基于S7-200 PLC控制的小型自动化立体仓

课题名称基于S7-200 PLC控制的小型自动化立体仓库设计
学院电气信息学院
专业班级自动化084班
姓名 XX
学号 089064444
毕业设计(论文)的主要内容及要求：
（1）了解自动化立体仓库的组成及基本功能，熟悉PLC控制系统设计的一般步骤。
（2）结合相关资料设计立体仓库的系统结构图；本课题所设计的立体仓库具有以下功能：
1、堆垛机（机械手）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（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行
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，以防发生意外

摘要
自动化立体仓库是现代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分,是一种多层存放货物的高架仓库系统，由自动控制与管理系统、高位货架、巷道堆垛机、自动入库、自动出库、计算机管理控制系统以及其他辅助设备组成。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。如今我国国民经济的飞速发展,自动化立体仓库必然会在各行各业中得到越来越广泛的应用。
本课题的电气控制主要由西门子公司的PLC、步进电机驱动器、步进电动机、直流电动机等器件组成。本文首先对本课题进行简要的介绍，包括背景，研究意义，现状等；其次对该系统的硬件组成、结构、原理进行了阐述和分析；再次对本系统用到的器件分别进行介绍，重点对PLC程序进行了编写；最后对设计本课题所学到的知识进行归纳和总结。
关键字：立体仓库可编程控制器（PLC）西门子S7-200

第1章绪论 1
1.1 本课题设计的背景 1
1.2 本课题设计内容 1
1.3 本课题设计的目的和意义 2
1.4 小结 2
第2章.系统控制方案的确定 3
2.1 自动化立体仓库的简介 3
2.2 立体仓库系统的功能 3
2.3 采用 PLC 控制立体仓库的优点 5
2.4 立体仓库技术参数的确定 5
2.5 系统设计的基本步骤 5
2.6 小结 6
第3章系统硬件设计 7
3.1控制系统结构设计 7
3.2可编程控制器的选型 7
3.2.1可编程控制器的基本结构 7
3.2.2可编程控制器（PLC）的特点 8
3.2.3控制功能的选择 8
3.2.4 PLC 机型的选择 8
3.3步进电机的选择 9
3.3.1步进电机的介绍 9
3.3.2步进电机的结构 10
3.3.3步进电机的工作原理 10
3.3.4步进电机的控制 12
3.3.5步进电机的特点 14
3.3.6步进电机驱动系统的基本组成 14
3.3.7步进电机的选择计算 15
3.4步进电动机驱动器的选择 17
3.5传感器的选择 19
3.6微动开关的选择 20
3.7并联型开关稳压电源 20
3.8 PLC输入输出分配表 21
3.9 电气原理图的设计 22
3.10 小结 22
第4章系统软件设计 23
4.1编程语言的介绍 23
4.2系统流程图 24
4.3主要程序的设计 25
4.4小结 30
结论 31
致谢 32
参考文献 33
附录A 梯形图设计 34
第1章绪论
1.1本课题设计的背景
立体仓库的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。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，并形成了专门的学科。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。
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。
本论文主要是基于PLC所设计的立体仓库电气控制系统。下面简单阐述PLC的发展背景。1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司为了适应汽车型号不断更新，提出把计算机的完备功能、灵活性、通用性好等优点和继电器-接触器控制系统的简单易懂、操作方便、价格低等优点结合到一起，做成了一种能适应工业环境的通用控制装置，并把其编程方法及程序输入方法简化，使不熟悉计算机的人员也能够快速掌握其使用技术。根据这一设想，美国数字设备公司于1969年率先研制出第一台可编程控制器(简称PLC)，并在通用汽车公司的自动装配线上试用获得成功。由于PLC的可靠性高，操作简单，可以大大减少设备的维修和停产所造成的经济损失。当前PLC已经成为了电气自动化控制系统中应用最为广泛的核心控制装置。1985 年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：“可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程[1]。”因此，进行立体仓库的PLC控制系统的设计，可以推动机械手行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。

