倪 侶,丁利鋒,童可嘉
(杭叉集團股份有限公司,浙江 杭州 311305)
隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展,國產(chǎn)叉車在國內(nèi)市場銷量和國外市場出口占比同步增長的背景下,對于叉車的質(zhì)量、安全性檢查、檢測效率有更高的要求[1]。常規(guī)叉車門架舉升加載檢測采用不同規(guī)格的配重貨塊來完成,具有以下問題:安全性低、配重塊種類繁多、檢測占地面積大、檢測效率低[2-4]?;谖鏖T子S120變頻器的叉車門架動態(tài)加載系統(tǒng),使用變頻器驅(qū)動電機,通過減速機、鏈輪鏈條、托盤來完成閉環(huán)PID動態(tài)加載。同時可動態(tài)給定載荷,載荷范圍0~2500 kg。動態(tài)加載時變頻器和電機工作在四象限中的制動狀態(tài),卸載回位時變頻器和電機工作在電動狀態(tài)。為提高檢測效率,保證連續(xù)檢測,采用電機制動能量回饋到電網(wǎng)的方式,可全天候持續(xù)檢測。
動態(tài)加載系統(tǒng)的機械設(shè)備由防護架、激光測距模塊、加載托板、定滑輪組、絞盤、齒輪傳動、交流伺服電機、減速機及控制系統(tǒng)等組成。動態(tài)加載機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。
叉車門架貨叉需要插入托盤,托盤通過鏈條下拉直接給門架提供拉力載荷。S型傳感器測量托盤加載拉力,信號輸入PLC。電機、減速機通過鏈輪和鏈條與托盤相連,給托盤提供動力。西門子S120變頻器驅(qū)動電機完成閉環(huán)加載。編碼器用于檢測托盤的動態(tài)位置。
圖1 動態(tài)加載機械結(jié)構(gòu)圖
動態(tài)加載系統(tǒng)的基本工作原理是,當門架貨叉插入托盤后,S120變頻器根據(jù)叉車車型門架載荷要求設(shè)定動態(tài)加載目標,并驅(qū)動電機、減速機動態(tài)加載。當門架帶載荷舉升到規(guī)定高度后,載荷降低為收鏈載荷。門架下降回位后,清零載荷,叉車調(diào)整門架抽出貨叉,駛出檢測區(qū)域,完成檢測。
滿載最大舉升速度110 mm/s,舉升最大加載力25000 N,最大舉升高度3000 mm,S120變頻器動態(tài)加載精度±0.5%FS。
由于門架動態(tài)加載系統(tǒng)對控制響應(yīng)和控制精度要求高,且需要高工作頻度連續(xù)檢測,因此選擇配有調(diào)節(jié)型能量回收模塊的伺服驅(qū)動器S120。控制系統(tǒng)由西門子S120變頻器、伺服電機、西門子S7-1500 PLC及S傳感器、編碼器等組成。S型拉力傳感器與S120變頻器系統(tǒng)及PLC組成拉力閉環(huán)控制系統(tǒng),S型拉力傳感器信號通過變送器轉(zhuǎn)為4~20 mA標準工業(yè)信號送入PLC的模擬量采集模塊。S120變頻器系統(tǒng)由CPU控制單元CU320-2PN、電源模塊ALM、電機模塊、24 V供電電源、進線電抗器/濾波器、伺服電機組成[5]??刂茊卧狢U320-2PN通過Drive-CliQ網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制各個逆變裝置的輸出??刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
西門子S120系列傳動交流伺服控制器是一種高性能、高精度的矢量控制與伺服控制與一身的驅(qū)動控制系統(tǒng)。S120具有模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計,本設(shè)計選用的控制單元、電源模塊、電機模塊均為獨立的書本型模塊。整流部分采用的ALM模塊帶有能量回饋功能,使得電機在制動時產(chǎn)生的能量可以高效的回饋到電網(wǎng),省去了制動單元和制動電阻。電機可持續(xù)制動,進行高工作頻度的動態(tài)加載[6]。
西門子S120 ALM整流回饋模塊(Active Line Module調(diào)節(jié)型電源模塊)原理如圖3所示。
S120工作在電動機狀態(tài)時,三相電通過全橋整流二極管整流后,經(jīng)過電容濾波,給直流母線提供540 V左右的直流電,在由電機模塊逆變后驅(qū)動伺服電機。S120工作在制動狀態(tài)時,伺服電機處于發(fā)電狀態(tài),ALM直流母線電壓升高,ALM模塊通過控制IGBT開關(guān)管來實現(xiàn)直流電壓逆變?yōu)楣ゎl三相電,反饋回電網(wǎng)[7]。
