毕业论文---PLC在立体仓库位置控制系统中的应用研究

1、本 科 毕 业 论 文 题目：PLC 在立体仓库位置控制系统中的应用研究 院系：信息工程学院 专业：电气工程及其自动化 班级： 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期：2012年 6 月 25 日 论文答辩日期：2012年 6 月 26 日 1 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 电气工程及其自动化专业 0803学生 ： 毕业设计（论文）题目：PLC 在立体仓库位置控制系统中的应用研究 毕业设计（论文）内容：1.了解课题控制工艺和控制要求； 2.PLC 选型设计； 3.PLC 应用程序设计； 毕业设计（论文）专题部分： 对立体仓库系统中控制单元PLC进行了硬件部分的选型和主要程序的 设

2、计。 起止时间：2012 年 3 月-2012 年 6 月 指导教师：签字年月日 教研主任：签字年月日 学院院长：签字年月日 摘要摘要 随着经济全球化的持续稳定发展，我国的工业也出现了翻天覆地的 变化，一方面高科技的加工工艺越来越得到推广，加工效率也得到了大 大的提高。与此同时原有的物流和仓储系统已不能满足新形势的要求,建 立一个集物流、信息流和资金流于一身的自动化物流管理中心,从而降低 企业综合物流成本,提高企业综合效益便成为目前亟待解决的问题。 本课题是基于可编程控制器（PLC）作为控制单元，实现系统的模块 化结构、高速的处理速度、精确的数据处理能力、网络技术和优越的性 价比等性能。使仓库

3、功能从单纯保管型向综合流通型的转变，实现自动 化立体仓库成为现代物流与仓储系统的重要组成部分，具有货物存取效 率高和自动化程度高、很强的入出库能力等优点。而 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。 文中主要介绍了立体仓库的基本组成，功能及工作流程，系统的控 制及接线和直流电动机的特点及工作原理，并详细的陈述了步进电动机 的工作原理、特点，步进电动机驱动系统的基本组成，步进电动机的选 择方法和步进电动机驱动器的选择及接线图。与此同时分析了德国西门 子 PLC S7-200 系列在立体仓库控制系统中的应用，重点分析了系统软 硬件设计部分，并给出了堆垛机的系统硬件

4、结构图、 PLC 控制 I/0 端日分 配表以及系统部分程序流程图，立体仓库控制系统 PLC 程序摘要等等， 实现了系统的可靠性、灵活性和实用性。 关键词：关键词：立体仓库； PLC； 步进电机； Abstract With the sustained and stable development of enterprises, the pace of economic globalization rapidly, Chinas industry has undergone enormous changes, on the one hand the high-tech processing t

5、echnology has been more promotion, the processing efficiency has been greatly improved. At the same time the existing logistics and warehousing system can not meet the requirements of the new situation, the establishment of a set of logistics, information flow and cash flow in an automated logistics

6、 management center, in order to reduce logistics costs and improve the overall efficiency of enterprises has become problems to be solved. Automated warehouse is the case not directly to manual handling, automatic completion of the goods warehousing and remove the system, high-level three-dimensiona

7、l shelf, based on sets of handling equipment, a set of automatic control technology, communications technology, mechanical andelectrical technology in one high-efficiency, high-capacity storage bodies. Programmable controller (PLC) as an industrial control computer, has a modular structure, flexible

8、 configuration, high-speed processing speed, accurate data processing capability, a variety of control functions, network technology and superior cost performance, is widely one of the application of control devices. The emergence of the automated warehouse, the warehouse functions from simple custo

9、dy to Distribution type, and automated warehouse is an important part of modern logistics and warehousing system, with a high degree of cargo access to the high efficiency and automation, a strong into and out of the library ability. PLC is Powerful functionality, high reliability, strong anti-jammi

10、ng capability, easy maintenance, easy to mechanical and electrical integration. Fully meet the requirements of the three-dimensional warehouse work environment and control systems. This paper describes the basic components of the three-dimensional warehouse, functions and work processes, system cont

11、rols and wiring and DC motor characteristics and working principle, and a detailed statement of the stepper motor works, characteristics of the stepper motor drive system composition, selection and wiring diagram of stepper motor selection and stepper motor drive. At the same time analysis of German

