plc的立体仓库运用

1、中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书1绪论可编程控制器(programmable logic controller),简称plc。它是20世纪70年代 以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有 功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外己广泛应用 于自动化控制的齐个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。近年来，国内在 plc技术与产晶开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备、自动化生产线外, 国产的机床设备已越来越多地采用plc控制系统取代传统的继电-接触器控制系统。与 继电一接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比

2、继电一接触器控制系统小；价格上能 与继电一接触器控制系统竞争；易丁在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接 推动电磁阀、接触器与于z相当的执行机构；能向中央执行机构；能向屮央数据处理系 统直接传输数据等。1. 1立体仓库概述1. 1. 1立体仓库发展历史立体仓库一词起源于“高层货架”，一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货 架储存单元货物，随着科技的发展，人们逐渐采用起重、装卸、运输机械设备等相应的 物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货 物，故常形象地将其称为“立体仓库” ，0早在20世纪50年代初期，美国就出现了使用桥式堆垛起重机的仓库。这种起重机

3、 是在通用桥式起重机的小车上装设堆取货物的装置，从地面上用按钮进行操纵，其结果 是使货架间的通道大大减小，单位面积的储存量平均增加了 50%多。此后立体仓库在美 国和西欧得到迅速发展。1963年美国某公司首先在仓库业务中采用计算机控制，仓库高 度已达12米。20壯纪60年代中期，h本开始兴建立体仓库，而且发展的速度越来越快, 据日木“产业机工”的统计，到1982年，日木已拥有各种立体仓库3257座，儿乎相当 于欧美国建拥有量得总和。立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入岀库能力、采用计算机进行控制管 理乂利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技第1页共55页

4、术，越来越受到企业的重视。1. 1.2立体仓库的组成立体仓库一般出高层货架、仓储机械设备、建筑物及控制和管理设施等部分组成。 货架的形式有很多，材料一般用钢材或钢筋混凝十制作。钢货架的优点是构件尺寸小， 仓库空间利用率高，制作方便，安装建设周期短。而耳随着高度的增加，钢货架比混凝 土货架的优越性更加明显。为了提高货物装卸、存取效率，口动化立体仓库一般使用货 箱或托盘盛放货物。货箱与托盘的基本功能是盛放小件物料，同时还应便于运输车和堆 跺机的插取和存放。搬运设备是口动化仓库中的重要设备，它们一般出电力驱动，通过 手动或自动控制，实现把货物从一处搬运到另一处。输送系统必须具有高度的可靠性。 在立体

5、仓库内，一般只有一套输送系统，一旦发生故障，就会使整个仓库工作受到影响。 所以，要求输送系统的各个环节上的设备可靠、耐用、维修方便。对输送系统设置手动 控制做后备。12国内外研究现状立体仓库一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，用相应的 物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货 物，故常形象地将其称为“立体仓库”。立体仓库的产生和发展是第二次世界大战z后生产和技术发展的结果。50年代初， 美国出现了采用桥式堆垛起觅机的立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷 道式堆垛起重机立体仓库；1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建

6、立了 第一座计算机控制的立体仓库。此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并 形成了专门的学科。60年代中期，h本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成 为当今世界上拥有£1动化立体仓库最多的国家之一。我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963年研制成第一台桥式堆 垛起重机，1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库，该库1980年 投入运行。到冃前为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。立体仓库由于具有很 高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化 管理等特点，已成为金业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越

7、来越受到企业的重视。自动化仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。在我国，自动化仓库应用的行业主 耍有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、 机场、港口等。1969年美国数字设备公司(dec)研制书世界第一台可编程控制器，并成功地应用 在美国(gm)的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期，简 称 plc (programmable logic controller)o70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使plc从开关量的逻辑控制扩 展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编 程控制器，简称pc (

8、programmable controller).但由于pc容易与个人计算机 (programmable computer)相混淆，故人们仍习惯地用plc作为可编程器的缩写。1985年国际电工委员会(iec)对plc的定义如下：可编程控制器是一种进行数字运算的屯子系统，是专为在工业环境下的应用而设计 的工业控制器，它釆用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控 制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各 种类型机械的生产过程。plc是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定 优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：(1

