基于plc柔性制造生产线中物料立体仓库的设计.docx

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基于plc柔性制造生产线中物料立体仓库的设计

大连民族学院本科毕业设计（论文）

基于PLC柔性制造生产线中物料立体仓库的设计

学院（系）：

机电信息工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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涉密论文按学校规定处理。

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日期：

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导师签名：

日期：

年月日

摘要

随着我国经济的迅速发展，我国的物流产业有了较大的发展，但是由于在仓储领域仓储自动控制方面做得并不完善，因此造成储存能力参差不齐，而且大部分仓库也没有合理的安排货物，导致仓库的利用率并不高，直接造成了较大的经济损失。

本毕业设计是在考虑了上述仓储行业的弊端后，通过PLC可编程控制器完成对仓储系统的控制，以达到提高仓储储货能力，降低工人劳动强度的目标。

该系统工作步骤为：

首先若光电传感器检测到货舱中的货物，则将入库信号传入PLC可编程控制器，当货物到达货物卡位时，机械手运作，将货物搬运到仓库中；若光电传感器未检测到小车中的货物，则将出库信号传入PLC可编程控制器，当小车到达卡位时，机械手运作，将货物从仓库搬运到小车上。

本文主要设计了立体仓储系统电控系统中硬件的设计与元器件选择，同时详细叙述了系统的软件设计，最终设计了立体仓储系统电控系统的流程图及其程序编制过程。

关键词：

PLC可编程控制器；步进电机；无刷直流电机；旋转编码器

Abstract

WiththerapiddevelopmentofChina’seconomy,China'slogisticsindustryhasalargedevelopment,butbecausestorageareasisnotperfectinthewarehouseautomation,resultinginunevenstoragecapacityandunreasonablearrangementGoods,leadingtothepoorutilizationofstorageandalargeeconomiclosses.ThedesignistocontrolwarehousingsystembythePLCconsideringtheshortcomingsofthestorageindustry,toimprovethecapacityofcargowarehousestorageandreducelaborintensity.

Theworkingstepsofthesystem:

Firstly,photoelectricsensorsdetectthearrivalofthecargotanksandcargopushesthecargototheconveyorbeltbycylinder.Secondly,thedetectionsensorswillclassifythegoodsandtransfertheintroductiontoPLCprogrammablelogiccontroller.Manipulatorisbeginstodothetask,whenthegoodsreachthecargo-card.Andcargoishandledtoanotherconveyorbeltatthesametime.

Thispaperpresentsthedesignandselectionofthecontrollingsystemhardwareinthethree-dimensionalwarehousingsystem,finallydescribestheflowchartofthethree-dimensionalwarehousingsystem.

Keywords:

PLCprogrammablelogiccontroller；steppermotor；BruslessDCmotor；rotaryencoder

1绪论

1.1课题的目的和意义

随着我国经济的迅速发展，以及经济全球化的趋势愈发明显，物流产业的发展水平直接影响到了企业自身发展状况，而货物仓储又是物流产业的一个重要环节，当前我国仓储事业发展水平良莠不齐，大部分仓库依然依靠人工管理、搬运,因此搬运效率过低，直接影响物资的流通。

我设计的立体仓储电控系统主要运用PLC可编程控制器控制货物的搬运和仓储，同时,在系统中还运用了传感器元件，用来检测货物位置等，并将检测到的信号传递到PLC中，在这期间机械手同时工作，最终机械手按PLC中预先编排的指令将货物放入不同的仓库中。

本人认为该系统的自动化程度较高，同时存取货物较合理，能够有效的提高货物仓取能力，同时由于采用了机械手，该系统同样能够较大程度的降低工人的劳动强度，提高工作效率。

1.2课题的研究领域

从该系统的配件方面看，它包括了许多工业元器件，如PLC可编程控制器、步进电机、直流无刷电机、旋转编码器精确定位等技术。

从中可以看出该课题的研究领域主要包括：

步进电机控制技术、直流无刷电机控制技术、检测回馈技术、货物精确定位技术等。

由于可编程控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现机电一体化的理想控制装置。

因此在设计货物分拣以及仓储系统时，PLC可编程控制器无疑起到了关键的作用，通过PLC可编程控制器的控制,我们可以提高系统的可靠性，而且由于其具有较高的抗干扰能力，因此使用PLC可编程控制器是实现该机电一体化设备的理想控制装置。

而这一通过PLC可编程控制器为核心器件设计的货物分拣及仓储系统的设计思路，对于物流、仓储等领域也具有较高的参考价值。

步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。

因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。

当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。

因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。

无刷直流电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数（P）影响：

N=120．f/P。

在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。

直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制（驱动器），控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。

也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。

传感器的检测技术在现代工业中起了至关重要的作用，尤其是在自动化流水线上，它可以取代人眼的作用，来辨别货物的位置，同时诸如光电开关、压力传感器等传感元器件同样也能判断货物是否到位，以进行下一步工作。

