1、 本科畢業論文題 目：PLC在立體倉庫位置控制系統中的應用研究院 系： 信息工程學院 專 業： 電氣工程及其自動化 班 級： 0803 學生姓名： 指導教師： 論文提交日期：2012 年 6 月 25 日論文答辯日期：2012 年 6 月 26 日畢業設計（論文）任務書電氣工程及其自動化專業 0803 學生 ：畢業設計（論文）題目：PLC在立體倉庫位置控制系統中的應用研究畢業設計（論文）內容：1.了解課題控制工藝和控制要求； 2.PLC選型設計； 3.PLC應用程序設計； 畢業設計（論文）專題部分： 對立體倉庫系統中控制單元PLC進行了硬件部分的選型和主要程序的設計。起止時間：2012年3月-

2、2012年6月指導教師： 簽字 年 月 日教研主任： 簽字 年 月 日學院院長： 簽字 年 月 日摘要隨著經濟全球化的持續穩定發展，我國的工業也出現了翻天覆地的變化，一方面高科技的加工工藝越來越得到推廣，加工效率也得到了大大的提高。與此同時原有的物流和倉儲系統已不能滿足新形勢的要求,建立一個集物流、信息流和資金流于一身的自動化物流管理中心,從而降低企業綜合物流成本,提高企業綜合效益便成為目前亟待解決的問題。本課題是基于可編程控制器（PLC）作為控制單元，實現系統的模塊化結構、高速的處理速度、精確的數據處理能力、網絡技術和優越的性價比等性能。使倉庫功能從單純保管型向綜合流通型的轉變，實現自動化立

3、體倉庫成為現代物流與倉儲系統的重要組成部分，具有貨物存取效率高和自動化程度高、很強的入出庫能力等優點。而PLC功能強大，可靠性高，抗干擾能力強，維修方便，易于實現機電一體化。文中主要介紹了立體倉庫的基本組成，功能及工作流程，系統的控制及接線和直流電動機的特點及工作原理，并詳細的陳述了步進電動機的工作原理、特點，步進電動機驅動系統的基本組成，步進電動機的選擇方法和步進電動機驅動器的選擇及接線圖。與此同時分析了德國西門子PLC S7-200系列在立體倉庫控制系統中的應用，重點分析了系統軟硬件設計部分，并給出了堆垛機的系統硬件結構圖、PLC控制I/0端日分配表以及系統部分程序流程圖，立體倉庫控制系統

4、PLC程序摘要等等，實現了系統的可靠性、靈活性和實用性。關鍵詞：立體倉庫； PLC； 步進電機；AbstractWith the sustained and stable development of enterprises, the pace of economic globalization rapidly, China's industry has undergone enormous changes, on the one hand the high-tech processing technology has been more promotion, the processi

5、ng efficiency has been greatly improved. At the same time the existing logistics and warehousing system can not meet the requirements of the new situation, the establishment of a set of logistics, information flow and cash flow in an automated logistics management center, in order to reduce logistic

6、s costs and improve the overall efficiency of enterprises has become problems to be solved.Automated warehouse is the case not directly to manual handling, automatic completion of the goods warehousing and remove the system, high-level three-dimensional shelf, based on sets of handling equipment, a

7、set of automatic control technology, communications technology, mechanical and electrical technology in one high-efficiency, high-capacity storage bodies. Programmable controller (PLC) as an industrial control computer, has a modular structure, flexible configuration, high-speed processing speed, ac

8、curate data processing capability, a variety of control functions, network technology and superior cost performance, is widely one of the application of control devices. The emergence of the automated warehouse, the warehouse functions from simple custody to Distribution type, and automated warehous

9、e is an important part of modern logistics and warehousing system, with a high degree of cargo access to the high efficiency and automation, a strong into and out of the library ability. PLC is Powerful functionality, high reliability, strong anti-jamming capability, easy maintenance, easy to mechan

10、ical and electrical integration. Fully meet the requirements of the three-dimensional warehouse work environment and control systems.This paper describes the basic components of the three-dimensional warehouse, functions and work processes, system controls and wiring and DC motor characteristics and

11、 working principle, and a detailed statement of the stepper motor works, characteristics of the stepper motor drive system composition, selection and wiring diagram of stepper motor selection and stepper motor drive. At the same time analysis of Germany's Siemens PLC S7-200 series in the three-d

12、imensional warehouse control system, analyzed the part of the system hardware and software design, and gives the system hardware structure of the stacker, the PLC to control the I/O end date The allocation table system part of the program flow chart, warehouse control systems, PLC program summary an

