立體倉庫的PLC控制系統(tǒng)設計

立體倉庫的PLC控制系統(tǒng)設計,立體倉庫的PLC控制系統(tǒng)設計,立體倉庫,plc,控制系統(tǒng),設計 畢業(yè)設計中文摘要 立體倉庫的 PLC 控制系統(tǒng)設計 摘 要：隨著我國國民經濟的發(fā)展，自動化立體倉庫的應用越來越廣泛。利用 立體倉庫設備可實現(xiàn)倉庫高層合理化，存取自動化，操作簡便化。自動化立體 倉庫的主體由貨架、巷道式堆垛起重機、入(出)庫工作臺和自動運進(出)及操作 控制系統(tǒng)組成。本課題的電氣控制主要由西門子公司的 PLC、步進電機驅動器、 步進電動機、直流電動機等器件組成。 本文首先對本課題進行簡要的介紹，包括背景，研究意義，現(xiàn)狀等；其 次對該系統(tǒng)的硬件組成、結構、原理進行了闡述和分析；再次對本系統(tǒng)用到的 器件進行分別介紹，重點對 PLC 程序進行了編寫；最后對設計本課題所學到的 知識和結論進行歸納和總結。 關鍵詞：立體倉庫；電氣控制；PLC 畢業(yè)設計外文摘要 Design of Warehouse Electrical Control System Abstract: With the development of national economy of our country, The application of automated warehouse will become more widely. The main body of the automated warehouse is made up of shelves, staking cranes roadway, worktable and operation control system. Electrical control of the subject mainly by Siemens PLC, stepper motor drive power modules and other devices. Firstly, Its a brief introduction of the system, including background, significance, status, etc. secondly, The hardware components of the system, structure, principle are described and analyzed. Thirdly, the devices of this system are introduced, focusing on the PLCthe software is written. Finally, summarize the knowledge about this paper. Keywords: Warehouse；Electrical Control；PLC； 目 錄 1. 緒論 .1 1.1 本課題研究背景與現(xiàn)狀 .1 1.2 本課題研究發(fā)展趨勢 .2 1.3 本課題設計內容 .2 1.4 可編程控制器（PLC）簡介 .2 2. 系統(tǒng)控制方案 .4 2.1 立體倉庫系統(tǒng)的功能 .4 2.2 采用 PLC 控制立體倉庫的優(yōu)點 .4 3. 系統(tǒng)的硬件配置 .5 3.1 立體倉庫系統(tǒng)控制 .5 3.2 電氣原理圖的設計 .5 3.3 立體倉庫電氣硬件的介紹與選擇 .6 3.4 PLC 輸入輸出分配 .12 4. 系統(tǒng)的軟件設計 .14 4.1 系統(tǒng)流程圖 .14 4.2 系統(tǒng)程序的設計 .16 5. 程序的仿真與調試 .32 5.1 程序的仿真 .32 5.2 程序的調試 .34 總 結 .37 致 謝 .38 參考文獻 .39 第 1 頁 共 40 頁 1. 緒論 1.1 本課題研究背景與現(xiàn)狀 由于世界經濟、現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，物流產業(yè)成為經濟發(fā)展中的新興的 一個服務部門。在國際上，物流產業(yè)成為了國民經濟發(fā)展的動脈，其發(fā)展的程 度成為一個國家的現(xiàn)代化程度以及綜合鍋里的重要標志之一。在我們國家，由 于市場經濟的不斷深入，單純依賴商流而賺取利潤的機會將會變少。因此，企 業(yè)需要將目標轉向物流。 在 20 世紀六、七十年代，一些發(fā)達國家都開始重視倉儲管理。 立體倉庫一般是指采用幾層、十幾、幾十層的貨架儲存單元貨物，用相應 的物料搬運設備進行貨物的出、入庫操作。因為這類倉庫能充分的利用空間存 儲貨物，所以將它稱為立體倉庫。 1 我國立體倉庫與物料搬運的研究也并不是很晚，1973 年開始研究立體倉庫， 1980 年就有立體倉庫應用于實踐。 自動化立體倉庫有很高的空間利用率、很強的入出庫能力、采用計算機進 行控制管理而利于企業(yè)實施現(xiàn)代化管理等特點，已經成為了企業(yè)物流和生產管 理不可缺少的倉儲技術。 自動化立體倉庫的主要優(yōu)點如下：(1)倉庫作業(yè)實現(xiàn)機械化和自動化。(2)采 用高層貨架、立體儲存，能有效地利用空間，減少占地面積，降低土地購置費 用。(3) 采用托盤或貨箱儲存貨物，貨物的破損率顯著降低。(4)貨位集中，便于 控制與管理，特別是使用電子計算機，不但能夠實現(xiàn)作業(yè)過程的自動控制，而 且能夠進行信息處理。 