西門(mén)子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品在全自動(dòng)行車中的應(yīng)用

盧振威

（廣東科達(dá)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(mén)子SIMATIC S7-1500 PLC、G120系列變頻器和SCALANCE W 等產(chǎn)品在全自動(dòng)物流行車控制系統(tǒng)中所組成的系統(tǒng)配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；并從軟硬件設(shè)計(jì)方面，敘述了對(duì)關(guān)鍵功能的成功實(shí)現(xiàn)

［關(guān)鍵詞］ 自動(dòng)行車、精確定位、同步運(yùn)行、工業(yè)無(wú)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(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.項(xiàng)目背景

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

針對(duì)陶瓷倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域，目前陶瓷企業(yè)瓷磚的出入庫(kù)是通過(guò)人工駕駛叉車進(jìn)行操作，效率低；而且調(diào)度控制基本是靠人工，出錯(cuò)率高。采用行車自動(dòng)定位控制技術(shù)進(jìn)行操作大大提高了瓷磚出入庫(kù)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(guò)人工控制的，這種方式定位誤差大，速度慢、效率低，完全沒(méi)有定位精度可言。本項(xiàng)目的行車自動(dòng)定位控制技術(shù)完全可以解決上述問(wèn)題，而且行車自動(dòng)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(cāng)儲(chǔ)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(cāng)儲(chǔ)

圖2 全自動(dòng)陶瓷物流倉(cāng)儲(chǔ)

2.機(jī)構(gòu)介紹

（1）起升機(jī)構(gòu)

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

起升機(jī)構(gòu)設(shè)有起重量檢測(cè)、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(hù)裝置。

（2）行走機(jī)構(gòu)

大、小車驅(qū)動(dòng)裝置采用西門(mén)子三合一減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，配合齒條和齒輪進(jìn)行位置定位。為了防止兩臺(tái)起重機(jī)行走時(shí)相碰，并保持起重機(jī)機(jī)間的最小間距，在兩臺(tái)起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)相對(duì)的兩側(cè)裝有絕對(duì)值編碼器和防碰撞的停車限位開(kāi)關(guān)。行走車輪的端部均設(shè)有軌道清掃器，以便起重機(jī)行走時(shí)自動(dòng)清除軌道面上的障礙物，確保起重機(jī)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(wú)損探傷檢查，筒體經(jīng)靜平衡檢驗(yàn)。卷筒的外表面和繩槽處進(jìn)行精確的機(jī)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(shí)卷筒上留有3圈的安全繩圈。吊鉤在最高位置時(shí)卷筒上應(yīng)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(jī)構(gòu)減速器選用國(guó)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(jìn)行潤(rùn)滑。減速器在工廠進(jìn)行正反負(fù)載2h，達(dá)到?jīng)]有異常聲響，軸承溫升不超過(guò)45℃，距減速器1m處的剖分面高度位置的噪聲不超過(guò)85dB。大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)選用西門(mén)子弗蘭德三合一減速機(jī)。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(dòng)精度及使用壽命。減速器上的油位計(jì)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(jìn)行熱處理，表面硬度為300～380，淬硬層深度不小于5mm。嚴(yán)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(jī)行走輪尺寸與軌道尺寸相匹配。

（6）制動(dòng)器、制動(dòng)輪

起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)型式為塊式，所用制動(dòng)輪輪面耐磨、耐沖擊，散熱性能好，摩擦面光滑無(wú)缺陷。制動(dòng)器的摩擦襯片與制動(dòng)輪接觸良好，耐磨性能好，并且更換方便。制動(dòng)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(dòng)器使用安全可靠。

3.設(shè)備工藝介紹

全自動(dòng)物流行車由鋼結(jié)構(gòu)部分（橋架）、起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)以及機(jī)上電氣設(shè)備幾大部分組成，為自動(dòng)化物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的重要設(shè)備，用于陶瓷產(chǎn)品的搬運(yùn)、堆放以及出貨。該行車機(jī)除了具有通用橋式起重機(jī)的基本功能外，還能與物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位。行車的所有動(dòng)作按照倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)發(fā)出的指令來(lái)完成。

該行車用于對(duì)瓷磚進(jìn)行自動(dòng)的搬運(yùn)、存儲(chǔ)，能夠精準(zhǔn)地夾持搬運(yùn)瓷磚到指定位置，且完成瓷磚的堆疊。全自動(dòng)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(yùn)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(luò)連接各部分。電氣系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-1500PLC和G120變頻器進(jìn)行全閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制，速度更快、精度更高、可靠穩(wěn)定，利用人機(jī)界面修改定位坐標(biāo)，更方便直觀。具體電氣部分以及功能如下：

