基于plc的小型立体仓库电气控制系统设计.doc

机械工程学院毕业设计（论文）题 目：基于PLC的小型立体仓库电气控制系统设计专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 114 姓 名： 张玉 学 号： 1666110431 指导教师： 张海涛 日 期： 2015-5 摘 要：随着国民经济的快速发展，自动化立体仓库必然会被更广泛地应用于各行各业。自动化立体仓库是现代物流系统的一个重要组成部分，是一个多囤货仓库系统的开销，通过自动控制和管理系统，高位货架，堆垛机，自动存储，自动出库，计算机管理控制系统和其他辅助设备。仓库模型控制系统是基于对自动化仓库的操作和设计的基本原则。在整个控制系统，以三菱FX2N系列PLC为核心控制元件，专用键盘作为人机接口装置，用于控制步进电机来驱动一个仓库有三个运动自由度的由高强度钢轨三维模型。在根据地址码每转的步进电机输出脉冲应当通过键盘的每个位置，由PLC的键盘命令扫描和位置的相应数量的，当PLC接收从键盘输入的命令，则输出数的脉冲对应于该位置，之后驱动步进电机驱动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、步进电机、物流管理目录基于PLC的小型立体仓库电气控制系统设计4引言41概况及现状分析41.1概况41.2现状分析52系统控制方案的设计62.1自动化立体仓库的概述62.2系统设计的基本步骤62.3仓库货架的设计62.3操作面板的设计72.4仓储机械设备的设计73系统硬件设计83.1可编程控制器的选型83.1.1 PLC概述83.1.2 PLC的选型93.1.3 PLC输入输出I/O口分配93.2步进电机的选择113.2.1步进电机的原理113.2.2步进电动机的选择133.3步进电机驱动器的选择133.4传感器的选择153.5微动开关的选择163.6主电路电气原理图163.7电气原理图的设计173.8元器件目录清单194系统控制软件设计204.1PLC梯形图概述204.2 三菱编程软件的特点204.3系统流程图214.4梯形图的设计23结论29基于PLC的小型立体仓库电气控制系统设计引言可编程控制器(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，并已成为实现工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。它是利用高层次的货架存放货物，货运业务出使用专门的设备仓库仓储业务的。与传统的继电器接触器，PLC具有体积小，抗干扰能力和可靠性进行比较。仓库在现代意义上，是物流机械和计算机技术的完美结合，完全自动化仓库运作。1概况及现状分析1.1概况货物装卸设备入站和出站仓储业务。由于这些仓库利用的空间来存储产品，所以经常形象地称为“立体仓库”。 生产和仓库的发展第二次世界大战后的生产和技术开发的结果。在20世纪50年代初，美国出现了架空堆放仓库使用起重机; 50年代末和60年代初出现了司机操作的堆垛机仓库巷道;在1963年美国率先使用计算机控制的高架仓库技术，建立了第一个计算机控制的仓库中。此后，在美国和欧洲的自动化立体仓库，并形成了专门的快速发展的学科。 60年代中期，日本开始建造仓库，并且发展速度越来越快，成为最大的国家之一，在当今世界仓库自动化。 开始发展我们的仓库和材料处理设备并不晚，在1963年发展成为第一桥型堆垛机（机械北京物资部处理研究院），在1973年，他开始研制中国的第一台计算机自动仓库控制（高15米，负责吊装机械部），该库于1980年投入运行。到目前为止，自动化立体仓库的数量，中国有超过200家的仓库空间，由于其高效率，进入库能力强，采用计算机控制和管理，帮助企业实现现代化管理，等等，都成为不可或缺的物流和存储技术，越来越多的企业关注的生产管理。 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）。70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，使延长了从PLC逻辑控制开关的数字控制和生产过程控制领域，真正成为计算机工业控制装置，它被称为可编程序控制器，简称PC（programmable controller）。然而，由于PC容易混淆，所以人们仍习惯于采用PLC可编程器件的缩写个人计算机（programmable controller）。PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一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，并已成为实现工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现状分析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。自动化立体仓库是通过高层货架存储，使存储区向高空发展，大大提高了空间的利用率：自动化立体仓库采用存积式存放，加快了货物的存储和运行速度，提高了生产率，降低工人的劳动强度，节省了工作时间；采用自动化技术后，还能适应各种危险场合，计算机能够始终准确无误的对各种信息进行存储和管理，介绍人工操作带来的误差，同时，计算机管理还能清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节省流动资金，从而提高仓库的管理水平和运行速度。自动化立体仓库信息系统可以与企业制造信息系统，自动化企业信息化管理相结合。同时，采用自动化仓库，促进企业科学管理，减少浪费，保证均衡生产，又能提高运营人员素质和管理水平。