13、d so on, the system reliability, flexibility and practicality.Keywords: three-dimensional warehouse； PLC；stepper motor;目 錄第一章 緒論11.1自動化立體倉庫概述11.2 堆垛機概述31.2.1堆垛機的發展31.2.2巷道式堆垛機的技術現狀31.3 可編程控制器控制概況41.4 本課題研究的意義和內容71.4.1 本課題研究的意義71.4.2本課題研究的內容81.5 本章小結8第二章 自動化立體倉庫的系統構成92.1 立體倉庫的構成9立體倉庫系統的基本組成92.1.2 各部分

14、的組成系統介紹102.2 立體倉庫模型的主要功能及工作流程112.2.1 系統的主要功能112.2.2 系統的工作流程122.3 本章小結13第三章 系統的硬件配置及其控制原理153.1 I/O分布列表153.2 CPU的選擇16 PLC存儲器類型及容量估算方法163.2.2 CPU的確定173.3 系統的結構框圖及接線圖173.4 直流電機193.5 步進電機193.5.1 步進電動機的工作原理193.5.2 步進電動機的特點193.5.3 步進電機驅動系統的基本組成203.5.4 步進電機的選擇計算213.6 步進電機驅動器的選擇233.7 系統中傳感器的運用243.7.1 反射式傳感器2

15、43.7.2 對射式傳感器253.8 本章小結26第四章 立體倉庫主要程序設計274.1立體倉庫位置控制的PLC設計274.2 立體倉庫倉位選中控制程序設計294.3 本章小結32第五章 總結33第一章 緒論1.1自動化立體倉庫概述在現代物流系統中，自動化立體倉庫是一個重要的組成部分，它是一種新型的倉儲技術，自動化立體倉庫又稱為自動存儲/檢索系統(Automated Storage & Retrieval System，AS/RS)，它是物料搬運和倉儲科學中的一門綜合科學技術工程。它以高層貨架為主要標志，以成套先進搬運設備為基礎，以先進的計算機控制技術為主要手段，由此組成高效率、大容量

16、的科學存儲，以適應現代化生產的需求。高層貨架倉庫的出現和發展是第二次世界大戰以后生產技術發展的結果。在生產發展的實際需要和科學技術發展的現實可能情況下，五十年代初開始出現了自動化立體倉庫，并在實踐中顯示出了其優越性，隨即得到迅速的推廣和發展。1950年美國首先產生了手動控制的橋式堆垛起重機，這種起重機的大梁上懸掛一個門架(立柱)，利用門架的上下和旋轉運動來搬運貨物，與此同時也提出了高層貨架的新概念，被認為是自動化倉庫的雛形。1960年左右在美國開始出現了沒有大梁的由人工操作的巷道式堆垛機。隨著立體倉庫的發展，巷道式堆垛機逐漸代替了橋式堆垛機。1963年美國的一個食品廠在倉庫工作中采用電子計算機

17、，成為世界上最早的全自動化倉庫。此后，從1963年開始在歐洲各國，由于用地緊張，開始計劃建造2530米的高層自動化倉庫。從1967年開始，相繼完成了一些計算機管理和計算機控制的全自動化倉庫。1970年安裝了由貨架支承式改變為地面支承式的高度達40米的堆垛機。70年代提出了采用50米高堆垛機的可能性。進入90年代后，堆垛機在使用范圍和性能上有了很大的發展。在日本，從1967年開始安裝了高度為2025米的高層堆垛機，1969年出現了聯機全自動化倉庫。此后，日本的自動化倉庫技術和設備的臺數都有了突飛猛進的發展，在各個部門都安裝了各種各樣的堆垛機。日本的自動化倉庫技術和自動化倉庫的擁有量位居世界前茅1

18、。自動化技術在倉儲領域中的發展可分為以下五個階段：人工倉儲階段、機械化倉儲階段、自動化倉儲階段、集成化倉儲階段和智能自動化倉儲階段。在上世紀90年代后期及21世紀的若干年內，智能自動化倉儲是自動化技術的主要發展方向。第一階段，物資的輸送、存儲、管理和控制主要靠人工實現，其實時性和直觀性是明顯的優點。人工倉儲技術在初期設備投資的經濟指標也具有優越性。第二階段，物料可以通過各種各樣的傳送帶，工業輸送車、機械手、吊車、堆垛機和升降機來移動和搬運，用貨架托盤和可移動貨架存儲物料，通過人工操作機械設備，用限位開關，螺旋機械制動和機械監視器等控制設備的運行。機械化滿足了人們對速度、精度、高度、重量、重復存

19、取和搬運的要求。第三階段，自動化倉儲技術階段，自動化技術對倉儲技術和發展起了重要的促進作用。上世紀50年代末和60年代，相繼研制和采用了自動導引小車(AVG)、自動貨架、自動存取機器人、自動識別和自動分揀系統等。70年代和80年代，旋轉體式貨架、移動式貨架、巷道式堆垛機和其他搬運設備都加入了自動控制的行列，但這時只是各個設備的局部自動化并各自獨立應用，被稱為“自動化孤島”。隨著計算機技術的發展，工作重點轉向物資的控制和管理，要求實時、協調和一體化，計算機之間、數據采集點之間、機械設備的控制器之間以及它們與主計算機之間的通信可以及時地匯總信息，倉庫計算機及時地記錄訂貨和到貨時間，顯示庫存量，計劃

