基于STM32-PZ6806L 的堆垛機(jī)超速防墜系統(tǒng)優(yōu)化

單世平 達(dá)博文 王瑞濤

（中國(guó)石油蘭州石化公司電儀事業(yè)部）

中國(guó)石油蘭州石化公司年產(chǎn)15 萬(wàn)噸丁苯立體庫(kù)使用的是北京起重運(yùn)輸研究所研制的有軌巷道堆垛機(jī)，該設(shè)備由金屬結(jié)構(gòu)（包括上橫梁、下橫梁和立柱）、載貨臺(tái)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、貨叉機(jī)構(gòu)、超速防墜裝置、過(guò)載松繩裝置及電氣控制裝置等部件組成。 其超速防墜系統(tǒng)由限速鋼絲繩、安全鉗、限速器、電氣開(kāi)關(guān)及配重等組成，其主要作用是，當(dāng)升降電機(jī)抱閘磨損造成堆垛機(jī)載貨臺(tái)超速下降，甚至由于起升鋼絲繩斷裂致使載貨臺(tái)發(fā)生墜落時(shí)，限速器和安全鉗聯(lián)動(dòng)，使得載貨臺(tái)夾停在起升導(dǎo)軌上，阻止它墜落下滑，起到保護(hù)貨物和設(shè)備的作用。 但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，該庫(kù)的3 臺(tái)堆垛機(jī)曾發(fā)生過(guò)由于電磁制動(dòng)器的電子元件故障引起的堆垛機(jī)載貨臺(tái)發(fā)生自由落體的墜落情況，檢修結(jié)果是限速器未能抱死限速鋼絲繩，此外機(jī)械卡阻也可能引起保護(hù)失靈。 為此，筆者基于STM32-PZ6806L 開(kāi)發(fā)板對(duì)超速防墜系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 ADXL345 傳感器

ADXL345 是基于iMEMS 技術(shù)的三軸數(shù)字輸出加速度傳感器， 具有I2C 接口技術(shù)，13 位分辨率，±2g、±4g、±8g、±16g 可變測(cè)量范圍， 最高達(dá)3.9mg/LSB 的靈敏度。 ADXL345 傳感器的檢測(cè)軸如圖1 所示。

圖1 ADXL345 傳感器檢測(cè)軸（頂視圖）

2 電控設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量控制電路

測(cè)量控制電路選用STM32-PZ6806L 開(kāi)發(fā)板，該開(kāi)發(fā)板自帶ADXL345 傳感器， 有豐富的通信接口，方便程序下載，可配合USR-TCP232-test 測(cè)試軟件進(jìn)行串口通信與調(diào)試。

測(cè)控系統(tǒng)硬件資源分配如下：

a. D1 指示燈。 開(kāi)發(fā)板提示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，DO 端子PCout（0）。

b. D2 指示燈。 開(kāi)發(fā) 板報(bào)警指示，DO 端子PCout（1）。

c. 報(bào)警輸出。 報(bào)警輸出信號(hào)， 給PLC 系統(tǒng)，DO 端子PGout（0）。

d. 聯(lián)鎖輸出。 聯(lián)鎖輸出信號(hào)，控制電磁鐵的動(dòng)作，DO 端子PGout（2）。

e. K_UP 按鍵。 測(cè)控板安裝后對(duì)6 個(gè)軸向測(cè)量值校準(zhǔn)，DI 端子PAin（0）。

f. K_DOWN 按鍵。開(kāi)發(fā)板報(bào)警、聯(lián)鎖復(fù)位鍵，DI 端子PEin（3）。

g. TFTLCD 模塊。開(kāi)發(fā)板液晶顯示器，顯示運(yùn)行狀態(tài)和加速度值顯示。

h. ADXL345 加速度傳感器。

2.2 驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行部分

驅(qū)動(dòng)資源如下：

a. 繼電器J1。 聯(lián)鎖輸出控制繼電器，由PG2點(diǎn)控制。

b. 繼電器J2。 繼電器J1 控制的功率放大繼電器。

c. 電磁鐵YA 選用型號(hào)MQ3-50KG， 行程50mm、220V（AC），由繼電器J2 驅(qū)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分的電路自制，如圖2 所示。 開(kāi)發(fā)板和電磁鐵所用電源由起升裝置的扁電纜提供220V（AC）電源。+24V 電源由載貨臺(tái)PLC 系統(tǒng)提供。

圖2 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分的電路

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

2.3.1 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能

使用STM32F1 驅(qū)動(dòng)ADXL345， 讀取控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板STM32-PZ6806L 水平安裝方式下ADXL345 傳感器z 軸向下（負(fù)方向）的加速度值，判斷堆垛機(jī)墜落并發(fā)出報(bào)警、 聯(lián)鎖信號(hào)， 通過(guò)TFTLCD 模塊顯示加速度值， 同時(shí)通過(guò)K_UP 按鍵進(jìn)行測(cè)量值校準(zhǔn)。

2.3.2 程序設(shè)計(jì)

堆垛機(jī)超速防墜系統(tǒng)主程序如下（部分）：

2.3.3 防墜報(bào)警、聯(lián)鎖參數(shù)設(shè)定原則

對(duì)STM32-PZ6806L 開(kāi)發(fā)板做自由落體試驗(yàn)：STM32-PZ6806L 開(kāi)發(fā)板從500mm 高度自由落體到海綿墊，STM32-PZ6806L 開(kāi)發(fā)板的MiniUSB 接口連接電腦USB 接口， 通過(guò)USR-TCP232-test 測(cè)試軟件監(jiān)測(cè)自由落體的加速度值，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 開(kāi)發(fā)板自由落體試驗(yàn)

