基于PLC的自動化立體倉庫控制系統(tǒng)設計

1、青島科技大學本科畢業(yè)設計(論文)前言隨著企業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，經濟全球化步伐也迅速加快，我國的工業(yè)也出現(xiàn)了翻天覆地的變化，一方面高科技的加工工藝越來越得到推廣，加工效率也得到了大大的提高。與此同時原有的物流和倉儲系統(tǒng)已不能滿足新形勢的要求,建立一個集物流、信息流和資金流于一身的自動化物流管理中心,從而降低企業(yè)綜合物流成本,提高企業(yè)綜合效益便成為目前亟待解決的問題。自動化立體倉庫是指在不直接進行人工處理的情況下, 自動地完成物品倉儲和取出的系統(tǒng), 它以高層立體貨架為主體, 以成套搬運設備為基礎, 是集自動控制技術、通信技術、機電技術于一體的高效率、大容量存儲

2、機構。PLC 作為一種工業(yè)控制計算機, 具有模塊化結構、配置靈活、高速的處理速度、精確的數據處理能力、多種控制功能、網絡技術和優(yōu)越的性價比等性能, 是目前廣泛應用的控制裝置之一。自動化立體倉庫的出現(xiàn), 實現(xiàn)了倉庫功能從單純保管型向綜合流通型的轉變， 而且自動化立體倉庫是現(xiàn)代物流與倉儲系統(tǒng)的重要組成部分，具有貨物存取效率高和自動化程度高、很強的入出庫能力等優(yōu)點。而PLC功能強大，可靠性高，抗干擾能力強，維修方便，易于實現(xiàn)機電一體化。完全滿足立體倉庫工作環(huán)境和控制系統(tǒng)的要求。但是由于立體倉庫前期投入大，需要專業(yè)人才從事維護，維持費用高， 只有資本雄厚的企業(yè)才

3、會重視立體倉庫，成本成為立體倉庫發(fā)展的限制因素，因此如何降低立體倉庫的成本或者設計中小型立體倉庫自然成為重中之重更利于推廣與普及。本設計就是針對那些中小型企業(yè)而設計的采用三菱FX1N系列PLC作為核心控制元件的中小型字體倉庫，而且結構可以靈活調整，它既可以是單排或者雙排貨架的自動化立體倉庫，也可以是自動化立體車庫，可以根據需求調整。采用專用鍵盤作為人機接口部件，具有手動和自動操作，可根據用戶需求人機之間進行信息交換，作控制步進電機來驅動一個有三自由度的小車在高強度導軌上做三維運動來完成一系列動。1 緒論1.1 自動化立體倉庫的發(fā)展情況及發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代工業(yè)生產的發(fā)展，柔性制造系統(tǒng)(Flexib

4、leManufacturing System)、計算機集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing System)和工廠自動化(Factory Automation)對自動化倉庫提出更高的要求。射頻數據通信、條形碼技術、掃描技術和數據采集越來越多地應用于倉庫堆垛機、自動導引車和傳送帶等運輸設備上，移動式機器人也作為柔性物流工具在柔性生產、倉儲和產品發(fā)送中日益發(fā)揮重要的作用。實現(xiàn)系統(tǒng)的柔性化，采用靈活的傳輸設備是實現(xiàn)物流和倉儲自動化的趨勢。 美國學者JAWhite將自動化立體倉庫的發(fā)展分為五個階段：人工倉儲階段、機械化倉儲階段、自動化倉儲階段、集成化倉儲階段和

5、智能自動化倉儲階段。目前，智能自動化倉儲技術雖然還處于初級發(fā)展階段，但它將是主要的發(fā)展方向。 立體倉庫的產生和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)之后生產和技術發(fā)展的結果。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，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備的研制開始并不晚，1963年研制成第一臺橋

6、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），該庫1980年投入運行。到2003年為止，我國自動化立體倉庫數量已超過200座。現(xiàn)在，自動化物流技術和成套設備的研發(fā)已經發(fā)展成了一個龐大的產業(yè)。目前，國外自動化立體倉庫采用掃描技術， 提高信息的傳輸速度和準確性：采用射頻數據通信技術，數據的采集、處理和交換能夠在搬運工具與中央計算機之間快速進行，使物品的存取和發(fā)送信息做到快速、實時、可靠和準確。另外，近年來迅猛發(fā)展的多媒體技術也在自動化立體倉庫中得到越來越廣泛的應用，普遍應用于人員培訓、操作指導、遠程現(xiàn)場監(jiān)視、異

7、地故障分析和診斷及防火防盜等方面。 但是國內的自動化立體倉庫系統(tǒng)具有一定的局限性，主要以單機為主，系統(tǒng)整體的集成能力和集成水平低；因為資金不足，許多外圍設備如AGV系統(tǒng)、碼垛和拆垛等無法應用于物流系統(tǒng)，從根本上限制了這些設備的研制和發(fā)展；倉儲作業(yè)的計算機管理水平較低。因此不論從自動化物流系統(tǒng)的設備品種及技術水平，還是在應用的廣度和深度上與國際水平都還存在著相當大的差距。 1.2 自動化立體倉庫的發(fā)展趨勢 隨著自動化技術和信息技術在自動化立體倉庫中廣泛運用，自動化立體倉庫的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢： (1)倉儲作業(yè)管理自動化水平將會逐步提高。 (2)智能技術將會獲得應用。 (3)倉庫作業(yè)向柔性化方向發(fā)

