专用自动化立体冷库控制系统的设计

任进前

（广东省工商高级技工学校，广东韶关512200）

专用自动化立体冷库控制系统的设计

任进前

（广东省工商高级技工学校，广东韶关512200）

针对专用自动化立体冷库的控制要求，对控制系统的组成部件进行设计和选型。经实践运用，此控制系统控制精度高，运行稳定，达到了设计要求。

立体冷库；PLC；步进电机；驱动器；传感系统

0 引言

随着物流产业的迅速发展，低温冷藏为了尽可能利用室内空间，降低电能消耗，进一步改善操作者工作环境，更多地应用自动化立体仓库。现针对企业要求，开发12仓位专用自动化立体冷库，并设计其控制系统。通过核算，自动化冷库系统托盘额定承重25kg，并且实现自动化出／入库、在库／盘库管理，具有自动查询管理功能。

1 总体设计方案

自动化立体冷库在控制物料起重机的运行中，运送货物由步进电机驱动，抓取货物由直流电机驱动；在起重机工作时每个坐标方向应该设计限位保护，而且每个仓位安装有报警装置，操作不当时，会自动检测，发出报警信号。

2 动力系统的选择计算

2.1 步进电机的计算与选型

自动化立体冷库采用螺栓机构的定位装置，要求为：移动部分总重M＝25kg，外力Fa＝4kg·cm，摩擦系数μ＝0.04，螺栓机构的效率η＝0.9，螺栓轴径DB＝1.2cm，螺栓长LB＝42cm，螺距P＝3mm，分辨率L＝0.01mm，移动距离δ＝0.007 5mm／步，速度V＝2m／min。拟选用2相、1.8°步距角的HB型电机（设使用直接驱动方式），经计算电机轴的负载转矩为：

对初次设计的系统来说，所使用的电机转矩一般有2～3倍的余量，故电机转矩：

TN＝3T＝3×1.40＝4.2kg·cm＝0.41N·m

根据以上计算，选择北京斯达特机电科技发展有限公司生产的42BYGHl01型步进电机作为专用自动化立体冷库的驱动电机，其为2相8拍步进电机，以体积小、启动频率高和定位转矩精确等优势被广泛应用于工业控制。其电气原理如图1所示，技术参数如表1所示。

图1 步进电机原理图

表1 42BYGH101步进电机技术参数

2.2 步进电机驱动器的选择

2.2.1 步进电机驱动器的选择

步进电机的驱动电路本来就是靠时钟脉冲控制的，每个脉冲动一步，可以使用按钮产生这个脉冲，也可以使用脉冲发生器，如果要让它刚好转一圈，可以用带计数的脉冲发生器，所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

专用自动化立体冷库所用驱动器的输入信号共3路，分别为进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE，在专用自动化立体冷库控制系统中，FP0提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，所以须外部另加1.8kΩ的限流电阻R，其原理如图2所示。

图2 输入信号接口电路与外接限流电阻

根据以上分析，选择北京斯达特机电科技发展有限公司生产的SH系列步进电动机驱动器，型号为SH－2H057。此驱动器采用铸铝结构，紧凑、封闭，不带风机，外壳散热，故使用时要把它紧固在厚大的金属板或机柜内，最好施加散热措施。SH－2H057驱动器的电气技术参数如表2所示。

表2 SH－2H057驱动器的电气技术参数

2.2.2 SH－2H057驱动器细分数和电机相电流的设定

2.2.2.1 细分数的设定

电机所转动的角度由控制系统发出步进脉冲信号个数所决定，SH系列驱动器是由其上拨位开关来设定细分数的，在系统频率允许的情况下，尽量选用高细分数。

若在10细分档位上驱动此电机，电机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有不是细分状态下的1／10，且电流以正弦曲线规律变化，这样就大大改善了电机的振动和噪音，完全消除了电机的低频振荡，提高了电机的输出转矩和分辨率。因此，在性能上的优点才是细分的真正优点。

2.2.2.2 电机相电流的设定

根据SH系列驱动器面板上的电流设定表格拨动拨位开关来进行相电流的设定。

2.2.3 步进电机驱动器电源接口

对于超小型驱动器（SH－2H057、SH－3F075、SH－2H057M、SH－3F075M），采用一组直流DC24～40V供电，或由一开关电源提供电力，因为PLC由开关式稳压电源供电，所以步进电机驱动器也采用开关式稳压电源。

3 限位与传感系统的设计

3.1 系统的限位控制

在该立体仓库控制系统中采用8个对射式传感器作限位控制，其中4只对射式光电传感器分别作为X、Y轴的限位控制，当入光时输出晶体管ON；两只对射式光电传感器分别作为货架在X轴和Y轴的到位检测，当遮光时输出晶体管ON，如果货架未到达正确位置，Z轴电机将不能运行，以确保当PLC程序出错时也不至于损坏设备；两只对射式光电传感器作为Z轴的限位控制，当遮光时输出晶体管ON，其信号对应PLC的输入点是X4（后限位）和X5（前限位）。

3.2 微动开关的选择

在该立体仓库控制系统中共有12个仓位，采用13只微动开关作为货物检测，当有货物时相应开关动作，其信号对应PLC的输入点是X40～X4C；另外，在X轴的左限位和Y轴的下限位处还分别加装了1只微动开关作限位保护，以确保立体仓库安全运行。

4 PLC系统控制器的选用

根据控制要求，在I／O点数够用的基础上，为便于扩展功能，将输入设备和被控设备详细列表，准确统计出被控设备对点数的需求量，然后在实际统计的I／O点数的基础上增加15%～20%的备用量，以便以后调整和扩充。专用自动化立体冷库控制系统有输入信号40个，输出信号21个，其中外部输入元件包括检测元件、按钮、取、送、急停、限位开关、超限位保护等，输出有3个步进电机的正反向、动作指示、错误显示等。按照上述配置，所选I／O点不得低于61点，结合实际情况，为80点。

根据I／O的信号数量、类型及控制要求，同时考虑到维护和保养、改造和经济性等诸多因素，可编程控制器拟选用FX2－80MR。

5 结语

针对专用自动化立体冷库的控制要求，对控制系统的组成部件进行了设计和选型。选择三菱公司生产的FX2型PLC作为系统控制器，在分析起重机移动装置载荷的基础上校核了驱动装置的额定转矩，选择了适应的步进电机作为系统动力装置，同时对与其配套的驱动器进行分析和选择，再以保障系统稳定运行为目标设计了限位与传感系统。经实践运用，此控制系统控制精度高，运行稳定，达到了设计要求。

［1］徐建俊.电机与电气控制［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［2］陈艳红，邓娜.步进电机细分驱动在机床数控改造中的应用［J］.制造业自动化，2010（12）.

［3］高殿明，辛艳东.基于PLC的立体仓库控制系统的设计［J］.应用能源技术，2012（1）.

2015－04－07

任进前（1979—），男，陕西渭南人，讲师，主要从事电气自动控制开发与设计工作。