基于分布式超低壓直流伺服技術(shù)的物流輸送系統(tǒng)

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摘要：在智慧倉(cāng)儲(chǔ)物流領(lǐng)域，智能物流輸送系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)貨物的精準(zhǔn)自動(dòng)輸送，兼具高效快捷的優(yōu)勢(shì)。隨著各行業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)物流中心的快速建設(shè)，該類系統(tǒng)需求持續(xù)增長(zhǎng)，市場(chǎng)潛力巨大，應(yīng)用前景廣闊。本文分別圍繞托盤級(jí)輸送系統(tǒng)和料箱級(jí)輸送系統(tǒng)，聚焦電機(jī)安全節(jié)能優(yōu)化、關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分布式通訊與供電、驅(qū)動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)深入研究，提出了一種基于分布式超低壓直流伺服技術(shù)的高性能、低能耗的物流輸送系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：輸送系統(tǒng)、直流、超低壓、伺服電機(jī)、分布式控制

作者：張貽弓

蘭劍智能科技股份有限公司

一

引言

輸送系統(tǒng)是智能倉(cāng)儲(chǔ)中的基石性設(shè)施，其構(gòu)成為一系列連續(xù)輸送段的有序組合。根據(jù)運(yùn)載對(duì)象的不同，輸送系統(tǒng)可分為托盤級(jí)輸送系統(tǒng)和料箱級(jí)輸送系統(tǒng)兩類：托盤級(jí)輸送系統(tǒng)的運(yùn)載對(duì)象為托盤，具有負(fù)載大、周轉(zhuǎn)效率相對(duì)較低的特點(diǎn)；料箱級(jí)輸送系統(tǒng)的運(yùn)載對(duì)象為料箱，負(fù)載輕，周轉(zhuǎn)效率高。

為積極響應(yīng)國(guó)家綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，本文聚焦于托盤級(jí)與料箱級(jí)輸送系統(tǒng)場(chǎng)景，對(duì)比分析了分布式超低壓直流伺服技術(shù)與傳統(tǒng)集中式交流異步電機(jī)技術(shù)在節(jié)能性、安全性、施工維護(hù)便捷性及運(yùn)行平穩(wěn)性等多方面的優(yōu)勢(shì)，旨在為倉(cāng)儲(chǔ)物流的綠色低碳升級(jí)提供技術(shù)路徑與實(shí)踐參考。

二

分布式超低壓直流伺服技術(shù)在托盤級(jí)輸送系統(tǒng)的應(yīng)用

1.研究背景

傳統(tǒng)托盤級(jí)輸送系統(tǒng)通常采用集中式交流異步電機(jī)技術(shù)進(jìn)行通訊和供電，該技術(shù)經(jīng)典成熟，實(shí)施穩(wěn)定。如圖1所示，集中式交流異步電機(jī)技術(shù)的拓?fù)渲饕刂乒窈透鹘K端。其中，控制柜內(nèi)主要布局電源開(kāi)關(guān)、PLC和大量的變頻器，終端則包括三相異步電機(jī)，以及涵蓋到位光電、按鈕盒、報(bào)警燈等的遠(yuǎn)程IO模塊。控制柜與各終端之間采用星型連接的方式，由于終端數(shù)量較多，電控柜中需要布置的電器件增加，導(dǎo)致電控柜的尺寸要求更大，甚至需要配置多個(gè)電控柜。此外，隨著終端布置距離電控柜越遠(yuǎn)，接線長(zhǎng)度呈階乘數(shù)增加，造成走線復(fù)雜、數(shù)量龐大，安裝和檢修維護(hù)難度大。

圖1 集中式交流異步電機(jī)技術(shù)拓?fù)涫疽鈭D

集中式交流異步電機(jī)技術(shù)采用三相異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，節(jié)能性較差，不符合倉(cāng)儲(chǔ)綠色低碳需求。同時(shí)，三相異步電機(jī)需接入380V的三相工業(yè)用電，還需額外的電氣隔離設(shè)計(jì)來(lái)保障安全。

