基于PLC的立体仓库控制系统的设计.pdf

摘要随着国民经济的飞速发展,自动化立体仓库必然会在各行各业中得到越来越 广泛的应川。自动化立体仓库是现代物流系统的重要组成部分,是种多层存放 货物的高架仓库系统,由自动控制与管理系统、高位货架、巷道堆垛机、自动入 库、自动出库、计算机管理控制系统以及其他辅助设备组成。本仓库模型控制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PLC作为核心控制元件,专用键盘作为人机接口 部件,控制步进电机来驱动个有三自由度的仓库模型在高强度导轨上做三维运 动。以步进电机每转输出的脉冲数为基础,通过键盘对每个仓位予以地址编码,通过PLC对命令键盘进行扫描并得到相应的仓位号,当PLC接收到来自键盘的输 入命令后,便输出对应仓位的脉冲数,经过驱动器驱动步进电机按设定的方向转 动一定的角度,进而控制传动部件丝杠旋转进行准确的定位,以完成货物的存取 功能。另外,为了保证整个控制系统运行的稳定性和可靠性,我们还采用了限位 开关对其进行限位保护。本文首先对该课题的可行性及课题实现的现实意义和价值进行了介绍;其 次对该系统的硬件组成、结构、原理进行了阐述和分析;再次对本控制系统的核 心软件进行了编写,论文中即有梯形图又有相应的语句表;最后对设计本课 题所学到的知识和结论进行归纳和总结,并对本论文有待完善的地方进行扼要的 说明。关键字:立体仓库 可编程控制器（PLC）步进电机 物流管理目录1.绪论.21.1 本课题设计的背景.21.2 本课题设计的内容.31.3 本课题设计的目的和意义.42.系统控制方案的确定.42.1 自动化立体仓库的概述.42.2 采用PLC控制立体仓库的优点.52.3 系统设计的基本步骤.52.4 系统控制方案.72.5 立体仓库技术参数的确定.93.系统硬件设计.93.1 控制系统结构设计.93.2 可编程控制器(PLC)的选型.103.2.1 PLC 概述.103.2.2 PLC 的选型.113.3 步进电机的选择.133.3.1 步进电机的原理.133.3.2 步进电机的选择.133.4 步进电机驱动器的选择.163.5 传感器的选择.183.6 微动开关的选择.203.7 PLC输入输出分配表.203.8 电气原理图的设计.214系统控制软件设计.224.1 PLC梯形图概述.224.2 三菱编程软件的特点.234.3 系统流程图.244.4 梯形图的设计.265.系统调试及结论.265.1 梯形图程序的下载(传送).265.2 程序运行过程记录.275.3 结论.28附录I PLC设计的梯形图.29参考文献.39第1页共44页引言可编程控制器（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,国外已广泛应用于自动化控制的 各个领域,并已成为实现业生产自动化的支柱产品。近年来,国内在PLC技术与产品开 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;价格上能与继电一接触器控制系统竞争;易于在现场变更程序;便于使用、维护、维修;能直接推动电磁阀、接触器与于之相当的执 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动化立体仓库也称立库,是在不直接进行人工参与的情况下自动地存储和取出物料的 系统。它是采用高层货架存储货物,用专门的仓储作业设备进行货物出入库作业的仓库。与 传统继电器接触装置相比,PLC具有体积小、抗干扰能力强和可靠性高等优点。现代意义 上的立体仓库,是物流机械和计算机技术地完美结合,仓库作业全部实现自动化.1.绪论1.1 本课题设计的背景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之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重机的立体仓库;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,日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 有自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（机械部北京起重运输机械研究所），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（高15米,机械部起重所负责）,该库1980年投入运行。到目前为止,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、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,已成为企业物流和生产管 第2页共44页理不可缺少的仓储技术,越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要有 机械、冶金、化、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)70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,真正成为种电子计算机工业控制装置,故称为可编程控制 器,简称 PC(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年国际电委员会(IEC)对PLC的定义如下:可编程控制器是种进行数字运算的电子系统,是专为在业环境下的应用而设计的 业控制器,它采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)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于一体的种新型工业控制装置,已 跃居工业自动化三大支柱(PLC、ROBOT、CAD/CAM)的首位。可编程控制器,简称PLC。它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一中新型工业控制设备。具有1.可靠性高、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。已经广泛应用于自动化控制的各个领域,并已成 为实现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、触器与于之相当的执行机构;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。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,扩大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。1.2 本课题设计的内容课题的主要任务是基于三菱FX2N系列PLC的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。第3页共44页1.3 本课题设计的目的和意义传统条件下的库房管理作业,主要依据人工装卸,特别是对于些大型物资,不仅工作 效率低,浪费大量的人、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出,防止货物的自然老化、变质和损坏;通过自动存取系统(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;采用自动化技术后,还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要;计算机控制能 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差错;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。