20、人員可以方便地做出供貨決策，他們知道正在生產什么、訂什么貨、什么時間發什么貨、管理人員隨時掌握貨源及需求。信息技術的應用己成為倉儲技術的重要支柱。第四階段，集成自動化倉儲技術階段，在上個世紀70年代末和80年代，自動化技術被越來越多地用到生產和分配領域，顯然，“自動化孤島”需要集成化，于是便形成了“集成系統”的概念。在集成化系統中，整個系統的有機協作，使總體效益和生產的應變能力大大超過各部分獨立效益的總和。集成化倉庫技術作為計算機集成制造系統(Compute Integrated Manufacturing System，CIMS)中物資存儲的中心受到人們的重視。雖然人們在上個世紀80年代已經

21、注意到系統集成化，但至今在我國已建成的集成化倉儲系統還不多。在集成化系統里包括了人、設備和控制系統，前述三個階段是基礎。第五階段是智能自動化倉儲技術，人工智能技術發展了自動化技術向智能自動化方向發展?，F在，智能自動化倉儲技術還處于初級發展階段，在二十一世紀倉儲技術的智能化將具有廣闊的應用前景。1980年，由北京機械工業自動化研究所等單位研制建成的我國第一座自動化立體倉庫在北京汽車制造廠投產。從此以后，立體倉庫在我國得到了迅速的發展。據不完全統計，目前我國已建成的立體倉庫近三百座，其中全自動的立體倉庫有30多個。我國的自動化倉庫技術已實現了與其他信息決策系統的集成，正在做智能控制和模糊控制的研究

22、工作2。1.2 堆垛機概述1.2.1堆垛機的發展初期的立體倉庫使用的堆垛機以橋式起重機為基礎。這種堆垛機是從起重機的大梁上懸掛一個門架(立柱)，利用門架的上下和旋轉來搬運貨物。1960年左右在美國出現了沒有大梁的巷道式堆垛機。這種堆垛機是在地面的導軌上行走，利用貨架上部的導軌防止傾倒，或者是在上部導軌上行走，利用地面導軌防止傾倒。1967年日本開始安裝了高度2025m高層堆垛機，1969年出現了聯機全自動化倉庫。1973年建成了世界上第一座40的極低溫用于貯藏生鮮食品的自動化冷藏庫，解決了低溫條件下堆垛機的可靠性和技術方面的問題，巷道式堆垛機隨之逐漸的取代了橋式起重機。我國是上個世紀70年代初

23、期，開始研究采用巷道式堆垛機的立體倉庫。1.2.2巷道式堆垛機的技術現狀按現行機械行業標準，有軌巷道式堆垛機分類方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結構、運行軌跡等分類。無論何種類型的堆垛機一般都由水平行走機構、起升機構、載貨臺及貨叉機構、機架和電氣設備等基本部分組成。體現堆垛機動態性能優劣的指標主要有：運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩性、認址精度等。隨著科學技術的不斷進步，自動化立體倉庫的技術水平和倉儲機械設備的動態性能也在不斷提高。例如，堆垛機的運行驅動己由20世紀70年代的子母電動機改為變頻調速，速度由550m/min提升至4160m/min，國外小載重量的堆垛機最高可達300m/

24、min；提升驅動己由20世紀70年代的雙速電動機改進為變頻調速，速度由416m/min提升至025m/min；貨叉運行也由單速電動機驅動改進為變頻調速，速度由8m/min提升至435m/min；在堆垛機自動控制方面還采用閉環控制變頻調速系統、 Profibus 總線控制等先進技術。盡管如此，目前國產堆垛機的運行速度最高仍保持在160m/min；提升速度在080m/min；貨叉速度一直保持在030m/min；認址采用光電探測，精度不足，認址差錯率高3。1.3 可編程控制器控制概況可編程控制器是在傳統的順序控制器的基礎上引入了微電子計術，計算機技術，自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型式控制裝置

25、，目的是用來取代繼電器，執行邏輯，記時，計數等順序控制功能，建立柔性的程控系統。國際電工委員會(IEC)頒布了對PLC的規定：可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程6。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業控制系統形成個整體，易于擴充其功能的原則設計。PLC具有通用性強，使用方便，適應面廣，可控性高，抗擾能力強，編程簡單等特點?？梢灶A料：在工業控制領域中，PLC控制技術的應用必將形成世界潮流。PLC程

