PLC伺服电机系统在立体仓库堆垛机控制中的应用END.docx
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PLC伺服电机系统在立体仓库堆垛机控制中的应用END
技
师
论
文
PLC、GOT、定位单元、伺服电机在自动化立体仓库控制中的应用
PLC、GOT、定位单元、伺服电机在自动化立体仓库控制中的应用
摘要自动化立体仓库是近十年来伴随着自动控制、系统控制设备以及数据库等相关技术的飞速发展而应运而生的。
随着这些技术的发展和电脑的普及，自动化立体仓库高效、可靠、操作方便的优点为越来越多的使用者接受，应用也日益广泛。
在以往的自动化仓库中，其控制部分大都采用PLC加计算机或计算机加控制板卡的方式。
随着计算机技术的飞速发展，计算机的性能以及稳定性等大幅度提高，现场总线技术的日益成熟，一种新的控制方式——软PLC控制方式逐渐形成并逐渐被应用于各种控制领域，其中就包括自动化仓库。
本文简述可编程控制器（FX2n-32MR）、定位单元（FX2n-20GM）、触摸屏（三菱GT1155）、伺服电机在自动化立体仓库（AS/RS）系统堆垛机中的具体应用。
立体仓库模型控制系统是根据自动化立体仓库运行的基本原理而设计的。
在整个控制系统中以三菱FX2n-32MR型PLC作为核心控制元件，三菱FX2N-20GM作为PLC专用定位单元用来控制伺服电机（三菱MR-E-20A）来驱动仓库堆垛机的X轴与Y轴，控制双轴气缸来驱动Z轴，堆垛机的两轴在高强度导轨上做二维运动。
以伺服电机每转输出的脉冲数、丝杠进给量和机械零点为基础，依照仓位间距，计算出每仓位相对机械零点的坐标值（脉冲数），经过定位单元驱动伺服电机按设定的方向转动一定的角度，进而控制传动部件丝杠旋转进行准确的定位，以完成货物的存取功能。
另外，为了保证整个控制系统运行的稳定性和可靠性，系统还采用了限位开关对其进行限位保护。
通过系统的调试，立体仓库模型控制系统能够通过手动和自动控制方式较为准确地完成货物的存取功能。
通过实验调试，基本上达到自动化立体仓库高效、可靠、操作方便控制要求。
此系统不仅适合自动化类教学仪器的演示，也可以为自动化立体仓库的具体实施作一个技术参考。
关键词：
自动化立体仓库可编程控制器定位单元触摸屏GOT）伺服电机堆垛机
1引言
1.1自动化立体仓库系统
自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下，自动地完成物品仓储和取出的系统， 它以高层立体货架为主体， 以成套搬运设备为基础，是集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率、大容量存储机构。
PLC 作为一种工业控制计算机， 具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能， 是目前广泛应用的控制装置之一。
自动化立体仓库的出现， 实现了仓库功能从单纯保管型向综合流通型的转变。
它具有占地面积小、储存量大、周转快的优点，是集信息、存储、管理于一体的高技术密集型机电一体化产物。
它与平库相比，可节约７０％的占地面积和７０％的劳动力。
具有很高的空间利用率和出入库能力，能加快货物的出入库存储节奏，减轻劳动强度，提高生产效率。
机械手是自动化立体仓库的重要组成部分，主要运用于存取设备，例如堆垛机等。
1.2 自动化立体仓库模型研究的意义
自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下，自动地完成物品的存放和取出的系统，根据这个原理结构，设计了自动化立体仓库模型控制系统。
本设计的自动化立体仓库模型主要应用于自动化等相关专业教学仪器的演示部分，目的是帮助自动化等相关专业的学生了解自动化立体仓库的基本结构、设计原理以及整个控制系统的工作过程、熟悉电气控制的基本原理，了解电气控制在现代科技应用中的重要性，以及PLC应用在现代控制系统中的作用和一些不可替代性的优点。