本論文主要是基于 PLC 所設計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汽車型號不斷更新， 提出把計算機的完備功能、靈活性、通用性好等優(yōu)點和繼電器-接觸器控制系統(tǒng) 的簡單易懂、操作方便、價格低等優(yōu)點結合到一起，做成了一種能適應工業(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，使不熟悉計算機的 人員也能夠快速掌握其使用技術。 根據(jù)這一設想，美國數(shù)字設備公司于 1969 年率先研制出第一臺可編程控制 器(簡稱 PLC)，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用獲得成功。 由于 PLC 的可靠性高，操作簡單，可以大大減少設備的維修和停產所造成 的經濟損失。當前 PLC 已經成為了電氣自動化控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的核心 控制裝置。 1985 年國際電工委員會（IEC）對 PLC 的定義如下：“可編程控制器是一 第 2 頁 共 40 頁 種進行數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應用而設計的工業(yè)控制器， 它采用了可以編程的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定 時、計算和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制 各種類型機械的生產過程。 ”2 因此，進行立體倉庫的 PLC 控制系統(tǒng)的設計，可以推動機械手行業(yè)的發(fā)展， 擴大 PLC 在自動控制領域的應用，具有一定的經濟和理論研究的價值。 1.2 本課題研究發(fā)展趨勢 由于自動化立體倉庫的廣泛應用、計算機技術和網絡技術的發(fā)展，使得立 體倉庫的發(fā)展十分迅速，其發(fā)展的趨勢主要有 3 點： 1. 立體倉庫向柔性化發(fā)展。隨著柔性化的普及，自動化立體倉庫的儲運作 業(yè)也將向柔性化發(fā)展。國外已經開始出現(xiàn)一批可拆卸的和移動式的倉庫結構。 2. 立體倉庫作業(yè)管理自動化水平逐步提高。具體來說，就是在要求的時間 內、在準確的地點、按準確的順序與方法、提供準確的品種及數(shù)量的貨物。 3. 立體倉庫中智能技術將會取得應用。人工智能技術的發(fā)展，推動了自動 化技術向其高級階段-智能化方向發(fā)展。 1.3 本課題設計內容 自動化立體倉庫的主體由貨架、巷道式堆垛起重機、入(出)庫工作臺和自 動運進( 出) 及操作控制系統(tǒng)組成。堆垛機是立體倉庫的關鍵部件，負責全部貨 物的入庫承運作業(yè)，可實現(xiàn)三個自由度的運動。 該系統(tǒng)通過傳感器采集信號，PLC 控制程序，可以實現(xiàn)對步進電機和直流 電機較復雜的速度與位置控制規(guī)模。 在入庫作業(yè)時，當檢測傳感器檢測到零位平臺上有貨物，那么起動機械手， 將零位平臺上的貨物放到指定的庫位上。 在出庫操作時，啟動機械手，到達指定庫位，將指定庫位上的貨物取出放 到零位平臺。機械手在執(zhí)行每次的去放任務，都會自動回到零位，等待下一條 指令。 論文中機械手可以進行三個維度的變化，就是可以進行前進、后退，上、 下，左、右的變化。為了系統(tǒng)的安全，在各個限位處都裝有超限位保護開關， 每個庫位都有檢測裝置，判斷庫位是否已有貨物，禁止雙重入庫和空的取操作。 1.4 可編程控制器（PLC）簡介 1.4.1 可編程控制器（PLC）的基本結構 第 3 頁 共 40 頁 可編程控制器的基本結構由輸入/輸出模塊、中央處理單元、電源部件和編 程器等組成。PLC 與計算機的基本組成一致，它實際上就是一種工業(yè)控制計算 器。 （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)場輸入信號變換成 CPU 能接收的信號，并對 其進行濾波、電平轉換、隔離和放大等；輸出模塊用于將 CPU 的決策輸出信號 變換成驅動控制對象執(zhí)行機構的控制信號，并對輸出信號進行功率放大、隔離 PLC 內部和外部執(zhí)行元件等。 （2） 中央處理單元 中央處理器單元包括微處理器、系統(tǒng)程序存儲 器和用戶程序存儲器。微處理器 CPU 是 PLC 的核心部件。 （3） 電源部件 電源部件是把交流電轉換成直流電源的裝置，它向 PLC 提供所需的高質量直流電源。 2 基本結構如下圖所示： 圖 1.1 PLC 的基本結構 1.4.2 可編程控制器（PLC）的特點 (1)可靠性高，抗干擾強。 （2） 功能強大，性價比高。 （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)的設計、安裝、調試、維修工作量少，維修方便。 .2 第 4 頁 共 40 頁 2. 系統(tǒng)控制方案 2.1 立體倉庫系統(tǒng)的功能 系統(tǒng)采用滾珠絲杠、滑杠以及普通絲杠作為主要傳動機構、點擊采用步進 電機和直流電機，其關鍵部分是機械手，它由水平移動、垂直移動、貨臺機構 三部分組成，其水平和垂直移動分別用兩臺步進電機驅動滾珠絲杠來完成，伸 叉機構由一臺直流電機來控制。當堆垛機平臺移動到貨架的指定位置時，直流 電機驅動貨臺向前伸出可將貨物取出或者送入，當取到貨物貨已送入，則貨臺 向后縮回。 