西门子自动化与驱动产品在全自动行车中的应用

2018西门子工业专家会议论文集(上) 杨光

西门子自动化与驱动产品在全自动行车中的应用

卢振威

（广东科达洁能股份有限公司佛山）

Application of SIEMENS Automation and Drive Production in Auto Crane

［摘要］ 本文介绍了西门子SIMATIC S7-1500 PLC、G120系列变频器和SCALANCE W 等产品在全自动物流行车控制系统中所组成的系统配置和网络结构；并从软硬件设计方面，叙述了对关键功能的成功实现

［关键词］ 自动行车、精确定位、同步运行、工业无线通信

［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、项目简介

1.项目背景

我国陶瓷行业整体工业技术水平相对较低。虽然，近年来陶瓷行业企业不断加强陶瓷装备自动化的进程，陶瓷企业自动化水平有了较大的提高，但与意大利、西班牙等国的陶瓷企业相比，智能化、自动化水平差距较大。

针对陶瓷仓储领域，目前陶瓷企业瓷砖的出入库是通过人工驾驶叉车进行操作，效率低；而且调度控制基本是靠人工，出错率高。采用行车自动定位控制技术进行操作大大提高了瓷砖出入库的效率，降低了人力成本。从行车的技术分析，目前行车的定位控制还是通过人工控制的，这种方式定位误差大，速度慢、效率低，完全没有定位精度可言。本项目的行车自动定位控制技术完全可以解决上述问题，而且行车自动定位控制技术不仅用于陶瓷企业，还可用于其他企业的物流仓储系统，需求量将很大，如图1、图2所示。

图1 传统陶瓷物流仓储

图2 全自动陶瓷物流仓储

2.机构介绍

（1）起升机构

起升机构的性能充分满足实际使用的要求，即电动机联轴器、减速器（包括制动器）、联轴器和钢丝绳卷筒组成。起升机构的电控装置具有良好的调速性能，并且能准确监控起升高度。在起吊陶瓷产品时轻拿、轻放，最大限度地保护产品。设有液力推杆常闭式制动器，制动器散热好，摩擦系数稳定。在长期繁忙使用中，能确保在任何高度位置准确、安全地停住。制动前变频器调速至最低，制动器功能为安全制动器。

起升机构设有起重量检测、起升高度及下降深度的位置限制、速度限制等安全联锁保护装置。

（2）行走机构

大、小车驱动装置采用西门子三合一减速电动机驱动，配合齿条和齿轮进行位置定位。为了防止两台起重机行走时相碰，并保持起重机机间的最小间距，在两台起重机行走机构相对的两侧装有绝对值编码器和防碰撞的停车限位开关。行走车轮的端部均设有轨道清扫器，以便起重机行走时自动清除轨道面上的障碍物，确保起重机行走的安全。

（3）卷筒

采用由钢板弯成的焊接卷筒。焊接后将卷筒退火处理和无损探伤检查，筒体经静平衡检验。卷筒的外表面和绳槽处进行精确的机加工，保证钢丝绳的正确缠绕。卷筒采用单层缠绕，保证钢丝绳偏角。吊钩在最低位置时卷筒上留有3圈的安全绳圈。吊钩在最高位置时卷筒上应有余圈。卷筒名义直径与钢丝绳直径之比大于25。

（4）减速器

起升机构减速器选用国内一流的知名品牌，减速器内齿轮和轴承采用油浴式进行润滑。减速器在工厂进行正反负载2h，达到没有异常声响，轴承温升不超过45℃，距减速器1m处的剖分面高度位置的噪声不超过85dB。大、小车运行机构选用西门子弗兰德三合一减速机。在所有齿轮上打有齿数、节距、压力角、表面硬度和材料数据。采用硬齿面齿轮并经磨削加工，以提高传动精度及使用寿命。减速器上的油位计和汇油孔位置便于日常检查和维修，泄油孔上配有磁性塞。

