立体仓库控制系统的设计毕业论文.doc

立体仓库控制系统的设计毕业论文立体仓库控制系统的设计毕业论文 目目 录录 1. . 引言引言.3 1.1 本课题设计的背景.3 1.2 立体仓库的组成.4 1.3 国内外研究现状.4 1.4 立体仓库的研究意义.5 1.4.1社会意义.5 1.4.2科技意义.5 1.4.3教学意义.6 1.5 数据库系统.6 1.6 条形码技术.7 1.6.1条形码的种类.7 1.6.2条形码技术的特点.8 1.6.3条形码技术在自动化立体仓库管理系统中的应用.9 2. 立体仓库设计方案立体仓库设计方案.10 2.1 立体仓库系统的构成.10 2.1.1 系统模块组成.10 2.1.2 系统模块的功能.10 2.2 系统实现的功能.11 2.3 仓库管理系统功能要求.12 2.6 设计中的问题及解决方案.12 2.6.1 设计中的问题.12 2.6.2 解决方案.13 3. 立体仓库系统硬件的设计立体仓库系统硬件的设计.14 3.1 立体仓库的基本结构.14 3.2 硬件部分.14 3.2.1步进电机.14 3.2.2 步进电机驱动系统的基本组成和工作原理.15 3.2.3 传感器.15 3.2.4 控制电路设计部分.16 3.2.5 控制台.19 4. 系统软件设计及系统调试系统软件设计及系统调试.22 4.1 系统流程图.22 4.2 梯形图的设计.22 4.3 梯形图程序的下载（传送）.23 4.4 程序运行过程记录.24 5. 基于组态王的监控设计基于组态王的监控设计.25 5.1 组态王软件介绍.25 5.2 利用组态王实现上位机监控.25 5.2.1 建立组态王新工程.26 5.2.2 创建组态画面.26 5.2.3 定义 I/O 设备.28 5.2.4 构造数据库.29 5.2.5 建立动画连接.30 5.2.6 运行和调试.31 6. 结论与展望结论与展望.32 6.1 结论.32 6.2 展望.33 参考文献参考文献.34 致致 谢谢.35 1. . 引言引言 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，我国生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。与传统的继电接触器系统相 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，是指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。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。相比于传统继电器接触装置，PLC 具有体积小、可靠性高和抗干 扰能力强等优点。现代意义上的立库，是物流机械和计算机技术的完美结合， 仓库作业全部实现自动化。 1.1 本课题设计的背景本课题设计的背景 立体仓库一词起源于“高层货架” ，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，随着科技的发展，人们逐渐使用起重、装卸、运输机 械设备等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，因此形象地将其称为“立体仓库” 。 早在 20 世纪 50 年代初期，美国就出现了采用桥式堆垛起重机的仓库。这 种起重机是在通用桥式起重机的小车上装配堆取货物的装置，从地面上用按钮 进行操纵，从而使货架间的通道大大减小，单位面积的储存量平均增加 5 成。 此后立体仓库在美国和西欧得到迅速发展。1963 年美国某公司率先在仓库业务 中采用计算机控制，仓库高度达 12 米。20 世纪 60 年代中期，日本开始发展立 体仓库，而且发展的速度越来越快，根据日本“产业机工”的统计，到 1982 年， 日本已拥有各种立体仓库 3257 座，几乎相当于欧美拥有量的总和。 由于立体仓库具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、便于采用计算 机进行控制管理又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 理不可或缺的仓储技术，自然会越来越受到企业的重视。 1.2 立体仓库的组成立体仓库的组成 立体仓库一般由高层货架、仓储机械设备、建筑物、控制和管理设施等部 分组成。货架有很多的形式，一般采用钢材或钢筋混凝土材料制作。钢货架具 有构件尺寸小，仓库空间利用率高，制作方便，安装建设周期短的优点。以及 随着高度的增加，钢货架比混凝土货架的优越性更加明显。为了提高货物装卸、 存取效率，自动化立体仓库一般采用货箱或托盘盛放货物。货箱与托盘的功能 是盛放小件物料，同时还便于运输车和堆跺机的插取和存放。