在此設計的立體倉庫需要滿足一下功能： 1、機械手要有三個自由度，即：前進、后退；上、下；左、右； 2、機械手的運動由步進電機驅動； 3、機械手前進（或后退）運動和上（或下）運動可同時進行； 4、機械手前進、后退和上、下運動時必須有超限位保護； 5、每個庫位必須有檢測裝置（微動開關） 。 6、當按完庫位號后，沒按入或沒取前，可以按手動取消該操作。 2.2 采用 PLC 控制立體倉庫的優(yōu)點 PLC 的應用非常廣泛，例如：電梯控制、防盜系統(tǒng)的控制、交通分流信號 燈控制、樓宇供水自動控制、噴水池自動控制、消防系統(tǒng)自動控、供電系統(tǒng)自 動控制及各種生產流水線的自動控制等。 按 PLC 編程功能可分為 4 大類：開關量順序控制、通信功能、模擬量控制、 運動控制。 PLC 的應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)維護容易。 自動化立體倉庫，少不了自動化倉庫管理系統(tǒng)，只有使用強大的倉庫管理 系統(tǒng)才能使得倉庫管理和業(yè)務流程上一個臺階，才能將先進的硬件設備發(fā)揮作 用、產生效益，針對這一倉庫管理系統(tǒng)，我選擇了 PLC。選擇 PLC 是因為它的 穩(wěn)定性比單純的使用單片機要穩(wěn)定的多，所能實現(xiàn)的功能也強大的多。 總的來看，基于 PLC 的自動化立體倉庫可以總結為如下幾點優(yōu)點：低成本、 范圍廣、高速、便捷、永遠在線、結構靈活、數(shù)字化等。 第 5 頁 共 40 頁 3. 系統(tǒng)的硬件配置 3.1 立體倉庫系統(tǒng)控制 立體倉庫系統(tǒng)的控制圖如下圖 3.1 所示。構成 PLC 控制系統(tǒng)的主要電氣硬 件有控制立體倉庫的 Z 軸的直流電動機，控制 XY 軸的步進電動機以及供給系 統(tǒng)能源的直流開關電源，還有各種傳感器，如系統(tǒng)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以及限位保護）。 圖 3.1 立體倉庫系統(tǒng)控制框圖 3.2 電氣原理圖的設計 根據(jù)以上的控制要求，得到如下電氣原理圖： 第 6 頁 共 40 頁 圖 3.2 PLC 外部接線圖 3.3 立體倉庫電氣硬件的介紹與選擇 3.3.1 可編程控制器（PLC） 在 PLC 系統(tǒng)設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程設 計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據(jù)。所以，權衡利弊、 合理地選擇機型才能達到經濟實用的目的。因此，工程設計選型和估算時，應 當是要分析控制過程的特點、要求、范圍。然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出 點數(shù)、所需存儲器容量、確定 PLC 的功能、外部設備特性等，選擇有較高性價 比的 PLC、設計相應的控制系統(tǒng)。 第 7 頁 共 40 頁 1輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算 在我們設計時，我們先對 I/O 點數(shù)估算，并且考慮適當?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù) 統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加 10%20%的可擴展，以此來確定我們所需要的 PLC 輸入輸出點數(shù)。 根據(jù)估算的方法故本課題的 I/O 點數(shù)為輸入 40 點，輸出 21 點。 2存儲器容量的估算 存儲器容量是指可編程序控制器本身能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，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，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點數(shù)的 1015 倍，加上 模擬量 I/O 點數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內存的總字數(shù)（16 位為一個字） ，另外再按 此數(shù)的 25%考慮余量。因此本課題 PLC 內存容量選擇應能存儲 5000 條梯形圖， 這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。 3 3控制功能的選擇 該選擇包括運算功能、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)本課題所設計的自動控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇。 （1）控制功能 PLC 主要用于順序邏輯控制，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，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能， 一方面要提高 PLC 的處理速度，另一方面節(jié)省存儲器容量。 （2）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，軟件診斷分內診斷和外診斷。 