1.2 本课题设计内容
本设计用西门子S7-200系列的控制器作为控制核心，实现一个十二仓位的立体仓库的入库出库功能。立体仓库主体有底盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。电气控制部分由西门子生产的S7-200型的可编程控制器、步进电机驱动、各种位置电磁传感器和一些低压电器元件组成。S7-200型可编程控制器作为控制核心，采集输入端口信号后完成各种逻辑控制和数据的运算，然后通过输出端口完成电机的运动和各种信号的现实。该系统要能够实现手动和自动两种工作模式，通过键盘可以对设备进行控制。

1.3 本课题设计的目的和意义
自动化立体仓库在各行各业得到而来广泛的应用，进行PLC立体仓库的设计对于节约土地资源，节省劳动力方面都有着不可代替的作用。PLC作为工业自动化三大支柱的重要一部分，因为其可靠性高、抗干扰能力强、设计安装容易等特点而被广泛的应用于自动化控制的各个领域。PLC控制系统可以很好的完成立体仓库的控制有助于其实现自动化。因此，进行立体仓库的PLC控制系统的设计，可以推动机械手行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。

1.4 小结
本章以课题设计为中心，分别介绍了课题设计的背景、内容、目的和意义。立体仓库发展速度越来越快，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。PLC凭借着其可靠性高、抗干扰能力强、使用方便、设计安装容易等特点能很好的完成立体仓库控制系统的设计。

第2章.系统控制方案的确定
2.1自动化立体仓库的简介
自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。它主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统所组成。货物存储系统由立体货架的货格(托盘或货箱)组成，货架按照排、列、层组合而成立体仓库储存系统；货物存取和传送系统承担货物存取、出入仓库的功能，它由有轨或无轨堆垛机、出入库输送机、装卸机械等组成；自动化立体仓库视情况不同采取不同的控制方式：有的仓库只采取对存取堆垛机、出入库输送机的单台 PLC 控制，机与机无联系；有的仓库对各单台机械进行联网控制。更高级的自动化立体仓库的控制系统采用集中控制、分离式控制和分布式控制，即由管理计算机、中央控制计算机和堆垛机、出入库输送等直接控制的可编程序控制器组成控制系统。

2.2 立体仓库系统的功能

图2-1 立体仓库模型图

在此设计的立体仓库需要满足一下功能：
（1）堆垛机（机械手）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（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行；
（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，以防发生意外。

系统控制面板如下图2-2所示：

图 2-2 控制面板
因此本课题设计的具体控制功能如下：
（1）将选择开关置于自动位置，通电状态下，各机构复位，即返回零位。立体仓库坐标定位以零位开始。
（2）当送货的时候，选择欲送货物的仓位号，按动仓位号对应的按钮，控制面板数码管显示仓位号。按送货按钮后，货物自动送入指定的仓位号对应的仓库位里。若被指定的仓位号里有货物，则送货命令不被执行。送货完成后，小车自动返回原来的位置。
（3）当取货的时候，选择欲取货物的仓位号后，按动取货按钮后，在控制面板的数码管里显示出来，堆垛机可以自动将货物取出。如果小车里有货物，则取货命令不被执行。
（4）取货和送货指令完成后，机构自动返回原来位置。
（5）整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。

2.3 采用 PLC 控制立体仓库的优点
PLC 的应用非常广泛，按PLC编程功能可分为 4 大类[2]：开关量顺序控制、通信功能、模拟量控制、运动控制。PLC的应用大大提高了控制系统的稳定性、适用性、并且降低了系统成本。其控制系统简单，更改容易，施工周期短；系统维护容易。自动化立体仓库，少不了自动化仓库管理系统，只有使用强大的仓库管理系统才能使得仓库管理和业务流程上一个台阶，才能将先进的硬件设备发挥作用、产生效益，针对这一仓库管理系统，我选择了PLC。选择 PLC是因为它的稳定性比单纯的使用单片机要稳定的多，所能实现的功能也强大的多。总的来看，基于PLC的自动化立体仓库可以总结为如下几点优点：低成本、范围广、高速、便捷、永远在线、结构灵活、数字化等。

