任進(jìn)前

（廣東省工商高級(jí)技工學(xué)校，廣東韶關(guān)512200）

專用自動(dòng)化立體冷庫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

任進(jìn)前

（廣東省工商高級(jí)技工學(xué)校，廣東韶關(guān)512200）

針對(duì)專用自動(dòng)化立體冷庫的控制要求，對(duì)控制系統(tǒng)的組成部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型。經(jīng)實(shí)踐運(yùn)用，此控制系統(tǒng)控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

立體冷庫；PLC；步進(jìn)電機(jī)；驅(qū)動(dòng)器；傳感系統(tǒng)

0 引言

隨著物流產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，低溫冷藏為了盡可能利用室內(nèi)空間，降低電能消耗，進(jìn)一步改善操作者工作環(huán)境，更多地應(yīng)用自動(dòng)化立體倉庫?，F(xiàn)針對(duì)企業(yè)要求，開發(fā)12倉位專用自動(dòng)化立體冷庫，并設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)。通過核算，自動(dòng)化冷庫系統(tǒng)托盤額定承重25kg，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化出／入庫、在庫／盤庫管理，具有自動(dòng)查詢管理功能。

1 總體設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)化立體冷庫在控制物料起重機(jī)的運(yùn)行中，運(yùn)送貨物由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，抓取貨物由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)；在起重機(jī)工作時(shí)每個(gè)坐標(biāo)方向應(yīng)該設(shè)計(jì)限位保護(hù)，而且每個(gè)倉位安裝有報(bào)警裝置，操作不當(dāng)時(shí)，會(huì)自動(dòng)檢測，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 動(dòng)力系統(tǒng)的選擇計(jì)算

2.1 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型

自動(dòng)化立體冷庫采用螺栓機(jī)構(gòu)的定位裝置，要求為：移動(dòng)部分總重M＝25kg，外力Fa＝4kg·cm，摩擦系數(shù)μ＝0.04，螺栓機(jī)構(gòu)的效率η＝0.9，螺栓軸徑DB＝1.2cm，螺栓長LB＝42cm，螺距P＝3mm，分辨率L＝0.01mm，移動(dòng)距離δ＝0.007 5mm／步，速度V＝2m／min。擬選用2相、1.8°步距角的HB型電機(jī)（設(shè)使用直接驅(qū)動(dòng)方式），經(jīng)計(jì)算電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

對(duì)初次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來說，所使用的電機(jī)轉(zhuǎn)矩一般有2～3倍的余量，故電機(jī)轉(zhuǎn)矩：

TN＝3T＝3×1.40＝4.2kg·cm＝0.41N·m

根據(jù)以上計(jì)算，選擇北京斯達(dá)特機(jī)電科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的42BYGHl01型步進(jìn)電機(jī)作為專用自動(dòng)化立體冷庫的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其為2相8拍步進(jìn)電機(jī)，以體積小、啟動(dòng)頻率高和定位轉(zhuǎn)矩精確等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制。其電氣原理如圖1所示，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 步進(jìn)電機(jī)原理圖

表1 42BYGH101步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇

2.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路本來就是靠時(shí)鐘脈沖控制的，每個(gè)脈沖動(dòng)一步，可以使用按鈕產(chǎn)生這個(gè)脈沖，也可以使用脈沖發(fā)生器，如果要讓它剛好轉(zhuǎn)一圈，可以用帶計(jì)數(shù)的脈沖發(fā)生器，所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。

專用自動(dòng)化立體冷庫所用驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)共3路，分別為進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向電平信號(hào)DIR、脫機(jī)信號(hào)FREE，在專用自動(dòng)化立體冷庫控制系統(tǒng)中，F(xiàn)P0提供的電平為24V，而輸入部分的電平為5V，所以須外部另加1.8kΩ的限流電阻R，其原理如圖2所示。

圖2 輸入信號(hào)接口電路與外接限流電阻

根據(jù)以上分析，選擇北京斯達(dá)特機(jī)電科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的SH系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為SH－2H057。此驅(qū)動(dòng)器采用鑄鋁結(jié)構(gòu)，緊湊、封閉，不帶風(fēng)機(jī)，外殼散熱，故使用時(shí)要把它緊固在厚大的金屬板或機(jī)柜內(nèi)，最好施加散熱措施。SH－2H057驅(qū)動(dòng)器的電氣技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 SH－2H057驅(qū)動(dòng)器的電氣技術(shù)參數(shù)

2.2.2 SH－2H057驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)和電機(jī)相電流的設(shè)定

2.2.2.1 細(xì)分?jǐn)?shù)的設(shè)定

電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度由控制系統(tǒng)發(fā)出步進(jìn)脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)所決定，SH系列驅(qū)動(dòng)器是由其上撥位開關(guān)來設(shè)定細(xì)分?jǐn)?shù)的，在系統(tǒng)頻率允許的情況下，盡量選用高細(xì)分?jǐn)?shù)。

