垂直升降貨梯控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

熊家慧

（常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213000）

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平不斷提高，越來越多的貨物需賴以托盤進(jìn)行垂直輸送從而自動(dòng)進(jìn)入立體倉庫[1]，某些工廠生產(chǎn)出的產(chǎn)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(jī)把貨物提升至一定高度跨越火車鐵軌抵達(dá)目的地。近年來，垂直升降貨梯控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)相繼在各個(gè)自動(dòng)化設(shè)備廠商開展。然而，企業(yè)生產(chǎn)的垂直輸送貨梯多數(shù)采用接近開關(guān)作為樓層位置檢測(cè)手段，這種單一的檢測(cè)方式易導(dǎo)致垂直輸送系統(tǒng)出現(xiàn)樓層位置走位不準(zhǔn)確或故障率高，降低了設(shè)備的生產(chǎn)效率與可靠性[2-4]。針對(duì)此問題，本文提出了一種采用接近開關(guān)結(jié)合PLC的高速脈沖輸入通道檢測(cè)貨梯樓層位置的系統(tǒng)集成方法。

1 貨梯系統(tǒng)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(dòng)進(jìn)入垂直升降輸送貨梯轎廂，待貨物垛停穩(wěn)后轎廂攜帶貨物垛自動(dòng)上升至2F，轎廂停穩(wěn)后貨物垛自動(dòng)從2F輸出。回收的托盤碼成托盤垛運(yùn)輸至3F后自動(dòng)進(jìn)入垂直升降貨梯，轎廂攜帶托盤垛從3F自動(dòng)下降至1F，跺盤輸送機(jī)反轉(zhuǎn)把托盤垛從1F另外一側(cè)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(yīng)樓層停靠位置精準(zhǔn)。

圖1 垂直升降輸送機(jī)系統(tǒng)組成

2 轎廂樓層停靠位置方案

2.1 轎廂樓層檢測(cè)接近開關(guān)安裝

本文中垂直升降貨梯為3層，為保證轎廂能夠精準(zhǔn)地停靠在相應(yīng)樓層，轎廂在停止前需要有減速過程，所以應(yīng)在各樓層停止位置檢測(cè)開關(guān)前安裝電機(jī)減速位置檢測(cè)開關(guān)。以2F為例，轎廂在上升和下降到達(dá)2F時(shí)都需減速，因此共需3個(gè)位置檢測(cè)開關(guān)。如圖2所示，在垂直升降貨梯的外部框架上安裝接近檢測(cè)開關(guān)，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(cè)開關(guān)安裝示意圖

2.2 脈沖檢測(cè)傳感器安裝

為了提高貨梯轎廂樓層位置定位的準(zhǔn)確性，采用高速接近開關(guān)檢測(cè)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(jī)負(fù)載驅(qū)動(dòng)端安裝一個(gè)帶有4個(gè)凸起部分的零件，此零件與電機(jī)實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)轎廂升降電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，接近開關(guān)檢測(cè)到凸起部分并產(chǎn)生4個(gè)脈沖信號(hào)輸入至PLC，PLC根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)結(jié)合樓層位置檢測(cè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)轎廂位置定位。

圖3 高速接近開關(guān)檢測(cè)示意圖

3 貨梯系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

3.1 總體方案

垂直升降貨梯屬于特種設(shè)備，必須要確保控制系統(tǒng)帶有必要的安全檢測(cè)手段，否則系統(tǒng)不能投入生產(chǎn)運(yùn)行[5]。本控制系統(tǒng)分別采用了變頻電機(jī)故障檢測(cè)，轎廂輸送電機(jī)過流檢測(cè)，牽拽轎廂用鏈條的斷鏈檢測(cè)、鏈條漲緊檢測(cè)，轎廂升降過程中超速檢測(cè)，轎廂內(nèi)異物檢測(cè)，轎廂沖頂、沖底檢測(cè)，轎廂升降過程中各樓層出入口安全檢測(cè)光電開關(guān)，轎廂樓層定位超限檢測(cè)等[6]。

采用PLC作為系統(tǒng)的核心控制器，控制2臺(tái)變頻器分別驅(qū)動(dòng)垂直升降電機(jī)和轎廂內(nèi)輸送電機(jī)；使用人機(jī)界面與PLC通信用于查詢和顯示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)；轎廂樓層位置檢測(cè)采用接近開關(guān)結(jié)合PLC的高速脈沖輸入通道；采用對(duì)射式光電開關(guān)檢測(cè)貨物垛、托盤垛進(jìn)入轎廂到位位置。控制系統(tǒng)集成框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)集成框圖