8、展。 (4)建設自動化立體倉庫方面更加注重實用性和安全性1.3 本課題的研究意義及研究目的自動化立體倉庫又稱立庫、自動存取系統(tǒng)AS/RS(Automatic Storage& Retrieval System)，是一種用高層立體貨架(托盤系統(tǒng))儲存物資，用電子計算機控制管理和用自動控制堆垛運輸車進行存取作業(yè)的倉庫。 使用自動化立體倉庫可以產生巨大的社會效益和經濟效益。它通過高層貨架存儲，使存儲區(qū)大幅度地向高空發(fā)展，提高了空間利用率；自動化立體倉庫采用層積式存放，結合計算機管理，可以很容易實現(xiàn)先入先出，防止貨物的自然老化、變質和損壞；通過自動存取系統(tǒng)(AS/

9、RS),加快了運行和處理速度，提高了勞動生產率，降低操作人員的勞動強度；采用自動化技術后，還能較好地適應黑暗、低溫、污染、有毒和易爆等特殊場合的物品存儲需要；計算機控制能夠始終準確無誤地對各種信息進行存儲和管理，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，節(jié)約流動資金，從而提高倉庫的管理水平。自動化倉庫的信息系統(tǒng)可以與企業(yè)的生產信息系統(tǒng)集成，實現(xiàn)企業(yè)信息管理的自動化。同時，由于使用自動化倉庫，促進企業(yè)的科學管理，減少了浪費，保證均衡生產，也提高了操作人員素質和管理人員的水平。自動化物流控制系統(tǒng)具有信息處理、系

10、統(tǒng)控制、系統(tǒng)監(jiān)視、系統(tǒng)管理等多種功能，集信息流和物流于一體，是現(xiàn)代化企業(yè)物流和信息流管理的重要組成部分。 自動化控制系統(tǒng)在現(xiàn)代物流系統(tǒng)中起著承上啟下的重要作用，根據上位調度管理計算機下達作業(yè)任務，控制系統(tǒng)自動完成對設備的運行、停機、故障、報警等各項過程的控制。同時將作業(yè)完成情況和設備狀況實時上報上位調度管理層，使上位系統(tǒng)實現(xiàn)對設備運行狀況、物流位置和物流數據的管理與監(jiān)控。自動化控制系統(tǒng)作為自動化物流系統(tǒng)中的一個重要組成部分，對于提高物流系統(tǒng)的物流控制功能和作業(yè)效率，具有關鍵的作用。 自動化立體倉庫是一個復雜的綜合自動化系統(tǒng)是現(xiàn)代物流技術領域中出現(xiàn)的一種新型倉儲方式。自動化立體倉庫自誕生以來就受

11、到了極大關注，對其相關技術和管理的研究從未停止過。在現(xiàn)代社會，隨著生產方式和技術革命性的變革，自動化立體倉庫已經成長為支持企業(yè)和社會經濟活動的重要因素，其經濟和社會效益逐漸被人接受，自動化立體倉庫也成為企業(yè)和社會投資的重點。而且自動化立體倉庫其優(yōu)越性是多方面的，對于企業(yè)來說,可從以下幾個方面得到體現(xiàn)： 1 提高空間利用率 ，早期立體倉庫的構想，其基本出發(fā)點就是提高空間利用率，充分節(jié)約有限且寶貴的土地。在西方有些發(fā)達國家，提高空間利用率的觀點已有更廣泛深刻的含義，節(jié)約土地，已與節(jié)約能源、環(huán)境保護等更多的方面聯(lián)系起來。有些甚至把空間的利用率作為系統(tǒng)合理性和先進性考核的重要指標來對待。 立體庫的空間

12、利用率與其規(guī)劃緊密相連。一般來說，自動化高架倉庫其空間利用率為普通平庫的2-5倍。這是相當可觀的。2 便于形成先進的物流系統(tǒng)，提高企業(yè)生產管理水平 傳統(tǒng)倉庫只是貨物儲存的場所，保存貨物是其唯一的功能，是一種“靜態(tài)儲存”。自動化立體倉庫采用先進的自動化物料搬運設備，不僅能使貨物在倉庫內按需要自動存取，而且可以與倉庫以外的生產環(huán)節(jié)進行有機的連接，并通過計算機管理系統(tǒng)和自動化物料搬運設備使倉庫成為企業(yè)生產物流中的一個重要環(huán)節(jié)。企業(yè)外購件和自制生產件進入自動化倉庫儲存是整個生產的一個環(huán)節(jié)，短時儲存是為了在指定的時間自動輸出到下一道工序進行生產，從而形成一個自動化的物流系統(tǒng)，這是一種“動態(tài)儲存”，也是當