搬运设备是自动 化立体仓库中的重要设备，它们一般由电力驱动，通过手动或自动控制，实现 货物从一处搬运到另一处的功能。输送设备系统必须具有高度的可靠性。在立 体仓库内，一般只有一套输送系统，一旦发生故障，整个仓库工作就会受到影 响。所以，要求输送系统的各个环节上的设备可靠、耐用及维修方便。并且输 送系统设置手动控制以备不时之需。 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 自上世纪 60 年代以来，美日欧等国家和地区设计和投入使用的立体仓库急 速增加，如今立体仓储技术已成为一门新兴的学科。据不完全统计，美国有各 种类型的自动化立体仓库 20000 余座，日本有 38000 余座，德国有 10000 余座， 英国有 4000 余座，前苏联有 1500 余座。堆跺机是自动化立体仓库的主要作业 机械，承担着出库、进库、盘库等任务，是自动化立体仓库的核心部分，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，尤其是巷道式堆跺机。 我国的立体仓库的发展是从 70 年代初期开始的，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 15 米，机械部起重所负责） ，该库 1980 年投入运行，由北京机械工业自动 化研究所等单位研制建成我国第一座自动化立体仓库，并在北京汽车制造厂投 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动化立体仓库，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。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，并正在做智能控制和模糊控制的研究工 作。尽管如此，我国已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库 与国外发达国家相比，无论是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距。 1.4 立体仓库的研究意义立体仓库的研究意义 1.4.1 社会意义 立体仓库的特点在于以高层立体货架为标志，以成套先进搬运设备为基础， 以先进的计算机控制技术为手段，高效率地利用仓储空间，节约时间和人力进 作业，具有巨大地社会效益和经济效益，因此被普遍应用于机器制造业、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。 自动化的立体仓库具有广阔市场前景。它集机械、电子、控制、计算机技 术于一体，具有科技含量高，货物存取效率高和自动化程度高等优点，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都有很好的 应用。从制造工厂、商场、机场，到港口、军需部地下室冷库都少不了立体仓 库的身影，特别是随着人们生活水平的提高，我国的机动车数量日益猛增，传 统的停车场已经不能满足人们的需求，于是人们将立体仓库这一理念和技术应 用于停车库，很多城市都相继出现了立体停车库，使停车难的问题逐渐得以缓 解，所以为了更好的合理利用资源、保证产需均衡、提高物流效率，我们对于 自动化立体仓库的研究迫在眉睫。 1.4.2 科技意义 近些年我国自动化仓库技术发展很快，尽管如此，至今在我国已建成的集 成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从 数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距，究其原因，自动化程度不够是 一个很大的缺陷。 对此能较有效的改善这一缺陷的方法就是在控制系统中采用 PLC 控制器， 因为 PLC 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，可以完全满足立体仓库工作环境和控制系统的要求。通过 PLC 控制的立体 仓库克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、 通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操 作维修人员的技能与习惯，特别是 PLC 的程序编制，不需要专门的计算机编程 语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程 序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。 所以近几年采用可编程控制器（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全部立体仓库中的比重不断增 加。 