通過軟件對 PLC 內部的性能和功能進行的診斷是內診斷，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行的診斷就是外診斷。 PLC 的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并 影響平均維修時間。 （3）編程功能 離線編程方式：PLC 和編程器共用一個 CPU，編程器在編程模式時，CPU 只為編程器提供服務，不對現(xiàn)場設備進行控制。完成編程之后，編程器切換到 運行模式，CPU 對現(xiàn)場設備進行控制，就不能進行編程。離線編程方式可降低 系統(tǒng)成本，但使用和調試不方便。在本設計中選用的是此方式。 第 8 頁 共 40 頁 在線編程方式：CPU 和編程器有各自的 CPU，主機 CPU 負責現(xiàn)場控制， 并在一個掃描周期內與編程器進行數(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，下一掃描周期，主機就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式成本較 高，但系統(tǒng)調試和操作方便，在大中型 PLC 中經常被采用。 五種標準化編程語言：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） 、結構文本（ ST）兩種文本語言。 17 （ 4） 機 型 的 選 擇 S7-200 系 列 在 集 散 自 動 化 系 統(tǒng) 中 充 分 發(fā) 揮 著 強 大 功 能 。 使 用 范 圍 可 覆 蓋 從 替 代 繼 電 器 的 簡 單 控 制 到 更 復 雜 的 自 動 化 控 制 。 S7-200 CPU 226 集成 24 輸入/16 輸出共 40 個數(shù)字量 I/O 點。可連接 7 個 擴展模塊，最大擴展至 248 路數(shù)字量 I/O 點，35 路模擬量 I/O 點。13K 字節(jié)程 序和數(shù)據(jù)存儲空間。6 個獨立的 30kHz 高速計數(shù)器，2 路獨立的 20kHz 高速脈 沖輸出，具有 PID 控制器。2 個 RS485 通訊/編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O 端子排可以很容易地整體拆卸。用于較高要 求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速 度和功能更強的內部集成特殊功能?？赏耆m應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。 本 系 統(tǒng) 所 采 用 的 PLC 是 西 門 子 S7-200 CPU226 DC24 V,繼 電 器 輸 出 。 3.3.2 步進電動機 步進電機是一種由電脈沖控制的特殊同步電動機，它的作用是將脈沖電信 號變換為相應的角位移或者線位移。因此，步進電動機又稱為脈沖電動機。它 可以實現(xiàn)信號變換，是自動控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)中廣泛應用的執(zhí)行元件。 下面簡單介紹步進電機的工作原理及其特點與選擇。 （1） 步進電機的工作原理 步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電動機。當系統(tǒng)將一個電脈沖信號加到 步進電機定子繞組時，轉子就會轉動一步。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(shù)等于電脈沖個數(shù)。因此，改變輸入脈沖的數(shù)目就能 控制步進電機轉子機械位移的大??；改變輸入脈沖的通電相序，就能控制步進 電機電動機轉子機械位移的方向，實現(xiàn)對位置的控制。 （2） 步進電機的特點 a) 位移與輸入脈沖信號的信號數(shù)相對應，步距誤差不長期積累，可以組 成結構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組成閉 環(huán)控制系統(tǒng)。 b) 速度可以在相當寬的范圍內平滑調節(jié)。 c) 易于起動、停止、正反轉及變速，快速響應性能好。 第 9 頁 共 40 頁 d) 具有自鎖的能力。當控制脈沖停止輸入且讓最后一個脈沖控制的繞組 繼續(xù)通電時，電機可以保持在固定的位置上，即停在最后一個控制脈沖所控制 的角位移的終點位置上。所以步進電機具有帶電自鎖能力。 e) 步距角選擇的范圍大，可以在幾十角分至 180范圍內進行選擇。在小 步距情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D矩穩(wěn)定運行，可以不經減速器直接驅動 負載。 f) 電動機本身沒有電刷、轉子上沒有繞組，也不需要位置傳感器，可靠 性高。 （3） 步進電動機驅動系統(tǒng)的基本組成介紹 步進電動機是應用較早的一種機電一體化的產品，電機的本體與驅動器構 成一個不可分割的有機整體，步進電動機的運行性能很大程度上取決于所使用 的驅動控制器的類型。 圖 3.3 步進電動機驅動控制器的構成 （4） 步進電動機的選擇 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(tǒng)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，所以確定步進電動機采用二相八拍混合式 步進電動機。 