2.4立体仓库技术参数的确定

表2-3立体仓库具体参数：
出/入货柜台最重物品 20Kg
每个仓位的高度 4．5CM
仓位的上下距离 0．5CM
仓位的平行距 0．5CM
仓位的体积 4 M3
可编程控制器（PLC）电源 24V DC
堆垛机电源 220V AC,50Hz

2.5系统设计的基本步骤
在立体仓库控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：
（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，确定系统所需的用户输入、输出设备。
（3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。
（4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。
（5）设计立体仓库系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，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，使系统程序更加完善。
（7）立体仓库整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。
立体仓库系统设计与调试的主要步骤，如图2-4所示：

图2-4 课题设计步骤
2.6小结
本章围绕系统方案的确定，首先对自动化立体仓库进行了简单的介绍。自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统所组成。其次阐述了本课题设计的自动化立体仓库实现的功能与总体的控制步骤。第三节讲述了PLC的优点和选择PLC进行控制的原因。最后确定了立体仓库的具体参数，并详细介绍了本课题设计的基本步骤。

第3章系统硬件设计
3.1控制系统结构设计
本课题设计采用的是运用 PLC 控制系统来控制立体仓库的运动.这种设计的优点是能快速的对输入信号做出反应控制立体仓库,而且检修起来较为方便。控制系统结构图如下图 3-1 所示。

图 3-1 控制系统结构图
3.2可编程控制器的选型

3.2.1可编程控制器的基本结构
可编程控制器的基本结构由输入/输出模块、中央处理单元、电源部件和编程器等组成。PLC与计算机的基本组成一致，它实际上就是一种工业控制计算器[3]。
（1）输入/输出模块在PLC中，CPU是通过输入/输出模块与外界连接的。输入模块用于将控制现场输入信号变换成CPU能接收的信号，并对其进行滤波、电平转换、隔离和放大等；输出模块用于将 CPU的决策输出信号变换成驱动控制对象执行机构的控制信号，并对输出信号进行功率放大、隔离PLC内部和外部执行元件等。
（2）中央处理单元
（3）电源部件中央处理器单元包括微处理器、系统程序存储器和用户程序存储器。微处理器 CPU 是PLC的核心部件。电源部件是把交流电转换成直流电源的装置，它向PLC提供所需的高质量直流电源。
3.2.2可编程控制器（PLC）的特点
（1）可靠性高，抗干扰强。
（2）功能强大，性价比高。
（3）编程简易，现场可修改。
（4）配套齐全，使用方便。
（5）寿命长，体积小，能耗低。
（6）系统的设计、安装、调试、维修工作量少，维修方便。
3.2.3控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择[4]。
（1）控制功能
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
（2）编程功能
离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。
（3）诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
3.2.4 PLC 机型的选择
（1）输入电源电压：24VDC 还是 220VAC，根据供电系统电压来选择，一般来说，不建议直接从动力电源直接取电，最好用隔离变压器把动力电源和控制电源隔离开来，同时做好滤波等抗干扰措施。本设计采用 24V 直流电。
（2）输入输出点数：所谓的输入输出点数指的是整个控制系统需要用到的 PLC的输入点个数和输出点个数。一般来说，当然是预先设计好整套系统方案，然后算出所有的输入输出点个数，如果是第一次设计的方案，建议预留点数。经过估算本设计中需要输入端口40个，输出端口 21个。
（3）输出触点类型：是继电器输出类型还是晶体管输出类型。根据所控制的执行机构电源电压及功率来决定输出触点类型，如果系统里有需要用到高速脉冲输出控制步进电机或伺服系统时，一定要选择晶体管输出类型。本设计因为有步进电机的控制所以选择晶体管输出类型。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7 系列 PLC 产品可分为微型 PLC（如 S7-200），小规模性能要求的 PLC（如 S7-300）和中、高性能要求的 PLC（如 S7-400）等。S7系列 PLC有专门的高速脉冲输出端，可以方便的完成步进电机的控制。根据控制功能要求选择微型 PLC。微型PLC S7-200系列可编程控制器主机分为 10、14、24、40 点四档，还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加 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。本课题设计的立体仓库控制系统有输入信号40个，输出信号21个。所选 I/O 点不得低于61点，结合实际情况，考虑到经济实惠所选本系统所采用的PLC是西门子S7-200 CPU226 DC24V，外加一个数字量扩展模块EM223[1]。