9、)逻辑运算(2)弱电控制强电。plc是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术丁一体的一种新型t业控制装置， 已跃居工业自动化三人支柱(plc、robot. cad/cam)的首位。可编程控制器，简 称plco它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一屮新型工业控制设备。具 有1.可靠性髙、抗干扰能力强2.设计、安装容易，维护工作量少4.功能强、通用性好5. 开发周期短，成功率高6.体积小，重量轻、功耗底等特点。己经广泛应用于自动化控制 的各个领域，并已成为实现丁业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统相比系 统更加可靠；占位空间比继电接触器控制系统小；价格上能与继电接触器控制 系统竞争；易于在

10、现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、触器与 于z相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。自上世纪60年代以来，美日欧等国家和地区设计和投入使用的立体仓库越来越多， 立体仓储技术已成为一门新兴的学科。据不完全统计，美国有各种类型的口动化立体仓 库20000多座，h本有38000多座，徳国有10000多座，英国有4000多座，前苏联有 1500多座。堆跺机是自动化立体仓库的主要作业机械，担负着出库、进库、盘库等任务, 是自动化立体仓库的核心部件，自动化立体仓库的发展就是以堆跺机的发展为主要标志 的，h前巷道式堆跺机为主要发展方向。在我国，立体仓库的发

11、展是从70年代初期开始的，1963年研制成第一台桥式堆垛起 重机，1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（髙15米，机械部 起重所负责），该库1980年投入运行，出北京机械工业口动化研究所等单位研制建成我 国第一座自动化立体仓库，并在北京汽车制造厂投产。从此以后，立体仓库在我国得 到了迅速的发展。据不完全统计，h前我国己建成的立体仓库近300个，其中全自动化 的立体仓库有30多个。1995年建成的仪征化纤工业联合公司涤纶长丝白动化立体仓库, 是冃前我国独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体仓庫。近些年我国ft动化仓库 技术发展很快，己实现了与其它信息决策系统的集成，并正在做

12、智能控制和模糊控制的 研究工作。尽管如此，至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体 仓库与国外发达国家和比，无论是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距。因此，进行立体仓库的plc控制系统的设计，可以推动机械手行业的发展，扩人plc 在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。13立体仓库的研究意义1.3. 1社会意义立体仓库的特点在于以高层立体货架为标志，以成套先进搬运设备为基础，以先进 的计算机控制技术为主耍手段，高效率地利用仓储空间，节约时间和人力进行各种作业, 具有巨人地社会效益和经济效益，因此被普遍应用于机器制造业、电器制造业、航空港、 轻工和化工企业、

13、商储业、军需部门等各行各业。其中自动化的立体仓库更是具有广阔市场前景。它集机械、电子、控制、计算机技 术于一体，具有科技含量高，货物存取效率高和口动化程度高等优点，在物流监控技术、 计算机应用技术、通信技术、货位优化管理等技术领域都有很好的应用。从制造t厂、 商场、机场，到港口、军需部地下室冷库到都少不了立体仓库的身影，特别是随着人们 生活水平的提高，自我国的机动车数量口益猛壇，传统的停车场已经不能满足人们的需 求，于是人们将立体仓库这一理念和技术应用于停车库，很多城市都相继出现了立体停 车库，使停车难的问题逐渐得以缓解，所以为了更好的合理利用资源、保证产需均衡、 提高物流效率，我们对于自动化

14、立体仓库的研究迫在眉睫。1.3.2科技意义近些年我国自动化仓库技术发展很快，尽管如此，至今在我国己建成的集成化仓储 系统述不多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从数量上还是从建设 水平上都有着比较大的差距，究其原因，口动化程度不够是一个很大的缺陷。对此能较有效的改善这一缺陷的方法就是在控制系统屮采用plc控制器，因为plc 功能强大，可靠性高，抗干扰能力强，维修方便，易丁实现机电一体化，可以完全满足 立体仓库工作环境和控制系统的要求。通过plc控制的立休仓库克服了继电接触控制系 统屮的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用 了微处理器的优点，又照顾

15、到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是plc的程序 编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简 单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。另外，当前各领域中使用的立体仓库往往是很庞人的系统，研制立体仓库往往需要 投入很大的人力和财力，这给立体仓库的研究带来很大难度，令很多科技研发和教学研 究机构望而却步，针对这一难题，可以通过设计制作小型的立体仓库模型，对其加入控 制系统，并通过对其进行模拟调试，再将其研究成果应用于立体仓库的生产研制，这样 一来既节约成木，提高效率，也可以更为广泛的开展对于立体仓库的研究。事实证明， 大型口动化