另外，当前各领域中使用的立体仓库往往是很庞大的系统，研制立体仓库 往往需要投入很大的人力和财力，这给立体仓库的研究带来很大难度，令很多 科技研发和教学研究机构望而却步，针对这一难题，可以通过设计制作小型的 立体仓库模型，对其加入控制系统，并通过对其进行模拟调试，再将其研究成 果应用于立体仓库的生产研制，这样一来既节约成本，提高效率，也可以更为 广泛的开展对于立体仓库的研究。事实证明，大型自动化仓库系统己不再是发 展方向。为了适应工业发展的新形势，出现了规模更小，反应速度更快，用途 更广的自动化仓库系统，如德国 Veltins 啤酒厂制酒仓库，还有 Metzler optik partner AG 公司的小件仓库，通过提高运送速度和加快工作循环，达到了惊人 的仓库利用率。 1.4.3 教学意义 目前，很多高等院校以及职业院校的电子、机械等专业都把 PLC 列为一项 必修课程，因此可以将此立体仓库制作成教学模型，则既可以在教学过程中增 加教学的应用性，又可以通过让学生设计不同的 PLC 程序来达到不同的运行效 果，适用于学生毕业设计、课程设计、实习实验等，也适合于研究机构的科研 使用，具有一定的教学意义。 1.5 数据库系统数据库系统 一般来说，数据库系统由计算机软、硬件资源组成，它实现了数据共享、 数据独立、减少了数据冗余度、避免了数据不一致性、加强了对数据的保护。 数据库的模型有层次模型、网状模型和关系模型三种不同的数据类型。层次模 型描述数据之间的从属层次关系；网状模型描述数据之间的多种从属的网状关 系；关系模型的“关系”特指那种虽然具有相关性而非从属性的平行数据之间 按照某种序列排列的集合关系。关系数据库(Rlelatioml Database)是若干个依照 关系模型设计的数据表文件的集合，由若干张基于关系模型设计的二维表组成 的。本设计中涉及的数据库为关系型数据库，考虑到资源的利用和驱动的选择， 使用的是便利的 MicrosofI SQL Server 2000 数据库。 数据库是存储在一起的相关数据的集合，为多种应用程序服务；数据的存 储独立于使用它的程序；对数据库插入数据，修改和检索原有数据均能按一种 公用的并且可控的方法进行；数据被结构化，为今后的应用提供基础。 l、数据与记录项 在数据模型中，用数据描述的实体有对象和属性之分。描述对象的数据称为记 录，描述属性的数据称为数据项或字段。 2、数据表 数据表是用户自己定义的存储数据的对象，是数据库的基础。数据表将信息以 表格的形式安排。 “列”表示信息的字段或是信息的个别项目部分，可以存放数 据表中每一个实体元素。 “行”则包含记录。一条记录包含了数据库中的所有字 段。虽然字段可以空白，但是数据库中每条记录具有在数据表中每个字段保存 信息的能力。数据库的建立过程如下： 设计数据库的任务。根据需要确定用什么数据库保存表和用什么表保存字段 以及将要生成什么样的表。 确定该数据库中需要的表。 确定表中的字段。 确定表间的关系。 优化表的设计：在设计完表、字段及定义好表间的关系后，再检查一下是否 存在不足之处，以便及时修改。 向表中输入数据。 1.6 条形码技术条形码技术 1.6.1 条形码的种类 条形码是由一组按一定编码规则排列的条、空符号，用来表示一定的字符、 数字及符号组成的信息。条形码种类很多，常见的大概有二十多种码制，其中 包括：Code39码(标准39码)、Codabar码(库德巴码)、Code25码(标准25码)、 ITF25码(交叉25码)、MatriX25码(矩阵25码)、UPC-A码、UPC-E码、EAN13 码(EAN-13国际商品条码)、EAN-8码(EAN一8国际商品条码)、中国邮政码(矩阵 25码的一种变体)、Code-B码、MSI码、Coden码、Code93码、ISBN码、ISSN码、 Codel28码(Codel28码，包括EANl28码)、Code39EMS（EMS专用的39码)等一维 条码和PDF417等二维条码。 目前，国际广泛使用的条码种类有EAN、UPC码(商品条码，用于在世界范 围内唯一标识一种商品，超市中常见的就是这种条码)、ITF25码(在物流管理中 应用较多)、Codebar码(多用于医疗、图书领域)、Code39码(可表示数字和字母， 在管理领域应用最广)、Code93码、Codel28码等。其中，DN码是当今世界上 广为使用的商品条码，已成为电子数据交换(EDI)的基础；在各类条码应用系统 中Code39码因其可采用数字与字母共同组成的方式而在各行业内部管理上被广 泛使用；而Codebar码被广泛应用于血库、图书馆和照相馆的业务中。 1.6.2 条形码技术的特点 应用条形码系统进行信息处理的技术称之为条形码技术。条形码技术是一 种经济、实用的自动识别技术，是在计算机技术与信息技术基础上发展起来的 一门融编码、印刷、识别、数据采集和处理于一体的新兴技术。