3.3步进电机的选择
3.3.1步进电机的介绍
步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊电机。每输入一个电脉冲信号电机就转动一个角度，它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机。又由于它输入的是脉冲电流所以也叫脉冲电动机[14]。
步进电动机在不需要变换的情况下，能直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位移，因此它很适合作为数字控制系统的伺服元件。此外，它还具有一系列的优点，一是输出角位移量或线位移量与其输入的脉冲数成正比，而转速或线速度与脉冲的频率成正比，在负载能力范围内，这些关系不受电压的大小、负载的大小、环境条件等外界各种因素的干扰。二是它每转一周都有固定的步数，所以步进电动机在不失步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。三是控制性能好，它可以在开环系统中在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速，并且能够快速启动制动和反转。四是有些型式的步进电动机在停止供电的状态下，还有定位转矩，有些型式在停机后某些相绕组仍保持通电状态，具有自锁能力，不需要机械制动装置等。当采用速度和位置检测装置后，它可构成闭环控制系统。
计算机技术、电力电子技术和微电子技术的发展，给步进电动机的应用开辟了广阔的前景，应用非常广泛。如数控机床、绘图机、自动记录仪表、遥控装置和航空系统等等，都大量使用步进电动机。
3.3.2步进电机的结构
图3-2为三相反应式步进电动机的径向截面图。定转子铁芯由硅钢片叠压而成，定子磁极为凸极式，磁极的极面上开有小齿。定子上有三套控制绕组，每一套有两个串联的集中控制绕组分别绕在径向相对的两个磁极上。每套绕组叫一相，三相绕组接成星形，所以定子磁极数通常为相数的两倍，即2p=2m （p为极对数，m为相数）。转子上没有绕组，沿圆周也有均匀的小齿，其齿距和定子磁极上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制。这种结构形式的优点是制造简便，精度易于保证，步距角可以做得较小，容易得到较高的启动和运行频率。

图3-2 步进电动机的结构

3.3.3步进电机的工作原理
图3-3是一台三相反应式步进电动机的原理图。定子铁芯为凸极式，共有三对（六个）磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组。转子用软磁性材料制成，也是凸极结构，只有四个齿，齿宽等于定子的极靴宽。下面通过几种基本的控制方式来说明其工作原理。

图3-3 步进电动机原理图

（1）三相单三拍通电方式
当A相控制绕组通电，其余两相均不通电，电机内建立以定子A相极为轴线的磁场。由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，使转子齿1、3的轴线与定子A相极轴线对齐，如图3-3(a)所示。若A相控制绕组断电，B相控制绕组通电时，转子在反应转矩的作用下，逆时针方向转过30°，使转子齿2、4的轴线与定子B相极轴线对齐，即转子走了一步，如图3-3(b)所示。若再断开B相使C相控制绕组通电转子又转过30°，使转子齿1、3的轴线与定子C相极轴线对齐，如图3-3©所示。如此按A-B-C-A的顺序轮流通电，转子就会一步一步地按逆时针方向转动。其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。若按A-C-B-A的顺序通电，则电机按顺时针反方向转动。
上述通电方式称为三相单三拍运行。“三相”是指三相步进电动机每次只有一相控制绕组通电；控制绕组每改变一次通电方式称为一拍，“三拍”是指经过三次改变通电方式为一个循环。我们称每一拍转子转过的角度为步距角常用θs来表示，三相单三拍运行时θs= 30°。
（2）三相双三拍通电方式
控制绕组的通电方式为AB-BC-CA-AB或AB-CA-BC-AB。每拍同时有两相绕组通电，三拍为一个循环。当A、B两相控制绕组同时通电时，转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡，才是转子的平衡位置，如图3-4(a)所示。若下一拍为B、C两相同时通电时，则转子按逆时针转过30°到达新的平衡位置，如图3-4(b)所示。可见，双三拍运行时的步距角仍是30°。但双三拍运行时，每一拍总有一相绕组持续通电，例如由A 、B两相通电变为B、C两相通电时，B相保持持续通电状态，C相磁拉力力图使转子逆时针方向转动，而B相磁拉力却起有阻止转子继续向前转动的作用，即起到一定的电磁阻尼作用，所以电机工作比较平稳。

