基于PLC立体仓库控制系统设计毕业论文.doc

基于PLC立体仓库控制系统设计毕业论文目录第一章 绪论11.1自动化立体仓库的历史及国内外现状11.2自动化立体仓库的简介及优越性21.3立体仓库的概述21.4论文的主要内容3第二章 自动化立体仓库述系统概述42.1自动化立体仓库的硬件组成42.2立体仓库自动控制系统总体设计62.2.1自动化立体仓库控制原理分析62.2.2自动化立体仓库的系统工艺流程82.2.3功能分析8第三章 系统控制方案的确定113.1立体仓库系统设计的基本步骤113.2立体仓库的系统控制方案12第四章 立体仓库控制系统硬件设计134.1控制系统的结构设计144.2 PLC的选型144.3 PLC的I/O资源配置154.4其他资源配置164.5步进电机的选择174.5.1步进电机的原理174.5.2步进电机的选择174.5.3步进电机驱动器的选择174.6传感器的选择204.6.1反射式传感器的选择204.6.2微动开关的选择21第五章 立体仓库控制系统软件设计225.1控制系统PLC程序流程225.2程序设计思路225.3梯形图的设计23第六章 结论与展望33谢辞34参考文献35附录A外文翻译-原文部分36附录B外文翻译-译文部分40附录C梯形图44I第一章 绪论1.1自动化立体仓库的历史及国内外现状立体仓库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。20世纪50年代初美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末至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，建立了第一座由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，并形成了专门的科学。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。据资料统计，日本目前已建成的自动化立体仓库物流系统已超过8000座。我国自动化立体仓库起步较晚，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（高15m，机械部起重所负责，该库1980年投入运行。随着社会生产水平的提高，成产规模的扩大，现如今我国的自动化立体仓库犹如雨后春笋般的在各企业建立起来。2007年，我国自动化立体仓库建设总量与2006年基本持平。据不完全统计，全国共建成自动化立体仓库50余座，总产值在7亿人民币左右。用户主要集中在医药生产、医药配送、食品、烟草生产及烟草配送、制造业、服装加工等行业领域。高层货架仓库简称高架仓库。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”。 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2003年为止，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，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。 自动化立体仓库（AS/RS）是由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库托盘输送机系统、尺寸检测条码阅读系统、通讯系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其他如电线电缆桥架配电柜、托盘、调节平台、钢结构平台等辅助设备组成的复杂的自动化系统。运用一流的集成化物流理念，采用先进的控制、总线、通讯和信息技术，通过以上设备的协调动作，按照用户的需要完成指定货物的自动有序、快速准确、高效的入库出库作业。 与传统的货物仓库相比, 自动化仓库具有许多突出的功能, 主要包括以下四个方面:大大提高空间利用率，应用先进物流系统优化企业生产管理1，加快货物存取, 减轻劳动强度,提高生产效率，减少库存资金积压。 而且使用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。1.2自动化立体仓库的简介及优越性随着生活水平的提高，生产力的提高，现代物流业逐渐显现出快速增长的趋势，传统的仓储模式已经不能满足巨大的货存，所以立体仓库就显示出它的功效。