自动化立体仓库毕设论文

1、本科毕业设计（论文）基于PLC的自动化立体仓库设计摘要自动化立体仓库也称自动化存取系统AS/RS(Automatic Storage& Retrieval System)，是在不直接进行人工参与的情况下自动地存储和取出货物的系统。自动化立体仓库采用高层仓库货架存储货物，用专门的仓储搬运机械设备进行货物出入库作业。用可编程控制器PLC控制的自动化立体仓库实现了物流机械和计算机技术的完美结合，推动了仓储技术的全面自动化。基于PLC的自动化立体仓库系统是根据自动化立体仓库运行的基本原理而设计的。在整个控制系统中，以三菱FX2N系列的PLC作为系统中的核心控制元件，控制面板作为人机接口部件，采用3*3

2、+1的仓库货架来存储货物，由两个步进电机来驱动巷道式堆垛机在水平和竖直方向上的运动，由一个直流电机完成货叉的取放货操作。另外，为了保证整个控制系统运行的稳定性和可靠性，在每一个仓位上设置光电传感器进行货物检测，并采用了限位开关在故障状况下进行断电急停保护。 通过理论研究和逻辑推理，表明本论文所研究的自动化立体仓库技术具有一定的先进性和实用性，具备广阔的应用前景。关键词自动化立体仓库；可编程控制器（PLC）；步进电机 IIIAbstractAutomated warehouse, also known as automated retrieval system AS / RS (Automati

3、c Storage & Retrieval System), is a system which automatically store and retrieve goods without direct human involvement. Automated warehouse uses high-level storage shelves to store goods, and completes storage operations with a special cargo warehouse handling machinery and equipment. Automated wa

4、rehouse which is based on PLC achieves the perfect combination of logistics and computer technology, and promotes the fully automation of Storage Technology.PLC-based automated warehouse system is based on the basic principles of automated warehouse designed to run on. In the control system, the PLC

5、 Mitsubishi FX2N series is as the core of the system control element, the control panel member is as a human interface, a 3*3+1 warehouse shelves is for storing goods, the stepper motor is to drive the two roadway stacker movement in the horizontal and vertical directions, a DC motor forks take deli

6、very of the goods to complete the operation. Further, in order to ensure the stability and reliability of the operation of the control system, a position detecting photoelectric sensor is provided on each cargo, and the limit switch trip is used in the emergency power-off protection at the fault con

7、ditions. This thesis warehouse automation technology has certainly advancement、practicability and broad application prospects, through theoretical and logical reasoning.Keywords automated warehouse； programmable logic controller (PLC) ； stepper motor III 目 录摘要IAbstractIII第1章 绪论11.1 自动化立体仓库概述11.2 国内外

8、研究现状11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状21.3 课题研究意义21.3.1 社会意义21.3.2 科技意义31.4 未来发展趋势3第2章 自动化立体仓库设计方案52.1仓库系统的结构设计52.2仓库系统实现的功能62.3 仓库系统设计中的核心问题及解决方法62.4 本章小结7第3章 系统硬件设计93.1 主要硬件模块介绍93.1.1控制面板93.1.2仓库货架93.1.3仓储机械设备103.1.4 光电传感器153.1.5 电源模块173.2 可编程控制器PLC183.2.1 PLC的定义及特点183.2.2 PLC的工作原理193.2.3 PLC的选型203.2.4 PL

9、C输入输出I/O口分配223.3 系统电气原理图设计243.3.1 电气原理图设计的基本步骤243.3.2 电气原理图的设计方法243.3.3 主电路电气原理图253.3.4 控制电路电气原理图273.3.5 元器件目录清单293.4 系统技术参数的计算与确定293.5 本章小结30第4章 系统软件设计314.1 PLC梯形图概述314.2 三菱编程软件的特点324.3 系统程序设计334.3.1 流程图设计344.3.2 PLC程序374.4 本章小结44结论45参考文献47致 谢49附录151附录269附录377附录495附录5995第1章 绪论 第1章 绪论1.1 自动化立体仓库概述根据