2TVT-4000E立体仓库系统各单元结构及其工作原理

2.1TVT－4000E立体仓库系统单元结构图

TVT－4000E立体仓库系统单元结构图如图2-1所示。

图2-1TVT－4000E立体仓库系统单元结构图

（1-1）－立体仓储库（1-2）－Z轴运动机构（1-3）－X\Y轴运动机构

2.2立体仓储库　

立体仓储库由25个仓储位组成，每个仓储位都装有检测传感器实时监控货物的有无，此立体仓储库包含原材料区、成品区和废品区可以通过程序控制，也可通过用户的需求自己编写程序实现对货物在立体仓储库内的自由存取，见图2-2。

图2-2　立体仓储库结构图

2.3Z轴运动机构

由夹紧气缸（1-2-1）、旋转臂（1-2-2）、旋转步进电机（1-2-3）、推力轴承（1-2-4）、导轨（1-2-5）、Z轴步进电机（1-2-6）、滚珠丝杠（1-2-7）、型材立柱（1-2-8）等组成。

Z轴运动机构（1-2）主要是实现货物的自动存取，见图2-3。

图2-3Z轴运动机构结构图

2.4X\Y轴运动机构　

X\Y轴运动机构由Y轴直流无刷电机（1-3-1）、X轴直流无刷电机（1-3-2）、X轴导轨（1-3-3）、减速机（1-3-4）组成。

X\Y轴运动机构主要是采用齿轮齿条机构实现水平方向的运动，见图2-4。

图2-4X\Y轴运动机构

3系统硬件设计

3.1总体设计

根据系统控制要求，及设备状态，控制程序主要完成以下任务：

（1）出入库判断及仓库状态的扫描，确定相应的库位及X轴、Y轴坐标；

（2）根据坐标，各轴电机经加减速精确定位；

（3）根据时序关系，确定状态，完成货物出入库。

系统的组成如图3-1.

图3-1系统组成图

3.2可编程控制器的选型

为了提高仓库的仓储能力，降低工人的劳动强度，提高仓库的自动化程度，而PLC编程控制器恰恰具有可靠性高、.编程方便、易于使用、逻辑功能强、体积小的特点，并且其有网络通讯功能，可附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂控制功能。

因此在我的仓储电控系统中，我选择了使用PLC可编程控制器，作为核心控制件。

3.2.1S7-200CPU的选择

西门子提供多种类型的CPU以适应各种应用要求。

不同类型的CPU具有不同的数字量I/O点数、内存容量等规格参数。

目前提供的S7-200CPU有：

CPU221、CPU222、CPU224、CPU226和CPU226XM。

S7-200CPU规格如表3.1所示。

按以上S7-200CPU规格所示，由于该系统需要的PLC输入端接口较多，因此选用的PLC可编程控制器应为CPU226系列，该CPU为直流供电，直流数字量输出，数字量输出点是晶体管因此选择DC/DC/DC系列。

综上所述，最终选用的PLC可编程控制器件为CPU226DC/DC/DC系列。

表3.1S7-200CPU规格表

CPU221

CPU222

CPU224

CPU226

CPU226XM

用户程序区

数据存储区

4K字节

2K字节

4K字节

2K字节

8K字节

5K字节

8K字节

5K字节

16K字节

10K字节

CPU内置DI/DO点数

6/4

8/6

14/10

24/16

AI/AO点数

无

16/16

32/32

扫描时间/1条指令

0．37us

最大DI/DO点数

256

位存储区

256

计数器

256

计时器

256

时钟功能

可选

内置

数字量输入滤波

标准

模拟量输入滤波

N/A

标准

高速计

数器

单相

4个30KHZ

6个30KHZ

6个20KHZ

双相

2个20KHZ

4个20KHZ

脉冲输出

2个20KHZ

通讯口

1×RS485

2×RS485

3.2.2EM232模拟量输出模块

该系统选用EM232模拟量输出模块，2通道电流/电压输出。

EM232模拟量输出和组合模块的技术规范如表3.2和图3-2所示。

表3.2EM232模拟量输出模块技术规范

型号

物理I/O数量

功耗

信号范围

分辨率全量程

数据字格式

最大驱动

从+5VDC

从L+

电压输出

电流输出

电压

电流

电压

电流

电压输出

电流输出

EM232AQ2*12位6ES7232-0HB20-0XA0

20mA

70mA

+/-10V

0到20mA

12位

11位

-32000到+32000

到+32000

最小5000欧

最大500欧

图3-2EM232扩展模块的连接器的端子标识

EM232控制无刷直流电机原理接线图如图3-3所示。

图3-3无刷直流电机原理接线图

3.3旋转编码器选型

为了实现货物的精确定位，在系统设计中选用了旋转编码器，用来实现货物的精确定位，最终达到传送带在最需要移动的时候方可移动，实现了精确定位货物的目标，也在一定程度上节约了能源。

