西門子自動化與驅(qū)動產(chǎn)品在全自動行車中的應用

盧振威

（廣東科達潔能股份有限公司佛山）

Application of SIEMENS Automation and Drive Production in Auto Crane

［摘要］ 本文介紹了西門子SIMATIC S7-1500 PLC、G120系列變頻器和SCALANCE W 等產(chǎn)品在全自動物流行車控制系統(tǒng)中所組成的系統(tǒng)配置和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；并從軟硬件設計方面，敘述了對關(guān)鍵功能的成功實現(xiàn)

［關(guān)鍵詞］ 自動行車、精確定位、同步運行、工業(yè)無線通信

［Abstract］ This paper introduces the system configuration and network structure of SIMATIC S7-1500 PLC,G120 series inverter,SCALANCE W and other products in the automatic logistics driving control system.In terms of hardware and software design,the successful implementation of key functions is described.

［Key Words］ automatic crane、accurate positioning、synchronized operation、Industrial wireless communication

一、項目簡介

1.項目背景

我國陶瓷行業(yè)整體工業(yè)技術(shù)水平相對較低。雖然，近年來陶瓷行業(yè)企業(yè)不斷加強陶瓷裝備自動化的進程，陶瓷企業(yè)自動化水平有了較大的提高，但與意大利、西班牙等國的陶瓷企業(yè)相比，智能化、自動化水平差距較大。

針對陶瓷倉儲領域，目前陶瓷企業(yè)瓷磚的出入庫是通過人工駕駛叉車進行操作，效率低；而且調(diào)度控制基本是靠人工，出錯率高。采用行車自動定位控制技術(shù)進行操作大大提高了瓷磚出入庫的效率，降低了人力成本。從行車的技術(shù)分析，目前行車的定位控制還是通過人工控制的，這種方式定位誤差大，速度慢、效率低，完全沒有定位精度可言。本項目的行車自動定位控制技術(shù)完全可以解決上述問題，而且行車自動定位控制技術(shù)不僅用于陶瓷企業(yè)，還可用于其他企業(yè)的物流倉儲系統(tǒng)，需求量將很大，如圖1、圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)陶瓷物流倉儲

圖2 全自動陶瓷物流倉儲

2.機構(gòu)介紹

（1）起升機構(gòu)

起升機構(gòu)的性能充分滿足實際使用的要求，即電動機聯(lián)軸器、減速器（包括制動器）、聯(lián)軸器和鋼絲繩卷筒組成。起升機構(gòu)的電控裝置具有良好的調(diào)速性能，并且能準確監(jiān)控起升高度。在起吊陶瓷產(chǎn)品時輕拿、輕放，最大限度地保護產(chǎn)品。設有液力推桿常閉式制動器，制動器散熱好，摩擦系數(shù)穩(wěn)定。在長期繁忙使用中，能確保在任何高度位置準確、安全地停住。制動前變頻器調(diào)速至最低，制動器功能為安全制動器。

起升機構(gòu)設有起重量檢測、起升高度及下降深度的位置限制、速度限制等安全聯(lián)鎖保護裝置。

（2）行走機構(gòu)

大、小車驅(qū)動裝置采用西門子三合一減速電動機驅(qū)動，配合齒條和齒輪進行位置定位。為了防止兩臺起重機行走時相碰，并保持起重機機間的最小間距，在兩臺起重機行走機構(gòu)相對的兩側(cè)裝有絕對值編碼器和防碰撞的停車限位開關(guān)。行走車輪的端部均設有軌道清掃器，以便起重機行走時自動清除軌道面上的障礙物，確保起重機行走的安全。

（3）卷筒

采用由鋼板彎成的焊接卷筒。焊接后將卷筒退火處理和無損探傷檢查，筒體經(jīng)靜平衡檢驗。卷筒的外表面和繩槽處進行精確的機加工，保證鋼絲繩的正確纏繞。卷筒采用單層纏繞，保證鋼絲繩偏角。吊鉤在最低位置時卷筒上留有3圈的安全繩圈。吊鉤在最高位置時卷筒上應有余圈。卷筒名義直徑與鋼絲繩直徑之比大于25。