熟悉PLC的外围电路设计、软件设计方法和设计流程等。
同时本系统在设计方案上结合了正在开发的自动化立体仓库模型，并对其技术方案进行了描述，为日后自动化立体仓库的具体实施作一个技术上的参考。
使未来自动化立体仓库的设计更趋于完美化。
2系统方案总体设计
2.1设计思想
本设计是以可编程控制器（Programmable Logic Controller 简称PLC）为核心，三菱FX2N-20GM作为PLC专用定位单元，控制伺服电机驱动一个有二个自由度的堆垛机来模拟现实中立体仓库的存取过程。
在整个立体仓库运行过程中采用开环控制方式，触摸屏（三菱GT1155）为人机接口元件，PLC和定位单元为控制元件，伺服电机和电磁阀（双轴气缸）为执行元件来驱动工作台在高强度导轨上做三维运动，堆垛机传动部件为高精度丝杠传动。
运行时PLC会接收和分析操作人员在触摸屏上的输入指令，做出合理的工作安排。
即读取执行元件的信息，通过软件做出合理的工控安排反馈到执行元件和操作系统，实现车位的位置移动。
具体原理方框图如图1所示。
图1 系统方框图
2.1本设计控制要求
（1） PLC根据触摸屏所设置不同物品对应仓位实现十二个仓位的自动存取，本系统对三层仓位每层放置不同的三类物品，系统会自动寻找此空位来实现物品的依次存放，存放结束后自动返回原点（机械原点），等待下一个存放命令。
PLC接受存放命令向目标空位靠近的运动默认为有负荷运动，此时为低速运动，以获得较大的电机转矩，回原点的运动默认为空载，此时堆垛机快速移动，可以节省工作时间，提高效率。
（2） 具有急停功能。
当系统在运行的过程中发现其它意外等，可以点击急停按键，此时系统会立即停止运行并保持原位置。
但系统再次运行务必要回原点校正。
因为系统采用开环控制，其速度由伺服电机或步进电机接受的脉冲频率决定，运行位移量由脉冲数目决定。
而各空位对应的脉冲频率、数量数据均由程序设定。
另外从系统运行时的可靠性和安全性角度考虑，所有的数据均应参考原点而设置。
所以系统每次任务结束后都必须回原点进行校正，避免执行错误命令，发生意外。
（3） 能够快速返回原点。
堆垛每次执行完取/放料动作完成后，系统便快速返回原点。
本功能也可以作为原点校正用，长时间运行误差积累导致工作台不能精确定位，借此可以校正。
（4） 有手动和自动档选择，可以实现手动和自动两种控制方式。
并且在触摸屏上有点动按钮导航键，分别用于控制堆垛机X轴正向与反向运行，Y轴正向与反向运行，Z轴（物料叉）伸缩运动运。
规定远离原点为正向，靠近原点为反向。
同时在控制台上设置手动操作的十字开关，对堆垛机X与Y轴手动控制。
实现对物品的存放操作。
（5） 堆垛机X轴与Y轴方向定位由输出脉冲序列专用单元FX2N-20GM控制两台MR-E-20A伺服电机来实现；堆垛机取放料机构物料叉由PLC驱动电磁阀控制气缸伸缩动作实现对仓库取放物品功能。
（6）装配物品检测传感器，PLC获取此信息并根据触摸屏对物品分类入库参数设置，实现对物品分类入仓。
（7） 触摸屏功能：
在系统中实现对堆垛机对象的监视及仓库和系统运行状态的显示功能，具体要求：
1.自动控制；2.手动控制；3.系统急停；4.物品对应仓位设置；5.仓库物品实时库存数量统计，6.历史库存数量统计；7.仓库实时监视；8.出库操作；9．系统报警（如满仓）。
2.3系统构成
系统由可编程控制器（FX2n-32MR）、定位单元（FX2n-20GM）、触摸屏（三菱GT1155）、伺服电机（MR-E-20A）及气缸（物料叉）等组成。
控制电路图如图2所示。
图2系统控制电路图
2.3.1手动控制堆垛机十字开关到FX2N-20GM连接器CON2接线见表1。
表1手动控制堆垛机十字开关到FX2N-20GM连接器CON2接线