12、ys Siemens PLC S7-200 series in the three-dimensional warehouse control system, analyzed the part of the system hardware and software design, and gives the system hardware structure of the stacker, the PLC to control the I/O end date The allocation table system part of the program flow chart, wareho

13、use control systems, PLC program summary and so on, the system reliability, flexibility and practicality. Keywords:three-dimensional warehouse； PLC；stepper motor; 目录 第一章 绪论. 1 1.1 自动化立体仓库概述 .1 1.2 堆垛机概述.3 1.2.1 堆垛机的发展 .3 1.2.2 巷道式堆垛机的技术现状 .3 1.3 可编程控制器控制概况.4 1.4 本课题研究的意义和内容.7 1.4.1 本课题研究的意义.7 1.4.2

14、本课题研究的内容 .8 1.5 本章小结. 8 第二章 自动化立体仓库的系统构成.9 2.1 立体仓库的构成.9 2.1.1 立体仓库系统的基本组成 .9 2.1.2 各部分的组成系统介绍.10 2.2 立体仓库模型的主要功能及工作流程.11 2.2.1 系统的主要功能.11 2.2.2 系统的工作流程.12 2.3 本章小结. 13 第三章 系统的硬件配置及其控制原理.15 3.1 I/O 分布列表 .15 3.2 CPU 的选择 .16 3.2.1 PLC 存储器类型及容量估算方法 .16 3.2.2 CPU 的确定 .17 3.3 系统的结构框图及接线图.17 3.4 直流电机. 19

15、3.5 步进电机. 19 3.5.1 步进电动机的工作原理.19 3.5.2 步进电动机的特点.19 3.5.3 步进电机驱动系统的基本组成.20 3.5.4 步进电机的选择计算.21 3.6 步进电机驱动器的选择.23 3.7 系统中传感器的运用.24 3.7.1反射式传感器.24 3.7.2对射式传感器.25 3.8 本章小结. 26 第四章 立体仓库主要程序设计.27 4.1 立体仓库位置控制的 PLC 设计 .27 4.2 立体仓库仓位选中控制程序设计.29 4.3本章小结.32 第五章总结. 33 沈阳化工大学学士学位论文第一章绪论 第一章 绪论 1.11.1 自动化立体仓库概述自动

16、化立体仓库概述 在现代物流系统中，自动化立体仓库是一个重要的组成部分，它是一种新型的仓 储技术，自动化立体仓库又称为自动存储 /检索系统(Automated Storage 无触点的半导体电路来完成频繁的开关动作， 就不会出现继电器控制系统中的器件老 化、脱焊、触点电弧等问题;所有的输入输出接口都采用了光电隔离措施，使外部电 路和 PLC 内部电路能有效地进行隔离;PLC 模块式结构，可以在其中一个模块出现故 障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能尽量缩短系统的维修时间。在软 件方面， PLC 的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运算处理器的延迟， 保证 在程序出错和程序调试时，避

17、免因程序错误而出现死循环;当 CPU、电池、 I/O 口、通 信等出现异常时，PLC 的自诊断功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防 止故障扩大;停电时，后备电池和正常工作时一样，进行对用户程序及动态数据的保 4 沈阳化工大学学士学位论文第一章绪论 护，确信信息、不丢失。由于采取了以上有效措施，保证了 PLC 的高可靠性，从而 使 PLC 的平均无故障时间己经能高达几十万小时。 2. 应用灵活性、使用方便 模块化的 PLC 设计，使用户根据自己控制系统的大小、工艺流程和控制要求等 来选择自己所需要的 PLC 的模块并进行资源配置和 PLC 编程。这样，控制系统就不 再需要大量的硬件装置

18、， 用户只需根据控制需要设计 PLC 的硬件配置和 I/0 的外部接 线即可。而在 PLC 控制系统中，当控制要求改变时，不改动 PLC 外部接线，只需修 改程序即可。这种面向控制过程的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比， 应用灵活，移植性强。 3. 面向控制过程的编程语言，容易掌握 PLC 的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言，清晰直观。虽然 PLC 是以 微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户具有很强的程序设计能力，只需用户 具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可。这种面向控制过程的编 程方式，虽然在 PLC 内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数