26、序既有生產廠家的系統程序，又有用戶自己開發的應用程序，系統程序提供運行平臺，同時，還為PLC程序可控運行及信息與信息轉換進行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設計。PLC是傳統的繼電器技術和計算機技術相結合的產物，所以在工業控制方面，它具有繼電器控制或通用計算機所無法比擬的特點1. 高可靠性:PLC的高可靠性主要表現在硬件和軟件兩個方面:在硬件方面，由于采用性能優良的開關電源，并且對采用的器件進行嚴格的篩選，加上合理的系統結構，最后加固、簡化安裝，因此PLC具有很強的抗振動沖擊性能;無觸點的半導體電路來完成頻繁的開關動作，就不會出現繼電器控制系統中的器件老化、脫焊、觸點電弧等問題;所有的

27、輸入輸出接口都采用了光電隔離措施，使外部電路和PLC內部電路能有效地進行隔離;PLC模塊式結構，可以在其中一個模塊出現故障時迅速地判斷出故障的模塊并進行更換，這樣就能盡量縮短系統的維修時間。在軟件方面，PLC的監控定時器可用于監視執行用戶程序的專用運算處理器的延遲，保證在程序出錯和程序調試時，避免因程序錯誤而出現死循環;當CPU、電池、I/O口、通信等出現異常時，PLC的自診斷功能可以檢測到這些錯誤，并采取相應的措施，以防止故障擴大;停電時，后備電池和正常工作時一樣，進行對用戶程序及動態數據的保護，確信信息、不丟失。由于采取了以上有效措施，保證了PLC的高可靠性，從而使PLC的平均無故障時間己

28、經能高達幾十萬小時。2. 應用靈活性、使用方便模塊化的PLC設計，使用戶根據自己控制系統的大小、工藝流程和控制要求等來選擇自己所需要的PLC的模塊并進行資源配置和PLC編程。這樣，控制系統就不再需要大量的硬件裝置，用戶只需根據控制需要設計PLC的硬件配置和I/0的外部接線即可。而在PLC控制系統中，當控制要求改變時，不改動PLC外部接線，只需修改程序即可。這種面向控制過程的編程方式，與目前微機控制常用的匯編語言相比，應用靈活，移植性強。3. 面向控制過程的編程語言，容易掌握PLC的編程語言采用繼電器控制電路的梯形圖語言，清晰直觀。雖然PLC是以微處理器為核心的控制裝置，但是它不需要用戶具有很強

29、的程序設計能力，只需用戶具備一定的計算機軟、硬件知識和電器控制方面的知識即可。這種面向控制過程的編程方式，雖然在PLC內部增加了解釋程序，增加了程序執行時間，但對大多數機電控制設備來說，這種時耗是微不足道的。4. 易于安裝、調試、維修在安裝時，由于PLC的輸入/輸出接口已經做好，因此可以直接和外部設備相連，而不再需要專門的接口電路。而且PLC的軟件功能取代了原來的繼電器控制中的中間繼電器、計時器、計數器等一些器件，所以硬件安裝上的工作量相應減少。PLC的調試可先在實驗室模擬完成，模擬調試完成后再現場安裝和調試。這樣就可以避免可能在現場會出現的一些問題，從而縮短調試周期:在維修方面，PLC完善的

30、診斷和顯示功能，可以通過模塊上的顯示或者編程器等很容易地找出故障的模塊，而且由于模塊化設計，因此只需要對出錯的模塊進行更換即可。5. PLC的功能強、功能等擴展能力強其一，PLC利用程序進行定時、計數、順序、步進等控制十分準確可靠。其二，PLC還具有周D和D/A轉換、數據運算和數據處理、運動控制等功能。因此它既可對開關量進行控制，又可對模擬量進行控制。其三，PLC具有通信聯網功能，因此，它不僅可以控制一臺單機、一條牛產線，還可以控制一個機群、多條生產線，它既可現場控制，也可遠距離對生產過程進行監控。PLC的功能擴展極為方便，硬件配置相當靈活，根據控制要求的改變可以隨時變動特殊功能單元的種類和個

31、數，再相應修改用戶程序就可以達到變換和增加控制功能的目的。6. 網絡功能強大 PLC具有強大的網絡功能。PLC不僅能做到遠程控制、進行PLC內部通信與上位機進行通信，還具備專線上網、無線上網等功能。這樣，PLC就可以組成范圍很大的控制網絡，整個工廠，甚至整個系統都可以實現自動化，從而提高生產的效率。7. PLC體積小、重量輕、易于實現機電一體化由于PLC內部電路主要采用半導體微電子集成電路，具有結構緊湊、體積小、重量輕、功耗低的特點;更由于它具有很強的抗干擾能力，能適應各種惡劣的環境，因而它已成為實現機電一體化十分理想的控制裝置。隨著PLC技術的不斷發展，目前已能完成以下控制功能: 條件控制功

