基于PLC控制的小型自動化立體倉庫設(shè)計.doc

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XX大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書 課題名稱 基于S7-200 PLC控制的小型自動化立體倉 庫設(shè)計 學(xué) 院 電氣信息學(xué)院 專業(yè)班級 自動化084班 姓 名 XX 學(xué) 號 089064444 畢業(yè)設(shè)計(論文)的主要內(nèi)容及要求： （1）了解自動化立體倉庫的組成及基本功能，熟悉PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟。 （2）結(jié)合相關(guān)資料設(shè)計立體倉庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 本課題所設(shè)計的立體倉庫具有以下功能： 1、堆垛機（機械手）要有三個自由度，即：前進、后退；上、下；左、右 2、堆垛機的運動由步進電機驅(qū)動 3、堆垛機前進（或后退）運動和上（或下）運動可同時進行 4、堆垛機前進、后退和上、下運動時必須有超限位保護 5、每個倉位必須有檢測裝置（微動開關(guān)），當操作有誤時發(fā)出錯誤報警信號 6、當按完倉位號后，沒按入或取前，可以按取消鍵進行取消該操作 7、整個電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕，以防發(fā)生意外 起止時間： 2012 年 2 月 21 日至 2012 年 6 月 5 日共 15 周 指 導(dǎo) 教 師 簽 字 系 主 任 簽 字 院 長 簽 字 摘要 自動化立體倉庫是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中迅速發(fā)展的一個重要組成部分,是一種多層存放貨物的高架倉庫系統(tǒng)，由自動控制與管理系統(tǒng)、高位貨架、巷道堆垛機、自動入庫、自動出庫、計算機管理控制系統(tǒng)以及其他輔助設(shè)備組成。它具有節(jié)約用地、減輕勞動強度、消除差錯、提高倉儲自動化水平及管理水平、提高管理和操作人員素質(zhì)、降低儲運損耗、有效地減少流動資金的積壓、提高物流效率等諸多優(yōu)點。如今我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展,自動化立體倉庫必然會在各行各業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 本課題的電氣控制主要由西門子公司的PLC、步進電機驅(qū)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(jié)構(gòu)、原理進行了闡述和分析；再次對本系統(tǒng)用到的器件分別進行介紹，重點對PLC程序進行了編寫；最后對設(shè)計本課題所學(xué)到的知識進行歸納和總結(jié)。 關(guān)鍵字：立體倉庫 可編程控制器（PLC） 西門子S7-200 Abstract The automated warehouse is one of the important parts in modern logistics. Its a multi-layer overhead warehouse system to store goods. By the automatic control and management system, high shelf, roadway stacker, automatic storage, automatic library, computer control systems, and other auxiliary equipment, it has a land conservation, and reduce labor intensity and eliminate errors, improve the level of warehouse automation and management level, to improve the quality of management and operations staff, reduce outages, and effective in reducing the backlog of liquidity and improve logistics efficiency and many other advantages. Today, with the rapid development of Chinas national economy, the automated warehouse will inevitably application in all walks of life. The subject is mainly made of Siemens PLC, stepper motor drives, stepper motors, direct current motor other devices. First, a brief introduction to the topic, including background, significance, status; Second, the system hardware, the structure, principles are described and analyzed; Third, the devices that are used in this system were introduced, focusing on the preparation of PLC program; Finally, the knowledge learned and conclusions on the topic are summarized. Keywords : Stereoscopic warehouse Programmable controller Siemens S7-200 目 錄 第1章 緒論 1 1.1 本課題設(shè)計的背景 1 1.2 本課題設(shè)計內(nèi)容 1 1.3 本課題設(shè)計的目的和意義 2 1.4 小結(jié) 2 第2章.