在我的设计中，我通过联轴器将旋转编码器与电机直接连接，通过旋转编码器检测出电机的转数，最终将角位移转换成脉冲值，以测量机械手运行的距离。

旋转编码器是一种将角位移转换成脉冲值的检测装置，通过高数计数器来统计编码器发出的脉冲数，从而判断机械手所处的位置。

旋转编码器可输出两路脉冲信号，其波形如图3-4所示：

图3-4A、B相脉冲图

当旋转编码器正转时A相超前B相,旋转编码器反转时,B相滞后A相，这样通过该装置就可以检测电机运行的绝对位移。

由于所选用的电机的转速只为3000转/分，且我所选用的PLC可编程控制器的电源为24v，因此我为该系统选择了型号E6A2-CW5C，电压为12V~24V的旋转编码器。

3.4步进电机的选择

3.4.1步进电动机的特点

◆步进电动机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为100％），所以广泛应用于各种开环控制。

◆步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比

◆步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变,使用开环控制（或半闭环控制）就能进行良好的定位控制。

◆步进电动机的主要缺点是效率较低,并且需要配上适当的驱动电源。

◆步进电动机带负载惯性的能力不强,在使用时既要注意负载转矩的大小,又要注意负载转动惯量的大小,只有当两者选取在合适的范围时,电机才能获的满意的运行性能。

◆由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速的方法根据利用状态的不同而复杂多变。

3.4.2步进电机驱动系统的基本组成

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3-5所示。

图3-5步进电机驱动系统组成

3.4.3步进电动机的选择

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，根据系统要求，确定步进电动机的电压值、电流值以及有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，从而就可以确定步进电动机的相数和拍数。

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。

3.4.4步进电机驱动器的原理与选择

（1）.步进电机驱动器的选择

步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：

控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。

所以步进电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，共有三路信号，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，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行）。

它们在驱动器内部的接口电路都相同，见下图。

OPTO端为三路信号的公共端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC是+5V则可直接接入；如果VCC不是+5V则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流，参见图3-6和图3-7。

外围提供电平为24V，而输入部分的电平为5V，所以须外部另加1.8K的限流电阻R。

图3-6输入信号接口电路图3-7外接限流电阻R

步进电机驱动器的输出信号有两种:

.初相位信号：

驱动器每次上电后将使步进电机起始在一个固定的相位上，这就是初相位。

初相位信号是指步进电机每次运行到初相位期间，此信号就输出为高电平，否则为低电平。

此信号和控制系统配合使田，可产生相位记忆功能，其接口见图3-8。

图3-8初相位信号接口电路

.报警输出信号：

每台驱动器都有多种保护措施（如：

过压、过流、过温等）。

当保护发生时，驱动器进入脱机状态使电机失电，但这时控制系统可能尚未知晓。

如要通知系统，就要用到‘报警输出信号’。

此信号占两个接线端子，此两端为一继电器的常开点，报警时触点立即闭合。

驱动器正常时，触点为常开状态。

触点规格：

DC24V／1A或AC11OV／O．3A。

一般来说，对于两相四根线电机，可以直接和驱动器相连，见图3-9。

图3-9电机与驱动器接线图

以北京斯达特机电科技发展有限公司生产SH系列步进电动机驱动器（型号为SH-2H057）为例，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见表3.3：

表3.3SH-2H057电气技术数据表

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）

（2）.步进电机驱动器接线示意图见图3-10。

图3-10步进电机驱动器接线示意图

（3）.步进电机驱动器细分数和电机相电流的设定

.细分数的设定

对于两相步进电机,细分后电机的步距角等于电机的整步步距角除以细分数。

细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。

所以我们最好选用细分驱动器。

在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。

但现在的情况不同了，细分驱动器的出现改变了这种观念，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

所以如果用户采用细分驱动器，‘相数’将变得没有意义

.电机相电流的设定

SH系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定电机的相电流，您只需根据面板上的电流设定表格进行设定。

3.5无刷直流电动机的原理与选择

要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启（或关闭）换流器（inverter）中功率晶体管的顺序，如图3-11：

inverter中之AH、BH、CH（这些称为上臂功率晶体管）及AL、BL、CL（这些称为下臂功率晶体管），使电流依序流经电机线圈产生顺向（或逆向）旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。

当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管（或只开下臂功率晶体管）；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。

基本上功率晶体管的开法可举例如下：

AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL一组，

但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。

此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂（或下臂）尚未完全关闭，下臂（或上臂）就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。

图3-11无刷直流电机控制原理图

当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令（Command）与hall-sensor信号变化的速度加以比对（或由软件运算）再来决定由下一组（AH、BL或AH、CL或BH、CL或……）开关导通，以及导通时间长短。

速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。

PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心。

高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。

至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。

或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。

电机能够运转顺畅而且响应良好。

图3-12X轴直流无刷电机

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