摘要：隨著物流業(yè)行業(yè)的飛速發(fā)展，企業(yè)對物流的效率要求也越來越高，自動化立體倉庫已經(jīng)成為現(xiàn)在物流發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)。高速堆垛機對自動化立體倉庫的效率起到了決定性的作用，高端伺服系統(tǒng)在高速堆垛機中得到了廣泛的應(yīng)用。本文將結(jié)合西門子SINMAICS S120伺服驅(qū)動器特點，介紹其在高速堆垛機上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動器 高速堆垛機 防搖擺功能 共直流母線

1.前言

傳統(tǒng)的堆垛機大多采用變頻器驅(qū)動異步電動機控制，利用多段速度控制，同時，將外部編碼器接至 PLC， 再通過PLC給變頻器不同的速度指令，這樣帶來的弊端就是定位動作無法實現(xiàn)高速度以及高加速度，此外，驅(qū)動的電機使用異步電動機，也難達到高的動態(tài)性能及精準(zhǔn)定位。

隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展，高速堆垛機已成為倉儲物流的重要組成部分，這也促進了伺服系統(tǒng)特別是高端伺服系統(tǒng)在堆垛機行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

西門子SINAMICS S120伺服驅(qū)動器在物流行業(yè)有了極為廣泛的應(yīng)用。為達到堆垛機的高速及穩(wěn)定控制，西門子提供了完美的產(chǎn)品和解決方案。本文將主要以電氣伺服為主，介紹SINAMICS S120的顯著特點及在高速堆垛機上的應(yīng)用，此外，也將介紹西門子專為高速堆垛機應(yīng)用開發(fā)的防搖擺功能。

2. SINAMAICS S120 簡介及特點

SINAMICS S120集矢量控制與伺服控制于一身，分為DC-AC與AC-AC兩種類型，DC-AC即多軸傳動，是控制單元、整流、逆變都為獨立模塊，目前DC-AC類型功率范圍從0.9 kW到1200 kW，AC-AC即單軸傳動，由控制單元和功率模塊組成，功率范圍從0.12到250 kW。其結(jié)構(gòu)如圖1，圖2所示。

DC-AC類型多軸傳動中，均采用模塊化設(shè)計，共用直流母線，控制單元是CU320-2模塊，控制單元的Firmware存儲在其CF卡內(nèi)，可以通過CF卡里的軟件版本對整個S120進行Firmware升級。

新一代的控制單元CU320-2，分為DP和PN兩種類型，其運算能力更強，可以帶6個伺服軸或者6個矢量軸，12個V/F 軸。

圖1 AC-AC即單軸傳動      圖2 DC-AC即多軸傳動

3. 西門子在高速堆垛機上的解決方案

自動化立體倉庫是采用多層鋼結(jié)構(gòu)貨架組成存儲單元貨格。利用專用物料搬運設(shè)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(nèi)，是所有設(shè)備中運動方式最復(fù)雜、所處環(huán)境最為重要的設(shè)備，它的性能決定著立體倉庫系統(tǒng)能力的優(yōu)劣，是立體倉庫中的最關(guān)鍵設(shè)備。

堆垛機的運動機構(gòu)是由行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、貨叉伸縮機構(gòu)三個主要部分組成，它在巷道內(nèi)進行水平往復(fù)直線、垂直升降、貨叉左右伸縮叉取等一系列協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)存儲單元貨物從巷道端口輸送機到指定貨位的入庫作業(yè)，或者從指定貨位到巷道端口輸送機的出庫作業(yè)，從而與巷道端口入出庫輸送機系統(tǒng)一起實現(xiàn)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(shè)備長時間處于頻繁工作狀態(tài)。而每個貨物存放單元都對應(yīng)精確的數(shù)據(jù)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(wěn)精準(zhǔn)。

為了提高存取貨物的速度及效率，堆垛機逐漸向著高速堆垛機發(fā)展。西門子推出了針對高速堆垛機的解決方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從系統(tǒng)組成上看，整個系統(tǒng)是一個全集成自動化系統(tǒng)（TIA），主要由下面幾個部分組成：PLC S7-1200， HMI KTP600和SINAMICS S120 伺服控制器及附屬器件。