13、今自動化倉庫發(fā)展的一個明顯的技術趨勢。 本課題研究的目的在于，隨著自動化立體倉庫系統(tǒng)控制技術的蓬勃發(fā)展，探索自動化立體倉庫新的控制技術，結合現(xiàn)代科技的發(fā)展水平，用技術創(chuàng)新的思想，在實現(xiàn)自動化立體倉庫的Integrated(集成化)、Intelligent(智能化)、Information(信息化)方面進行研究。為提高自動化立體倉庫的先進性、可靠性，提高其經濟效益和社會效益，提高我國的物流技術水平做出我們應有的貢獻。堆垛機控制系統(tǒng)和貨位的優(yōu)化分配研究已經取得了較大的進展，但隨著現(xiàn)代物流的發(fā)展，問題的復雜程度和求解精度要求的不斷提高，現(xiàn)有的研究方法還不能滿足現(xiàn)代物流的控制要求，需要發(fā)展更為高效的優(yōu)

14、化方案。 1.4 本課題的研究內容本課題主要研究中小型自動化立體倉庫的自動控制系統(tǒng)，具有專用的人機信息交流界面控制面板，可以實現(xiàn)手動和自動貨物存取功能。存取貨物還可以實現(xiàn)全自動，為節(jié)省PLC成本，采用三菱的矩陣輸入指令等高級宏指令，擴展了PLC的輸入和輸出點數。而且利用PLC軟件實現(xiàn)貨架上有無貨物的檢測，節(jié)省了貨物檢測傳感器的成本投入，步進電機也是通過PLC軟件進行控制其正轉、翻轉和加減速。根據自動化立體倉庫運行的基本原理，通過大學階段所學的知識設計一套基于PLC的自動化立體倉庫運動的控制系統(tǒng)，具有根據用戶的輸入，三個坐標方向電機能夠準確移動、定位以實現(xiàn)物品的正確存放功能。具體完成的任務如下：

15、 （1） 命令鍵盤的設計。 （2） 熟練掌握PLC程序設計方法。 （3） 應用PLC完成硬件電路的設計。 （4） 設計出相應的程序，并且通過調試。 （5） 在立體倉庫模型上進行物品裝卸試驗。 通過對倉庫模型控制系統(tǒng)的設計研究，能夠對自動化立體倉庫設計的基本工作原理有一定的認識，并且對大學階段所學知識能夠進一步的深化，對理論知識和實際應用之間的相互轉化有更具體的理解，特別是對PLC技術、數字電路、機電一體化技術有了更進一步的認識。以及PLC的程序設計有了更認真地學習和運用。 另外，通過對此課題的學習研究，還可以培養(yǎng)自己獨立解決實際問題的能力，為以

16、后的學習打下基礎1.5 方案論證目前自動化立體倉庫已隨著經濟的發(fā)展開始越來越流行起來，其設計也在不斷的趨向于完美化，本倉庫模型系統(tǒng)的設計也有很多不同的方法。我們對倉庫模型控制作了兩種設計方案，并對其進行了研究和討論 方案一：基于單片機的倉庫模型控制系統(tǒng)的設計。采用單片機作為主控制器來控制步進電機的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)所要設計的控制電路較多，較為復雜。而且整個控制系統(tǒng)的開發(fā)周期長。由于需設計的電路居多，所以系統(tǒng)的軟件程序設計復雜，難于實現(xiàn)12。方案二：基于PLC倉庫模型控制系統(tǒng)設計，它具有很多其他設計方法不可比擬的優(yōu)點： （1） 可靠性高、環(huán)境適應性強：可編程控制器輸入/輸出端口均

17、采用繼電器和光電耦合器件，采取了隔離和抗干擾措施，所以具有很高的抗干擾能力； （2） 通用性好： 由于可編程控制器采用模塊化結構，一般有CPU 模塊、電源模塊、PID 模塊、模擬輸入和輸出模塊等，可以用這些模塊靈活的組成各種不同的控制系統(tǒng)，對不同的控制系統(tǒng)，只需選取不同的模塊即可，因而具有很好的適用性14 。 （3） 使用方便、靈活：對于不同的控制系統(tǒng)，當硬件結構選定后，如果輸入/輸出作很小的變動時，只需修改相應程序即可，無需對系統(tǒng)連線做較大的修改，減少了現(xiàn)場調試的工作量，使用起來靈活方便。 （4） 具有順序、周期性的工作特

18、征。 （5） 體積??；由于在制造時采用了大規(guī)模集成電路和微處理器，用軟件編程代替了硬連線，便于安裝，實現(xiàn)了小型化。 綜上所述：我們選擇方案二，即PLC作為設計中的主控制系統(tǒng)，能夠很好的滿足設計要求，達到設計的目的。1.5本章小結本章首先從國內和國外兩個方面簡要介紹了自動化立體倉庫的發(fā)展狀況，并指出了自動化立體倉庫的未來發(fā)展方向；其次簡要介紹了本課題的研究背景、意義及目的；最后給出了本次設計的自動化立體倉庫的研究內容即本設計系統(tǒng)所能完成的功能；還有我們?yōu)槭裁磿x擇使用PLC完成對本系統(tǒng)的控制，及其優(yōu)點。2 可編程控制器的介紹2.1 PLC的定義及功能簡介可編程序控制器，英文稱Progr

19、ammableController，簡稱PC。但由于PC容易和個人計算機（Personal Computer）混淆，故人們仍習慣地用PLC作為可編程序控制器的縮寫。它是一個以微處理器為核心的數字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數和算術運算等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產過程。PLC是微機技術與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術相結合的產物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維