32、能條件控制(或稱邏輯控制或順序控制)功能是指用PLC的與、或、非指令取代電器觸點串聯、并聯及其他各種邏輯連接，進行開關控制。 定時/計數控制功能定時/計數控制功能就是用PLC提供的定時器、計數器指令實現對某種操作的定時或計數控制，以取代時間繼電器和計數繼電器。 步進控制功能步進控制功能就是用步進指令來實現在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成后，才能進行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構成的步進控制器。 數據處理功能數據處理功能是指PLC能進行數據傳送、比較、移位、數制轉換、算術運算與邏輯運算以及編碼和譯碼等操作。 A/D與D/A轉換功能A/D與D/A轉換功能就是通過A/D、D/A模塊

33、完成對模擬量和數字量之間的轉換。 運動控制功能運動控制功能是指通過高速計數模塊和位置控制模塊等進行單軸或多軸控制。 過程控制功能過程控制功能是指通過PLC的PID控制模塊實現對溫度、壓力、速度、流量等物理參數進行閉環控制。 擴展功能擴展功能是指通過連接輸入/輸出擴展單元(即I/O擴展單元)模塊來增加輸入輸出點數，也可通過附加各種智能單元及特殊功能單元來提高PLC的控制能力。 遠程I/O功能遠程I/O功能是指通過遠程I/O單元將分散在遠跟離的各種輸入、輸出設備與PLC主機相連接，進行遠程控制，接收輸入信號、傳出輸出信號。 通信聯網功能通信聯網功能是指通過PLC之間的聯網、PLC與上位計算機的鏈接

34、等，實現遠程I/O控制或數據交換，以完成系統規模較大的復雜控制。 監控功能監控功能是指PLC能監視系統各部分運行狀態和進程，對系統中出現的異常情況進行報警和記錄，甚至自動終止運行;也可在線調整、修改控制程序中的定時器、計數器等設定值或強制I/O狀態4。1.4 本課題研究的意義和內容1.4.1 本課題研究的意義隨著我國加入WTO，加快了經濟全球化進程，進一步促進了物資流通，物儲運發送量越來越大?？梢灶A測，今后市場對倉儲物流設備的需求量將有更大幅度的增長，而且將在存取率、自動化程度、信息化程度等方面提出更高的要求。自動化立體倉庫的出現極大的滿足了現代物流的發展，從一定程度上促進了現代物流的發展。隨

35、著現代化物資存儲、運送、管理及城市現代化建設的不斷發展，對自動化倉庫的需求將越來越大，對其各方面功能、性能的要求也越來越高5。在立體倉庫中，堆垛機是自動化立體倉庫中最主要的作業機械設備，是輸送系統的核心設備，決定著整個出入庫是否能流暢運行的關鍵，它的合理的速度控制、精確的定位設計以及優良的故障診斷系統是實現堆垛機高效率、高準確度、高度安全性運行的重要因素。相對傳統的倉庫而言!自動化倉庫有著明顯的優勢!包括貨物分揀速度快!可靠性高!易于精確管理!而且占地資源少"空間利用率高!同時還降低了人力資源成本的支出,自動化倉庫的控制涉及計算機"通信和控制等多門學科,而現場總線技術也正是

36、在這樣的背景下順勢發展起來的技術!可以對立體倉庫做到實時有效的控制6。此次設計采用西門子PLC控制技術來實現自動化立體倉庫的控制，對立體倉庫的全方面和先進化都具有良好的促進作用。1.4.2本課題研究的內容本課題立足于目前市面上比較流行的各類晶體管輸出的PLC (如西門子、三菱或歐姆龍等)采集各種傳感 器信號，對步進電機和直流電機進行較復雜的位置控制及時序邏輯控制，實現倉位定位和送/取動作（X/Y 軸完成倉位定位，Z軸完成送/取動作）。)。此設計的主要內容有：1. 掌握 PLC 控制的基本原理、步進電機及驅動、直流電機、傳感器等器件的原理及使用。2. 掌握位置控制技術。3. 掌握機械傳動原理及應

37、用。4. 理解 PLC 的脈沖輸出控制。1.5 本章小結在本章節中通過論述簡要的的介紹了立體倉庫和可編程控制器的基本概況。并介紹了本次設計立體倉庫的內容及其意義。 第二章 自動化立體倉庫的系統構成2.1 立體倉庫的構成立體倉庫系統的基本組成立體倉庫模型是用來儲存、分類貨物的模型。送貨時，根據貨物的屬性將不同的物體送人到指定的倉位中去；取貸時，根據需求從指定的倉位中取出貨物，它由12個倉位組成，采用滾珠絲杠、直線導軌、普通絲杠作為傳動裝置，由PLC編程實現X、Y、Z軸的位置控制，可完成倉庫汽車模型的自動或手動存取。該裝置的機構由立體倉庫本體單元、PLC控制單元、接口單元、電源單元等組成。如圖2-

