基于PLC控制的小型自動(dòng)化立體倉庫設(shè)計(jì).doc

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XX大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書 課題名稱 基于S7-200 PLC控制的小型自動(dòng)化立體倉 庫設(shè)計(jì) 學(xué) 院 電氣信息學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化084班 姓 名 XX 學(xué) 號(hào) 089064444 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的主要內(nèi)容及要求： （1）了解自動(dòng)化立體倉庫的組成及基本功能，熟悉PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟。 （2）結(jié)合相關(guān)資料設(shè)計(jì)立體倉庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 本課題所設(shè)計(jì)的立體倉庫具有以下功能： 1、堆垛機(jī)（機(jī)械手）要有三個(gè)自由度，即：前進(jìn)、后退；上、下；左、右 2、堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 3、堆垛機(jī)前進(jìn)（或后退）運(yùn)動(dòng)和上（或下）運(yùn)動(dòng)可同時(shí)進(jìn)行 4、堆垛機(jī)前進(jìn)、后退和上、下運(yùn)動(dòng)時(shí)必須有超限位保護(hù) 5、每個(gè)倉位必須有檢測裝置（微動(dòng)開關(guān)），當(dāng)操作有誤時(shí)發(fā)出錯(cuò)誤報(bào)警信號(hào) 6、當(dāng)按完倉位號(hào)后，沒按入或取前，可以按取消鍵進(jìn)行取消該操作 7、整個(gè)電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕，以防發(fā)生意外 起止時(shí)間： 2012 年 2 月 21 日至 2012 年 6 月 5 日共 15 周 指 導(dǎo) 教 師 簽 字 系 主 任 簽 字 院 長 簽 字 摘要 自動(dòng)化立體倉庫是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中迅速發(fā)展的一個(gè)重要組成部分,是一種多層存放貨物的高架倉庫系統(tǒng)，由自動(dòng)控制與管理系統(tǒng)、高位貨架、巷道堆垛機(jī)、自動(dòng)入庫、自動(dòng)出庫、計(jì)算機(jī)管理控制系統(tǒng)以及其他輔助設(shè)備組成。它具有節(jié)約用地、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、消除差錯(cuò)、提高倉儲(chǔ)自動(dòng)化水平及管理水平、提高管理和操作人員素質(zhì)、降低儲(chǔ)運(yùn)損耗、有效地減少流動(dòng)資金的積壓、提高物流效率等諸多優(yōu)點(diǎn)。如今我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,自動(dòng)化立體倉庫必然會(huì)在各行各業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 本課題的電氣控制主要由西門子公司的PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)等器件組成。本文首先對本課題進(jìn)行簡要的介紹，包括背景，研究意義，現(xiàn)狀等；其次對該系統(tǒng)的硬件組成、結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行了闡述和分析；再次對本系統(tǒng)用到的器件分別進(jìn)行介紹，重點(diǎn)對PLC程序進(jìn)行了編寫；最后對設(shè)計(jì)本課題所學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行歸納和總結(jié)。 關(guān)鍵字：立體倉庫 可編程控制器（PLC） 西門子S7-200 Abstract The automated warehouse is one of the important parts in modern logistics. Its a multi-layer overhead warehouse system to store goods. By the automatic control and management system, high shelf, roadway stacker, automatic storage, automatic library, computer control systems, and other auxiliary equipment, it has a land conservation, and reduce labor intensity and eliminate errors, improve the level of warehouse automation and management level, to improve the quality of management and operations staff, reduce outages, and effective in reducing the backlog of liquidity and improve logistics efficiency and many other advantages. Today, with the rapid development of Chinas national economy, the automated warehouse will inevitably application in all walks of life. The subject is mainly made of Siemens PLC, stepper motor drives, stepper motors, direct current motor other devices. First, a brief introduction to the topic, including background, significance, status; Second, the system hardware, the structure, principles are described and analyzed; Third, the devices that are used in this system were introduced, focusing on the preparation of PLC program; Finally, the knowledge learned and conclusions on the topic are summarized. Keywords : Stereoscopic warehouse Programmable controller Siemens S7-200 目 錄 第1章 緒論 1 1.1 本課題設(shè)計(jì)的背景 1 1.2 本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容 1 1.3 本課題設(shè)計(jì)的目的和意義 2 1.4 小結(jié) 2 第2章.系統(tǒng)控制方案的確定 3 2.1 自動(dòng)化立體倉庫的簡介 3 2.2 立體倉庫系統(tǒng)的功能 3 2.3 采用 PLC 控制立體倉庫的優(yōu)點(diǎn) 5 2.4 立體倉庫技術(shù)參數(shù)的確定 5 2.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟 5 2.6 小結(jié) 6 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7 3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 3.2可編程控制器的選型 7 3.2.1可編程控制器的基本結(jié)構(gòu) 7 3.2.2可編程控制器（PLC）的特點(diǎn) 8 3.2.3控制功能的選擇 8 3.2.4 PLC 機(jī)型的選擇 8 3.3步進(jìn)電機(jī)的選擇 9 3.3.1步進(jìn)電機(jī)的介紹 9 3.3.2步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 10 3.3.3步進(jìn)電機(jī)的工作原理 10 3.3.4步進(jìn)電機(jī)的控制 12 3.3.5步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 14 3.3.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成 14 3.3.7步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算 15 3.