横移式自动化立体仓库是现代物流发展的重要组成部分，它可以充分的利用原有空间；它具有节约用地、减轻劳动强度、消除差错、提高仓储自动化水平及管理水平、提高管理和操作人员素质、降低储运损耗、有效地减少流动资金的积压、提高物流效率等诸多优点。可以更好的为人们所用。1.3立体仓库的概述自动化立体仓库，也叫自动化立体仓储，物流仓储中出现的新概念，利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化：自动化立体仓库，是当前技术水平较高的形式。自动化立体仓库的主体由货架，巷道式堆垛起重机、入(出)库工作台和自动运进(出)及操作控制系统组成。货架是钢结构或钢筋混凝土结构的建筑物或结构体，货架内是标准尺寸的货位空间，巷道堆垛起重机穿行于货架之间的巷道中，完成存、取货的工作。管理上采用计算机及条形码技术立体仓库的优越性是多方面的，主要在以下几个方面：1.提高空间利用率早期立体仓库构想的基本出发点是提高空间利用率，充分节约有限且昂贵的场地，在西方有些发达国家提高空间利用率的观点已有更广泛、深刻的含义，节约土地已与节约能源、保护环境等更多方面联系起来。有些甚至把空间利用率作为考核仓库系统合理性和先进性的重要指标。仓库空间利用率与其规划紧密相连，一般来说，立体仓库的空间利用率为普通仓库的25倍。2.先进的物流系统提高企业生产管理水平传统的仓库只是货物的储存场所，保存货物是其唯一的功能，属于静态储存。立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库内按需要自动存取，而且还可以与仓库以外的生产环节进行有机地连接，并通过计算机管理系统和自动化物料搬运设备使仓库成为企业物流中的重要环节。企业外购件和自制件进入立体仓库短时储存是整个生产的一个环节，是为了在指定的时间自动输出到下一道工序进行生产，从而形成自动化的物流系统环节，属于动态储存，是当今立体仓库发展的明显技术趋势。以上所述的物流系统又是整个企业生产管理系统(从订货、设计和规划、计划编制和生产安排、制造、装配、试验以及发运等)的一个子系统，建立物流系统与企业生产管理系统间的实时连接是目前立体仓库发展的另一个明显技术趋势。3.加快货物存取，减轻劳动强度，提高生产效率建立以立体仓库为中心的物流系统，其优越性还表现在立体仓库具有快速的入出库能力，妥善地将货物存入立体仓库，及时自动地将生产所需零部件和原材料送达生产线。同时，立体仓库系统减轻了工人综合劳动强度。4.减少库存资金积压通过对一些大型企业的调查，我们了解到由于历史原因造成管理手段落后，物资管理零散，使生产管理和生产环节的紧密联系难以到位。为了达到预期的生产能力和满足生产要求，就必须准备充足的原材料和零部件，这样，库存积压就成为较大的问题。如何降低库存资金积压和充分满足生产需要，已经成为大型企业面对的大问题。立体仓库系统是解决这一问题的最有效手段之一。5.现代化企业的标志现代化企业采用的是集约化大规模生产模式，这就要求生产过程中各环节紧密相连，成为一个有机整体，要求生产管理科学实用，做到决策科学化。建立立体仓库系统是其有力的措施之一。由于采用计算机管理和网络技术使企业领导宏观快速地掌握各种物资信息，且使工程技术人员、生产管理人员和生产技术人员及时了解库存信息，以便合理安排生产工艺，提高生产效率。国际互联网和企业内部网络更为企业取得与外界在线连接，突破信息瓶颈，开阔视野及外引内联提供了广阔的空间和坚实强大的技术支持。以上所述的物流系统又是整个企业生产管理大系统（从订货、必要的设计和规划、计划编制和生产安排、制造、装配、试验、发运等）的一个子系统，建立物流系统与企业大系统间的实时连接，是目前自动化高架仓库发展的另一个明显的技术趋势。现代化企业对管理提出了更高的要求，“管理出效益”的思维方式已成为大多数的现代企业管理者的共识。1.4论文的主要内容可编程控制器（programmable logic controller.PLC）是近年来发展迅速应用广泛的工业控制装置，是一种专为工业应用而设计的数字电子控制系统。它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术融为一体。它采用灵活、方便、快捷的可编程序控制形式和结构，通过数字量或模拟量的输入与输出过程中的信号转换，完成确定的逻辑运算、顺序控制、定时、计数、数值计算和一些特定的功能，应用于工业控制中的各类生产过程。