為了緩解上述問(wèn)題，行業(yè)目前多采用分布式變頻器方案，即將變頻器布置在輸送設(shè)備側(cè)部，連接三相異步電機(jī)與光電開(kāi)關(guān)，變頻器間通過(guò)“手拉手”的方式實(shí)現(xiàn)總線通信。該方案雖比集中式電控的方案節(jié)省走線，但因仍采用三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能耗問(wèn)題并未得到改善。此外，變頻器體積大、成本高、安裝難，同時(shí)分布式不夠徹底，按鈕盒、報(bào)警燈等遠(yuǎn)程IO模塊仍需要單獨(dú)接線。尤其在實(shí)際實(shí)施項(xiàng)目中，一般僅對(duì)定位精度要求高的三相異步電機(jī)配備變頻器，無(wú)精度要求的電機(jī)因不需要變頻器控制，仍需從電器柜中進(jìn)行單獨(dú)接線，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)走線依舊混雜。如果所有三相異步電機(jī)均采用分布式變頻器方案，不僅造成一定的冗余浪費(fèi)，還將顯著增加投入成本。

針對(duì)上述兩種托盤級(jí)輸送系統(tǒng)方案存在的問(wèn)題，本文提出一種基于分布式超低壓直流伺服技術(shù)的托盤級(jí)輸送系統(tǒng)，以更高的節(jié)能效率、更徹底的分布式架構(gòu)、更可靠的安全防護(hù)體系、更精準(zhǔn)的運(yùn)行控制能力、更平穩(wěn)的輸送過(guò)程，重新定義行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.技術(shù)特點(diǎn)

（1）更高的節(jié)能效率

本系統(tǒng)的分布式超低壓直流伺服技術(shù)采用基于永磁體的直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，直流伺服電機(jī)在頻繁啟停、負(fù)載多變的工況下，最大可實(shí)現(xiàn)40%的節(jié)能效果，其主要原因?yàn)樗欧姍C(jī)的效率和功率因數(shù)受負(fù)載率變化影響較少，而異步電機(jī)受負(fù)載率的變化影響明顯。

圖2 異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)比

如圖2所示，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子為非永磁材料，工作時(shí)轉(zhuǎn)子繞組需要先吸收電能勵(lì)磁，此部分電能最終發(fā)熱損耗，該損耗約占電機(jī)總損耗的20%～30%，造成異步電機(jī)的無(wú)功功率增加。而永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體，工作時(shí)由永磁體來(lái)建立轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子中無(wú)感應(yīng)電流及電阻損耗，可實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換，通過(guò)提高電機(jī)效率以實(shí)現(xiàn)節(jié)能[1]。

圖3 異步電機(jī)和永磁電機(jī)的效率曲線

圖4 異步電機(jī)和永磁電機(jī)的功率因數(shù)曲線

基于永磁電機(jī)與異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子材料區(qū)別，異步電機(jī)和永磁電機(jī)的電機(jī)效率和功率因數(shù)的參數(shù)差異明顯，分別如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，①由于轉(zhuǎn)子繞組的材質(zhì)不同，永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)要全面優(yōu)于異步電機(jī)的效率和功率因數(shù)：永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永磁體制成，磁通密度高，不需要?jiǎng)?lì)磁電流，消除了勵(lì)磁損耗，大幅度減少了無(wú)功電流，因此永磁電機(jī)可以保持更高的效率和功率因數(shù)。②永磁電機(jī)具有更寬的高性能工作范圍：永磁電機(jī)可以在50%～160%額定功率的范圍內(nèi)，均可以保持高性能工作，而異步電機(jī)則只有在100%～120%額定功率的范圍內(nèi)，才可以保持高性能的工作。

托盤輸送系統(tǒng)的輸送負(fù)載較大，因各輸送段存在分時(shí)啟停、滿載/空托盤輸送，驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)頻繁啟停且負(fù)載多變。對(duì)比異步電機(jī)和永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)，異步電機(jī)的工作范圍更窄，為滿足滿載啟動(dòng)功率，異步電機(jī)的選型功率偏大，導(dǎo)致正常或空載輸送時(shí)性能冗余、能耗增加。而永磁電機(jī)工作范圍更寬，選型功率更小的電機(jī)即可滿足滿載啟動(dòng)要求，正常或空載輸送時(shí)功率冗余小、能耗更低。例如500kg載重、12m/min輸送速度的工況下，三相異步電機(jī)需選型750W，而伺服電機(jī)僅為400W即可滿足工況要求。因此，在相同輸送工況下，伺服電機(jī)的選型功率可比異步電機(jī)的選型功率低40%，能耗進(jìn)一步降低。