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 17 3.5傳感器的選擇 19 3.6微動(dòng)開關(guān)的選擇 20 3.7并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源 20 3.8 PLC輸入輸出分配表 21 3.9 電氣原理圖的設(shè)計(jì) 22 3.10 小結(jié) 22 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 23 4.1編程語言的介紹 23 4.2系統(tǒng)流程圖 24 4.3主要程序的設(shè)計(jì) 25 4.4小結(jié) 30 結(jié)論 31 致謝 32 參考文獻(xiàn) 33 附錄A 梯形圖設(shè)計(jì) 34 第1章 緒論 1.1本課題設(shè)計(jì)的背景 立體倉庫的產(chǎn)生和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)之后生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。50年代初，美國出現(xiàn)了采用橋式堆垛起重機(jī)的立體倉庫；50年代末60年代初出現(xiàn)了司機(jī)操作的巷道式堆垛起重機(jī)立體倉庫；1963年美國率先在高架倉庫中采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，建立了第一座計(jì)算機(jī)控制的立體倉庫。此后，自動(dòng)化立體倉庫在美國和歐洲得到迅速發(fā)展，并形成了專門的學(xué)科。60年代中期，日本開始興建立體倉庫，并且發(fā)展速度越來越快，成為當(dāng)今世界上擁有自動(dòng)化立體倉庫最多的國家之一。 我國對立體倉庫及其物料搬運(yùn)設(shè)備的研制開始并不晚，1963年研制成第一臺(tái)橋式堆垛起重機(jī)（機(jī)械部北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所），1973年開始研制我國第一座由計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化立體倉庫（高15米，機(jī)械部起重所負(fù)責(zé)），該庫1980年投入運(yùn)行。到2003年為止，我國自動(dòng)化立體倉庫數(shù)量已超過200座。立體倉庫由于具有很高的空間利用率、很強(qiáng)的入出庫能力、采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制管理而利于企業(yè)實(shí)施現(xiàn)代化管理等特點(diǎn)，已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲(chǔ)技術(shù)，越來越受到企業(yè)的重視。 本論文主要是基于PLC所設(shè)計(jì)的立體倉庫電氣控制系統(tǒng)。下面簡單闡述PLC的發(fā)展背景。1968年美國最大的汽車制造商通用汽車公司為了適應(yīng)汽車型號(hào)不斷更新，提出把計(jì)算機(jī)的完備功能、靈活性、通用性好等優(yōu)點(diǎn)和繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起，做成了一種能適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的通用控制裝置，并把其編程方法及程序輸入方法簡化，使不熟悉計(jì)算機(jī)的人員也能夠快速掌握其使用技術(shù)。根據(jù)這一設(shè)想，美國數(shù)字設(shè)備公司于1969年率先研制出第一臺(tái)可編程控制器(簡稱PLC)，并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用獲得成功。由于PLC的可靠性高，操作簡單，可以大大減少設(shè)備的維修和停產(chǎn)所造成的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)前PLC已經(jīng)成為了電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心 控制裝置。1985 年國際電工委員會(huì)（IEC）對PLC的定義如下：“可編程控制器是一種進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制器，它采用了可以編程的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)算和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程[1]?！币虼?，進(jìn)行立體倉庫的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以推動(dòng)機(jī)械手行業(yè)的發(fā)展，擴(kuò)大PLC在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟(jì)和理論研究的價(jià)值。 1.2 本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容 本設(shè)計(jì)用西門子S7-200系列的控制器作為控制核心，實(shí)現(xiàn)一個(gè)十二倉位的立體倉庫的入庫出庫功能。立體倉庫主體有底盤、四層十二倉位庫體、運(yùn)動(dòng)機(jī)械及電氣控制等四部分組成。電氣控制部分由西門子生產(chǎn)的S7-200型的可編程控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、各種位置電磁傳感器和一些低壓電器元件組成。S7-200型可編程控制器作為控制核心，采集輸入端口信號(hào)后完成各種邏輯控制和數(shù)據(jù)的運(yùn)算，然后通過輸出端口完成電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和各種信號(hào)的現(xiàn)實(shí)。該系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式，通過鍵盤可以對設(shè)備進(jìn)行控制。 1.3 本課題設(shè)計(jì)的目的和意義 自動(dòng)化立體倉庫在各行各業(yè)得到而來廣泛的應(yīng)用，進(jìn)行PLC立體倉庫的設(shè)計(jì)對于節(jié)約土地資源，節(jié)省勞動(dòng)力方面都有著不可代替的作用。PLC作為工業(yè)自動(dòng)化三大支柱的重要一部分，因?yàn)槠淇煽啃愿?、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)安裝容易等特點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域。PLC控制系統(tǒng)可以很好的完成立體倉庫的控制有助于其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因此，進(jìn)行立體倉庫的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以推動(dòng)機(jī)械手行業(yè)的發(fā)展，擴(kuò)大PLC在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟(jì)和理論研究的價(jià)值。 1.4 小結(jié) 本章以課題設(shè)計(jì)為中心，分別介紹了課題設(shè)計(jì)的背景、內(nèi)容、目的和意義。立體倉庫發(fā)展速度越來越快，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制管理而利于企業(yè)實(shí)施現(xiàn)代化管理等特點(diǎn)，已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲(chǔ)技術(shù)，越來越受到企業(yè)的重視。PLC憑借著其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便、設(shè)計(jì)安裝容易等特點(diǎn)能很好的完成立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 第2章.系統(tǒng)控制方案的確定 2.1自動(dòng)化立體倉庫的簡介 自動(dòng)化立體倉庫是機(jī)械和電氣、強(qiáng)電控制和弱電控制相結(jié)合的產(chǎn)品。它主要由貨物儲(chǔ)存系統(tǒng)、貨物存取和傳送系統(tǒng)、控制和管理等三大系統(tǒng)所組成。貨物存儲(chǔ)系統(tǒng)由立體貨架的貨格(托盤或貨箱)組成，貨架按照排、列、層組合而成立體倉庫儲(chǔ)存系統(tǒng)；貨物存取和傳送系統(tǒng)承擔(dān)貨物存取、出入倉庫的功能，它由有軌或無軌堆垛機(jī)、出入庫輸送機(jī)、裝卸機(jī)械等組成；自動(dòng)化立體倉庫視情況不同采取不同的控制方式：有的倉庫只采取對存取堆垛機(jī)、出入庫輸送機(jī)的單臺(tái) PLC 控制，機(jī)與機(jī)無聯(lián)系；有的倉庫對各單臺(tái)機(jī)械進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制。更高級(jí)的自動(dòng)化立 體倉庫的控制系統(tǒng)采用集中控制、分離式控制和分布式控制，即由管理計(jì)算機(jī)、中央控制計(jì)算機(jī)和堆垛機(jī)、出入庫輸送等直接控制的可編程序控制器組成控制系統(tǒng)。 