由于其优点众 多，因而发展迅速、应用广泛。当今的信息社会已经离不开计算机，正是自动 识别技术的崛起，提供了快速、准确进行数据采集输入的有效手段，解决了由 于计算机数据人工输入速度慢、错误率高等造成的“瓶颈”难题，因而自动识 别技术作为一种革命性的高新技术，正在迅速为人们所关注。自动识别技术是 信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段，它是以计算机技术和 通信技术为基础的综合性科学技术。自动识别技术近几十年在全球范围内得到 了迅猛发展，初步形成了一个包括条形码技术、光学字符识别、磁卡技术、智 能卡、射频技术、声音识别及视觉识别等集计算机、光、机电、通信技术为一 体的高新技术学科。它不仅扩大了计算机的应用范围，而且使计算机的应用无 论在深度上还是在广度上都有了新的发展。条形码具有以下优点： l、可靠性高：键盘人工数据输入方法的可靠性受人为因素影响很大，特别是对 于信息位长的字符串，是很容易出错的，出错率大约为几百分之一，利用光学 字符识别技术出错率约为万分之一，而条形码技术的误码率则低于百万分之一。 2、输入速度快：条码的条、空容易识读，用光电扫描装置识读条码并将信息输 入的方法比人工键盘输入的方法要快的多。键盘输入，对于操作员来说，输入 速度慢而且繁琐，使用条码可以大大提高输入速度，实现“即时数据输入” 。 3、灵活实用：条码标识既可以单独作为一种识别手段使用，也可以和其他识别 设备组成一个系统实现自动化识别，还可以和其他控制设备组合实现自动化管 理。 4、采集信息量大：传统的一维码一次可采集数十位字符的信息，而二维码可以 携带上千个字符的信息，并有一定的自动纠错能力。另外，条形码标签也易于 制作，对设备和材料并没有特殊的要求，识别设备操作容易，不需要特殊培训， 设备也相对便宜。 1.6.3 条形码技术在自动化立体仓库管理系统中的应用 自动化立体仓库的管理系统设计大量的数据输入与处理，为了减少出错率及提高工作 效率，一般都采用条形码技术进行输入。使用条形码可以采取计算机辅助编码，制定一套 计算机应用的编码标准，编制相应的软件程序。当需要编码时，操作人员接触软件完成物 料的编码，而完全无需了解编码方案。计算机辅助编码可保证编码的快速、准确、规范、 唯一。 条形码输入一般采用条码扫描枪，它提供了USB接口与计算机通信。当需要录 入信息时，只需用条码扫描枪扫描目标条码即可在系统光标所在的文本框处录 入相应条码的信息并自动键入回车符。 目前，一维条码已得到了广泛应用，仅作为一种标识数据，不能对产品进 行描述。尽管可以通过建立数据库来存储产品信息，但是必须进入数据库，并 输入用条码表示的编码，离开了预先建立的数据库，这种条码就变成了无意义 的数据，因而条码的应用范围受到了一定的限制。由于一维条码受信息容量的 限制，在没有数据库和不方便联网的地方使用受到限制。另外，要用一维条码 表示汉字信息几乎是不可能的，这在有些应用汉字的场合，显得十分不方便， 且效率很低。为了解决传统条码所存在的问题，便出现了二维条码技术。国外 的二维条码技术已经处于应用阶段，并能生产出性能较好的二维条码识别系统。 而我国与国外水平 还有很大差距。制约二维条码技术在我国发展的主要原因是目前市场上销售的 二维条码识别系统价格还比较昂贵。 立体仓库设计方案 2. 立体仓库设计方案立体仓库设计方案 2.1 立体仓库系统的构成立体仓库系统的构成 2.1.1 系统模块组成 本文所设计的立体仓库系统主要由人机接口界面、控制装置、驱动模块、 电机制动装置、机械部件和仓位模块所构成，它们之间的关系如图 1 所示： 图 1 立体仓库系统模块 操作人员通过人机接口界面，对立体仓库输入命令，比如将货物送到某一 仓位，人机接口界面将这一命令传送给控制装置，控制装置会根据这一命令作 出简单判断，即执行还是不执行，比如该仓位已满，那么将不予执行，所以控 制装置会首先去接受来自仓位模块的反馈信息，如果该仓位未被占据，则控制 装置接收到这一信息后将会调用执行该命令的相应程序并执行，以此来控制和 它相连的驱动模块，驱动模块的作用是去驱动电机制动装置，通过电机制动装 置的运作会带动相应的机械部件，机械部件将会把货物运送到合适的仓位，或 是从合适的仓位中取出货物，以此来实现操作人员取送货物的目的。 2.1.2 系统模块的功能 人机接口界面主要指的是由人来进行机械或设备操作的平台，在立体仓库 中，人机接口界面承担了操作人员控制立体仓库正常运行的作用。操作人员通 过人机接口界面可以向立体仓库发出操作命令，这其中包括：货物的出入库方 立体仓库设计方案 式以及存放的仓库位置编号。另外为了让操作人员能更清楚地看到所选仓位编 号，在人机界面上还可加入仓位编号以及当前状态显示。 