系統(tǒng)控制方案的確定 3 2.1 自動化立體倉庫的簡介 3 2.2 立體倉庫系統(tǒng)的功能 3 2.3 采用 PLC 控制立體倉庫的優(yōu)點 5 2.4 立體倉庫技術(shù)參數(shù)的確定 5 2.5 系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟 5 2.6 小結(jié) 6 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 7 3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 3.2可編程控制器的選型 7 3.2.1可編程控制器的基本結(jié)構(gòu) 7 3.2.2可編程控制器（PLC）的特點 8 3.2.3控制功能的選擇 8 3.2.4 PLC 機型的選擇 8 3.3步進電機的選擇 9 3.3.1步進電機的介紹 9 3.3.2步進電機的結(jié)構(gòu) 10 3.3.3步進電機的工作原理 10 3.3.4步進電機的控制 12 3.3.5步進電機的特點 14 3.3.6步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成 14 3.3.7步進電機的選擇計算 15 3.4步進電動機驅(qū)動器的選擇 17 3.5傳感器的選擇 19 3.6微動開關(guān)的選擇 20 3.7并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源 20 3.8 PLC輸入輸出分配表 21 3.9 電氣原理圖的設(shè)計 22 3.10 小結(jié) 22 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 23 4.1編程語言的介紹 23 4.2系統(tǒng)流程圖 24 4.3主要程序的設(shè)計 25 4.4小結(jié) 30 結(jié)論 31 致謝 32 參考文獻 33 附錄A 梯形圖設(shè)計 34 第1章 緒論 1.1本課題設(shè)計的背景 立體倉庫的產(chǎn)生和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)之后生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。50年代初，美國出現(xiàn)了采用橋式堆垛起重機的立體倉庫；50年代末60年代初出現(xiàn)了司機操作的巷道式堆垛起重機立體倉庫；1963年美國率先在高架倉庫中采用計算機控制技術(shù)，建立了第一座計算機控制的立體倉庫。此后，自動化立體倉庫在美國和歐洲得到迅速發(fā)展，并形成了專門的學(xué)科。60年代中期，日本開始興建立體倉庫，并且發(fā)展速度越來越快，成為當今世界上擁有自動化立體倉庫最多的國家之一。 我國對立體倉庫及其物料搬運設(shè)備的研制開始并不晚，1963年研制成第一臺橋式堆垛起重機（機械部北京起重運輸機械研究所），1973年開始研制我國第一座由計算機控制的自動化立體倉庫（高15米，機械部起重所負責(zé)），該庫1980年投入運行。到2003年為止，我國自動化立體倉庫數(shù)量已超過200座。立體倉庫由于具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，已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲技術(shù)，越來越受到企業(yè)的重視。 本論文主要是基于PLC所設(shè)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(yīng)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(jié)合到一起，做成了一種能適應(yīng)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(shù)。根據(jù)這一設(shè)想，美國數(shù)字設(shè)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(shè)備的維修和停產(chǎn)所造成的經(jīng)濟損失。當前PLC已經(jīng)成為了電氣自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)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(yīng)用而設(shè)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(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術(shù)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(chǎn)過程[1]?！币虼?，進行立體倉庫的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計，可以推動機械手行業(yè)的發(fā)展，擴大PLC在自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟和理論研究的價值。 1.2 本課題設(shè)計內(nèi)容 本設(shè)計用西門子S7-200系列的控制器作為控制核心，實現(xiàn)一個十二倉位的立體倉庫的入庫出庫功能。立體倉庫主體有底盤、四層十二倉位庫體、運動機械及電氣控制等四部分組成。電氣控制部分由西門子生產(chǎn)的S7-200型的可編程控制器、步進電機驅(qū)動、各種位置電磁傳感器和一些低壓電器元件組成。S7-200型可編程控制器作為控制核心，采集輸入端口信號后完成各種邏輯控制和數(shù)據(jù)的運算，然后通過輸出端口完成電機的運動和各種信號的現(xiàn)實。該系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)手動和自動兩種工作模式，通過鍵盤可以對設(shè)備進行控制。 1.3 本課題設(shè)計的目的和意義 自動化立體倉庫在各行各業(yè)得到而來廣泛的應(yīng)用，進行PLC立體倉庫的設(shè)計對于節(jié)約土地資源，節(jié)省勞動力方面都有著不可代替的作用。PLC作為工業(yè)自動化三大支柱的重要一部分，因為其可靠性高、抗干擾能力強、設(shè)計安裝容易等特點而被廣泛的應(yīng)用于自動化控制的各個領(lǐng)域。PLC控制系統(tǒng)可以很好的完成立體倉庫的控制有助于其實現(xiàn)自動化。因此，進行立體倉庫的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計，可以推動機械手行業(yè)的發(fā)展，擴大PLC在自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟和理論研究的價值。 1.4 小結(jié) 本章以課題設(shè)計為中心，分別介紹了課題設(shè)計的背景、內(nèi)容、目的和意義。立體倉庫發(fā)展速度越來越快，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，已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲技術(shù)，越來越受到企業(yè)的重視。PLC憑借著其可靠性高、抗干擾能力強、使用方便、設(shè)計安裝容易等特點能很好的完成立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)計。 第2章.系統(tǒng)控制方案的確定 2.1自動化立體倉庫的簡介 自動化立體倉庫是機械和電氣、強電控制和弱電控制相結(jié)合的產(chǎn)品。它主要由貨物儲存系統(tǒng)、貨物存取和傳送系統(tǒng)、控制和管理等三大系統(tǒng)所組成。貨物存儲系統(tǒng)由立體貨架的貨格(托盤或貨箱)組成，貨架按照排、列、層組合而成立體倉庫儲存系統(tǒng)；貨物存取和傳送系統(tǒng)承擔貨物存取、出入倉庫的功能，它由有軌或無軌堆垛機、出入庫輸送機、裝卸機械等組成；自動化立體倉庫視情況不同采取不同的控制方式：有的倉庫只采取對存取堆垛機、出入庫輸送機的單臺 PLC 控制，機與機無聯(lián)系；有的倉庫對各單臺機械進行聯(lián)網(wǎng)控制。