3.2 貨梯控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

結(jié)合上文中系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)和轎廂樓層停靠位置方案設(shè)計(jì)，給出本系統(tǒng)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 脈沖檢測(cè)部分

本文中采用了西門子313C型號(hào)的PLC，高速計(jì)數(shù)器通道共有3個(gè)，每個(gè)通道下共有5種工作模式，包括帶有內(nèi)部方向控制的單相計(jì)數(shù)器、帶有外部方向控制的單相計(jì)數(shù)器、帶有增減計(jì)數(shù)時(shí)鐘的雙相計(jì)數(shù)器、A/B相正交計(jì)數(shù)器。不同通道的高速計(jì)數(shù)器都有其對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)，并且對(duì)應(yīng)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(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的硬件組態(tài)如圖5所示。選擇通道0，地址采用系統(tǒng)默認(rèn)值，工作模式為一次計(jì)數(shù)，主計(jì)數(shù)方向?yàn)橄蛏希T函數(shù)功能為停止計(jì)數(shù)，信號(hào)評(píng)價(jià)為脈沖/方向。

圖5 高速計(jì)數(shù)器硬件組態(tài)

在SIMATIC Manager中編寫計(jì)數(shù)器部分程序，調(diào)用SFB47計(jì)數(shù)器模塊并創(chuàng)建背景塊DB30。如圖6所示，LADDR端采用系統(tǒng)默認(rèn)值，通道號(hào)設(shè)定為0，SW＿GATE用于控制計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)和停止，設(shè)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(yè)初始化，設(shè)定為M68.1，JOB＿ID為作業(yè)號(hào)，本案例中設(shè)定為W#16#1，功能為寫計(jì)數(shù)值，JOB＿VAL為寫作業(yè)的值，即通過觸摸屏設(shè)定的脈沖數(shù)。由于在本文中只關(guān)心電機(jī)當(dāng)前的脈沖計(jì)數(shù)值，所以輸出端只采集了COUNTVAL中的脈沖數(shù)，JOB＿ERR輸出置1代表計(jì)數(shù)器出錯(cuò)，此時(shí)可以通過查看JOB＿STAT中出錯(cuò)編號(hào)來確定具體出錯(cuò)原因，模塊中其余輸出引腳讀者可查詢西門子300PLC手冊(cè)，本文不再一一贅述。

圖6 高速計(jì)數(shù)器SFB47梯形圖程序

4.2 貨梯控制系統(tǒng)控制流程

貨梯控制系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)入故障自檢，自檢通過后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。如圖7所示，此時(shí)若有叫梯信號(hào)并且貨梯滿足去往相應(yīng)樓層的所有條件，PLC輸出控制垂直升降變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)去往目標(biāo)樓層，抵達(dá)目標(biāo)樓層前先經(jīng)過減速位置接近開關(guān)，電機(jī)由高速切換為低速繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)安裝于轎廂處的檢測(cè)片檢測(cè)到目標(biāo)樓層停止位置接近開關(guān)時(shí)，PLC程序判斷當(dāng)前電機(jī)的脈沖數(shù)值。設(shè)觸摸屏中設(shè)定的某層脈沖數(shù)下限值為n1，上限值為n2，則貨梯欲停靠在目標(biāo)樓層時(shí)當(dāng)前的脈沖數(shù)c＿n應(yīng)滿足n1＜c＿n＜n2，否則控制系統(tǒng)將報(bào)警停車提示操作人員排除故障。

圖7 脈沖檢測(cè)部分程序流程

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的垂直升降貨梯樓層位置檢測(cè)大多只采用位置檢測(cè)接近開關(guān)來判斷轎廂是否到達(dá)目標(biāo)樓層。此種形式的貨梯控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)常出現(xiàn)故障，如在位置檢測(cè)開關(guān)安裝出現(xiàn)上下偏差、檢測(cè)片與接近開關(guān)距離不當(dāng)、接近開關(guān)失效或損壞的情況下，轎廂不能準(zhǔn)確停靠在目標(biāo)樓層位置。此時(shí)，轎廂內(nèi)輸送機(jī)啟動(dòng)，或輸入貨物垛，或輸出貨物垛，由于轎廂輸送機(jī)與外部輸送機(jī)的高度差，導(dǎo)致貨物垛坍塌損壞設(shè)備。本文提出了一種采用PLC的高速脈沖輸入通道結(jié)合位置檢測(cè)開關(guān)的方法來解決此問題。把這種帶有雙重檢測(cè)的方法應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中，調(diào)試結(jié)果表明，該方法能夠有效避免樓層定位不準(zhǔn)確的問題，提高了設(shè)備的可靠性。為垂直升降貨梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考，同時(shí)也可將該方法應(yīng)用到舊設(shè)備的改造中。