在对控制装置的设计中，可以利用可编程控制器（PLC） ，因为 PLC 是一 种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，采用可以编制 程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算 术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型 的机械或生产过程。因此可以在 PLC 控制器写入用以控制立体仓库工作的程序， 包括初始化程序、货物出入库程序、状态显示程序等等。当控制器接收到来自 人机接口界面的命令之后，就可以做出逻辑判断是否相应，然后调用事先设定 好的程序执行。 驱动模块的信号主要由控制模块输入，作用是驱动相应的电机制动装置工 作，并起到电路保护的作用，即过压、过流保护。 电机制动装置主要用于带动后续的机械部件运动，机械部件的运动目的就 是为了将货物移动到适当的位置，而机械部件本身没有动力，因此需要依靠电 机制动装置来带动它的运动。要将货物从起始位置运送到仓库中或是从仓库中 取出到起始位置，这个过程中对于动作方面主要考虑三个问题：取移 放。 取，即从某一个地点取下货物的动作，可以是在起始位置取货物准备存放， 也可以在某一个仓位取货物。 移，即是将货物转移到指定的位置，可以是移动到起始平台，也可以是各 个仓位中，所以在这个过程中能够做到准确的定位是非常重要的。 放，即是将转移到指定地点的货物放下的动作，可以是放在起始位置，也 可以是放在某一个仓位中。 仓位模块一般可以设计成框架结构，在材料的选取上应选用比较坚固的材 质，比如钢质或铁质材料，在外形的设计上最好是比较整齐的排列，比如最常 用的是阵列式结构，如 NM 型仓位，即横向 N 排仓位和纵向 M 列仓位整齐 排列，这样比较有利于对货物移送定位的控制。同时在每一个仓位的设计上应 考虑到仓位当前状态信息的传递，比如仓位是否已经存有货物，否则如果向已 满的仓位再送入货物会导致仓库的运行发生错误或损坏货物以及仓库的硬件设 备。 立体仓库设计方案 2.2 系统实现的功能系统实现的功能 立体仓库系统的主要功能是实现货物的出入库操作，本文设计的立体仓库 可以实现下面一系列功能： 将仓位中的货物送到指定位置； 将某一指定位置的货物取出； 自动将某一位置的货物送到另一位置； 将起始位置的货物送到任意位置； 从任意位置取回货物放至起始位； 能够实现低速启动变速运行低速停止的功能，即 X、Y、Z 方向上 的极限保护； 各仓位状态的扫描检测； 2.3 仓库管理系统功能要求仓库管理系统功能要求 l、具有信息接口功能。管理计算机可以通过以太网的 TCP邛协议与上位 计算机联网，接收上位机的命令信息或向上位机报送仓库状态信息，向地面控 制台发送指令，接收地面控制台的反馈信息等。 2、具有出入库管理功能。当管理计算机接受到上位机指令要求对货物进行 出入库时，管理计算机通过内部处理后对控制台发出相关的指令，控制台接受 到指令后再控制相应堆垛机的动作，最终达到货物的出入库。 3、具有库存管理功能。为了满足生产的需要，仓库库存货物应有一定的数 量。库存太多，造成资金及管理费用的积压；库存太少，则影响正常生产。不 同的原材料和生产备件要求的存储量不同，其最佳值的选择要通过优化设计来 确定。不同的系统，不同用途的仓库，其优化原则是不一样的。 4、具有货位管理功能。对于自动化立体仓库，货位管理是计算机管理系统 的一个重要功能。货物的存放方式采用自由货位存放方式(各种货物并无固定的 存放货位)。入库货物的存放地址是按照一定的入出库原则随机确定的。货物出、 入库的货位分配是按照一定的原则来完成的：入库原则一般是先近后远，均匀 分配，先存放底层、后存放高层，下重上轻；出库原则是先进先出，先出零散， 尽量腾出货位。 2.6 设计中的问题及解决方案设计中的问题及解决方案 2.6.1 设计中的问题 立体仓库的功能比较多，因此结构也相对比较复杂，在考虑对立体仓库的 立体仓库设计方案 设计中有以下几个问题需要解决。 在货物的传送过程中如何做到精确而快速定位。 在 PLC 控制器接受到操作命令时如何判断是否应该响应。 在传送平台到达货物仓位后应如何进行货物出入库作业。 对于传送平台在各个方向的移动如何实施保护措施。 2.6.2 解决方案 1）在货物的传送过程中要实现精准定位的最好方法就是采用坐标定位法。 可以把货物的移动分解为水平（X 轴）和垂直（Y 轴）两个方向，通过控制这 两 9 个方向上的位移多少，即可以将货物送到准确位置。因此在硬件设计的时 候，可以将传送货物的机械装置设计成水平杆和垂直杆，在动力控制上可以采 用两个电机，分别给水平移动和垂直移动提供动力，然后通过电机控制送货平 台在水平杆和垂直杆上的滑动将平台移到指定位置。为了提高送货平台移送的 速度，缩短其到达指定位置的时间，在控制时可将水平和垂直的移动设定为同 时进行。 