八拍混合式步進電動機的主要特點是體積小，具有較高的起動和運行頻率， 有定位轉矩等優(yōu)點。 3.3.3 步進電動機驅動器 （1） 步進電動機驅動器輸入輸出信號介紹 步進電動機的運行需要有電子裝置進行驅動，這種裝置就是步進電動機驅 動器。控制系統(tǒng)每發(fā)出一個脈沖信號，通過驅動器就使得步進電動機旋轉一個 步距角，也就是說，它把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉化為步進電動機的角位移。 因此，步進電動機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。 所有型號驅動器的輸入信號都相同，它們是步進脈沖信號 CP、方向電平信 號 DIR、脫機信號 FREE（此端為低電平有效時，電動機處于無轉矩狀態(tài)；此 端為高電平或懸空不接時，此功能無效，電動機可以正常運行）。它們在驅動 第 10 頁 共 40 頁 器內部的接口電路都相同如圖 3.1 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 1.8K 的限流電阻 R。 圖 3.4 輸入輸出接口電路 （2） 步進電動機驅動器選擇 我們這里采用 SH 系列的步進電機驅動器，它主要由電源輸入部分、信號 輸入部分、信號輸出部分組成。 （3） 步進電動機驅動器細分數(shù)和電動機電流設定 SH 系列驅動器是靠驅動器上的撥位開關來設定細分數(shù)的，只需根據(jù)面板上 的提示進行設定即可。對于兩相步進電動機，細分后電動機的步距角等于電動 機整步步距角除以細分數(shù)。細分后完全消除了電動機的低頻振蕩，而且提高了 電動機的輸出轉矩和電動機的分辨率。所以，采用細分驅動器只要改變細分數(shù)， 就能改變步距角。 （4） 步進電動機驅動器電源接口 對于超小型驅動器，采用一組 DC 2440V 供電。因為 PLC 需要采用開關 式穩(wěn)壓電源供電，所以該立體倉庫中應該選用開關式穩(wěn)壓電源。 3.3.4 傳感器 （1） 反射式傳感器 工作原理：當物體相對于傳感器移動時，反射回來的信號和原來的信號進 行對比，產生頻移，然后集成電路放大微弱的頻移信號。 經多普勒檢測、放大、限幅等措施，最后得到的是和物品移動信號相關的 直流信號輸出電平。 第 11 頁 共 40 頁 圖 3.5 變調光式傳感器的結構 在該立體倉庫中采用反射式傳感器作為貨物檢測裝置，并采用能抗周圍外 來光干擾的變調光式。采用變調光式，與直流光式相比，不易受外來光干擾的 影響，其電源電壓為 DC524V 的大量程電壓輸入型，帶有容易調整的光軸標 識，還帶有動作確認的入光顯示燈。 下面是反射式傳感器的輸出電路圖： 圖 3.6 反射式傳感器的輸出電路 （2） 對射式傳感器 對射式傳感器的工作原理：對射式傳感器的輸出狀態(tài)一般是 NPN 輸出，輸 出晶體管的動作狀態(tài)可以分為：入光時 ON 和遮光時 ON 兩種。入光時 ON 的 對射式傳感器的電路如圖 3.7 所示。當 24V 電壓加到發(fā)光二級管 VL 時，它將 光發(fā)射給光敏二級管 VD，VD 接收到光導通，于是晶體管導通，輸出為 ON。 當發(fā)光二極管 VL 發(fā)射出的光被物體擋住，使得光敏二級管接收不到時，VD 不 導通，則晶體管不導通，輸出為 OFF。 第 12 頁 共 40 頁 圖 3.7 對射式傳感器的電路 在該立體倉庫控制系統(tǒng)中，采用 8 個對射式傳感器作限位控制。其中 4 個 對射式光電傳感器分別作為 X 軸 Y 軸的限位控制；2 個對射式光電傳感器分別 作為 X 軸 Y 軸的到位檢測；如果貨架未到達正確位置，Z 軸電動機將不能運行， 以確保當 PLC 程序出錯時也不會損壞設備；2 個對射式光電傳感器作為 Z 軸的 限位控制，此時遮光時輸出晶體管 ON。 16 3.3.5 微動開關 該立體倉庫控制系統(tǒng)中共有 13 個庫位（四層十二個庫位加 0 號庫位）分別 采用 13 個微動開關作為貨物的檢測裝置，當有貨物時相應開關動作；為了保險 起見，在 X 軸的左限位和 Y 軸的下限位處還安裝了 1 個微動開關作限位保護， 以確保立體倉庫的安全。 3.3.6 直流電動機 立體倉庫采用直流電機作為 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、均勻地調速。在自動控制系統(tǒng)中，小功率直 流電動機的應用也很廣泛。 本系統(tǒng)采用的直流電動機的輸入電壓為 12-24V。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。 3.3.7 并聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源 并聯(lián)式開關穩(wěn)壓電源的輸出功率大、體積小、重量輕、可靠性高、適應變 動寬范圍的輸入電壓，具有完備的過電壓過電流保護功能，內置輸入 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 和步進電動機驅動器都要求 DC24V 電源，綜合考慮系統(tǒng)的用電量、系統(tǒng)運行的可靠性和系統(tǒng)設計的規(guī)整性， 我們選用并聯(lián)式開關穩(wěn)壓電源。 3.4 PLC 輸入輸出分配 根據(jù)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)的 I/O 分配見下表所示。 