更高級的自動化立 體倉庫的控制系統(tǒng)采用集中控制、分離式控制和分布式控制，即由管理計算機、中央控制計算機和堆垛機、出入庫輸送等直接控制的可編程序控制器組成控制系統(tǒng)。 2.2 立體倉庫系統(tǒng)的功能 圖2-1 立體倉庫模型圖 在此設(shè)計的立體倉庫需要滿足一下功能： （1）堆垛機（機械手）要有三個自由度，即：前進、后退；上、下；左、右； （2）堆垛機的運動由步進電機驅(qū)動； （3）堆垛機前進（或后退）運動和上（或下）運動可同時進行； （4）堆垛機前進、后退和上、下運動時必須有超限位保護； （5）每個倉位必須有檢測裝置（微動開關(guān)），當操作有誤時發(fā)出錯誤報警信號； （6）當按完倉位號后，沒按入或取前，可以按取消鍵進行取消該操作。 （7）整個電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕，以防發(fā)生意外。 系統(tǒng)控制面板如下圖2-2所示： 圖 2-2 控制面板 因此本課題設(shè)計的具體控制功能如下： （1）將選擇開關(guān)置于自動位置，通電狀態(tài)下，各機構(gòu)復(fù)位，即返回零位。立體倉庫坐標定位以零位開始。 （2）當送貨的時候，選擇欲送貨物的倉位號，按動倉位號對應(yīng)的按鈕，控制面板數(shù)碼管顯示倉位號。按送貨按鈕后，貨物自動送入指定的倉位號對應(yīng)的倉庫位里。若被指定的倉位號里有貨物，則送貨命令不被執(zhí)行。送貨完成后，小車自動返回原來的位置。 （3）當取貨的時候，選擇欲取貨物的倉位號后，按動取貨按鈕后，在控制面板的數(shù)碼管里顯示出來，堆垛機可以自動將貨物取出。如果小車里有貨物，則取貨命令不被執(zhí)行。 （4）取貨和送貨指令完成后，機構(gòu)自動返回原來位置。 （5） 整個電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕，以防發(fā)生意外。 2.3 采用 PLC 控制立體倉庫的優(yōu)點 PLC 的應(yīng)用非常廣泛，按PLC編程功能可分為 4 大類[2]：開關(guān)量順序控制、通信功能、模擬量控制、運動控制。PLC的應(yīng)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(wù)流程上一個臺階，才能將先進的硬件設(shè)備發(fā)揮作用、 產(chǎn)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?？偟膩砜矗赑LC的自動化立體倉庫可以總結(jié)為如下幾點優(yōu)點：低成本、范圍廣、高速、便捷、永遠在線、結(jié)構(gòu)靈活、數(shù)字化等。 2.4立體倉庫技術(shù)參數(shù)的確定 表2-3立體倉庫具體參數(shù)： 出/入貨柜臺最重物品 20Kg 每個倉位的高度 4．5CM 倉位的上下距離 0．5CM 倉位的平行距 0．5CM 倉位的體積 4 M3 可編程控制器（PLC）電源 24V DC 堆垛機電源 220V AC,50Hz 2.5系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟 在立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中主要要考慮以下幾點： （1）深入了解和分析立體倉庫的工藝條件和控制要求。 （2）確定I/O設(shè)備。根據(jù)立體倉庫控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設(shè)備。 （3）根據(jù)I/O點數(shù)選擇合適的PLC類型。 （4）分配I/O點，分配PLC的輸入輸出點，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。 （5）設(shè)計立體倉庫系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設(shè)計出周密完整的梯形圖程序，這是整個立體倉庫系統(tǒng)設(shè)計的核心工作。 （6）將程序輸入PLC進行軟件測試，查找錯誤，使系統(tǒng)程序更加完善。 （7）立體倉庫整體調(diào)試，在PLC軟硬件設(shè)計和現(xiàn)場施工完成后，就可以進行整個系統(tǒng)的聯(lián)機調(diào)試，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題要逐一排除，直至調(diào)試成功。 立體倉庫系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的主要步驟，如圖2-4所示： 圖2-4 課題設(shè)計步驟 2.6小結(jié) 本章圍繞系統(tǒng)方案的確定，首先對自動化立體倉庫進行了簡單的介紹。自動化立體倉庫是機械和電氣、強電控制和弱電控制相結(jié)合的產(chǎn)品。主要由貨物儲存系統(tǒng)、貨物存取和傳送系統(tǒng)、控制和管理等三大系統(tǒng)所組成。其次闡述了本課題設(shè)計的自動化立體倉庫實現(xiàn)的功能與總體的控制步驟。第三節(jié)講述了PLC的優(yōu)點和選擇PLC進行控制的原因。最后確定了立體倉庫的具體參數(shù)，并詳細介紹了本課題設(shè)計的基本步驟。 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 本課題設(shè)計采用的是運用 PLC 控制系統(tǒng)來控制立體倉庫的運動.這種設(shè)計的優(yōu)點是能快速的對輸入信號做出反應(yīng)控制立體倉庫,而且檢修起來較為方便。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖 3-1 所示。 圖 3-1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.2可編程控制器的選型 3.2.1可編程控制器的基本結(jié)構(gòu) 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)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[3]。 （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(zhuǎn)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(qū)動控制對象執(zhí)行機構(gòu)的控制信號，并對輸出信號進行功率放大、隔離PLC內(nèi)部和外部執(zhí)行元件等。 （2）中央處理單元 （3）電源部件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。電源部件是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電源的裝置，它向PLC提供所需的高質(zhì)量直流電源。 3.2.2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(shè)計、安裝、調(diào)試、維修工作量少，維修方便。 3.2.3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(shè)計的自動門控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇[4]。 （1）控制功能 PLC主要用于順序邏輯控制，因此，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，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。 （2）編程功能 離線編程方式：PLC和編程器公用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現(xiàn)場設(shè)備進行控制，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(diào)試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機CPU負責(zé)現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內(nèi)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(diào)試和操作方便，在大中型PLC中常采用。 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(jié)構(gòu)文本（ST）兩種文本語言。 （3）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(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進行診斷是內(nèi)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診斷是外診斷。PLC的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時間。 3.2.4 PLC 機型的選擇 （1）輸入電源電壓：24VDC 還是 220VAC，根據(jù)供電系統(tǒng)電壓來選擇，一般來說，不建議直接從動力電源直接取電，最好用隔離變壓器把動力電源和控制電源隔離開來，同時做好濾波等抗干擾措施。本設(shè)計采用 24V 直流電。 （2）輸入輸出點數(shù)：所謂的輸入輸出點數(shù)指的是整個控制系統(tǒng)需要用到的 PLC的輸入點個數(shù)和輸出點個數(shù)。一般來說，當然是預(yù)先設(shè)計好整套系統(tǒng)方案， 然后算出所有的輸入輸出點個數(shù)，如果是第一次設(shè)計的方案，建議預(yù)留點數(shù)。經(jīng) 過估算本設(shè)計中需要輸入端口40個，輸出端口 21個。 （3）輸出觸點類型：是繼電器輸出類型還是晶體管輸出類型。根據(jù)所控制的 執(zhí)行機構(gòu)電源電壓及功率來決定輸出觸點類型，如果系統(tǒng)里有需要用到高速脈沖 輸出控制步進電機或伺服系統(tǒng)時，一定要選擇晶體管輸出類型。本設(shè)計因為有步 進電機的控制所以選擇晶體管輸出類型。西門子S7系列PLC體積小、速度快、 標準化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強，可靠性更高。S7 系列 PLC 產(chǎn)品可分為微型 PLC（如 S7-200），小規(guī)模性能要求的 PLC（如 S7-300）和中、高性能要求的 PLC（如 S7-400）等。S7系列 PLC有專門的高速脈沖輸出端，可以方便的完成步進電機的控制。根據(jù)控制功能要求選 擇微型 PLC。微型PLC S7-200系列可編程控制器主機分為 10、14、24、40 點四檔，還有各種輸入和輸出擴展單元，這樣在增加 I/O 點數(shù)時，不必改變機型，可以通過擴展模塊實現(xiàn)，降低了經(jīng)濟投入。本課題設(shè)計的立體倉庫控制系統(tǒng)有輸入信號40個，輸出信號21個。所選 I/O 點不得低于61點，結(jié)合實際情況，考慮到經(jīng)濟實惠所選本系統(tǒng)所采用的PLC是西門子S7-200 CPU226 DC24V，外加一個數(shù)字量擴展模塊EM223[1]。 3.3步進電機的選擇 3.3.1步進電機的介紹 步進電動機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移的一種特殊電機。每輸入一個電脈沖信號電機就轉(zhuǎn)動一個角度，它的運動形式是步進式的，所以稱為步進電動機。又由于它輸入的是脈沖電流所以也叫脈沖電動機[14]。 步進電動機在不需要變換的情況下，能直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移，因此它很適合作為數(shù)字控制系統(tǒng)的伺服元件。此外，它還具有一系列的優(yōu)點，一是輸出角位移量或線位移量與其輸入的脈沖數(shù)成正比，而轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖的頻率成正比，在負載能力范圍內(nèi)，這些關(guān)系不受電壓的大小、負載的大小、環(huán)境條件等外界各種因素的干擾。二是它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，所以步進電動機在不失步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。三是控制性能好，它可以在開環(huán)系統(tǒng)中在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖的頻率來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，并且能夠快速啟動制動和反轉(zhuǎn)。四是有些型式的步進電動機在停止供電的狀態(tài)下，還有定位轉(zhuǎn)矩，有些型式在停機后某些相繞組仍保持通電狀態(tài)，具有自鎖能力，不需要機械制動裝置等。當采用速度和位置檢測裝置后，它可構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，給步進電動機的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，應(yīng)用非常廣泛。如數(shù)控機床、繪圖機、自動記錄儀表、遙控裝置和航空系統(tǒng)等等，都大量使用步進電動機。 3.3.2步進電機的結(jié)構(gòu) 圖3-2為三相反應(yīng)式步進電動機的徑向截面圖。定轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子磁極為凸極式，磁極的極面上開有小齒。定子上有三套控制繞組，每一套有兩個串聯(lián)的集中控制繞組分別繞在徑向相對的兩個磁極上。每套繞組叫一相，三相繞組接成星形，所以定子磁極數(shù)通常為相數(shù)的兩倍，即2p=2m （p為極對數(shù)，m為相數(shù)）。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，沿圓周也有均勻的小齒，其齒距和定子磁極上小齒的齒距必須相等，而且轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定的限制。