若在10細(xì)分檔位上驅(qū)動(dòng)此電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一微步，其繞組內(nèi)的電流變化只有不是細(xì)分狀態(tài)下的1／10，且電流以正弦曲線規(guī)律變化，這樣就大大改善了電機(jī)的振動(dòng)和噪音，完全消除了電機(jī)的低頻振蕩，提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和分辨率。因此，在性能上的優(yōu)點(diǎn)才是細(xì)分的真正優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2.2 電機(jī)相電流的設(shè)定

根據(jù)SH系列驅(qū)動(dòng)器面板上的電流設(shè)定表格撥動(dòng)撥位開關(guān)來進(jìn)行相電流的設(shè)定。

2.2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源接口

對(duì)于超小型驅(qū)動(dòng)器（SH－2H057、SH－3F075、SH－2H057M、SH－3F075M），采用一組直流DC24～40V供電，或由一開關(guān)電源提供電力，因?yàn)镻LC由開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電，所以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源。

3 限位與傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的限位控制

在該立體倉庫控制系統(tǒng)中采用8個(gè)對(duì)射式傳感器作限位控制，其中4只對(duì)射式光電傳感器分別作為X、Y軸的限位控制，當(dāng)入光時(shí)輸出晶體管ON；兩只對(duì)射式光電傳感器分別作為貨架在X軸和Y軸的到位檢測，當(dāng)遮光時(shí)輸出晶體管ON，如果貨架未到達(dá)正確位置，Z軸電機(jī)將不能運(yùn)行，以確保當(dāng)PLC程序出錯(cuò)時(shí)也不至于損壞設(shè)備；兩只對(duì)射式光電傳感器作為Z軸的限位控制，當(dāng)遮光時(shí)輸出晶體管ON，其信號(hào)對(duì)應(yīng)PLC的輸入點(diǎn)是X4（后限位）和X5（前限位）。

3.2 微動(dòng)開關(guān)的選擇

在該立體倉庫控制系統(tǒng)中共有12個(gè)倉位，采用13只微動(dòng)開關(guān)作為貨物檢測，當(dāng)有貨物時(shí)相應(yīng)開關(guān)動(dòng)作，其信號(hào)對(duì)應(yīng)PLC的輸入點(diǎn)是X40～X4C；另外，在X軸的左限位和Y軸的下限位處還分別加裝了1只微動(dòng)開關(guān)作限位保護(hù)，以確保立體倉庫安全運(yùn)行。

4 PLC系統(tǒng)控制器的選用

根據(jù)控制要求，在I／O點(diǎn)數(shù)夠用的基礎(chǔ)上，為便于擴(kuò)展功能，將輸入設(shè)備和被控設(shè)備詳細(xì)列表，準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出被控設(shè)備對(duì)點(diǎn)數(shù)的需求量，然后在實(shí)際統(tǒng)計(jì)的I／O點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上增加15%～20%的備用量，以便以后調(diào)整和擴(kuò)充。專用自動(dòng)化立體冷庫控制系統(tǒng)有輸入信號(hào)40個(gè)，輸出信號(hào)21個(gè)，其中外部輸入元件包括檢測元件、按鈕、取、送、急停、限位開關(guān)、超限位保護(hù)等，輸出有3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反向、動(dòng)作指示、錯(cuò)誤顯示等。按照上述配置，所選I／O點(diǎn)不得低于61點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，為80點(diǎn)。

根據(jù)I／O的信號(hào)數(shù)量、類型及控制要求，同時(shí)考慮到維護(hù)和保養(yǎng)、改造和經(jīng)濟(jì)性等諸多因素，可編程控制器擬選用FX2－80MR。

5 結(jié)語

針對(duì)專用自動(dòng)化立體冷庫的控制要求，對(duì)控制系統(tǒng)的組成部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選型。選擇三菱公司生產(chǎn)的FX2型PLC作為系統(tǒng)控制器，在分析起重機(jī)移動(dòng)裝置載荷的基礎(chǔ)上校核了驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)矩，選擇了適應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)動(dòng)力裝置，同時(shí)對(duì)與其配套的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行分析和選擇，再以保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo)設(shè)計(jì)了限位與傳感系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)踐運(yùn)用，此控制系統(tǒng)控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

［1］徐建俊.電機(jī)與電氣控制［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］陳艷紅，鄧娜.步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)在機(jī)床數(shù)控改造中的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2010（12）.

［3］高殿明，辛艷東.基于PLC的立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2012（1）.

2015－04－07

任進(jìn)前（1979—），男，陜西渭南人，講師，主要從事電氣自動(dòng)控制開發(fā)與設(shè)計(jì)工作。