10、国际自动化仓库会议(International Conference on Automatic Warehouse)的定义，所谓自动化立体仓库(Automated High-rise Warehouse)就是采用几层、十几层乃至几十层的高层货架存放货物，以巷道堆垛起重机为主、并结合入出库周边机械设备来进行作业的一种仓库。由于这类仓库能充分的利用空间来储存货物，故常形象地将其称为自动化立体仓库。自动化立体仓库的形式主要分为整体式仓库(Building type：Building in rack supported)和分离式仓库(Unit type：Building is freestanding

11、 front rack structure)两个基本的类型。自动化立体仓库起始于整体式仓库。它由货架项部支撑建筑屋架，在货架边侧安装墙围，货架与建筑物成为一个整体。其主要特点是建筑费用较低，抗震性强，尤其适用于建设15米以上的大中型自动化立体仓库。整体式仓库具有技术水平高、投资大和建设周期长等问题，适用于大型企业和流通中心相反，分离式仓库的货架结构自成一个单元，与建筑无关，呈独立、分离状态，适用于车间存储仓库、旧仓库技术改造革新和中小型自动化立体仓库。本次设计的是中小型分离式自动化立体仓库，其基本系统主要有四个组成部分：储存货架、存取设备、输入输出设备、控制系统。这类仓库由于其投资小，建设周期

12、短，空间利用率高、出入库能力强、采用计算机进行控制等特点，利于企业实施现代化管理，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储设备，越来越受到企业的青睐和重视。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状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。50年代初，在美国率先出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库; 50年代末60年代初出现了司机人工操作的巷道式堆垛起重机立体仓库; 1963年美国首次在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座基于计算机控制的立体仓库。自60年代以来，美日欧等国家和地区设

13、计和投入使用的立体仓库越来越多，立体仓储技术也逐步发展成为专门的新兴学科，目前巷道式堆跺机为主要发展方向。据不完全统计，美国有各种类型的自动化立体仓库20000多座，日本有38000多座，德国有10000多座，英国有4000多座，前苏联有1500多座1。1.2.2 国内研究现状中国对自动化立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，早在1963年就研制成第一台桥式堆垛起重机(由机械部北京起重运输机械研究所研制)，1973年研制出我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库(高约15 m，机械部起重所负责)，该库1980年投入正常运营。由北京机械工业自动化研究所等单位研制成的我国第一座自动化立体仓库，在

14、北京汽车制造厂进入投产。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，目前我国己经建成的立体仓库近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自化立体仓库，是目前我国独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体仓库2。近些年我国自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，并且具备一定规模的开发能力，目前正在做智能控制和模糊控制的进一步研究工作。尽管如此，至今在我国已建成的集成化的自动化立体仓库系统还不是很多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从建设水平上还是从数量上都存在着比较大的差距。1.3 课题研究意义1.3.1

15、社会意义自动化立体仓库的主要特点在于以高层货架为标志，以成套先进运输设备为基础，以先进的计算机控制技术为手段，高效率地利用仓储空间，节约人力、物力和财力进行各种出入库作业，具有巨大的社会经济效益，因此在机械生产业、电器制造业、航空港、轻工和化工企业、商储业、军需部门等各行各业中得到了普遍应用。其中自动化立体仓库集机械、电子、控制、计算机技术于一体，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发挥着重要作用。其科技含量高，货物存取效率高、自动化程度高，让自动化立体仓库具有广阔的市场前景,所以为了更加合理利用资空间源、保证社会供求平衡、提高现代物流运输效率，我们应该为提高自动化

16、立体仓库先进性、可靠性，提高其经济效益和社会效益，提高我国的物流技术水平做出我们应有的贡献3。 1.3.2 科技意义近些年我国更加重视教育的发展，自动化立体仓库技术在这个大环境下也有了显著地进步和发展，但尽管如此，比较成熟的自动化立体仓库系统在我国还是不太多见，无论是从数量上还是从建设水平上，我国的自动化立体仓库与国外发达国家还是存在着比较大的差距，其主要原因就是自动化程度不高，控制技术不成熟。在自动化立体仓库控制系统中采用PLC控制器进行编程控制是一个很大的技术领域的飞跃，因为PLC控制器有很多优点，其功能强大，可靠性高，抗干扰能力强，维修方便，易于实现机电一体化，完全可以满足自动化立体仓库

