电力计量中心自动化仓储系统电气设计研究

［摘 要］文章针对自动化仓储系统中的堆垛机和出入库输送系统的电气控制设计进行了详细分析，以期提升电力计量中心的运营效率，实现高质量运营。

［关键词］电力计量中心；自动化仓储系统；电气设计

［中图分类号］TM933.4 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）04–0114–03

1 项目概况

研究围绕某省电力公司计量中心自动化仓储库房规划的工程进行，涵盖库区、仓储空间、物流通道等关键部分。在进行电气设计时需要保持高度自动化程度，以满足内部业务的科学运营。针对电力计量中心自动化仓储系统中，电力计量装置包括单相电能表、低压互感器、信息采集器及三相电能表等，在立体仓库空间中建设14 586 个货位，规划9 个巷道。为提高系统运维稳定性，在系统设计时优先根据项目需求对硬件进行选型，主要包括测距传感器、控制器、电机驱动器、摄像头及可触摸式屏幕。考虑到该系统的主控模块需支持多通道脉冲输出，同时保证电气系统能够高速运转，并配合各处理器完成各自电气控制功能，选择STM32F407 控制器。其内核采用32 位高性能ARM 处理器，支持DSP（数字信号处理）和PPU（加速物理效果）；多个I/O 口，支持SWD（串行线调试接口）和JTAG（微控制器测试、调试接口）；存储器为1042K FLASH ；设计多个看门狗定时器，实现对各个电机的控制；通信接口采用SPI（串行通信接口）和USART（异步串行通信接口）。

2 自动化仓储系统分析

自动化仓储系统主要利用电气完成对输送系统和巷道式堆垛机的有效控制，从而实现物资的输送、存储等功能。在系统设计中主要依赖数据库服务器、计算机监控及局域网，来实现对电气系统的制订发布与信息处理。针对该项目的分析，详细作业流程如下。

（1） 人工将物品推至入库口， 并通过射频门RFID 识别。

（2）若识别验证通过，则继续通过巷道口送至站台，并通知上位计算机。若验证未通过，则需拆垛机拆垛，通过单箱射频门进行RFID 识别。

（3）若单箱射频门通过测试，重新码垛，并再次送至入库输送系统的站台，通知上位计算机。反之，若验证未通过，则需再次通过单箱射频门进行RFID识别。

（4）通过上位机后直接进入生产调度平台更新信息。针对自动化仓储系统的设计，主要包括计算机监控、数据库服务器、局域网构成，并配合电器管理系统逐层执行调度命令，处理各项信息。

本文针对巷道式堆垛机和出入库输送系统的电气控制设计作详细分析。

3 堆垛机电气控制设计

堆垛机在自动化仓储系统中属于核心设备，能够快速在三维空间中完成货物存取，适应电力计量中心对大量电能计量设备的高效存储需求。针对堆垛机的电气控制设计，研究从堆垛机的控制系统功能角度出发，包括驱动系统、定位导向控制系统、通讯功能、保护功能及人机界面。综合来看，在设计堆垛机控制系统时需要考虑运动控制单元、位置信息反馈单元、通信单元及屏幕。其中运动控制单元采用变频调速方案，位置信息反馈单元利用主控制器实现对信号的接收与发送，通过激光测距仪获得位置信息，实现精准定位。本次研究根据电力计量中心自动化仓储系统的硬件设施条件和建设标准，选择应用西门子S7-300PLC 系统实现堆垛机的电气控制，配合测距系统、变频调速系统及总线完成电气设计。

3.1 变频调速系统

变频调速系统设计的科学性是保证设备平稳高效运行的关键，根据对该项目工作环境、电压等级等需求的调查，决定选择西门子品牌高性能矢量控制方案。在匹配电机时优先对堆垛机行走速度和旋转动作等需求进行调查，本次工程中参数中最大行走速度设计为240 m/min，行走加速度最大设计为0.4 m/s2。升降参数方面，最大升降速度在满载条件下为120 m/min，在空载条件下为180 m/min， 升降最大加速度为0.5 m/s2。货叉的参数在满载条件下为20 m/min，在空载条件下为30 m/min，货叉最大加速度在满载条件下为0.3 m/s2，在空载条件下为0.6 m/s2。

根据此条件，本次研究设计3 套方案，并对比其优缺点。

（1）ACS880 系列变频器，具有高性能矢量控制的优势，一般被应用于大型工业驱动控制，能够根据用户需求定制功能，适应性和兼容性较强，方便调试，可提高能源效率。但在面对项目的特殊需求时需要定制开发，时间和经济成本较高。

（2）SIEMENS 系列变频器，该系列为西门子的典型产品，稳定性高，使用寿命较长，数据分析能力强，但系统集成存在一定复杂性，对技术人员要求较高，后期针对系统的升级与处理相对麻烦。

（3）EMERSON 系列变频器，与前2 种一样，具有先进的实时控制技术，普遍被应用于起重运输、纺织机械等对动力响应要求较高的领域，数字处理算法相对先进，但设备配置方面相对复杂。