十字开关
FX2N-20GM连接器CON2针脚
备注
X←
RVS（X）
X轴向左
X→
FWD（X）
X轴向右
Y↑
RVS（Y）
Y轴向上
Y↓
FWD（Y）
Y轴向下
公共端
COM1
2.3.2微动开关到FX2N-20GM连接器CON2接线见表2。
表2微动开关到FX2N-20GM连接器CON2接线
微动开关
FX2N-20GM连接器CON2针脚
备注
X轴左限
LSR（X）
反向旋转行程结束
X轴右限
LSF（X）
正向旋转行程结束
X轴机械零位
DOG（X）
DOG（近点信号）输入
Y轴左限
LSR（Y）
反向旋转行程结束
Y轴右限
LSF（Y）
正向旋转行程结束
Y轴机械零位
DOG（Y）
DOG（近点信号）输入
公共端
COM1
公共端子
2.3.3FX2N-20GMTOMR-E-20A通讯电缆接线见表3。
表3FX2N-20GMTOMR-E-20A通讯电缆接线
FX2n-20GMCON3/CON4
MR-E-20ACN1插头
脚位
端子名
端子名
脚位
1
SVRDY
RD
11
11
SVEND
INP
10
2
COM2
VIN
1
3
CLR
CR
5
13
PG0
OP
21
4
COM3
SG
13
14
COM4
VIN
1
6
FP
PP
23
16
RP
NP
25
7
VIN（24V+）
OPC
2
VIN
1
9
COM5
SG
13
LG
14
EMG
8
3 PLC程序设计
3.1系统控制使用的PLC和触摸屏的I/O、内部继电器与外部元件的对应关系见表4。
表4I/O、内部继电器、数据寄存器与外部元件对应关系
内
部
继
电
器
M0
自动
内
部
继
电
器
M501
B2仓物品实时显示
M1
手动
M502
B3仓物品实时显示
M4
停止
M503
B4仓物品实时显示
M101
一层仓库出料
M504
C1仓物品实时显示
M102
二层仓库出料
M505
C2仓物品实时显示
M103
三层仓库出料
M506
C3仓物品实时显示
M108
堆垛机X轴左移
M507
C4仓物品实时显示
M109
堆垛机X轴右移
M508
A1仓物品实时显示
M110
堆垛机Y轴左移
M509
A2仓物品实时显示
M111
堆垛机Y轴左移
M510
A3仓物品实时显示
M120
实时库存数据清除
M511
A4仓物品实时显示
M121
清空历史库存数据
数
据
寄
存
器
D517
B仓实时库存数
M200
送/取料
D518
C仓实时库存数
M122
金属物料入三层
D519
A仓实时库存数
M123
白色物料入三层
D520
B仓历史入库数
M124
蓝色物料入三层
D521
C仓历史入库数
M125
金属物料入二层
D522
A仓历史入库数
M126
白色物料入二层
输入
X0
金属检测
M127
蓝色物料入二层
X1
颜色检测（白）
M128
金属物料入一层
X2
颜色检测（蓝）
M129
白色物料入一层
Y0
运行
M130
蓝色物料入一层
输出
Y1
报警
M500
B1仓物品实时显示
Y3（20GM）
气缸（物料叉）
3.2系统主要PLC程序说明。
3.2.1初始化参数，设置两轴最大动行速度、加减速时间。
3.2.2手动控制，点动触摸按钮驱动气缸动作，设置JOG速度。
3.2.3手动控制，点动触摸按钮控制堆垛机X轴与Y轴运动。
3.2.4紧急情况，点动触摸按钮使堆垛机停止运行。
3.2.5自动分类入库，由触摸屏设置目标仓库。
3.2.6自动控制，执行一次回零或绝对位置检测操作后建立标志（M40与M41对应X轴与Y轴）。
3.2.7自动控制，获取两轴当前位置（转换为脉冲）及输出继电器分配给缓冲存储器状态。
3.2.8自动控制，计算相应物品对应FX2N-20GM程序号。
3.2.9设置两轴爬行速度、零点计数次数、零点信号计数开始点、回零方向和回零命令。