17、系统对于工作环境和控制技术的要求。所以近几年来，基于可编程控制器PLC与微机控制搬运设备的仓库以及采用计算机管理与PLC联网控制的全自动化仓库在整体立体仓库中的比重不断增加。当然随着科技的发展也逐渐证明，非自动化仓库系统己不再是我们现代物流运输的研究发展方向。为了适应工业发展的形势与需求，出现了规模更小，反应速度更快，用途更广的自动化立体仓库系统，并且达到了很高的仓库空间利用率。1.4 未来发展趋势随着我国加入WTO，加快了经济全球化的进程，近一步促进了物资流通，货物储运发送量越来越大。可以预测，今后市场对仓储物流设备的需求量将有更大幅度的增长，而且将在存取率、自动化程度、信息化程度等方面提出

18、更高的要求。目前，自动化立体仓库正在向集成化、智能化、信息化、小型化、专业化5方向发展，只有增强系统的控制柔性，提高系统的运行反应速度，才能更好的适应工作现场的不同要求。在自动化立体仓库的设计和发展中要紧紧的把握自动化立体仓库的发展动向，了解社会各方面的真实需求，才能设计出合理、实用、高效的自动化立体仓库系统，在实现仓储自动化的基础上，达到经济的最优化，做到性能与经济的统一，为企业的生产物流管理带来更大的便利和经济效益，真正推动中小型企业的现代化管理。 第2章 自动化立体仓库设计方案 第2章 自动化立体仓库设计方案2.1仓库系统的结构设计基于PLC控制的自动化立体仓库能较好地满足特殊仓储环境的

19、需要,保证货品在整个仓储过程的安全运行,明显的提升了出入库作业质量;由于采用了高层存储货架和自动化管理系统,大大提高了仓库的单位面积利用率；减少了货物和信息处理过程中差错的出现及造成的损失，便于实现系统的整体优化管理与升级。通过参考自动化立体仓库系统实物的一般结构形态，设计微型模拟自动化立体仓库，主要由控制面板、PLC控制器、仓库货架、仓储机械设备、电源模块和光电传感器等组成，简要实现过程：操作人员通过控制面板，对自动化立体仓库输入操作命令，比如将货物送到某一仓位，控制面板将这一命令传送给PLC控制装置，PLC控制装置会首先去接受来自仓库光电传感器模块的反馈检测信息，如果该仓位没有货物占据位置

20、，则PLC控制装置接收到这一检测信息后将会调用送货命令的相应子程序并执行，以此来驱动仓储机械设备把货物运送到合适的仓位，完成送货的任务。根据各个模块的功能，合理排列模块之间的位置，设计了一个微型自动化立体仓库的整体结构，如图2-1所示：图2-1 微型自动化立体仓库的整体结构第2章 自动化立体仓库设计方案 2.2仓库系统实现的功能自动化立体仓库系统是基于PLC控制的，实现的主要功能如下： 1) 自动将货物送进某一指定仓位；2) 自动将某一指定仓位货物取出；3) 将起始0仓位的货物运送到任意仓位；4) 将任意仓位的货物取出至起始0仓位；5) 将某一仓位的货物送至另一仓位；6) 实现整体仓位的货物检

21、测；7) 仓库运行故障情况下急停保护；2.3 仓库系统设计中的核心问题及解决方法自动化立体仓库系统要实现的功能比较多，因此结构功能设计也相对复杂一点，在研究自动化立体仓库的设计中，主要遇到了以下几个问题：1)货物仓位的准确定位常用的定位办法采用三维X、Y、Z轴坐标定位法。可以把巷道式堆垛机的移动分解为水平(X轴)和竖直(Y轴)两个方向，通过控制这两个方向上的位移多少来进行定位，即可以将货物送到准确的仓库位置，之后将货叉的取送货移动作为Z轴方向运动，因此在硬件结构设计的时候，在动力驱动控制上可以采用两个步进电机，分别给水平(X轴)移动和竖直(Y轴)移动提供动力，从而准确到达指定仓库位置。PLC发