監(jiān)視測(cè)量顯示值的單位為L(zhǎng)SB，本系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度為3.9mg/LSB。 由圖3 可以看出其顯示值為12LSB。 而開(kāi)發(fā)板靜止時(shí)的顯示值為256LSB， 因此開(kāi)發(fā)板自由落體的實(shí)際加速度為（256-12）×3.9=951.6mg=9.32m/s2。 從安全設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，考慮載貨臺(tái)意外墜落時(shí)最大加速度值可達(dá)重力加速度值，防墜報(bào)警、聯(lián)鎖值設(shè)定的下限值應(yīng)該比12LSB 還小， 按照重力加速度值9.8m/s2反推出自由落體試驗(yàn)可得其顯示值S，則對(duì)應(yīng)的關(guān)系式為（256-S）×3.9=1000mg，計(jì)算值S=0。 因此防墜報(bào)警、聯(lián)鎖值設(shè)定下限值為0。

堆垛機(jī)的升降電機(jī)由變頻器控制，因此堆垛機(jī)載貨臺(tái)下降時(shí)啟動(dòng)階段存在加速度。 圖4 為開(kāi)發(fā)板安裝在載貨臺(tái)上和載貨臺(tái)一起下降過(guò)程的加速度測(cè)量數(shù)據(jù)， 測(cè)試的最大加速度絕對(duì)值為246LSB。

為避免堆垛機(jī)正常運(yùn)行出現(xiàn)防墜報(bào)警、聯(lián)鎖，報(bào)警、聯(lián)鎖上限應(yīng)稍小于246LSB，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取240LSB 為上限值。對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理函數(shù)如下：

圖4 堆垛機(jī)下降試驗(yàn)

堆垛機(jī)升降減速機(jī)電機(jī)采用電磁制動(dòng)，當(dāng)制動(dòng)器摩擦片磨損嚴(yán)重時(shí)也會(huì)出現(xiàn)失控墜落的危險(xiǎn)，此時(shí)墜落的加速度值對(duì)應(yīng)的測(cè)試軟件監(jiān)測(cè)加速度值在0～240LSB。 綜合上述因素，堆垛機(jī)超速防墜保護(hù)報(bào)警、 聯(lián)鎖值的設(shè)定范圍宜為0～240LSB。

3 防墜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

設(shè)備原超速防墜系統(tǒng)由限速鋼絲繩、 安全鉗、限速器、電氣開(kāi)關(guān)及配重等組成，其防墜機(jī)構(gòu)示意圖如圖5 所示。 正常運(yùn)行時(shí)，限速鋼絲繩和堆垛機(jī)載貨臺(tái)同步上下運(yùn)行。 當(dāng)載貨臺(tái)超速墜落時(shí)，電氣信號(hào)控制限速器因超速停止轉(zhuǎn)動(dòng)，載貨臺(tái)超速下降的瞬間限速鋼絲繩靜止，也就是限速鋼絲繩相當(dāng)于載貨臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)，即此時(shí)限速鋼絲繩帶動(dòng)水平及豎直拉桿提拉安全鉗，自動(dòng)將載貨臺(tái)夾在起升導(dǎo)軌上，防止它下滑，起到保護(hù)貨物和設(shè)備的作用。

改進(jìn)后的防墜機(jī)構(gòu)示意圖如圖6 所示，在原機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，去掉鋼絲繩、限速器、電氣開(kāi)關(guān)及配重等，只保留安全鉗，增設(shè)電磁鐵。 改進(jìn)后的防墜機(jī)構(gòu)，當(dāng)堆垛機(jī)載貨臺(tái)加速運(yùn)行時(shí)電磁鐵得電工作，將拉桿向上提起，拉桿帶動(dòng)安全鉗相對(duì)導(dǎo)軌向上移動(dòng)，從而使安全鉗抱死在導(dǎo)軌上，迫使載貨臺(tái)停止自由下落。

圖5 改進(jìn)前的防墜機(jī)構(gòu)示意圖

圖6 改進(jìn)后的防墜機(jī)構(gòu)示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)石油蘭州石化公司年產(chǎn)15 萬(wàn)噸丁苯立體倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)的超速防墜系統(tǒng)基本符合設(shè)備防墜保護(hù)的要求，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，易出現(xiàn)因電氣故障造成防墜失效的情況。 在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化后，2018 年初投用至今應(yīng)用效果良好。 當(dāng)堆垛機(jī)載貨臺(tái)加速運(yùn)行時(shí)電磁鐵得電工作，瞬間將拉桿向上提起，拉桿帶動(dòng)安全鉗相對(duì)導(dǎo)軌向上移動(dòng)， 從而使安全鉗抱死在導(dǎo)軌上，迫使載貨臺(tái)停止下落。 該防墜保護(hù)系統(tǒng)對(duì)起重鋼絲繩斷繩故障、升降電機(jī)電磁制動(dòng)閘磨損以及升降電機(jī)變頻器I/O 板控制電磁制動(dòng)線圈的繼電器觸點(diǎn)故障等原因造成的超速墜落保護(hù)均能實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)。 該優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低了材料成本，同時(shí)提高了墜落監(jiān)測(cè)的可靠性。