基于前述理論基礎(chǔ)，通過(guò)搭建三相異步電機(jī)（750W）驅(qū)動(dòng)方案（左下）和伺服電機(jī)（400W）驅(qū)動(dòng)方案（右上）的試驗(yàn)托盤輸送線，如圖5所示。兩種方案采用相同的輸送布局，依次包括短程提升機(jī)、輥筒輸送一段、輸送轉(zhuǎn)臺(tái)、輥筒輸送二段、頂升移載機(jī)和鏈條輸送機(jī)，該輸送布局已經(jīng)涵蓋常用托盤輸送設(shè)備，設(shè)置兩種方案在500kg載重、12m/min輸送速度的工況進(jìn)行循環(huán)往復(fù)作業(yè)，測(cè)試兩種方案下的能耗表現(xiàn)。

圖5 三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案試驗(yàn)輸送線示意圖

通過(guò)對(duì)三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的試驗(yàn)輸送線進(jìn)行能耗監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)整體每小時(shí)的耗電量對(duì)比如圖6所示。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案相比于三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，每小時(shí)能夠節(jié)能0.47kWh，即伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案可實(shí)現(xiàn)節(jié)能42%。在實(shí)際項(xiàng)目中，托盤輸送系統(tǒng)往往需要布置幾十甚至上百段的動(dòng)力段，則整套輸送線全年可實(shí)現(xiàn)節(jié)省上萬(wàn)度電能。

圖6 三相異步控制方案和伺服控制方案每小時(shí)平均能耗量

在倉(cāng)儲(chǔ)項(xiàng)目中，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案相比于三相異步電機(jī)方案明顯降低了無(wú)功功率的消耗，可減小項(xiàng)目供電變壓器的選型容量，進(jìn)一步節(jié)省成本。此外，根據(jù)水利電力部和國(guó)家物價(jià)局頒發(fā)的《功率因數(shù)調(diào)整管理辦法》[3]的規(guī)定，用戶用電功率因數(shù)影響發(fā)供電設(shè)備利用率、電能節(jié)約及電壓質(zhì)量，辦法規(guī)定企業(yè)功率因數(shù)需達(dá)標(biāo)，高于標(biāo)準(zhǔn)可享電費(fèi)減免，低于標(biāo)準(zhǔn)則面臨電費(fèi)增收。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案能提升項(xiàng)目整體用電功率因數(shù)，除減少實(shí)際用電量外，還可避免電費(fèi)懲罰性支出，甚至獲得減免，進(jìn)一步降低電費(fèi)成本。

（2）更徹底的分布式

本文提出的基于分布式超低壓伺服技術(shù)的托盤級(jí)輸送系統(tǒng)的分布式覆蓋范圍更廣，采用“串型”連接的通信和供電母線方案，通過(guò)敷設(shè)供電母線和通訊母線，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和遠(yuǎn)程IO模塊均可通過(guò)控制器接入到母線上，實(shí)現(xiàn)供電和通訊的同步分布式連接。控制柜中只需布置供電電器件，容量需求與占用空間顯著降低；同時(shí)“共用母線”簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)線纜布置，節(jié)省空間且提升安裝維護(hù)便捷性。

圖7 托盤級(jí)輸送系統(tǒng)分布式方案

如圖7所示，基于分布式超低壓伺服技術(shù)的托盤級(jí)輸送系統(tǒng)的拓?fù)渲校绷麟娫聪湟鲭娫纯偩€，網(wǎng)關(guān)箱引出通訊總線，兩條總線采用扁平線結(jié)構(gòu)，沿輸送設(shè)備進(jìn)行敷設(shè)，并依次串聯(lián)所有伺服電機(jī)的自研控制器。控制器通過(guò)刺入式的方式連接總線，且控制器體積小巧，可完全嵌裝在輸送設(shè)備的側(cè)邊，便于安裝調(diào)試。更為關(guān)鍵的是，光電開(kāi)關(guān)、按鈕盒、報(bào)警燈等遠(yuǎn)程IO模塊也經(jīng)控制器接入總線，實(shí)現(xiàn)了托盤輸送系統(tǒng)中分布式“全覆蓋”，無(wú)需再?gòu)碾娍毓襁M(jìn)行額外接線。這一設(shè)計(jì)顯著精簡(jiǎn)了現(xiàn)場(chǎng)布線，不僅降低接線施工與后期維護(hù)檢修難度，還有助于縮短項(xiàng)目交付周期。

