立体仓库设计

毕业论文基于柔性生产线立体仓库的设计目录摘要Abstract II一、前言-1（一）目的和意义 1（二）研究领域 1二、立体仓库系统各单元结构与其工作原理3（一）立体仓库系统单元结构图 3（二）立体仓储库 3（三）Z 轴运动机构 4（四）XY 轴运动机构 5三、系统硬件设计 6（一）总体设计 6（二）可编程控制器的选型 62.1 S7-200 CPU 的选择 62.2 EM232 模拟量输出模块 8（三）立体仓库的系统介绍 MCGS 组态软件应用 93.1 立体仓库的简述 93.2 立体仓库的优越性 103.3 立体仓库一般基本组成部分 11四、系统的软件设计彳2（一）系统的总体程序设计 121.1 I/O 地址分配表121.2系统的程序流程图与程序编制12（二）旋转编码器程序编制 12 （三）步进电机的控制与程序编制133.1 指令说明 133.2 PTO/PWM 控制寄存器 163.3 主要程序的编写 18（四）控制器的法杖方向 184.1 可编程控制器的构成与工作原理 194.2 可编程控制器的特点 2O4.3 可编程控制器的主要功能 2O4.4 电动机的介绍与选择 214.5 变频器的介绍与选择 244.6 接触器的介绍与选择 254.7 目标料仓号与仓位号的设置 26五、操作模式和过程 27（一）机械手操作模式和过程 27 结论与展望 29参考文献 3O附录31致谢39一、绪论（一）课题的目的和意义 随着我国经济的迅速发展，以与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。（二）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与仓储系统时， 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与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 子旋转磁场的速度与转子极数（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。（一）TVT二、立体仓库系统各单元结构与其工作原理立体仓库系统单元结构图4000E 立体仓库系统单元结构图如图 2-1 所示图2-1立体仓库系统单元结构图（二）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，如图2-2所示。图2-2立体仓储库结构图（三）Z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，如图2-3所示。(1-2-3)(1-2-2)(1-2-1)(1-2-4)1 j(1-2-5)(1-2-6)(1-2-7)图2-3 Z轴运动机构结构图(1-2-8)（四）XY轴运动机构XY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。XY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，如图2-4所示。(1-3-1)(1-3-3)(1-3-2)图2-4 XY轴运动机构三、系统硬件设计(一) 总体设计 根据系统控制要求，与设备状态，控制程序主要完成以下任务：(1)出入库判断与仓库状态的扫描，确定相应的库位与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 所示。图3-1 系统组成图（二）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。2.1 S7-200 CPU 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 S7-200 CPU 有：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226 和 CPU 226XM。S7-200 CPU规格如表3.1所示。按以上 S7-200 CPU 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3.1S7-200 CPU规格表CPU 221CPU 222CPU224CPU226CPU226XM用户程序区4K字节4K字节8K字节8K字节16K字节数据存储2K字节2K字节5K字节5K字节10K字节区CPU内置DI / DO 点6/48/614/1024/1624/16数AI / AO 点数无16/1632/3232/3232/32扫描时间/1条指令0. 37us0. 37us0. 37us0. 37us0. 