本设计是采用西门子S7-200系列实现对推垛机小车的控制，实现立体仓库在现实生活中的应用。第二章自动化立体仓库系统概述2.1自动化立体仓库的硬件组成自动化立体仓库由多部分组成，实际图片如图2-1所示。图2-1自动化立体仓库实图（1）高层货架它是自动化立体仓库系统实现货物立体存放的主要支撑结构，作为仓库不可或缺的组成部分，其性能直接影响仓库及其设备的使用。目前高层货架主要有焊接式和组合式两种形式。（2）巷道堆垛起重机它是用于自动搬运、存取货物的设备。有轨巷道堆垛机通过安全滑触线供电，在巷道内进行水平往复直线、垂直升降、货叉左右伸缩叉取等一系列协调动作，实现存储单元货物在巷道端口和指定货位间的出、入库作业。按结构形式它可分为支柱和双立柱两种基本形式；按服务方式可分为直道、弯道和转移车3种基本形式。（3）输送系统它是立体库的主要外围设备，负责将货物运送到巷道端口或从巷道端口将货物移走。常见的有辊道输送机、链条输送机、升降台、分配车、提升机、皮带机等。（4）托盘用于承载货物的器具，有钢、塑料、木制托盘，其中木托盘具有较高的性能价格比（5）自动控制系统驱动自动化立体仓库各个设备的自动控制系统。该系统作为完整的系统独立运行外还预留和上级管理系统及仓库内部其他管理系统的接口。目前，立体仓库自动控制系统方式有集中控制、分离式控制和分布式控制3种。（6）库存管理系统也称中央计算机管理系统，是全自动化立体仓库的核心。目前，典型的自动化立体仓库均采用大型的数据库系统（如SQL、ORA-CLE、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。(7)PLCPLC是近年来发展极为迅速、应用极为广泛的工业控制装置。它将传统的继电器控制技术、自动化技术、计算机控制技术和通信技术融为一体专门为工业控制而设计，具有可靠性高、功能强、编程简单、使用方便、环境适应性好以及体积小、功耗低等特点；具有基本控制功能、步进控制功能、模拟控制功能、定位控制功能、网络通信功能、自诊断功能、显示监控功能等，可以满足对工业生产进行监视和控制的绝大多数场合的需要5。PLC最常用的语言是面向控制的梯形图语言，它采用了与实际电器原理图非常接近的图形编程方式，易学易用.(8)传感器信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。（9）堆垛机堆垛机是整个自动化立体仓库的核心设备，通过手动操作、半自动操作或全自动操作实现把货物从一处搬运到另一处。它由机架（上横梁、下横梁、立柱）、水平行走机构、提升机构、载货台、货叉及电气控制系统构成。6堆垛机形式的确定：堆垛机形式多种多样，包括单轨巷道式堆垛机、双轨巷道式堆垛机、转巷道式堆株机、单立柱型堆垛机、双立柱型堆垛机等等。堆垛机速度的确定：根据仓库的流量要求，计算出堆垛机的水平速度、提升速度及货叉速度。其它参数及配置：据仓库现场情况及用户的要求选定堆垛机的定位方式、通讯方式等。堆垛机的配置可高可低，视具体情况而定。 图2-2堆垛机结构（10）输送系统根据物流图，合理选择输送机的类型，包括：辊道输送机、链条输送机、皮带输送机、升降移载机、提升机等。同时，还要根据仓库的瞬时流量合理确定输送系统的速度。(11）其它辅助设备根据仓库的工艺流程及用户的一些特殊要求，可适当增加一些辅助设备，包括：手持终端、叉车、平衡吊等。2.2立体仓库自动控制系统总体设计作为一个定位控制系统，必须实现的目标如下：（1）能满足一般控制系统要求的自动、手动的控制功能；（2）能根据使用者发出的指令做出相应的动作；（3）能够根据实际的情况进行自动的校正。2.2.1自动化立体仓库控制原理分析堆垛机的信息显示、作业地址及指令的输入方法有很多种。一种方法是采用发光二极管来显示各种信息（如故障诊断代码等），采用拨码开关来输入作业地址。此种方法原理简单，但是一旦元器件有损坏，如某个发光二级管损坏，显示信息就不准；又由于采用拨码开关输入的地址值无法校验，拨码开关使用23年后，触点氧化，使电阻增加，工作电压较低（24V），导通电流小（7mA），这样触点电阻的变化会直接影响拨码开关的可靠性，造成拨码开关拨的数值与PLC输入的数值不一致，堆垛机无法运行到目的地址。此种方法直接影响了堆垛机的可靠运行，增大了堆垛机的后期保养、维修工作，因此目前此种方法已经很少有人采用。另一种方法是采用键盘来输入作业地址、作业指令，用数字和符号来显示各种信息，输入的数值及指令马上可以显示出来，校对容易，对错一目了然。