20、修人員的技能與習慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學；調試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應用于生產實踐?？删幊绦蚩刂破饕恢痹诎l(fā)展中，所以至今尚未對其下最后的定義。國際電工學會（IEC）曾先后于1982.11；1985.1和1987.2發(fā)布了可編程序控制器標準草案的第一，二，三稿。在第三稿中，對PLC作了如下定義：可編程序控制器是一種數字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程

21、序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P的外圍設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。PLC是近年來發(fā)展極為迅速、應用極為廣泛的工業(yè)控制裝置。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、自動化技術、計算機控制技術和通信技術融為一體專門為工業(yè)控制而設計，具有可靠性高、功能強、編程簡單、使用方便、環(huán)境適應性好以及體積小、功耗低等特點；具有基本控制功能、步進控制功能、模擬控制功能、定位控制功能、網絡通信功能、自診斷功能、顯示監(jiān)控功能等，可以滿足對工業(yè)生產進行監(jiān)

22、視和控制的絕大多數場合的需要。PLC最常用的語言是面向控制的梯形圖語言，它采用了與實際電器原理圖非常接近的圖形編程方式，易學易用16。具體特點如下： （1） 所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外部電路與PLC內部電路之間電氣上隔離，使其安全工作。 （2） 各輸入端均采用RC濾波器，其濾波時間常數一般為1020ms； （3） 各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 （4） 采用性能優(yōu)良的開關電源。 （5） 一旦電源或其他硬件等設備發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效的措施，以防止故障擴大。 （6） PLC可以真對不同的工業(yè)現(xiàn)場

23、信號有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備17。  2.2 PLC的分類自動化立體倉庫通常有以下幾種分類方式，按建筑形式可以分為整體式和分離式；按自動化倉庫與生產連接的緊密程度可分為獨立型(也稱離線型)、半緊密型和緊密型倉庫(在線型)；按貨物存取形式可以分為單元貨架式、揀選貨架式；按照在生產流通中的作用可以分為生產性倉庫和流通性倉庫；按貨架的結構形式可以分為單元貨格式、貫通式、水平循環(huán)式和垂直循環(huán)式，其中以單元貨格式倉庫使用最廣。按容量和功能分為小型機、中型機、大型機。小型PLC一般以開關量控制為主，它的輸入/輸出點數適合于接觸器、繼電器控制的場合，還能直接驅動電磁閥等執(zhí)行元件。這

24、類PLC價格低廉、體積小巧，適合于控制單臺設備，開發(fā)機電一體化產品。中型PLC不僅有開關量和模擬量的控制功能，還具有數值計算能力。為了將溫度、壓力、流量等模擬量轉化為數字量，一般都帶有A/D轉化器，中型機指令也比小型機豐富。還有微分、積分、比例、整數、浮點運算等模塊功能。適用于有溫度控制和開關動作復雜的機械及連續(xù)生產過程。大型機已經于工業(yè)控制計算機相近，它具有計算、控制和調節(jié)的功能，還具有網絡結構和通訊聯(lián)網能力。這類機型點數都在100點以上，內存容量64K以上。大型機適用于設備自動化控制，過程自動化控制和過程監(jiān)控系統(tǒng)中。2.3 PLC的選型2.5 PLC的各個組成部件及工作原理PLC的工作原理

25、具體如下： PLC的CPU采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點（包括其常開或常閉觸點）不會立即動作，必須等到掃描到該觸點時才會動作18。 當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段18。具體過程如下： （1） 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有狀態(tài)和數據，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應單元內，輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段

26、中，即使輸入狀態(tài)和數據發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的數據和狀態(tài)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 （2） 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按照先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。

27、（3） 輸出刷新階段 當用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數據刷新所有的輸出鎖存電路，在經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC真正的輸出19。 1.CPU是PLC的核心部分。與通用微機CPU一樣，CPU在PC系統(tǒng)中的作用類似于人體的神經中樞。其功能：（1）用掃描方式（后面介紹）接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)或數據，并存入輸入映象寄存器或數據寄存器；（2）接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據；（3）診斷電源和PC內部電路的工作狀態(tài)及編程過程中的語法錯誤；（4）在PC進入運行狀態(tài)后：a）執(zhí)行用戶程序產生相應的控制信號（從用戶程序存儲器中

28、逐條讀取指令，經命令解釋后，按指令規(guī)定的任務產生相應的控制信號，去啟閉有關的控制電路）b）進行數據處理分時、分渠道地執(zhí)行數據存取、傳送、組合、比較、變換等動作，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯或算術運算任務c）更新輸出狀態(tài)輸出實施控制（根據運算結果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內容，再由輸入映象寄存器或數據寄存器的內容，實現(xiàn)輸出控制、制表、打印、數據通訊等）2.存儲器系統(tǒng)程序存儲器存放系統(tǒng)工作程序（監(jiān)控程序）、模塊化應用功能子程序、命令解釋、功能子程序的調用管理程序和系統(tǒng)參數*不能由用戶直接存取用戶存儲器用戶程序存儲器存放用戶程序。即用戶通過編程器輸入的用戶程序。功能存儲器（數據區(qū)）存放用戶