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是制造簡便，精度易于保證，步距角可以做得較小，容易得到較高的啟動和運行頻率。 圖3-2 步進電動機的結(jié)構(gòu) 3.3.3步進電機的工作原理 圖3-3是一臺三相反應(yīng)式步進電動機的原理圖。定子鐵芯為凸極式，共有三對（六個）磁極，每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組。轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，只有四個齒，齒寬等于定子的極靴寬。下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理。 圖3-3 步進電動機原理圖 （1）三相單三拍通電方式 當A相控制繞組通電，其余兩相均不通電，電機內(nèi)建立以定子A相極為軸線的磁場。由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線與定子A相極軸線對齊，如圖3-3(a)所示。若A相控制繞組斷電，B相控制繞組通電時，轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下，逆時針方向轉(zhuǎn)過30，使轉(zhuǎn)子齒2、4的軸線與定子B相極軸線對齊，即轉(zhuǎn)子走了一步，如圖3-3(b)所示。若再斷開B相使C相控制繞組通電轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過30，使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線與定子C相極軸線對齊，如圖3-3(c)所示。如此按A-B-C-A的順序輪流通電，轉(zhuǎn)子就會一步一步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序。若按A-C-B-A的順序通電，則電機按順時針反方向轉(zhuǎn)動。 上述通電方式稱為三相單三拍運行?！叭唷笔侵溉嗖竭M電動機每次只有一相控制繞組通電；控制繞組每改變一次通電方式稱為一拍，“三拍”是指經(jīng)過三次改變通電方式為一個循環(huán)。我們稱每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為步距角常用θs來表示，三相單三拍運行時θs= 30。 （2）三相雙三拍通電方式 控制繞組的通電方式為AB-BC-CA-AB或AB-CA-BC-AB。每拍同時有兩相繞組通電，三拍為一個循環(huán)。當A、B兩相控制繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子齒的位置應(yīng)同時考慮到兩對定子極的作用，只有A相極和B相極對轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力相平衡，才是轉(zhuǎn)子的平衡位置，如圖3-4(a)所示。若下一拍為B、C兩相同時通電時，則轉(zhuǎn)子按逆時針轉(zhuǎn)過30到達新的平衡位置，如圖3-4(b)所示?？梢?，雙三拍運行時的步距角仍是30。但雙三拍運行時，每一拍總有一相繞組持續(xù)通電，例如由A 、B兩相通電變?yōu)锽、C兩相通電時，B相保持持續(xù)通電狀態(tài)，C相磁拉力力圖使轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動，而B相磁拉力卻起有阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以電機工作比較平穩(wěn)。 (a) (b) 圖3-4 三相雙三拍運行方式 3.3.4步進電機的控制 由于步進電動機能直接接收數(shù)字量信號，所以被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。較簡單的控制電路是利用一些數(shù)字邏輯單元組成，即采用硬件的方式。但要改變系統(tǒng)的控制功能，一般都要重新設(shè)計硬件電路，靈活性較差。以微型計算機為核心的計算機控制系統(tǒng)為步進電動機的控制開辟了新的途徑，利用計算機的軟件或軟、硬件相結(jié)合的方法能使系統(tǒng)的功能大大增強，同時也提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。 以步進電動機作為執(zhí)行元件的數(shù)字控制系統(tǒng)有開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。 （1）開環(huán)控制 步進電動機系統(tǒng)的主要特點是能實現(xiàn)精確位移、精確定位，且無積累誤差。這是因為步進電動機的運動受輸入脈沖控制，其位移量是斷續(xù)的，總的位移量嚴格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴格正比于輸入指令脈沖的頻率；若能準確控制輸入指令脈沖的數(shù)量或頻率，就能夠完成精確的位置或速度控制，無需系統(tǒng)的反饋，形成所謂的開環(huán)控制系統(tǒng)。 步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)，由控制器（包括變頻信號源）、脈沖分配器、驅(qū)動電路及步進電動機四部分組成如圖3-5所示。開環(huán)控制系統(tǒng)的精度主要取決于步距角的精度和負載狀況。 圖3-5 步進電動機開環(huán)控制原理框圖 開環(huán)控制常常采用加減定位控制方式。因為步進電動機的啟動頻率要比連續(xù)運行頻率小，所以開環(huán)控制的脈沖指令頻率，只有小于電機的最大啟動頻率，電機才能成功啟動。若電動機的工作頻率總是低于最高啟動頻率，當然不會失步，但沒有充分發(fā)揮電機的潛力，工作速度太低。為此，常用加減速定位控制。電機開始以低于最高啟動頻率的某一頻率啟動，然后再逐步提高頻率，使電機逐步加速，到達最高運行頻率，電機高速轉(zhuǎn)動。在到達終點前，降頻使電機減速。這樣就可以既快又穩(wěn)地準確定位，如圖3-6所示。由于步進電動機的電磁轉(zhuǎn)矩受頻率影響較大，所以負載的加減速控制不能像普通電機那樣。為了實現(xiàn)加減速的最佳控制，往往是分段設(shè)計加速轉(zhuǎn)矩和加速時間，采用微機控制來實現(xiàn)。 由于開環(huán)控制系統(tǒng)不需要反饋元件，結(jié)構(gòu)比較簡單、工作可靠、成本低。因而在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 圖3-6 加減速定位過程 （2）閉環(huán)控制系統(tǒng) 在開環(huán)控制系統(tǒng)中，電機響應(yīng)控制指令后的實際運行情況，控制系統(tǒng)是無法預(yù)測和監(jiān)視的。在某些運行速度范圍寬、負載大小變化頻繁的場合，步進電動機很容易失步使整個系統(tǒng)趨于失控。另外，對于高精度的控制系統(tǒng)，采用開環(huán)控制往往滿足不了精度的要求。因此必須在控制回路中增加反饋環(huán)節(jié)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3-7所示。與開環(huán)系統(tǒng)相比多了一個由位置傳感器組成的反饋環(huán)節(jié)。