22、出一定数量的脉冲，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，即实现通过输入不同数字脉冲量使机械到达不同的位置，需要做到的就是控制步进电机到达指定仓位走多少个单位长度。2)到达指定仓位后，货叉的取放操作巷道式堆垛机在到达指定的操作仓位后，可通过控制传送平台上的货叉前后和上下移动来进行货物出入库作业。我们已将水平方向和垂直方向的移动设为X轴方向和Y轴方向，把货叉的前后移动设为Z轴方向。取货的时候，货叉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，货叉先向前伸入至仓位中(+Z方向)，然后往下

23、放下货物(-Y方向)，最后缩回(-Z方向)，以此来有效的实现取放货操作。另外，为了使货叉在不规律交替取放货时位置能够统一，通过计算给货叉设定一个固定停放位置。3)PLC控制器接到操作命令时，响应前仓位情况的判断对于这个问题，可以通过在每个仓位上安装光电传感器来实现。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，当仓位中货物已满时，光电传感器接收到遮光信号后转变成电信号，进而可将此信号传送给PLC控制器，当然，在光电传感器与PLC输入口连接时要具体考虑供电电压及容量等问题，因此PLC控制器可根据接收到光电传感器的信号判断仓位是否有货物并决定如何响应。4) 意外故障情况时，机械装置的保护措施对于保

24、护机械装置在各个方向的移动，可以在立体仓库中设置极限限位开关，从而在仓储机械设备移动时实施必要的保护，设置X轴前进后退极限位保护和Y轴上行极限位保护。通过以上保护限位开关的存在，可以确保操作人员在编程实验调试或是立体仓库实际运行出错时，及时切断步进电机的供电电压，不对装置造成损坏，提供系统的安全性和可靠性。2.4 本章小结本章简明的介绍了自动化立体仓库方案中的模块组成，说明了系统可以实现的控制功能，并且对于方案设计确立过程中遇到的核心问题与解决方法进行了详细的说明。9第3章 系统硬件设计 第3章 系统硬件设计3.1 主要硬件模块介绍自动化立体仓库系统硬件结构主要由控制面板，仓库货架，仓储机械设

25、备，光电传感器、电源模块等组成，其具体结构介绍如下。3.1.1控制面板控制面板作为自动化立体仓库系统的人机接口部件，是操作人员操控立体仓库系统的平台。主要设有系统起停按钮区、功能键盘输入区、仓位号显示区和状态指示区。面板中间的绿色按钮为启动按钮，红色按钮为停止按钮，启动后操作人员可以通过控制面板上的键盘将具体操作信号和指定的仓位号传送给PLC控制器，PLC控制器通过综合判断，将是否响应、如何响应的信息传送给其他模块，从而控制物品的取或送操作。同时面板上仓位号显示区的七段共阴极数码管可以把当前进行操作的仓位的标号显示出来，三个黄色状态指示灯可以显示系统此时处于“取货”、“送货”或是“操作错误”的

26、状态。控制面板示意图如图3-1所示：图3-1 控制面板示意图3.1.2仓库货架 目前的仓库货架具有多种功能，以满足机械化和自动化的要求。自动化立体仓库使用高层货架存储货物，货架被分成若干排，每排货架为一组，其间留有一条巷道供堆垛机或其他存取货物装备作业。每排货架又分若干行和列，形成大量仓库货位，用以存储货物。为了提高货物出入库效率，自动化立体仓库一般使用货箱或托盘盛放货物，以便于堆垛机货叉的插取和存放。此次自动化立体仓库系统采用3*3+1微型仓库货架进行模拟设计，其中0仓位为原始仓位，设有原始0号仓位检测限位开关，不涉及货物存放，只是堆垛机的起始停放处。整体仓库货架简要示意图如图3-2所示：图

27、3-2 3*3+1微型仓库货架示意图3.1.3仓储机械设备 自动化立体仓库的仓储机械设备主要是巷道堆垛机，巷道堆垛机也是整个自动化立体仓库系统的核心设备，其主要用途是在高层货架的巷道内来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存放入指定仓位中，或者将货物取出运送到巷道口。巷道堆垛机按结构分为：单立柱型堆垛机、双立柱型堆垛机、梯形立柱堆垛机；按运行轨迹分为：直线运行型堆垛机、曲线运行型堆垛机；本次设计的自动化立体仓库系统按照具体设计功能要求，采用直线运行型、单立柱型有轨巷道堆垛机作为自动化立体仓库的核心运输设备。它主要由机架（天轨、地轨、立柱、底架）、水平走行机构、竖直升降机构、载货台、货叉及电气控制系统