2.2 立體倉庫系統(tǒng)的功能 圖2-1 立體倉庫模型圖 在此設(shè)計(jì)的立體倉庫需要滿足一下功能： （1）堆垛機(jī)（機(jī)械手）要有三個(gè)自由度，即：前進(jìn)、后退；上、下；左、右； （2）堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)； （3）堆垛機(jī)前進(jìn)（或后退）運(yùn)動(dòng)和上（或下）運(yùn)動(dòng)可同時(shí)進(jìn)行； （4）堆垛機(jī)前進(jìn)、后退和上、下運(yùn)動(dòng)時(shí)必須有超限位保護(hù)； （5）每個(gè)倉位必須有檢測裝置（微動(dòng)開關(guān)），當(dāng)操作有誤時(shí)發(fā)出錯(cuò)誤報(bào)警信號(hào)； （6）當(dāng)按完倉位號(hào)后，沒按入或取前，可以按取消鍵進(jìn)行取消該操作。 （7）整個(gè)電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕，以防發(fā)生意外。 系統(tǒng)控制面板如下圖2-2所示： 圖 2-2 控制面板 因此本課題設(shè)計(jì)的具體控制功能如下： （1）將選擇開關(guān)置于自動(dòng)位置，通電狀態(tài)下，各機(jī)構(gòu)復(fù)位，即返回零位。立體倉庫坐標(biāo)定位以零位開始。 （2）當(dāng)送貨的時(shí)候，選擇欲送貨物的倉位號(hào)，按動(dòng)倉位號(hào)對應(yīng)的按鈕，控制面板數(shù)碼管顯示倉位號(hào)。按送貨按鈕后，貨物自動(dòng)送入指定的倉位號(hào)對應(yīng)的倉庫位里。若被指定的倉位號(hào)里有貨物，則送貨命令不被執(zhí)行。送貨完成后，小車自動(dòng)返回原來的位置。 （3）當(dāng)取貨的時(shí)候，選擇欲取貨物的倉位號(hào)后，按動(dòng)取貨按鈕后，在控制面板的數(shù)碼管里顯示出來，堆垛機(jī)可以自動(dòng)將貨物取出。如果小車?yán)镉胸浳铮瑒t取貨命令不被執(zhí)行。 （4）取貨和送貨指令完成后，機(jī)構(gòu)自動(dòng)返回原來位置。 （5） 整個(gè)電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕，以防發(fā)生意外。 2.3 采用 PLC 控制立體倉庫的優(yōu)點(diǎn) PLC 的應(yīng)用非常廣泛，按PLC編程功能可分為 4 大類[2]：開關(guān)量順序控制、通信功能、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制。PLC的應(yīng)用大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、適用性、并且降低了系統(tǒng)成本。其控制系統(tǒng)簡單，更改容易，施工周期短；系統(tǒng)維護(hù)容易。自動(dòng)化立體倉庫，少不了自動(dòng)化倉庫管理系統(tǒng)，只有使用強(qiáng)大的倉庫管理系統(tǒng)才能使得倉庫管理和業(yè)務(wù)流程上一個(gè)臺(tái)階，才能將先進(jìn)的硬件設(shè)備發(fā)揮作用、 產(chǎn)生效益，針對這一倉庫管理系統(tǒng)，我選擇了PLC。選擇 PLC是因?yàn)樗姆€(wěn)定性比單純的使用單片機(jī)要穩(wěn)定的多，所能實(shí)現(xiàn)的功能也強(qiáng)大的多?？偟膩砜矗赑LC的自動(dòng)化立體倉庫可以總結(jié)為如下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：低成本、范圍廣、高速、便捷、永遠(yuǎn)在線、結(jié)構(gòu)靈活、數(shù)字化等。 2.4立體倉庫技術(shù)參數(shù)的確定 表2-3立體倉庫具體參數(shù)： 出/入貨柜臺(tái)最重物品 20Kg 每個(gè)倉位的高度 4．5CM 倉位的上下距離 0．5CM 倉位的平行距 0．5CM 倉位的體積 4 M3 可編程控制器（PLC）電源 24V DC 堆垛機(jī)電源 220V AC,50Hz 2.5系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟 在立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中主要要考慮以下幾點(diǎn)： （1）深入了解和分析立體倉庫的工藝條件和控制要求。 （2）確定I/O設(shè)備。根據(jù)立體倉庫控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設(shè)備。 （3）根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)選擇合適的PLC類型。 （4）分配I/O點(diǎn)，分配PLC的輸入輸出點(diǎn)，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。 （5）設(shè)計(jì)立體倉庫系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設(shè)計(jì)出周密完整的梯形圖程序，這是整個(gè)立體倉庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心工作。 （6）將程序輸入PLC進(jìn)行軟件測試，查找錯(cuò)誤，使系統(tǒng)程序更加完善。 （7）立體倉庫整體調(diào)試，在PLC軟硬件設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工完成后，就可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題要逐一排除，直至調(diào)試成功。 立體倉庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的主要步驟，如圖2-4所示： 圖2-4 課題設(shè)計(jì)步驟 2.6小結(jié) 本章圍繞系統(tǒng)方案的確定，首先對自動(dòng)化立體倉庫進(jìn)行了簡單的介紹。自動(dòng)化立體倉庫是機(jī)械和電氣、強(qiáng)電控制和弱電控制相結(jié)合的產(chǎn)品。主要由貨物儲(chǔ)存系統(tǒng)、貨物存取和傳送系統(tǒng)、控制和管理等三大系統(tǒng)所組成。其次闡述了本課題設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉庫實(shí)現(xiàn)的功能與總體的控制步驟。第三節(jié)講述了PLC的優(yōu)點(diǎn)和選擇PLC進(jìn)行控制的原因。最后確定了立體倉庫的具體參數(shù)，并詳細(xì)介紹了本課題設(shè)計(jì)的基本步驟。 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)采用的是運(yùn)用 PLC 控制系統(tǒng)來控制立體倉庫的運(yùn)動(dòng).這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是能快速的對輸入信號(hào)做出反應(yīng)控制立體倉庫,而且檢修起來較為方便?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖 3-1 所示。 圖 3-1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.2可編程控制器的選型 3.2.1可編程控制器的基本結(jié)構(gòu) 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)由輸入/輸出模塊、中央處理單元、電源部件和編 程器等組成。PLC與計(jì)算機(jī)的基本組成一致，它實(shí)際上就是一種工業(yè)控制計(jì)算器[3]。 （1）輸入/輸出模塊在PLC中，CPU是通過輸入/輸出模塊與外界連接的。 輸入模塊用于將控制現(xiàn)場輸入信號(hào)變換成CPU能接收的信號(hào)，并對其進(jìn)行濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離和放大等；輸出模塊用于將 CPU的決策輸出信號(hào)變換成驅(qū)動(dòng)控制對象執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)，并對輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大、隔離PLC內(nèi)部和外部執(zhí)行元件等。 （2）中央處理單元 （3）電源部件中央處理器單元包括微處理器、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。微處理器 CPU 是PLC的核心部件。電源部件是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電源的裝置，它向PLC提供所需的高質(zhì)量直流電源。 3.2.2可編程控制器（PLC）的特點(diǎn) （1）可靠性高，抗干擾強(qiáng)。 （2）功能強(qiáng)大，性價(jià)比高。 （3）編程簡易，現(xiàn)場可修改。 （4）配套齊全，使用方便。 （5）壽命長，體積小，能耗低。 （6）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維修工作量少，維修方便。 3.2.3控制功能的選擇 該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。 