第 13 頁 共 40 頁 表 3.1 系統(tǒng)的 I/O 分配 輸入接口 輸出接口 PLC 端 單元板端口 注釋 PLC 端 單元板接口 注釋 I0.0 D0 矩陣掃描第 1 列 Q0.0 X 軸-cp 平移電動機 脈沖信號 I0.1 D1 矩陣掃描第 2 列 Q0.1 Y 軸-cp 升降電動機 脈沖信號 I0.2 D2 矩陣掃描第 3 列 Q0.2 X 軸-DIR 平移電動機 方向信號 I0.3 D3 矩陣掃描第 4 列 Q0.3 Y 軸-DIR 升降電動機 方向信號 I0.4 D4 矩陣掃描第 5 列 Q0.4 H0 矩陣掃描第 1 行 I0.5 D5 矩陣掃描第 6 列 Q0.5 H1 矩陣掃描第 2 行 I0.6 D6 矩陣掃描第 7 列 Q0.6 H2 矩陣掃描第 3 行 I0.7 D7 矩陣掃描第 8 列 Q0.7 H3 矩陣掃描第 4 行 I1.0 SQ5(ZLMT-) Z 軸原點 Q1.0 I1.1 SQ6(ZLMT+) Z 軸限位 Q1.1 Z 軸-F 貨物前伸 I1.2 SN 檢測貨臺上是否有 貨物 Q1.2 Z 軸-R 貨物回縮 I1.3 SW0 手動控制開關 Q1.3 I1.4 SQ2(XLMT+) X 軸限位 Q1.4 B00 數(shù)碼顯示區(qū) 第 0 位 I1.5 SQ1(XLMT-) X 軸原點 Q1.5 B01 數(shù)碼顯示區(qū) 第 1 位 I1.6 SQ4(YLMT+) Y 軸限位 Q1.6 B02 數(shù)碼顯示區(qū) 第 2 位 I1.7 SQ3(YLMT-) Y 軸原點 Q1.7 B03 數(shù)碼顯示區(qū) 第 3 位 第 14 頁 共 40 頁 4. 系統(tǒng)的軟件設計 4.1 系統(tǒng)流程圖 系統(tǒng)的電氣設計中，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（即 X 軸 Y 軸 Z 軸）。 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(tǒng)在機構設計上采用滾珠絲杠、滑軌和普通絲杠作為傳動機構。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取入，當取到 貨物或貨已經送入時，鏟叉縮回。整個系統(tǒng)流程如圖 4.1 所示 其工作流程如下： 1) 接通電源。 2) 系統(tǒng)自檢。 3) 將功能開關置于自動位置。 4) 執(zhí)行送貨指令。 a) 選擇欲送庫位號，按動庫位好對應按鈕，控制面板上的數(shù)碼管顯示庫位號。 b) 按動送指令按鈕，若被選擇的庫位已有貨物，則該指令不被執(zhí)行。 c) 指令完成后，系統(tǒng)自動返回。 d) 如果執(zhí)行送入指令前，載貨臺上沒有貨物，則送指令也不被執(zhí)行。 5) 執(zhí)行取貨指令。 a) 選擇欲取的庫位，按動庫位號對應的按鈕，控制面板上的數(shù)碼管顯示庫位 號。 b) 按動“取”按鈕，執(zhí)行取操作。如果載貨臺上有貨物，則取指令不被執(zhí)行。 c) 指令完成后，系統(tǒng)自動返回。 d) 如執(zhí)行取出指令前，被選庫位無貨物，則取指令不被執(zhí)行。 因此，該立體倉庫系統(tǒng)的運行情況可歸納為：當按下起動按鈕后，允許進 行立體倉庫允許的控制。在正常的情況下，按下某一庫位的按鈕以及“取”或 “送”按鈕，系統(tǒng)將進行相應的動作，此時控制面板上的數(shù)碼管顯示相應的庫 位號。 而在緊急情況下，按下緊急按鈕，貨物送回原來的位置，只有當故障排除 之后，才能重新運行。 第 15 頁 共 40 頁 圖 4.1 系統(tǒng)流程圖 第 16 頁 共 40 頁 4.2 系統(tǒng)程序的設計 1. 系統(tǒng)的控制要求： 1) 當選擇開關置于自動位置時，系統(tǒng)復位到初始位置，各個軸回到原點。 2) 執(zhí)行入庫指令。 選擇欲入庫的庫位號，按動庫位號對應按鈕，控制面板上的數(shù)碼管顯示 庫位號。 按動 K8 按鈕，起動入庫操作，當載貨臺有貨物時，起重機自動將貨物 送到指定的庫位。 若被選擇庫位內已有貨物時，則該入庫操作不被執(zhí)行。 完成入庫操作之后，機械自動返回初始位置。 載貨臺若無貨物，則下一個入庫操作將不被執(zhí)行。 3) 執(zhí)行出庫指令 選擇要出庫的庫位號，按動庫位號對應按鈕，控制面板上的數(shù)碼管顯示 庫位號。 按動 K8 按鈕，當載貨臺上有貨物時，起重機不執(zhí)行任何操作。 如果被選擇的庫位內無貨物時，則該出庫操作不被執(zhí)行。 當按下 K8 按鈕時，載物臺上沒有貨物，且該庫位內有貨物時，起重機 自動將貨物從指定的庫位轉移到載貨臺上。 完成出庫操作后，機械手自動返回到初始位置。 2. 程序設計如下：主程序如下： 第 17 頁 共 40 頁 第 18 頁 共 40 頁 第 19 頁 共 40 頁 3. 各部分程序分析： （1） 初始化程序，讓各個軸回到初始位置。子程序 SBR-0 如下： 第 20 頁 共 40 頁 （2） 當系統(tǒng)運行過程中達到某個軸的限位時，應當停止當前軸的動 作。子程序 SBR-1 如下： 第 21 頁 共 40 頁 （3） 倉庫的庫位坐標定位計算程序設計。在倉庫的管理中，各個庫位 坐標的一個基本參數(shù)。本程序采用子程序的方法進行編寫。子程序的入口參數(shù) 為指定的庫位號（0-12），輸出的參數(shù)為庫位的 X 軸和 Y 軸的坐標。