编程器的显示器有二行共32位57的液晶点阵，可以显示数字、符号和字母；键盘按键有09、AF等键可以使用，可以向小车输入作业地址（排、列和层）、作业指令（存、取最多二个作业）、操作方式（自动、手动）。将键盘的09键定义为数字键，AF定义为功能键，在输入作业指令、作业地址时，显示器能马上显示出来，实现了简单的人机对话，保证了输入的作业地址和作业指令的准确性，提高了堆垛机运行的可靠性。这个方法使堆垛机的小车每通过一个位置就记录一个数，一直移动到和预定位置号一致时停止移动，此方法的特点是电路简单。另外随着电子技术的发展出现了众多优秀的PLC，用PLC来控制堆垛机是相当灵活方便，可以在PLC的软件中加以保护，即堆垛机每走过一个货格的时间超过或少于正常的时间范围就报警。这样就可以有效地避免计数出错。本课题即采用此种方法。立体智能仓库能实现货物的自动存取功能，这就要小车在作水平、升降台做垂直运动时，能准确记忆堆垛机的位置，即堆垛机的小车和升降台所在的列和层数，以实现货物的定位存取，本系统采取了非接触式反射型光电传感器，自动检测货位的列和层数。例如，随小车移动，列光电传感器每经过一个货架立柱时，接收到一个反射信号，列值增加1；升降台每升高一层，层光电传感器使层值增。光电传感器的有效反射距离为30cm。在自动存取货物时，货位的输入方法有微机键盘和BCD码拨盘开关两种形式输入，PLC在接收到外部输入的货位层和列数值后，将此值作为层、列计数器的预置值，用于实现货位的自动搜索控制。图2-2示所示是典型连接示意图。图2-3连接示意图根据设计要求将整个定位控制的全过程分为多个阶段；小车前进到指定货列架的过程；将货物抬升到指定货架行的过程；机械手放置货物或者取得货物的过程；放置或取得货物之后返回的过程。在各个阶段，对象的特征相对稳定，并且小车在前进和抬升货物的过程控制方面是基本一致的。下面对各个阶段进行简单地介绍。（1）小车前进过程：在这个过程中，处于自动或者手动控制状态的小车由起始点出发，经过位置的校对，到达预先指定列值的货架位置。（2）抬升货物过程：在这个过程中，货物被抬升到预先指定行值的货架位置。（3）存取货物过程：在这个过程中，通过控制机械手臂的运动，使机械手到达预先指定的位置。然后根据实际的需要完成存放或者取得货物的操作。（4）返回过程：在完成指定的操作之后，小车应该返回起始位置。2.2.2自动化立体仓库的系统工艺流程。图2-4自动化立体仓库工作流程图2.2.3功能分析智能立体仓库有货架、堆垛机、自动控制装置等部分组成，有自动和手动两种操作方式。立体仓库中间为巷道，两侧为双行货架，堆垛机在巷道上，固定的天、地导轨之间运行。本系统仅设置X和Y层的货架一行，另一行货架仅为虚拟行，以便安装和参观学习。堆垛机由固定在小车上的门式框架、沿门式框架上导轨提升运动的升降台以及在升降台上做伸缩运动的货叉（机械手）等三部分组成，堆垛机设计成一个三自由度系统，货物放在升降台的货叉上能实现上下、左右和前后的运动。水平方向的前后运动，由小车电动机进行驱动，小车电动机为220W的三相交流异步电动机。堆垛机垂直方向，由提升电机驱动升降台沿门式框架结构做升降运动，提升速度小于5m/min，提升电动机功率为220W的锥型转子单相交流异步电动机，具有断电抱闸制动的功能。固定在升降台上的机械手可带动货物一起做伸缩运动，伸缩量为左右各300mm，用于货物的存取操作。速度按机械手5m/min的速度要求设定。主要部件：堆垛机堆垛机工作条件堆垛机正常工作的环境温度范围为-540，在24h内平均温度不超过35。在40的温度条件下，相对湿度不超过50。温度较低时相对湿度可以高一些。堆垛机工作环境的污染等级应在国家规定范围之内。 供电电网进线电源为频率是50Hz、电压是380V的三相交流电，电压波动的。允许偏差为10。堆垛机的结构堆垛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垛机的发展为主要标志的。巷道式堆机基本结构主要由机架、运行机构、起升机构、载货台、货叉、电器设备及各种安全保护装置等部分，主要包括行走、升降和货叉三部分,通过三部分的协调工作完成货物在货架范围内的纵向和横向移动,实现货物的三维立体存取，准确地依照上位机给出的出入库地址将货物取出或放入有关货位，并将工作过程的状态信息反馈给监控系统。为了简化堆垛机的设计，我采用一个模型，如图2-5所示：图2-5 全自动堆垛机配置图1.升降电动机 2.货叉 3、6.