根據(jù)本課題所設(shè)計(jì)的自動(dòng)門控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇[4]。 （1）控制功能 PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲(chǔ)器容量。 （2）編程功能 離線編程方式：PLC和編程器公用一個(gè)CPU，編程器在編程模式時(shí)，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式，CPU對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，不能進(jìn)行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機(jī)CPU負(fù)責(zé)現(xiàn)場控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型PLC中常采用。 五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和語句表（IL）、結(jié)構(gòu)文本（ST）兩種文本語言。 （3）診斷功能 PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過軟件對PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行診斷是外診斷。PLC的診斷功能的強(qiáng)弱，直接影響對操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時(shí)間。 3.2.4 PLC 機(jī)型的選擇 （1）輸入電源電壓：24VDC 還是 220VAC，根據(jù)供電系統(tǒng)電壓來選擇，一般來說，不建議直接從動(dòng)力電源直接取電，最好用隔離變壓器把動(dòng)力電源和控制電源隔離開來，同時(shí)做好濾波等抗干擾措施。本設(shè)計(jì)采用 24V 直流電。 （2）輸入輸出點(diǎn)數(shù)：所謂的輸入輸出點(diǎn)數(shù)指的是整個(gè)控制系統(tǒng)需要用到的 PLC的輸入點(diǎn)個(gè)數(shù)和輸出點(diǎn)個(gè)數(shù)。一般來說，當(dāng)然是預(yù)先設(shè)計(jì)好整套系統(tǒng)方案， 然后算出所有的輸入輸出點(diǎn)個(gè)數(shù)，如果是第一次設(shè)計(jì)的方案，建議預(yù)留點(diǎn)數(shù)。經(jīng) 過估算本設(shè)計(jì)中需要輸入端口40個(gè)，輸出端口 21個(gè)。 （3）輸出觸點(diǎn)類型：是繼電器輸出類型還是晶體管輸出類型。根據(jù)所控制的 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源電壓及功率來決定輸出觸點(diǎn)類型，如果系統(tǒng)里有需要用到高速脈沖 輸出控制步進(jìn)電機(jī)或伺服系統(tǒng)時(shí)，一定要選擇晶體管輸出類型。本設(shè)計(jì)因?yàn)橛胁?進(jìn)電機(jī)的控制所以選擇晶體管輸出類型。西門子S7系列PLC體積小、速度快、 標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。S7 系列 PLC 產(chǎn)品可分為微型 PLC（如 S7-200），小規(guī)模性能要求的 PLC（如 S7-300）和中、高性能要求的 PLC（如 S7-400）等。S7系列 PLC有專門的高速脈沖輸出端，可以方便的完成步進(jìn)電機(jī)的控制。根據(jù)控制功能要求選 擇微型 PLC。微型PLC S7-200系列可編程控制器主機(jī)分為 10、14、24、40 點(diǎn)四檔，還有各種輸入和輸出擴(kuò)展單元，這樣在增加 I/O 點(diǎn)數(shù)時(shí)，不必改變機(jī)型，可以通過擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)，降低了經(jīng)濟(jì)投入。本課題設(shè)計(jì)的立體倉庫控制系統(tǒng)有輸入信號(hào)40個(gè)，輸出信號(hào)21個(gè)。所選 I/O 點(diǎn)不得低于61點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，考慮到經(jīng)濟(jì)實(shí)惠所選本系統(tǒng)所采用的PLC是西門子S7-200 CPU226 DC24V，外加一個(gè)數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223[1]。 3.3步進(jìn)電機(jī)的選擇 3.3.1步進(jìn)電機(jī)的介紹 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移的一種特殊電機(jī)。每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，它的運(yùn)動(dòng)形式是步進(jìn)式的，所以稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。又由于它輸入的是脈沖電流所以也叫脈沖電動(dòng)機(jī)[14]。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不需要變換的情況下，能直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移，因此它很適合作為數(shù)字控制系統(tǒng)的伺服元件。此外，它還具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，一是輸出角位移量或線位移量與其輸入的脈沖數(shù)成正比，而轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖的頻率成正比，在負(fù)載能力范圍內(nèi)，這些關(guān)系不受電壓的大小、負(fù)載的大小、環(huán)境條件等外界各種因素的干擾。二是它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不失步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長期積累。三是控制性能好，它可以在開環(huán)系統(tǒng)中在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖的頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。四是有些型式的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在停止供電的狀態(tài)下，還有定位轉(zhuǎn)矩，有些型式在停機(jī)后某些相繞組仍保持通電狀態(tài)，具有自鎖能力，不需要機(jī)械制動(dòng)裝置等。當(dāng)采用速度和位置檢測裝置后，它可構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，應(yīng)用非常廣泛。如數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、自動(dòng)記錄儀表、遙控裝置和航空系統(tǒng)等等，都大量使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 3.3.2步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖3-2為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的徑向截面圖。定轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子磁極為凸極式，磁極的極面上開有小齒。定子上有三套控制繞組，每一套有兩個(gè)串聯(lián)的集中控制繞組分別繞在徑向相對的兩個(gè)磁極上。每套繞組叫一相，三相繞組接成星形，所以定子磁極數(shù)通常為相數(shù)的兩倍，即2p=2m （p為極對數(shù)，m為相數(shù)）。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，沿圓周也有均勻的小齒，其齒距和定子磁極上小齒的齒距必須相等，而且轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定的限制。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是制造簡便，精度易于保證，步距角可以做得較小，容易得到較高的啟動(dòng)和運(yùn)行頻率。 圖3-2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 3.3.3步進(jìn)電機(jī)的工作原理 圖3-3是一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理圖。定子鐵芯為凸極式，共有三對（六個(gè)）磁極，每兩個(gè)相對的磁極上繞有一相控制繞組。轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，只有四個(gè)齒，齒寬等于定子的極靴寬。下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理。 