28、构成。图3-3为直线运行型单立柱有轨巷道堆垛机结构示意图：图3-3 直线运行型单立柱有轨巷道堆垛机结构示意图巷道堆垛机结构中走行驱动和升降驱动分别由两台步进电机进行控制，货叉的取放货物操作则由一台直流电机进行控制。步进电机为系统中的主要执行元件，选择步进电机的主要原因是其适用于开环控制，而且其控制精度较高，同时也是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通过控制脉冲个数可以很方便的控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积累，可以达到准确定位的目的。步进电机是PLC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，最终转子沿某一方向转动的步数就等于系统发出的电

29、脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目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，最终实现位置的定位控制。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，步进电动机的这种精确的控制定位功能，是其它电动机无法比拟和替代的,解决了自动化立体仓库系统核心问题。在步进电动机的选择时，首先要考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是具体的品种选择。步进电机主要分为三类：1）永磁式步进电机：一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。2）反应式步进电机：一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.

30、5度，但噪声和振动都很大。3）混合式步进电机：指混合了永磁式和反应式步进电机的优点，它又分为两相和五相。两相步进角一般分为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，这种步进电机的应用最为广泛。该自动化立体仓库设计中需要步进电动机电压低、电流小、有定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，故确定步进电动机采用2相8拍混合式步进电机，其主要特点是：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点；在进行步进电动机的品种选择时，综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩、额定转矩和运行频率，确定步进电机型号为： 42BYGHl01。电气原理图如下图3-4所示。快接线插头： A相和B相；如果发现步进电机转向不对时可以

31、将A相或B相中的两条线对调调整。图3-4 2相8拍混合式步进电机电气原理图步进电机电气参数：l 电机型号：42BYGHl01l 相数：2l 步距角：1.8度l 相电流：1.7Al 驱动电压：DC24Vl 额定转矩：0.44NMl 净重：0.24kg步进电机与交直流电动机不同的是，仅仅接上供电电源，它是不会正常运行的。步进电动机需要专门的驱动装置供电，步进电机驱动器和步进电动机是一个有机的整体，步进电动机的运行性能是电动机及其驱动器二者配合所反映的综合效果。步进电机驱动器是一种能使步进电机运转的功率放大器，能把PLC控制器发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移，电机的转速与脉冲频率成正比，所以控制

32、脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数就可以精确定位。下图3-5为步进电机驱动器内部结构示意图：图3-5 步进电机驱动器内部结构示意图其中：1. 接口电路：用光电隔离方式将运动控制器和驱动器连接起来，避免驱动器中的大电流干扰信号经地线窜入运动控制器电路。2. 环形分配器：将脉冲及方向信号按设定的节拍方式，转换为功放管的导通和截止信号，从而控制各相绕组的通电和断电。3. 功率放大器：将电源功率转换为电机输出功率驱动负载运动。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，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此

33、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。OPTO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，在自动化立体仓库系统中PLC的COM1提供+5V电压，保证给驱动器内部光耦提供合适的驱动电流。步进电机驱动器具体接线图如下图3-6所示：图3-6 步进电机驱动器具体接线图经比较采用SH系列步进电动机驱动器与42BYGHl01步进电机配合使用，型号为SH-2H057。SH-2H057步进电动机驱动器采用铸铝结构，此种结构主要用于小功率驱动器。步进电机驱动器的电气参数为：l 驱动器型号：SH-2H057l 相数：二相l 类别：混合式l

34、 拨位开关设定细分数：二相八拍l 最大相电流开关设定：3.0Al 工作电源：一组直流DC(24V-40V)直流电机的作用是带动货叉工作，控制货物的出入库取放操作，控制货叉在Z轴方向上的运动。直流电机正转，货叉伸入仓位；直流电机反转，货叉缩回退出仓位。直流电机功能和原理比较简单，在自动化立体仓库系统中，选用ZD1320013300型号，具体技术参数如下：l 额定功率：0.08-0.30kWl 额定电压：1224VDCl 额定转速：2000-5000rpml 外形尺寸：78x125mm3.1.4 光电传感器光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器.它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借