29、數據PC的用戶存儲器通常以字（16位/字）為單位來表示存儲容量。注意：系統(tǒng)程序直接關系到PC的性能，不能由用戶直接存取，所以，通常PC產品資料中所指的存儲器形式或存儲方式及容量，是指用戶程序存儲器而言。3.接口輸入輸出接口是PLC與工業(yè)現(xiàn)場控制或檢測元件和執(zhí)行元件連接的接口電路。PLC的輸入接口有直流輸入、交流輸入、交直流輸入等類型；輸出接口有晶體管輸出、晶閘管輸出和繼電器輸出等類型。晶體管和晶閘管輸出為無觸點輸出型電路，晶體管輸出型用于高頻小功率負載、晶閘管輸出型用于高頻大功率負載；繼電器輸出為有觸點輸出型電路，用于低頻負載?，F(xiàn)場控制或檢測元件輸入給PLC各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、

30、選擇開關以及其他一些傳感器輸出的開關量或模擬量等，通過輸入接口電路將這些信號轉換成CPU能夠接收和處理的信號。輸出接口電路將CPU送出的弱電控制信號轉換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器等被控設備的執(zhí)行元件。1)輸入接口輸入接口用于接收和采集兩種類型的輸入信號，一類是由按鈕、轉換開關、行程開關、繼電器觸頭等開關量輸入信號；另一類是由電位器、測速發(fā)電機和各種變換器提供的連續(xù)變化的模擬量輸入信號。以圖2所示的直流輸入接口電路為例，R1是限流與分壓電阻，R2與C構成濾波電路，濾波后的輸入信號經光耦合器T與內部電路耦合。當輸入端的按鈕SB接通時，光耦合器T導通，直流輸入信號被轉換成PLC能

31、處理的5V標準信號電平(簡稱TTL)，同時LED輸入指示燈亮，表示信號接通。微電腦輸入接口電路一般由寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路組成，這些電路集成在一個芯片上。交流輸入與交直流輸入接口電路與直流輸入接口電路類似。圖2直流輸入接口電路濾波電路用以消除輸入觸頭的抖動，光電耦合電路可防止現(xiàn)場的強電干擾進入PLC。由于輸入電信號與PLC內部電路之間采用光信號耦合，所以兩者在電氣上完全隔離，使輸入接口具有抗干擾能力?，F(xiàn)場的輸入信號通過光電耦合后轉換為5V的TTL送入輸入數據寄存器，再經數據總線傳送給CPU。2)輸出接口輸出接口電路向被控對象的各種執(zhí)行元件輸出控制信號。常用執(zhí)行元件有接觸器、電磁閥、

32、調節(jié)閥(模擬量)、調速裝置(模擬量)、指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等。輸出接口電路一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成，與輸入接口電路類似，內部電路與輸出接口電路之間采用光電耦合器進行抗干擾電隔離。微電腦輸出接口電路一般由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路集成在芯片上，CPU通過數據總線將輸出信號送到輸出數據寄存器中，功率放大電路是為了適應工業(yè)控制要求，將微電腦的輸出信號放大。3)其它接口若主機單元的I/O數量不夠用，可通過I/O擴展接口電纜與I/O擴展單元(不帶CPU)相接進行擴充。PLC還常配置連接各種外圍設備的接口，可通過電纜實現(xiàn)串行通信、EPROM寫入等功能。4.編程器

33、編程器作用是將用戶編寫的程序下載至PLC的用戶程序存儲器，并利用編程器檢查、修改和調試用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行過程，顯示PLC狀態(tài)、內部器件及系統(tǒng)的參數等。編程器有簡易編程器和圖形編程器兩種。簡易編程器體積小，攜帶方便，但只能用語句形式進行聯(lián)機編程，適合小型PLC的編程及現(xiàn)場調試。圖形編程器既可用語句形式編程，又可用梯形圖編程，同時還能進行脫機編程。目前PLC制造廠家大都開發(fā)了計算機輔助PLC編程支持軟件，當個人計算機安裝了PLC編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進行用戶程序的編輯、修改，并通過個人計算機和PLC之間的通信接口實現(xiàn)用戶程序的雙向傳送、監(jiān)控PLC運行狀態(tài)等。5.電源PLC的電

34、源將外部供給的交流電轉換成供CPU、存儲器等所需的直流電，是整個PLC的能源供給中心。PLC大都采用高質量的工作穩(wěn)定性好、抗干擾能力強的開關穩(wěn)壓電源，許多PLC電源還可向外部提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于向輸入接口上的接入電氣元件供電，從而簡化外圍配置。2.4 三菱FX系列PLC簡介及型號說明三菱公司的FX系列PLC是比較具有代表性的微型PLC，除具有基本指令表編程以外，還可以采用梯形圖編程及對應機械動作流程進行順序設計的SFC（Sequential Function Chart）順序功能圖編程，而且這些程序可以相互轉換。在FX系列PLC中還設置了高速計數器、各種應用指令及模塊，大大的擴大展了本