16、仓库系统己不再是发展方向。为了适应工业发展的新形势，出现了规模更小, 反应速度更快，用途更广的自动化仓库系统，如徳国veltins啤酒厂制酒仓库，还有 metzler optik partner ag公司的小件仓库，通过提髙运送速度和加快工作循环，达到 了惊人的仓库利用率。1.3.3教学意义目前，很多高等院校以及职业院校的电子、机械等专业都把plc列为一项必修课程, 因此可以将此立体仓库制作成教学模型，则既可以在教学过程屮增加教学的应用性，乂 可以通过让学生设计不同的plc程序来达到不同的运行效果，适用于学生毕业设计、课 程设计、实习实验等，也适合于研究机构的科研使用，具有一定的教学意义。传统

17、条件下的库房管理作业，主要依据人工装卸，特别是对丁一些大型物资，不仅 工作效率低，浪费大量的人力、物力，存在较大的安全隐患，同时还占据大量的库房面 积。立体库的投入使用，彻底解决了这一难题.自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。它通过高层货架存储，使存 储区大幅度地向高空发展，提高了空间利用率；自动化立体仓库采用层积式存放，结合 计算机管理，可以很容易实现先入先岀，防止货物的然老化、变质和损坏；通过白动 存取系统（as/rs）,加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强 度；采用自动化技术厉，还能较好地适应黑喑、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的 物品存储需要；计算

18、机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了货 物处理和信息处理过程中的丼错；同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能 力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的 管理水平。口动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管理的口动 化。同时，由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产， 也提高了操作人员素质和管理人员的水平。14本文研究的主要内容课题的主要任务是自动化立体仓库控制系统的设计。仓位的主体框架除包括十二个 库位外，还配有一个物品入口位和一个出口位，并在这十二个库位的底部均设置有检测 开关，若库内

19、有物品，则压制相应的检测开关使之闭合，若无物品，则相应的检测开关 断开。本文的主要研究内容和结构可分为五个章节，分别如下：1）第一章研究了自动化立体仓库的发展历史和基本组成，以及国内外立体化仓库的 现状和国内立体化仓库的不足z处，分析立体化仓库的发展方向。同时，提出本文所要 研究的主要内容。2）第二章论证自动化立体仓庫的设计方案，包括模块组成，以及各个模块在系统屮 的功能，还提出了在设计屮出现的问题并给出解决方案。3）第三章对立体仓库系统的作了硬件设计，并通过立体仓库模型的來设计实现， 分析了组成各模块的元器件，包括步进电机、直流电机、传送杆、电源模块等，并对这 些硬件的工作原理和功能进行说明

20、。4）第四章进行了对动化立体仓库控制系统的软件设计，包括所采用的plc控制器、 plc编程软件、plc与齐模块间的连接、程序流程图以及plc程序的详细阐述，其中包 括手动控制和自动控制、取货物、送货物、状态显示等程序。5）第五章通过立体仓库模型系统的操作运行进行结果分析，系统调试和分析得出结 论，验证设计的可行性。2系统控制方案的确定2.1自动化立体仓库的概述自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况卜；自动地完成物品仓储和取 出的系统，它以高层立体货架为主体，以成套搬运设备为基础，是集自动控制技术、通 信技术、机电技术于一体的高效率、大容量存储机构。自动化立体仓库的出现，实现了 仓库功能从

21、单纯保管型向综合流通型的转变。用plc控制的自动化立体仓库达到仓储技 术的全而自动化。0动化立体库基本出以卜部分组成：高层货架:用于存储货物的钢结构。目前主要有焊接式货架和组合式货架两种基本 形式。托盘（货箱）：用于承载货物的器具，亦称工位器具。巷道堆垛机:用于自动存取货物的设备。按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本 形式；按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。输送机系统:立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物 移走。输送机种类非常多，常见的有辐道输送机，链条输送机，升降台，分配车，提升 机机，皮带机等。agv系统:即自动导向小车。根据其导向方式分为感应式导向小车