38、1所示。圖2-1立體倉庫模型的外形結構(1) 立體倉庫本體單元該單元由l2個倉位和巷道式堆垛起重機（以下簡稱巷道起重機）等組成。(2) PLC控制單元該單元可分別選用松下PLC、西門子PLC、歐姆龍PLC、三菱PLC等。PLC主體具有脈沖輸出功能，能同時實現兩軸定位功能。(3) 接口單元該單元將系統中所有控制單元、執行單元、檢測單元、輸入輸出單元的信號都引到面板上，由學生自行完成電路的連接設計。不同性質的節點采用不同的顏色進行標識，并且每個單元自身的電路具有獨立性，具備擴展功能。(4) 電源單元電源單元是由開關電源提供系統工作的DC 24V電壓。該系統在設計上設置了各種保護功能，包括短路保護、

39、反向保護、限位保護、定位保護。TVT-99C立體倉庫系統中為了防止不確定因素對系統硬件的損壞，分別在機械手臂運行的橫軸和縱軸上設置了倉庫的定位孔，當機械手臂運行時，位于移動模塊下方的光電傳感器分別檢測運行X軸、Y軸的定位點，當且僅當機械手臂停止于定位孔點時，對應的Z軸才能進行取貨和移貨的動作7。2.1.2 各部分的組成系統介紹 (1) 倉庫庫體倉庫本體分為兩個區，分別為轉貨區和儲貸區。轉貨區主要是由載貨臺組成的，用來周轉貨物，當貨物入庫以及貨物出庫時，都是通過轉貨區來完成的。儲貨區由12個倉位組成，分成4行、3列，主要用于儲存不同的貨物。在轉貨區、儲貨區都分別安裝了檢測傳感器，用于檢測對貨物的

40、定位。 (2) 巷道起重機巷道起重機由二軸行走機構、貨臺、驅動器等組成，巷道起重機總共具有3個自由度，能實現水平移動、垂直移動、前后移動等操作，貨物的轉移主要是由它完成操作的。如圖2-2所示。圖2-2 巷道起重機(3) PLC控制單元PLC控制單元采用西門子公司生產的S7-200 CPU226型PLC，型號為CPU226 DC/DC/DC，所有操作控制指令都是由PLC發出的。(4) 電源單元電源單元是用于給系統提供DC24V的直流電源，輸出功率為150W。2.2 立體倉庫模型的主要功能及工作流程 2.2.1 系統的主要功能立體倉庫的電氣控制系統是由西門子PLC、步進電動機及其驅動電源模塊、直流

41、電動機、開關電源、位置傳感器等組成。立體倉庫的運動機械機構部分由滾珠絲杠、滑軌、普通絲杠等組成，采用步進電動機和直流電動機作為拖動元件。其關鍵部分是巷道起重機，由水平移動、垂直移動及伸叉機構三部分組成。其水平和垂直移動分別用兩臺步進電動機驅動滾珠絲杠來完成，伸叉機構由一臺直流電動機來控制。它分為上下兩層，上層為貨臺，可前后伸縮，下層裝有絲杠等傳動機構。當堆垛機平臺移動到貨架的指定位置時，伸叉電動機驅動貨臺向前伸出可將貨物取出或送人，然后鏟叉向后縮回。整個系統需要三維的位置控制8。該系統通過傳感器采集信號，PLC控制程序，可實現對步進電動機和直流電動機較復雜的速度與位置控制及時序邏輯控制功能。2

42、.2.2 系統的工作流程系統在電氣設計上，電動機主要采用步進電動機和直流電動機，分別控制水平移動、垂直移動及貨臺的動作。傳感器采用對射式和反射式傳感器以及微動開關，用于完成貨物的檢測和限位保護等。系統在機構設計上采用滾珠絲杠、滑軌和普通絲杠作為主要傳動機構。當堆垛機平臺移動到貨架的指定位置時，貨臺向前伸出可將貨物取出或送人，當取到貨物或貨已送人，則鏟叉向后縮回。整個系統需要三維的位置控制。9系統流程如圖2-2所示。其工作流程如下： 接通電源。 系統自檢。 將功能開關置于自動位置。 將一帶托盤的汽車模型置于10號倉位，放置模型時，人位要準確，并注意到倉位底部檢測開關已動作。 執行取指令。 選擇欲

43、取倉位號（如10號），按動倉位號對應按鈕，控制面板上的數碼管顯示倉位號。 按動“取”指令按鈕，執行取出動作。若載貨臺已有汽車模型，則該指令不被執行，需要由用戶手動將貨物移走 指令完成后，系統自動返回。 如執行取出指令前，被選倉位（如10號）無汽車模型，則取指令將不被執行。 執行送指令。 選擇歡送倉位號（如10號）按動倉位號對應按鈕，控制面板上的數碼管顯示倉位號。 按動送指令按鈕，若被選擇10號倉位內已有汽車模型，則該指令不被執行，需要由用戶手動將貨物移走。指令完成后，系統自動返回。如執行送人指令前，載貨臺無汽車模型，則送指令將不被執行。根據前面的分析，該立體倉庫系統的運行情況可歸納為：當按下起