19、机电 控制设备来说，这种时耗是微不足道的。 4. 易于安装、调试、维修 在安装时， 由于 PLC 的输入/输出接口已经做好， 因此可以直接和外部设备相连， 而不再需要专门的接口电路。而且 PLC 的软件功能取代了原来的继电器控制中的中 间继电器、计时器、计数器等一些器件，所以硬件安装上的工作量相应减少。 PLC 的调试可先在实验室模拟完成，模拟调试完成后再现场安装和调试。这样就可以避免 可能在现场会出现的一些问题，从而缩短调试周期:在维修方面，PLC 完善的诊断和 显示功能，可以通过模块上的显示或者编程器等很容易地找出故障的模块，而且由于 模块化设计，因此只需要对出错的模块进行更换即可。 5.

20、 PLC 的功能强、功能等扩展能力强 其一，PLC 利用程序进行定时、计数、顺序、步进等控制十分准确可靠。其二， PLC 还具有周 D 和 D/A 转换、数据运算和数据处理、运动控制等功能。因此它既可 对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。其三，PLC 具有通信联网功能，因此， 它不仅可以控制一台单机、一条牛产线，还可以控制一个机群、多条生产线，它既可 现场控制，也可远距离对生产过程进行监控。PLC 的功能扩展极为方便，硬件配置相 5 沈阳化工大学学士学位论文第一章绪论 当灵活，根据控制要求的改变可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再相应修改 用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。

21、6. 网络功能强大 PLC 具有强大的网络功能。PLC 不仅能做到远程控制、进行 PLC 内部通信与 上位机进行通信，还具备专线上网、无线上网等功能。这样， PLC 就可以组成范围很 大的控制网络，整个工厂，甚至整个系统都可以实现自动化，从而提高生产的效率。 7. PLC 体积小、重量轻、易于实现机电一体化 由于 PLC 内部电路主要采用半导体微电子集成电路，具有结构紧凑、体积小、 重量轻、功耗低的特点;更由于它具有很强的抗干扰能力，能适应各种恶劣的环境， 因而它已成为实现机电一体化十分理想的控制装置。 随着 PLC 技术的不断发展，目前已能完成以下控制功能: 条件控制功能 条件控制(或称逻辑

22、控制或顺序控制)功能是指用 PLC 的与、或、非指令取代电 器触点串联、并联及其他各种逻辑连接，进行开关控制。 定时/计数控制功能 定时/计数控制功能就是用 PLC 提供的定时器、 计数器指令实现对某种操作的定 时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器。 步进控制功能 步进控制功能就是用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中， 只有前一道工 序完成后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。 数据处理功能 数据处理功能是指 PLC 能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算与逻 辑运算以及编码和译码等操作。 A/D 与 D/A 转换功能 A/D 与 D/A 转换功能就

23、是通过 A/D、 D/A 模块完成对模拟量和数字量之间的转换。 运动控制功能 运动控制功能是指通过高速计数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴控制。 过程控制功能 过程控制功能是指通过 PLC 的 PID 控制模块实现对温度、压力、速度、流量等 6 沈阳化工大学学士学位论文第一章绪论 物理参数进行闭环控制。 扩展功能 扩展功能是指通过连接输入/输出扩展单元(即 I/O 扩展单元)模块来增加输入输 出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高 PLC 的控制能力。 远程 I/O 功能 远程 I/O 功能是指通过远程 I/O 单元将分散在远跟离的各种输入、输出设备与 PLC 主机相连接，进行

24、远程控制，接收输入信号、传出输出信号。 通信联网功能 通信联网功能是指通过 PLC 之间的联网、PLC 与上位计算机的链接等，实现远 程 I/O 控制或数据交换，以完成系统规模较大的复杂控制。 监控功能 监控功能是指 PLC 能监视系统各部分运行状态和进程，对系统中出现的异常情 况进行报警和记录，甚至自动终止运行;也可在线调整、修改控制程序中的定时器、 计数器等设定值或强制 I/O 状态4。 1.41.4 本课题研究的意义和内容本课题研究的意义和内容 1.4.11.4.1 本课题研究的意义本课题研究的意义 随着我国加入 WTO，加快了经济全球化进程，进一步促进了物资流通，物储运 发送量越来越大