圖3-3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理圖 （1）三相單三拍通電方式 當(dāng)A相控制繞組通電，其余兩相均不通電，電機(jī)內(nèi)建立以定子A相極為軸線的磁場。由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線與定子A相極軸線對齊，如圖3-3(a)所示。若A相控制繞組斷電，B相控制繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下，逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過30，使轉(zhuǎn)子齒2、4的軸線與定子B相極軸線對齊，即轉(zhuǎn)子走了一步，如圖3-3(b)所示。若再斷開B相使C相控制繞組通電轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過30，使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線與定子C相極軸線對齊，如圖3-3(c)所示。如此按A-B-C-A的順序輪流通電，轉(zhuǎn)子就會(huì)一步一步地按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序。若按A-C-B-A的順序通電，則電機(jī)按順時(shí)針反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 上述通電方式稱為三相單三拍運(yùn)行。“三相”是指三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每次只有一相控制繞組通電；控制繞組每改變一次通電方式稱為一拍，“三拍”是指經(jīng)過三次改變通電方式為一個(gè)循環(huán)。我們稱每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為步距角常用θs來表示，三相單三拍運(yùn)行時(shí)θs= 30。 （2）三相雙三拍通電方式 控制繞組的通電方式為AB-BC-CA-AB或AB-CA-BC-AB。每拍同時(shí)有兩相繞組通電，三拍為一個(gè)循環(huán)。當(dāng)A、B兩相控制繞組同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒的位置應(yīng)同時(shí)考慮到兩對定子極的作用，只有A相極和B相極對轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力相平衡，才是轉(zhuǎn)子的平衡位置，如圖3-4(a)所示。若下一拍為B、C兩相同時(shí)通電時(shí)，則轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針轉(zhuǎn)過30到達(dá)新的平衡位置，如圖3-4(b)所示?？梢?，雙三拍運(yùn)行時(shí)的步距角仍是30。但雙三拍運(yùn)行時(shí)，每一拍總有一相繞組持續(xù)通電，例如由A 、B兩相通電變?yōu)锽、C兩相通電時(shí)，B相保持持續(xù)通電狀態(tài)，C相磁拉力力圖使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而B相磁拉力卻起有阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以電機(jī)工作比較平穩(wěn)。 (a) (b) 圖3-4 三相雙三拍運(yùn)行方式 3.3.4步進(jìn)電機(jī)的控制 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量信號(hào)，所以被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。較簡單的控制電路是利用一些數(shù)字邏輯單元組成，即采用硬件的方式。但要改變系統(tǒng)的控制功能，一般都要重新設(shè)計(jì)硬件電路，靈活性較差。以微型計(jì)算機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制開辟了新的途徑，利用計(jì)算機(jī)的軟件或軟、硬件相結(jié)合的方法能使系統(tǒng)的功能大大增強(qiáng)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。 以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)字控制系統(tǒng)有開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。 （1）開環(huán)控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)精確位移、精確定位，且無積累誤差。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)受輸入脈沖控制，其位移量是斷續(xù)的，總的位移量嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于輸入指令脈沖的頻率；若能準(zhǔn)確控制輸入指令脈沖的數(shù)量或頻率，就能夠完成精確的位置或速度控制，無需系統(tǒng)的反饋，形成所謂的開環(huán)控制系統(tǒng)。 步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)，由控制器（包括變頻信號(hào)源）、脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)電路及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)四部分組成如圖3-5所示。開環(huán)控制系統(tǒng)的精度主要取決于步距角的精度和負(fù)載狀況。 圖3-5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制原理框圖 開環(huán)控制常常采用加減定位控制方式。因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率要比連續(xù)運(yùn)行頻率小，所以開環(huán)控制的脈沖指令頻率，只有小于電機(jī)的最大啟動(dòng)頻率，電機(jī)才能成功啟動(dòng)。若電動(dòng)機(jī)的工作頻率總是低于最高啟動(dòng)頻率，當(dāng)然不會(huì)失步，但沒有充分發(fā)揮電機(jī)的潛力，工作速度太低。為此，常用加減速定位控制。電機(jī)開始以低于最高啟動(dòng)頻率的某一頻率啟動(dòng)，然后再逐步提高頻率，使電機(jī)逐步加速，到達(dá)最高運(yùn)行頻率，電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)。在到達(dá)終點(diǎn)前，降頻使電機(jī)減速。這樣就可以既快又穩(wěn)地準(zhǔn)確定位，如圖3-6所示。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩受頻率影響較大，所以負(fù)載的加減速控制不能像普通電機(jī)那樣。為了實(shí)現(xiàn)加減速的最佳控制，往往是分段設(shè)計(jì)加速轉(zhuǎn)矩和加速時(shí)間，采用微機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)。 由于開環(huán)控制系統(tǒng)不需要反饋元件，結(jié)構(gòu)比較簡單、工作可靠、成本低。因而在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 圖3-6 加減速定位過程 （2）閉環(huán)控制系統(tǒng) 在開環(huán)控制系統(tǒng)中，電機(jī)響應(yīng)控制指令后的實(shí)際運(yùn)行情況，控制系統(tǒng)是無法預(yù)測和監(jiān)視的。在某些運(yùn)行速度范圍寬、負(fù)載大小變化頻繁的場合，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)很容易失步使整個(gè)系統(tǒng)趨于失控。另外，對于高精度的控制系統(tǒng)，采用開環(huán)控制往往滿足不了精度的要求。因此必須在控制回路中增加反饋環(huán)節(jié)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3-7所示。與開環(huán)系統(tǒng)相比多了一個(gè)由位置傳感器組成的反饋環(huán)節(jié)。將位置傳感器測出的負(fù)載實(shí)際位置與位置指令值相比較，用比較信號(hào)進(jìn)行控制，不僅可防止失步，還能夠消除位置誤差提，高系統(tǒng)的精度。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有關(guān)，但主要是取決于位置傳感器的精度。在數(shù)字位置隨動(dòng)系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的工作速度和穩(wěn)定性，還有速度反饋內(nèi)環(huán)。 