传动丝杠4.货品 5.货格 7.行走电动机堆垛机控制堆垛机运行半闭环控制方案是,在实践中发展起来的一种有效的控制方案。在考虑现场各种实际情况及经济性的情况下,通过实验来确定各种运行曲线, 这些曲线存储在变频器里, 当主控机得到上位机发出的当前任务的目的地址和当前地址时,通过比较要运行的起止距离,用PLC 对变频器的运行曲线进行变换,达到调速和停准的目的,从而得到的一种比较满意结果的控制方式。在这种控制方案中,速度采用闭环控制,由变频器完成;位移则是采用开环控制13。堆垛机的半闭环控制原理图如图2-6 所示。图2-6 堆垛机半闭环控制原理图堆垛机速度控制的难点就在于其运行的起止位置的不确定性和离散性,不同的距离对应不同的加、减速曲线。由于堆垛机本身及货物的惯性较大 , 为保证升降及走行的平稳 ,采用多级速度控制 ,走行速度曲线如图7所示。起动时 PLC 设定变频器为高速运行 ,距离目的货位46m 时设定为中速运行 ,距离目的货位 12m 时切换到低速运行 ,接近目的货位时自动切换为对位速度运行 ,对正货位后走行停止14。图2-7 堆垛机行走速度曲线在综合考虑经济性和运行性能的情况下,堆垛机半闭环控制的硬件配置如图所示。图2-8 堆垛机半闭环控制硬件配置因为在主控机PLC , 变频器,光电开关之间需要频繁的交换数据,所以第三章 系统控制方案的确定3.1立体仓库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，如图31所示：确定课题研究课题内容确定方案查找资料根据控制要求确定硬件配置设计分析流程图系统结构的设计根据控制要求编写程序调试程序记录运行结果并分析总结图3-1立体仓库控制系统结设计步骤在深入了解和分析立体仓库控制系统的设计过程中主要考虑到以下几点：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要的用户输入、输出设备。3、根据I/O口的点数选择合适的PLC类型。4、分配I/O点以及PLC的输入输出点，编制输入输出分配表及输入输出端子的接线图。5、设计立体仓库控制系统的梯形图程序，根据工作要求设计出完整的梯形图程序，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，是系统程序更加完善。7、立体仓库整体调试，在PLC软硬件设施和现场施工完成后，就可以进行整个系统的练级调试，调试中发现的问题可以逐一排除，直到调试成功。3.2立体仓库的系统控制方案该立体仓库有十二个仓库位、有物品出入口与输出口位，其结构示意图如图3-2和图3-3所示：图3-2立体仓库结构示意图立体仓库控制结构示意图：图3-3立体仓库控制结构示意图本课题设计的立体仓库具有一下的功能：1、堆垛机要有三个自由度，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（后退）运动和上（下）运动可以同时进行；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），当操作有误时会发出错误报警信号；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，以防止发生意外情况。I 第四章 立体仓库控制系统硬件设计4.1控制系统的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41所示：图4-1控制系统结构图4.2 PLC的选型S7200系列的PLC，由于其具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令系统，使得S7200系列可以近乎完美的满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决工业自动化问题时，具有很强的适应性。S7200CPU224（扩展）系统分别对小车电机用变频器、机械手电机步进驱动模块进行自动控制，并对检测信号及外部输入数据和控制信号进行处理，实现了对小车、机械手驱动、升降台提升及保护等控制的基本要求。表4-1所示是CPU224的技术参数。