25、。 可以预测， 今后市场对仓储物流设备的需求量将有更大幅度的增长， 而且将在存取率、自动化程度、信息化程度等方面提出更高的要求。 自动化立体仓库的出现极大的满足了现代物流的发展， 从一定程度上促进了现代 物流的发展。随着现代化物资存储、运送、管理及城市现代化建设的不断发展，对自 动化仓库的需求将越来越大，对其各方面功能、性能的要求也越来越高5。 在立体仓库中，堆垛机是自动化立体仓库中最主要的作业机械设备，是输送系统 的核心设备，决定着整个出入库是否能流畅运行的关键，它的合理的速度控制、精确 的定位设计以及优良的故障诊断系统是实现堆垛机高效率、高准确度、高度安全性运 行的重要因素。 相对传统的仓

26、库而言!自动化仓库有着明显的优势!包括货物分拣速度快!可靠性 7 沈阳化工大学学士学位论文第一章绪论 高!易于精确管理!而且占地资源少空间利用率高!同时还降低了人力资源成本的支 出,自动化仓库的控制涉及计算机通信和控制等多门学科,而现场总线技术也正是在 这样的背景下顺势发展起来的技术!可以对立体仓库做到实时有效的控制6。 此次设计采用西门子 PLC 控制技术来实现自动化立体仓库的控制，对立体仓库 的全方面和先进化都具有良好的促进作用。 1.4.21.4.2 本课题研究的内容本课题研究的内容 本课题立足于目前市面上比较流行的各类晶体管输出的PLC (如西门子、三菱或 欧姆龙等)采集各种传感 器信

27、号，对步进电机和直流电机进行较复杂的位置控制及 时序逻辑控制，实现仓位定位和送 / 取动作（X/Y轴完成仓位定位，Z轴完成送/ 取动 作）。) 。 此设计的主要内容有： 1.掌握PLC 控制的基本原理、步进电机及驱动、直流电机、传感器等器件的原 理及使用。 2.掌握位置控制技术。 3.掌握机械传动原理及应用。 4.理解PLC 的脉冲输出控制。 1.51.5 本章小结本章小结 在本章节中通过论述简要的的介绍了立体仓库和可编程控制器的基本概况。 并介 绍了本次设计立体仓库的内容及其意义。 8 第二章第二章 自动化立体仓库的系统构成自动化立体仓库的系统构成 2.12.1 立体仓库的构成立体仓库的构成

28、 2.1.12.1.1 立体仓库系统的基本组成立体仓库系统的基本组成 立体仓库模型是用来储存、分类货物的模型。送货时，根据货物的属性将不同的 物体送人到指定的仓位中去；取贷时，根据需求从指定的仓位中取出货物，它由12 个仓位组成，采用滚珠丝杠、直线导轨、普通丝杠作为传动装置，由 PLC编程实现X、 Y、Z轴的位置控制，可完成仓库汽车模型的自动或手动存取。该装置的机构由立体 仓库本体单元、PLC控制单元、接口单元、电源单元等组成。如图2-1所示。 图 2-1 立体仓库模型的外形结构 (1) 立体仓库本体单元 9 该单元由 l2 个仓位和巷道式堆垛起重机（以下简称巷道起重机）等组成。 (2)PLC

29、 控制单元该单元 可分别选用松下 PLC、西门子 PLC、欧姆龙 PLC、三菱 PLC 等。PLC 主体具有 脉冲输出功能，能同时实现两轴定位功能。 (3) 接口单元 该单元将系统中所有控制单元、执行单元、检测单元、输入输出单元的信号都 引到面板上，由学生自行完成电路的连接设计。不同性质的节点采用不同的颜色进行 标识，并且每个单元自身的电路具有独立性，具备扩展功能。 (4) 电源单元 电源单元是由开关电源提供系统工作的 DC 24V 电压。该系统在设计上设置了各 种保护功能，包括短路保护、反向保护、限位保护、定位保护。 TVT-99C 立体仓库系 统中为了防止不确定因素对系统硬件的损坏， 分别