35、系列PLC的功能和應用領域。FX系列PLC型號的含義如下： 其中系列名稱：如0、2、0s、1s、0N、1N、2N等單元類型： M 基本單元 E輸入輸出混合擴展單元 Ex擴展輸入模塊 EY擴展輸出模塊輸出方式：R繼電器輸出 S晶閘管輸出 T晶體管輸出特殊品種：DDC電源，DC輸出 AlAC電源，AC（AC100120V）輸入或AC輸出模塊 H大電流輸出擴展模塊 V立式端子排的擴展模塊 C接插口輸入輸出方式 F輸入濾波時間為1ms的擴展模塊例如FX2N32MTD表示FX2N系列，32個I/O點基本單位，晶體管輸出，使用直流電源，24V直流輸出型。2.5 本章小結本章系統(tǒng)全面的介紹了有關PLC的基本

36、知識，其型號、優(yōu)勢、功能及組成和各部分的作用，使讀者能夠對可編程控制器有總體全面的了解。3 自動化立體倉庫的系統(tǒng)設計3.1立體倉庫的基本組成自動化立體倉庫是機械和電氣、強電控制和弱電控制相結合的產品。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

37、行聯(lián)網控制。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)。 333.2 自動化立體倉庫的設計原則與設計過程3.2 本輸送系統(tǒng)的基本控制要求1 接通電源，將選擇開關置于手動位置，分別按下、后觀察各方向運動情況，小車在高強度絲杠上運行平穩(wěn)，在接近極限位置時，執(zhí)行限位保護。2 將選擇開關置于自動位置，通電狀態(tài)下，各機構復位，即返回零位。立體倉庫坐標定位以零位開始。3 當送貨的時候，選擇欲送貨物的倉位號，按動倉位號對應的按鈕，控制面板數碼管顯示倉位號。按送貨按鈕后，貨物自動送入指定的倉位號

38、對應的倉庫位里。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。4 當取貨的時候，選擇欲取貨物的倉位號后，在控制面板的數碼管里顯示出來，按動取貨按鈕后，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。取貨與送貨裝有互鎖開關，防止發(fā)生故障。5 取貨和送貨指令完成后，機構自動返回原來位置。6 當小車內有貨物時，若無外部操作，就緒指示燈亮，十秒后程序把最大倉位號里的貨物轉運至沒有放貨物的比它小的倉位號所對應的倉位里。上述自動優(yōu)化放貨只對16號倉庫適用。7 需用手動取貨時，必須在斷電狀態(tài)下進行。8 通過控制面板可以控制步進電機，正反轉和加減速。可提高送貨效率

39、。了保護人身、設備和貨物的安全，堆垛機必須具有完 善的安全保護措施： 1 ) 堆垛機在行走、載貨臺升降和貨又伸縮終端處都設有 機械和電氣限位裝置。 2 ) 貨物檢測載貨臺上設有貨物超高、超長和超寬檢測裝 置。在貨物進入載貨臺時，當檢測到貨物超過設定高度、長 度或寬度時， 堆垛機便停止運行并報警。 一般允許誤差為3 0 4 0 m m，檢測元件采用對射或反射式光電傳感器。 3 ) 載貨臺上還設有檢測貨又是否回位、貨叉上有無貨物 和貨位中有無貨物的裝置。如貨叉沒有回位，堆垛機不能水 平運行；如貨叉上已有貨物，則不能再取貨；入庫時，必須 檢測貨位中有無貨物，以避免發(fā)生事故。 4 ) 斷電保護 如載貨

40、臺升降過程中忽然斷電， 則通過提升 電動機制動使載貨臺停在當前位置，不會掉下來。3.3 本倉庫系統(tǒng)的基本物流過程與控制面板 取貨指令Dxf送貨指令倉位號顯示數碼管控制面板接受指令 PLC檢測有無貨物無/指令不執(zhí)行有/指令不執(zhí)行無/有 有/無有/執(zhí)行取貨無/執(zhí)行送貨動作完成后，返回原點等待下一個命令的執(zhí)行物流過程示意圖控制面板示意圖3.4 輸入與輸出點數（I/O）的分配輸入：X0按鈕0X7按鈕7X16送X23X軸2位置行程開關X1按鈕1/手動向左X42自動X17取X24X軸3位置行程開關X2按鈕2/手動向下X100電源X18左限位開關X25X軸4位置行程開關X3按鈕3/手動向右X10按鈕8X19

41、右限位開關X26X軸5位置行程開關X4按鈕4/手動向外X11按鈕9X20Z軸里側限位開關X27X軸6位置行程開關X5按鈕5/手動向上X12手動X21Z軸外限位開關X28X軸7位置行程開關X6按鈕6/手動向里X15停X22X軸1位置行程開關X29X軸8位置行程開關X32Y軸1位下限位X33Y軸1位上限位X34Y軸2位下限位X30X軸9位置行程開關X35Y軸2位上限位X36Y軸3位下限位X37Y軸3位上限位X31X軸10位置行程開關X38Y軸4位下限位X39Y軸4位上限位X40Y軸5位下限位X41Y軸5位上限位注：X5057 矩陣輸入輸出：Y8就緒指示燈Y9取貨指示燈Y10送貨指示燈Y11小車沿X