37us最大256256256256256DI/DO 点数位存储区256256256256256计数器256256256256计时器256256256256256时钟功能可选可选内置内置内置数字量输标准标准标准标准标准入滤波模拟量输N/A标准标准标准标准入滤波单4个4个6个6个6个高速相30KHZ30KHZ30KHZ30KHZ20KHZ计双2个2个4个4个4个数器相20KHZ20KHZ20KHZ20KHZ20KHZ2个2个2个2个2个脉冲输出20KHZ20KHZ20KHZ20KHZ20KHZ通讯口1 XRS4851 XRS4851 XRS4852XRS4852 XRS4852.2 EM232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3-1所示。表3.2EM232模拟量输出模块技术规范型号物 理1/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+压出 电 输流出 电 输电压电流电压电流电 压 输 出电 流 输 出EM232-3200最最AQ2*12 位220m70+/-0到1100到小大6ES7AmA10V2021到+32050500232-0HB20mA位位+320000欧-OXAO000欧EM232JT（24W I_J- 7没有使用24 3C电源相公兀端图3-1EM232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3-2所示。町KI1I15GTIkluTQnsJ-QEC+C-L Lp P轲曲庫胃唸树毎醉肌 - 血07曲时 氓 途 遗 途IBHB0图3-2 无刷直流电机原理接线图（三）立体仓库的系统介绍与 MCGS组态软件的应用3.1立体仓库的简述货架自动化立体仓库简称立体仓库。一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出 库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其 称为“立体仓库”。立体仓库必然是机械化仓库。由于货架在5米以上,人工已难以对货架进行进出货操作，因而必须依靠机械进行作业。而立体仓库中的自动化立体仓库，则是当前技术水平较高的形式。 如图3-3所示图3-3货架自动化立体仓库简称立体仓库立体仓库是现代物流系统中的重要物流节点，在物流中心中的应用越来越普遍。目前世界上最高的立体仓库高度已达50米。立体仓库单位面积的储存量可达7.5 (t / m2 )，是普通仓库的510倍。由于使用高层货 架存储货物，存储区可以大幅度地向高空发展，充分利用仓库地面和空间，因此，节省了库存占地面积，提高了空间利用率。使用机械和自动化设备， 运行和处理速度快，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度。而自 动化立体仓库是当代货架储存系统发展的最高阶段，它与自动分拣系统和 自动导向车并称为物流技术现代化的三大标志。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。我国对立体仓库与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。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。3.2 立体仓库的优越性立体仓库其优越性是多方面的， 对于企业来说 ,可从以下几个方面得到 体现：（ 1）提高空间利用率 早期立体仓库的构想，其基本出发点就是提高 空间利用率，充分节约有限且宝贵的土地。在西方有些发达国家，提高空 间利用率的观点已有更广泛深刻的含义，节约土地，已与节约能源、环境 保护等更多的方面联系起来。有些甚至把空间的利用率作为系统合理性和 先进性考核的重要指标来对待。立体仓库的空间利用率与其规划紧密相 连。一般来说，立体仓库其空间利用率为普通平库的 2-5 倍。这是相当可 观的。（2）便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平。传统仓库 只是货物储存的场所，保存货物是其唯一的功能，是一种“静态储存” 。 立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库内按需要 自动存取，而且可以与仓库以外的生产环节进行有机的连接，并通过计算 机管理系统和自动化物料搬运设备使仓库成为企业生产物流中的一个重 要环节。企业外购件和自制生产件进入自动化仓库储存是整个生产的一个环节，短时储存是为了在指定的时间自动输出到下一道工序进行生产，从 而形成一个自动化的物流系统，这是一种“动态储存”，也是当今立体仓库发展的一个明显的技术趋势。以上所述的物流系统又是整个企业生产管理大系统（从订货、必要的 设计和规划、计划编制和生产安排、制造、装配、试验、发运等）的一个 子系统，建立物流系统与企业大系统间的实时连接，是目前立体仓库发展 的另一个明显的技术趋势。