30、在机械手臂运行的横轴和纵轴上设 置了仓库的定位孔，当机械手臂运行时，位于移动模块下方的光电传感器分别检测运 行 X 轴、Y 轴的定位点，当且仅当机械手臂停止于定位孔点时，对应的Z 轴才能进行 取货和移货的动作7。 2.1.22.1.2 各部分的组成系统介绍各部分的组成系统介绍 (1) 仓库库体仓库本体分为两个区，分别为转货区和储贷区。转货区主要是由 载货台组成的，用来周转货物，当货物入库以及货物出库时，都是通过转货区来完成 的。储货区由 12 个仓位组成，分成 4 行、3 列，主要用于储存不同的货物。在转货 区、储货区都分别安装了检测传感器，用于检测对货物的定位。 (2) 巷道起重机巷道起重机

31、由二轴行走机构、货台、驱动器等组成，巷道起重 机总共具有 3 个自由度，能实现水平移动、垂直移动、前后移动等操作，货物的转移 主要是由它完成操作的。如图 2-2 所示。 10 图 2-2 巷道起重机 (3)PLC控制单元PLC控制单元采用西门子公司生产的S7-200 CPU226型PLC， 型号为 CPU226 DC/DC/DC，所有操作控制指令都是由 PLC 发出的。 (4) 电源单元电源单元是用于给系统提供 DC24V 的直流电源， 输出功率为 150W。 2.22.2 立体仓库模型的主要功能及工作流程立体仓库模型的主要功能及工作流程 2.2.1 2.2.1 系统的主要功能系统的主要功能

32、立体仓库的电气控制系统是由西门子 PLC、 步进电动机及其驱动电源模块、 直流 电动机、开关电源、位置传感器等组成。 立体仓库的运动机械机构部分由滚珠丝杠、滑轨、普通丝杠等组成，采用步进电 动机和直流电动机作为拖动元件。其关键部分是巷道起重机，由水平移动、垂直移动 及伸叉机构三部分组成。 其水平和垂直移动分别用两台步进电动机驱动滚珠丝杠来完 11 成， 伸叉机构由一台直流电动机来控制。 它分为上下两层， 上层为货台， 可前后伸缩， 下层装有丝杠等传动机构。当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，伸叉电动机驱动 货台向前伸出可将货物取出或送人，然后铲叉向后缩回。整个系统需要三维的位置控 制8。 该系

33、统通过传感器采集信号， PLC 控制程序， 可实现对步进电动机和直流电动机 较复杂的速度与位置控制及时序逻辑控制功能。 2.2.22.2.2 系统的工作流程系统的工作流程 系统在电气设计上，电动机主要采用步进电动机和直流电动机，分别控制水平移 动、垂直移动及货台的动作。传感器采用对射式和反射式传感器以及微动开关，用于 完成货物的检测和限位保护等。 系统在机构设计上采用滚珠丝杠、滑轨和普通丝杠作为主要传动机构。当堆垛机 平台移动到货架的指定位置时，货台向前伸出可将货物取出或送人，当取到货物或货 9 已送人， 则铲叉向后缩回。 整个系统需要三维的位置控制。 系统流程如图 2-2 所示。 其工作流程

34、如下： 接通电源。 系统自检。 将功能开关置于自动位置。 将一带托盘的汽车模型置于 10 号仓位，放置模型时，人位要准确，并注意到 仓位底部检测开关已动作。 执行取指令。 选择欲取仓位号（如 10 号） ，按动仓位号对应按钮，控制面板上的数码管显 示仓位号。 按动“取”指令按钮，执行取出动作。若载货台已有汽车模型，则该指令不 被执行，需要由用户手动将货物移走 指令完成后，系统自动返回。 如执行取出指令前， 被选仓位 （如 10 号） 无汽车模型， 则取指令将不被执行。 执行送指令。 选择欢送仓位号（如 10 号） 按动仓位号对应按钮，控制面板上的数码管显 12 示仓位号。 按动送指令按钮，若被