表4-1CPU224的技术参数技术参数说明本机数字输入14路数字量输入本机数字输出10路数字量输出高速计数器（32-位值）6个高速计数器脉冲输出2个，20kHz脉冲速率模拟电位器1个，8位分辨率时间中断2个，1ms分辨率位置中断4个上升沿和/或4个下降沿可选择的输入滤波器时间7个，范围0.2ms12.8ms4.3 PLC的I/O资源配置由于需要采集外部检测信号（小车所经过的行、列）、控制小车驱动电机的起停、选择手动控制与自动控制状态、小车的前后列向运动、升降行向运动、伸缩运动、货物的抓取、存放等。系统资源分配如表4-2所示。表4-PLC的I/O地址分配表位号名数据类型说明I0.0BOOLSTART1启动I0.1BOOLSTOP1停止I0.2BOOL自动选择输入I0.3BOOL手动选择输入I0.4BOOL前后运动I0.5BOOL向前运动I0.6BOOL向后运动I0.7BOOL升降运动I1.0BOOL上升运动I1.1BOOL下降运动I1.2BOOL伸缩运动I1.3BOOL前伸运动I1.4BOOL后缩运动I1.5BOOL抓取物品I1.6BOOL放置物品I1.7BOOL列初始位置(原点位置)I2.0BOOL行初始位置I2.1BOOL后缩初始位置I2.2BOOL货叉压力传感器0-放松;1抓紧I2.3BOOL存物品I2.4BOOL取物品I2.5BOOL复位Q0.0BOOL小车向前运行Q0.1BOOL小车停止向前运行Q0.2BOOL小车向后运行Q0.3BOOL小车停止向后运行Q0.4BOOL机械手上升Q0.5BOOL停止上升Q0.6BOOL机械手下降Q0.7BOOL停止下降Q1.0BOOL机械手前伸Q1.1BOOL停止前伸Q1.2BOOL机械手后缩Q1.3BOOL停止后缩Q1.4BOOL抓取物品Q1.5BOOL放置物品Q1.6BOOL原点显示表4-3PLC的M单元地址分配表M0.0BOOL运行状态0停止;1运行M0.1BOOL存放物品工作标志M0.2BOOL取出物品工作标志M10.0BOOL手动、自动状态0-手动;1-自动M20.0BOOL小车前后运动使能M20.1BOOL列到位标志0未到位;1到位M20.2BOOL升降运动使能M20.3BOOL行到位标志0未到位;1到位M20.4BOOL伸缩运动使能M20.5BOOL物品到位标志0未到位;1到位M20.6BOOL抓放动作使能M20.7BOOL程序运行方向标志0存、取物品工作执行中;1-工作完毕,小车准备后退M21.0BOOL向前运行标志M21.1BOOL向后运行标志M21.2BOOL上升运行标志M21.3BOOL下降运行标志M21.4BOOL前伸运行标志M21.5BOOL后缩运行标志M21.6BOOL抓紧动作标志M21.7BOOL放松动作标志4.4其他资源配置EM253位控模块是S7200的特殊功能模块。能够产生移动控制所需的脉冲串，其组态信息存储在S7200的V存储区中，用于步进电机和伺服电机的速度和位置的开环控制。位控模块的特性如下：（1）位控模块可提供单轴开环移动控制所需要的功能和性能；（2）提供高速控制从每秒12个脉冲至每秒200000个脉冲；（3）支持急停S曲线或线性的加速减速功能；（4）提供可组态的测量系统，既可以使用工程单位，如英寸和厘米，也可以使用脉冲数；（5）支持手动的位控方式；（6）提供连续操作；（7）提供四种不同的参考点寻找模式，每种模式都可对起始的寻找方向和最终的接近方向进行选择。4.5步进电机的选择4.5.1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，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。4.5.2步进电机的选择1、步进电动机的特点（1）步进电动机时一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（步距角）一步一步运行的，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。（2）步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。（3）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。（4）起制动、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。（7）步进电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时，电机才能获得满意的运行性能。（8）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。