立體倉庫畢業(yè)設(shè)計--立體倉庫電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計</p><p>　　立體倉庫電氣控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　Design of Warehouse Electrical Control System</p><p>　　2011年 6 月</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計中文摘要</b></p>

2、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計外文摘要</b></p><p>　學(xué) 院：電子工程學(xué)院 </p><p>　專業(yè)班級：電氣工程及其自動化 </p><p>　學(xué)生姓名：學(xué) 號：</p><p>　指導(dǎo)教師：</p&g

3、t;<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1.緒論1</b></p><p>　　1.1本課題研究背景與現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2本課題研究發(fā)展趨勢2</p><p>　　1.3本課題設(shè)計內(nèi)容2</p><p&

4、gt;　　1.4可編程控制器（PLC）簡介2</p><p>　　2.系統(tǒng)控制方案4</p><p>　　2.1立體倉庫系統(tǒng)的功能4</p><p>　　2.2采用PLC控制立體倉庫的優(yōu)點4</p><p>　　3.系統(tǒng)的硬件配置5</p><p>　　3.1立體倉庫系統(tǒng)控制5</p>

5、;<p>　　3.2電氣原理圖的設(shè)計5</p><p>　　3.3立體倉庫電氣硬件的介紹與選擇6</p><p>　　3.4PLC輸入輸出分配12</p><p>　　4.系統(tǒng)的軟件設(shè)計14</p><p>　　4.1系統(tǒng)流程圖14</p><p>　　4.2系統(tǒng)程序的設(shè)計16&l

6、t;/p><p>　　5.程序的仿真與調(diào)試32</p><p>　　5.1 程序的仿真32</p><p>　　5.2 程序的調(diào)試34</p><p><b>　　總 結(jié)37</b></p><p><b>　　致 謝38</b></p><

7、;p><b>　　參考文獻39</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　本課題研究背景與現(xiàn)狀</p><p>　　由于世界經(jīng)濟、現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，物流產(chǎn)業(yè)成為經(jīng)濟發(fā)展中的新興的一個服務(wù)部門。在國際上，物流產(chǎn)業(yè)成為了國民經(jīng)濟發(fā)展的動脈，其發(fā)展的程度成為一個國家的現(xiàn)代化程度以及綜合鍋里的

8、重要標(biāo)志之一。在我們國家，由于市場經(jīng)濟的不斷深入，單純依賴商流而賺取利潤的機會將會變少。因此，企業(yè)需要將目標(biāo)轉(zhuǎn)向物流。</p><p>　　在20世紀(jì)六、七十年代，一些發(fā)達國家都開始重視倉儲管理。</p><p>　　立體倉庫一般是指采用幾層、十幾、幾十層的貨架儲存單元貨物，用相應(yīng)的物料搬運設(shè)備進行貨物的出、入庫操作。因為這類倉庫能充分的利用空間存儲貨物，所以將它稱為立體倉庫。[1]<

9、;/p><p>　　我國立體倉庫與物料搬運的研究也并不是很晚，1973年開始研究立體倉庫，1980年就有立體倉庫應(yīng)用于實踐。</p><p>　　自動化立體倉庫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，已經(jīng)成為了企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲技術(shù)。</p><p>　　自動化立體倉庫的主要優(yōu)點如下：(1)倉庫作業(yè)實現(xiàn)機

10、械化和自動化。(2)采用高層貨架、立體儲存，能有效地利用空間，減少占地面積，降低土地購置費用。(3)采用托盤或貨箱儲存貨物，貨物的破損率顯著降低。(4)貨位集中，便于控制與管理，特別是使用電子計算機，不但能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)過程的自動控制，而且能夠進行信息處理。</p><p>　　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。</p><p>　　1968年美

11、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)。</p><p>　　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

12、的自動裝配線上試用獲得成功。</p><p>　　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(dāng)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。</p><p>　　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

13、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?！盵2]</p><p>　　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。</p><p><b>　　本課題研究發(fā)展趨勢</b></p>

14、<p>　　由于自動化立體倉庫的廣泛應(yīng)用、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得立體倉庫的發(fā)展十分迅速，其發(fā)展的趨勢主要有3點：</p><p>　　立體倉庫向柔性化發(fā)展。隨著柔性化的普及，自動化立體倉庫的儲運作業(yè)也將向柔性化發(fā)展。國外已經(jīng)開始出現(xiàn)一批可拆卸的和移動式的倉庫結(jié)構(gòu)。</p><p>　　立體倉庫作業(yè)管理自動化水平逐步提高。具體來說，就是在要求的時間內(nèi)、在準(zhǔn)確的地點、按準(zhǔn)確