2系统控制方案的设计2.1自动化立体仓库的概述自动化立体仓库，是物流存储中出现的新概念。利用自动化立体仓库可以实现操作简便化，高层合理化，存取自动化；自动化立体仓库是当前技术水平的较高的形式。自动化立体仓库的主体由货架、堆垛机、伸叉机、工作台和操作控制系统组成。利用堆垛机和伸叉机完成对货物的存放和取出，工作台控制其操作，并装有报警装置，当操作失误后及时报警提醒，以减少不必要的损失。高层货架：用于存储货物的钢结构。目前，有焊接货架和组合式架两种基本形式。托盘（容器）：对器皿载货，也被称为数码设备。叉车：货物自动接入设备。形式的结构成一个单一的柱，双柱两种基本形式的;按服务分为直管，弯管和转运车三种基本形式。输送系统：外围设备的立体库，负责运送货物的堆栈器或堆栈会从商品中删除。输送机常见的种类很多，滚筒输送机，链式输送机，升降机，配送车辆，提升机，皮带机等。AGV系统：自动引导车。据其指南分为感应和激光导引车AGV。自动化控制系统：每个设备自动化控制系统的三维数据库驱动的自动化系统。目前现场总线模式基于模式的控制。库存管理系统：亦称中央计算机管理系统。是一个完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采用大型数据库系统（如ORACLE，SYBASE等），以建立与其他系统（如ERP系统等）联网或集成一个典型的客户机/服务器系统。2.2系统设计的基本步骤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.深入掌握和了解自动化立体仓库的工艺条件和控制要求。2.确定I/O设备。根据自动化立体仓库控制的功能要求，确定系统所需要的输入、输出设备。3.根据I/O接口数来选择合适的PLC类型。4.分配I/O点，分配PLC的I/O端点，编制出I/O分配表和输I/O端子的接线图。5.设计立体仓库系统的梯形图，根据工作要求设计出梯形图程序，这是整个自动化立体仓库系统设计的重点工作。6.将程序输入PLC进行仿真，查找错误，完善系统程序。2.3仓库货架的设计 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2.1所示：图2.1 3*3+1微型仓库货架示意图2.3操作面板的设计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”的状态。控制面板示意图如图3-1所示图2.3 操作面板2.4仓储机械设备的设计 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构成。图2.4为直线运行型单立柱有轨巷道堆垛机结构示意图：图2.4 直线运行型单立柱有轨巷道堆垛机结构示意图3系统硬件设计3.1可编程控制器的选型3.1.1 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，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，经过物理电路中输入信号信息，转变为所需要的输出信息，再通过物理电路的输出过程对负载进行控制。PLC并不等同于普通计算机。一般的计算机进行入出信息变换时，只考虑信息本身，信息入出过程的物理不考虑的。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。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；中断处理功能；程序与数据存储功能；联网通信功能；自我检测、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。3.1.2 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，工程设计选型和估算时，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。FX2系列可编程控制器主机分为16、24、32、64、80、128点六档。本课题设计的自动化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、限位开关、超限位保护、取、送、急停等等；输出有三个步进电机的正反向、错误显示、动作指示等等。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-64MT。3.1.3 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3.2 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SB10X126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 3.2步进电机的选择3.2.1步进电机的原理步进电机是数字控制系统中的执行电机，当系统将一个电脉冲信号加载在步进电机定子绕组后，转子就转一步（步距角），当电脉冲按某一相序加到步进电动机时，转子沿某一方向转动的步数就等于加载的电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目可以来控制步进电动机转子位移的大小；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，就可以来实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就可以控制步进电动机的转向和转速，实现大范围内速度的无级控制。 