本系統(tǒng)的供電總線采用48V直流供電電源，并在供電母線的末端創(chuàng)新性地接入具備快速吸收大電流能力的超級(jí)電容。當(dāng)輸送系統(tǒng)中的托盤減速、剎車或下坡時(shí)，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生“再生能量”并回流至供電總線，超級(jí)電容可迅速儲(chǔ)存該能量。該設(shè)計(jì)不僅能夠有效避免總線電壓異常升高，還可以在電機(jī)下次啟動(dòng)或加速時(shí)釋放所存儲(chǔ)的能量，實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用，進(jìn)一步提升系統(tǒng)能效。

本系統(tǒng)的通訊總線采用基于CAN自由總線的分布式自定義通訊技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)觸發(fā)式的方式進(jìn)行信息發(fā)送，相較于輪詢式的通訊方式，具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性與系統(tǒng)響應(yīng)速度。同時(shí)，通訊字段降低，有助于節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬和系統(tǒng)資源，非常適用于輸送系統(tǒng)這種大規(guī)模設(shè)備連接場(chǎng)景。

基于CAN總線的通訊方案，本系統(tǒng)還自主研發(fā)了多個(gè)CAN接口的Profinet轉(zhuǎn)CAN協(xié)議網(wǎng)關(guān)通訊技術(shù)[2]，在實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換的同時(shí)，網(wǎng)關(guān)可向多輸送線方向布線以提升設(shè)備接入能力；配合自研分支CAN中繼器，能雙向延長(zhǎng)總線與支線通信，適配大規(guī)模設(shè)備連接場(chǎng)景，進(jìn)而提升系統(tǒng)穩(wěn)定性、通信數(shù)據(jù)量及傳輸效率。

（3）更可靠的安全性

本托盤級(jí)輸送系統(tǒng)采用統(tǒng)一的48V直流電壓供電標(biāo)準(zhǔn)。該電壓等級(jí)屬于安全超低壓范疇無(wú)需額外進(jìn)行用電安全設(shè)計(jì)，直接從源頭規(guī)避用電安全隱患。

基于用電常識(shí)，當(dāng)電壓低于安全限值時(shí)，其與大地之間形成的回路中通過(guò)人體的電流極小（在人體電阻≥2000Ω時(shí)，通常≤24mA），不會(huì)對(duì)人體構(gòu)成危險(xiǎn)，并能確保觸電者可以自主擺脫電源。這一安全原則已獲得多個(gè)國(guó)際權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)的確認(rèn)：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3805-2008標(biāo)準(zhǔn)中認(rèn)證直流超低電壓限值為70V[4]；美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 70-2002中認(rèn)證直流超低電壓限值為60V[5]，歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC 61010-1-2010認(rèn)證直流超低電壓限值為70V[6]。基于這些標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)借鑒物流機(jī)器人技術(shù)，權(quán)衡安全與經(jīng)濟(jì)性選擇48V直流供電，即使電機(jī)漏電，檢修時(shí)也不會(huì)對(duì)人員造成實(shí)質(zhì)傷害，提升了維護(hù)安全性。

（4）更高的平穩(wěn)性和精準(zhǔn)度

本文提出的托盤級(jí)輸送系統(tǒng)采用伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，相比于三相異步電機(jī)啟動(dòng)更平順、運(yùn)行更精準(zhǔn)、托盤垛輸送更平穩(wěn)，可有效降低啟停時(shí)的晃動(dòng)，提升到位精度。在托盤輸送場(chǎng)景的測(cè)試中，以尺寸為1200mm×1000mm×1780mm（長(zhǎng)×寬×高）、重量為500kg的托盤垛作為測(cè)試輸送樣本，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案托盤垛在啟停時(shí)的晃動(dòng)幅度為±5mm，而三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的托盤垛晃動(dòng)幅度為±20mm；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的托盤垛定位誤差≤10mm，而三相異步電機(jī)方案的托盤垛定位誤差≥25mm。