15、的順序與方法、提供準(zhǔn)確的品種及數(shù)量的貨物。</p><p>　　立體倉庫中智能技術(shù)將會取得應(yīng)用。人工智能技術(shù)的發(fā)展，推動了自動化技術(shù)向其高級階段--智能化方向發(fā)展。</p><p><b>　　本課題設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　自動化立體倉庫的主體由貨架、巷道式堆垛起重機、入(出)庫工作臺和自動運進(出)及操作控制系統(tǒng)組成。堆垛機是立

16、體倉庫的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)全部貨物的入庫承運作業(yè)，可實現(xiàn)三個自由度的運動。</p><p>　　該系統(tǒng)通過傳感器采集信號，PLC控制程序，可以實現(xiàn)對步進電機和直流電機較復(fù)雜的速度與位置控制規(guī)模。</p><p>　　在入庫作業(yè)時，當(dāng)檢測傳感器檢測到零位平臺上有貨物，那么起動機械手，將零位平臺上的貨物放到指定的庫位上。</p><p>　　在出庫操作時，啟動機械手，到達指

17、定庫位，將指定庫位上的貨物取出放到零位平臺。機械手在執(zhí)行每次的去放任務(wù)，都會自動回到零位，等待下一條指令。</p><p>　　論文中機械手可以進行三個維度的變化，就是可以進行前進、后退，上、下，左、右的變化。為了系統(tǒng)的安全，在各個限位處都裝有超限位保護開關(guān)，每個庫位都有檢測裝置，判斷庫位是否已有貨物，禁止雙重入庫和空的取操作。</p><p>　　可編程控制器（PLC）簡介</p&

18、gt;<p>　　可編程控制器（PLC）的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　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。</p><p>　　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

19、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。</p><p>　　中央處理單元 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。</p><p>　　電源部件 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

20、。[2]</p><p>　　基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：</p><p>　　圖1.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　可編程控制器（PLC）的特點</p><p>　　(1)．可靠性高，抗干擾強。</p><p>　　（2）．功能強大，性價比高。</p><p>　?。?）．編程簡易，現(xiàn)場可

21、修改。</p><p>　?。?）．配套齊全，使用方便。</p><p>　?。?）．壽命長，體積小，能耗低。</p><p>　?。?）．系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試、維修工作量少，維修方便。[.2]</p><p><b>　　系統(tǒng)控制方案</b></p><p><b>　　立體倉庫系統(tǒng)

22、的功能</b></p><p>　　系統(tǒng)采用滾珠絲杠、滑杠以及普通絲杠作為主要傳動機構(gòu)、點擊采用步進電機和直流電機，其關(guān)鍵部分是機械手，它由水平移動、垂直移動、貨臺機構(gòu)三部分組成，其水平和垂直移動分別用兩臺步進電機驅(qū)動滾珠絲杠來完成，伸叉機構(gòu)由一臺直流電機來控制。當(dāng)堆垛機平臺移動到貨架的指定位置時，直流電機驅(qū)動貨臺向前伸出可將貨物取出或者送入，當(dāng)取到貨物貨已送入，則貨臺向后縮回。</p>

23、<p>　　在此設(shè)計的立體倉庫需要滿足一下功能：</p><p>　　1、機械手要有三個自由度，即：前進、后退；上、下；左、右；</p><p>　　2、機械手的運動由步進電機驅(qū)動；</p><p>　　3、機械手前進（或后退）運動和上（或下）運動可同時進行；</p><p>　　4、機械手前進、后退和上、下運動時必須有超限位保護

24、；</p><p>　　5、每個庫位必須有檢測裝置（微動開關(guān)）。</p><p>　　6、當(dāng)按完庫位號后，沒按入或沒取前，可以按手動取消該操作。</p><p>　　采用PLC控制立體倉庫的優(yōu)點</p><p>　　PLC的應(yīng)用非常廣泛，例如：電梯控制、防盜系統(tǒng)的控制、交通分流信號燈控制、樓宇供水自動控制、噴水池自動控制、消防系統(tǒng)自動控、供電

25、系統(tǒng)自動控制及各種生產(chǎn)流水線的自動控制等。</p><p>　　按PLC編程功能可分為4大類：開關(guān)量順序控制、通信功能、模擬量控制、運動控制。</p><p>　　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。</p><p>　　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

26、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。</p><p>　　總的來看，基于PLC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(yuǎn)在線、結(jié)構(gòu)靈活、數(shù)字化等。</p><p><b>　　系統(tǒng)的硬