3.2.10仓位实时监视设置，放入物品时置位。
3.3系统FX2N-20GM程序说明，以A1仓物品取放料程序为例，见图3与图4。
3.3.1SWOD5-FXVPS-E为FX2N-20GM定位单元个人计算机编程软件。
图3A1仓取料程序图4A1仓放料程序
3.3.2各仓物品取放料对应程序号见表4，以A1仓物品取放料程序为例说明如下：
A1仓取料程序（程序号：
16）A1仓放料程序（程序号：
17）
表4各仓位取放料对应程序号
仓位
程序号
仓位
程序号
仓位
程序号
A1（取/放）
16/17
B1（取/放）
0/1
C1（取/放）
8/9
A2（取/放）
18/19
B2（取/放）
2/3
C2（取/放）
10/11
A3（取/放）
20/21
B3（取/放）
4/5
C3（取/放）
12/13
A4（取/放）
22/23
B4（取/放）
6/7
C4（取/放）
14/15
4．系统采用的MR-E-20A伺服电机，伺服器相关参数设置见表5。
表5伺服器相关参数设置
参数号
设置值
参数号
设置值
P0
1001
P41
0111
P8
300
P42
0010
P9
2000
P44
0888
P19
C
P45
0899
P21
0010
P46
0070
5．触摸屏监控画面。
系统的触摸画面在GTDesigner2软件制作。
图5初始画面图6控制方式画面
图7自动控制监控画面图8仓库实时监视画面
图9历史库存数画面图10堆垛机手动控制画面
图11物料目标仓库设置画面图12出库操作画面
6．系统主要器件及在系统中的功能简介
6.1 可编程控制器（PLC）
本设计中用的主控制器MITSUBISHI FX2N-32MR型PLC为本三菱公司生产的一款小型PLC，FX2n系列PLC把许多其他PLC的优点都融进一个很小的控制器中。
FX2n适用于最小的封装，是希望低成本的用户在有限的I/O范围寻求强大控制功能的首选目标。
内部提供多达32个I/O点，并且能够通过串行通信传输数据。
在系统PLC为核心元件对负责整个系统控制与数据处理。
6.2 触摸屏（GOT）
触摸屏是触摸式图形显示终端的简称，它是一种人机交互装置。
一般通过串行接口与计算机、PLC或其他外围设备连接进行通信，由专用软件完成画面的制作和传输，实现其作为图形操作和显示终端的功能。
在控制系统中，触摸屏常作为PLC的输入和输出设备，通过使用相关软件，设计出满足用户要求的监控画面，实现对控制对象的操作和显示。
本设计中用的为三菱公司生产的GT1155型320X240点STN彩色液晶触摸屏，实现对系统对象的监视与控制功能。
6.3 定位单元
定位单元FX2n-20GM型是三菱公司生产的输出脉冲序列的专用单元。
定位单元允许用户使用步进电机或伺服电机，并通过驱动单元来控制定位。
一个定位单元能控制两根轴；定位单元配有一种专用定位语言（cod指令）和顺序语言（基本指令和应用指令）；当连上一个通用的脉冲发生器（集电器开路型）后，手动进给有效；当连接上一个带有绝对位置（ABS）检测功能的伺服放大器后，每次启动时的回零点可以被保存下来。
当连上一个FX2n系列PLC时，定位数据可被读/写，定位单元也可不需要任何PLC单独运行。
本设计中定位单元FX2n-20GM用来控制两个MR-E伺服电机定位堆垛机的两轴位置。
6.4 伺服驱动器及伺服电机
本设计中采用两台三菱通用AC伺服MR-E-20A型交流伺服放大器，控制模式有位置控制和速度控制2种模式，而且能够切换位置控制和速度控制进行运行。
位置控制模式时可用最高500Kpps的高速脉冲串执行电机的旋转速度和方向的控制。
MR-E系统伺机服电机的编码器采用14386脉冲/转分辨率的增量位置编码器，可进行高精度定位。
两台伺服电机为本设计执行元件，控制传动部件丝杠旋转进行准确的定位。
6.5 驱动支架仓库模型
驱动支架（堆垛机）是此模拟机的重要机械部分，要求有高的强度和传动精度用于保证运行的精度和可靠性。
