1、DS workshop Dec. / FY1516CU250S-2 EPOS功效在立體倉庫堆垛機上應用Key words: SINAMICS G120 CU250S-2 EPOS 堆垛機DF CS CCC S&AS DS DS1 李欣然Unrestricted1/48堆垛機概述項目信息系統(tǒng)配置問題描述問題分析新問題速度環(huán)、位置環(huán)參數(shù)對定位性能影響處理方案總結(jié)目錄2/48堆垛機概述堆垛機是立體倉庫中主要起重運輸設備。是隨立體倉庫發(fā)展起來專用起重機械設備。堆垛機主要用途是在立體倉庫巷道間往返穿梭運行。將位于巷道口貨物存入貨格。或?qū)⒇浉裰胸浳锶〕鲞\輸?shù)较锏揽凇＿@種設備只能在倉庫內(nèi)運行。還需配置其它設

2、備讓貨物出入庫。堆垛機分類：按用途：巷道式，橋式按起升高度：低層型(15m)按支承方式：地面支承型，懸掛型按驅(qū)動方式：上部驅(qū)動，下部驅(qū)動，上下驅(qū)動結(jié)合有沒有軌道：有軌，無軌按控制方式：手動式，半自動式，全自動式按結(jié)構(gòu)：單立柱，雙立柱，梯形立柱按運行軌跡：直線運行，曲線運行3/48堆垛機概述4/48堆垛機概述1、運行機構(gòu)2、電氣裝置3、起升機構(gòu)4、檢修平臺15、立柱6、梯子7、載貨臺8、貨叉機構(gòu)9、起升滑輪裝置10、限速防墜裝置11、檢修平臺212、上部水平輪組13、松繩裝置12131110987654321單立柱有軌巷道堆垛機結(jié)構(gòu)示意圖5/48項目信息所屬行業(yè)倉儲物流主要機械特征負載類型恒轉(zhuǎn)矩

3、周期 / 工作制斷續(xù)重復短期工作負載特點大慣性、定位用戶需求定位精度、運行速度驅(qū)動完成主要功效定位EPOS所用產(chǎn)品類別變頻器、PLC所用產(chǎn)品型號、必要選件或組件 CU250S-2, PM240, S7-300, HMI軟件及版本STARTER V4.3.2, Step 7 V5.56/48系統(tǒng)配置堆垛機和立體倉庫堆垛機電控柜供電滑導線倉庫1: 4臺堆垛機倉庫2: 3臺堆垛機投入使用立體倉庫7/48系統(tǒng)配置機械參數(shù)：堆垛機自重堆垛機載重堆垛機高度水平軌道長度滾輪直徑滾輪周長約8T約1T約17米/10層約40米315mm989.6mm堆垛機類型：用途行走機構(gòu)機架貨叉巷道式有軌，地面行走式，頂部有導

4、輪雙立柱雙伸位8/48系統(tǒng)配置PLC:品牌CPU313C-2 DP訂貨號CP343-1 Lean訂貨號SIEMENS6ES7313-6CF03-0AB06GK7343-1CX10-0XE0堆垛機電控柜內(nèi)操作臺、中控室行走變頻器起重變頻器貨叉變頻器電控柜內(nèi)部PLC9/48系統(tǒng)配置驅(qū)動配置：工位貨叉起重行走電機功率3kW18.5kW11kW變頻器功率（重載）PM240 3kWPM240 18.5kWPM240 11kW控制單元CU250S-2 DPCU250S-2 DPCU250S-2 DP控制方式速度速度位置定位方式編碼器、靠近開關(guān)條形碼、靠近開關(guān)EPOS、靠近開關(guān)貨叉電機貨叉電機編碼器條形碼起

5、重電機10/48系統(tǒng)配置設計性能：最大速度最大加速度定位誤差160m/min0.5m/s25mm行走變頻器：品牌CU250S-2訂貨號PM240訂貨號重載額定功率重載額定輸出電流SIEMENS6SL3246-0BA22-1PA0 V4.66SL3224-0BE31-1UA011kW26A行走減速電機：品牌額定功率額定電壓額定電流功率因數(shù)輸出轉(zhuǎn)矩額定頻率額定轉(zhuǎn)速速比SEW11kW380/660Y V23.0A/13.3A0.81610Nm50Hz1460/172rpm8.4811/48系統(tǒng)配置行走電機編碼器：品牌型號類型每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)信號BANNERBEH58-10S6H-1024-C10HTL10