22、和激光导向小车。自动控制系统:驱动自动化立体库系统齐设备的自动控制系统。h前以采用现场总 线方式为控制模式为主。库存信息管理系统:亦称中央计算机管理系统。是全自动化立体库系统的核心。冃 前典型的口动化立休库系统均采用大型的数据库系统（如oracle, sybase等）构筑典 型的客户机/服务器体系，可以与其他系统（如erp系统等）联网或集成。2. 2采用plc控制立体仓库的优点1、低成木 利用电力线上网，最大的优点就是成本低。由于利用电力线上网，直 接使用现有电力网就可以实现通信，而不需要另外铺设电话线、光电缆等，大大地减少 了在基础网络上的投资。2、范|韦i广无所不在的电力线网络也是这种技术

23、的优势。电力线是最基础的网络, 它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。因为家家都有电力线，由此，运营商就可 以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一个家庭因此，这一技术一旦进入商业化阶段, 将会促进电信市场的变革，并给互联网普及带来极大的发展空间。3、高速 利用电力线上网能够提供高速传输。德国最大的电力设备生产商rwe承 诺，运用他们的电力线上网技术，其速度要比isdn拔号上网快30多倍，比adsl更快! 足以支持现有网络上的各种应用。更高速率的plc产品正在研制之中。4、便 捷 不管在家里的哪个幷落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立 即拥有plc带来的高速网络享受！5、永远在线plc属

24、于即插即用，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网 络！6、结构灵活 通过plc技术实现internet接入，可以灵活扩展接入端口数屋，使 资源保持较高的利用率。目前还未有效解决电力线信号通过变压器的技术，因此，电力 线通信设备都是集屮在220v线路变压器的用户端。7、家庭数字化plc技术能够通过电力线将整个家庭的电器与网络联为一体，在室 内的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网，使人们能够通过网络來控制自c家里的 电器设备。2. 3系统设计的基本步骤立体仓库系统设计与调试的主要步骤，如下图2. 1所示：在立体仓库控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：1. 深入了解和分析立体仓库的工艺条件

25、和控制要求。2确定i/o设备。根据立体仓库控制系统的功能要求，确主系统所需的用户输入、 输出设备。3. 根据i/o点数选择合适的plc类型。4. 分配i/o点,分配plc的输入输出点,编制出输入输出分配表或者输入输出端子 的接线图。5. 设计立体仓库系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序， 这是整个立体仓库系统设计的核心工作。6. 将程序输入plc进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。7. 立体仓库整体调试，在plc软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系 统的联机调试，调试屮发现的问题要逐一排除，直至调试成功。图2. 1立体仓库控制系统设汁步骤2. 4系统控制方案

26、本设计需要装一立体仓库十二个仓库位、有物品出入口位与输出口位，各仓位能口检。立体仓库的结构示意图见下图2. 2所示：堆垛机动作指示灯自动堆垛机四层三列立体库紧停按钮紧停叉中 联动单动手动复位功能伸叉升降行走習o紗呼1 o 直流开牛电源堆垛机电源 直流开头电源行走步进电 机驱动模块升降步进电机驱动模块堆垛机控制plc:fx-2n-80mr图2. 2立体仓库结构示意图根据设计对立体仓库的具体要求，本课题所设计的立休仓库具有以下功能：1、堆垛机（机械手）要有三个自由度，wj：前进、后退；上、下；左、右;2、堆垛机的运动由步进电机驱动；3、堆垛机前进（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行；4、堆垛机

27、前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护；5、每个仓位必须有检测装置（微动开关），当操作有误时发出错误报警信号;6、当按完仓位号后，没按入或収前，可以按収消键进行取消该操作。7、整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。2. 5立体仓库技术参数的确定表2. 1立体仓廉具体参数岀/入货柜台最重物品20kg每个仓位的高度4. 5cm仓位的上下距离0. 5cm仓位的平行距0. 5cm仓位的体积4m6设计中的问题及解决方案2.6.1设计中的问题立体仓库的功能比较多，因此结构也相对比较复杂，在考虑对立体仓库的设计屮有 以下几个问题需要解决。1）在货物的传送过程中如何做到精确而快速定位。2）在plc