27、件配置</b></p><p><b>　　立體倉庫系統(tǒng)控制</b></p><p>　　立體倉庫系統(tǒng)的控制圖如下圖3.1所示。構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)的主要電氣硬件有控制立體倉庫的Z軸的直流電動機，控制XY軸的步進電動機以及供給系統(tǒng)能源的直流開關(guān)電源，還有各種傳感器，如系統(tǒng)中采用的反射式和對射式傳感器以及微動開關(guān)（用來完成貨物的檢測以及限位保護）。</p

28、><p>　　圖3.1 立體倉庫系統(tǒng)控制框圖</p><p><b>　　電氣原理圖的設(shè)計</b></p><p>　　根據(jù)以上的控制要求，得到如下電氣原理圖：</p><p>　　圖3.2 PLC外部接線圖</p><p>　　立體倉庫電氣硬件的介紹與選擇</p><p>

29、;　　可編程控制器（PLC）</p><p>　　在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。所以，權(quán)衡利弊、合理地選擇機型才能達到經(jīng)濟實用的目的。因此，工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)當(dāng)是要分析控制過程的特點、要求、范圍。然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，選擇有較高性價比的PLC、設(shè)計相應(yīng)的控

30、制系統(tǒng)。 </p><p>　　1．輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算</p><p>　　在我們設(shè)計時，我們先對I/O點數(shù)估算，并且考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%～20%的可擴展，以此來確定我們所需要的PLC輸入輸出點數(shù)。</p><p>　　根據(jù)估算的方法故本課題的I/O點數(shù)為輸入40點，輸出21點。</p><p>

31、　　2．存儲器容量的估算</p><p>　　存儲器容量是指可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計階段，為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。</p><p>　　存儲器內(nèi)存容量的估算，大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的10～15倍，加上模擬量I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為

32、內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。因此本課題PLC內(nèi)存容量選擇應(yīng)能存儲5000條梯形圖，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。[3]</p><p><b>　　3．控制功能的選擇</b></p><p>　　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。</p><p>　　根

33、據(jù)本課題所設(shè)計的自動控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇。</p><p><b>　　（1）控制功能</b></p><p>　　PLC主要用于順序邏輯控制，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，一方面要提高PLC的處理速度，另一方面節(jié)省存儲器容量。</p><p><

34、;b>　?。?）診斷功能</b></p><p>　　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。</p><p>　　通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進行的診斷是內(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的診斷就是外診斷。</p><p>　　PLC的診斷

35、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。</p><p><b>　?。?）編程功能</b></p><p>　　離線編程方式：PLC和編程器共用一個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。完成編程之后，編程器切換到運行模式，CPU對現(xiàn)場設(shè)備進行控制，就不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用

36、和調(diào)試不方便。在本設(shè)計中選用的是此方式。</p><p>　　在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機CPU負(fù)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中經(jīng)常被采用。</p><p>　　五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（

37、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。[17]</p><p><b>　　（4）機型的選擇</b></p><p>　　S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮著強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。</p><p>　　S7-200 CPU 226 集成24

38、輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O 點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O 點，35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可以很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更

39、強的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。</p><p>　　本系統(tǒng)所采用的PLC是西門子S7-200 CPU226 DC24V,繼電器輸出。</p><p><b>　　步進電動機</b></p><p>　　步進電機是一種由電脈沖控制的特殊同步電動機，它的作用是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或者線位移。因此，步進電動機

40、又稱為脈沖電動機。它可以實現(xiàn)信號變換，是自動控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的執(zhí)行元件。下面簡單介紹步進電機的工作原理及其特點與選擇。</p><p><b>　　步進電機的工作原理</b></p><p>　　步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電動機。當(dāng)系統(tǒng)將一個電脈沖信號加到步進電機定子繞組時，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)動一步。當(dāng)電脈沖按某一相序加到電動機時，轉(zhuǎn)子沿某一方向轉(zhuǎn)動的步數(shù)

41、等于電脈沖個數(shù)。因此，改變輸入脈沖的數(shù)目就能控制步進電機轉(zhuǎn)子機械位移的大小；改變輸入脈沖的通電相序，就能控制步進電機電動機轉(zhuǎn)子機械位移的方向，實現(xiàn)對位置的控制。</p><p><b>　　步進電機的特點</b></p><p>　　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

42、統(tǒng)。</p><p>　　速度可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。</p><p>　　易于起動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，快速響應(yīng)性能好。</p><p>　　具有自鎖的能力。當(dāng)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。</p><p&g

43、t;　　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(fù)載。</p><p>　　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。</p><p>　　步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成介紹</p><p>　　步進電動機是應(yīng)用較早的一種機電一體化的產(chǎn)品，電機