图3.1 混合式步进实物图1、步进电动机的特点（1）步进电机是用作对照一个特别的马达，其转动是固定的角度（称为“步距角”）一步一步的操作，其特点是没有累积误差（100的准确度）。所以可以应用于各种开环控制。（2）步进电机速度信号脉冲（3）步距值是因为变化的电气负载，环境条件的变化，使用开环控制（或半闭环控制），可以很好地控制并不容易。（4）启动和制动，正反转，变速等控制方便。（5）价格便宜，可靠性高。（6）步进电机的主要缺点是效率较低，并加上所需要的适当的驱动功率。（7）步进马达与惯性负载能力不强，有必要注意使用负载转矩的大小时，并注意负载惯量的大小，只有当两个在一个合适的选择范围，电机可以有资格获得满意的经营业绩。（8）由于失步和共振的，所以要根据不同的状态和复杂使用步进电机加速度的方法的和减速。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、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统，如图3-2所示。图3.2 步进电机驱动系统的组成3.2.2步进电动机的选择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、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。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：42BYGHl01。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重量42BYGH10121.801.7ADC24V0.44NM0.24kg3.3步进电机驱动器的选择1、步进电机驱动器的选择要点(1)、因步进电机工作在磁饱和状态，故而要求驱动器有足够驱动电流能够带动配套电机。最好带有电流调节档。(2)、步进电机驱动器要求足够的步进细分，以满足实际运作的需要。(3)、步进电机驱动器具有较好的散热效果，以满足长时间工作的需求。(4)、驱动器还应具有过温保护与短路保护，以保障误操作时驱动器不会损坏。基于以上实际要求，我们选择了一款性价比比较高的步进电机驱动器SH-2H057，这款驱动器驱动芯片与功率管集成在了一块大芯片上，材料利用率高，发热量小，而且采用了一个大散热片，散热效果好，该驱动器最大支持16细分，电流最大3A，具有多个电流档位调节，这款驱动器还集成了短路保护与温度保护，性能可靠。2、步进电机驱动器接线端子定义驱动器DC为驱动器供电端，主要给驱动器内部电路供电及驱动电机输出供电，左侧电源+为控制端供电，因为输入是采用光耦隔离输入，所以需要独立的电源供电。 图3.7 电机与驱动器接线图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器型号相数类别工作方式电流工作电源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3.8 图3.8 步进电机驱动器接线示意图3.4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检测原件，它是由日本欧姆龙公司生产研发的产品，采用能抗周围外来光干扰的变调光式；这种变调光式与直流光式比，可以不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；带有可以调整的光轴标识；方便动手确认的入光显示灯；反射式传感器的时间图和输出回路图如图3.9所示。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: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) 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 。3.5微动开关的选择在该立体仓库控制系统中共有13个仓位（12个仓位加0号仓位）共采用13只微动开关作为每个仓位的货物检测，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只微动开关用来作为限位保护的微动开关，以确保立体仓库在程序出错时不会带来不必要的损坏；微动开关原理图如图3-10所示。图3.10 微动开关原理图3.6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 主电路原理图1) 主电路中，从电网引出220V单相交流电，一部分直接供给三菱PLC，另一部分通过电源模块输出24V直流。2) 直流接触器KM1、KM2控制Z轴直流电机M1的正反转，以完成货物的取放操作；直流接触器KM3控制X、Y轴两个步进电机M2、M3的自身工作电源接入，在故障情况下紧急切断，以保证系统运行中的安全。步进电机驱动器SH-2H057(1)、SH-2H057(2)与步进电机M2、M3配套使用连接，保证正常驱动信号的输入。3) QF1为电源总开关，既可以完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用。QF2、QF3、QF4分别实现各负载回路的过载和短路保护，使用和维修方便。 3.7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3.12电气原理图。图3.12电气原理图输出部分：1、DC5V对应主电路中L5、N5，L5作为PLC输出回路的电源，分别向输出回路中Y0、Y1、Y2、Y3所接的负载供电，输出回路中N5连接PLC中的COM1端。