自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自动化。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。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下,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面自动化。自动化立体库基本由以下部分组成: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,常见的有根道输送机,链条输送机,升降台,分配车,提升机机,皮带 第4页共44页机等。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和激光导向小车。自动控制系统:驱动自动化立体库系统各设备的自动控制系统。目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。目前典 型的自动化立体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、低成本 利用电线上网,最大的优点就是成本低。由于利用电线上网,直接使 用现有电网就可以实现通信,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、范围广 无所不在的电线网络也是这种技术的优势。电线是最基础的网络,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个家庭.因此,这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 利用电线上网能够提供高速传输。徳国最大的电设备生产商RWE承诺,运用他们的电线上网技术,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 不管在家里的哪个角落,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量,使资源 保持较高的利用率。目前还未有效解决电线信号通过变压器的技术,因此,电线通信设 备都是集中在220V线路变压器的用户端。7、家庭数字化PLC技术能够通过电线将整个家庭的电器与网络联为体,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来控制自己家里的电器设 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,确定系统所需的用户输入、输出 设备。3.根据1/O点数选择合适的PLC类型。第5页共44页4.分配!y。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,调试中发现的问题要逐一排除,直至调试成功。第6页共44页传黄没计电气原 现图限法控胡要定便倂配宣家统构 的设计院立校創笊“g耳程序SM松用图2-!立体仓库控制系统设计步骤2.4 系统控制方案德马物流公司需要装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 自检,其动作示意图所示。立体仓库的结构示意图见下图2-2所示:第7页共44页直流开电源堆垛机控制PLC:Fx-2n-80mr行走步进电 机驱动模块升降步进电 机驱动模块图2-2立体仓库结构示意图根据某物流公司对立体仓库的具体要求,本课题所设计的立体仓库具有以下功能:1、堆垛机（机械手）要有三个自由度,即: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,没按入或取前,可以按取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。第8页共44页2.5 立体仓库技术参数的确定立体仓表2-1立体仓库具体参数出/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4M3可编程控制器（PLC）电源24V DC堆垛机电源220V AC,50Hz3.系统硬件设计3.1 控制系统结构设计本设计是运用PLC控制系统来控制立体仓库的运动的方式。能快速的对输入信号做出 反应控制立体仓库,便于检修。控制系统结构图如图3-1所示。第9页共44页启动手动/自动 取出 送进 取消 急停1号仓,库键12号仓库键 检验9号仓库 检验!2号仓库前进限制 后退限制 后退超过 向上限制 向下限制向下超过 前时限制 取出限制 取出超过后退 向上P向下L送进取出C显示取出izzt a rr显操作错误显1与仓库显小I2a仓库图3-1控制系统结构图3.2 可编程控制器(PLC)的选型3.2.1 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是用于业现场的电控制器。它源于继电器控制技术,但基于电子计算机。它 通过运行存储在其内存中的程序,把经输入电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。普通计算机进行入出信息变换时,大多只考虑信息本身,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业环境,如便于安装,便于 第10页共44页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实现控制的两个基本 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IZ。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;数据运算功能;准确定时功能;高速计数功能;中断处理（可以实现各种内外中断）功能;。程序与数据存储功能;联网通信功能;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。集丰富功能于一身,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。3.2.2 PLC的选型在PLC系统设计时,首先应确定控制方案,下步工作就是PLC工程设计选型。艺 流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此,工程设计选型和估算时,应详细分析 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,然后根据控制要 求,估算输入输出点数、所需存储器容量、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。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!Z0点数为输入40点,输出2!点。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公式,大体上都是 按数字量!/O点数的I0-15倍,加上模拟!/O点数的100倍,以此数为内存的总字数（16 位为个字）,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第n页共44页5000条梯形图,这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。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要,主要介绍以下几种功能的选择。