28、控制器接受到操作命令时如何判断是否应该响应。3）在传送平台到达货物仓位后应如何进行货物出入库作业。 2. 6. 2解决方案1）在货物的传送过程中要实现精准定位的最好方法就是采用坐标泄位法。可以把货物的移动分解为水平（x轴）和垂直（y轴）两个方向，通过控制这两9 个方向上的位移多少，即可以将货物送到准确位置。因此在不更件设计的时候，可以将传可编程控制器（plc）电源24v dc堆垛机电源220v ac,50hz送货物的机械装置设计成水平杆和垂直杆，在动力控制上可以采用两个电机，分别给水 平移动和乖直移动提供动力，然后通过电机控制送货平台在水平杆和乖直杆上的滑动将 平台移到指定位置。为了提高送货平

29、台移送的速度，缩短其到达指定位置的时间，在控 制时可将水平和垂直的移动设定为同时进行。当plc发出一定脉冲，经过驱动器驱动步进电机旋转一定的角度，要想实现步进电 机的精确控制，则需要对它的具体运行步数进行计数，步进电机以10cm长为单位长度 计算为例，即坐标轴上的每个单位代表现实中的locmo为了增大转矩提高控制精度，本 控制系统所有数据（脉冲频率、数量等）均是以步距角为0. 9度为参考制定的。立体仓 库模拟装置丝杠上螺纹的螺距为18伽，也就是说电机每接400个脉冲所运行的距离为 l.smmo要实现通过输入不同数字使机械到达不同的位置，需耍作到的就是控制步进电 机走多少个单位长度。2）对于pl

30、c控制器是否应响应操作命令的问题，可以通过在每个仓位上安装限位 开关来实现。限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。当仓位中货 物已满时，限位开关可以将此信号传送给plc控制器，控制器即可根据接收到的信号作 出是否响应的判断了。3）传送平台在到达指定仓位后，可通过平台上的伸叉控制平台的前后和上下移动 来进行出入库作业。如果将水平杆和垂直杆的移动方向设为x方向和y方向，把出入库 的前后移动设为z方向。取货的时候，传送平台先向前伸入至货物底部（z方向），然 后往上抬起货物（y方向），最后缩回（z方向）。送货的时候，传送平台先向前伸入 至仓位中（z方向），然后往下放下货物（y方向），最

31、后缩回（z方向），以此来实现 货物的出入库作业。3立体仓库系统硬件的设计3. 1立体仓库的基本结构1011127894560123图3. 1仓位编号立体仓库主体由地盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。 机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件纽成，采用步进电机、直流电 机作为拖动元件。电气控制是出三菱fx2n系列程序控制器(plc)、步进电机驱动电源模块、开关电 源、位置传感器等器件组成。3.2. 1步进电机3.2. 1. 1步进电机的原理步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机 定子绕组时，转子就转一-步，当电脉冲按某一相序加到电动机时

32、，转子沿某一方向转动 的步数等于电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数日就能控制步进电动机转子机械位移 的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位 置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转了以正比于电脉冲频率的转 速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率犬小和通电相序，就能控制步进电动机的 转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制功能，是其 它电动机无法替代的。步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电 动机的性能，但电动机的结构和驱动电

33、源就会复杂，成木就会增加，应按需要合理选用。3.2. 1.2步进电机的选择（1）、步进电动机的特点 、步进电动机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步 距角”）一步一步运行的，具特点是没有积累误差（精度为100%）,所以广泛应用于各种 开环控制。 、步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比 、步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变,使用开环控制（或半闭 环控制）就能进行良好的定位控制。 、起制动、正反转、变速等控制方便。 、价格便宜，可靠性高。 、步进电动机的主要缺点是效率较低，并且需要配上适当的驱动电源。 、步进电动机带负载惯性的能力不强，在使用时既要注意负载转矩

34、的大小，又要注 意负载转动惯量的大小，当两者选取在合适的范围时，电机才能获的满意的运行性能。（2）、步进电机驱动系统的基本组成与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电机不会运行的。为了驱动步进电 动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该立体仓库控制系统中 采用plc作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组屯流按规定次序通断的脉冲 分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及-个直流功率电源等组成-个动 力系统，如3. 2所示脉冲分配器直琉电源步进电动机脉冲功率放大器图3. 2步进电机號动系统的组成(3) 、步进电动机的选择计算在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动