PLC选用晶体管输出型，Y0、Y1能发出220kHz频率的脉冲，连接步进电机驱动器SH-2H057(1)、SH-2H057(2)的CP端进而控制步进电机M2、M3的脉冲驱动。Y2、Y3连接步进电机驱动器SH-2H057(1)、SH-2H057(2)的DIR端进而控制步进电机M2、M3的运动方向。2、DC24V对应主电路中L24、N24，L24作为PLC输出回路的电源，分别向输出回路中Y4Y21所接的负载供电，输出回路中N24连接PLC中的COM2 COM5端。Y4、Y5分别驱动Z轴直流电机的正反转，KM1、KM2接触器线圈支路设计了互锁电路，以防止误操作故障。Y21驱动继电器KM3动作，在故障状况下切断步进电机自身工作电压，保证系统运行的安全性。Y6、Y7、Y20分别接取货显示灯HL1、送货显示灯HL2、操作错误显示灯HL3，指示系统此时的工作状态。Y10Y17连接七段数码管， Y10Y16分别连接数码管的ag段，由于不需要小数点显示，则Y17空着不接，在系统运行中显示当前操作的仓位号。输入部分：PLC的X0X15连接系统的按键按钮输入部分，主要用于系统操作和仓位选择信号的输入。1、PLC的X16X26连接9个仓位的光电传感器，输入仓位货物检测信息，能够保证系统运行时的可靠性。2、PLC的X27X35连接7个限位开关，其中前进限位开关、后退限位开关、上行限位开关用于系统故障情况的监测，当PLC接收到其中任一限位开关的信号输入时，则启动操作错误显示灯HL3，并控制继电器KM3动作，使步进电机切断自身电源，保证系统安全；下行限位开关和原始0号仓位检测限位开关主要用于系统自复位限制；送进限位开关和取出限位开关则主要控制货叉取放货操作时的动作定位。3.8元器件目录清单表3.2 自动化立体仓库系统元器件目录表序号文字符号名称数量规格型号1M1直流电动机1Z2M3步进电机242BYGHl013步进电机驱动器2SH-2H0574QF1交流断路器1DZ10 3P5QF2QF4交流断路器3DZ10 2P6KM1KM3直流接触器3LP1-D09107TC隔离变压器1BK-200W8HL1HL3指示灯3XB2BVB1LC9SB1启动按钮1LAY3710SB2停止按钮1LAY3711SB3SB14键盘按键1212K1K9光电传感器9OMRON EE-SY67213SQ1SQ7限位保护开关7XPSAV1111314PLC可编程控制器1FX2N-64MT4系统控制软件设计4.1PLC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。有些PLC梯形图编程元素如下名称的继电器，如输入继电器，输出继电器，内部辅助继电器等，但他们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每个软PLC继电器内存映射寄存器和一个存储单元对应。如果存储单元为“1”的状态，那么相应的软线圈梯形图“权力”，连接到常闭触点断开，常开触点，这种状态被称为软继电器“1”或“ON”状态。如果存储器单元为“0”的状态，相应的继电器线圈和触点软状态和所说的相反，称该软继电器是“0”或“关”的状态。经常使用这些“软继电器”之称的程序组件开关量：按电压水平分，有24VDC 、110VAC、220VAC，按隔离方式分，有晶体管隔离和继电器隔离。模拟量：按精度分为16bit 、14bit、12bit等；按信号类型可分为电压型(0-10V,0-5V,-10-10V) 、电流型(4-20mA,0-20mA)等。除了通用I/O模块外，还有特殊I/O模块，如脉冲等模块、热电阻、热电偶。梯上的垂直线的两侧被称为公共总线（母线）。在梯形逻辑上的，以借用继电器电路分析，总线的左侧和右侧之间可以想象（左母线和右母线）与左，右正负直流电源电压时，“能量母线之间流动“由左到右。你不能得出正确的总线。根据在接触的状态和梯形逻辑，找到线圈的状态图和相应的程序元素，称为逻辑解决方案的阶梯算符。梯形逻辑解决方案是由从左至右，从上到下依次考虑。结果求解器，并立即能够被使用的逻辑解算器的后面。 逻辑可以基于输入图像的寄存器值，而不是解决所进行的外部输入触点的瞬时状态。接口PLC和电气回路是通过输入部分输出（I / O）来完成。 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，输出点反映输出锁存器的状态。输入模块为电信号转换成数字信号的PLC系统，相反的输出模块。的I / O到数字输入（DI），开关输出（DO）的模拟输入（AI），模拟输出（AO）模块。4.2 三菱编程软件的特点本设计的梯形图编程是运用三菱公司的GX Developer 7.0编程软件完成的。1、制作程序2、对可编程控制器CPU的写入/读出3、监视功能，监视功能包括回路监视，软元件同时监视，软元件登陆监视机能。此功能对于自动门的控制系统在查找故障的时候是非常重要的。4、模拟调试功能，把制作好的可编程控制器程序模拟写入可编程控制器的CPU内，测试此程序能否正常运转。次功能对于在完成自动门程序的时候进行程序的检查是很重要的。5、PC诊断功能，因为会见现在的错误状态或是故障履历表示出来，可以在短时间内恢复作业。对于自动门系统以后的故障查找是很重要的一项功能。4.3系统流程图系统主流程图如下图4.1所示：图4.1 系统主流程图系统取货子流程图如下图4.2所示：图4.2 系统取货子流程图系统送货子流程图如下图4.3所示：图4.3 系统送货子流程图4.4梯形图的设计PLC的程序编辑工作是靠梯形图完成的，梯形图具有形象直观，且便于分析记忆的特点。GX Developer是一款可以开发三菱全系列的编程软件，使用十分方便。