35、选择 10 号仓位内已有汽车模型，则该指令不被执行， 需要由用户手动将货物移走。 指令完成后，系统自动返回。 如执行送人指令前，载货台无汽车模型，则送指令将不被执行。 根据前面的分析，该立体仓库系统的运行情况可归纳为：当按下起动按钮后，允 许进行立体仓库运行的控制。 在正常的情况下， 按下某一仓位的按钮以及 “取” 或 “送” 按钮，系统将进行相应的动作，此时控制面板上的数码臂显示相应的仓位号。当出现 故障时，电动机停止运行。在紧急情况下，按下紧急按钮，货物送回原来的位置，只 有当故障排除后，才能重新运行10。 2.32.3 本章小结本章小结 本章节共分二小节。 在第一小节结合系统的实物图详细

36、的介绍了自动化立体仓库 的各个部件，并简单的陈述了各部分的特点，清楚的了解立体仓库的工艺及其控制要 求，为系统的硬件选型设计和软件程序设计打下铺垫。在第二小节中通过对系统的进 一步了解，确定系统的主要功能，画出系统流程图。 13 图 2-2 系统流程图 14 第三章第三章 系统的硬件配置及其控制原理系统的硬件配置及其控制原理 3.1 I/O3.1 I/O 分布列表分布列表 根据立体仓库系统实际情况对I/O的分布并列写I/O分布列表，I/O分布列表见表 3-1所示。 表3-1 I/O分布列表 输入接口 PLC 端 I0.0 单元板端口 D0 注释 矩阵扫描第 1 列 PLC 端 Q0.0 输出接

37、口 单元板接 X 轴-CP 注释 平移电动机脉冲信 号 I0.1D1矩阵扫描第 2 列Q0.1Y 轴-CP升降电动机脉冲信 号 I0.2D2矩阵扫描第 3 列Q0.2X 轴-DIR平移电动机方向信 号 I0.3D3矩阵扫描第 4 列Q0.3Y 轴-DIR升降电动机方向信 号 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 D4 D5 D6 D7 SQ5(ZLMT-) SQ6(ZLMT+) SN 矩阵扫描第 5 列 矩阵扫描第 6 列 矩阵扫描第 7 列 矩阵扫描第 8 列 Z 轴原点 Z 轴限位 检测货台是否有 货 I1.3 I1.4 I1.5 SW0 SQ2(XLMT+

38、) SQ1(XLMT-） 手动控制开关 X 轴限位 X 轴原点 Q1.3 Q1.4 Q1.5 B00 B01 数码显示区第 0 位 数码显示区第 1 位 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 H0 H1 H2 H3 Z 轴-F Z 轴-R 矩阵扫描第 1 行 矩阵扫描第 2 行 矩阵扫描第 3 行 矩阵扫描第 4 行 货台前伸 货台回缩 15 I1.6 I1.7 SQ4(YLMT+) SQ3(YLMT-） Y 轴限位 Y 轴原点 Q1.6 Q1.7 B02 B03 数码显示区第 2 位 数码显示区第 3 位 3.2 CPU3.2 CPU 的选择的选择 3.2.1

39、 PLC3.2.1 PLC 存储器类型及容量估算方法存储器类型及容量估算方法 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 I/O 点数的 1015 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存 的总字数（16 位为一个字） ，另外

40、再按此数的 25%考虑余量。 PLC 系统所用的存储器基本上由 PROM、E-PROM 及 RAM 三种类型组成，存储 容量则随机器的大小变化， 一般小型机的最大存储能力低于 6KB， 中型机的最大存储 能力可达 64KB，大型机的最大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的 存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。 PLC的存储器容量选择和计算的第一种方法是：根据编程使用的节点数精确计 算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照 表 3-1 的公式来估算。为了使用方便，一般应留有 25%30%的裕量，获取存储容量 的最佳方法是生成程