35、机的类型选择，其次才是具体的品种选 择，在该立体仓库控制系统中要求步进电动机电压低、电流小、有定位转矩和使用螺栓 机构的定位装置，确定步进电动机采用2相8拍混合式步进电机；在进行步进电动机的 品种选择时，要综合考虑速比i、轴向力f、负载转矩7、额定转矩卩和运行频率人， 以确定步进电机的具体规格和控制装置。由于我们使用螺栓机构的定位装置，已知条件和要求条件为：移动部分总重m二25kg磨擦系数"二 0.04螺栓机构的效率77 二0. 9螺栓轴径=1.2cm螺栓长分辨率l=0. 01mm移动距离二0. 0075mm/步计算：设拟选用2相、1.8。步距角的hb型电动机速比(设使用直接驱动方式

36、)i=mx ©/(360xl)=2x1.8 / (360x0. 01) = 1 轴向力f二fa+"m=4+0 04x25二5kg. - cm负载转炬刁二fxp/(2 兀 )+ ("ox 尸0 x p)/2 兀=5x0. 3 / (2 x3. 14x0.9)+ (0. 3x1.67x 0. 3)/(2 x3. 14)=0. 289kg.cm螺栓的惯量儿二(龙xpx sxd；) /32=(3. 14x7. 9x 10-3 x42x 1-24 ) /32=0. 0675kg. cm2移动体的惯量丿/二mx(p/2兀尸=25x(0.3/6.22=0. 0571 kg.cm

37、 2负载惯量为j l二b +丿/=0. 0675+0.00571=0. 1246kg. 卅根据以上计算可以初步选定步进电动机，具惯量为二0.03 kg. .2,空载起动 频率人二3000h。由要求的速度可求出运行的频率：f二v / l二2000 / (60x0. 01)二3333hz可知需要加减速的驱动方式。齿轮比：g=360° /叽=0.0075 x3600 / (1.8° x0.01)=150换算到电机轴的负载转矩为t=gxl(t/ +f)/ 2 龙=150x0.01x(0. 289+5)/(6. 28x0. 9)=1. 40 kg.cm对首次设计的装置来讲，所选用的电

38、动机通常留有23倍的余量，所以电机转矩 厲二323x1.40=4.2 kg. - cm 二0.41n.m根据以上的计算，在该立体仓库控制系统中的步进电动机采用北京斯达特机电科技 发展有限公司生产的2相8拍混合式步进电机，它的主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。型号：42bygh101o电气原理图如图3. 3所示。快 接线插头：红色表示a相，蓝色表示b相；如果发现步进电机转向不对时可以将a相或 b相中的两条线对调。图3. 3步进电机的出线圈表3.1步进电机的电气技术数据电机型号相数步距角相电流驱动电压额定转矩42bygh10121.8°1. 7adc24v0.

39、 44n m0. 24kg3.2. 1.3步进电机驱动器的选择(1)、步进电机驱动器的选择步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把 控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信 号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成 正比。所有型号驱动器的输入信号都相同，共有三路信号，它们是：步进脉冲信号cp、方 向电平信号dir、脱机信号free(此端为低电平有效，这时电机处丁无力矩状态；此端 为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行)。它们在驱动器内部的接口电 路都相同，见下图°opto

40、端为三路信号的公共端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳 方式，所以opto端须接外部系统的vcc,如果vcc是+5v则可直接接入；如果vcc不是+5v则须外部另加限流电阻r,保证给驱动器内部光耦提供8-1 5ma的驱电流，在该立 体仓库中由于fpo提供的电平为24v,而输入部分的电平为5v,所以须外部另加1.8k 的限流电阻r。步进电机驱动器的输出信号有两种：驱动器内部opto、初相位信号：驱动器每次上电后将使步进电机起始在一个固定的相位上，这就 是初相位。初相位信号是指步进电机每次运行到初相位期间，此信号就输出为高电平， 否则为低电平。此信号和控制系统配合使田，可产生相位记忆功能，其接口见图

41、3. 4。系统内部初相位信号2k 系统地图3. 4初相位信号接口电路、报警输出信号：每台驱动器都有多种保护措施（如：过压、过流、过温等）。当 保护发生时，驱动器进入脱机状态使电机失电，但这时控制系统可能尚未知晓。如要通 知系统，就要用到'报警输出信号。此信号占两个接线端子，此两端为一继电器的常 开点，报警时触点立即闭合。驱动器正常时，触点为常开状态。一般来说，对于两相四 根线电机，可以直接和驱动器相连，如图3. 5所示。图3. 5电机与驱动器接线图所以我采用sh系列步进电动机驱动器，型号为sh-2h057o主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分组成。sh-2h057步进电动机驱动器

