動選擇如下：變頻器型號6SE6440-2UD31-1CA1；編碼器模板6SE6400-0EN00-0AA0。

3 行走速度曲線

    在堆垛機接收監控機作業命令后，PLC進行數據處理取得目標地址并計算出各機構的平均運行速度以及減速距離停車距離等數據。PLC依據這些數據通過PROFIBUS總線對變頻器進行控制。在圖3所示的運行機構速度曲線的加速段P1130、P1131用以平滑加速過程避免產生加速超調和欠調。勻速運行到減速位置（激光測距獲得）后PLC給定變頻器爬行速度，變頻器按照P1121設定的斜坡下降時間使堆垛機降低至爬行速度進入爬行階段。當堆垛機行走到停車位置后PLC給變頻器下達停車指令，變頻器進行OFF1停車，頻率降低至最低頻率后抱閘斷電抱死。 

4 變頻器參數設定及優化

4.1 參數設定
⑴ 快速調試參數
P0010=1 快速調試；
P0304=220 電機額定電壓220V；
P0305=26.6 電機額定電流26.2A；
P0307=7.5 電機額定功率7.5kW；
P0308=0.85 電機功率因數；
P0311=1430 電機額定轉速r/min；
P0355=2 電機冷卻方式自冷內置風機冷卻；
P0640=150 電動機過載因子150%；
P0700=6 命令源COM鏈路的通訊板控制；
P1000=6 頻率設定COM鏈路的通訊板設定；
P1080=0.5 最小頻率0.5Hz；
P1082=87 最大頻率87Hz；
P1120=5 斜坡上升時間5s；
P1121=3 斜坡下降時間5s；
P1130=1 斜坡上升起始圓弧時間5s；
P1131=1 斜坡下升結束圓弧時間5s；
P1300=21 控制方式帶傳感器的矢量控制；
P3900=1 結束快速調試。

⑵ 編碼器參數
P0400=2 不帶零位脈沖的正交編碼器；
P0408=1024 編碼起一圈的脈沖數1024；
P0492=5 允許的速度偏差5個脈沖；
P0494=100 速度信號丟失時的措施延遲時間100ms；

 ⑶ 其它參數
P1237=4 動力制動工作周期工作/停止時間的比率為50%；
P1240=0 禁止直流電壓控制器；
P1215=1 抱閘使能；
P1216=0 抱閘延時打開時間0s；
P1217=0 斜坡曲線結束后延時抱閘時間0s；
P0731=52.C 數字輸出1功能52.C電動機抱閘（MHB）投入；
P2000=87 基準頻率87Hz。

4.2 電機參數優化

P1910=1 自動檢測電動機的數據和變頻器的特性；
P1910=3 自動檢測飽和曲線。

4.3 速度控制器優化

P1960=1 速度控制器的優化（帶載優化）

在進行速度控制器優化之前先將電動機轉動慣量輸入到P0341，計算出驅動裝置總慣量，并把它與電機慣量的比值輸入到P0342（驅動裝置總慣量/電動機慣量之比）。驅動裝置總慣量計算公式如下：

JX = 91.2 Χ M Χ (Vmax / n)2 +JM

式中：M - 設備質量；
Vmax - 設備運行的最高速度；
n - 對應Vmax 的電機轉速；
JM - 電動機轉動慣量。

    速度控制器優化結束后試運行，根據運行狀況手動調節：P1460、P1462、P0342、P1496參數，使其達到良好的動態性能和速度穩定性。

5 應用體會

    在系統設計及調試的初期感覺MM440變頻器參數設置煩瑣無序，并沒有從前使用的SEW變頻器方便，但經過一段時間對產品的應用和熟悉后感覺MM440變頻器是一款功能強大靈活性非常高的變頻器，加上它有獨特的BICO功能，是系統設計更方便。在系統設計中通過MM440在87Hz使電機滿功率運轉的特點，采用電機以低壓方式連接（三角形連接額定電壓220V）變頻器87Hz輸出電壓能夠達到400V，獲得了0～87Hz全磁通和滿功率運行，這樣在減速機速比一定的情況下獲得了更寬的恒轉矩調速范圍，提高了堆垛機的最高行走速度同時也獲得了低速爬行時的穩定性。對于MM440與第三方電機配合使用時，440提供了完善的電機參數檢測功能，使電機數學模型建立更符合實際矢量控制精度更高。

    在設備的調試初期采用梯形曲線的速度控制，使用這種曲線在加速與減速過程中會產生由于機械跟隨滯后產生的超調與欠調。經過反復試驗改用半S形半梯形曲線控制，這樣避免了加速階段的超調與欠調，為了便于停車距離的計算減速過程仍使用梯形曲線。采用半S半梯形曲線能夠抑制加速過程中產生的超調與欠調，但減速過程中仍然存在超調與欠調的現象，沒有完全解決問題。在今后的項目中通過完善PLC程序與變頻器參數實現完全的S形曲線速度控制。

    在MM440調試中有以下幾點容易被忽視：

⑴ 在進行電機參數自動監測前應先設置電機環境溫度P0625；

⑵ 在更改命令源P0700時，所有的數字量輸入輸出都將復位。控制對象為位能負載并使用數字量輸出控制抱閘時，更改P0700會造成溜車；

⑶ 適用帶編碼器的矢量控制方式的電機參數自動檢測結束后會自動更改P0492（允許速度偏差），如運行中容易發生F0090故障可以適當增大此值。

⑷ AOP高級操作面板只能上裝下載第3訪問級以下的參數（包括第3級別），在變頻器之間拷貝參數組時，用戶必須在此對變頻器進行快速調試和飽和曲線自動檢測（P1910=3），從而修改變頻器第4訪問級參數。使用PC調試軟件STARTER或者DriveMonitor軟件可以上裝下載全部級別的參數。

⑸ 在需要使用aop對多臺相同變頻器進行參數下載操作時應首先查看變頻器軟件版本是否相同（r0018），若不相同不要下載，最好對不同軟件版本的變頻器從新調試。

6 結束語

    西門子MM440變頻器以應用于多個自動化立體倉庫堆垛機控制系統中，它高質量的矢量控制使堆垛機無論在高速運行或低速爬行中都表現出良好的穩定性以及很好的動態性能。堆垛機水平軸方向移動是一種大慣性負載，在減速過程中變頻器經常工作在發電機狀態，MM440變頻器通過外接制動電阻在四象限運動方面也表現出良好的性能。西門子MM440變頻器在提高堆垛機性能降低設備成本方面做出了巨大的貢獻,今后將繼續使用西門子MM440變頻器，并在不斷應用實踐中完善參數，發揮MM440最大作用以提高的產品性能。