垂直升降貨梯控制系統的優化設計

熊家慧

（常州劉國鈞高等職業技術學校，江蘇 常州 213000）

0 引言

隨著工業自動化水平不斷提高，越來越多的貨物需賴以托盤進行垂直輸送從而自動進入立體倉庫[1]，某些工廠生產出的產品需要通過托盤把貨物輸送至目的地直接裝載到火車車廂，也需要依靠垂直輸送機把貨物提升至一定高度跨越火車鐵軌抵達目的地。近年來，垂直升降貨梯控制系統的開發設計相繼在各個自動化設備廠商開展。然而，企業生產的垂直輸送貨梯多數采用接近開關作為樓層位置檢測手段，這種單一的檢測方式易導致垂直輸送系統出現樓層位置走位不準確或故障率高，降低了設備的生產效率與可靠性[2-4]。針對此問題，本文提出了一種采用接近開關結合PLC的高速脈沖輸入通道檢測貨梯樓層位置的系統集成方法。

1 貨梯系統工藝流程

本文以3層垂直輸送貨梯為例，如圖1所示。貨物跺盤從1F自動進入垂直升降輸送貨梯轎廂，待貨物垛停穩后轎廂攜帶貨物垛自動上升至2F，轎廂停穩后貨物垛自動從2F輸出。回收的托盤碼成托盤垛運輸至3F后自動進入垂直升降貨梯，轎廂攜帶托盤垛從3F自動下降至1F，跺盤輸送機反轉把托盤垛從1F另外一側輸出。在此過程中，轎廂不斷地在1F和3F間往返，故需要轎廂在相應樓層停靠位置精準。

圖1 垂直升降輸送機系統組成

2 轎廂樓層停靠位置方案

2.1 轎廂樓層檢測接近開關安裝

本文中垂直升降貨梯為3層，為保證轎廂能夠精準地停靠在相應樓層，轎廂在停止前需要有減速過程，所以應在各樓層停止位置檢測開關前安裝電機減速位置檢測開關。以2F為例，轎廂在上升和下降到達2F時都需減速，因此共需3個位置檢測開關。如圖2所示，在垂直升降貨梯的外部框架上安裝接近檢測開關，分別為2F上升減速位、2F下降減速位和2F停止位。

圖2 位置檢測開關安裝示意圖

2.2 脈沖檢測傳感器安裝

為了提高貨梯轎廂樓層位置定位的準確性，采用高速接近開關檢測連接至西門子300系列PLC的高速脈沖通道。如圖3所示，在升降電機負載驅動端安裝一個帶有4個凸起部分的零件，此零件與電機實現同步轉動。驅動轎廂升降電機每轉動一圈，接近開關檢測到凸起部分并產生4個脈沖信號輸入至PLC，PLC根據脈沖計數結合樓層位置檢測開關實現轎廂位置定位。

圖3 高速接近開關檢測示意圖

3 貨梯系統控制方案設計

3.1 總體方案

垂直升降貨梯屬于特種設備，必須要確保控制系統帶有必要的安全檢測手段，否則系統不能投入生產運行[5]。本控制系統分別采用了變頻電機故障檢測，轎廂輸送電機過流檢測，牽拽轎廂用鏈條的斷鏈檢測、鏈條漲緊檢測，轎廂升降過程中超速檢測，轎廂內異物檢測，轎廂沖頂、沖底檢測，轎廂升降過程中各樓層出入口安全檢測光電開關，轎廂樓層定位超限檢測等[6]。

采用PLC作為系統的核心控制器，控制2臺變頻器分別驅動垂直升降電機和轎廂內輸送電機；使用人機界面與PLC通信用于查詢和顯示系統當前工作狀態；轎廂樓層位置檢測采用接近開關結合PLC的高速脈沖輸入通道；采用對射式光電開關檢測貨物垛、托盤垛進入轎廂到位位置。控制系統集成框圖如圖4所示。

圖4 控制系統集成框圖

3.2 貨梯控制系統電氣設計

結合上文中系統總體方案設計和轎廂樓層停靠位置方案設計，給出本系統PLC的部分I/O表，如表1所示。

表1 PLC輸入/輸出表

4 貨梯控制系統軟件設計

4.1 脈沖檢測部分

本文中采用了西門子313C型號的PLC，高速計數器通道共有3個，每個通道下共有5種工作模式，包括帶有內部方向控制的單相計數器、帶有外部方向控制的單相計數器、帶有增減計數時鐘的雙相計數器、A/B相正交計數器。不同通道的高速計數器都有其對應的輸入點，并且對應不同的輸入功能[7]。本文中需要使用帶有外部方向控制的單相計數器，計數器的硬件組態如圖5所示。選擇通道0，地址采用系統默認值，工作模式為一次計數，主計數方向為向上，門函數功能為停止計數，信號評價為脈沖/方向。

圖5 高速計數器硬件組態

在SIMATIC Manager中編寫計數器部分程序，調用SFB47計數器模塊并創建背景塊DB30。如圖6所示，LADDR端采用系統默認值，通道號設定為0，SW＿GATE用于控制計數器的啟動和停止，設定為程序中間變量M68.0，CTRL＿DO、SET＿DO分別為輸出使能和控制輸出，本案例中懸空，JOB＿REQ為作業初始化，設定為M68.1，JOB＿ID為作業號，本案例中設定為W#16#1，功能為寫計數值，JOB＿VAL為寫作業的值，即通過觸摸屏設定的脈沖數。由于在本文中只關心電機當前的脈沖計數值，所以輸出端只采集了COUNTVAL中的脈沖數，JOB＿ERR輸出置1代表計數器出錯，此時可以通過查看JOB＿STAT中出錯編號來確定具體出錯原因，模塊中其余輸出引腳讀者可查詢西門子300PLC手冊，本文不再一一贅述。

圖6 高速計數器SFB47梯形圖程序

4.2 貨梯控制系統控制流程

貨梯控制系統上電后，首先進入故障自檢，自檢通過后進入運行狀態。如圖7所示，此時若有叫梯信號并且貨梯滿足去往相應樓層的所有條件，PLC輸出控制垂直升降變頻驅動電機去往目標樓層，抵達目標樓層前先經過減速位置接近開關，電機由高速切換為低速繼續運行，當安裝于轎廂處的檢測片檢測到目標樓層停止位置接近開關時，PLC程序判斷當前電機的脈沖數值。設觸摸屏中設定的某層脈沖數下限值為n1，上限值為n2，則貨梯欲停靠在目標樓層時當前的脈沖數c＿n應滿足n1＜c＿n＜n2，否則控制系統將報警停車提示操作人員排除故障。

圖7 脈沖檢測部分程序流程

5 結束語

傳統的垂直升降貨梯樓層位置檢測大多只采用位置檢測接近開關來判斷轎廂是否到達目標樓層。此種形式的貨梯控制系統在運行時常出現故障，如在位置檢測開關安裝出現上下偏差、檢測片與接近開關距離不當、接近開關失效或損壞的情況下，轎廂不能準確停靠在目標樓層位置。此時，轎廂內輸送機啟動，或輸入貨物垛，或輸出貨物垛，由于轎廂輸送機與外部輸送機的高度差，導致貨物垛坍塌損壞設備。本文提出了一種采用PLC的高速脈沖輸入通道結合位置檢測開關的方法來解決此問題。把這種帶有雙重檢測的方法應用到生產實際中，調試結果表明，該方法能夠有效避免樓層定位不準確的問題，提高了設備的可靠性。為垂直升降貨梯控制系統設計提供了有價值的參考，同時也可將該方法應用到舊設備的改造中。