42、采用铸铝结构，此种结构主要用于小功率驱动器，这种结构为封闭的超小型结构，本身不带风机，其外壳即为散热 体，所以使用时要将其固定在较厚、较人的金属板上或较厚的机柜内，接触面之间要涂 上导热硅脂，在其旁边加一个风机也是一种较好的散热办法。此步进电机驱动器的电气 技术数据为：表3-2步进电机驱动器的电气技术数据驱动群型号相数类别细分数通过拨位 开关设定最大相电流开关设定工作电源sh-2h057二相或四相混合式二相八拍3. 0a一组直流dc (24v-40v)(2)、步进电机驱动器接线示意图见图3. 6图3. 6步进电机驱动器接线示意图步进电机是数字控制系统中的执行电机，当系统讲一个电脉冲信号到步进电

43、机定子 绕组时，转子就转一步，当电脉冲安某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步 数等于电脉冲光个数。因此，改变输入脉冲的数忖就能控制步进电机转子机械位移的大 小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电机转子机械位移的方向，实现位置的控 制，实现宽广范困内速度的无极平滑控制。步进电机可分为磁阻式、永磁式和混合式， 步进电机的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相 数能提高步进电机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成木就会增加，应按 需要合理选用。本系统用步进电机为42byg250c型步进电气技术数据为：表3-3 2byg250c型步述电机电气技术数据电机

44、型号相数步距角静态相电流驱动电压额定转矩重量42byg250c20.9° /1.8°1.5adc24 v0. 54n m0. 3kg3.2.2传感器3. 2. 2. 1两种传感器的工作原理（1）反射式传感器的工作原理：采用能抗周围外来刚干扰的变调光式；采用变调光式，与直流光式比，不易受外来 光干扰的影响；电源电压为dc5-24v的大量程电压输出型；带有容易调整的光轴标识； 带有便于调整，动作确认的入光显示灯；其结构图如图3. 7所示。工作原理：当物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原先的信号相比较，产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放人，再经多普勒检测、放人、限幅

45、等措施, 最后取得和物体移动信号和关的主流信号输出电平。（2）对射式传感器的工作原理：对射式传感器的输出状态一般为npn输出，输出品体管的动作状态可分为入光时 on和遮光时on两种。入光时为on的对射式传感器的结构图如图3. 4所示，当24v电压加到发光二极管led1时，它将光发射给发光二极管led2, led2接受到 光导通，三极管导通，输出为on；当发光二极管led1发射出的光被物体挡住使发光二 极管led2接收不到时，led2不导通，三极管也不导通，输出为off。3.2.2. 2本方案的选择在该立体仓库中采用欧姆龙ee-spy402凹槽型、反射型接插件式传感器作货物检测, 它是口木欧姆龙

46、公司的产品，采用能抗周围外来光干扰的变调光式；采用变调光式，与 直流光式比，不易受外来光干扰的影响；电源电压为dc5-24v的大量程电压输出型；带 有容易调整的光轴标识；带有便于调整，动作确认的入光显示灯；反射式传感器的时间 图和输岀回路图如图3. 8所示。时光图入光显示灯（红）灯灭on off负戢1 （樂电器）负勅输出回路电压输出图3. 8反射式传感器的时间图和输出冋路图它有三根连接线（红、蓝、黑），红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输 出信号，当与扌当块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。需要注意检测距离不耍离 传感器太近，否则传感器不能动作；连接是采用接插件方式，千万不要对端子

47、（读出头） 进行焊接。此传感器的电气技术数据为：表3. 4传感器的电气技术数据m 号ee-spy402形状立式检测方式反射型检测距离5mm(反射率 90% 15x 15mm)应差距离0.加m （检测距离3mm,横方向）光源（发光波长）gaas红外发光二级管（940nm）显示灯入光时灯亮（红）电源电压dc524v + 10% 脉动(p-p)5% 以下消耗电流平均值15ma以上50ma以下控制输出npn电压输出负载电源电压dc524v负载电流80ma以下残留电压10以卜（负载电流80ma时）残留电压0.4以下（负载电流10ma吋）应答频率100hz使用环境照度受光面照度白炽灯 太阳光：各3, 00