圖3-7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)原理框圖 3.3.5步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) （1）位移與輸入脈沖信號(hào)的信號(hào)數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)簡單且具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在需要更高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （2）速度可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。 （3）易于起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，快速響應(yīng)性能好。 （4）具有自鎖的能力。當(dāng)控制脈沖停止輸入且讓最后一個(gè)脈沖控制的繞組 繼續(xù)通電時(shí)，電機(jī)可以保持在固定的位置上，即停在最后一個(gè)控制脈沖所控制的角位移的終點(diǎn)位置上。所以步進(jìn)電機(jī)具有帶電自鎖能力。 （5）步距角選擇的范圍大，可以在幾十角分至180范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。在小步距情況下，通常可以在超低速下高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行，可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 （6）電動(dòng)機(jī)本身沒有電刷、轉(zhuǎn)子上沒有繞組，也不需要位置傳感器，可靠性高。 3.3.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成 與交直流電動(dòng)機(jī)不同，僅僅接上供電電源，步進(jìn)電機(jī)不會(huì)運(yùn)行的。為了驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，必須由一個(gè)決定電動(dòng)機(jī)速度和旋轉(zhuǎn)角度的脈沖發(fā)生器（在該立體倉庫控制系統(tǒng)中采用PLC作脈沖發(fā)生器進(jìn)行位置控制）、一個(gè)使電動(dòng)機(jī)繞組電流按規(guī)定次序通斷的脈沖分配器、一個(gè)保證電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的功率放大器，以及一個(gè)直流功率電源等組成一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖3-8所示。 圖 3-8 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖 3.3.7步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算 在選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先考慮的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型選擇，其次才是具體的品種選擇，在該立體倉庫控制系統(tǒng)中要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電壓低、電流小、有定位轉(zhuǎn)矩和使用螺栓機(jī)構(gòu)的定位裝置，確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用2相8拍混合式步進(jìn)電機(jī)；在進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的品種選擇時(shí)，要綜合考慮速比i、軸向力F、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行頻率，以確定步進(jìn)電機(jī)的具體規(guī)格和控制裝置。 由于我們使用螺栓機(jī)構(gòu)的定位裝置，已知條件和要求條件為： 移動(dòng)部分總重 外力 磨擦系數(shù) 螺栓機(jī)構(gòu)的效率 螺栓軸徑 螺栓長 螺距 分辨率 移動(dòng)距離 /步 速度 計(jì)算： 設(shè)擬選用2相、1.8步距角的HB型電動(dòng)機(jī) 速比(設(shè)使用直接驅(qū)動(dòng)方式) 軸向力 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 螺栓的慣量 移動(dòng)體的慣量 負(fù)載慣量為 根據(jù)以上計(jì)算可以初步選定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其慣量為，空載起動(dòng)頻率 由要求的速度可求出運(yùn)行的頻率： 可知需要加減速的驅(qū)動(dòng)方式。 齒輪比： 換算到電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 對首次設(shè)計(jì)的裝置來講，所選用的電動(dòng)機(jī)通常留有2～3倍的余量，所以電機(jī)轉(zhuǎn)矩 根據(jù)以上的計(jì)算，在該立體倉庫控制系統(tǒng)中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用北京斯達(dá)特機(jī)電科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的2相8拍混合式步進(jìn)電機(jī)，它的主要特點(diǎn)：體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。型號(hào)：42BYGHl01。電氣原理圖如圖3-9所示?？旖泳€插頭：紅色表示A相，藍(lán)色表示B相；如果發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向不對時(shí)可以將A相或B相中的兩條線對調(diào)。 圖 3-9步進(jìn)電機(jī)的出線圈 表3.1 步進(jìn)電機(jī)的電氣技術(shù)數(shù)據(jù) 電機(jī)型號(hào) 相數(shù) 步距角 相電流 驅(qū)動(dòng)電壓 額定轉(zhuǎn)矩 重量 42BYGH101 2 1.80 1.7A DC24V 0.44NM 0.24kg 3.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 （1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入輸出信號(hào)介紹 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行需要有電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器?？刂葡到y(tǒng)每發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器就使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，也就是說，它把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。 所有型號(hào)驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)都相同，它們是步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向電平信號(hào)DIR、脫機(jī)信號(hào)FREE（此端為低電平有效時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于無轉(zhuǎn)矩狀態(tài)；此端為高電平或懸空不接時(shí)，此功能無效，電動(dòng)機(jī)可以正常運(yùn)行）。它們在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的接口電路都相同如圖3-10所示。該立體倉庫中，由于提供的電平為24V，而輸入部分的電平為5V，所以需要外部另加1.8KΩ的限流電阻。 圖3-10 輸入輸出接口電路 （2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇 我們這里采用SH系列的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它主要由電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分組成。 （3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)和電動(dòng)機(jī)電流設(shè)定 SH系列驅(qū)動(dòng)器是靠驅(qū)動(dòng)器上的撥位開關(guān)來設(shè)定細(xì)分?jǐn)?shù)的，只需根據(jù)面板上的提示進(jìn)行設(shè)定即可。對于兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，細(xì)分后電動(dòng)機(jī)的步距角等于電動(dòng)機(jī)整步步距角除以細(xì)分?jǐn)?shù)。細(xì)分后完全消除了電動(dòng)機(jī)的低頻振蕩，而且提高了電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)的分辨率。所以，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器只要改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就能改變步距角。 （4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源接口 對于超小型驅(qū)動(dòng)器，采用一組DC 24~40V供電。因?yàn)镻LC需要采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電，所以該立體倉庫中應(yīng)該選用開關(guān)式穩(wěn)壓電源。 （5）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器選型 我采用SH系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為SH-2H057。主要由電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分組成。SH-2H057步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用鑄鋁結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)主要用于小功率驅(qū)動(dòng)器,這種結(jié)構(gòu)為封閉的超小型結(jié)構(gòu)，本身不帶風(fēng)機(jī)，其外殼即為散熱體，所以使用時(shí)要將其固定在較厚、較大的金屬板上或較厚的機(jī)柜內(nèi)，接觸面之間要涂上導(dǎo)熱硅脂，在其旁邊加一個(gè)風(fēng)機(jī)也是一種較好的散熱辦法。此步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電氣技術(shù)數(shù)據(jù)為： 表3-2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電氣技術(shù)數(shù)據(jù) 驅(qū)動(dòng)器型號(hào) 相數(shù) 類別 細(xì)分?jǐn)?shù) 通過撥位 開關(guān)設(shè)定 最大 相電流 開關(guān)設(shè)定 工作電源 SH-2H057 二相或四相 混合式 二相八拍 3.0A 一組直流 DC(24V-40V) （6）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線示意圖見圖3-11 圖3-11 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線示意圖 3.5傳感器的選擇 在該立體倉庫中采用歐姆龍EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式傳感器作貨物檢測，它是日本歐姆龍公司的產(chǎn)品，采用能抗周圍外來光干擾的變調(diào)光式；采用變調(diào)光式，與直流光式比，不易受外來光干擾的影響；電源電壓為DC5-24V的大量程電壓輸出型；帶有容易調(diào)整的光軸標(biāo)識(shí)；帶有便于調(diào)整，動(dòng)作確認(rèn)的入光顯示燈；反射式傳感器的時(shí)間圖和輸出回路圖如圖3-12所示。 圖3-12 反射式傳感器的時(shí)間圖和輸出回路圖 它有三根連接線(紅、藍(lán)、黑)，紅色接電源的正極、黑色接電源的負(fù)極、藍(lán)色為輸出信號(hào)，當(dāng)與擋塊接近時(shí)輸出電平為低電平，否則為高電平。需要注意檢測距離不要離傳感器太近，否則傳感器不能動(dòng)作；連接是采用接插件方式，千萬不要對端子(讀出頭)進(jìn)行焊接。此傳感器的電氣技術(shù)數(shù)據(jù)為: 表3-3傳感器的電氣技術(shù)數(shù)據(jù) 型 號(hào) EE-SPY402 形 狀 立式 檢測方式 反射型 檢測距離 5mm(反射率90﹪ 1515mm) 應(yīng)差距離 0.2mm(檢測距離3mm,橫方向) 光源(發(fā)光波長) GaAs～紅外發(fā)光二級(jí)管(940nm) 顯示燈 入光時(shí)燈亮(紅) 電源電壓 DC5～24V10﹪ 脈動(dòng)(p-p)5﹪以下 消耗電流 平均值15mA以上50mA以下 控制輸出 NPN電壓輸出 負(fù)載電源電壓DC5～24V 負(fù)載電流80mA以下 殘留電壓1.0以下(負(fù)載電流80mA時(shí)) 殘留電壓0.4以下(負(fù)載電流10mA時(shí)) 應(yīng)答頻率 100HZ 使用環(huán)境照度 受光面照度 白熾燈 太陽光：各3，000以下 環(huán)境溫度 動(dòng)作時(shí)：-10～+55C 保存時(shí)-25～+65 C ( 不 結(jié) 冰 ) 環(huán)境濕度 動(dòng)作時(shí)：5～85﹪RH 保存時(shí)-5～95﹪RH (不結(jié)露) 耐久振動(dòng) 10～55HZ 上下振幅1.5mm XYZ各方向2h 耐久沖擊 X、Y、Z各方向三次 保護(hù)構(gòu)造 IEC規(guī)格 IP50 連接方式 接插件式 (不可進(jìn)行軟釬焊) 質(zhì)量 約2.6 g 外殼材質(zhì) 聚碳酸酯(PC) 3.6微動(dòng)開關(guān)的選擇 在該立體倉庫控制系統(tǒng)中共有13個(gè)倉位（四層十二個(gè)倉位加0號(hào)倉位）分別采用13只微動(dòng)開關(guān)作為貨物檢測，當(dāng)有貨物時(shí)相應(yīng)開關(guān)動(dòng)作，其信號(hào)對應(yīng)PLC的輸入點(diǎn)是I22-I36；另外為保險(xiǎn)起見，在X軸的左限位和Y軸的下限位處還分別加裝了1只微動(dòng)開關(guān)作限位保護(hù)，以確保立體倉庫在程序出錯(cuò)時(shí)不損壞；微動(dòng)開關(guān)原理圖如圖3-13所示。 圖3-13 微動(dòng)開關(guān)原理圖 3.7并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源 并聯(lián)式開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出功率大、體積小、重量輕、可靠性高、適應(yīng)變動(dòng)寬范圍的輸入電壓，具有完備的過電壓過電流保護(hù)功能，內(nèi)置輸入EMI濾波器，具有較高的抗干擾能力。 在該立體倉庫控制系統(tǒng)中，考慮到PLC和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器都要求DC24V電源，綜合考慮系統(tǒng)的用電量、系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)整性，我們選用并聯(lián)式開關(guān)穩(wěn)壓電源。 3.8 PLC輸入輸出分配表 根據(jù)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)的I/O分配見下表所示 表3-4 PLC輸入輸出分配表 I0 啟 動(dòng) I24 檢驗(yàn)2號(hào)倉庫 Q0 前 進(jìn) I1 手動(dòng)/自動(dòng) I25 檢驗(yàn)3號(hào)倉庫 Q1 后 退 I2 取 出 I26 檢驗(yàn)4號(hào)倉庫 Q2 向 上 I3 送 進(jìn) I27 檢驗(yàn)5號(hào)倉庫 Q3 向 下 I4 取 消 I30 檢驗(yàn)6號(hào)倉庫 Q4 送 進(jìn) I5 急 停 I31 檢驗(yàn)7號(hào)倉庫 Q5 取 出 I6 1號(hào)倉庫的鍵 I32 檢驗(yàn)8號(hào)倉庫 Q6 顯示取出 I7 2號(hào)倉庫的鍵 I33 檢驗(yàn)9號(hào)倉庫 Q7 顯示送進(jìn) I10 3號(hào)倉庫的鍵 I34 檢驗(yàn)10號(hào)倉庫 Q10 顯示操作錯(cuò)誤 I11 4號(hào)倉庫的鍵 I35 檢驗(yàn)11號(hào)倉庫 Q11 顯示1號(hào)倉庫 I12 5號(hào)倉庫的鍵 I36 檢驗(yàn)12號(hào)倉庫 Q12 顯示2號(hào)倉庫 I13 6號(hào)倉庫的鍵 I37 前進(jìn)限制 Q13 顯示3號(hào)倉庫 I14 7號(hào)倉庫的鍵 I40 后退限制 Q14 顯示4號(hào)倉庫 I15 8號(hào)倉庫的鍵 I41 后退超過 Q15 顯示5號(hào)倉庫 I16 9號(hào)倉庫的鍵 I42 向上限制 Q16 顯示6號(hào)倉庫 I17 10號(hào)倉庫的鍵 I43 向下限制 Q17 顯示7號(hào)倉庫 I20 11號(hào)倉庫的鍵 I44 向下超過 Q20 顯示8號(hào)倉庫 I21 12號(hào)倉庫的鍵 I45 前進(jìn)限制 Q21 顯示9號(hào)倉庫 I22 檢驗(yàn)0號(hào)倉庫 I46 取出限制 Q22 顯示10號(hào)倉庫 I23 檢驗(yàn)1號(hào)倉庫 I47 取出超過 Q23 顯示11號(hào)倉庫 　 　 　 　 Q24 顯示12號(hào)倉庫 3.9 電氣原理圖的設(shè)計(jì) 根據(jù)立體倉庫的課題設(shè)計(jì)要求，得出如下圖3-14電氣原理圖。 圖 3-14 電氣原理圖 3.10 小結(jié) 本章主要闡述了自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。首先對控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其次對PLC（可編程控制器），步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，傳感器，微動(dòng)開關(guān)，穩(wěn)壓電源進(jìn)行慎重的選擇。