其有效坐标行程（可运动最大坐标值）为X×Y×Z=460×450×70mm。
其各坐标方向上各有三根轴，中间是传动丝杠，两边是导轨。
仓库模型采用钢架结构，为3×4行列式，共12个空位。
7．关键问题处理
在本模拟自动化立体仓库设计中，主要根据输出脉冲序列的专用单元FX2n-20GM对伺服电机控制，即采用脉冲开环控制方式设计，由三菱FX2n-32MR型PLC、定位单元FX2n-20GM、MR-E伺服电机、气缸、开关电源（DC24V）、一个基本的控制台，起控制和驱动作用。
当定位单元发出一定脉冲，经过伺服驱动器驱动伺服电机旋转一定的角度，要想实现对堆垛机的精确控制，传动部件丝杠旋转一圈进给量为6mm，因此需依此量并参照机械零点位置计算出每一仓位对应坐标值。
8．一个完整的动作过程
要编写一个很好的控制程序首先要搞清运动的各个环节，把连续运动合理的离散化和数字化是整个程序设计的关键，因此可以把一个完整的自动存取过程简单划分为：
首先按动触摸屏自动控制按钮键，如系统为初次启动时堆垛机三轴归机械零位，物品检测传感器检测到物品种类，根据设置目标仓值，PLC接到信号后，执行定位单元对应目标仓位程序（取物品托架），X、Y轴两路伺服电机开始同时正转，即向各自目标的坐标值开始靠近。
当伺服电机达到目标坐标值后，堆垛机X轴与Y轴均停止动作，延时后PLC驱动电磁阀，气缸出杆伸出，延时，Y轴再正转，物料叉托起物料托架使之与仓库脱离后，气缸杆作缩回动作，延时，气缸杆作缩回动作完成后定位单元对两轴执行归零命令，X、Y轴归到机械零位，待检测到物品置于物料叉上时，执行定位单元对应目标仓位程序（放物品托架与物品），此次堆垛机行走路径与上一流程基本相似，只是目标坐标值Y大于对应仓位底部坐标相对值，然后物料叉做伸出运动，伺服电机（Y轴）再反转，放下物品托盘及物品，物料叉再缩回，当步进电机停止动作的信号发出后即物料叉作缩回动作完成后定位单元对两轴执行归零命令，到此，即整个自动化立体车库的自动存取车过程基本结束。
9．系统可扩展性
所采用的PLC主机支持多种特殊功能模块，为进一步优化系统功能提供了方便，如：
只要加上相应的通迅模块（如FX2n-485-BD，FX2N-32CCL等）即可把该系统加入工业现场总线系统中。
为今后系统改造与升级提供支持。
结束语
本文重点介绍了自动化立体仓库模型的具体设计过程，此控制系统通过调试显示能够比较准确地完成对12位仓库模型的基本定位，能够比较准确地完成自动存取任务。
本控制系统是根据自动化立体仓库运行的基本原理设计的，以三菱FX2n-32MR型PLC作为核心控制元件，三菱FX2N-20GM作为PLC专用定位单元用来控制伺服电机（三菱MR-E-20A）来驱动仓库堆垛机的X轴与Y轴，驱动一个有二自由度的堆垛机在高强度导轨上做二维运动。
控制气缸动作驱动Z轴，来实现对物品的自动存取任务。
所做的具体工作如下：
（1）设计了人机界面（触摸屏画面）。
实现对系统对象的监视与控制功能。
（2）根据整个控制系统的运行要求，设计出了相应的程序并且通过了调试。
（3）通过系统的最终调试，完成了在立体仓库模型上进行物品装卸的试验。
在这次设计中，基本完成了仓库模型控制系统的设计，达到了预期的目标，实现了其主要功能。
此设备调试表明所选设计方案均是可行的。
此仓库模型控制系统适合自动化类教学仪器的演示，也可以为自动化立体仓库的具体实施作一个技术参考。
参 考 文 献：
梁耀光余文烋主编《电工新技术教程》
三菱电机《FX1S；FX1N；FX2N；FX2NC系列编程手册》
三菱电机《FX2N-10GM；FX2N-20GM编程手册》
三菱电机《MR-E伺服放大器使用手册》
三菱电机《GTDesigner2版本2画面设计手册》
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