（4）減速器

起升機構(gòu)減速器選用國內(nèi)一流的知名品牌，減速器內(nèi)齒輪和軸承采用油浴式進行潤滑。減速器在工廠進行正反負載2h，達到?jīng)]有異常聲響，軸承溫升不超過45℃，距減速器1m處的剖分面高度位置的噪聲不超過85dB。大、小車運行機構(gòu)選用西門子弗蘭德三合一減速機。在所有齒輪上打有齒數(shù)、節(jié)距、壓力角、表面硬度和材料數(shù)據(jù)。采用硬齒面齒輪并經(jīng)磨削加工，以提高傳動精度及使用壽命。減速器上的油位計和匯油孔位置便于日常檢查和維修，泄油孔上配有磁性塞。

（5）車輪

車輪踏面和輪緣內(nèi)側(cè)進行熱處理，表面硬度為300～380，淬硬層深度不小于5mm。嚴格保證車輪質(zhì)量，不采用有裂紋和踏面及輪緣內(nèi)側(cè)面有鑄造缺陷的車輪。起重機行走輪尺寸與軌道尺寸相匹配。

（6）制動器、制動輪

起升機構(gòu)制動器的結(jié)構(gòu)型式為塊式，所用制動輪輪面耐磨、耐沖擊，散熱性能好，摩擦面光滑無缺陷。制動器的摩擦襯片與制動輪接觸良好，耐磨性能好，并且更換方便。制動力矩及安全系數(shù)的選擇符合規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，保證制動器使用安全可靠。

3.設備工藝介紹

全自動物流行車由鋼結(jié)構(gòu)部分（橋架）、起升機構(gòu)、小車運行機構(gòu)、大車運行機構(gòu)以及機上電氣設備幾大部分組成，為自動化物流倉儲系統(tǒng)的重要設備，用于陶瓷產(chǎn)品的搬運、堆放以及出貨。該行車機除了具有通用橋式起重機的基本功能外，還能與物流倉儲系統(tǒng)進行對接，實現(xiàn)各機構(gòu)精準定位。行車的所有動作按照倉庫系統(tǒng)發(fā)出的指令來完成。

該行車用于對瓷磚進行自動的搬運、存儲，能夠精準地夾持搬運瓷磚到指定位置，且完成瓷磚的堆疊。全自動物流行車與普通的行車不同，除了完成夾持和三軸方向的搬運外，還需要具備精確的定位功能。

二、控制系統(tǒng)構(gòu)成

如圖3所示，控制系統(tǒng)采用SIMATIC 1512SP-1 PN的配置方案，使用PROFINET 作為通信網(wǎng)絡連接各部分。電氣系統(tǒng)采用西門子S7-1500PLC和G120變頻器進行全閉環(huán)運動控制，速度更快、精度更高、可靠穩(wěn)定，利用人機界面修改定位坐標，更方便直觀。具體電氣部分以及功能如下：

1）整機采用西門子SIMATIC 1512SP-1 PN控制。SIMATIC ET 200SP 是一個高度靈活、可擴展分布式 I/O 系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線將過程信號連接到上一級控制器。ET200SP 設計緊湊的高密度通道集于一身。該控制器憑借其智能的分布式功能，可極大地節(jié)省控制柜中的安裝空間和應用成本。

2）整機驅(qū)動器采用G120變頻器。SINAMICS G120變頻器用來驅(qū)動三相交流電動機，實現(xiàn)精確而又經(jīng)濟的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制。

在起升機構(gòu)的起升卷筒端部安裝絕對值編碼器，保證了豎直方向的位置精度。

圖3 行車的控制系統(tǒng)構(gòu)成

在小車運行機構(gòu)的小車上安裝齒輪，齒輪軸端安裝絕對值編碼器，齒輪與主梁上的齒條嚙合傳動，保證了小車運行方向的位置精度。

大車運行機構(gòu)采用兩個變頻器分別驅(qū)動，主從控制保證同步性能，并且大車兩側(cè)安裝齒輪和齒條，在齒輪軸端安裝絕對值編碼器，保證了大車運行方向的位置精度。

3）人機界面，配置一個KTP700。在實際運用中，既可以實現(xiàn)集中控制，也可以單獨對行走機構(gòu)進行操作，通過觸摸屏可以監(jiān)控整個系統(tǒng)的狀態(tài)，在觸摸屏上可以設定系統(tǒng)相應的數(shù)據(jù)和相應的權(quán)限。