44、動按鈕后，允許進行立體倉庫運行的控制。在正常的情況下，按下某一倉位的按鈕以及“取”或“送”按鈕，系統將進行相應的動作，此時控制面板上的數碼臂顯示相應的倉位號。當出現故障時，電動機停止運行。在緊急情況下，按下緊急按鈕，貨物送回原來的位置，只有當故障排除后，才能重新運行10。2.3 本章小結本章節共分二小節。在第一小節結合系統的實物圖詳細的介紹了自動化立體倉庫的各個部件，并簡單的陳述了各部分的特點，清楚的了解立體倉庫的工藝及其控制要求，為系統的硬件選型設計和軟件程序設計打下鋪墊。在第二小節中通過對系統的進一步了解，確定系統的主要功能，畫出系統流程圖。圖 2-2 系統流程圖第三章 系統的硬件配置及其

45、控制原理3.1 I/O分布列表根據立體倉庫系統實際情況對I/O的分布并列寫I/O分布列表，I/O分布列表見表3-1所示。表3-1 I/O分布列表輸入接口輸出接口PLC端單元板端口注釋PLC端單元板接注釋I0.0D0矩陣掃描第1列Q0.0X軸-CP平移電動機脈沖信號I0.1D1矩陣掃描第2列Q0.1Y軸-CP升降電動機脈沖信號I0.2D2矩陣掃描第3列Q0.2X軸-DIR平移電動機方向信號I0.3D3矩陣掃描第4列Q0.3Y軸-DIR升降電動機方向信號I0.4D4矩陣掃描第5列Q0.4H0矩陣掃描第1行I0.5D5矩陣掃描第6列Q0.5H1矩陣掃描第2行I0.6D6矩陣掃描第7列Q0.6H2矩陣

46、掃描第3行I0.7D7矩陣掃描第8列Q0.7H3矩陣掃描第4行I1.0SQ5(ZLMT-)Z軸原點Q1.0I1.1SQ6(ZLMT+)Z軸限位Q1.1Z軸-F貨臺前伸I1.2SN檢測貨臺是否有貨Q1.2Z軸-R貨臺回縮I1.3SW0手動控制開關Q1.3I1.4SQ2(XLMT+)X軸限位Q1.4B00數碼顯示區第0位I1.5SQ1(XLMT-）X軸原點Q1.5B01數碼顯示區第1位I1.6SQ4(YLMT+)Y軸限位Q1.6B02數碼顯示區第2位I1.7SQ3(YLMT-）Y軸原點Q1.7B03數碼顯示區第3位3.2 CPU的選擇 PLC存儲器類型及容量估算方法存儲器容量是可編程序控制器本身能

47、提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數字量I/O點數的1015倍，加上模擬I/O點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。PLC系統所用的存儲器基本上由PROM、E-PROM及RAM三種類型組成，存儲容量則隨機器的大小變化，一般小型機的最大存儲能

48、力低于6KB，中型機的最大存儲能力可達64KB，大型機的最大存儲能力可上兆字節。使用時可以根據程序及數據的存儲需要來選用合適的機型，必要時也可專門進行存儲器的擴充設計。PLC的存儲器容量選擇和計算的第一種方法是：根據編程使用的節點數精確計算存儲器的實際使用容量。第二種為估算法，用戶可根據控制規模和應用目的，按照表3-1的公式來估算。為了使用方便，一般應留有25%30%的裕量，獲取存儲容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每條指令所用的字數，用戶便可確定準確的存儲容量。容量的估算見表3-2所示。表3-2 容量的估算控制目的公      式說

49、    明代替繼電路M=Km（10DI+5D0）DI為數字（開關）量輸入信號；Do為數字（開關）量輸出信號；AI為模擬量輸入信號；Km為每個接點所點存儲器字節數；M為存儲器容量模擬量控制M=Km(10DI+5Do+100AI)多路采樣控制M=Km10DI+5Do+100AI+(1+采樣點×0.253.2.2 CPU的確定由上述的I/O分布表和存儲容量估算得知：輸入的數字量共有16個，考慮安全裕量(10%)則應選18個的輸入量模塊。輸出的數字量共有16個，考慮安全裕量(10%)則應選18個的輸入量模塊.若選擇s7-200系列PLC則CPU224DC/DC/