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案之所以具有上述優(yōu)勢(shì)，核心源于其在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、控制技術(shù)與反饋機(jī)制三方面與三相異步電機(jī)的關(guān)鍵差異：①轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：伺服電機(jī)采用永磁體轉(zhuǎn)子，具有質(zhì)量輕、慣量低的特性，能夠快速響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的扭矩指令，實(shí)現(xiàn)速度的線性變化；而三相異步電機(jī)為籠式結(jié)構(gòu)，質(zhì)量大、慣量高，高慣量導(dǎo)致轉(zhuǎn)子加速/減速時(shí)需要更大的扭矩克服慣性，速度變化滯后于指令信號(hào)。②控制技術(shù)：伺服電機(jī)的矢量控制技術(shù)，能夠在低速甚至靜態(tài)下穩(wěn)定控制扭矩輸出，保證轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化。而三相異步電機(jī)依賴轉(zhuǎn)子與磁場(chǎng)速度差來(lái)產(chǎn)生扭矩，在低速區(qū)間扭矩輸出既小又不穩(wěn)定。③反饋機(jī)制：伺服電機(jī)通過(guò)配備高精度編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；而三相異步電機(jī)則無(wú)反饋機(jī)制，其運(yùn)行狀態(tài)完全依賴預(yù)設(shè)參數(shù)，無(wú)法感知負(fù)載變化、機(jī)械慣性等干擾。

3.關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

表1 托盤級(jí)輸送系統(tǒng)的指標(biāo)對(duì)比

基于上述技術(shù)特點(diǎn)，本文提出的超低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)方案在多項(xiàng)關(guān)鍵性能上均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)集中式三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。托盤級(jí)輸送系統(tǒng)的指標(biāo)對(duì)比參見(jiàn)表1。在輸送精度方面，定位誤差提升幅度超過(guò)63%；基于同樣貨物高寬比條件下，晃動(dòng)幅度減小了75%。能效方面提升尤為顯著，整體能耗降低達(dá)42%，能效等級(jí)達(dá)到國(guó)家一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，基于伺服電機(jī)選型功率的降低，伺服電機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)也趨于簡(jiǎn)單，電機(jī)更換時(shí)間大大降低，維護(hù)效率提高。此外，基于直流超低壓電源的選擇，本系統(tǒng)用電更加安全。

三

分布式超低壓直流伺服技術(shù)在料箱級(jí)輸送系統(tǒng)的應(yīng)用

1.研究背景

傳統(tǒng)的料箱級(jí)輸送系統(tǒng)，其核心特征在于驅(qū)動(dòng)層面采用了混合技術(shù)架構(gòu)，即通常由低壓直流電動(dòng)輥筒與交流三相異步電機(jī)共同組成。

得益于料箱輸送的輕負(fù)載特性，該混合驅(qū)動(dòng)模式允許工程師根據(jù)不同輸送單元的特定功能需求，選擇性價(jià)比最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)方案。例如：對(duì)于需要分區(qū)控制、啟停頻繁或零壓積放（ZPA）的輸送段，常采用控制靈活且節(jié)能的直流電動(dòng)輥筒。而對(duì)于需持續(xù)高速運(yùn)行、爬坡或帶動(dòng)皮帶等強(qiáng)動(dòng)力場(chǎng)景，則選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的三相異步電機(jī)。

為有效管理與協(xié)調(diào)該混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制層面已發(fā)展出分布式控制解決方案。此類方案將控制邏輯下沉至現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)總線連接各個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳感單元。其中，以ASi總線等平臺(tái)為典型代表。