6、24pprA/B/Z 單極性激光測距儀：品牌型號測量范圍精度測量值輸出分辨率LeuzeAMS 304i 1200.2m-120m2mm1.7ms默認0.1mm 可調(diào)激光測距儀行走驅(qū)動電機電機編碼器12/48系統(tǒng)配置客戶采取定位配置：速度反饋編碼器電機軸上HTL編碼器位置反饋編碼器電機軸上HTL編碼器1LU對應實際長度0.1mm最大速度170m/min最大加速度0.4m/s2最大減速度0.3m/s213/48系統(tǒng)配置HTL編碼器激光測距儀行走EPOS定位控制方式：PROFIBUS通信，111報文MDI相對定位PLC監(jiān)控激光測距儀發(fā)送實際位置值當檢測到定位誤差在9mm以內(nèi)時，OFF1，抱閘完成一次

7、定位14/48問題描述1、定位時間長。位置環(huán)百分比p2538位置環(huán)預控p2534速度環(huán)百分比p1460速度環(huán)積分p1462速度環(huán)預控p14960.030%12600ms100%轉(zhuǎn)動慣量比p342加速度p2572減速度p2573編碼器濾波p1441速度反饋濾波p144270.00.4m/s20.3m/s20ms4ms速度設定值/實際值直流母線電壓位置實際值37000LU運行3.7m，耗時15.4s停車時間長，甚至反向運行停車時間6.4s15/48問題描述2、機械振動大。位置環(huán)百分比p2538位置環(huán)預控p2534速度環(huán)百分比p1460速度環(huán)積分p1462速度環(huán)預控p14960.080%12600m

8、s100%轉(zhuǎn)動慣量比p342加速度p2572減速度p2573編碼器濾波p1441速度反饋濾波p144270.00.4m/s20.3m/s20ms4ms位置設定值/實際值速度實際值立柱、行走電機往返振動16/48問題分析概述：在處理問題過程中嘗試了很多方法，主要包含以下內(nèi)容：嘗試方法目標結(jié)果1用STARTER軟件control panel來做MDI相對定位判斷PLC通信、程序是否有問題通信、程序沒有問題2查看編碼器信號波形，采取速度控制VC判斷編碼器反饋是否正常、速度控制能否穩(wěn)定運行編碼器反饋正常，速度控制能穩(wěn)定運行3修改位置環(huán)百分比系數(shù)p2538測試能否經(jīng)過修改位置環(huán)百分比系數(shù)來實現(xiàn)快速定位、

9、穩(wěn)定運行無法同時滿足快速定位和穩(wěn)定運行4調(diào)整速度環(huán)參數(shù)p342、p1470、p1496讓速度環(huán)特征變軟，從而使位置環(huán)百分比系數(shù)能夠繼續(xù)增大無法抵達滿意效果5修改速度環(huán)控制方式測試不一樣速度環(huán)控制方式能否抵達愈加好運行效果。不比帶編碼器矢量控制VC好6采取雙編碼器方案測試雙編碼器方案能否抵達愈加好運行效果。比單編碼器方案效果略好，能夠設置更大位置環(huán)百分比系數(shù)7增加速度環(huán)反饋濾波時間讓速度反饋更穩(wěn)定速度反饋穩(wěn)定，系統(tǒng)震動減小，能實現(xiàn)快速定位和穩(wěn)定運行8還原單編碼器+速度環(huán)濾波反饋時間測試單編碼器+速度反饋濾波能否抵達好運行效果能夠抵達很好運行效果9比較單編碼器和雙編碼器方案測試哪個方案運行效果愈加