当 PLC 发出一定脉冲，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，步进电机以 10cm 长为单位长度计算为例，即坐标轴上的每个单位代表现实中的 10cm。为 了增大转矩提高控制精度，本控制系统所有数据（脉冲频率、数量等）均是以 步距角为 0.9 度为参考制定的。立体仓库模拟装置丝杠上螺纹的螺距为 1.8mm，也就是说电机每接 400 个脉冲所运行的距离为 1.8mm。要实现通过输 入不同数字使机械到达不同的位置，需要作到的就是控制步进电机走多少个单 位长度。 2）对于 PLC 控制器是否应响应操作命令的问题，可以通过在每个仓位上 安装限位开关来实现。限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气 开关。当仓位中货物已满时，限位开关可以将此信号传送给 PLC 控制器，控制 器即可根据接收到的信号作出是否响应的判断了。 3）传送平台在到达指定仓位后，可通过平台上的伸叉控制平台的前后和上 下移动来进行出入库作业。如果将水平杆和垂直杆的移动方向设为 X 方向和 Y 方向，把出入库的前后移动设为 Z 方向。取货的时候，传送平台先向前伸入至 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，传送平台先向前伸入至仓位中（Z 方向） ，然后往下放下货物（Y 方向） 立体仓库设计方案 ，最后缩回（Z 方向） ，以此来实现货物的出入库作业。 4）对于保护传送平台在各个方向的移动，可以在立体仓库中通过硬件在移 动的三个方向上实施保护措施，即 X 轴极限位保护、Y 轴极限位保护、Z 轴极 限位保护以及 X 轴、Y 轴、Z 轴协调保护（硬件联锁） ，通过以上各种保护开关， 可以确保操作人员在编程实验中或是立体仓库在程序出错时，不会损坏该装置。 立体仓库系统硬件设计 3. 立体仓库系统硬件的设计立体仓库系统硬件的设计 3.1 立体仓库的基本结构立体仓库的基本结构 自动化立体仓库主体由地盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气控制 等四部分组成。 图 3.1 仓位编号 机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成，采用步进电机、 直流电机作为拖动元件。 电气控制是由德国西门子 S7-200 程序控制器（PLC）、步进电机驱动电源 模块、开关电源、位置传感器等器件组成。 3.2 硬件部分硬件部分 3.2.1 步进电机 步进电机是数字控制系统中的执行电机，当系统讲一个电脉冲信号到步进 电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲安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光个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制 步进电机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电机 转子机械位移的方向，实现位置的控制，实现宽广范围内速度的无极平滑控制。 步进电机可分为磁阻式、永磁式和混合式， ，步进电机的相数可分为：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。本 系统用步进电机为 42BYG250C 型步进电机，其电气技术数据为： 电机型号相数布距角静态相电流驱动电压额定转矩重量 42BYG250C20.9/1.81.5ADC24V0.54N0.36kg 表 3.2 42BYG250C 型步进电机电气技术数据 3.2.2 步进电机驱动系统的基本组成和工作原理 为了驱动步进电机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器 101112 987 456 3210 立体仓库系统硬件设计 （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。 步进电机驱动器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。 所以设计中采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的 SH 系列步进电机 驱动器，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，在棋盘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 气技术数据为： 驱动器型号相数类别细分数最大相电流 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(24V-40V) 表 3.2 SH-2H057 型步进电机驱动器电气技术数据 3.2.3 传感器 （1）反射式传感器的工作原理： 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。