（5）车轮

车轮踏面和轮缘内侧进行热处理，表面硬度为300～380，淬硬层深度不小于5mm。严格保证车轮质量，不采用有裂纹和踏面及轮缘内侧面有铸造缺陷的车轮。起重机行走轮尺寸与轨道尺寸相匹配。

（6）制动器、制动轮

起升机构制动器的结构型式为块式，所用制动轮轮面耐磨、耐冲击，散热性能好，摩擦面光滑无缺陷。制动器的摩擦衬片与制动轮接触良好，耐磨性能好，并且更换方便。制动力矩及安全系数的选择符合规范的有关规定，保证制动器使用安全可靠。

3.设备工艺介绍

全自动物流行车由钢结构部分（桥架）、起升机构、小车运行机构、大车运行机构以及机上电气设备几大部分组成，为自动化物流仓储系统的重要设备，用于陶瓷产品的搬运、堆放以及出货。该行车机除了具有通用桥式起重机的基本功能外，还能与物流仓储系统进行对接，实现各机构精准定位。行车的所有动作按照仓库系统发出的指令来完成。

该行车用于对瓷砖进行自动的搬运、存储，能够精准地夹持搬运瓷砖到指定位置，且完成瓷砖的堆叠。全自动物流行车与普通的行车不同，除了完成夹持和三轴方向的搬运外，还需要具备精确的定位功能。

二、控制系统构成

如图3所示，控制系统采用SIMATIC 1512SP-1 PN的配置方案，使用PROFINET 作为通信网络连接各部分。电气系统采用西门子S7-1500PLC和G120变频器进行全闭环运动控制，速度更快、精度更高、可靠稳定，利用人机界面修改定位坐标，更方便直观。具体电气部分以及功能如下：

1）整机采用西门子SIMATIC 1512SP-1 PN控制。SIMATIC ET 200SP 是一个高度灵活、可扩展分布式 I/O 系统，通过现场总线将过程信号连接到上一级控制器。ET200SP 设计紧凑的高密度通道集于一身。该控制器凭借其智能的分布式功能，可极大地节省控制柜中的安装空间和应用成本。

2）整机驱动器采用G120变频器。SINAMICS G120变频器用来驱动三相交流电动机，实现精确而又经济的转速/转矩控制。

在起升机构的起升卷筒端部安装绝对值编码器，保证了竖直方向的位置精度。

图3 行车的控制系统构成

在小车运行机构的小车上安装齿轮，齿轮轴端安装绝对值编码器，齿轮与主梁上的齿条啮合传动，保证了小车运行方向的位置精度。

大车运行机构采用两个变频器分别驱动，主从控制保证同步性能，并且大车两侧安装齿轮和齿条，在齿轮轴端安装绝对值编码器，保证了大车运行方向的位置精度。

3）人机界面，配置一个KTP700。在实际运用中，既可以实现集中控制，也可以单独对行走机构进行操作，通过触摸屏可以监控整个系统的状态，在触摸屏上可以设定系统相应的数据和相应的权限。

4)无线通信。由于行车不能直接用通信线和调度系统等外部设备连接，导致行车与调度系统之间的通信不畅，调度系统不能及时了解行车的运行状态，基于此，需要提供一种基于无线通信的网络。本项目采用W774-1 AP和W722-1 RJ45，具有安全、可靠及高效的优点。

三、控制系统完成的功能

1.大车同步功能

大车双电动机同步的实现，行车主梁结构的简化，节省了成本。本项目是以西门子G120变频器为基础搭建的整套控制系统。在双轴同步控制策略中，主从控制方案应用较多，而在双轴通过齿轮硬连接的机械系统中，采用主从位置同步或速度同步控制的方案无法取得良好效果，极易因双轴定位误差发生偏载情况，甚至发生电动机过载停机的故障。因此，采用主从控制方案中的转矩同步控制策略，主轴工作在速度控制模式，从轴工作在转矩控制模式，从轴跟随主轴的实时转矩输出而运动。