10、好雙編碼器方案效果愈加好10位置環(huán)百分比系數(shù)自適應、速度環(huán)百分比系數(shù)自適應處理貨叉放在高層時振動問題抵達很好運行效果17/48問題分析1、是否是PLC通信、程序問題：用Starter軟件control panel做EPOS MDI相對定位：停車時間長，往返運行。排除PLC通信、程序問題。2、不用定位控制，僅采取VC速度控制：用Starter軟件control panel做矢量控制點動運行（點動速度100rpm/200rpm），停車時按照斜坡正常停車，無抖動、往返運動等情況發(fā)生。說明單獨采取速度控制時沒有問題。用示波器測量編碼器A/B相脈沖波形（全帶寬，無濾波）：可見編碼器信號正常。編碼器A相脈

11、沖波形：18/48問題分析3、調(diào)整位置環(huán)百分比系數(shù)：位置環(huán)百分比系數(shù)0.06：位置環(huán)百分比系數(shù)0.04：依據(jù)自動控制原理，采取百分比控制時，百分比系數(shù)太大會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，百分比系數(shù)太小會造成調(diào)整遲緩、跟隨誤差大，但普通來說會有一個折中點，使得系統(tǒng)既穩(wěn)定，動態(tài)響應又能滿足要求。位置設定值/實際值速度實際值位置設定值/實際值速度實際值19/48問題分析3、調(diào)整位置環(huán)百分比系數(shù)：位置環(huán)百分比系數(shù)位置環(huán)預控設備振動情況停車時間0.080猛烈振動無法穩(wěn)定運行至減速0.060猛烈振動無法穩(wěn)定運行至減速0.040輕微振動停車時間長0.030無振動停車時間長0.035%輕微振動停車時間長0.0310%剛開啟

12、就報F7902電機失速0.0320%剛開啟就報F7902電機失速試驗結(jié)果表明，在當前系統(tǒng)配置和參數(shù)設置下，極難找到一組能同時滿足沒有振動和停車時間短位置環(huán)參數(shù)。20/48問題分析4、調(diào)整速度環(huán)參數(shù)：前面試驗波形表明，即使速度有較大波動，但速度環(huán)跟隨特征是比很好。有沒有可能經(jīng)過調(diào)整速度環(huán)跟隨特征，讓速度環(huán)跟隨慢一點，從而使位置環(huán)百分比系數(shù)能夠繼續(xù)增大？減小轉(zhuǎn)動慣量比使速度環(huán)跟隨特征變差，停車時間依然較長。位置環(huán)百分比p2538位置環(huán)預控p2534速度環(huán)百分比p1460速度環(huán)積分p1462速度環(huán)預控p14960.030%12600ms100%轉(zhuǎn)動慣量比p342加速度p2572減速度p2573編碼器

13、濾波p1441速度反饋濾波p144220.00.4m/s20.3m/s20ms4ms速度設定值/實際值直流母線電壓位置實際值速度環(huán)跟隨特征變差停車時間長9s21/48問題分析4、調(diào)整速度環(huán)參數(shù)：前面試驗波形表明，即使速度有較大波動，但速度環(huán)跟隨特征是比很好。有沒有可能經(jīng)過調(diào)整速度環(huán)跟隨特征，讓速度環(huán)跟隨慢一點，從而使位置環(huán)百分比系數(shù)能夠繼續(xù)增大？減小速度環(huán)百分比系數(shù)后位置環(huán)百分比系數(shù)依然無法調(diào)大。位置環(huán)百分比p2538位置環(huán)預控p2534速度環(huán)百分比p1460速度環(huán)積分p1462速度環(huán)預控p14960.080%3600ms100%轉(zhuǎn)動慣量比p342加速度p2572減速度p2573編碼器濾波p1

14、441速度反饋濾波p144270.00.4m/s20.4m/s20ms4ms速度設定值/實際值直流母線電壓電流實際值位置設定值/實際值速度環(huán)跟隨特征變差猛烈震動22/48問題分析4、調(diào)整速度環(huán)參數(shù)：前面試驗波形表明，即使速度有較大波動，但速度環(huán)跟隨特征是比很好。有沒有可能經(jīng)過調(diào)整速度環(huán)跟隨特征，讓速度環(huán)跟隨慢一點，從而使位置環(huán)百分比系數(shù)能夠繼續(xù)增大？減小速度環(huán)百分比系數(shù)和預控系數(shù)后，機械振動沒有緩解，停車時間深入加長。位置環(huán)百分比p2538位置環(huán)預控p2534速度環(huán)百分比p1460速度環(huán)積分p1462速度環(huán)預控p14960.060%3600ms50%轉(zhuǎn)動慣量比p342加速度p2572減速度p2