42、軸右行Y12小車沿X軸左行Y13小車沿Y軸上行Y14小車沿Y軸下行Y15小車沿Z軸里行Y16小車沿Z軸外行注：Y0Y7 數碼管顯示輸出 、Y20Y26矩陣輸出3.5輸送系統(tǒng)的PLC程序設計3.5.1 編程過程中的問題及其解決方法由于PLC的輸入與輸出點數直接決定了其價格，因此在實現(xiàn)更多功能的基礎上，為了降低成本，程序設計的基本原則是盡量減少其I/O點數。1、若用PLC直接驅動數碼管，需要占用大量的點數，本設計中采用，三菱PLC的高級應用指令7段數碼管掃描應用指令。 該指令使用范例：當觸點閉合后，將D1的值送到Y0Y7外部布線的七段數碼管顯示。4位數數據送到七段數碼管必須使用12次的掃描時間，傳

43、送完畢時，M8029觸點閉合。執(zhí)行SEGL指令時，掃描時間大于10ms。晶體管輸出PLC的輸出電壓為1.5V，必須選用合適的數碼管。四位數一組七段燈管與PLC的輸出外部接線如圖2、以上數碼管顯示要由十鍵輸入指令來配合一起使用，本指令也是三菱FX系列PLC高級指令。控制面板上的十個按鍵就是配合十鍵輸入指令進行信息輸入的。其具體用法及接線圖如下：當X100閉合時，從指定的X0開始的十個輸入端，代表09，如下圖 假設按鍵順序為X5、X6、X3、X10，則將結果5638保存在D0寄存器中。 D0最多容納9999，超過四位數時，最前面的位數溢出。 若使用32位DTKY指令，則D0最多為99999999。

44、本設計中不用它。當觸點X100斷開時，前面輸入的值繼續(xù)保留。3、從設計的基本原則出發(fā)，且由于本倉庫系統(tǒng)有庫位50個，要檢測每個庫位，是否有貨物，若用50個傳感器則必定大大的增加成本，若在軟件中完成檢測，如果每個倉庫位都分別定義的話，增加50個輸入點數，勢必使PLC的成本升高。因此用矩陣輸入指令，就可以解決這個問題。其具體用法解釋如下：使用矩陣輸入的外部布線圖如下：詳細布線圖請點擊下超級鏈接：CAD矩陣輸入示意圖.dwg S表示連接輸入端的起始號，從該號碼開始算起連續(xù)8點位矩陣輸入端，本設計中指定的為X50 D1則是指定矩陣掃描的起始號碼，配合n值來決定點數，本設計中起始號為Y20，n=7 程序

45、在執(zhí)行時是，順序掃描Y20Y26. D2表示讀入結果的起始號碼，例如本設計中用M10，則代表M10M17、M20M27、M30M37、M40M47、M50M57、M60M67、M70M77。 使用本指令每列讀取時間大約為20ms，本設計中為7列，時間為大約140ms。因此ON/OFF速度快于140ms的輸入信號就不適用與本指令。3.5.2 程序中應用的復雜指令的PLC接線及解釋七段燈的譯碼表如下：十進制4Bit七段燈Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0顯示值10001000001101200100101101123001101001111340100011001104501010110011156

46、0110011111016701110010011178100001111111891001011011119000000011111103.5.3 PLC程序的編制4 步進電機的選擇與控制步進電機作為本系統(tǒng)的動力驅動元件，控制其穩(wěn)定性是至關重要的本章將具體介紹，三相六拍式步進電機的控制原理。4.1步進電機的介紹及選型步進電機主要為本設計執(zhí)行元件，之所以選擇步進電機就是因為其適用于開環(huán)控制，而且其控制精度較高，在供電電源切斷時，混合式步進電機具有自定位轉矩，因此仍能保持原來的位置，同時也是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固

47、定的角度(稱為“步距角”)，因此，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。它的時序為脈沖正序列為AABBBCCCA,反序列為CACBCBABA。按照時序循環(huán)輸入就可以通過軟件控制來實現(xiàn)。當將時序輸入按照與正轉時序相反的順序輸入時，就可以實現(xiàn)步進電機的反轉。4.2 步進電動機驅動器的工作原理及型號不管是那一種類型的步進電機，其運動控制系統(tǒng)都是相似的。均屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般主要由步進電機運動控制器（本設計中步進電機運動控制器為PLC）、步進電機驅動器和步進電機三

48、部分組成。  本設計步進電機驅動器主要包括環(huán)形分配器和功率放大器兩部分。其中環(huán)形分配器又稱脈沖分配器，它根據運行指令按一定的邏輯關系分配脈沖，通過功率放大器加到步進電機的各相繞組，使步進電機按一定的方式運行；并實現(xiàn)正、反轉控制和定位控制。由于輸出的功率極小，所以脈沖分配器不能直接驅動步進電機工作，必須通過功率放大器進行放大，才能給步進電機各相繞組提供足夠的電流。 步進電機運動控制器則是控制系統(tǒng)的核心部分，它根據控制要求提供給步進電機驅動控制信號，該控制信號包括脈沖信號、脈沖方向信號、控制方式信號。運動控制器提供給步進電機的驅動信號是標準的信號，不論哪種驅動器都接受這樣的標準信號，從而