启动同步轴工艺对象（“TO_SynchronousAxis”），包括定位轴工艺对象的全部功能，可将轴与主轴互连，从而使轴在同步操作中跟随引导轴的位置变化，如图4所示。

图4 启动同步轴工艺对象

通过MC_GEARIN控制同步，齿轮传动过程中，跟随轴的位置等于引导轴位置乘以传动比。将传动比指定为两个整数之间的比例。其结果是一个线性传动函数。同步操作在实现同步后开始，根据齿轮比计算，此时跟随轴会达到引导轴的速度和加速度。

通过博途V14中工艺对象设置大车从动同步功能，并在程序的运动控制指令中运用指令“MC_GEARIN”，实现大车主从的同步，如图5、图6所示。

大车的同步效果非常理想，速度和位置的同步曲线如图7、图8所示。

采用转矩跟随同步控制策略，机械系统运行过程平稳，在保证定位精度的基础上，负载可以均衡分布在双轴上，电动机工况良好，无过载、偏载现象发生。

2.各机构定位功能的实现

本项目的定位功能没有采用G120自身的定位功能，而采用SIMATIC 1512SP-1 PN自带的工艺对象定位功能。通过 PROFIdrive 报文设定值接口为每个定位轴分配驱动，并通过PROFIdrive 报文分配绝对值编码器，如图9所示。

图5 工艺对象中设置从动轴

图6 程序中启动同步功能

图7 大车速度同步的效果

图8 大车位置同步的效果

定位轴工艺对象可根据编码器设置计算位置设定值，并将相应的速度设定值输出到驱动装置。在位置控制模式下，定位轴的所有运动均在速度控制下进行。在进行绝对定位时，定位轴工艺对象已知物理的位置，进而进行精确定位。

图9 SIMATIC 1512SP-1自带工艺对象的定位功能

如图10所示，大车两电动机的定位精度在1mm之内。

图10 大车两电动机位置的监控图

如图11所示，小车的定位精度在1mm之内。

图11 小车两电动机位置的监控图

如图12所示，起升机构的定位精度在1mm之内。

图12 起升电动机位置的监控图

综上所述，行车整体的定位精度基本达到要求，在3mm的精度之内。

3.西门子公司的无线解决方案

采用无线网络通信解决了传统通信导线连接的弊端，可以同时调度多台行车同时运行，这种控制方式简单、可靠。在无线局域网的应用中，良好的无线信号对于保证正常的通信非常重要。本系统采用西门子工业级的无线AP W774-1 RJ45和客户端W722-1 RJ45，此外，无线AP还各自安装了KEY-PLUG W780卡。

SCALANCE W774-1RJ45的接入点，其设计支持高达300Mbit/s的传输速率。装置配有结构紧凑、坚固耐用的密封式铝壳，并带有一个可插接Key-Plug卡，以备升级W700iFeatures且支持以太网供电技术（PoE）的插槽。

SCALANCE W722-1 RJ45客户端，为低成本客户端适用于控制柜内环境安装，支持 IEEE 802.11 a/b/g/h/n 通信协议，2.4GHz/5GHz 频段，IP20 防护等级，塑料外壳，外形符合SIMATIC ET200SP 设计风格。

KEY-PLUG扩展功能卡用于激活iFeatures 的交换介质卡，用于快速更换发生故障的设备，储存配置数据，可用于带有PLUG插槽的SCALANCE W接入点或者客户端。当设备出现故障时，KEY-PLUG扩展功能卡能在没有PG的情况下对SCALANCE 配件进行设备替换，对带有K-PLUG插槽的SCALANCE W700 IEEE802.11n产品进行数据配置的自动化备份。此外，可以确保系统的先进性和可靠性，构建高质量和高带宽的无线通信网络。

天线采用吸顶式安装的全向天线ANT795-6MN，天线增益为6/8dBi、2.4GHz/5GHz、1个N型接头，IP65 (-40～+80℃)，带一个终端电阻TI795-1R。

组态外部天线设置如图13所示。