               (a)                                   (b)

图3-4 三相双三拍运行方式
3.3.4步进电机的控制
由于步进电动机能直接接收数字量信号，所以被广泛应用于数字控制系统中。较简单的控制电路是利用一些数字逻辑单元组成，即采用硬件的方式。但要改变系统的控制功能，一般都要重新设计硬件电路，灵活性较差。以微型计算机为核心的计算机控制系统为步进电动机的控制开辟了新的途径，利用计算机的软件或软、硬件相结合的方法能使系统的功能大大增强，同时也提高了系统的灵活性和可靠性。
以步进电动机作为执行元件的数字控制系统有开环和闭环两种形式。
（1）开环控制
步进电动机系统的主要特点是能实现精确位移、精确定位，且无积累误差。这是因为步进电动机的运动受输入脉冲控制，其位移量是断续的，总的位移量严格等于输入的指令脉冲数或其平均转速严格正比于输入指令脉冲的频率；若能准确控制输入指令脉冲的数量或频率，就能够完成精确的位置或速度控制，无需系统的反馈，形成所谓的开环控制系统。
步进电机的开环控制系统，由控制器（包括变频信号源）、脉冲分配器、驱动电路及步进电动机四部分组成如图3-5所示。开环控制系统的精度主要取决于步距角的精度和负载状况。

图3-5 步进电动机开环控制原理框图

开环控制常常采用加减定位控制方式。因为步进电动机的启动频率要比连续运行频率小，所以开环控制的脉冲指令频率，只有小于电机的最大启动频率，电机才能成功启动。若电动机的工作频率总是低于最高启动频率，当然不会失步，但没有充分发挥电机的潜力，工作速度太低。为此，常用加减速定位控制。电机开始以低于最高启动频率的某一频率启动，然后再逐步提高频率，使电机逐步加速，到达最高运行频率，电机高速转动。在到达终点前，降频使电机减速。这样就可以既快又稳地准确定位，如图3-6所示。由于步进电动机的电磁转矩受频率影响较大，所以负载的加减速控制不能像普通电机那样。为了实现加减速的最佳控制，往往是分段设计加速转矩和加速时间，采用微机控制来实现。
由于开环控制系统不需要反馈元件，结构比较简单、工作可靠、成本低。因而在数字控制系统中得到广泛的应用。

图3-6 加减速定位过程
（2）闭环控制系统
在开环控制系统中，电机响应控制指令后的实际运行情况，控制系统是无法预测和监视的。在某些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电动机很容易失步使整个系统趋于失控。另外，对于高精度的控制系统，采用开环控制往往满足不了精度的要求。因此必须在控制回路中增加反馈环节，构成闭环控制系统如图3-7所示。与开环系统相比多了一个由位置传感器组成的反馈环节。将位置传感器测出的负载实际位置与位置指令值相比较，用比较信号进行控制，不仅可防止失步，还能够消除位置误差提，高系统的精度。
闭环控制系统的精度与步进电动机有关，但主要是取决于位置传感器的精度。在数字位置随动系统中，为了提高系统的工作速度和稳定性，还有速度反馈内环。

图3-7 步进电动机闭环系统原理框图

3.3.5步进电机的特点
（1）位移与输入脉冲信号的信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单且具有一定精度的开环控制系统，也可以在需要更高精度时组成闭环控制系统。
（2）速度可以在相当宽的范围内平滑调节。
（3）易于起动、停止、正反转及变速，快速响应性能好。
（4）具有自锁的能力。当控制脉冲停止输入且让最后一个脉冲控制的绕组
继续通电时，电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个控制脉冲所控制的角位移的终点位置上。所以步进电机具有带电自锁能力。
（5）步距角选择的范围大，可以在几十角分至180°范围内进行选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，可以不经减速器直接驱动负载。
（6）电动机本身没有电刷、转子上没有绕组，也不需要位置传感器，可靠性高。
3.3.6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3-8所示。