44、的本體與驅(qū)動器構(gòu)成一個不可分割的有機整體，步進電動機的運行性能很大程度上取決于所使用的驅(qū)動控制器的類型。</p><p>　　圖3.3 步進電動機驅(qū)動控制器的構(gòu)成</p><p><b>　　步進電動機的選擇</b></p><p>　　在選擇步進電動機時，首先要考慮的是步進電動機的類型，其次才是具體的品種。在該立體倉庫控制系統(tǒng)中，要求步進電動

45、機的電壓低、電流小、有定位轉(zhuǎn)矩和使用螺栓機構(gòu)的定位裝置，所以確定步進電動機采用二相八拍混合式步進電動機。</p><p>　　八拍混合式步進電動機的主要特點是體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點。</p><p><b>　　步進電動機驅(qū)動器</b></p><p>　　步進電動機驅(qū)動器輸入輸出信號介紹</p>&l

46、t;p>　　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。</p><p>　　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)

47、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3.1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R。</p><p>　　圖3.4 輸入輸出接口電路</p><p>　　步進電動機驅(qū)動器選擇</p><p>　　我們這里采用SH系列的步進電機驅(qū)動器，

48、它主要由電源輸入部分、信號輸入部分、信號輸出部分組成。</p><p>　　步進電動機驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)和電動機電流設(shè)定</p><p>　　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(xì)分?jǐn)?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(xì)分后電動機的步距角等于電動機整步步距角除以細(xì)分?jǐn)?shù)。細(xì)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(xì)分驅(qū)動器

49、只要改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就能改變步距角。</p><p>　　步進電動機驅(qū)動器電源接口</p><p>　　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。</p><p><b>　　傳感器</b></p><p><b>　　反射式傳感

50、器</b></p><p>　　工作原理：當(dāng)物體相對于傳感器移動時，反射回來的信號和原來的信號進行對比，產(chǎn)生頻移，然后集成電路放大微弱的頻移信號。</p><p>　　經(jīng)多普勒檢測、放大、限幅等措施，最后得到的是和物品移動信號相關(guān)的直流信號輸出電平。</p><p>　　圖3.5 變調(diào)光式傳感器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　在該立體

51、倉庫中采用反射式傳感器作為貨物檢測裝置，并采用能抗周圍外來光干擾的變調(diào)光式。采用變調(diào)光式，與直流光式相比，不易受外來光干擾的影響，其電源電壓為DC5~24V的大量程電壓輸入型，帶有容易調(diào)整的光軸標(biāo)識，還帶有動作確認(rèn)的入光顯示燈。</p><p>　　下面是反射式傳感器的輸出電路圖：</p><p>　　圖3.6 反射式傳感器的輸出電路</p><p><b&

52、gt;　　對射式傳感器</b></p><p>　　對射式傳感器的工作原理：對射式傳感器的輸出狀態(tài)一般是NPN輸出，輸出晶體管的動作狀態(tài)可以分為：入光時ON和遮光時ON兩種。入光時ON的對射式傳感器的電路如圖3.7所示。當(dāng)24V電壓加到發(fā)光二級管VL時，它將光發(fā)射給光敏二級管VD，VD接收到光導(dǎo)通，于是晶體管導(dǎo)通，輸出為ON。當(dāng)發(fā)光二極管VL發(fā)射出的光被物體擋住，使得光敏二級管接收不到時，VD不導(dǎo)通，

53、則晶體管不導(dǎo)通，輸出為OFF。</p><p>　　圖3.7 對射式傳感器的電路</p><p>　　在該立體倉庫控制系統(tǒng)中，采用8個對射式傳感器作限位控制。其中4個對射式光電傳感器分別作為X軸Y軸的限位控制；2個對射式光電傳感器分別作為X軸Y軸的到位檢測；如果貨架未到達正確位置，Z軸電動機將不能運行，以確保當(dāng)PLC程序出錯時也不會損壞設(shè)備；2個對射式光電傳感器作為Z軸的限位控制，此時遮光

54、時輸出晶體管ON。[16]</p><p><b>　　微動開關(guān)</b></p><p>　　該立體倉庫控制系統(tǒng)中共有13個庫位（四層十二個庫位加0號庫位）分別采用13個微動開關(guān)作為貨物的檢測裝置，當(dāng)有貨物時相應(yīng)開關(guān)動作；為了保險起見，在X軸的左限位和Y軸的下限位處還安裝了1個微動開關(guān)作限位保護，以確保立體倉庫的安全。</p><p><