采用扭矩、電流雙閉環(huán)的控制模型,并附加速度限幅,扭矩調(diào)節(jié)器作為外環(huán),電流調(diào)節(jié)器作為內(nèi)環(huán),目標拉力與電機反饋拉力求差后(換算為扭矩)作為輸入提供給外環(huán)扭矩PID調(diào)節(jié)器[8]。經(jīng)過扭矩PID運算和速度限幅后輸出值作為電流調(diào)節(jié)的輸入。內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)PID運算結(jié)果電流值輸出至電機。這種閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)可以確保受到外部影響導致加載拉力突然變化時,其扭矩PID調(diào)節(jié)器輸出的積分分量產(chǎn)生作用,使得電機加載同步調(diào)整,自動消除誤差,提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性[9]。雙環(huán)電機控制系統(tǒng)較單環(huán)控制系統(tǒng)具有更高的控制精度和穩(wěn)定性。
扭矩PID調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過速度限幅,可有效防止突然失去拉力的情況下,電機飛車。閉環(huán)控制框圖如圖4所示。
圖3 ALM整流回饋單元
圖4 閉環(huán)控制框圖
叉車門架加載檢測流程如圖5所示。叉車門架到位后,PLC檢測到門架開始舉升動作后,根據(jù)叉車型號給CU320設(shè)定扭力控制目標,速度限定值,并使S120變頻器開始閉環(huán)控制,驅(qū)動電機加載。舉升到位后PLC改變目標扭力值為收鏈預緊力,電機進行門架回位時托盤收鏈,回位完成后,清除預緊力,結(jié)束檢測。
圖5 檢測流程圖
選擇自由報文999,以350號報為模板報文,帶有4個自定義過程數(shù)據(jù),分別定義為扭力控制激活、目標扭力值、速度限定值、反饋扭力值[10]。報文定義見表1。
表1 S120報文定義
PLC中DB28用作S120通訊報文數(shù)據(jù)交互存儲,控制字1控制啟停變頻器,目標扭力值根據(jù)叉車車型設(shè)定,速度限定值根據(jù)叉車門架最大舉升速度限定,狀態(tài)字1獲取變頻器狀態(tài)參數(shù),定義如圖6所示。
PLC調(diào)用博途TIA16中的DPWR_DAT模塊與S120進行周期通訊。DPWR_DAT的LADDR裝入S120報文352,RECORD裝入DB28數(shù)據(jù)存儲區(qū)地址,用于通訊交互數(shù)據(jù)的存儲[11]。如圖7所示。
圖6 PLC報文數(shù)據(jù)交互圖
圖7 PLC通訊程序示意圖
電器系統(tǒng)設(shè)計的創(chuàng)新之處在于,采用三相五線制供電接入主塑殼斷路器,經(jīng)過變頻器斷路器后接入輸入濾波器后給S120變頻器供電。CU320和S7-1500 PLC供電采用直流24 V開關(guān)電源。拉力傳感器等信號接入PLC。使用博途組態(tài)PLC與S120變頻器,PLC與S120采用PROFINET網(wǎng)絡(luò)通訊。
通過博途在線訪問S120變頻器,如圖8所示,通訊控制的轉(zhuǎn)矩設(shè)定已經(jīng)連接到主控制回路中。設(shè)定通訊控制的目標扭力、轉(zhuǎn)速限定值、扭力控制激活,并設(shè)置STW1為0x047F來啟動S120進行閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制。實際測試使用扭力80%(20000N)加載為目標,使用博途中trace功能,記錄實際動態(tài)加載過程數(shù)據(jù)如圖9所示。
通過分析圖9中扭力控制過程數(shù)據(jù),可得出S120系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能,上升時間為230 ms,穩(wěn)定時間為300 ms。實際轉(zhuǎn)矩碼值0~1000對應(yīng)拉力0~100%(25000 N)。
圖8 S120在線訪問示意圖
圖9 S120扭力加載過程數(shù)據(jù)
設(shè)計的以西門子S7 1500系列PLC為主控制器,采用帶有能量回饋ALM模塊的SINAMICS S120變頻器作為伺服驅(qū)動器,使用伺服電機加減速機以及鏈輪鏈條的方式進行叉車門架動態(tài)閉環(huán)PID加載,成功解決了傳統(tǒng)叉車門架舉升檢測使用配重塊存在的安全隱患、場地占用面積等問題。避免了種類繁多的配重塊,提高了檢測效率。ALM模塊能量回饋功能把舉升加載過程中電機制動產(chǎn)生的能量反饋到電網(wǎng),較傳統(tǒng)制動電阻消耗能量的方式效率更高,降低了系統(tǒng)制動時的發(fā)熱量,可連續(xù)進行舉升加載。