总之，立体仓库的出现与发展，是与工业、科技发展相适应的。现代 化大生产，越来越促使工业生产社会化、专业化、集中化。生产的高度机 械化，自动化必然要求物资的供应分发与时、迅速、准确。这就促使立体仓 库技术得到迅速的发展，并已成为工厂设计中高科技的一个象征。3.3立体仓库一般基本由以下部分高层货架：用于存储货物的钢结构。目前主要有焊接式货架和组合式 货架两种基本形式。托盘（货箱）：用于承载货物的器具，亦称工位器具。 巷道堆垛机：用于自动存取货物的设备。按结构形式分为单立柱和双立柱 两种基本形式；按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。输送 机系统：立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将 货物移走。输送机种类非常多，常见的有辊道输送机、链条输送机、升降 台、分配车、提升机、皮带机等。AGV系统即自动导向小车。根据其导向方式分为感应式导向小车和激 光导向小车。自动控制系统：驱动自动化立体仓库系统各设备的自动控制系统。目前以采用现场总线方式为控制模式为主。库存信息管理系统：亦称中央计算机管理系统。是全自动化立体仓库 系统的核心。目前典型的自动化立体仓库系统均采用大型的数据库系统 （如 ORACLE ， SYBASE 等）构筑典型的客户机 /服务器体系，可以与其 他系统（如 ERP 系统等）联网或集成。 立体仓库的形式以高层货架的基本 形式 为基 准可 分为整 体式仓库 （ Building type: Building in rack supported ）和分离式仓库（ Unit type: Building is freestanding front rack structure ）两个基本类型。立体仓库起始于 12 米以上的高层货架仓 库，这种仓库的货架结构不但用于存放货物，同时又是仓库基筑的柱子和 仓库侧壁的支撑，即仓库建筑与货架结构成为一个不可分开的整体，故称 整体式仓库。整体式仓库具有技术水平高、投资大和建设周期长等问题， 适用于大型企业和流通中心。相反，货架结构自成一个单元与建筑无关的 仓库，则称分离式仓库。四、系统的软件设计（一）系统的总体程序设计1.1 I/0 地址分配表I/O 地址分配表见附录。1.2 系统的程序流程图与程序编制系统的程序流程图见附录。 系统的整体程序见附录。接通电源，程序初始化，机构复位，X轴、Y轴、Z轴、R轴回零位，设定优先存取仓位并逐行扫描仓位。当小车移动到位置 1 时，光电开关 1立体仓库设计 闭合，阻挡器工作小车停止移动，检测光电开关 2 是否闭合。当其闭合时表明小车上有货物，选择入库指令。按预设的存储优先级 选择优先存储的仓位， R 轴顺时针旋转 90 ，X、Y 轴向位置 1 移动，驱动 器比较设定坐标值与编码器值是否相符，实施监控。到达位置1后，R轴逆时针旋转 90 ， Z 轴移动指定位移， Y 轴下降，检测机械手到位后，电 磁阀控制气缸夹紧货物，Y轴上升，R轴顺时针旋转90 ,X、Y轴向位置 2 移动，驱动器监控比较设定坐标值与编码器值是否相符。 到达位置 2 后， R轴顺时针转90 ,Z轴移动指定位移，Y轴下降，检测到位后，电磁阀 控制气缸松幵货物，Y轴上升,R轴逆时针转90 ，入库完成。系统开始循环，检测光电开关 1 是否闭合，即是否有小车到位，当闭 合时，阻挡器阻挡小车移动，当光电开关 2 未闭合时，表示车上无货物， 此时执行出库指令。按取货优先级选择仓位，R轴顺时针转90 ,X、Y轴向位置 3 移动，检测到位后， R 轴顺时针转 90，Z 轴移动指定位移， Y 轴下降，检测到位后，电磁阀控制气缸夹紧货物，Y轴上升，R轴逆时针转90 ,X、Y轴向位置1移动，检测到位后，R轴逆时针转90 ,Z轴移 动指定位移， Y 轴下降，到位后电磁阀控制气缸松开货物， Y 轴上升， R 轴顺时针转 9 0 ，出库完成。系统进入下一个循环过程。（二）旋转编码器程序编制编码器采用增量式编码器，对编码器的高速脉冲计数在 cpu226PLC 中，使用输入端口 10.6、10.7与11.2、11.3完成输入，采用HSC1和HSC2 高速计数器，用模式 9， A/B 相正交计数器模式完成编码器脉冲的计数。 其设置程序如下：LD h:SM0.0MOVB 16#FC, SMB47 /设置控制位：向上计数；速率 1X ;已启用；MOVD+0, SMD48/载入CVMOVD+0, SMD52/载入PVHDEF1, 9/HSC1 ;模式 9ENI/允许全局中断HSC1/执行HSC指令（三）步进电机的控制与程序编制3.1指令说明脉冲输出指令（PLC）检测为脉冲输出（Q0.0或Q0.1 ）设置的特殊 存储器位，然后激活由特殊存储器位定义的脉冲操作。操作数：Q常数（0或1）数据类型：字脉冲输出范围：Q0.0到Q0.1形式如图4-1所示：startPLSENENOQOX110-A图4-1程序形式图S7-200的CPU有两个PTO/PWM 发生器产生高速脉冲串和脉冲宽 度可调的波形。