（1）控制功能PLC主要用于顺序逻辑控制,因此,大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模 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本,但使用和调试不方便。在线编 程方式:CPU和编程器有各自的CPU,主机CPU负责现场控制,并在个扫描周期内与编 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,下扫描周期,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,在大中型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 的控制要求。（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与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱,直接影响对操作和维护人员技术能力的要求,并影响平均维 修时间。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,还有各种输入和输 出扩展单元,这样在增加!Z。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。本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!/O点不得低于61点,结 合实际情况,所选O点为80点。因此我所选型号为FX2N-80MR。（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。第12页共44页输入输出点数对价格有直接影响。当点数增加到某数值后,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,使整个控制系统有较合理的性能价格比。本课题所设计的立体仓库属 于小型控制系统,结合经济性的考虑因此选择整体型PLCo根据我组设计的立体仓库其输入点数为40点、输出电数为21点,所以选择三菱 FX2N-80MRo3.3 步进电机的选择3.3.I 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,转子就转步,当电脉冲按某相序加到电动机时,转子沿某方向转动的步数等 于电脉冲个数。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,实现位置的控制。当电脉 冲按某相序连续加到步进电动机时,转子以正比于电脉冲频率的转速沿某方向旋转。因 此,改变电脉冲的频率大小和通电相序,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源 就会复杂,成本就会增加,应按需要合理选用。3.3.2 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”）步步运行的,其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的大小,又要注意负 载转动惯量的大小,只有当两者选取在合适的范围吐电机才能获的满意的运行性能。、由于存在失步和共振,因此步进电机的加减速的方法根据利用状态的不同而复杂多 变。第13页共44页(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)、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、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一个驱动系统,如图3-2 所示。直流电源脉冲:图3-2步进电机驱动系统的组成(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机的类型选择,其次是具体的品种选择,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F、负载转矩、额定转矩和运行频率,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:移动部分总重外力磨擦系数螺栓机构的效率螺栓轴径 螺栓长螺距分辨率移动距离速度计算:设拟选用2相、M=25kgFa=4kg.cm 卩二0.04二0.9b=1.2cmLb=42cmP=3mmL=0.01mm5=0.0075mm/步V=2m/min1.8。步距角的HB型电动机速比(设使用直接驱动方式)i二mx4/(360 xL)=2xl.8/(360 x0.01)=1轴向第14页共44页F=Fa+卩 M=4+0.04x25=5kg.cm负载转矩”二FxP/(2 兀)+(4x五。x尸)/2=5x0.3/(2 x3.14x0.9)+(0.3xl.67x 0.3)/(2 x3.14)=0.289kg.cm螺栓的惯量Jb=(XPxx)/32二(3.14x7.9x1。“x42xL24)/32=0.0675kg.-cm移动体的惯量厶二Mx(尸/2二25*(。3/6.28)2=0.0571 kg.-cm负载惯量为JL JB=0.0675+0.00571=0.1246kg.-cm根据以上计算可以初步选定步进电动机,其惯量为=0.03 kg.-。机2,空载起动频率=3000H。由要求的速度可求出运行的频率:f=V/L=2000/(60 x0.01)=3333HZ可知需要加减速的驱动方式。齿轮比:G=3607 L=0.0075 x3607(1.8x0.01)=150换算到电机轴的负载转矩为T=GxL(1+F)/271rl=150 x0.01x(0.289+5)/(6.28x0.9)=1.40 kg.-cm对首次设计的装置来讲,所选用的电动机通常留有23倍的余量,所以电机转矩 Tn=3T=3x 1.40=4.2 kg.-cm=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:42BYGH101。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。第15页共44页图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重量42BYGH10121.81.7ADC24V0.44N M0.24kg3.4 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:控制系统每发个脉冲信号,通过 驱动器就使步进电机旋转步距角。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,这时电机处于无力矩状态;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的驱动电流,参见图3-4和图 3-5在该立体仓库中由于FP0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。第16页共44页公共阳端OPTO比R：270Q 信号输入端匚二驱动器外部當图3-5外接限流电阻R信号幅值外接限流电阻R5V不加12V680 224V1.8K图3-4输入信号接口电路步进电机驱动器的输出信号有两种:、初相位信号:驱动器每次上电后将使步进电机起始在个固定的相位上,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3-6。驱动器内部OPTO系统内部_亠初相位信号2K-1 X系统地图3-6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。触点规格:DC24V/1A或ACHOV/O.3A。