15、573編碼器濾波p1441速度反饋濾波p144270.00.4m/s20.4m/s20ms4ms速度設定值/實際值直流母線電壓電流實際值位置設定值/實際值11s23/48問題分析5、修改速度環(huán)控制方式：將速度環(huán)控制方式由VC改為V/f：在其它參數(shù)不變情況下，停車時間依然較長。將速度環(huán)控制方式由VC改為SLVC：在其它參數(shù)不變情況下，停車時間依然較長。速度設定值/實際值位置設定值/實際值速度設定值/實際值位置設定值/實際值24/48問題分析6、采取激光測距儀作為位置反饋（雙編碼器方案）：HTL編碼器激光測距儀SSIDP可在激光測距儀上設置25/48問題分析6、采取激光測距儀作為位置反饋（雙編碼器

16、方案）：位置環(huán)百分比系數(shù)為0.06時：振動情況停車時間單編碼器方案猛烈振動無法穩(wěn)定運行至減速雙編碼器方案有振動較短位置環(huán)百分比系數(shù)為0.08時：振動情況停車時間單編碼器方案猛烈振動無法穩(wěn)定運行至減速雙編碼器方案有振動較短速度設定值/實際值位置設定值/實際值電流實際值速度設定值/實際值位置設定值/實際值電流實際值26/48問題分析7、加入速度反饋濾波：不論調(diào)整位置環(huán)參數(shù)，還是調(diào)整速度環(huán)參數(shù)，甚至改用雙編碼器方案，結(jié)果都不理想。考慮到trace波形中編碼器反饋速度實際值波動較大，所以增加了轉(zhuǎn)速反饋濾波時間。P1441: 0ms 30msP1442: 4ms 20ms27/48問題分析7、加入速度反

17、饋濾波：位置環(huán)百分比p2538位置環(huán)預控p2534速度環(huán)百分比p1460速度環(huán)積分p1462速度環(huán)預控p14960.060%61600ms100%轉(zhuǎn)動慣量比p342加速度p2572減速度p2573編碼器濾波p1441速度反饋濾波p144270.00.4m/s20.4m/s230ms20ms雙編碼器+速度反饋濾波運行結(jié)果：無機械振動定位時間短速度設定值/實際值位置設定值/實際值電流實際值125000LU運行12.5m，耗時15.4s停車時間2.4s28/48問題分析8、還原單編碼器配置 + 速度反饋濾波：單編碼器+速度反饋濾波運行結(jié)果：無機械振動定位時間短位置環(huán)百分比p2538位置環(huán)預控p253

18、4速度環(huán)百分比p1460速度環(huán)積分p1462速度環(huán)預控p14960.060%6600ms100%轉(zhuǎn)動慣量比p342加速度p2572減速度p2573編碼器濾波p1441速度反饋濾波p144270.00.4m/s20.4m/s230ms20ms速度設定值/實際值位置設定值/實際值電流實際值125000LU運行12.5m，耗時15.7s停車時間2.7s29/48問題分析9、單編碼器方案與雙編碼器方案比較：單編碼器+速度反饋濾波位置環(huán)百分比系數(shù)：0.075運行結(jié)果：有機械振動雙編碼器+速度反饋濾波位置環(huán)百分比系數(shù)：0.08運行結(jié)果：無機械振動在加入速度環(huán)反饋濾波時間后，單編碼器方案和雙編碼器方案均可無

19、振動、穩(wěn)定運行。但雙編碼器方案能夠設置更大位置環(huán)百分比系數(shù)，從而提升動態(tài)響應，縮短定位時間。而且雙編碼器方案能夠抑制鋼軌打滑、齒輪間隙等干擾，定位精度更高。速度設定值/實際值位置設定值/實際值電流實際值速度設定值/實際值位置設定值/實際值125000LU運行12.5m，耗時14.5s30/48新問題前面測試都是在運行距離很短（10m）、貨叉放在底層時做。當運行距離變長、貨叉放在中間（2-4層）或者頂端（10層）時，機械振動問題再次出現(xiàn)。空載和帶載一樣。為了找到處理問題方法，對速度環(huán)、位置環(huán)相關(guān)參數(shù)對定位性能影響做了分析:每次修改一個參數(shù)，對比修改前后trace曲線速度設定值/實際值位置設定值/