55、b>　　直流電動機</b></p><p>　　立體倉庫采用直流電機作為Z軸的拖動元件。直流電動機具有良好的起動性能，且能在寬廣的范圍內(nèi)平滑、均勻地調(diào)速。在自動控制系統(tǒng)中，小功率直流電動機的應(yīng)用也很廣泛。</p><p>　　本系統(tǒng)采用的直流電動機的輸入電壓為12-24V。輸入信號由PLC提供，輸入電源由電源模塊提供，輸出信號驅(qū)動直流電動機。</p><

56、;p><b>　　并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　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。</p><p>　　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

57、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。</p><p><b>　　PLC輸入輸出分配</b></p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)的I/O分配見下表所示。</p><p>　　表3.1 系統(tǒng)的I/O分配</p><p><b>　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計</b></p><

58、;p><b>　　系統(tǒng)流程圖</b></p><p>　　系統(tǒng)的電氣設(shè)計中，電動機主要采用步進電動機和直流電動機，分別控制水平移動、垂直移動及貨臺的動作（即X軸Y軸Z軸）。</p><p>　　傳感器采用對射式和反射式傳感器以及微動開關(guān)，用于完成貨物的檢測和限位保護等。</p><p>　　系統(tǒng)在機構(gòu)設(shè)計上采用滾珠絲杠、滑軌和普通絲杠作

59、為傳動機構(gòu)。當(dāng)堆垛機平臺移動到貨架的指定位置時，貨臺向前伸出可將貨物取出或取入，當(dāng)取到貨物或貨已經(jīng)送入時，鏟叉縮回。整個系統(tǒng)流程如圖4.1所示</p><p><b>　　其工作流程如下：</b></p><p><b>　　接通電源。</b></p><p><b>　　系統(tǒng)自檢。</b></

60、p><p>　　將功能開關(guān)置于自動位置。</p><p><b>　　執(zhí)行送貨指令。</b></p><p>　　選擇欲送庫位號，按動庫位好對應(yīng)按鈕，控制面板上的數(shù)碼管顯示庫位號。</p><p>　　按動送指令按鈕，若被選擇的庫位已有貨物，則該指令不被執(zhí)行。</p><p>　　指令完成后，系統(tǒng)自動

61、返回。</p><p>　　如果執(zhí)行送入指令前，載貨臺上沒有貨物，則送指令也不被執(zhí)行。</p><p><b>　　執(zhí)行取貨指令。</b></p><p>　　選擇欲取的庫位，按動庫位號對應(yīng)的按鈕，控制面板上的數(shù)碼管顯示庫位號。</p><p>　　按動“取”按鈕，執(zhí)行取操作。如果載貨臺上有貨物，則取指令不被執(zhí)行。<

62、;/p><p>　　指令完成后，系統(tǒng)自動返回。</p><p>　　如執(zhí)行取出指令前，被選庫位無貨物，則取指令不被執(zhí)行。</p><p>　　因此，該立體倉庫系統(tǒng)的運行情況可歸納為：當(dāng)按下起動按鈕后，允許進行立體倉庫允許的控制。在正常的情況下，按下某一庫位的按鈕以及“取”或“送”按鈕，系統(tǒng)將進行相應(yīng)的動作，此時控制面板上的數(shù)碼管顯示相應(yīng)的庫位號。</p>

63、<p>　　而在緊急情況下，按下緊急按鈕，貨物送回原來的位置，只有當(dāng)故障排除之后，才能重新運行。</p><p>　　圖4.1 系統(tǒng)流程圖</p><p><b>　　系統(tǒng)程序的設(shè)計</b></p><p><b>　　系統(tǒng)的控制要求：</b></p><p>　　當(dāng)選擇開關(guān)置于自動位置

64、時，系統(tǒng)復(fù)位到初始位置，各個軸回到原點。</p><p><b>　　執(zhí)行入庫指令。</b></p><p>　　選擇欲入庫的庫位號，按動庫位號對應(yīng)按鈕，控制面板上的數(shù)碼管顯示庫位號。</p><p>　　按動K8按鈕，起動入庫操作，當(dāng)載貨臺有貨物時，起重機自動將貨物送到指定的庫位。</p><p>　　若被選擇庫位內(nèi)已

65、有貨物時，則該入庫操作不被執(zhí)行。</p><p>　　完成入庫操作之后，機械自動返回初始位置。</p><p>　　載貨臺若無貨物，則下一個入庫操作將不被執(zhí)行。</p><p><b>　　執(zhí)行出庫指令</b></p><p>　　選擇要出庫的庫位號，按動庫位號對應(yīng)按鈕，控制面板上的數(shù)碼管顯示庫位號。</p>