最后列出了PLC輸入輸出分配表，并繪制了本設(shè)計(jì)的電氣原理圖。 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1編程語言的介紹 基本的編程語言有：梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）和語句表（STL）。 LAD 和 FBD是面向圖形的語言。在 LAD 中通過串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)中連接各個(gè)觸點(diǎn)來 創(chuàng)建控制方案，而在 FBD 中則是通過AND和OR方框互連在一起的。STL是一種面向文本的語言，以列表方式描述控制任務(wù)。梯形圖因?yàn)槠浔容^直觀并且容易接受因而很受普通編程人員的歡迎。 梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計(jì)稱為編程。 PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器等，但是它們不是真實(shí)的物理繼電器，而是一些存儲(chǔ)單元（軟繼電器），每一軟繼電器與PLC存儲(chǔ)器中映像寄存器的一個(gè)存儲(chǔ)單元相對應(yīng)。該存儲(chǔ)單元如果為“1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對應(yīng)軟繼電器的線圈“通電”，其常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開，稱這種狀態(tài)是該軟繼電器的“1”或“ON”狀態(tài)。如果該存儲(chǔ)單元為“0”狀態(tài)，對應(yīng)軟繼電器的線圈和觸點(diǎn)的狀態(tài)與上述的相反，稱該軟繼電器為“0”或“OFF”狀態(tài)。使用中也常將這些“軟繼電器”稱為編程元件。 開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按其精度可分為12bit、14bit、16bit等；按信號(hào)類型可分為電流型(4-20mA,0-20mA)、電壓型(0-10V,0-5V,-10-10V)等。 除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 梯形圖兩側(cè)的垂直公共線稱為母線(Bus bar)，。在分析梯形圖的邏輯關(guān)系時(shí)，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以想象左右兩側(cè)母線（左母線和右母線）之間有一個(gè)左正右負(fù)的直流電源電壓，母線之間有“能流”從左向右流動(dòng)。右母線可以不畫出。 根據(jù)梯形圖中各觸點(diǎn)的狀態(tài)和邏輯關(guān)系，求出與圖中各線圈對應(yīng)的編程元件的狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯解算。梯形圖中邏輯解算是按從左至右、從上到下的順序進(jìn)行的。解算的結(jié)果，馬上可以被后面的邏輯解算所利用。邏輯解算是根據(jù)輸入映像寄存器中的值，而不是根據(jù)解算瞬時(shí)外部輸入觸點(diǎn)的狀態(tài)來進(jìn)行的。 PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。 4.2系統(tǒng)流程圖 根據(jù)系統(tǒng)工作過程的分析得出，示意圖4-1所示。 圖 4-1 系統(tǒng)軟件流程圖 控制流程介紹： （1）將選擇開關(guān)置于自動(dòng)位置，通電狀態(tài)下，各機(jī)構(gòu)復(fù)位，即返回零位。立體倉庫坐標(biāo)定位以零位開始。 （2）當(dāng)送貨的時(shí)候，選擇欲送貨物的倉位號(hào)，按動(dòng)倉位號(hào)對應(yīng)的按鈕，控制面板數(shù)碼管顯示倉位號(hào)。按送貨按鈕后，貨物自動(dòng)送入指定的倉位號(hào)對應(yīng)的倉庫位里。若被指定的倉位號(hào)里有貨物，則送貨命令不被執(zhí)行。送貨完成后，小車自動(dòng)返回原來的位置。 （3）當(dāng)取貨的時(shí)候，選擇欲取貨物的倉位號(hào)后，按動(dòng)取貨按鈕后，在控制面板的數(shù)碼管里顯示出來，堆垛機(jī)可以自動(dòng)將貨物取出。如果小車?yán)镉胸浳?，則取貨命令不被執(zhí)行。 （4）取貨和送貨指令完成后，機(jī)構(gòu)自動(dòng)返回原來位置。 （5）整個(gè)電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕，以防發(fā)生意外。 4.3主要程序的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)運(yùn)用SWOPC-FXGP/WIN-C編程軟件進(jìn)行梯形圖順控程序編寫，在編寫梯形圖的過程中遵循以下編程規(guī)則： （1）每個(gè)繼電器的線圈和它的觸點(diǎn)均用同一編號(hào)，每個(gè)元件的觸點(diǎn)使用時(shí)沒有數(shù)量限制。 （2）梯形圖每一行都是從左邊開始，線圈接在最右邊（線圈右邊不允許再有觸點(diǎn)）。 （3）線圈不能直接接在左邊母線上。 （4）在一個(gè)程序中，同一編號(hào)的線圈如果使用兩次，稱為雙線圈輸出，它很容易引起誤操作，應(yīng)避免。 （5）在梯形圖中沒有真實(shí)的電流流動(dòng)，為了便于分析PLC的周期掃描原理和邏輯上的因果關(guān)系，假定在梯形圖中有“電流”流動(dòng)，這個(gè)“電流”只能在梯形圖中單方向流動(dòng)——即從左向右流動(dòng)，層次的改變只能從上向下。 （6）PLC的啟動(dòng)程序 圖4-2 PLC的啟動(dòng)程序 （7）顯示操作錯(cuò)誤程序 圖4-3 顯示操作錯(cuò)誤程序 （8）取貨檢測程序 圖4-4 取貨檢測程序 （9）送貨程序，以將貨物送到1號(hào)、2號(hào)倉庫為例 圖4-5 送貨程序 （10）取貨程序，以將貨物從1號(hào)、2號(hào)倉庫中取出為例 圖4-6 取貨程序 （11）堆垛機(jī)歸位后，將貨物送回到0號(hào)倉庫程序 圖4-7 送貨至原始倉位程序 具體梯形圖見附錄A。 4.4小結(jié) 本章主要為系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。首先對PLC編程語言進(jìn)行闡述，并著重介紹了梯形圖。其次根據(jù)系統(tǒng)工作過程的要求，繪制出了系統(tǒng)流程圖。最后設(shè)計(jì)出了滿足立體倉庫工作過程中各個(gè)功能的梯形圖。 結(jié)論 本課題設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)主要以PLC為核心，利用PLC的強(qiáng)大的控制功能，實(shí)現(xiàn)了利用可編程控制器控制立體倉庫的功能，具有接線簡單、編程直觀、擴(kuò)展容易等特點(diǎn)。而且，當(dāng)系統(tǒng)要求的功能增加時(shí)，只需要對軟件程序進(jìn)行簡易更改。 首先介紹了課題設(shè)計(jì)的背景、內(nèi)容、目的和意義。立體倉庫發(fā)展速度越來越快，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制管理而利于企業(yè)實(shí)施現(xiàn)代化管理等特點(diǎn)，已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲(chǔ)技術(shù)，越來越受到企業(yè)的重視。PLC憑借著其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便、設(shè)計(jì)安裝容易等特點(diǎn)能很好的完成立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 其次圍繞系統(tǒng)方案的確定，對自動(dòng)化立體倉庫進(jìn)行了簡單的介紹。自動(dòng)化立體倉庫是機(jī)械和電氣、強(qiáng)電控制和弱電控制相結(jié)合的產(chǎn)品。主要由貨物儲(chǔ)存系統(tǒng)、貨物存取和傳送系統(tǒng)、控制和管理等三大系統(tǒng)所組成。然后闡述了本課題設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉庫實(shí)現(xiàn)的功能與總體的控制步驟。最后講述了PLC的優(yōu)點(diǎn)和選擇PLC進(jìn)行控制的原因，并確定了立體倉庫的具體參數(shù)。 最后為自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)。第一，對控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；第二，對PLC（可編程控制器），步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，傳感器，微動(dòng)開關(guān)，穩(wěn)壓電源進(jìn)行慎重的選擇；第三，列出了PLC輸入輸出分配表，并繪制了本設(shè)計(jì)的電氣原理圖；第四，據(jù)系統(tǒng)工作過程的要求，繪制出了系統(tǒng)流程圖，進(jìn)而設(shè)計(jì)出了滿足立體倉庫工作過程中各個(gè)功能的梯形圖。 致謝 本人的論文是在賀容波老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從