20、實際值380000LU加速階段運行平穩(wěn)勻速運動末段開始振動減速階段速度實際值波形鋸齒顯著31/48速度環(huán)、位置環(huán)參數(shù)對定位性能影響1、速度環(huán)反饋濾波時間p1441、p1442速度控制VC：p1441=50msp1442=100ms在速度控制VC：p1441=10msp1442=10ms在速度環(huán)VC控制方式下，增大p1441和p1442會造成速度反饋延遲，速度實際值有低頻、大幅度波動。減小這兩個參數(shù)能夠顯著降低速度波動，到達很好速度控制性能。速度設定值/實際值速度設定值/實際值速度波動32/48速度環(huán)、位置環(huán)參數(shù)對定位性能影響1、速度環(huán)反饋濾波時間p1441、p1442位置控制：p1441=20

21、msp1442=30ms在位置控制：p1441=50msp1442=500ms在定位控制方式下，減小p1441和p1442會造成速度實際值高頻波動，機械振動顯著。增大這兩個參數(shù)能夠顯著降低高頻波動，不過會增加勻速階段低頻波動。速度設定值/實際值位置設定值/實際值速度設定值/實際值位置設定值/實際值速度高頻波動機械振動顯著33/48速度環(huán)、位置環(huán)參數(shù)對定位性能影響2、速度環(huán)預控系數(shù)p1496位置控制：p1496=80%在位置控制：p1496=95%在定位控制方式下，減小p1496能夠降低減速停車時機械振動，但會降低速度實際值跟隨特征，造成停車定位時間變長，或者停下來之后再往前移動等情況。增大p1

22、496能夠縮短停車定位時間，但會增加停車時機械振動。速度設定值/實際值位置設定值/實際值速度設定值/實際值位置設定值/實際值停車時振動大34/48速度環(huán)、位置環(huán)參數(shù)對定位性能影響3、速度環(huán)百分比系數(shù)p1460速度控制VC：p1460=3.0p1441=50msp1442=100ms在速度控制VC：p1460=12.0 p1441=50msp1442=100ms在速度環(huán)VC控制方式下，減小p1460能抑制高頻振動，但速度響應會變慢，對p1441、p1442過大引發(fā)低頻振動賠償效果會變差。增大p1460能加緊速度響應，賠償部分因為p1441、p1442過大引發(fā)低頻振動，但可能增加高頻振動。速度設定

23、值/實際值速度設定值/實際值動態(tài)響應慢35/48速度環(huán)、位置環(huán)參數(shù)對定位性能影響4、位置環(huán)百分比系數(shù)p2538位置控制：p2538=0.05在位置控制：p2538=0.08在定位控制方式下，減小p2538能顯著減小機械振動，但停車定位時間變長，可能報F7450/F7451故障。增大p2538能加緊定位響應，但會造成速度高頻波動、機械振動顯著。速度設定值/實際值位置設定值/實際值速度設定值/實際值位置設定值/實際值機械振動顯著36/48處理方案1、位置環(huán)百分比系數(shù)自適應在速度設定值低時候增大位置環(huán)百分比系數(shù)，確保停車定位快速性和準確性；在速度設定值高時候減小位置環(huán)百分比系數(shù)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性、抑制

24、振動。位置環(huán)百分比系數(shù)自適應算法公式：y=kx+b其中x為速度設定值，y為位置環(huán)百分比系數(shù)，k為變換系數(shù)，b為偏移系數(shù)。比如k=-0.00003，b=0.08，則速度為0時，位置環(huán)百分比系數(shù)為0.08，速度為1000rpm時，位置環(huán)百分比系數(shù)為0.05.x采取r62速度設定值而不采取速度實際值是因為速度實際值有波動，假如采取速度實際值來計算位置環(huán)百分比系數(shù)，該百分比系數(shù)也會有波動，二者波動疊加可能會造成系統(tǒng)震動加劇，試驗結(jié)果也證實了這一點。37/48處理方案1、位置環(huán)百分比系數(shù)自適應在速度設定值低時候增大位置環(huán)百分比系數(shù)，確保停車定位快速性和準確性；在速度設定值高時候減小位置環(huán)百分比系數(shù)，確保