66、<p>　　按動K8按鈕，當(dāng)載貨臺上有貨物時，起重機不執(zhí)行任何操作。</p><p>　　如果被選擇的庫位內(nèi)無貨物時，則該出庫操作不被執(zhí)行。</p><p>　　當(dāng)按下K8按鈕時，載物臺上沒有貨物，且該庫位內(nèi)有貨物時，起重機自動將貨物從指定的庫位轉(zhuǎn)移到載貨臺上。</p><p>　　完成出庫操作后，機械手自動返回到初始位置。</p>&l

67、t;p>　　程序設(shè)計如下：主程序如下：</p><p><b>　　各部分程序分析：</b></p><p>　　初始化程序，讓各個軸回到初始位置。子程序SBR-0如下： </p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)運行過程中達到某個軸的限位時，應(yīng)當(dāng)停止當(dāng)前軸的動作。子程序SBR-1如下：</p><p>　　倉庫的庫位坐標(biāo)定位計

68、算程序設(shè)計。在倉庫的管理中，各個庫位坐標(biāo)的一個基本參數(shù)。本程序采用子程序的方法進行編寫。子程序的入口參數(shù)為指定的庫位號（0-12），輸出的參數(shù)為庫位的X軸和Y軸的坐標(biāo)。倉庫的庫位編號下圖所示：</p><p>　　圖4.1 倉庫的庫位編號</p><p>　　子程序SBR-2如下所示：</p><p>　　程序中的第一段用來計算0號庫位、1號庫位、2號庫位、3號庫

69、位的X軸坐標(biāo)值。第二段是用于計算第1號庫位、4號庫位、7號庫位、10號庫位的Y軸坐標(biāo)。程序中的第三段到第十段中分別計算各個庫位的X、Y軸的坐標(biāo)。其中各個庫位的坐標(biāo)值均可以用0、 1、 2、 3號庫位的X軸坐標(biāo)和1、 4、 7、10號庫位的Y軸坐標(biāo)來表示。最后一段是用于給其他的程序送出坐標(biāo)值。</p><p>　　立體倉庫的出入庫控制的程序設(shè)計。</p><p>　　入庫的操作順序為：X軸電

70、動機右行→Z軸電動機前伸→Y軸電動機上升→Z軸電動機回縮→X軸電動機右行、Y軸電動機上升→Z軸電動機前伸→Y軸電動機下降→Z軸電動機回縮→復(fù)位。</p><p>　　出庫的操作順序為：X軸電動機右行、Y軸電動機上升→Z軸電動機前伸→Y軸電動機上升→Z軸電動機回縮→X軸電動機左行、Y軸電動機下降→Z軸電動機前伸→Y軸電動機下降→Z軸電動機回縮→復(fù)位。</p><p>　　程序設(shè)計時，可以安排

71、入庫操作和出庫操作在一個程序中，通過完成順序指令，完成上述的連續(xù)動作。</p><p>　　程序中網(wǎng)絡(luò)一是對程序的初始化以及傳送Y軸行走的偏差值。程序中的網(wǎng)絡(luò)2-8是X、Y軸的第一次位移，到達指定位置準(zhǔn)備取貨。網(wǎng)絡(luò)9-14是控制貨臺前伸到位，準(zhǔn)備提貨。網(wǎng)絡(luò)15-19是控制貨臺的回縮，完成貨物從庫位到貨臺的轉(zhuǎn)移。網(wǎng)絡(luò)24-28是控制起重機的第二次位移，到達指定的位置準(zhǔn)備放下貨物。網(wǎng)絡(luò)29-33是控制貨臺前伸到位，準(zhǔn)

72、備放物。網(wǎng)絡(luò)34-38是控制Y軸下降，放下貨物到指定的位置。網(wǎng)絡(luò)39-43是送貨回縮，完成從貨臺到庫位的轉(zhuǎn)移。網(wǎng)絡(luò)44-50是控制起重機復(fù)位，使其回到待命的狀態(tài)，準(zhǔn)備下一動作。這里采用的是PLC中的順序控制。</p><p>　　子程序SBR-3如下所示：</p><p>　　鍵盤裝置掃描檢測及顯示系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計。通過掃描H0、H1、H2、H3端口來判斷當(dāng)前的按鈕的狀態(tài)。當(dāng)按下K5時