图 3-8 驱动系统示意图
3.3.7步进电机的选择计算
在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是具体的品种选择，在该立体仓库控制系统中要求步进电动机电压低、电流小、有定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，确定步进电动机采用2相8拍混合式步进电机；在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩、额定转矩和运行频率，以确定步进电机的具体规格和控制装置。
由于我们使用螺栓机构的定位装置，已知条件和要求条件为：
移动部分总重
外力
磨擦系数
螺栓机构的效率
螺栓轴径
螺栓长
螺距
分辨率
移动距离 /步
速度
计算：
设拟选用2相、1.8°步距角的HB型电动机
速比(设使用直接驱动方式)

轴向力

负载转矩

螺栓的惯量

移动体的惯量

负载惯量为

根据以上计算可以初步选定步进电动机，其惯量为，空载起动频率
由要求的速度可求出运行的频率：

可知需要加减速的驱动方式。
齿轮比：
换算到电机轴的负载转矩为

对首次设计的装置来讲，所选用的电动机通常留有2～3倍的余量，所以电机转矩
根据以上的计算，在该立体仓库控制系统中的步进电动机采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的2相8拍混合式步进电机，它的主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。型号：42BYGHl01。电气原理图如图3-9所示。快接线插头：红色表示A相，蓝色表示B相；如果发现步进电机转向不对时可以将A相或B相中的两条线对调。

图 3-9步进电机的出线圈

表3.1 步进电机的电气技术数据
电机型号相数步距角相电流驱动电压额定转矩重量
42BYGH101 2 1.80 1.7A DC24V 0.44N•M 0.24kg

3.4步进电动机驱动器的选择
（1）步进电动机驱动器输入输出信号介绍
步进电动机的运行需要有电子装置进行驱动，这种装置就是步进电动机驱动器。控制系统每发出一个脉冲信号，通过驱动器就使得步进电动机旋转一个步距角，也就是说，它把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电动机的角位移。因此，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，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，电动机可以正常运行）。它们在驱动器内部的接口电路都相同如图3-10所示。该立体仓库中，由于提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，所以需要外部另加1.8KΩ的限流电阻。

图3-10 输入输出接口电路
（2）步进电动机驱动器选择
我们这里采用SH系列的步进电机驱动器，它主要由电源输入部分、信号输入部分、信号输出部分组成。
（3）步进电动机驱动器细分数和电动机电流设定
SH系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定细分数的，只需根据面板上的提示进行设定即可。对于两相步进电动机，细分后电动机的步距角等于电动机整步步距角除以细分数。细分后完全消除了电动机的低频振荡，而且提高了电动机的输出转矩和电动机的分辨率。所以，采用细分驱动器只要改变细分数，就能改变步距角。
（4）步进电动机驱动器电源接口
对于超小型驱动器，采用一组DC 24~40V供电。因为PLC需要采用开关式稳压电源供电，所以该立体仓库中应该选用开关式稳压电源。
（5）步进电动机驱动器选型
我采用SH系列步进电动机驱动器，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为：
表3-2 步进电机驱动器的电气技术数据

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(24V-40V)

（6）步进电机驱动器接线示意图见图3-11

            图3-11 步进电机驱动器接线示意图

3.5传感器的选择
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，它是日本欧姆龙公司的产品，采用能抗周围外来光干扰的变调光式；采用变调光式，与直流光式比，不易受外来光干扰的影响；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；反射式传感器的时间图和输出回路图如图3-12所示。