35、助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器在一般情况下，有三部分构成：图3-7 光电传感器结构图它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器由光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。在此次自动化立体仓库的设计中，经过性能与经济性的综合比较，最终决定采用日本欧姆龙OMRON型号EE-SY672光电传感器作货物检测

36、，它是欧姆龙自动化（中国）有限公司的反射型、立式产品，其内置可进行灵敏度调节的旋钮；入光指示灯明亮，便于进行动作确认；内置专用IC，最大可直接开关100mA，设计紧凑；电源电压范围宽达DC524V；便于驱动各种IC、继电器以及连接PLC。其输出回路如下图3-8所示：图3-8 光电传感器输出回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。以下为日本欧姆龙OMRON型号EE-SY672光电传感器的技术参数：l 检测距离15mm(反射率90%白纸1515mm)l 标准检测物体1515mm以上的透明体不透明体l 应差距离0.5mm(检测距离3mm、横方向)l 光

37、源(最大发光波长) GaAs红外发光二极管(940nm)l 显示灯* 1入光时灯亮(红色)l 电源电压DC524V10%、脉动(p-p)10%以下下l 消耗电流40mA以下l 控制输出NPN集电极开路输出负载电源电压DC524V、负载电流100mA以下l 残留电压0.8V以下(负载电流100mA时)l 残留电压0.4V以下(负载电流40mA时)l 应答频率 250Hz以上(平均值500Hz)l 使用时环境照度* 3受光面照度荧光灯1,500 lx以下l 环境温度动作时：-25+55、保存时：-30+80(不结冰)l 环境湿度动作时：585%RH、保存时：595%RH(不结露)l 振动(耐久)

38、202,000Hz(最大加速度100m/s2)l 复振幅1.5mm X、Y、Z各方向2h(4min周期)l 冲击(耐久) 500m/s2 X、Y、Z各方向3次l 保护结构IEC规格IP50l 连接方式接插件式(能直接进行软钎焊)l 质量约3.5g(调节用螺丝刀)l 材质外壳聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)l 投/受光部聚碳酸酯（PC）l 附件调节用螺丝刀在自动化立体仓库中，为了与货物检测相关PLC信号的准确输入，分别对应于9个仓库货架采用9个光电传感器作为货物检测，当有光电传感器检测到货物时相应信号传递到PLC控制器中，其信号对应PLC的输入点是X16-X26 。3.1.5 电源模块在自动化立体

39、仓库系统的设计方案中，需要供电的设备的具体要求如下：1) 步进电机： 驱动电压DC 24V2) 步进电机驱动器： 工作电压DC 24V-40V，取24V3) 直流电机： 输入电压DC 12V-24V，取24V4) 控制器三菱系列PLC： 工作电压DC 24V5) 光电传感器： 电源电压DC 5V-24V，取24V6) 七段数码管： 工作电压DC 24V7) PLC输出与步进电机驱动器相连的COM1：DC 5V综合上述设备用电要求，电源模块需要提供低压直流电，要想从220V市电变换成直流电，应先将电网220V交流电通过变压器降压变压成36V低压交流电，再经过桥式整流电路变成脉动的直流电，后用滤波

40、电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到直流电，最终经稳压输出电路获得高质量的直流电供给自动化立体仓库系统中需要供电的设备，具体结构图如下图3-9所示：图3-9 电源模块具体结构图在稳压电路中，选择使用LM78XX系列三端稳压管组成正电压稳压电路。LM78XX 系列是美国国家半导体公司的固定输出三端正稳压器集成电路，是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体集成芯片，其输出电流 1A 以上，内置过热保护电路，无需外部元件，输出晶体管安全范围保护，且内置短路电流限制电路。在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源