倉庫的庫 位編號下圖所示： 圖 4.1 倉庫的庫位編號 子程序 SBR-2 如下所示： 第 22 頁 共 40 頁 第 23 頁 共 40 頁 程序中的第一段用來計算 0 號庫位、1 號庫位、2 號庫位、3 號庫位的 X 軸 坐標值。第二段是用于計算第 1 號庫位、4 號庫位、7 號庫位、10 號庫位的 Y 軸坐標。程序中的第三段到第十段中分別計算各個庫位的 X、Y 軸的坐標。其 中各個庫位的坐標值均可以用 0、 1、 2、 3 號庫位的 X 軸坐標和 1、 4、 7、10 號庫位的 Y 軸坐標來表示。最后一段是用于給其他的程序送出坐標值。 （4） 立體倉庫的出入庫控制的程序設計。 入庫的操作順序為：X 軸電動機右行Z 軸電動機前伸Y 軸電動機上升 Z 軸電動機回縮X 軸電動機右行、Y 軸電動機上升Z 軸電動機前伸Y 軸電動機下降Z 軸電動機回縮復位。 出庫的操作順序為：X 軸電動機右行、Y 軸電動機上升Z 軸電動機前伸 Y 軸電動機上升Z 軸電動機回縮X 軸電動機左行、Y 軸電動機下降Z 軸電動機前伸Y 軸電動機下降Z 軸電動機回縮復位。 程序設計時，可以安排入庫操作和出庫操作在一個程序中，通過完成順序 指令，完成上述的連續(xù)動作。 程序中網絡一是對程序的初始化以及傳送 Y 軸行走的偏差值。程序中的網 絡 2-8 是 X、 Y 軸的第一次位移，到達指定位置準備取貨。網絡 9-14 是控制貨 臺前伸到位，準備提貨。網絡 15-19 是控制貨臺的回縮，完成貨物從庫位到貨 臺的轉移。網絡 24-28 是控制起重機的第二次位移，到達指定的位置準備放下 貨物。網絡 29-33 是控制貨臺前伸到位，準備放物。網絡 34-38 是控制 Y 軸下 降，放下貨物到指定的位置。網絡 39-43 是送貨回縮，完成從貨臺到庫位的轉 移。網絡 44-50 是控制起重機復位，使其回到待命的狀態(tài)，準備下一動作。這 里采用的是 PLC 中的順序控制。 子程序 SBR-3 如下所示： 第 24 頁 共 40 頁 第 25 頁 共 40 頁 第 26 頁 共 40 頁 （5） 鍵盤裝置掃描檢測及顯示系統(tǒng)的 PLC 程序設計。通過掃描 H0、H1、H2、H3 端口來判斷當前的按鈕的狀態(tài)。當按下 K5 時 H1 觸發(fā)，4 號 輸入信號有效。子程序 SBR-4 如下所示： 程序網絡一是用來初始化程序的，對寄存器進行清零。使用 SM0.1，是 指接通了從 STOP 到 RUN 的那個掃描周期。網絡 2 中產生周期為 0.8S 的時序 脈沖。網絡三中用脈沖發(fā)生器掃描輸出端口 Q0.4,Q0.5,Q0.6,Q0.7，接通周期和 掃描的周期是一致的。網絡四將狀態(tài)信號傳送至主程序。 （6） 在倉庫的控制中，機械手運行于各個庫位之間，每個庫位的坐標是 定位，所以要求系統(tǒng)在絕對系統(tǒng)下工作。這樣，通過輸入不同的庫位坐標值系 統(tǒng)下實現(xiàn)系統(tǒng)的位置控制。步進電動機根據(jù)系統(tǒng)提供的脈沖做標準進行移動， 當目標值大于當前值時，步進電動機正轉；反之，電動機反轉；當目標值與當 前值相同，則不轉。 子程序 SBR-5 控制脈沖發(fā)生器 PT0 的程序如下： 第 27 頁 共 40 頁 第 28 頁 共 40 頁 第 29 頁 共 40 頁 子程序 SBR-7 控制脈沖發(fā)生器 PT1 的程序如下： 第 30 頁 共 40 頁 以脈沖發(fā)生器 1 為例，網絡 2 中，將步進電動機的當前脈沖存儲于 VD4200 中，通過運算得出設定值與當前脈沖值的差值 AC0，即為步進電動機 的將要行走的路程距離。網絡三將實際需要行走的距離轉換為脈沖數(shù)量。網絡 四中實現(xiàn)了步進電動機的正反轉，Q0.2 的值為正時，電動機向左運行，同時將 它所行走的距離給 AC2。反之，則向右運行。網絡 7、8、9 是用于將數(shù)據(jù)傳送 給相應的存儲區(qū)。網絡 10 是為了避免距離過短而導致錯誤而設計的。當恒速區(qū) 的脈沖值為負時，采用單段 PTO 輸出方式，速度恒為 1000HZ。網絡 11 調用指 令。 （7） 控制脈沖發(fā)生器 PT0 和 PT1 停止輸出脈沖。 控制脈沖發(fā)生器 PTO 的子程序 SBR-6 和控制脈沖發(fā)生器 PT1 的子程序 SBR-8 分別如下： 第 31 頁 共 40 頁 第 32 頁 共 40 頁 5. 程序的仿真與調試 5.1 程序的仿真 下面簡單介紹一下西門子 S7-200 仿真軟件。首先在西門子編程軟件中將所 編的程序導出，導出程序為.AWL 格式。 圖 5.1 程序導出 得到文件，存儲于文件夾中。 圖 5.2 程序導出后存儲 第 33 頁 共 40 頁 打開仿真軟件，裝載程序。根據(jù) I/O 的分配選擇 CPU 型號，同時按照 I/O 分配表，打開開關，點擊運行按鈕，對程序進行仿真。在仿真時各觸點的接通 與斷開是用小燈的亮和滅來表示的。 圖 5.3 程序仿真軟件 經過仿真實驗證明，此程序是可行的，裝載程序之后，點擊運行按鈕，可 以得到正確的指示燈顯示。 第 34 頁 共 40 頁 5.2 程序的調試 將其裝載 PLC 中： 圖 5.4 下載程序到 PLC 點擊下載，使得程序裝載到 PLC 中進行仿真實驗，由于實驗室里只有 CPU224 的 PLC，因此，我只能將程序的初始化程序，裝載到其中，并將輸入 接口 I1.0-I1.7 為 I0.0-I0.7，點擊運行按鈕，并且打開該程序的狀態(tài)監(jiān)控。得到 如下圖 5.5 當 Z 軸不在原位時，貨臺回縮到位。