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；其结构图如图 3.3 所示： 图 3.3 反射式传感器结构图 工作原理：当物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原先的信号相 立体仓库系统硬件设计 比较，产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、 放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号相关的主流信号输出电平。 （2）对射式传感器的工作原理： 对射式传感器的输出状态一般为 NPN 输出，输出晶体管的动作状态可分为 入光时 ON 和遮光时 ON 两种。入光时为 ON 的对射式传感器的结构图如图 3.4 所示： 图 3.4 对射式传感器的结构图 当 24V 电压加到发光二极管 LED1 时，它将光发射给发光二极管 LED2，LED2 接受到光导通，三极管导通，输出为 ON；当发光二极管 LED1 发射出的光被物体挡住使发光二极管 LED2 接收不到时，LED2 不导通，三极 管也不导通，输出为 OFF。 3.2.4 控制电路设计部分 PLC I/O 点的选择 根据控制要求，将个输入设备和被控设备详细列表，准确的统计出被控设 备对数需求量，然后在实际统计的 I/O 点数的基础上增加 15%20%的备用量， 以便以后调整和扩充。同时要充分利用好输入和输出扩展单元，提高主机的利 用率，例如 S7-200 系列可编程控制器主机分为 16 个输出、24 个个输入，还有 各种输入和输出扩展单元，这样的增加 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，在确定好 I/O 点数后，还要注意它的性质， 类型和参数。例如是开关量还是模拟量，是交流还是直流以及电压大小的等级， 同时还要注意输出端的负载的特点，一次选择和培植相应机型和模块。 小型仓库电气控制系统和输入信号 24 个，输出信号 14 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； 输出有三个电机的正反向、动作动作指示、错误显示等等。按照配置，所选 S7-200CPU226 系列 PLC。 立体仓库系统硬件设计 PLC 型号的选择 PLC 选择的一般原则为： 1、择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最 方便以及性能价格比的最优化机型。 2、在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的 PLC；其它情况则最好选用模块式结构的 PLC。 3、对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目 中，一般其控制速度无需考虑，因此，选用带 A/D 转换、D/A 转换、加减运算、 数据传送功能的低档机就能满足要求。 4、而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中，可视控制规模 及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全 PLC 的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。 PLC S7-200 的介绍 西门子公司的 SIMATIC S7-200 系列属于小型 PLC，用于代替继电器的简 单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它具有强大的通信功能。 在大型网络控制系统中也充分发挥其作用。 S7-200 的可靠性高，可以用于梯形图、语句表和功能图三种语言来编程。 它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器，高速 输出 PID 控制器，RS-485 通信/编程接口、PPI 通信协议、MPI 通信协议和自由 端口模式通信功能，最大可以扩展到 248 或 35 路模拟量 I/O，最多有 30KB 程 序和数据存储空间。 PLC S7-200 输入输出 I/O 分配 根据本课题 PLC