41、与限幅电路之中。自动化立体仓库系统中，使用LM7805和LM7824分别产生+5V和+24V的稳定直流电压，除特殊说明和设计要求外，参数为： 0Tj125C,Io=500mA,Vi=30-40V,Ci=0.33F,Co=0.1F,具体电气连接图如下图3-10所示：图3-10 电源模块电气连接图3.2 可编程控制器PLC 3.2.1 PLC的定义及特点可编程序控制器PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程序

42、控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。PLC是综合了继电器接触器控制的优点以及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展起来的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。具体优点如下：1) 可靠性高，抗干扰能力强2) 通用性强，使用方便3) 采用模块化结构，是系统组合灵活方便4) 编程语言简单、易学，便于掌握5) 系统设计周期短6) 对生产工艺改变适应性强7) 安装简单、调试方便、维护工作量小PLC 自产生至今只有几十年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化控制领域的主要支柱产品之一，为工业自动化生产提供了非常可靠的应用控制，广泛应

43、用于冶金、轻工业、机械制造等各个领域，极大的推进机电一体化的进程，提高了生产效率，由此可见，PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位是无法取代的。3.2.2 PLC的工作原理和继电器控制器系统类似，PLC也可以分为输入部分、逻辑部分和输出部分。各部分的主要作用是：输入部分：它收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。例如，它收集来自被控制对象上的各种开关信息或操作台上的操作命令等。逻辑部分：处理输入部分所取得的信息，并按照被控对象实际的动作要求做出反应。输出部分：提供正在被控制的许多装置中，哪几个设备需要实时操作处理。PLC通过编程器编制控制程序，即将PLC内部的各种逻辑部件按照控制工艺进行

44、组合以达到一定的逻辑功能。PLC将输入信息采入PLC内部，之后执行逻辑部件组合后所达到的逻辑功能，最后输出达到控制要求。这就是PLC基本控制原理。3.2.3 PLC的选型据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。目前，各厂家生产制造的自动化立体仓库基本上都采用PLC作为堆垛机控制系统的核心控制单元，只是采用的品牌、型号有所差异。主要由以下几方面进行选型参考：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调整。

45、本次设计的自动化立体仓库系统中需要的I/O点数为输入30点，输出18点，故选择64点的PLC比较合适。2存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目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，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。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参考计算公式，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

46、字），另外考虑余量的话，再按此数的125%选取。因此自动化立体仓库系统的PLC内存容量选择应能存储大概5000条梯形图，这样才能在以后的使用和改动过程中有足够的空间。3控制功能的选择三菱系列PLC的优势在于离散控制和运动控制，三菱系列PLC指令丰富，有专用的定位指令，控制伺服和步进容易实现，要实现某些复杂的动作控制也是三菱系列PLC的强项，而西门子系列PLC在这块就较弱，对于过程控制与通信控制，西门子系列PLC是强项，西门子系列PLC的模拟量模块价格便宜，程序简单，而三菱系列PLC的模拟量模块价格昂贵，程序复杂，西门子系列PLC做通信也容易，程序简单，三菱系列PLC在这块功能较弱没有专用的指令

47、，做伺服控制不是不能实现，而是程序复杂，控制精度不高。针对此次设计需求，自动化立体仓库的控制主要以离散控制为主，巷道堆垛机使用步进电机进行精确定位动作控制，取其长处，避其短处，可优先选择三菱系列的PLC。4. 经济性的考虑选择PLC时，应综合考虑控制器的性能价格比。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影响。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、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑系统的规模，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本课题

48、所设计的自动化立体仓库属于小型控制系统，基于经济性的考虑，可选择整体型PLC。三菱PLC（Mitsubish Programmable Logic Controller）主要有FX1N、FX1S、FX2N、FX3U、FX2NC、FR-A、FR-Q等几个系列，其中FX2N是FX系列PLC家族中最先进的系列，由于FX2N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力，故选择的FX2N系列，此系列分为16、24、32、64、80、128点六档，还有各种输入和输