49、為開放式的控制提供了標準接口。這樣為步進電機設計的運動控制器就可根據不同的需要與不同的驅動器連接使用21。 為了控制的方便，步進電機一般可以有兩種不同的控制模式可供選擇。控制模式就是由控制方式信號來設置的。一種是方向/脈沖模式，在這種控制模式下，脈沖信號控制的是步進電機的運動，脈沖方向信號控制的是步進電機的運動方向(即正、反轉)；另一種是脈沖模式，此時這兩路信號分別控制步進電機的正轉和反轉運動，這樣對于某些只需要一個方向運動的應用場合，可以省去一路信號，簡化設計。4.3 步進電機的正反轉及速度的PLC控制4.3.1控制要求步進電機的通電方式為三相六拍（脈沖正序列為AABBBCCCA,反序列為C

50、ACBCBABA）步進電機的工作方式為手動跟自動。手動時，按正轉按鈕電機每次正轉一拍，按反轉按鈕，電機每次反轉一拍。自動方式時，按啟動按鈕，電機連續(xù)正轉，按反轉按鈕，電機連續(xù)反轉。按加速按鈕，電機加速，按減速按鈕，電機減速。4.3.2 I/O分配表輸入說明輸出說明輸入說明X0總開關Y0A相功放電X3反轉按鈕X1手動/自動開關Y1B相功放電X4減速按鈕X2正轉Y2C相功放電X5加速按鈕4.3.3 控制程序PLC電機控制Gppw.gps4.3.4 程序說明本程序中采用定時器T246為脈沖發(fā)生器，設定值為K200K1000（即2001000ms），則步進電機可獲得15步的變速范圍。當X3為OFF時，

51、輸出正脈沖序列，步進電機正轉。接通總開關X0，T246以D0的預置值K500開始計時，時間到，T246的常開觸點閉合，執(zhí)行DECO指令，根據D1的數值，第一次為0，使M10為ON，Y0輸出，步進電機A相通電；D1加1，T246自行復位后又重新開始計時，時間到，T246常開觸點又接通，執(zhí)行DECO指令，根據D1的數值，（此時為1）則使M11為ON，使Y0、Y1輸出，步進電機的A、B相同時通電；D1加1，T246自行復位后又重新開始計時，時間到，T246常開觸點又接通，執(zhí)行DECO指令，根據D1的數值，（此時為2）則使M12為ON，使Y1輸出，步進電機的B相通電；D1又加1，T246自行復位后又重

52、新開始計時，時間到，T246常開觸點又接通，執(zhí)行DECO指令，根據D1的數值，（此時為3）則使M13為ON，使Y1、Y2輸出，步進電機的B、C相同時通電；程序繼續(xù)執(zhí)行，D1又加1，T246自行復位后又重新開始計時，時間到，T246常開觸點又接通，執(zhí)行DECO指令，根據D1的數值，（此時為4）則使M14為ON，使Y2輸出，步進電機的C相通電；D1再加1，T246自行復位后又重新開始計時，時間到，T246常開觸點又接通，執(zhí)行DECO指令，根據D1的數值，（此時為5）則使M15為ON，使Y0、Y2輸出，步進電機的A、C相同時通電；完成脈沖序列的正轉輸出要求。當M16為ON時，D1復位，重新開始新一輪

53、的脈沖序列的產生，步進電機連續(xù)正向運轉。當X3為ON時，輸出反向序列脈沖，步進電機反轉。分析方法同上。每次按下減速按鈕X4時，每隔0.1秒（M8012的時鐘周期為100ms）將D0的當前值與K1000比較，若D0K1000，則使D0增加1，輸出脈沖頻率降低，電機減速。每次按下加速按鈕X5時，通過CMP指令，將D0的當前值與K200比較，只要D0K200，則使D0的數減小，輸出脈沖頻率增大，電機加速轉動。5 實驗環(huán)節(jié)5.1 5.1 實驗目的與實驗要求根據實驗室現(xiàn)有設備進行自動化立體倉庫的控制實驗，完成兩個貨位的取貨與送貨。5.2 實驗設備自動化立體倉庫模擬實驗架、直流電機、三菱FX1N系列PLC

54、、三菱專用編程軟件、個人計算機、電源5.3 實驗內容5.3.1 控制要求將貨物放到送貨臺上后，按啟動按鈕，自動將貨物送到小車旁邊，由傳感器控制送貨臺停止后，小車接收傳感器脈沖將貨物取入小車內，自動放入指定的貨位里，送貨完成后，小車自動回到原來的位置。當要取貨時，小車自動到指定倉位將貨物取出放到出貨臺，同樣由傳感器發(fā)出脈沖，出貨臺將貨物送出。5.3.2 輸入與輸出點數分配X0X軸1位置X11X軸10位置X22Z軸3位置上限位X1X軸2位置X12X軸11位置X23Z軸3位置下限位X2X軸3位置X13Y軸前向限位X24Z軸4位置上限位X3X軸4位置X14Y軸中向限位X25Z軸4位置下限位X4X軸5位置X15Y軸后向限位X26Z軸5位置上限位X5X軸6位置X16Z軸1位置上限位X27Z軸5位置下限位X6X軸7位置X17Z軸1位置下限位X30小車處物料檢測X7X軸8位置X20Z軸2位置上限位X31進料出物料檢測X10X軸8位置X21Z軸2位置下限位X32出料處物料