为了使得设计调试简单方便，依据功能分析知程序设计部分可分为系统初始化自复位程序、取货子程序、送货子程序、系统故障保护程序等部分，分别确定逻辑思路编程后再进行程序整体汇总。1、初始化自复位程序自动控制系统工作的第一步，便是判断堆垛机是否已经准备就绪，是否可以正常工作，若不在初始位，需要自动回复到初始位。因此在初始化阶段，本设计将货叉在取出限位，堆垛机原始0仓位设置为初始位置。根据保护原则，首先应判断货叉是否在取出限位处，若不在取出限位处，首先驱动Z轴直流电机向后收回货叉，到达取出限位后进行下一步；若此时货叉已经在取出限位处，驱动Y轴步进电机下降，当到达下行极限后，驱动水平电机，后退到原始0仓位检测限位开关，此时堆垛机到达初始位置，完成自复位功能，PLC控制程序如图4.4梯形图所示：图4.4 初始化复位程序2、取货子程序P1取货是指叉车从指定仓库位置取出货物后送到缓冲货台。首先Y0输出对应指定仓位X轴步进电机需要的定位脉冲，Y1输出对应指定仓位Y轴步进电机需要的定位脉冲，到达指定仓位后，货叉先从固定高度（300脉冲处）下降至底部，之后Z轴电机正转，货叉伸入仓位至遇到送进限位开关处停止，然后货叉抬起货物至固定高度（300脉冲处），下一步Z轴电机反转，货叉带货物缩回至遇到取出限位开关处停止，最后回到原始0仓位处，完成取货任务。对应取货子程序P1如图4.5所示： 图4.5 取货子程序P13、送货子程序P2送货是指叉车从缓冲仓库位置取出货物后送到指定仓库。仓库的定位操作与取货程序相同，货叉的操作稍有差别，这里就不详细叙述了。对应的送货子程序P2如图4-6所示：图4.6 送货子程序P24、系统故障保护程序系统运行或调试过程中，可能会发生一些意外情况，所以在进行软件设计的过程中也必须要考虑到，从而保证整个系统安全可靠地运行。自动化立体仓库系统中设置了前进限位保护开关X27、后退限位保护开关X30、上行限位保护开关X31，当任意一个限位开关动作时，证明系统出现意外故障情况，此时输出Y21，切断步进电机自身驱动电源，堆垛机停止运动，从而保证整体设备的安全。系统故障保护程序如图4-7所示： 图4.7 系统故障保护程序结论该系统主要是PLC为核心，采用功能强大的PLC控制功能，我们可以利用可编程控制器仓库功能，具有接线简单，编程直观和易于扩展的特性。当增加机器人的功能，只需添加硬件限位开关输入信号线。无需改变原有的布线，只需添加适当的程序和功能输出软件，要改变的地方较少。调试结果表明，适应性强，准确性和可靠性，以满足设计要求，表明该设计是可行的。通过本设计，我学习到了很多东西，在工作的细心上也得到了提高。并且，更了解了有关可编程控制器的功能。我选择这个设计，也是为了弥补以前学习上的不足。这次设计，使我了解到老师的用心良苦，并且从老师那学到了很多宝贵的东西。参考文献1汤自春主编. PLC原理及应用技术M. 高等教育出版社, 20062吴明亮、蔡夕忠主编. 可编程控制器实训教程 M. 化学工业出版社, 20053贾德胜等编著. PLC应用开发实用自程序M. 人民邮电出版社, 2006 4严盈富主编. PLC入门M. 人民邮电出版社, 20055孙政顺、曹京生主编. PLC技术M. 高等教育出版社, 20056周伯英主编.工业机器人设计M.机械工业出版社，1995.6.7龚振帮编主编.机器人机械设计M.电子工业出版社，1995.8成大光编.机械设计图册（）M.化学工业出版社，1999.9何存兴编.液压传动与气压传动M.华工科技大学出版社，200010沈鸿主编.机械工程手册(10)M.机械工业出版社，200511马振福主编.液压与气动传动M 机械工业出版社，2006Design of electrical control system for small solid warehouse based on PLCAbstract: with the rapid development of the national economy, the automated warehouse will be more widely used in all walks of life. Automated warehouse is an important part of modern logistics system, is a multi hoard goods warehouse system overhead, through the automatic control and management system, high shelves, stacking machine, automatic storage and automatic library, computer management control system and other auxiliary equipment.仓库模型控制系统是基于对自动化仓库的操作和设计的基本原则。在整个控制系统，以三菱FX2N系列PLC为核心控制元件，专用键盘作为人机接口装置，用于控制步进电机来驱动一个仓库有三个运动自由度的由高强度钢轨三维模型。在根据地址码每转的步进电机输出脉冲应当通过键盘的每个位置，由PLC的键盘命令扫描和位置的相应数量的，当PLC接收从键盘输入的命令，则输出数的脉冲对应于该位置，之后驱动步进电机驱动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。The warehouse model control system is based on the operation and design of the automation warehouse basic principles. In the whole control system, with M