49、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。其中，在自动化立体仓库系统中，PLC控制步进电机动作完成仓位定位，为了能够满足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、1A级脉冲电流的脉冲驱动要求 ，PLC必须采用大功率晶体管的输出端口。综合上述配置要求并结合实际情况，本次设计的自动化立体仓库系统其输入点数为30点、输出点数为18点，所以选择晶体管输出型三菱系列PLC FX2N-64MT，32点输入,32点晶体管输出，基本单元内置2轴独立最高20kHz定位功能脉冲输出，限于Y0或Y1。3.2.4 PLC输入输出I/O口分配PLC与电气回路的接口，是通过输入输出

50、部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出等模块。根据任务书对自动化立体仓库的输入输出控制要求，得出如下PLC输入输出I/O口分配表：表3-1 PLC输入输出端口分配输入/输出端口功能文字符号X0系统启动SB1X1系统停止SB2X2取货SB3X3送货SB4X4急停/复位SB5X51号仓位选择按键SB6X62号仓位选择按键SB7X73号仓位选择按键SB8X104号仓位选择按键SB9X115号仓位选择按键SB10

51、X126号仓位选择按键SB11X137号仓位选择按键SB12X148号仓位选择按键SB13X159号仓位选择按键SB14X161号仓位货物检测K1X172号仓位货物检测K2X203号仓位货物检测K3X214号仓位货物检测K4X225号仓位货物检测K5X236号仓位货物检测K6X247号仓位货物检测K7X258号仓位货物检测K8X269号仓位货物检测K9X27X轴前进限位开关SQ1X30X轴后退限位开关SQ2X31Y轴上行限位开关SQ3X32Y轴下行限位开关SQ4X33Z轴送进限位开关SQ5X34Z轴取出限位开关SQ6X35原始0号仓位检测限位开关SQ7Y0X轴步进电机脉冲输出Y1Y轴步进电机脉

52、冲输出Y2X轴步进电机方向控制Y3Y轴步进电机方向控制Y4Z轴电机正转送进KM1Y5Z轴电机反转取出KM2Y6取货显示灯HL1Y7送货显示灯HL2Y10数码管a段aY11数码管b段bY12数码管c段cY13数码管d段dY14数码管e段eY15数码管f段fY16数码管g段gY17空Y20操作错误显示灯HL3Y21故障状况电源切断KM3 3.3 系统电气原理图设计3.3.1 电气原理图设计的基本步骤1) 根据选定的方案及控制方式设计系统的原理框图，拟订出各部分的主要技术要求和主要技术参数；2) 根据各部分的要求，设计出原理框图中各个部分的具体电路；3) 绘制总原理图。按系统框图结构将各部分联成一个

53、整体；4) 正确选用原理线路中每一个电器元件，并制订元器件目录清单；3.3.2 电气原理图的设计方法分析设计法 ：所谓分析设计法是根据生产工艺的要求去选择适当的基本控制环节（单元电路）或经过考验的成熟电路，按各部分的联锁条件组合起来并加以补充和修改，综合成满足控制要求的完整线路。当找不到现成的典型环节时，可根据控制要求边分析边设计，将主令信号经过适当的组合与变换，在一定条件下得到执行元件所需要的工作信号。设计过程中，要随时增减元器件和改变触点的组合方式，以满足拖动系统的工作条件和控制要求，经过反复修改得到理想的控制线路。由于这种设计方法是以熟练掌握各种电气控制线路的基本环节和具备一定的阅读分析

54、电气控制线路的经验为基础，所以又称为经验设计法。 逻辑设计法 ：逻辑设计法是利用逻辑代数这一数学工具来进行电路设计，即根据生产机械的拖动要求及工艺要求，将执行元件需要的工作信号以及主令电器的接通与断开状态看成逻辑变量，并根据控制要求将它们之间的关系用逻辑函数关系式来表达，然后再运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化，使之成为需要的与或关系式，根据最简式画出相应的电路结构图，最后再作进一步的检查和完善，即能获得需要的控制线路。采用逻辑设计法能获得理想、经济的方案，所用元件数量少，各元件能充分发挥作用，当给定条件变化时，能指出电路相应变化的内在规律，在设计复杂控制线路时，更能显示出它的优点。这两种方法各有千秋，在自动化立体仓库系统的设计中综合两种设计方法对系统的电气原理图进行分析与绘制。3.3.3 主电路电气原理图自动化立体仓库系统电气控制系统主电路原理图如3-11所示：图3-11