25、系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制振動。位置環(huán)百分比系數(shù)自適應算法在PLC上完成：變頻器：經(jīng)過111報文PZD12將速度設定值r62發(fā)送給PLCPLC：依據(jù)變頻器速度設定值來計算出一個適當位置環(huán)百分比系數(shù)百分數(shù)。PLC再經(jīng)過111報文PZD12將該值發(fā)送至變頻器。38/48處理方案1、位置環(huán)百分比系數(shù)自適應參數(shù)設置：類別參數(shù)號參數(shù)值初始值（修改前）參數(shù)說明速度環(huán)反饋濾波p144150.0ms30.0ms編碼器反饋濾波p1442100.0ms20.0ms速度實際值濾波速度環(huán)p14606.06.0速度環(huán)百分比系數(shù)p1461100.0%100.0%速度環(huán)百分比系數(shù)自適應p14621600.0ms1600.0ms速度環(huán)

26、積分時間常數(shù)p1463100.0%100.0%速度環(huán)積分時間常數(shù)自適應p14640.0rpm0.0rpm速度環(huán)自適應速度下限p14651500.0rpm1500.0rpm速度環(huán)自適應速度上限p1496100.0%100.0%速度環(huán)預控系數(shù)位置環(huán)p25340.0%0.0%位置環(huán)預控系數(shù)p2537r2050110位置環(huán)百分比系數(shù)自適應p25380.050.08位置環(huán)百分比系數(shù)通信p205111r620發(fā)送PZD1239/48處理方案1、位置環(huán)百分比系數(shù)自適應運行結(jié)果：1號、2號堆垛機：實際運行效果很好，不論貨叉在哪一層，都能無振動、快速實現(xiàn)定位。速度設定值/實際值位置設定值/實際值位置環(huán)百分比系數(shù)

27、百分數(shù)40/48處理方案2、位置環(huán)百分比系數(shù)自適應 + 速度環(huán)百分比系數(shù)自適應3號堆垛機情況比較特殊，在采取了位置環(huán)百分比系數(shù)自適應之后，當貨叉放在10層時，停車到末段（80rpm以下）時會振動。速度環(huán)預控：100% 75%，抑制停車時振動。效果不理想。再加入速度環(huán)百分比系數(shù)自適應算法：當速度實際值小于80rpm時，速度環(huán)百分比系數(shù)為20.0，加緊停車時速度響應，縮短停車定位時間；當速度實際值大于700rpm時，速度環(huán)百分比系數(shù)為6.0，減小速度波動；當速度實際值在80rpm和700rpm之間時，速度環(huán)百分比系數(shù)與速度環(huán)實際值成線性反百分比關(guān)系改變。41/48處理方案2、位置環(huán)百分比系數(shù)自適應

28、 + 速度環(huán)百分比系數(shù)自適應參數(shù)設置：類別參數(shù)號參數(shù)值初始值（修改前）參數(shù)說明速度環(huán)反饋濾波p144150.0ms30.0ms編碼器反饋濾波p1442100.0ms20.0ms速度實際值濾波速度環(huán)p146020.06.0速度環(huán)百分比系數(shù)p146130.0%100.0%速度環(huán)百分比系數(shù)自適應p14621600.0ms1600.0ms速度環(huán)積分時間常數(shù)p1463100.0%100.0%速度環(huán)積分時間常數(shù)自適應p146480.0rpm0.0rpm速度環(huán)自適應速度下限p1465700.0rpm1500.0rpm速度環(huán)自適應速度上限p149675.0%100.0%速度環(huán)預控系數(shù)位置環(huán)p25340.0%0.0%位置環(huán)預控系數(shù)p2537r2050110位置環(huán)百分比系數(shù)自適應p25380.050.08位置環(huán)百分比系數(shù)通信p205111r620發(fā)送PZD1242/48處理方案2、位置環(huán)百分比系數(shù)自適應