图3-12 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；连接是采用接插件方式，千万不要对端子(读出头)进行焊接。此传感器的电气技术数据为:
表3-3传感器的电气技术数据
型号 EE-SPY402
形状立式
检测方式反射型
检测距离 5mm(反射率90﹪ 15×15mm)
应差距离 0.2mm(检测距离3mm,横方向)
光源(发光波长) GaAs～红外发光二级管(940nm)
显示灯入光时灯亮 (红)
电源电压 DC5～24V±10﹪ 脉动(p-p)5﹪以下
消耗电流平均值15mA以上50mA以下
控制输出 NPN电压输出
负载电源电压DC5～24V
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3，000 以下

环境温度动作时：-10～+55°C 保存时-25～+65° C ( 不结冰 )
环境湿度动作时：5～85﹪RH 保存时-5～95﹪RH (不结露)
耐久振动 10～55HZ 上下振幅1.5mm XYZ各方向2h
耐久冲击 X、Y、Z各方向三次

保护构造 IEC规格 IP50
连接方式接插件式 (不可进行软钎焊)
质量约2.6 g
外壳材质聚碳酸酯(PC)

3.6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I22-I36；另外为保险起见，在X轴的左限位和Y轴的下限位处还分别加装了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；微动开关原理图如图3-13所示。

图3-13 微动开关原理图
3.7并联型开关稳压电源
并联式开关稳压电源的输出功率大、体积小、重量轻、可靠性高、适应变动宽范围的输入电压，具有完备的过电压过电流保护功能，内置输入EMI滤波器，具有较高的抗干扰能力。
在该立体仓库控制系统中，考虑到PLC和步进电动机驱动器都要求DC24V电源，综合考虑系统的用电量、系统运行的可靠性和系统设计的规整性，我们选用并联式开关稳压电源。

3.8 PLC输入输出分配表
根据系统的要求，系统的I/O分配见下表所示
表3-4 PLC输入输出分配表
I0 启动 I24 检验2号仓库 Q0 前进
I1 手动/自动 I25 检验3号仓库 Q1 后退
I2 取出 I26 检验4号仓库 Q2 向上
I3 送进 I27 检验5号仓库 Q3 向下
I4 取消 I30 检验6号仓库 Q4 送进
I5 急停 I31 检验7号仓库 Q5 取出
I6 1号仓库的键 I32 检验8号仓库 Q6 显示取出
I7 2号仓库的键 I33 检验9号仓库 Q7 显示送进
I10 3号仓库的键 I34 检验10号仓库 Q10 显示操作错误
I11 4号仓库的键 I35 检验11号仓库 Q11 显示1号仓库
I12 5号仓库的键 I36 检验12号仓库 Q12 显示2号仓库
I13 6号仓库的键 I37 前进限制 Q13 显示3号仓库
I14 7号仓库的键 I40 后退限制 Q14 显示4号仓库
I15 8号仓库的键 I41 后退超过 Q15 显示5号仓库
I16 9号仓库的键 I42 向上限制 Q16 显示6号仓库
I17 10号仓库的键 I43 向下限制 Q17 显示7号仓库
I20 11号仓库的键 I44 向下超过 Q20 显示8号仓库
I21 12号仓库的键 I45 前进限制 Q21 显示9号仓库
I22 检验0号仓库 I46 取出限制 Q22 显示10号仓库
I23 检验1号仓库 I47 取出超过 Q23 显示11号仓库
　　　　 Q24 显示12号仓库

3.9 电气原理图的设计
根据立体仓库的课题设计要求，得出如下图3-14电气原理图。

图 3-14 电气原理图
3.10 小结
本章主要阐述了自动化立体仓库系统硬件的设计。首先对控制系统的结构进行设计，其次对PLC（可编程控制器），步进电机，步进电机驱动器，传感器，微动开关，稳压电源进行慎重的选择。最后列出了PLC输入输出分配表，并绘制了本设计的电气原理图。

第4章系统软件设计
4.1编程语言的介绍
基本的编程语言有：梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL）。
LAD 和 FBD是面向图形的语言。在 LAD 中通过串联或并联结构中连接各个触点来创建控制方案，而在 FBD 中则是通过AND和OR方框互连在一起的。STL是一种面向文本的语言，以列表方式描述控制任务。梯形图因为其比较直观并且容易接受因而很受普通编程人员的欢迎。
梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。
开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：按其精度可分为12bit、14bit、16bit等；按信号类型可分为电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等。
除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)，。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母线可以不画出。
根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