针对本次自动化仓储系统电气设计中堆垛机变频调速系统的选择，综合思考项目需求、成本问题及应用的可持续性，最终选择SIEMENS 系列变频器。

3.2 测距系统

测距系统主要用于测量平行距离和垂直高度，从而判断货叉运行是否符合规范。在实际应用中，将测距模块安装在堆垛机上，通过发送和接收信号的过程计算距离，并完成信息反馈，利用编码系统测量电机旋转角度，通过信号处理单元将其转换为数字信号，进行过滤和校正后传至PLC 系统或其他控制器。本次研究采用编码器+ 激光测距的双闭环控制方式，利用软件编程进行参数设定，配合测距系统实现对堆垛机的精准控制。在电气设计过程中，提出3 种编码器方案，详细如下。

（1）HENGSTLER RI36 系列，属于紧凑型产品，编码器体积较小，在堆垛机上安装相对灵活，分辨率较高，能够提供较为精准的数据，同时防护等级较高，能够在恶劣环境下运行，但成本也相对较高。

（2）HENGSTLER RI41H 系列，拥有较高的脉冲数，与本次工程需求适配，且具有极高的耐用性，适合在恶劣工况下长期运行，具有多类法兰尺寸和电气接口选择，反应快速，也属于紧凑型电子结构。

（3）HENGSTLER RI58 系列， 相较于前两者，RI58 系列的产品抗冲击性较强，IP 防护等级上有更高的优势，具有较强的通用性，可连接机械的类型设备相对丰富。但旋转编码器在测量直线位移时需要借助其他机械转换装置，存在额外成本。

综合来看，3 款产品的性能均比较高，精度和分辨率在常规产品中都具有一定优势。对比来看，RI41H 系列每转具有1 024 个及以上的脉冲数，无论是轴径还是电机接口，兼容性都比较高，且反应实时性优势明显。RI36 系列各项性能也符合本次自动化仓储系统电气设计的需求，但在测试中却暴露出一定缺陷，更适用于输出通道数量较少、物理尺寸较小的环境，与本项目设计需求不符。而RI58 系列产品，虽然抗冲击抗振动等级较高，但出于成本的考虑，RI41H 系列是性价比更好的选择。针对激光测距仪方面，本项目强调堆垛机的移动测量精度应控制在±3 mm 以内，且设备活动范围较大，需满足一定距离需求。因此，本次设计选择HENGSTLER 品牌RI58系列型号，精度能够控制在±2 mm 以内，测量半径达到50 m。

3.3 PLC控制系统

本项目在PLC 系统控制方面已选择S7-300 PLC系统，具有较强的功能性，保证快速传达指令，适应性较强，且能够根据项目实际需求进行编程，具有一定的可扩展性。该系统的电气控制设计见表1。

4 出入库输送系统电气控制设计

在进行出入库输送系统的电气控制设计时，优先对项目的电气控制系统功能需求进行分析，主要包括3 点。

（1）保证通信功能并支持多种控制模式。在进行电气系统设计时融合手动、自动及在线控制模式，根据不同模式设计功能。手动模式针对部分装置需设置转换按钮。自动模式则保证通信功能实现系统与升级位的连接，保证自动传输避免脱离。在线控制模式由上位机系统发出指令，并由电气系统接收，完成对各个单元的控制。

（2）集中管理功能。在电气系统控制时，需结合项目需求将硬件和软件系统划为多个功能片区，既保证独立运行又要做到集中管理。

（3）安全保护。自动化仓储系统电气设计务必保障现场安全，在现场各重要设备附近安装急停装置，如主控柜、堆垛机等，保证能够及时触发急停按钮维护现场安全。本项目重点加强堆垛机巷道安全门的设置，触发限位开关立即停止对堆垛机作业。

根据电力计量中心的实际需求，出入库输送控制系统设计了光电开关信号、磁感应开关信号、接近开关信号及限位开关信号。由于现场区域较大，且控制点众多，应设计容量高且响应迅速的PLC 系统。为满足以上需求，本次电气控制系统选择S71518-4 系列产品，CPU 处理速度达到0.1 ms，满足响应速度需求，且通讯功能强大，运算速度快且精准，保证系统运行的安全性。为适应复杂的现场环境，选择三级供电方式。

（1）一级：电源柜→主控制柜。采用三相五线制配电，动力电源为380±30 VAC，对应位置安装电流表和电压表，以便于实时观测系统状态，为保障安全，便于后期管理，需详细标注电路电缆参数。

（2）二级：主控制柜→子站箱。从上级电源柜中分出一相并作为24 V 稳压直流电源，用于对现场传感器的供电。其中三相动力电源需与子站电控柜相连，实现对现场电机和变频器的供电。在电缆线接线方面采用上进线方式，详细标注编号，以便于后期管理和扩展操作，采用按照电压等级编号的方式，外部设备接线保证接地导线通过母排分压。

（3）三级：子站箱→现场设备。现场控制箱内根据实际需求，配置了ET200S 系列的I/O 口模块，实现对周围变频器、光电开关等器件的数据采集，有效减少电缆材料敷设，降低成本。

5 结束语

文章以某项目为例，对电力计量中心自动化仓储系统电气部分进行了设计，建立了一套能够提高仓储管理效率、优化了资源配置的方案。根据硬件设施条件和建设标准，选择应用西门子S7-300 PLC 系统实现电气控制，配合测距系统、变频调速系统及总线完成对堆垛机的设计，并根据该系统的出入库输送条件分析电控需求，选择S71518-4 系列产品，保证系统运行稳定，同时降低运营成本，为相关领域的系统设计提供有利参考。

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