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3-7所示。图3-7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-2H057。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,其外売即为散热体,所以 使用时要将其固定在较厚、较大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。第17页共44页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(2)、步进电机驱动器接线示意图见图3-8驱动器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组直流DC(24V-40V)晨电瀬指示。但指示控制系统 或控制器OPTO 糸臨的(选用)CP步进脉冲DIR向电A0必 eFREE,此机电平 OPTO公关取.号a初相输出価扱出驱动器拔位开关该定加分数 和相电流图3-8步进电机驱动器接线示意图3.5 传感器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,它是日本欧姆龙公司的产品,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出冋 路图如图3-9所示。第18页共44页时光图躋=入光显示灯（紅）始出 晶体管负（继电器）负载2输出回路电压输出灯灭 ON OFF动作 复位L图3-9反射式传感器的时间图和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,当与挡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要离传感器太 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（读出头）进行焊接。此传感器的电气技术数据为:表3-3传感器的电气技术数据型号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0.2mm（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!5mA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1.0以下（负载电流80mA时）残留电压0.4以下（负载电流10mA时）应答频率100HZ使用环境照度受光面照度白炽灯 太阳光:各3,OOO/x以下环境温度动作时:T+55。C保存时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155Hz上下振幅1.5mm XYZ各方向2h第19页共44页耐久冲击2500m/X、Y、Z各方向三次保护构造IEC 规格 IP50连接方式接插件式（不可进行软钎焊）质量约 2.6 g外壳材质聚碳酸酯（PC）3.6 微动开关的选择在该立体仓库控制系统中共有!3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轴的下限位处还分别加装了 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3-10所示。3.7 PLC输入输出分配表根据本课题PLC输入输出的控制要求,得出PLC输入输出I/O分配,如表3-4所示。X0启动表3-4X24PLC输入输出I/O分斯检验2号仓库3Y0前进XI手动/自动X25检验3号仓库Y1后退X2取出X26检验4号仓库Y2向上X3送进X27检验5号仓库Y3向下X4取消X30检验6号仓库Y4送进X5急停X31检验7号仓库Y5取出X6!号仓库的键X32检验8号仓库Y6显示取出第20页共44页X72号仓库的键X33检验9号仓库Y7显示送进X103号仓库的键X34检验10号仓库Y10显示操作错误XII4号仓库的键X35检验11号仓库Y11显示1号仓库X125号仓库的键X36检验12号仓库Y12显示2号仓库X136号仓库的键X37前进限制Y13显示3号仓库X147号仓库的键X40后退限制Y14显示4号仓库X158号仓库的键X41后退超过Y15显示5号仓库X169号仓库的键X42向上限制Y16显示6号仓库X1710号仓库的键X43向下限制Y17显示7号仓库X2011号仓库的键X44向下超过Y20显示8号仓库X2112号仓库的键X45前时限制Y21显示9号仓库X22检验0号仓库X46取出限制Y22显示10号仓库X23检验1号仓库X47取出超过Y23显示11号仓库Y24显示12号仓库3.8 电气原理图的设计根据立体仓库的课题设计要求,得出如下图3-n电气原理图。第21页共44页图3-11电气原理图4系统控制软件设计4.1 PLC梯形图概述梯形图是使用得最多的图形编程语言,被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控 第22页共44页制系统的电路图很相似,具有直观易懂的优点,很容易被工厂电气人员掌握,特别适用于开 关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序,梯形图的设计称为编程。PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这名称,如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等,但是它们不是真实的物理继电器,而是些存储单元(软继电器),每 软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状 态,则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”,其常开触点接通,常闭触点断开,称这 种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态,对应软继电器 的线圈和触点的状态与上述的相反,称该软继电器为“0”或OFF”状态。使用中也常将 这些“软继电器”称为编程元件。开关量:按电压水平分,有220VAC、HOVAC、24VDC,按隔离方式分,有继电器隔 离和晶体管隔离。模拟量:按其精度可分为12bit、14bit、16bit等;按信号类型可分为电流型(4-20mA,0-20mA)电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等。除了上述通用!?外,还有特殊!/模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar),在分析梯形图的逻辑关系时,为了借用 继电器电路图的分析方法,可以想象左右两侧母线(左母线和右母线)之间有一个左正右负 的直流电源电压,母线之间有“能流”从左向右流动。右母线可以不画出。根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系,求出与图中各线圈对应的编程元件的状态,称 为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结 果,马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值,而不是根 据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。PLC与电气冋路的接口,是通过输入输出部分(I/O)完成的。!/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。!/O分为开关量输入(DI),开关量输出(DO),模拟量输入(AI),模