73、H1觸發(fā)，4號輸入信號有效。子程序SBR-4如下所示：</p><p>　　程序網(wǎng)絡(luò)一是用來初始化程序的，對寄存器進行清零。使用SM0.1，是指接通了從STOP到RUN的那個掃描周期。網(wǎng)絡(luò)2中產(chǎn)生周期為0.8S的時序脈沖。網(wǎng)絡(luò)三中用脈沖發(fā)生器掃描輸出端口Q0.4,Q0.5,Q0.6,Q0.7，接通周期和掃描的周期是一致的。網(wǎng)絡(luò)四將狀態(tài)信號傳送至主程序。</p><p>　　在倉庫的控制中，

74、機械手運行于各個庫位之間，每個庫位的坐標(biāo)是定位，所以要求系統(tǒng)在絕對系統(tǒng)下工作。這樣，通過輸入不同的庫位坐標(biāo)值系統(tǒng)下實現(xiàn)系統(tǒng)的位置控制。步進電動機根據(jù)系統(tǒng)提供的脈沖做標(biāo)準(zhǔn)進行移動，當(dāng)目標(biāo)值大于當(dāng)前值時，步進電動機正轉(zhuǎn)；反之，電動機反轉(zhuǎn)；當(dāng)目標(biāo)值與當(dāng)前值相同，則不轉(zhuǎn)。</p><p>　　子程序SBR-5控制脈沖發(fā)生器PT0的程序如下：</p><p>　　子程序SBR-7控制脈沖發(fā)生器PT1

75、的程序如下：</p><p>　　以脈沖發(fā)生器1為例，網(wǎng)絡(luò)2中，將步進電動機的當(dāng)前脈沖存儲于VD4200中，通過運算得出設(shè)定值與當(dāng)前脈沖值的差值A(chǔ)C0，即為步進電動機的將要行走的路程距離。網(wǎng)絡(luò)三將實際需要行走的距離轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)量。網(wǎng)絡(luò)四中實現(xiàn)了步進電動機的正反轉(zhuǎn)，Q0.2的值為正時，電動機向左運行，同時將它所行走的距離給AC2。反之，則向右運行。網(wǎng)絡(luò)7、8、9是用于將數(shù)據(jù)傳送給相應(yīng)的存儲區(qū)。網(wǎng)絡(luò)10是為了避免距離

76、過短而導(dǎo)致錯誤而設(shè)計的。當(dāng)恒速區(qū)的脈沖值為負(fù)時，采用單段PTO輸出方式，速度恒為1000HZ。網(wǎng)絡(luò)11調(diào)用指令。</p><p>　　控制脈沖發(fā)生器PT0和PT1停止輸出脈沖。</p><p>　　控制脈沖發(fā)生器PTO的子程序SBR-6和控制脈沖發(fā)生器PT1的子程序SBR-8分別如下：</p><p><b>　　程序的仿真與調(diào)試</b><

77、;/p><p><b>　　5.1 程序的仿真</b></p><p>　　下面簡單介紹一下西門子S7-200仿真軟件。首先在西門子編程軟件中將所編的程序?qū)С觯瑢?dǎo)出程序為.AWL格式。</p><p><b>　　圖5.1 程序?qū)С?lt;/b></p><p>　　得到文件，存儲于文件夾中。</p&g

78、t;<p>　　圖5.2 程序?qū)С龊蟠鎯?lt;/p><p>　　打開仿真軟件，裝載程序。根據(jù)I/O的分配選擇CPU型號，同時按照I/O分配表，打開開關(guān)，點擊運行按鈕，對程序進行仿真。在仿真時各觸點的接通與斷開是用小燈的亮和滅來表示的。</p><p>　　圖5.3 程序仿真軟件</p><p>　　經(jīng)過仿真實驗證明，此程序是可行的，裝載程序之后，點擊運行

79、按鈕，可以得到正確的指示燈顯示。</p><p><b>　　5.2 程序的調(diào)試</b></p><p><b>　　將其裝載PLC中：</b></p><p>　　圖5.4 下載程序到PLC</p><p>　　點擊下載，使得程序裝載到PLC中進行仿真實驗，由于實驗室里只有CPU224的PLC，

80、因此，我只能將程序的初始化程序，裝載到其中，并將輸入接口I1.0-I1.7為I0.0-I0.7，點擊運行按鈕，并且打開該程序的狀態(tài)監(jiān)控。得到如下圖5.5</p><p>　　當(dāng)Z軸不在原位時，貨臺回縮到位。當(dāng)Z軸回縮到原位時，當(dāng)X軸Y軸不在原位時，則調(diào)用子程序5和子程序8。如下圖5.5和圖5.6。</p><p>　　當(dāng)Z軸回到原點，Y軸到原點的時候，則需要X軸動作，調(diào)用子程序5，Q0.2