41、序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准 确的存储容量。容量的估算见表 3-2 所示。 表 3-2 容量的估算 控制目 的 代替继 电路 模拟量 控制 公式 M=Km（10DI+5D0） M=Km(10DI+5Do+100AI) 说明 DI 为数字（开关）量输入信号；Do 为数字（开关）量 输出信号；AI 为模拟量输入信号；Km 为每个接点所点 存储器字节数；M 为存储器容量 16 多路采 样控制 M=Km10DI+5Do+100AI+(1+采样 点0.25 3.2.2 CPU3.2.2 CPU 的确定的确定 由上述的 I/O 分布表和存储容量估算得知： 输入的数字量共有 16

42、 个，考虑安全裕量(10%)则应选 18 个的输入量模块。 输出的数字量共有 16 个，考虑安全裕量(10%)则应选 18 个的输入量模块. 若选择 s7-200 系列 PLC 则 CPU224DC/DC/DC+EM223/16I/16O 也可选 CPU226DC/DC/DC+EM222/0I/4O 注：CPU224 有 14I/10O（4096 字） ，CPU226 有 24I/16O(4096 字) 若选择 S7-300 系列 PLC 则选： 电源模块：PS307(5A) CPU 模块：CPU312(10I/6O)20KB 数字量输入模块：SM32/(20I) 数字量输出模块：SM322(

43、18O) 本课题选用 CPU226DC/DC/DC+EM222 0I/4O 3.33.3 系统的结构框图及接线图系统的结构框图及接线图 构成 PLC 控制系统的主要电气硬件有控制立体仓库 Z 轴的直流电动机，控制 X、Y 轴的步进电动机以及供给系统能源的直流开关电源，还有各种传感器，如系统中采用 的反射式和对射式传感器以及微动开关（用来完成货物的检测和限位保护）等。系统 的控制框图和接线图如图 3-1 和 3-2 所示。 直流电动机 Z 轴运动 机械结构 由 PC 机或 手持编程器 编制的程序 S7-200 PLC SH 系列步 进 电 动 机 驱动器 两 相 八 拍 混 合 式 步 进电动机

44、 X轴Y轴 运 动 机 械机构 17 图 3-1 系统的结构框图 图 3-2 系统接线图 18 3.43.4 直流电机直流电机 立体仓库模型采用直流电动机作为 Z 轴的拖动元件。直流电动机具有良好的起动 性能，且能在宽广的范围内平滑而经济地调速。因此，直流电动机在起动和调速要求 较高的生产机械上广泛地被使用，如用来拖动电力机车、无轨电车、船舶机械、电梯 等。在自动控制系统中，小功率直流电动机的应用也很广泛。 本系统采用的直流电动机的输入电压为 1224V，两根输入导线，红色为正极， 蓝色为负极。血用的直流电动机控制板由输入信号、输入电源、输出信号等组成。输 入信号由 PLC 提供，输入电源由电

45、源模块提供，输出信号驱动直流电动机。 3.53.5 步进电机步进电机 3.5.13.5.1 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 步进电动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 电动机定子绕组时，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 于机械位移的大小；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

46、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，是其他电动机无法替代的。步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混台 式。步进电动机的相散可分为单相、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。 3.5.23.5.2 步进电动机的特点步进电动机的特点 步进电动机是种作为控制用的特种电动机，它的旋转是以固定的角度（称为 步距角）一步步地运行的。其特点是没有积累误差（精度为IOO%） 所以广泛应用于 各种开环控制。 19 步进电动机的转速与脉冲信号的频率成正比。 步距角不容易因电

47、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教率较低，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时，电动机才能获得满意 的运行性能。 由于存在失步和共振，因此步进电动机的加速、减速的方法根据利用状态的 不同而复杂多变。 3.5.33.5.3 步进电机驱动系统的基本组成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，步进电动机是不会运行的。为了驱

48、 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 等组成驱动系统，如步进电机驱动系统的基本组成图 3-3 所示。 图 3-3 步进电机驱动系统的基本组成 20 3.5.43.5.4 步进电机的选择计算步进电机的选择计算 在选择步进电动机时， 首先要考虑的是步进电动机的类型， 其次才是具体的品种。 在该立体仓库控制系统中，要求步进电动机的电压低、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