SINAMICS S120 伺服驅(qū)動器是高端伺服驅(qū)動器，其有很多的優(yōu)點，下面就結(jié)合高速堆垛機的應(yīng)用特點，介紹共直流母線和防搖擺功能。

3.1 SINAMAICS S120 共直流母線

普通堆垛機的行走電機和提升電機是獨立的，分別由獨立的變頻器驅(qū)動電機進行控制。無論是行走電機還是提升電機，當(dāng)存在制動的情況下，制動所產(chǎn)上的能量都會通過制動電阻以熱量的方式消耗。這在實際應(yīng)用中造成了能量浪費。為達到節(jié)能為了滿足現(xiàn)場的不同需求，西門子使用SINAMICS S120 伺服驅(qū)動器的共直流母線方式，即DC-AC的多軸傳動結(jié)構(gòu)，如圖2所示。共直流母線實現(xiàn)各個驅(qū)動的母線聯(lián)接，實現(xiàn)能量交互，這樣能避免能量的浪費，例如，提升電機在下放重物的情況下，處在發(fā)電狀態(tài)，其生成的能量反饋到直流母線，此能量可以被行走電機使用，達到節(jié)能的效果，同時，根據(jù)SINAMICS S120 伺服驅(qū)動器的配置不同，直流母線上的儲存的能量，如果沒有被完全利用，可以將能量回饋到電網(wǎng)。

3.2 SINAMAICS S120 防搖擺功能

鑒于提升立柱高度較高，在未加入防搖擺功能時，行走設(shè)備在啟動和停止的過程中，立柱通常需要晃動幾秒的時間才能穩(wěn)定下來，加入防搖擺功能后，系統(tǒng)幾乎沒有搖擺，節(jié)省了行走定位花費的時間。

西門子推出了專用于高速堆垛機的防搖功能，是完全基于軟件完成，不需要添加任何硬件而實現(xiàn)的。具體是，利用高級語言編寫軟件，使用SINAMICS S120調(diào)試軟件STARTER，將西門子提供的軟件包加載到S120伺服驅(qū)動器中，加載完成后，只需要調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)就可以實現(xiàn)防搖擺功能，其實現(xiàn)原理圖4所示。

圖4 防搖擺功能原理圖

為了查看SINAMICS S120伺服驅(qū)動器防搖功能的效果，我們在應(yīng)用現(xiàn)場做了進一步的測試，我們記錄了現(xiàn)場的速度/位置跟蹤圖，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場速度/位置跟蹤圖

現(xiàn)場跟蹤了速度曲線（上圖棕色曲線），分別是正向運行和反向運行，其中正向運行沒有激活防搖擺功能，在啟動S120的過程中，設(shè)備出現(xiàn)了較大的擺動。反向運行中激活防搖擺功能，在啟動S120的過程中，設(shè)備沒有出現(xiàn)較大的擺動，從應(yīng)用過程中，能夠發(fā)現(xiàn)SINAMICS S120伺服驅(qū)動器很好的實現(xiàn)了防搖擺功能。

4. 總結(jié)

SINAMICS S120伺服驅(qū)動器具有良好的性能和控制精度，在各個行業(yè)均有很好的業(yè)績。同時，西門子公司也為一些行業(yè)開發(fā)了一些特殊的功能，來滿足客戶的不同需求。其中，防搖擺功能就是專為高速堆垛機這一具體應(yīng)用而開發(fā)的功能。目前為止，根據(jù)實際的應(yīng)用情況，SINAMICS S120伺服驅(qū)動器很好的實現(xiàn)了防搖擺功能。

參考文獻

[1] SINAMICS S120 list _manual ,SIEMENS AG.

[2] SINAMICS S120 function manual ,SIEMENS AG.

[3] SINAMICS S120 VIBX_OA_Function Manual,SIEMENS AG.