將位置傳感器測出的負載實際位置與位置指令值相比較，用比較信號進行控制，不僅可防止失步，還能夠消除位置誤差提，高系統(tǒng)的精度。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度與步進電動機有關(guān)，但主要是取決于位置傳感器的精度。在數(shù)字位置隨動系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的工作速度和穩(wěn)定性，還有速度反饋內(nèi)環(huán)。 圖3-7 步進電動機閉環(huán)系統(tǒng)原理框圖 3.3.5步進電機的特點 （1）位移與輸入脈沖信號的信號數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)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)。 （2）速度可以在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。 （3）易于起動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，快速響應(yīng)性能好。 （4）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。 （5）步距角選擇的范圍大，可以在幾十角分至180范圍內(nèi)進行選擇。在小步距情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)矩穩(wěn)定運行，可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動負載。 （6）電動機本身沒有電刷、轉(zhuǎn)子上沒有繞組，也不需要位置傳感器，可靠性高。 3.3.6步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成 與交直流電動機不同，僅僅接上供電電源，步進電機不會運行的。為了驅(qū)動步進電動機，必須由一個決定電動機速度和旋轉(zhuǎn)角度的脈沖發(fā)生器（在該立體倉庫控制系統(tǒng)中采用PLC作脈沖發(fā)生器進行位置控制）、一個使電動機繞組電流按規(guī)定次序通斷的脈沖分配器、一個保證電動機正常運行的功率放大器，以及一個直流功率電源等組成一個驅(qū)動系統(tǒng)，如圖3-8所示。 圖 3-8 驅(qū)動系統(tǒng)示意圖 3.3.7步進電機的選擇計算 在選擇步進電動機時首先考慮的是步進電動機的類型選擇，其次才是具體的品種選擇，在該立體倉庫控制系統(tǒng)中要求步進電動機電壓低、電流小、有定位轉(zhuǎn)矩和使用螺栓機構(gòu)的定位裝置，確定步進電動機采用2相8拍混合式步進電機；在進行步進電動機的品種選擇時，要綜合考慮速比i、軸向力F、負載轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩和運行頻率，以確定步進電機的具體規(guī)格和控制裝置。 由于我們使用螺栓機構(gòu)的定位裝置，已知條件和要求條件為： 移動部分總重 外力 磨擦系數(shù) 螺栓機構(gòu)的效率 螺栓軸徑 螺栓長 螺距 分辨率 移動距離 /步 速度 計算： 設(shè)擬選用2相、1.8步距角的HB型電動機 速比(設(shè)使用直接驅(qū)動方式) 軸向力 負載轉(zhuǎn)矩 螺栓的慣量 移動體的慣量 負載慣量為 根據(jù)以上計算可以初步選定步進電動機，其慣量為，空載起動頻率 由要求的速度可求出運行的頻率： 可知需要加減速的驅(qū)動方式。 齒輪比： 換算到電機軸的負載轉(zhuǎn)矩為 對首次設(shè)計的裝置來講，所選用的電動機通常留有2～3倍的余量，所以電機轉(zhuǎn)矩 根據(jù)以上的計算，在該立體倉庫控制系統(tǒng)中的步進電動機采用北京斯達特機電科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的2相8拍混合式步進電機，它的主要特點：體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點。型號：42BYGHl01。電氣原理圖如圖3-9所示?？旖泳€插頭：紅色表示A相，藍色表示B相；如果發(fā)現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)向不對時可以將A相或B相中的兩條線對調(diào)。 圖 3-9步進電機的出線圈 表3.1 步進電機的電氣技術(shù)數(shù)據(jù) 電機型號 相數(shù) 步距角 相電流 驅(qū)動電壓 額定轉(zhuǎn)矩 重量 42BYGH101 2 1.80 1.7A DC24V 0.44NM 0.24kg 3.4步進電動機驅(qū)動器的選擇 （1）步進電動機驅(qū)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(qū)動，這種裝置就是步進電動機驅(qū)動器?？刂葡到y(tǒng)每發(fā)出一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就使得步進電動機旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為步進電動機的角位移。因此，步進電動機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。 所有型號驅(qū)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(zhuǎn)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(qū)動器內(nèi)部的接口電路都相同如圖3-10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1.8KΩ的限流電阻。 圖3-10 輸入輸出接口電路 （2）步進電動機驅(qū)動器選擇 我們這里采用SH系列的步進電機驅(qū)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(qū)動器細分數(shù)和電動機電流設(shè)定 SH系列驅(qū)動器是靠驅(qū)動器上的撥位開關(guān)來設(shè)定細分數(shù)的，只需根據(jù)面板上的提示進行設(shè)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(zhuǎn)矩和電動機的分辨率。所以，采用細分驅(qū)動器只要改變細分數(shù)，就能改變步距角。 （4）步進電動機驅(qū)動器電源接口 對于超小型驅(qū)動器，采用一組DC 24~40V供電。因為PLC需要采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電，所以該立體倉庫中應(yīng)該選用開關(guān)式穩(wěn)壓電源。 （5）步進電動機驅(qū)動器選型 我采用SH系列步進電動機驅(qū)動器，型號為SH-2H057。主要由電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分組成。