49、用二相八拍混合式步进电动机. 选择步进电动机时需要进行以下计算。 1)根据所要求脉冲当量计算齿轮的减速比。齿轮减速比 i 计算如: i p 360 3-1 式中步进电动机的步距角（。/脉冲） ； P丝杠螺距(mm)； 脉冲当量（mm/脉冲） 。 2)计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电动机轴上的转动惯量 J。 J t J 1 (1/I 2) 2 ( J 2 J s)(W / g) (p/2) 3-2 式中J t 折算至电动机轴上的惯量(kgcm)； J 1 、J 2 齿轮转动惯量(kg .cm)； J a 杆转动惯量(kg .cm)； W工作台重量(N)； P丝杠螺距(cm)。 3)计算电动机输出

50、的总转矩 M。 M M a M t M f 3-3 M a (J m J 2 t)n/t1.0210 3-4 M f (W s)/(2i)1.0210 2 3-5 M2 t (F t s)/(2i)10 3-6 式中 M a 电动机起动加速转矩(N m)； M f 导轨摩擦折算至电动机的转矩(N m)； 21 M t 外力折算至电动机的转矩(N m)； J m 、J t 电动机自身转动惯量与负载转动惯量(Kgcm)； n电动机所需达到的转速(r/min)； T电动机升速时间(s)； 摩擦系数； 传递效率； F t 最大外力(N)。 4)负载起动频率的估算。电动机的起动频率与负载转矩和惯量有很大

51、关系，其估 算公式为 式中 f q f v 1(M f M t)/ M 1(1 J t /J m) 1 1/2 3-7 f q 带载起动频率(Hz)； 空载起动频率(Hz)； f v M 1 起动频率下由矩频特性决定的电动机输出转矩(N m)。 若负载参数无法精确确定，则可按 f q f v 2进行估算。 5)运行的最高频率与升速时间的计算。 由于电动机的输出转矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性 的输出转矩应能驱动负载，并留有足够的余量。 6)负载转矩和最大静转矩M max 。负载转矩可按式(3-5)和式(3-6)计算。电动机 在最大进给速度时，由矩频特性决定的电动机输出转矩

52、要大于M f 与M t 之和，并 留有余量。一般来说，M f 与M t 之和应小于(0.2-0.4)M max 。 根据以上的计算， 我们在该立体仓库控制系统中的步进电动机采用二相八拍混合 式步进电动机。它的主要特点是体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等 优点。步进电动机的接线如图 3-4。 22 图 3-4步进电机的接线图 3.63.6 步进电机驱动器的选择步进电机驱动器的选择 步进电动机的运行要有电子装置进行驱动，这种装置就是步进电动机驱动器。它 是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电动机的角位移，或者说，控制系统每发出 一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电动机旋转一个步距角。所以

53、，步进电动机的转 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（此端为低电平有效时，电动机处于无转矩状态； 此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电动机可正常运行）。它们在驱动器内部 的接口电路都相同，OPTO 端为三路信号的公共端，二路输入信号在驱动器内部接成 共阳方式，所以OPT0 端必须接外部系统的 Vcc。如果 Vcc 是+5v，则可直接接入；如 果Vcc 不是+5v， 则需要外部另加限流电阻 R， 保证给驱动器内部光耦合器提供 8- 15mA 的驱动电流，在该立体仓库中，由于 FPO 提

54、供的电平为 24V，而输入部分的电平为 5V，所以需要外部另加 1.8K的限流电阻 R。 步进电机驱动器的输出信号有以下两种。 (l) 初相位信号驱动器每次通电后将使步进电动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动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，可产生相位记忆功能。 (2) 报警输出信号每台驱动器都有多种保护措施（如过电压、过电流、过温等）。 23 当保护发生时，驱动器进入脱机状态使电动机失电，但这时控制系统可能尚未知晓。 如要通知控制系统，就要用到“报警输出信号”。 所以， 我们采用 SH 系列步进电动机驱动器， 它主要由电源输入、信号输入部分、 信号输出部分组成。SH 系列步进电动机驱动器采用铸铝结构，是封闭的超小型结构， 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。此种结构主要用于小功率驱动器。 PLC 控制器与步进电机驱动器工作原理如图3-5 所示： 图 3-5PLC 控制器与步进电机驱动器工作原理 3.73.7 系统中传感器的运用系统中