高温电池车间自动库堆垛机安全设计

一、前言

1.1 行业背景

低碳排放是当前世界共同的主题，碳达峰和碳中和已经成为了各个国家关注的重点。新能源行业是未来降低碳排放达到碳中和的重要手段；中国国内的目标是2030年之前碳达峰，联合国要求2050年世界达到碳中和。在国际形势和国内政策的双重影响下，新能源行业蓬勃发展，步入了高速发展的快车道。

新能源电池生产工艺复杂，其中常见的高温浸润、常温分容、高温老化和常温静置等工艺需要用到安全堆垛机设备。

1.2 堆垛机安全要求

在整个电池生产线的设备当中，堆垛机和输送线充当其中的搬运和传输工具，相较于输送线简单的平面动作，作为高速行驶的三维动作堆垛机更加凸显其安全生产的重要性。

在保证安全生产的同时，更要保证操作人员的安全。设备要有自锁、互锁、连锁的安全功能，在人员误操作或者故意错误操作、设备故障报警、车间联动报警的时候亦能够保证人员的安全。开发新的功能和策略进行前期预防，能快速操作将损失伤亡降到最低。

二、安全器件

在堆垛机上涉及到安全的器件非常多，以下分为电气和机械两类进行描述。

2.1 电气器件

西门子安全PLC搭配安全模块，安全模块采用双通道模式进行检测，若器件异常则安全模块报警钝化；安全PLC和安全模块之间是采用比profinet更加安全的profisafe通讯，每个安全模块拥有唯一的profisafe地址。

常规光通讯的使用环境温度为50℃，超温使用时会出现通讯中断的情况，且其使用寿命大大降低；可采用无线通讯的方式，将无线通讯模块置于带有空调的电柜内，只将天线露出即可解决光通讯存在的问题。

三阶使能开关，此开关手握部分包含三个档位，只有握到中间档位才有信号输出。为人员站在设备上操作的时候给出驱动器使能信号。在检修时候能够有效对人员进行操作防呆。

在人员需要进入巷道在非紧急情况下可按“请求”按钮，堆垛机在完成当前任务后停止动作，电磁门锁脱扣可以打开；在紧急情况下可以拍下“急停”按钮，设备立即停止所有动作。在人员进入巷道处理完事情后，关好安全门，将所有开关恢复原位，并长按几秒“复位”，安全门锁自动锁定，设备可以重新接受上位机命令恢复正常工作。

如图1为三阶使能开关和安全门锁。

图1 开关和安全门锁

2.2 机械器件

如下图2为堆垛机的前后方向防撞装置和安装在立柱上的替罪羊。

图2 防撞装置和替罪羊

机械防撞装置其由左侧的撞块和上下两个弹簧件组成，当遇到异物撞块受到挤压进而压缩弹簧，在堆垛机上安装有接近开关检测到撞块后信号触发，设备即停止运行。此设计是在维护模式水平行走过程中，保证维护人员安全。

替罪羊平时放置在载荷台上下升级立柱外侧，通过接近开关检测其是否在位。当人员在载荷台下作业时，取下替罪羊卡在立柱上预先开好的孔里，让载荷台落在替罪羊上，以确保维护人员的安全。

三、安全应用

3.1 原理逻辑

消防安全逻辑：若堆垛机载荷台上出现火情或

者正在取货的过程中发生火情，堆垛机判断取货完成后启动灭火器并关闭载荷台左右两侧的消防卷帘，同时堆垛机自动运行将起火的电池托盘放到消防水槽中。若电池托盘在分容柜或者货架库位中，DTS检测到有火警信号，堆垛机执行消防避让程序，根据火情发生时当前所在位置的不同而执行不同的避让位置。

在堆垛机运行时候，通过激光扫描的配置软件设置扫描的范围，并将其信号传递给控制器，使得堆垛机在不同的距离范围设置不同的响应方式。如可在第一减速区减速到70%、第二减速区减速到30%、在核心区立即停止。

现场要求地面柜和机载柜一柜一屏需要在使用时双屏互锁，禁止一人多机操作。当地面柜触摸屏使用时候，机载柜上的钥匙开关置0位置，屏幕用黄色的屏保遮盖，在此触摸屏对设备进行自动、半自动、手动操作。当机载柜的钥匙开关打到1位置，地面柜触摸屏锁定，借助于三阶使能开关，才能在机载柜上进行半自动和手动、维修操作。