當(dāng)前分布式方案的最大痛點(diǎn)在于其覆蓋范圍不全面，未能形成一個(gè)真正統(tǒng)一的控制與供電平臺(tái)，導(dǎo)致系統(tǒng)被分割成多個(gè)異構(gòu)的“技術(shù)孤島”。首先，動(dòng)力系統(tǒng)割裂，直流輥筒與三相異步電機(jī)供電體系不兼容，需并行部署兩套獨(dú)立的供電系統(tǒng)，增加了布線復(fù)雜度和成本。其次，電控IO設(shè)備的集成度低，傳統(tǒng)料箱輸送系統(tǒng)的分布式控制方案未能集成最常用的電控IO設(shè)備，按鈕盒、狀態(tài)報(bào)警燈、急停開(kāi)關(guān)等仍需要通過(guò)多芯電纜單獨(dú)鏈接至遠(yuǎn)程IO模塊或主控制柜，違背分布式總線簡(jiǎn)化連接的初衷。

針對(duì)上述料箱級(jí)輸送系統(tǒng)的現(xiàn)存問(wèn)題，本文提出基于分布式超低壓直流伺服技術(shù)的料箱級(jí)輸送系統(tǒng)方案，旨在實(shí)現(xiàn)更廣泛的分布式架構(gòu)覆蓋與更高的節(jié)能效率。

2.技術(shù)特點(diǎn)

（1）覆蓋更廣泛的分布式

圖8 料箱級(jí)輸送系統(tǒng)分布式方案

本文提出的基于分布式超低壓直流伺服技術(shù)的料箱級(jí)輸送系統(tǒng)采用共用母線的方式貫穿所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和所有電控IO設(shè)備，如圖8所示，其中共用母線包含供電母線和通訊母線，通過(guò)自主研發(fā)的電機(jī)控制卡，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)和電輥筒的精準(zhǔn)控制，還可以接入光電開(kāi)關(guān)、按鈕盒、報(bào)警燈和急停開(kāi)關(guān)等電控IO設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)“全覆蓋”，其分布式覆蓋范圍更廣泛，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)接線，降低施工難度，縮短項(xiàng)目交付周期。

（2）更高的節(jié)能效率

本文的料箱級(jí)輸送系統(tǒng)的供電母線采用直流供電電源，根據(jù)不同輸送設(shè)備的使用場(chǎng)景和要求，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備的選型，最終統(tǒng)一各驅(qū)動(dòng)設(shè)備和電控IO設(shè)備的用電電壓，拋棄使用能耗高的三相異步電機(jī)，既簡(jiǎn)化了接線，還降低了能耗，提升節(jié)能性。

而且，與傳統(tǒng)料箱級(jí)輸送系統(tǒng)普遍采用的24V直流電壓相比，在綜合考量安全直流電壓標(biāo)準(zhǔn)及常用電器電壓適配性的基礎(chǔ)上，選擇48V供電方案更具優(yōu)勢(shì)，采用更高的電壓可降低電路中的電流，根據(jù)焦耳定律，在非純電阻電路中，發(fā)熱量與電流的平方成正比，因此48V直流供電能顯著減少因發(fā)熱產(chǎn)生的無(wú)功損耗，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的節(jié)能效果。

3.關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

本文提出的料箱級(jí)輸送系統(tǒng)基于全直流分布式方案，在系統(tǒng)集成度、供電統(tǒng)一性與能效方面均優(yōu)于傳統(tǒng)混合驅(qū)動(dòng)方案。在分布式涵蓋范圍上，本方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)電輥筒、直流伺服電機(jī)、光電開(kāi)關(guān)、按鈕盒、報(bào)警燈和急停開(kāi)關(guān)等的全覆蓋，而傳統(tǒng)混合驅(qū)動(dòng)方案中僅能連接電輥筒和光電開(kāi)關(guān)；在供電方面，本方案采用直流48V供電，避免了傳統(tǒng)混合驅(qū)動(dòng)方案中因電輥筒采用直流24V和交流380V混合供電所導(dǎo)致的接線繁雜問(wèn)題；而且根據(jù)焦耳定律，全直流分布式方案采用直流48V供電相比于傳統(tǒng)直流24V供電可降低線損，進(jìn)一步提升節(jié)能效果。具體指標(biāo)對(duì)比參見(jiàn)表2。

