摘要：隨著物流業行業的飛速發展，企業對物流的效率要求也越來越高，自動化立體倉庫已經成為現在物流發展中的重要環節。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，高端伺服系統在高速堆垛機中得到了廣泛的應用。本文將結合西門子SINMAICS S120伺服驅動器特點，介紹其在高速堆垛機上的應用。

關鍵詞：伺服驅動器 高速堆垛機 防搖擺功能 共直流母線

1.前言

傳統的堆垛機大多采用變頻器驅動異步電動機控制，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高速度以及高加速度，此外，驅動的電機使用異步電動機，也難達到高的動態性能及精準定位。

隨著物流行業的快速發展，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特別是高端伺服系統在堆垛機行業的廣泛應用。

西門子SINAMICS S120伺服驅動器在物流行業有了極為廣泛的應用。為達到堆垛機的高速及穩定控制，西門子提供了完美的產品和解決方案。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用，此外，也將介紹西門子專為高速堆垛機應用開發的防搖擺功能。

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。其結構如圖1，圖2所示。

DC-AC類型多軸傳動中，均采用模塊化設計，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，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。

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展。西門子推出了針對高速堆垛機的解決方案，其系統結構示意圖如圖3所示。

圖3 系統結構示意圖

從系統組成上看，整個系統是一個全集成自動化系統（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 伺服驅動器是高端伺服驅動器，其有很多的優點，下面就結合高速堆垛機的應用特點，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動電機進行控制。無論是行走電機還是提升電機，當存在制動的情況下，制動所產上的能量都會通過制動電阻以熱量的方式消耗。這在實際應用中造成了能量浪費。為達到節能為了滿足現場的不同需求，西門子使用SINAMICS S120 伺服驅動器的共直流母線方式，即DC-AC的多軸傳動結構，如圖2所示。共直流母線實現各個驅動的母線聯接，實現能量交互，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，處在發電狀態，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，達到節能的效果，同時，根據SINAMICS S120 伺服驅動器的配置不同，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。

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定下來，加入防搖擺功能后，系統幾乎沒有搖擺，節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的。具體是，利用高級語言編寫軟件，使用SINAMICS S120調試軟件STARTER，將西門子提供的軟件包加載到S120伺服驅動器中，加載完成后，只需要調節相關參數就可以實現防搖擺功能，其實現原理圖4所示。

圖4 防搖擺功能原理圖

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

圖5 現場速度/位置跟蹤圖

現場跟蹤了速度曲線（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，設備出現了較大的擺動。反向運行中激活防搖擺功能，在啟動S120的過程中，設備沒有出現較大的擺動，從應用過程中，能夠發現SINAMICS S120伺服驅動器很好的實現了防搖擺功能。

4. 總結

SINAMICS S120伺服驅動器具有良好的性能和控制精度，在各個行業均有很好的業績。同時，西門子公司也為一些行業開發了一些特殊的功能，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用而開發的功能。目前為止，根據實際的應用情況，SINAMICS S120伺服驅動器很好的實現了防搖擺功能。

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.