3.2 功能设计

转矩设置如图3所示，控制器采集变频器上该电机的实际扭矩值。图中电机扭矩实际值反映实际实时电机扭矩大小，实际扭矩值超过电机扭矩额定值时会警告，超过电机扭矩阈值会报警停机。电机扭矩最大值为程序中采集到的电机扭矩的实际最大。清除按钮可以清除屏幕设置值和实际的采集值。

图3 转矩设置

鉴于此设备安装了诸如急停、安全门、替罪羊、激光扫描仪、防撞装置等安全器件，安全地图显示各器件的位置和状态，能有效减少操作人员的维护时间如图4所示。

图4 安全地图

四、结语

通过以上的安全设计，能够有效避免绝大多数意外情况的发生，同时能够方便地进行操作和维护，提高了设备的工作效率并降低了故障率。现在设备已经通过客户的测试和验收，投入到高强度、快节拍、严要求、多环境的电池生产线当中，满足了生产和应用的需求。

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作者：季华实验室盛飞龙

来源:<<工业设计>>

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漏波通信技术在铝加工自动仓库堆垛机上的应用实践

前言

堆垛机是自动化立体高架仓库的关键设备，它穿梭在各个料位之间，实现货物自动堆垛和转运功能。其运行时需要通过无线通讯实时地与ＰＬＣ控制系统进行信息传递，无线通讯的质量直接影响堆垛机运行的稳定性，该无线通讯也是自动化立体仓库的关键技术之一。

公司堆垛机设备采用红外无线对射方式进行通讯，该种通讯方式在设备运行至通道较远处时经常出现信号不稳定或通讯中断情况。分析主要原因为：(1) 由于通道较长传输距离远，堆垛机运行至较远处时红外光信号较弱；(2) 堆垛机运行中产生晃动，引起红外对射光线偏移；(3) 设备安装精度不够或部件松动；(4) 红外发光元件长期使用出现光功率衰减；(5) 仓库内空气湿度、能见度、气流等对光传输的影响。

堆垛机运行时通讯中断将造成失联停机，严重时堆垛机运行失控，对设备及人身造成很大的安全隐患，经多次对红外通讯设备调整优化没有明显改善。红外通讯所用激光元件寿命一般在２万小时至４万小时，目前该通讯装置已连续运行１０年，基本达到设计年限，为了使设备更稳定运行，决定对堆垛机的通讯方式进行优化改造。

一、方案的确定

1.1 几种无线通讯技术的比较

目前常用的工业无线通讯方式主要有红外无线通讯、以太网无线通讯和漏波电缆无线通讯，其特点及应用比较见表１。

表1 几种通讯方式的比较

1.2 漏波电缆与漏波通讯技术

漏波电缆是一种特别的同轴电缆，与普通同轴电缆的区别在于外导体上开有用作辐射的周期性槽孔，使得电磁波可以部分地从电缆内穿透到电缆外。当然，电缆外的电磁信号也将传入到电缆内。漏波电缆主要由内导体、绝缘介质、开有周期性槽孔的外导体和电缆护套等构成，射频信号通过槽孔向外辐射，如图１所示。

漏波通讯技术是一种融合了信号馈线传输损耗小以及射频信号衍射性等特点而产生的一种线状天线传输技术。工作时，在漏波馈线电缆周围区域辐射出一个锥形的信号区，无线客户端与无线接入点借助这个信号区可以建立一个稳定可靠的通讯连路，实现了无盲区覆盖的实时通讯。因此该通讯技术特别适用于不利于射频信号覆盖的复杂的空间环境，能够较好的用于轨道系统、移动平台、货架仓库、行车、涵洞、隧道等沿着固定路径运动的系统。

图1 漏波电缆结构示意图

1.3 改造方案

现场堆垛机通道长300ｍ，传输距离较远，设备通讯速率要求1.5Mbit/ｓbit/s，改造要满足原控制系统通讯的需要。通过几种无线通讯方式的比较分析，漏波通讯方案优势明显，完全适合现场环境条件，可消除红外通讯和传统无线通讯方案中不可靠因素的影响，很好地解决了堆垛机移动接入点和控制PLC通信的诸多问题，具有较好的可实施性。通过对比改造选用西门子公司SCALANCE W 漏波通讯方案进行，它主要有三个部分组成：无线接入点设备（AP主机），RCoax漏波馈线电缆和客户端设备。

