1.前言

传统的堆垛机大多采用变频器驱动异步电动机控制，利用多段速度控制，同时，将外部编码器接至 PLC， 再通过PLC给变频器不同的速度指令，这样带来的弊端就是定位动作无法实现高速度以及高加速度，此外，驱动的电机使用异步电动机，也难达到高的动态性能及精准定位。

随着物流行业的快速发展，高速堆垛机已成为仓储物流的重要组成部分，这也促进了伺服系统特别是高端伺服系统在堆垛机行业的广泛应用。

西门子SINAMICS S120伺服驱动器在物流行业有了极为广泛的应用。为达到堆垛机的高速及稳定控制，西门子提供了完美的产品和解决方案。本文将主要以电气伺服为主，介绍SINAMICS S120的显著特点及在高速堆垛机上的应用，此外，也将介绍西门子专为高速堆垛机应用开发的防摇摆功能。

2. SINAMAICS S120 简介及特点

SINAMICS S120集矢量控制与伺服控制于一身，分为DC-AC与AC-AC两种类型，DC-AC即多轴传动，是控制单元、整流、逆变都为独立模块，目前DC-AC类型功率范围从0.9 kW到1200 kW，AC-AC即单轴传动，由控制单元和功率模块组成，功率范围从0.12到250 kW。其结构如图1，图2所示。

DC-AC类型多轴传动中，均采用模块化设计，共用直流母线，控制单元是CU320-2模块，控制单元的Firmware存储在其CF卡内，可以通过CF卡里的软件版本对整个S120进行Firmware升级。

新一代的控制单元CU320-2，分为DP和PN两种类型，其运算能力更强，可以带6个伺服轴或者6个矢量轴，12个V/F 轴。

3. 西门子在高速堆垛机上的解决方案

自动化立体仓库是采用多层钢结构货架组成存储单元货格。利用专用物料搬运设备堆垛机和运送机以及分配车来完成物料的运送。而堆垛机运行在有轨巷道内，是所有设备中运动方式最复杂、所处环境最为重要的设备，它的性能决定着立体仓库系统能力的优劣，是立体仓库中的最关键设备。

堆垛机的运动机构是由行走机构、起升机构、货叉伸缩机构三个主要部分组成，它在巷道内进行水平往复直线、垂直升降、货叉左右伸缩叉取等一系列协调工作，实现存储单元货物从巷道端口输送机到指定货位的入库作业，或者从指定货位到巷道端口输送机的出库作业，从而与巷道端口入出库输送机系统一起实现货物的自动入出库。目前，对于像配送中心这样的物料集散地，每天的存取货物非常多，这就使得堆垛机等设备长时间处于频繁工作状态。而每个货物存放单元都对应精确的数据地址，因此要求堆垛机每次存取货物必须快速运行而且停车要求平稳精准。

为了提高存取货物的速度及效率，堆垛机逐渐向着高速堆垛机发展。西门子推出了针对高速堆垛机的解决方案，其系统结构示意图如图3所示。

图3 系统结构示意图

从系统组成上看，整个系统是一个全集成自动化系统(TIA)，主要由下面几个部分组成：PLC S7-1200， HMI KTP600和SINAMICS S120 伺服控制器及附属器件。

SINAMICS S120 伺服驱动器是高端伺服驱动器，其有很多的优点，下面就结合高速堆垛机的应用特点，介绍共直流母线和防摇摆功能。

3.1 SINAMAICS S120 共直流母线

普通堆垛机的行走电机和提升电机是独立的，分别由独立的变频器驱动电机进行控制。无论是行走电机还是提升电机，当存在制动的情况下，制动所产上的能量都会通过制动电阻以热量的方式消耗。这在实际应用中造成了能量浪费。为达到节能为了满足现场的不同需求，西门子使用SINAMICS S120 伺服驱动器的共直流母线方式，即DC-AC的多轴传动结构，如图2所示。共直流母线实现各个驱动的母线联接，实现能量交互，这样能避免能量的浪费，例如，提升电机在下放重物的情况下，处在发电状态，其生成的能量反馈到直流母线，此能量可以被行走电机使用，达到节能的效果，同时，根据SINAMICS S120 伺服驱动器的配置不同，直流母线上的储存的能量，如果没有被完全利用，可以将能量回馈到电网。

3.2 SINAMAICS S120 防摇摆功能

鉴于提升立柱高度较高，在未加入防摇摆功能时，行走设备在启动和停止的过程中，立柱通常需要晃动几秒的时间才能稳定下来，加入防摇摆功能后，系统几乎没有摇摆，节省了行走定位花费的时间。

西门子推出了专用于高速堆垛机的防摇功能，是完全基于软件完成，不需要添加任何硬件而实现的。具体是，利用高级语言编写软件，使用SINAMICS S120调试软件STARTER，将西门子提供的软件包加载到S120伺服驱动器中，加载完成后，只需要调节相关参数就可以实现防摇摆功能，其实现原理图4所示。

图4 防摇摆功能原理图

为了查看SINAMICS S120伺服驱动器防摇功能的效果，我们在应用现场做了进一步的测试，我们记录了现场的速度/位置跟踪图，如图5所示。

图5 现场速度/位置跟踪图

现场跟踪了速度曲线(上图棕色曲线)，分别是正向运行和反向运行，其中正向运行没有激活防摇摆功能，在启动S120的过程中，设备出现了较大的摆动。反向运行中激活防摇摆功能，在启动S120的过程中，设备没有出现较大的摆动，从应用过程中，能够发现SINAMICS S120伺服驱动器很好的实现了防摇摆功能。

4. 总结

SINAMICS S120伺服驱动器具有良好的性能和控制精度，在各个行业均有很好的业绩。同时，西门子公司也为一些行业开发了一些特殊的功能，来满足客户的不同需求。其中，防摇摆功能就是专为高速堆垛机这一具体应用而开发的功能。目前为止，根据实际的应用情况，SINAMICS S120伺服驱动器很好的实现了防摇摆功能。