SH-2H057步進電動機驅(qū)動器采用鑄鋁結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)主要用于小功率驅(qū)動器,這種結(jié)構(gòu)為封閉的超小型結(jié)構(gòu)，本身不帶風(fēng)機，其外殼即為散熱體，所以使用時要將其固定在較厚、較大的金屬板上或較厚的機柜內(nèi)，接觸面之間要涂上導(dǎo)熱硅脂，在其旁邊加一個風(fēng)機也是一種較好的散熱辦法。此步進電機驅(qū)動器的電氣技術(shù)數(shù)據(jù)為： 表3-2 步進電機驅(qū)動器的電氣技術(shù)數(shù)據(jù) 驅(qū)動器型號 相數(shù) 類別 細分數(shù) 通過撥位 開關(guān)設(shè)定 最大 相電流 開關(guān)設(shè)定 工作電源 SH-2H057 二相或四相 混合式 二相八拍 3.0A 一組直流 DC(24V-40V) （6）步進電機驅(qū)動器接線示意圖見圖3-11 圖3-11 步進電機驅(qū)動器接線示意圖 3.5傳感器的選擇 在該立體倉庫中采用歐姆龍EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式傳感器作貨物檢測，它是日本歐姆龍公司的產(chǎn)品，采用能抗周圍外來光干擾的變調(diào)光式；采用變調(diào)光式，與直流光式比，不易受外來光干擾的影響；電源電壓為DC5-24V的大量程電壓輸出型；帶有容易調(diào)整的光軸標識；帶有便于調(diào)整，動作確認的入光顯示燈；反射式傳感器的時間圖和輸出回路圖如圖3-12所示。 圖3-12 反射式傳感器的時間圖和輸出回路圖 它有三根連接線(紅、藍、黑)，紅色接電源的正極、黑色接電源的負極、藍色為輸出信號，當與擋塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。需要注意檢測距離不要離傳感器太近，否則傳感器不能動作；連接是采用接插件方式，千萬不要對端子(讀出頭)進行焊接。此傳感器的電氣技術(shù)數(shù)據(jù)為: 表3-3傳感器的電氣技術(shù)數(shù)據(jù) 型 號 EE-SPY402 形 狀 立式 檢測方式 反射型 檢測距離 5mm(反射率90﹪ 1515mm) 應(yīng)差距離 0.2mm(檢測距離3mm,橫方向) 光源(發(fā)光波長) GaAs～紅外發(fā)光二級管(940nm) 顯示燈 入光時燈亮(紅) 電源電壓 DC5～24V10﹪ 脈動(p-p)5﹪以下 消耗電流 平均值15mA以上50mA以下 控制輸出 NPN電壓輸出 負載電源電壓DC5～24V 負載電流80mA以下 殘留電壓1.0以下(負載電流80mA時) 殘留電壓0.4以下(負載電流10mA時) 應(yīng)答頻率 100HZ 使用環(huán)境照度 受光面照度 白熾燈 太陽光：各3，000以下 環(huán)境溫度 動作時：-10～+55C 保存時-25～+65 C ( 不 結(jié) 冰 ) 環(huán)境濕度 動作時：5～85﹪RH 保存時-5～95﹪RH (不結(jié)露) 耐久振動 10～55HZ 上下振幅1.5mm XYZ各方向2h 耐久沖擊 X、Y、Z各方向三次 保護構(gòu)造 IEC規(guī)格 IP50 連接方式 接插件式 (不可進行軟釬焊) 質(zhì)量 約2.6 g 外殼材質(zhì) 聚碳酸酯(PC) 3.6微動開關(guān)的選擇 在該立體倉庫控制系統(tǒng)中共有13個倉位（四層十二個倉位加0號倉位）分別采用13只微動開關(guān)作為貨物檢測，當有貨物時相應(yīng)開關(guān)動作，其信號對應(yīng)PLC的輸入點是I22-I36；另外為保險起見，在X軸的左限位和Y軸的下限位處還分別加裝了1只微動開關(guān)作限位保護，以確保立體倉庫在程序出錯時不損壞；微動開關(guān)原理圖如圖3-13所示。 圖3-13 微動開關(guān)原理圖 3.7并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源 并聯(lián)式開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出功率大、體積小、重量輕、可靠性高、適應(yīng)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(nèi)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(qū)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(shè)計的規(guī)整性，我們選用并聯(lián)式開關(guān)穩(wěn)壓電源。 3.8 PLC輸入輸出分配表 根據(jù)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)的I/O分配見下表所示 表3-4 PLC輸入輸出分配表 I0 啟 動 I24 檢驗2號倉庫 Q0 前 進 I1 手動/自動 I25 檢驗3號倉庫 Q1 后 退 I2 取 出 I26 檢驗4號倉庫 Q2 向 上 I3 送 進 I27 檢驗5號倉庫 Q3 向 下 I4 取 消 I30 檢驗6號倉庫 Q4 送 進 I5 急 停 I31 檢驗7號倉庫 Q5 取 出 I6 1號倉庫的鍵 I32 檢驗8號倉庫 Q6 顯示取出 I7 2號倉庫的鍵 I33 檢驗9號倉庫 Q7 顯示送進 I10 3號倉庫的鍵 I34 檢驗10號倉庫 Q10 顯示操作錯誤 I11 4號倉庫的鍵 I35 檢驗11號倉庫 Q11 顯示1號倉庫 I12 5號倉庫的鍵 I36 檢驗12號倉庫 Q12 顯示2號倉庫 I13 6號倉庫的鍵 I37 前進限制 Q13 顯示3號倉庫 I14 7號倉庫的鍵 I40 后退限制 Q14 顯示4號倉庫 I15 8號倉庫的鍵 I41 后退超過 Q15 顯示5號倉庫 I16 9號倉庫的鍵 I42 向上限制 Q16 顯示6號倉庫 I17 10號倉庫的鍵 I43 向下限制 Q17 顯示7號倉庫 I20 11號倉庫的鍵 I44 向下超過 Q20 顯示8號倉庫 I21 12號倉庫的鍵 I45 前進限制 Q21 顯示9號倉庫 I22 檢驗0號倉庫 I46 取出限制 Q22 顯示10號倉庫 I23 檢驗1號倉庫 I47 取出超過 Q23 顯示11號倉庫 　 　 　 　 Q24 顯示12號倉庫 3.9 電氣原理圖的設(shè)計 根據(jù)立體倉庫的課題設(shè)計要求，得出如下圖3-14電氣原理圖。 圖 3-14 電氣原理圖 3.10 小結(jié) 本章主要闡述了自動化立體倉庫系統(tǒng)硬件的設(shè)計。首先對控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，其次對PLC（可編程控制器），步進電機，步進電機驅(qū)動器，傳感器，微動開關(guān)，穩(wěn)壓電源進行慎重的選擇。最后列出了PLC輸入輸出分配表，并繪制了本設(shè)計的電氣原理圖。 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1編程語言的介紹 基本的編程語言有：梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）和語句表（STL）。 LAD 和 FBD是面向圖形的語言。在 LAD 中通過串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)中連接各個觸點來 創(chuàng)建控制方案，而在 FBD 中則是通過AND和OR方框互連在一起的。STL是一種面向文本的語言，以列表方式描述控制任務(wù)。