1）整機(jī)采用西門(mén)子SIMATIC 1512SP-1 PN控制。SIMATIC ET 200SP 是一個(gè)高度靈活、可擴(kuò)展分布式 I/O 系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將過(guò)程信號(hào)連接到上一級(jí)控制器。ET200SP 設(shè)計(jì)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(yīng)用成本。

2）整機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用G120變頻器。SINAMICS G120變頻器用來(lái)驅(qū)動(dòng)三相交流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)精確而又經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制。

在起升機(jī)構(gòu)的起升卷筒端部安裝絕對(duì)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(yùn)行機(jī)構(gòu)的小車上安裝齒輪，齒輪軸端安裝絕對(duì)值編碼器，齒輪與主梁上的齒條嚙合傳動(dòng)，保證了小車運(yùn)行方向的位置精度。

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)變頻器分別驅(qū)動(dòng)，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(duì)值編碼器，保證了大車運(yùn)行方向的位置精度。

3）人機(jī)界面，配置一個(gè)KTP700。在實(shí)際運(yùn)用中，既可以實(shí)現(xiàn)集中控制，也可以單獨(dú)對(duì)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作，通過(guò)觸摸屏可以監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，在觸摸屏上可以設(shè)定系統(tǒng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的權(quán)限。

4)無(wú)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(shè)備連接，導(dǎo)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(shí)了解行車的運(yùn)行狀態(tài)，基于此，需要提供一種基于無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)。本項(xiàng)目采用W774-1 AP和W722-1 RJ45，具有安全、可靠及高效的優(yōu)點(diǎn)。

三、控制系統(tǒng)完成的功能

1.大車同步功能

大車雙電動(dòng)機(jī)同步的實(shí)現(xiàn)，行車主梁結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，節(jié)省了成本。本項(xiàng)目是以西門(mén)子G120變頻器為基礎(chǔ)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(yīng)用較多，而在雙軸通過(guò)齒輪硬連接的機(jī)械系統(tǒng)中，采用主從位置同步或速度同步控制的方案無(wú)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(dòng)機(jī)過(guò)載停機(jī)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(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩輸出而運(yùn)動(dòng)。

啟動(dòng)同步軸工藝對(duì)象（“TO_SynchronousAxis”），包括定位軸工藝對(duì)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(dǎo)軸的位置變化，如圖4所示。

圖4 啟動(dòng)同步軸工藝對(duì)象

通過(guò)MC_GEARIN控制同步，齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，跟隨軸的位置等于引導(dǎo)軸位置乘以傳動(dòng)比。將傳動(dòng)比指定為兩個(gè)整數(shù)之間的比例。其結(jié)果是一個(gè)線性傳動(dòng)函數(shù)。同步操作在實(shí)現(xiàn)同步后開(kāi)始，根據(jù)齒輪比計(jì)算，此時(shí)跟隨軸會(huì)達(dá)到引導(dǎo)軸的速度和加速度。

通過(guò)博途V14中工藝對(duì)象設(shè)置大車從動(dòng)同步功能，并在程序的運(yùn)動(dòng)控制指令中運(yùn)用指令“MC_GEARIN”，實(shí)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(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)，在保證定位精度的基礎(chǔ)上，負(fù)載可以均衡分布在雙軸上，電動(dòng)機(jī)工況良好，無(wú)過(guò)載、偏載現(xiàn)象發(fā)生。

2.各機(jī)構(gòu)定位功能的實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目的定位功能沒(méi)有采用G120自身的定位功能，而采用SIMATIC 1512SP-1 PN自帶的工藝對(duì)象定位功能。通過(guò) PROFIdrive 報(bào)文設(shè)定值接口為每個(gè)定位軸分配驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)PROFIdrive 報(bào)文分配絕對(duì)值編碼器，如圖9所示。

圖5 工藝對(duì)象中設(shè)置從動(dòng)軸

圖6 程序中啟動(dòng)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(duì)象可根據(jù)編碼器設(shè)置計(jì)算位置設(shè)定值，并將相應(yīng)的速度設(shè)定值輸出到驅(qū)動(dòng)裝置。在位置控制模式下，定位軸的所有運(yùn)動(dòng)均在速度控制下進(jìn)行。在進(jìn)行絕對(duì)定位時(shí)，定位軸工藝對(duì)象已知物理的位置，進(jìn)而進(jìn)行精確定位。