4.5.3步进电机驱动器的选择1、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，步进电机是不会运行的。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32所示：图4-2步进电机驱动部分的组成2、步进电机驱动器步进电机要有一种电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机的驱动器，他是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说是控制系统每发出一个脉冲信号，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。所有型号的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，如图4-3所示：图4-3输入信号接口电路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则可直接输入；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818mA的驱动电流，如图4-3和表4-2所示。在在立体仓库中由于FP0提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，所以需外部另加1.8K的限流电阻R。表4-4外接限流电阻R信号幅值外接限流电阻R5V不加12V68024V1.8K步进电机驱动器的输出信号有两种：（1）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用，可以产生相位记忆功能，其接口如图4-4所示：图4-4初相位信号接口电路（2）报警输出信号：每台驱动器都有多种保护措施（如：过压、过流、过湿等）。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，报警时触电立即闭合。驱动器正常时，触电为常开状态。触电规格有：DC24V/1A、AV110V/0.3A。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3-5所示：图4-5电机与驱动器接线图所以在此采用SH系列步进电机驱动器，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，其外壳即为散热体，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。此步进电机驱动器的电气技术数据如表4-5所示：表4-5步进电机驱动器的电气技术数据表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一组直流DC（2440）步进电动机驱动器接线示意图如4-6所示：图4-6步进电动机驱动器接线示意图4.6传感器的选择4.6.1反射式传感器的选择在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便调光式。采用表那调光式与直流光式相比，不易受外来光干扰影响；电源电压为DC524V的大量程电压输出型；带有容易调整光的光轴标识；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回路如图4-8所示：图4-7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；连接是采用插件方式，千万不要对端子（读出头）进行焊接。EE-SPY402型传感器的电气技术参数如表4-6所示：表4-6EE-SPY402型传感器的电气技术参数表型号EE-SPY402形状立式检测方式反射型应差距离0.2mm（检测距离3mm，横方向）检测距离5mm（反射率90%15X15mm）光源（发光波长）GaAs红外发光二极管（940mm）显示灯入光时灯亮（红）电源电压DC524V脉动（p-p）5%以下消耗电流平均值15mA50mA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3000ex以下环境温度动作时：-10C，保存时-25C（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1.5mmXYZ个方向2h耐久冲击500m/X、Y、Z各方向三次保护构造IEC规格IP50连接方式接插件式质量约2.6g外壳材料聚碳酸酯（PC）4.6.2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轴的下限位出乎安分别加装了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；微动开关原理如图4-9所示：图4-9微动开关原理图第五章 