專用自動化立體冷庫控制系統的設計

任進前

（廣東省工商高級技工學校，廣東韶關512200）

專用自動化立體冷庫控制系統的設計

任進前

（廣東省工商高級技工學校，廣東韶關512200）

針對專用自動化立體冷庫的控制要求，對控制系統的組成部件進行設計和選型。經實踐運用，此控制系統控制精度高，運行穩定，達到了設計要求。

立體冷庫；PLC；步進電機；驅動器；傳感系統

0 引言

隨著物流產業的迅速發展，低溫冷藏為了盡可能利用室內空間，降低電能消耗，進一步改善操作者工作環境，更多地應用自動化立體倉庫。現針對企業要求，開發12倉位專用自動化立體冷庫，并設計其控制系統。通過核算，自動化冷庫系統托盤額定承重25kg，并且實現自動化出／入庫、在庫／盤庫管理，具有自動查詢管理功能。

1 總體設計方案

自動化立體冷庫在控制物料起重機的運行中，運送貨物由步進電機驅動，抓取貨物由直流電機驅動；在起重機工作時每個坐標方向應該設計限位保護，而且每個倉位安裝有報警裝置，操作不當時，會自動檢測，發出報警信號。

2 動力系統的選擇計算

2.1 步進電機的計算與選型

自動化立體冷庫采用螺栓機構的定位裝置，要求為：移動部分總重M＝25kg，外力Fa＝4kg·cm，摩擦系數μ＝0.04，螺栓機構的效率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（設使用直接驅動方式），經計算電機軸的負載轉矩為：

對初次設計的系統來說，所使用的電機轉矩一般有2～3倍的余量，故電機轉矩：

TN＝3T＝3×1.40＝4.2kg·cm＝0.41N·m

根據以上計算，選擇北京斯達特機電科技發展有限公司生產的42BYGHl01型步進電機作為專用自動化立體冷庫的驅動電機，其為2相8拍步進電機，以體積小、啟動頻率高和定位轉矩精確等優勢被廣泛應用于工業控制。其電氣原理如圖1所示，技術參數如表1所示。

圖1 步進電機原理圖

表1 42BYGH101步進電機技術參數

2.2 步進電機驅動器的選擇

2.2.1 步進電機驅動器的選擇

步進電機的驅動電路本來就是靠時鐘脈沖控制的，每個脈沖動一步，可以使用按鈕產生這個脈沖，也可以使用脈沖發生器，如果要讓它剛好轉一圈，可以用帶計數的脈沖發生器，所以步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。

專用自動化立體冷庫所用驅動器的輸入信號共3路，分別為進脈沖信號CP、方向電平信號DIR、脫機信號FREE，在專用自動化立體冷庫控制系統中，FP0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 輸入信號接口電路與外接限流電阻

根據以上分析，選擇北京斯達特機電科技發展有限公司生產的SH系列步進電動機驅動器，型號為SH－2H057。此驅動器采用鑄鋁結構，緊湊、封閉，不帶風機，外殼散熱，故使用時要把它緊固在厚大的金屬板或機柜內，最好施加散熱措施。SH－2H057驅動器的電氣技術參數如表2所示。

表2 SH－2H057驅動器的電氣技術參數

2.2.2 SH－2H057驅動器細分數和電機相電流的設定

2.2.2.1 細分數的設定

電機所轉動的角度由控制系統發出步進脈沖信號個數所決定，SH系列驅動器是由其上撥位開關來設定細分數的，在系統頻率允許的情況下，盡量選用高細分數。

若在10細分檔位上驅動此電機，電機每運行一微步，其繞組內的電流變化只有不是細分狀態下的1／10，且電流以正弦曲線規律變化，這樣就大大改善了電機的振動和噪音，完全消除了電機的低頻振蕩，提高了電機的輸出轉矩和分辨率。因此，在性能上的優點才是細分的真正優點。

2.2.2.2 電機相電流的設定

根據SH系列驅動器面板上的電流設定表格撥動撥位開關來進行相電流的設定。

2.2.3 步進電機驅動器電源接口

對于超小型驅動器（SH－2H057、SH－3F075、SH－2H057M、SH－3F075M），采用一組直流DC24～40V供電，或由一開關電源提供電力，因為PLC由開關式穩壓電源供電，所以步進電機驅動器也采用開關式穩壓電源。

3 限位與傳感系統的設計

3.1 系統的限位控制

在該立體倉庫控制系統中采用8個對射式傳感器作限位控制，其中4只對射式光電傳感器分別作為X、Y軸的限位控制，當入光時輸出晶體管ON；兩只對射式光電傳感器分別作為貨架在X軸和Y軸的到位檢測，當遮光時輸出晶體管ON，如果貨架未到達正確位置，Z軸電機將不能運行，以確保當PLC程序出錯時也不至于損壞設備；兩只對射式光電傳感器作為Z軸的限位控制，當遮光時輸出晶體管ON，其信號對應PLC的輸入點是X4（后限位）和X5（前限位）。

3.2 微動開關的選擇

在該立體倉庫控制系統中共有12個倉位，采用13只微動開關作為貨物檢測，當有貨物時相應開關動作，其信號對應PLC的輸入點是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只微動開關作限位保護，以確保立體倉庫安全運行。

4 PLC系統控制器的選用

根據控制要求，在I／O點數夠用的基礎上，為便于擴展功能，將輸入設備和被控設備詳細列表，準確統計出被控設備對點數的需求量，然后在實際統計的I／O點數的基礎上增加15%～20%的備用量，以便以后調整和擴充。專用自動化立體冷庫控制系統有輸入信號40個，輸出信號21個，其中外部輸入元件包括檢測元件、按鈕、取、送、急停、限位開關、超限位保護等，輸出有3個步進電機的正反向、動作指示、錯誤顯示等。按照上述配置，所選I／O點不得低于61點，結合實際情況，為80點。

根據I／O的信號數量、類型及控制要求，同時考慮到維護和保養、改造和經濟性等諸多因素，可編程控制器擬選用FX2－80MR。

5 結語

針對專用自動化立體冷庫的控制要求，對控制系統的組成部件進行了設計和選型。選擇三菱公司生產的FX2型PLC作為系統控制器，在分析起重機移動裝置載荷的基礎上校核了驅動裝置的額定轉矩，選擇了適應的步進電機作為系統動力裝置，同時對與其配套的驅動器進行分析和選擇，再以保障系統穩定運行為目標設計了限位與傳感系統。經實踐運用，此控制系統控制精度高，運行穩定，達到了設計要求。

［1］徐建俊.電機與電氣控制［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［2］陳艷紅，鄧娜.步進電機細分驅動在機床數控改造中的應用［J］.制造業自動化，2010（12）.

［3］高殿明，辛艷東.基于PLC的立體倉庫控制系統的設計［J］.應用能源技術，2012（1）.

2015－04－07

任進前（1979—），男，陜西渭南人，講師，主要從事電氣自動控制開發與設計工作。