圖9 SIMATIC 1512SP-1自帶工藝對(duì)象的定位功能

如圖10所示，大車兩電動(dòng)機(jī)的定位精度在1mm之內(nèi)。

圖10 大車兩電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)位置的監(jiān)控圖

如圖12所示，起升機(jī)構(gòu)的定位精度在1mm之內(nèi)。

圖12 起升電動(dòng)機(jī)位置的監(jiān)控圖

綜上所述，行車整體的定位精度基本達(dá)到要求，在3mm的精度之內(nèi)。

3.西門(mén)子公司的無(wú)線解決方案

采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信解決了傳統(tǒng)通信導(dǎo)線連接的弊端，可以同時(shí)調(diào)度多臺(tái)行車同時(shí)運(yùn)行，這種控制方式簡(jiǎn)單、可靠。在無(wú)線局域網(wǎng)的應(yīng)用中，良好的無(wú)線信號(hào)對(duì)于保證正常的通信非常重要。本系統(tǒng)采用西門(mén)子工業(yè)級(jí)的無(wú)線AP W774-1 RJ45和客戶端W722-1 RJ45，此外，無(wú)線AP還各自安裝了KEY-PLUG W780卡。

SCALANCE W774-1RJ45的接入點(diǎn)，其設(shè)計(jì)支持高達(dá)300Mbit/s的傳輸速率。裝置配有結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用的密封式鋁殼，并帶有一個(gè)可插接Key-Plug卡，以備升級(jí)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(hù)等級(jí)，塑料外殼，外形符合SIMATIC ET200SP 設(shè)計(jì)風(fēng)格。

KEY-PLUG擴(kuò)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(shè)備，儲(chǔ)存配置數(shù)據(jù)，可用于帶有PLUG插槽的SCALANCE W接入點(diǎn)或者客戶端。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，KEY-PLUG擴(kuò)展功能卡能在沒(méi)有PG的情況下對(duì)SCALANCE 配件進(jìn)行設(shè)備替換，對(duì)帶有K-PLUG插槽的SCALANCE W700 IEEE802.11n產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)配置的自動(dòng)化備份。此外，可以確保系統(tǒng)的先進(jìn)性和可靠性，構(gòu)建高質(zhì)量和高帶寬的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。

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(gè)N型接頭，IP65 (-40～+80℃)，帶一個(gè)終端電阻TI795-1R。

組態(tài)外部天線設(shè)置如圖13所示。

圖13 組態(tài)外部天線設(shè)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(luò)拓?fù)淙鐖D15所示。

采用5GHz信號(hào)，對(duì)比2.4GHz信號(hào)，5GHz信號(hào)頻寬較寬，無(wú)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(wú)線速率。而2.4GHz信號(hào)頻寬較窄，家電、無(wú)線設(shè)備大多使用2.4GHz頻段，無(wú)線環(huán)境更加擁擠，干擾較大，如圖16所示。

四、項(xiàng)目應(yīng)用體會(huì)

自動(dòng)物流倉(cāng)儲(chǔ)行車和普通行車相似，都是用于搬運(yùn)貨物，但全自動(dòng)物流倉(cāng)儲(chǔ)行車是全自動(dòng)工作方式，需解決貨物和行車抓手之間的定位問(wèn)題。

全自動(dòng)物流倉(cāng)儲(chǔ)行車，實(shí)現(xiàn)在倉(cāng)儲(chǔ)中對(duì)瓷磚的抓取和搬運(yùn)。行車整機(jī)無(wú)人操作，搬運(yùn)時(shí)能完成精準(zhǔn)的定位，定位要求精度達(dá)到3mm以下，大車運(yùn)行速度達(dá)40m/min，小車運(yùn)行速度達(dá)60m/min，起升機(jī)構(gòu)起升速度達(dá)到30m/min，起升額定重量為1t，如圖17、圖18所示。

實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)物流倉(cāng)儲(chǔ)行車長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)、高負(fù)載的重復(fù)高精度定位。全自動(dòng)物流倉(cāng)儲(chǔ)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(biāo)位置，則能快速地定位到其坐標(biāo)上，且需要完成無(wú)人操作的自動(dòng)搬運(yùn)堆疊。這種具備高精度的自動(dòng)化行車，在其他行業(yè)有所運(yùn)用，但在陶瓷行業(yè)用于倉(cāng)儲(chǔ)卻是沒(méi)有先例。

圖15 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖16 5GHz信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)

圖17 全自動(dòng)物流倉(cāng)儲(chǔ)行車（一）

圖18 全自動(dòng)物流倉(cāng)儲(chǔ)行車（二）

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