當 Z 軸回縮到原位時，當 X 軸 Y 軸 不在原位時，則調用子程序 5 和子程序 8。如下圖 5.5 和圖 5.6。 當 Z 軸回到原點，Y 軸到原點的時候，則需要 X 軸動作，調用子程序 5，Q0.2 亮，在實驗室，得到了證實。如圖 5.7 所示。 其他程序調試也是可行的，但是由于條件允許，并沒有一一調試，希望在 日后，能有機會進行實踐。 第 35 頁 共 40 頁 圖 5.5 初始化程序狀態(tài)監(jiān)控 1 圖 5.6 初始化程序狀態(tài)監(jiān)控 2 第 36 頁 共 40 頁 圖 5.7 X 軸初始化 第 37 頁 共 40 頁 總 結 本次設計給我增加了許多的知識，不僅僅是 PLC 的知識，還有電機及傳感 器的知識。讓我認識到了大學中學習的不足之處，也彌補了許多知識的空白區(qū)。 對于本次設計的自動化立體倉庫，我國目前已建成自動化立體倉庫 400 多 座、立體倉庫 2000 多座。在此，我僅僅將立體倉庫的一個簡單的構架描述了 出來?；?PLC 的自動化立體倉庫，有著許多的優(yōu)勢，它通過高層貨架存儲， 使得存儲區(qū)大幅度向高空發(fā)展，提高了空間利用率，自動化立體倉庫采用層級 式存放。通過自動化存儲系統(tǒng)，加快了運行和處理速度。提高了勞動生產率， 減低操作人員的勞動強度，采用自動化技術后，還能較好地適應黑暗，低溫， 污染，有毒和易爆等特殊場合的物品存儲需要。 計算機控制能夠始終確保無誤的對各種信息經行存儲和管理，減少了貨物 處理和信息處理過程中的差錯，同時借助于計算機管理還能有效地利用倉庫存 儲能力，便于清點和盤庫，合理減少庫存，加快資金周轉，節(jié)約資金，從而提 高倉庫的管理水平?？傊?，利用自動化立體倉庫大大的減少了人力，提高了效 率，減少了成本，帶來了很大的收益。 本次設計的核心是 PLC 控制器。PLC 具有強大的控制功能。在自動化立體 倉庫中，如果需要增加倉庫，增加機械手，我們不需要花費大量的人力物力財 力，這里運用的是了 PLC 的接線簡單、編程直觀方便、擴展容易等特點。此時， 我們只需要在硬件接線上增加開關輸入的信號，然后在我們的程序中適當添加 語句就可以了。所以基于 PLC 所設計出的立體倉庫，方便實用，易于擴展與改 造。 自動化立體倉庫的發(fā)展需要我們下更大的功夫去深入研究，可以結合計算 機控制以及現(xiàn)場總線的連接，對倉庫的控制進行實時監(jiān)控，更加凸顯我們的智 能化發(fā)展。隨著 PLC 技術的應用和發(fā)展，自動化立體倉庫的實時性和可靠性會 越來越高，控制也會越來越完善。 通過本次的畢業(yè)設計，我不僅增加了專業(yè)知識，而且也在工作的細心程度 上得到了鍛煉，端正了我的工作態(tài)度，指導老師秦緒平講師給了我很大的幫助 第 38 頁 共 40 頁 與啟發(fā)。 第 39 頁 共 40 頁 致 謝 本課程設計是在王海老師的細心指導下完成的，在此我要向他表示衷心的 感謝。在我寫論文的過程中，有老師的耐心指導，無論從開始的論文開始的資 料搜集，到論文的開題，到論文的構思各方面，我都得到了老師的教誨和幫助， 特別是老師的廣博的學識、深厚的學術素養(yǎng)和老師謙和的為人都讓人覺得敬佩。 在這里，我還要感謝大學四年所有教過我們的老師，是你們的耐心教導， 才有了我們現(xiàn)在的今天，讓我學會了做人，其次學會了扎實的專業(yè)知識，也正 是你們的教導，讓我能夠了解科學的奧秘，讓我有能力來完成這一畢業(yè)設計。 同時也感謝所有老師和同學，謝謝你們在大學的時光中，給我的一切幫助 和支持，給我的大學時光增加了許許多多難忘的回憶。同時也感謝他們在本次 畢業(yè)設計中給我的幫助。 在此畢業(yè)之際，我要再一次的想我的老師和同學，說聲謝謝，感謝你們的 關心及支持。 第 40 頁 共 40 頁 參考文獻 1 付瑩 基于現(xiàn)代物流的自動化立體倉庫控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計，2006 2 李仁 電氣控制技術 機械工業(yè)出版社 2008 3 徐紅 基于 PLC 的攪拌車液壓調平控制系統(tǒng)設計 2010 4 徐常凱，鄭金忠 自動化倉庫系統(tǒng)的關鍵技術J物流科技，2002， （03） 5 何芳，歐陽云 基于圓柱坐標方式的小型機械手的 PLC 控制系統(tǒng)，機電 一體化，2003 6 劉昌祺，董良 自動化立體倉庫設計，機械工業(yè)出版社，2004，8（1） 7 徐菱，勞揚健，王金諾 基于 PLC 的堆垛機控制系統(tǒng)設計J ，組合機床 與自動化加工技術，2005 8 周曉光，付瑩 基于 PC-BASE PLC 的自動化立體倉庫堆垛機系統(tǒng)設計起 重運輸機械 2006（2）37-39 9 李廣賓 立體倉庫自動控制系統(tǒng)的設計J，糧食流通技術，2001， （06） 10 孫建中 白鳳仙 特種電機及其控制，2006 11 朱紹祥 可編程控制器原理及應用上海交通大學出版社，1988 12 湯自春 PLC 原理及應用技術M 高等教育出版社 , 2006 13 賈德勝等 PLC 應用開發(fā)實用程序M 人民郵電出版社 , 2006 14 嚴盈富 PLC 入門M. 人民郵電出版社, 2005 15 汪國春 自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)的設計J起重運輸機械，2008 16 常斗南 PLC 運動控制實例及解析（西門子） 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