立体仓库控制系统软件设计5.1控制系统PLC程序流程工艺流程的介绍，可以总结出基本的程序流程如图5-1所示。图5-1程序流程图5.2程序设计思路(1)初始化过程，清除位置记录(2)调用子程序检测位置信号(3)工作任务标志:存放,取出物品(4)原点显示(5)运行状态(6)手动,自动选择(7)启动小车手动向前运行(8)启动小车手动向后运行(9)手动小车前后运动使能(10)手动控制小车前后运行(11)启动机械手手动上升(12)启动机械手手动下降(13)手动机械手上升、下降使能(14)手动控制机械手上升、下降运行(15)手动控制机械手前伸、后缩运行使能(16)启动机械手手动前伸(17)启动机械手手动后缩(18)手动控制机械手前伸、后缩运行5.3梯形图的设计智能立体仓库自动控制系统的PLC程序说明程序的运行步骤如下：（1）初始化：在程序的一个扫描周期（SM0.1=1）设置重要的参数。（2）运行：按下设备的“启动”（START）按钮开始运行，首先调用子程序检测位置信号，取得当前位置计数，然后将位置计数存放在变量VW100（行计数）、VW120（列计数）中，以便程序判断是否已经到达指定的位置。PLC硬件电路连接完毕后，控制功能的完成还要依靠软件程序的运行，两者缺一不可。该立体仓库的梯形图程序分析如下：1.程序初始化：程序初始化由网络1和网络2完成：S7-200只读特殊内存SM0.1，只有在首次扫描循环时打开，所以这段初始化程序只在程序开始运行的时候执行一次。这里执行的两条指令对变量VW102以及VW132进行初始化，这两个变量分别为小车运行中所经过的行记数以及列记数。由于要涉及到小车完成任务的过程以及完成任务以后返回的过程，所以程序在执行的过程中必须要明确其运动方式和目的，是前进或后退运动、升降运动或机械手臂的伸缩运动等。因此，在以下的程序中，每一个运动过程都必须加上很明确的标志和条件限制来确定其运动的方式和运动的目的，这样才不至于因为目的不明确而造成错误的判断以及错误的动作。造成存取货物的失败。网络1、2实现代码如下程序NETWORK 1 /NETWORK TITLE: / LD SM0.1MOVW +0, VW102MOVW +0, VW132NETWORK 2/ /NETWORK COMMENTS/ LD SM0.0CALL SBR_02.列向自动运行列向自动运行由网络3和网络4完成：在这段程序中，首先要考虑的问题就是：小车处于前进或者是存放货物过程还是完成了预定任务返回的过程。但是由于PLC程序的执行特点是逐行扫描，所以仅仅判断小车是处于前进过程还是返回过程机械手臂是不够的，因为在返回过程中还有机械手臂从货架上缩回来、机械手臂下降到初始位置等几个过程，所以说，必须要在程序中能够将这3种完全不同的运动区分开关。根据这种要求，在编写程序的时候加入了3个不同的BOOL类型的变量M20.1、M20.3以及M20.5，分别作为小车沿列向运行到位标志，机械手沿行向运行到位标志，机械手货架到位标志。当变量为ON时，表示已经完成了该项动作，为OFF时表明小车还没有完成对应的运动。Q0.0是开关量输出，表示启动小车前进，小车开始向前运动。当小车还处于取放货的动作未完成的阶段时，需要判断的是小车是否已经完成了列的定位，如果未完成（M20.3为OFF），那么启动小车前进的电机，使小车向前运动。如果小车处于已经完成了取放货的动作时，那么判断小车是否已经完成了由货架上返回（伸缩机械手的运动）、是否已经完成了由指定行数退回初始行位置的运动（如果完成，小车应该是第一行以下的位置）。如果小车这两个过程都已经完成，那么将开始进行后退运动，Q0.2表示启动小车后退电机使小车向后运行并返回初始位置。网络3、4实现代码如下程序：NETWORK 3 /NETWORK TITLE: /LD SM0.0LPSAN M20.7AN M20.1A M0