4)無線通信。由于行車不能直接用通信線和調(diào)度系統(tǒng)等外部設備連接，導致行車與調(diào)度系統(tǒng)之間的通信不暢，調(diào)度系統(tǒng)不能及時了解行車的運行狀態(tài)，基于此，需要提供一種基于無線通信的網(wǎng)絡。本項目采用W774-1 AP和W722-1 RJ45，具有安全、可靠及高效的優(yōu)點。

三、控制系統(tǒng)完成的功能

1.大車同步功能

大車雙電動機同步的實現(xiàn)，行車主梁結(jié)構(gòu)的簡化，節(jié)省了成本。本項目是以西門子G120變頻器為基礎搭建的整套控制系統(tǒng)。在雙軸同步控制策略中，主從控制方案應用較多，而在雙軸通過齒輪硬連接的機械系統(tǒng)中，采用主從位置同步或速度同步控制的方案無法取得良好效果，極易因雙軸定位誤差發(fā)生偏載情況，甚至發(fā)生電動機過載停機的故障。因此，采用主從控制方案中的轉(zhuǎn)矩同步控制策略，主軸工作在速度控制模式，從軸工作在轉(zhuǎn)矩控制模式，從軸跟隨主軸的實時轉(zhuǎn)矩輸出而運動。

啟動同步軸工藝對象（“TO_SynchronousAxis”），包括定位軸工藝對象的全部功能，可將軸與主軸互連，從而使軸在同步操作中跟隨引導軸的位置變化，如圖4所示。

圖4 啟動同步軸工藝對象

通過MC_GEARIN控制同步，齒輪傳動過程中，跟隨軸的位置等于引導軸位置乘以傳動比。將傳動比指定為兩個整數(shù)之間的比例。其結(jié)果是一個線性傳動函數(shù)。同步操作在實現(xiàn)同步后開始，根據(jù)齒輪比計算，此時跟隨軸會達到引導軸的速度和加速度。

通過博途V14中工藝對象設置大車從動同步功能，并在程序的運動控制指令中運用指令“MC_GEARIN”，實現(xiàn)大車主從的同步，如圖5、圖6所示。

大車的同步效果非常理想，速度和位置的同步曲線如圖7、圖8所示。

采用轉(zhuǎn)矩跟隨同步控制策略，機械系統(tǒng)運行過程平穩(wěn)，在保證定位精度的基礎上，負載可以均衡分布在雙軸上，電動機工況良好，無過載、偏載現(xiàn)象發(fā)生。

2.各機構(gòu)定位功能的實現(xiàn)

本項目的定位功能沒有采用G120自身的定位功能，而采用SIMATIC 1512SP-1 PN自帶的工藝對象定位功能。通過 PROFIdrive 報文設定值接口為每個定位軸分配驅(qū)動，并通過PROFIdrive 報文分配絕對值編碼器，如圖9所示。

圖5 工藝對象中設置從動軸

圖6 程序中啟動同步功能

圖7 大車速度同步的效果

圖8 大車位置同步的效果

定位軸工藝對象可根據(jù)編碼器設置計算位置設定值，并將相應的速度設定值輸出到驅(qū)動裝置。在位置控制模式下，定位軸的所有運動均在速度控制下進行。在進行絕對定位時，定位軸工藝對象已知物理的位置，進而進行精確定位。

圖9 SIMATIC 1512SP-1自帶工藝對象的定位功能

如圖10所示，大車兩電動機的定位精度在1mm之內(nèi)。

圖10 大車兩電動機位置的監(jiān)控圖

如圖11所示，小車的定位精度在1mm之內(nèi)。

圖11 小車兩電動機位置的監(jiān)控圖

如圖12所示，起升機構(gòu)的定位精度在1mm之內(nèi)。

圖12 起升電動機位置的監(jiān)控圖

綜上所述，行車整體的定位精度基本達到要求，在3mm的精度之內(nèi)。

3.西門子公司的無線解決方案

采用無線網(wǎng)絡通信解決了傳統(tǒng)通信導線連接的弊端，可以同時調(diào)度多臺行車同時運行，這種控制方式簡單、可靠。在無線局域網(wǎng)的應用中，良好的無線信號對于保證正常的通信非常重要。本系統(tǒng)采用西門子工業(yè)級的無線AP W774-1 RJ45和客戶端W722-1 RJ45，此外，無線AP還各自安裝了KEY-PLUG W780卡。