48、0 以下环境温度动作吋：-10+55° c保存吋-25+65° c（不结冰）环境湿度动作时：585%rh保存时-595%rh （不结露）耐久振动1055hz上下振幅1. 5mm xyz各方向2h耐久冲击2500m/ $ x、y、z各方向三次保护构造1ec 规格 1p50连接方式接插件式（不可进行软钎焊）质址约 2.6 g外壳材质聚碳酸酯（pc）3.2.3微动开关的选择在该立体仓库控制系统中共有13个仓位（四层十二个仓位加0号仓位）分别采用 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 x22-x36；另外为保险起见，在x轴的左限位和y轴的下

49、限位处述分别加装了 1只微动 开关作限位保护，以确保立体仓库在程序出错时不损坏；微动开关原理图如图3.9所示。o<>孑常开点孑中间接线图3. 9微动开关原理图3.3 plc控制器3. 3. 1 plc 概述可编程控制器，英文称programmable controller,简称plc,本课题中用plc作 为它的简称。plc是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电了计 算机。它通过运行存储在其内存屮的程序，把经输入屯路的物理过程得到的输入信息， 变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。plc基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计

50、算机进行入出信息变换时, 大多只考虑信息木身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而plc则要考虑信息入出的 可靠性、实时性，以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装, 便于维修及抗干扰等问题，入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是plc实现控制的 两个基木要点。plc可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控 制装置多的多、强的多。plc有丰富的指令系统，有各种各样的i/o接口、通信接口，有大容量的内存，有 可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：逻辑处理功能；0数据运算功能； 准确定时功能； 高速计数功能；（5）中断处理（可以实现各种内外中断）功能；程序

51、与数据存储功能；联网通信功能；0自检测、自诊断功能。可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，plc几乎也都可以做到。像plc这样。集丰富功能丁一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制 电路所无法比拟的。丰富的功能为plc的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行 业的远程化、信息化及智能化创造了条件。3. 3. 2 plc的选型在plc系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是plc工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和佔算时，应 详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然 后根据控制耍求，估算输入输出点数、所需

52、存储器容量、确定plc的功能、外部设备 特性等，最后选择有较高性能价格比的plc和设计相应的控制系统。1. 输入输出（i/o）点数的估算i/o点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10% 20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商 plc的产品特点，对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法故本课题的i/o点数为输 入40点，输出21点。2. 存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器木身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器 屮用户应用项日使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由 于用户应用程序还未编制，因此，

53、程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试z后才 知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上 都是按数字量i/o点数的1015倍，加上模拟i/o点数的100倍，以此数为内存的总字 数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的plc内存容量选择 应能存储5000条梯形图，这样才能在以后的改造过程小有足够的空间。3. 控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特 性的选择。根据本课题所设计的自动门控制的需耍，主要介绍以下儿种功能的选择

54、。（1）控制功能plc主耍用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单冋路或多冋路控制器解决 模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高plc 的处理速度和节省存储器容量。（2）编程功能离线编程方式：plc和编程器公用一个cpu,编程器在编程模式时，cpu只为编 程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，cpu对 现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成木，但使用和调试不方 便。在线编程方式：cpu和编程器有各口的cpu,主机cpu负责现场控制，并在一个 扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机

55、，下一 扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便, 在人中型plc中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（sfc）、梯形图（ld）、功能模块图（fbd）三 种图形化语言和语句表（il）、结构文本（st）两种文本语言。选用的编程语言应遵守 其标准（iec6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如c, basic等,以满足特 殊控制场合的控制耍求。（3）诊断功能plc的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的 故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对plc内部的性能和功能进行诊断 是内诊断，通过软件对plc的cpu与外

56、部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外 诊断。4. 机型的选择（l）plc的类型fx2系列可编程控制器主机分为16、24、32、64、80、128点六档，述有各种输入 和输出扩展单元，这样在增加i/o点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入。木课题设计的立体仓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、超限位保护等等 输出有三个步进电机的正反向、动作指示、错误显示等等。按照上述配置，所选i/o点 不得低于61点，结合实际情况，所选i/o点为80点。因此我所选型号为fx2n-80mro(2)经济性的考虑选择plc时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、 可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接彩响。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相 应增加，因此，点数的增加对cpu选用、存储器