81、亮，在實驗室，得到了證實。如圖5.7所示。</p><p>　　其他程序調(diào)試也是可行的，但是由于條件允許，并沒有一一調(diào)試，希望在日后，能有機會進行實踐。</p><p>　　圖5.5 初始化程序狀態(tài)監(jiān)控1</p><p>　　圖5.6 初始化程序狀態(tài)監(jiān)控2</p><p>　　圖5.7 X軸初始化</p><p&

82、gt;<b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　本次設(shè)計給我增加了許多的知識，不僅僅是PLC的知識，還有電機及傳感器的知識。讓我認(rèn)識到了大學(xué)中學(xué)習(xí)的不足之處，也彌補了許多知識的空白區(qū)。</p><p>　　對于本次設(shè)計的自動化立體倉庫，我國目前已建成自動化立體倉庫400 多座、立體倉庫2000 多座。在此，我僅僅將立體倉庫的一個簡單的構(gòu)架描述了出來。基于PLC的

83、自動化立體倉庫，有著許多的優(yōu)勢，它通過高層貨架存儲，使得存儲區(qū)大幅度向高空發(fā)展，提高了空間利用率，自動化立體倉庫采用層級式存放。通過自動化存儲系統(tǒng)，加快了運行和處理速度。提高了勞動生產(chǎn)率，減低操作人員的勞動強度，采用自動化技術(shù)后，還能較好地適應(yīng)黑暗，低溫，污染，有毒和易爆等特殊場合的物品存儲需要。</p><p>　　計算機控制能夠始終確保無誤的對各種信息經(jīng)行存儲和管理，減少了貨物處理和信息處理過程中的差錯，同時

84、借助于計算機管理還能有效地利用倉庫存儲能力，便于清點和盤庫，合理減少庫存，加快資金周轉(zhuǎn)，節(jié)約資金，從而提高倉庫的管理水平?？傊?，利用自動化立體倉庫大大的減少了人力，提高了效率，減少了成本，帶來了很大的收益。</p><p>　　本次設(shè)計的核心是PLC控制器。PLC具有強大的控制功能。在自動化立體倉庫中，如果需要增加倉庫，增加機械手，我們不需要花費大量的人力物力財力，這里運用的是了PLC的接線簡單、編程直觀方便、擴

85、展容易等特點。此時，我們只需要在硬件接線上增加開關(guān)輸入的信號，然后在我們的程序中適當(dāng)添加語句就可以了。所以基于PLC所設(shè)計出的立體倉庫，方便實用，易于擴展與改造。</p><p>　　自動化立體倉庫的發(fā)展需要我們下更大的功夫去深入研究，可以結(jié)合計算機控制以及現(xiàn)場總線的連接，對倉庫的控制進行實時監(jiān)控，更加凸顯我們的智能化發(fā)展。隨著PLC技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，自動化立體倉庫的實時性和可靠性會越來越高，控制也會越來越完善。

86、</p><p>　　通過本次的畢業(yè)設(shè)計，我不僅增加了專業(yè)知識，而且也在工作的細(xì)心程度上得到了鍛煉，端正了我的工作態(tài)度，指導(dǎo)老師秦緒平講師給了我很大的幫助與啟發(fā)。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本課程設(shè)計是在秦緒平老師的細(xì)心指導(dǎo)下完成的，在此我要向他表示衷心的感謝。在我寫論文的過程中，有老師的耐心指導(dǎo)，無論從開

87、始的論文開始的資料搜集，到論文的開題，到論文的構(gòu)思各方面，我都得到了老師的教誨和幫助，特別是老師的廣博的學(xué)識、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)和老師謙和的為人都讓人覺得敬佩。</p><p>　　在這里，我還要感謝大學(xué)四年所有教過我們的老師，是你們的耐心教導(dǎo)，才有了我們現(xiàn)在的今天，讓我學(xué)會了做人，其次學(xué)會了扎實的專業(yè)電氣工程的知識，也正是你們的教導(dǎo)，讓我能夠了解科學(xué)的奧秘，讓我有能力來完成這一畢業(yè)設(shè)計。</p>&l

88、t;p>　　同時也感謝電子工程學(xué)院的所有老師和同學(xué)，謝謝你們在大學(xué)的時光中，給我的一切幫助和支持，給我的大學(xué)時光增加了許許多多難忘的回憶。同時也感謝他們在本次畢業(yè)設(shè)計中給我的幫助。</p><p>　　在此畢業(yè)之際，我要再一次的想我的老師和同學(xué)，說聲謝謝，感謝你們的關(guān)心及支持。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>

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