梯形圖因為其比較直觀并且容易接受因而很受普通編程人員的歡迎。 梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計稱為編程。 PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器等，但是它們不是真實的物理繼電器，而是一些存儲單元（軟繼電器），每一軟繼電器與PLC存儲器中映像寄存器的一個存儲單元相對應(yīng)。該存儲單元如果為“1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對應(yīng)軟繼電器的線圈“通電”，其常開觸點接通，常閉觸點斷開，稱這種狀態(tài)是該軟繼電器的“1”或“ON”狀態(tài)。如果該存儲單元為“0”狀態(tài)，對應(yīng)軟繼電器的線圈和觸點的狀態(tài)與上述的相反，稱該軟繼電器為“0”或“OFF”狀態(tài)。使用中也常將這些“軟繼電器”稱為編程元件。 開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按其精度可分為12bit、14bit、16bit等；按信號類型可分為電流型(4-20mA,0-20mA)、電壓型(0-10V,0-5V,-10-10V)等。 除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 梯形圖兩側(cè)的垂直公共線稱為母線(Bus bar)，。在分析梯形圖的邏輯關(guān)系時，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以想象左右兩側(cè)母線（左母線和右母線）之間有一個左正右負的直流電源電壓，母線之間有“能流”從左向右流動。右母線可以不畫出。 根據(jù)梯形圖中各觸點的狀態(tài)和邏輯關(guān)系，求出與圖中各線圈對應(yīng)的編程元件的狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯解算。梯形圖中邏輯解算是按從左至右、從上到下的順序進行的。解算的結(jié)果，馬上可以被后面的邏輯解算所利用。邏輯解算是根據(jù)輸入映像寄存器中的值，而不是根據(jù)解算瞬時外部輸入觸點的狀態(tài)來進行的。 PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。 4.2系統(tǒng)流程圖 根據(jù)系統(tǒng)工作過程的分析得出，示意圖4-1所示。 圖 4-1 系統(tǒng)軟件流程圖 控制流程介紹： （1）將選擇開關(guān)置于自動位置，通電狀態(tài)下，各機構(gòu)復(fù)位，即返回零位。立體倉庫坐標定位以零位開始。 （2）當送貨的時候，選擇欲送貨物的倉位號，按動倉位號對應(yīng)的按鈕，控制面板數(shù)碼管顯示倉位號。按送貨按鈕后，貨物自動送入指定的倉位號對應(yīng)的倉庫位里。若被指定的倉位號里有貨物，則送貨命令不被執(zhí)行。送貨完成后，小車自動返回原來的位置。 （3）當取貨的時候，選擇欲取貨物的倉位號后，按動取貨按鈕后，在控制面板的數(shù)碼管里顯示出來，堆垛機可以自動將貨物取出。如果小車里有貨物，則取貨命令不被執(zhí)行。 （4）取貨和送貨指令完成后，機構(gòu)自動返回原來位置。 （5）整個電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕，以防發(fā)生意外。 4.3主要程序的設(shè)計 本系統(tǒng)運用SWOPC-FXGP/WIN-C編程軟件進行梯形圖順控程序編寫，在編寫梯形圖的過程中遵循以下編程規(guī)則： （1）每個繼電器的線圈和它的觸點均用同一編號，每個元件的觸點使用時沒有數(shù)量限制。 （2）梯形圖每一行都是從左邊開始，線圈接在最右邊（線圈右邊不允許再有觸點）。 （3）線圈不能直接接在左邊母線上。 （4）在一個程序中，同一編號的線圈如果使用兩次，稱為雙線圈輸出，它很容易引起誤操作，應(yīng)避免。 （5）在梯形圖中沒有真實的電流流動，為了便于分析PLC的周期掃描原理和邏輯上的因果關(guān)系，假定在梯形圖中有“電流”流動，這個“電流”只能在梯形圖中單方向流動——即從左向右流動，層次的改變只能從上向下。 （6）PLC的啟動程序 圖4-2 PLC的啟動程序 （7）顯示操作錯誤程序 圖4-3 顯示操作錯誤程序 （8）取貨檢測程序 圖4-4 取貨檢測程序 （9）送貨程序，以將貨物送到1號、2號倉庫為例 圖4-5 送貨程序 （10）取貨程序，以將貨物從1號、2號倉庫中取出為例 圖4-6 取貨程序 （11）堆垛機歸位后，將貨物送回到0號倉庫程序 圖4-7 送貨至原始倉位程序 具體梯形圖見附錄A。 4.4小結(jié) 本章主要為系統(tǒng)軟件的設(shè)計。首先對PLC編程語言進行闡述，并著重介紹了梯形圖。其次根據(jù)系統(tǒng)工作過程的要求，繪制出了系統(tǒng)流程圖。最后設(shè)計出了滿足立體倉庫工作過程中各個功能的梯形圖。 結(jié)論 本課題設(shè)計的自動化立體倉庫系統(tǒng)主要以PLC為核心，利用PLC的強大的控制功能，實現(xiàn)了利用可編程控制器控制立體倉庫的功能，具有接線簡單、編程直觀、擴展容易等特點。而且，當系統(tǒng)要求的功能增加時，只需要對軟件程序進行簡易更改。 首先介紹了課題設(shè)計的背景、內(nèi)容、目的和意義。立體倉庫發(fā)展速度越來越快，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，已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲技術(shù)，越來越受到企業(yè)的重視。PLC憑借著其可靠性高、抗干擾能力強、使用方便、設(shè)計安裝容易等特點能很好的完成立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)計。 其次圍繞系統(tǒng)方案的確定，對自動化立體倉庫進行了簡單的介紹。自動化立體倉庫是機械和電氣、強電控制和弱電控制相結(jié)合的產(chǎn)品。主要由貨物儲存系統(tǒng)、貨物存取和傳送系統(tǒng)、控制和管理等三大系統(tǒng)所組成。然后闡述了本課題設(shè)計的自動化立體倉庫實現(xiàn)的功能與總體的控制步驟。最后講述了PLC的優(yōu)點和選擇PLC進行控制的原因，并確定了立體倉庫的具體參數(shù)。 最后為自動化立體倉庫系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計。第一，對控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計；第二，對PLC（可編程控制器），步進電機，步進電機驅(qū)動器，傳感器，微動開關(guān)，穩(wěn)壓電源進行慎重的選擇；第三，列出了PLC輸入輸出分配表，并繪制了本設(shè)計的電氣原理圖；第四，據(jù)系統(tǒng)工作過程的要求，繪制出了系統(tǒng)流程圖，進而設(shè)計出了滿足立體倉庫工作過程中各個功能的梯形圖。 致謝 本人的論文是在賀容波老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴肅的科學(xué)態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從