50、DC+EM223/16I/16O 也可選CPU226DC/DC/DC+EM222/0I/4O注：CPU224有14I/10O（4096字），CPU226有24I/16O(4096字)若選擇S7-300系列PLC 則選：電源模塊：PS307(5A)CPU模塊：CPU312(10I/6O)20KB數字量輸入模塊：SM32/(20I)數字量輸出模塊：SM322(18O)本課題選用CPU226DC/DC/DC+EM222 0I/4O3.3 系統的結構框圖及接線圖構成PLC控制系統的主要電氣硬件有控制立體倉庫Z軸的直流電動機，控制X、Y軸的步進電動機以及供給系統能源的直流開關電源，還有各種傳感器，如系統

51、中采用的反射式和對射式傳感器以及微動開關（用來完成貨物的檢測和限位保護）等。系統的控制框圖和接線圖如圖3-1和3-2所示。由PC機或手持編程器編制的程序X軸Y軸運動機械機構兩相八拍混合式步進電動機SH系列步進電動機驅動器 S7-200 PLC Z軸運動機械結構直流電動機 圖3-1 系統的結構框圖圖3-2 系統接線圖3.4 直流電機立體倉庫模型采用直流電動機作為Z軸的拖動元件。直流電動機具有良好的起動性能，且能在寬廣的范圍內平滑而經濟地調速。因此，直流電動機在起動和調速要求較高的生產機械上廣泛地被使用，如用來拖動電力機車、無軌電車、船舶機械、電梯等。在自動控制系統中，小功率直流電動機的應用也很廣

52、泛。本系統采用的直流電動機的輸入電壓為1224V，兩根輸入導線，紅色為正極，藍色為負極。血用的直流電動機控制板由輸入信號、輸入電源、輸出信號等組成。輸入信號由PLC提供，輸入電源由電源模塊提供，輸出信號驅動直流電動機。3.5 步進電機3.5.1 步進電動機的工作原理步進電動機是數字控制系統中的執行電動機。當系統將一個電脈沖信號加到步進電動機定子繞組時，轉子就轉一步。當電脈沖按某一相序加到電動機時，轉子沿某一方向轉動的步數等于電脈沖個數。因此，改變輸入脈沖的數目就能控制步進電動機轉于機械位移的大小；改變輸入脈沖的通電相序，就能控制步進電動機轉子機械位移的方向，實現位置的控制。當電脈沖按某一相序連

53、續加到步進電動機時，轉子以正比于電脈沖頻率的轉速沿某一方向旋轉。因此，改變電脈沖的頻率大小和通電相序，就能控制步進電動機的轉速和轉向，實現寬廣范圍內速度的無級平滑控制。步進電動機的這種控制功能，是其他電動機無法替代的。步進電動機可分為磁阻式、永磁式和混臺式。步進電動機的相散可分為單相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多種。增加相數能提高步進電動機的性能，但電動機的結構和驅動電源就會復雜，成本就會增加，應按需要合理選用。3.5.2 步進電動機的特點 步進電動機是種作為控制用的特種電動機，它的旋轉是以固定的角度（稱為步距角）一步步地運行的。其特點是沒有積累誤差（精度為IOO%）所以廣泛應用于各

54、種開環控制。 步進電動機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。 步距角不容易因電氣、負載、環境條件的變化而改變，使用開環控制（或半閉環控制）就能進行良好的定位控制。 起/制動、正/反轉、變速等控制方便。 價格便宜，可靠性高。 步進電動機的主要缺點是教率較低，并且需要配上適當的驅動電源。 步進電動機帶負載慣性的能力不強，在使用時既要注意負載轉矩的大小，又要注意負載轉動慣量的大小，只有當兩者選取在合適的范圍時，電動機才能獲得滿意的運行性能。 由于存在失步和共振，因此步進電動機的加速、減速的方法根據利用狀態的不同而復雜多變。3.5.3 步進電機驅動系統的基本組成與交/直流電動機不同，僅僅接上供電電源，步進電

55、動機是不會運行的。為了驅動步進電動機，必須由一個決定電動機速度和旋轉角度的脈沖發生器（在該立體倉庫控制系統中采用PLC作脈沖發生器進行位置控制）、一個使電動機繞組電流按規定次序通斷的脈沖分配器、一個保證電動機正常運行的功率放大器以及一個直流功率電源等組成驅動系統，如步進電機驅動系統的基本組成圖3-3所示。 圖3-3 步進電機驅動系統的基本組成3.5.4 步進電機的選擇計算在選擇步進電動機時，首先要考慮的是步進電動機的類型，其次才是具體的品種。在該立體倉庫控制系統中，要求步進電動機的電壓低、電流小、有定位轉矩和使用螺栓機構的定位裝置，確定步進電動機采用二相八拍混合式步進電動機. 選擇步進電動機時需要進行以下計算。 1)根據所要求脈沖當量計算齒輪的減速比。齒輪減速比i計算如: 3