(1)无线接入点设备即AP主机。SCALANCE W788-1RR，支持2.4Ｇ和5Ｇ两种频段，提供高频电磁场，实现可靠的无线连接，支持高达300Mbit/s的传输速率。

(2)RCoax漏波馈线电缆一般有耦合型、辐射型和漏泄型三种类型。其中辐射型漏波电缆具有电磁能量集中、方向性好、越抗干扰能力强、耦合损耗小等特点，非常适合在立体仓库现场环境的使用。应用时选择西门子公司2.4GHz频段的RCoax漏波电缆，型号为XV1875-2A,可以与西门子SCALANCE W 无线接入点和客户端完美的结合。

(3)客户端设备安装移动的堆垛机上，其接收天线置于无线接入点漏波馈线天线覆盖的无线网络中，用来实现移动设备无线通讯。应用时使用西门子IWLAN/PB Link PN IO模块实现从IWLAN工业以太网PROFINET I/O到Profibus-DP总线的转换，可以保持原控制系统的PROFIBUS硬件变动最少。

图2 高架仓库堆垛机漏波电缆无线通讯方案

根据现场情况及原系统特点确定改造方案如图２所示。接入点采用一个SCALANCE W788-1RR，无线接入点通过功率分配器将信号传输到两条150ｍ的漏波电缆上，实现无线信号全通道覆盖。客户端采用IWLAN/PB Link PN IO模块，安装在堆垛机控制柜内；接收天线安装在堆垛机上，位置距离漏波电缆为4cm-7cm为宜，垂直于漏波电缆，此时的耦合损耗最少。RCoax漏波电缆沿供电滑触线支架水平铺设。

二、需要解决的问题

2.1 漫游对通讯稳定性的影响及处理

由于单段2.4GHz频段漏波电缆有效距离为200ｍ，而堆垛机轨道总长为300ｍ，单条漏波线缆不能满足。起初采用两段漏波电缆布置，每段150ｍ，各连接一个无线接入点W788-1RR，两个无线接入点通过工业交换机相连的方案，但在测试时频繁出现信号中断现象，经检查确定原因为两个漏波电缆网段间存在漫游现象。最后通过对漏波电缆的硬件结构进行更改，在通道中部使用功率分配器，W788-1RR信号经功率分配器接入两段150ｍ电缆中，此时整个系统只存在一个通讯网段，避免了漫游的问题。

2.2 更改原系统组态设置

由于原控制系统采用DP通讯，使用漏波电缆通讯时需要更改系统配置及进行相关参数调整，主要包括漏波电缆参数设置，PLC硬件组态设置，PROFINET控制器更新数据的时间间隔设置，SCALANCE W788-1RR参数设置，IWLAN/PB Link PN IO参数设置。设置IWLAN/PB Link PN IO参数时，需使其与SCALANCE W788-1RR连接后，使用PST配置软件通过无线连接分配IP地址，并进行没置。具体的参数设置过程比较复杂，可参考西门子相关的操作文档。

2.3 现场安装注意要点

RCoax漏波电缆安装在滑触线固定架上，其路径与轨道一致，安装时应注意线缆标示线位置，使其对准支架卡座方向，使用配套的卡具进行固定，安装位置合适，同根线缆上的两个固定卡具之间间隔60cm为宜。架设前做好测量，架好的漏波电缆应平直延伸，中间不应有弯曲、下垂和拐弯情况。同时要重视漏波电缆附件的规范安装，如功分器、接地卡、直流隔断器、衰减器、定向耦合器等，其安装质量将对通信的效果产生直接影响。

三、结论

漏波电缆通讯改造完成后，堆垛机连续试运行6个月，现场检查在轨道不同位置通讯信号良好。此次改造有效解决了堆垛机运行至较远距离时通讯不稳定问题，降低了系统故障率，提高了物流运转率，促进了生产指标的提升。漏波通讯技术实现了无线通讯与漏波电缆的完美融合，避免了无线信号间的相互干扰，保证了数据的可靠性和安全性。该方案集成简单、系统扩展性好、稳定性高，可以很好的满足铝加工企业高架仓库堆垛机设备无线通讯的需要。

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作者：洛阳万基铝加工有限公司陈辉/李文华

来源：《有色金属加工》

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