表2 料箱級(jí)輸送系統(tǒng)的指標(biāo)對(duì)比

四

項(xiàng)目應(yīng)用

目前，本項(xiàng)目研發(fā)成果已在全國(guó)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。自2022年起，累計(jì)落地料箱級(jí)輸送應(yīng)用項(xiàng)目和托盤級(jí)輸送應(yīng)用項(xiàng)目均已達(dá)百項(xiàng)，48V伺服電機(jī)及電輥筒應(yīng)用數(shù)量已達(dá)數(shù)萬(wàn)量級(jí)。研發(fā)成果服務(wù)于醫(yī)藥、新能源、電商、電子、食品、化工、第三方物流（3PL）等多個(gè)行業(yè)，典型項(xiàng)目包括億聯(lián)網(wǎng)絡(luò)智能產(chǎn)業(yè)園智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)項(xiàng)目（通訊行業(yè)）、大參林中西藥聯(lián)合存放立體庫(kù)項(xiàng)目（電商零售行業(yè)）、海王星辰智能立庫(kù)項(xiàng)目（醫(yī)藥行業(yè)）、陜煤物資庫(kù)油脂庫(kù)項(xiàng)目（化工行業(yè)）、聯(lián)想天津智慧中央倉(cāng)項(xiàng)目（電子行業(yè)）、中遠(yuǎn)海運(yùn)空運(yùn)白云機(jī)場(chǎng)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)項(xiàng)目（3PL）等，均取得了良好的應(yīng)用效果。

以某頭部光伏企業(yè)A倉(cāng)儲(chǔ)項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目輸送部分采用全伺服驅(qū)動(dòng)的托盤級(jí)輸送系統(tǒng)，其中輸送線布局約1400m，集成應(yīng)用鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)、輥筒輸送機(jī)、鏈條轉(zhuǎn)臺(tái)輸送機(jī)等多款全伺服托盤輸送產(chǎn)品，配套投入使用伺服電機(jī)550余臺(tái)。有效提升輸送線的響應(yīng)速度和輸送精準(zhǔn)度，與同體量的已投產(chǎn)早期項(xiàng)目（采用集中式三相異步電機(jī)方案）對(duì)比，項(xiàng)目能耗顯著下降。

再以某醫(yī)藥行業(yè)B項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目同時(shí)搭建料箱級(jí)輸送系統(tǒng)和托盤級(jí)輸送系統(tǒng)，全面落地分布式超低壓直流伺服方案。其中料箱級(jí)輸送系統(tǒng)布局輸送線約500m，配套使用伺服電機(jī)140臺(tái)，自制48V直流電輥筒370根；托盤級(jí)輸送系統(tǒng)布局輸送線百余米，應(yīng)用多款全伺服托盤輸送產(chǎn)品，累計(jì)使用伺服電機(jī)數(shù)十臺(tái)。系統(tǒng)加減速過(guò)程中運(yùn)輸平穩(wěn)性大幅度提升，避免了液體類貨物的過(guò)度晃動(dòng)，保障了貨物平穩(wěn)輸送，提高了物流輸送效率，也明顯降低了設(shè)備能耗。

五

結(jié)語(yǔ)

本文打破行業(yè)創(chuàng)新慣性，聚焦被視為“高成熟度”的輸送系統(tǒng)，深入剖析傳統(tǒng)輸送系統(tǒng)存在的核心問(wèn)題：功耗偏高不符合低碳趨勢(shì)、施工復(fù)雜影響交付周期、輸送精準(zhǔn)度及平穩(wěn)性不足影響效率，以及安全性不足帶來(lái)的用電隱患。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)性地提出針對(duì)性的改進(jìn)方案。本研究積極踐行國(guó)家《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》和《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等方針政策，通過(guò)關(guān)鍵部件自主研發(fā)及技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)高端物流裝備行業(yè)技術(shù)升級(jí)與產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展，為智能倉(cāng)儲(chǔ)物流的發(fā)展提供了新的方向。

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[4]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T3805-2008特低電壓限值.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社[S].2008.07.11.

[5]美國(guó)國(guó)家消防協(xié)會(huì).NFPA 70-2002 National Electrical Code[S].2002.

[6]國(guó)際電工委員會(huì).IEC 61010-1:2010 Safety requirements for electrical equipment for measurement, control, and laboratory use[S].2010.06.10.

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編輯、排版：王茜

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