SCALANCE W774-1RJ45的接入點，其設計支持高達300Mbit/s的傳輸速率。裝置配有結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用的密封式鋁殼，并帶有一個可插接Key-Plug卡，以備升級W700iFeatures且支持以太網(wǎng)供電技術(shù)（PoE）的插槽。

SCALANCE W722-1 RJ45客戶端，為低成本客戶端適用于控制柜內(nèi)環(huán)境安裝，支持 IEEE 802.11 a/b/g/h/n 通信協(xié)議，2.4GHz/5GHz 頻段，IP20 防護等級，塑料外殼，外形符合SIMATIC ET200SP 設計風格。

KEY-PLUG擴展功能卡用于激活iFeatures 的交換介質(zhì)卡，用于快速更換發(fā)生故障的設備，儲存配置數(shù)據(jù)，可用于帶有PLUG插槽的SCALANCE W接入點或者客戶端。當設備出現(xiàn)故障時，KEY-PLUG擴展功能卡能在沒有PG的情況下對SCALANCE 配件進行設備替換，對帶有K-PLUG插槽的SCALANCE W700 IEEE802.11n產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)配置的自動化備份。此外，可以確保系統(tǒng)的先進性和可靠性，構(gòu)建高質(zhì)量和高帶寬的無線通信網(wǎng)絡。

天線采用吸頂式安裝的全向天線ANT795-6MN，天線增益為6/8dBi、2.4GHz/5GHz、1個N型接頭，IP65 (-40～+80℃)，帶一個終端電阻TI795-1R。

組態(tài)外部天線設置如圖13所示。

圖13 組態(tài)外部天線設置

吸頂式安裝扇區(qū)的天線如圖14所示。

圖14 吸頂式安裝扇區(qū)的天線

天線網(wǎng)絡拓撲如圖15所示。

采用5GHz信號，對比2.4GHz信號，5GHz信號頻寬較寬，無線環(huán)境比較干凈，干擾少，網(wǎng)速穩(wěn)定，且5GHz可以支持更高的無線速率。而2.4GHz信號頻寬較窄，家電、無線設備大多使用2.4GHz頻段，無線環(huán)境更加擁擠，干擾較大，如圖16所示。

四、項目應用體會

自動物流倉儲行車和普通行車相似，都是用于搬運貨物，但全自動物流倉儲行車是全自動工作方式，需解決貨物和行車抓手之間的定位問題。

全自動物流倉儲行車，實現(xiàn)在倉儲中對瓷磚的抓取和搬運。行車整機無人操作，搬運時能完成精準的定位，定位要求精度達到3mm以下，大車運行速度達40m/min，小車運行速度達60m/min，起升機構(gòu)起升速度達到30m/min，起升額定重量為1t，如圖17、圖18所示。

實現(xiàn)全自動物流倉儲行車長距離運動、高負載的重復高精度定位。全自動物流倉儲行車與普通行車相似，但其所要求的定位精度較高，系統(tǒng)給予其特定的坐標位置，則能快速地定位到其坐標上，且需要完成無人操作的自動搬運堆疊。這種具備高精度的自動化行車，在其他行業(yè)有所運用，但在陶瓷行業(yè)用于倉儲卻是沒有先例。

圖15 無線網(wǎng)絡拓撲圖

圖16 5GHz信號的網(wǎng)絡

圖17 全自動物流倉儲行車（一）

圖18 全自動物流倉儲行車（二）

參考文獻

［1］崔堅.SIMATIC S7-1500與TIA博途軟件使用指南［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2016.

［2］王薇.深入淺出西門子運動控制器——SIMOTION實用手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［3］張偉林,吳清榮.西門子PLC變頻器與觸摸屏綜合應用實訓［M］.北京：中國電力出版社，2014.

［4］白玉岷.電動起重機械電氣設備安裝調(diào)試及運行維護［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［5］田景亮.橋式起重機構(gòu)造與檢修［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.