4.2系统流程图
根据系统工作过程的分析得出，示意图4-1所示。

                  图 4-1 系统软件流程图

控制流程介绍：
（1）将选择开关置于自动位置，通电状态下，各机构复位，即返回零位。立体仓库坐标定位以零位开始。
（2）当送货的时候，选择欲送货物的仓位号，按动仓位号对应的按钮，控制面板数码管显示仓位号。按送货按钮后，货物自动送入指定的仓位号对应的仓库位里。若被指定的仓位号里有货物，则送货命令不被执行。送货完成后，小车自动返回原来的位置。
（3）当取货的时候，选择欲取货物的仓位号后，按动取货按钮后，在控制面板的数码管里显示出来，堆垛机可以自动将货物取出。如果小车里有货物，则取货命令不被执行。
（4）取货和送货指令完成后，机构自动返回原来位置。
（5）整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。

4.3主要程序的设计
本系统运用SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件进行梯形图顺控程序编写，在编写梯形图的过程中遵循以下编程规则：
（1）每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。
（2）梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有触点）。
（3）线圈不能直接接在左边母线上。
（4）在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，它很容易引起误操作，应避免。
（5）在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个“电流”只能在梯形图中单方向流动——即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。
（6）PLC的启动程序

图4-2 PLC的启动程序

（7）显示操作错误程序

图4-3 显示操作错误程序
（8）取货检测程序

图4-4 取货检测程序

（9）送货程序，以将货物送到1号、2号仓库为例

图4-5 送货程序

（10）取货程序，以将货物从1号、2号仓库中取出为例

图4-6 取货程序

（11）堆垛机归位后，将货物送回到0号仓库程序

图4-7 送货至原始仓位程序

具体梯形图见附录A。

4.4小结
本章主要为系统软件的设计。首先对PLC编程语言进行阐述，并着重介绍了梯形图。其次根据系统工作过程的要求，绘制出了系统流程图。最后设计出了满足立体仓库工作过程中各个功能的梯形图。

结论
本课题设计的自动化立体仓库系统主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了利用可编程控制器控制立体仓库的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。而且，当系统要求的功能增加时，只需要对软件程序进行简易更改。
首先介绍了课题设计的背景、内容、目的和意义。立体仓库发展速度越来越快，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。PLC凭借着其可靠性高、抗干扰能力强、使用方便、设计安装容易等特点能很好的完成立体仓库控制系统的设计。
其次围绕系统方案的确定，对自动化立体仓库进行了简单的介绍。自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统所组成。然后阐述了本课题设计的自动化立体仓库实现的功能与总体的控制步骤。最后讲述了PLC的优点和选择PLC进行控制的原因，并确定了立体仓库的具体参数。
最后为自动化立体仓库系统硬件和软件的设计。第一，对控制系统的结构进行设计；第二，对PLC（可编程控制器），步进电机，步进电机驱动器，传感器，微动开关，稳压电源进行慎重的选择；第三，列出了PLC输入输出分配表，并绘制了本设计的电气原理图；第四，据系统工作过程的要求，绘制出了系统流程图，进而设计出了满足立体仓库工作过程中各个功能的梯形图。

致谢
本人的论文是在贺容波老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到最终完成，贺老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持与鼓励。在此，向他表示衷心的感谢。在我撰写论文的过程中，贺老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的构想，还是资料的收集与整理方面，我都的到了他春风化雨般的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养和严谨的治学经神将使我终身受益。
其次，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的每个可爱的同学们和每一位尊敬的老师，正是由于他们的帮助和支持，我才能克服一个又一个的困难，解决一个又一个疑惑，直至本文的顺利完成。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境，最后向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。
即将毕业之际，再一次向四年中在学习和生活中所有关心、支持、帮助过我的良师益友致谢！

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附录A 梯形图设计

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