一个发生器分配在数字输出Q0.0，另一个分配在数字输出 Q0.1 0PTO/PWM 发生器和寄存器共同使用 Q0.0和Q0.1 o当Q0.0或Q0.1设定为PTO或PWM 功能时，PTO/PWM 发生器控制输出，在输出点禁 止使用通用功能。映像寄存器的状态、输出强置或立即输出指令的执行都 不影响输出波形。当不使用PTO/PWM 发生器时，输出由映像寄存器控制。映像寄存器决定输出波形的初始和结束状态，以高电平或低电平产生 波形的起始和结束。因些在允许 PTO 或 PWM 操作前把 Q0.0 和 Q0.1 的 映像寄存器设定为 0 。脉冲串（PTO）功能提供方波（50%占空比）输出，用户控制周期和 脉冲数。脉冲宽度调制（ PWM ）功能提供连续、变占空比输出，用户控 制周期和脉冲宽度。每个 PTO/PWM 发生器有一个控制字节， 16 位无符号的周期时间值和脉 宽值各一个，还有一个 32 位无符号的脉冲计数值。这些值全部存储在指 定的特殊存储器中，一旦这引起特殊存储器的位被置成所示需操作，可通 过执行脉冲指令（PLC）来调用这些操作。修改特殊寄存器（SM ）区（包 括控制字节） ，然后执行 PLC 指令，可以改变 PTO 或 PWM 特性。把 PTO/PWM 控制字节（ SM66.7 或 SM77.7 ）的允许位置为 0，并执行 PLC 指令，可以在任何时候禁止 PTO 或 PWM 波形的产生。所有的控制字节、周期、脉冲宽度和脉冲数的缺省值都是 0。PTO 提供指定脉冲个数的方波（ 50% 占空比）脉冲串发生功能。周期 可以用微秒或毫秒为单位指定。周期的范围是 50 到 65,535 微秒，或 2 到 65,535 毫秒。如果设定的周期是奇数，会引起占空比的一些失真。脉 冲数的范围是： 1 到 4,294,967,295 。如果周期时间少于 2 个时间单位， 就把周期缺省地设定为 2 个时间单 位。如果指定脉冲数为 0 ，就把脉冲数缺省地设定为 1 个脉冲。状态字节中的 PTO 空闲位（ SM66.7 或 SM76.7 ）用来指示可编程序 脉冲串完成。另外，根据脉冲串的完成调用中断程序（有关中断和通讯指 令的细节请见9.15节）。如果使用多段操作，根据包络表C-的完成调用中 断程序。请见下面的多段管线。PTO 功能允许脉冲串排队。 当激活的脉冲串完成时， 立即开始新脉冲 的输出。这保证了顺序输出脉冲串的连续性。有两种方法完成管线，单段管线和多段管线。（1）单段管线：在单段管线中，需要为下一个脉冲串更新特殊寄存 器。一旦启动了起始 PTO 段，就必须立即按照第二个波形的要求改变特 殊寄存器， 并再次执行 PLS 指令。第二个脉冲串的属性在管线一直保持到 第一个脉冲串发送完成。在管线中一次只能存入一个入口，一旦第一个脉 冲串发送完成，接着输出第二个波形，管线可以用于新的脉冲串。重复这 个过程设定下一个脉冲串的特性： 除下面的情况外，脉冲串之间进行平滑转换：1）如果发生了时间基准的改变。2）如果在利用 PLS 指令捕捉到新脉冲串前启动的脉冲串已经完成。 当管线满时，如果试图装入管线，状态寄存器中的PTO 溢出位（ SM66.6或 SM76.6 ）将置位。当 PLC 进入 RUN 状态时，这个初始位化为 0 。如 果要检测序列的溢出，必须在检测到溢出后手动清除这个位。（ 2）多段管线：在多段管线中， CPU 自动从 V 存储器区的包络表中 读出每个脉冲串段的特性。在该模式下，仅使用特殊寄存器区的控制字节 和状态字节。选择多段操作，必须装入包络表C- 的起始 V 存储器构的偏移地址（ SMW168 或 SMW178 ）。时间基准可以选择微秒或者毫秒，但 是，在包络表 C 中的所示有周期值必须使用一个基准， 而且当包络执行时， 不能改变。多段操作可以用 PLS 指令启动。每段的长度是 8 个字节，由 16 位周期、 16 位周期增量值和 32 位脉 冲计数值组成。包络表的格式如表 4.1 所示。多段 PTO 操作的另一个特点是按照每个 脉冲的个数自动增减周期的能力。在周期增量区输入一个正值将增加周 期：输入一个负值将减小周期；输入 0 值将不改变周期。如果在许多脉冲后指定的周期增量值导致非法周期值，会产生一个算术溢出错误，同时停止 PTO功能，PLC的输出变为由映像寄存器控制。 另外，在状态字节中的增量计算错误位（ ）被置为1。如果要人为地终止一个正进行中的PTO包络，只需要把状态字节中的用户终止位（SM66.5或SM76.5 ）置为1。当PTO包络执行时，当前启动的段数目保存在 SMB166 （或SMB176） 中。表4.1多段PTO操作的包络表格式从包络表开始的 字节偏移包络谡数描述0段数（1到255）；數0产生个非致命性错 決将不产生pro输出.1#1甸始周期（2到6&53&时间阜准单也）3每个脉冲的周期增就（有符号值1 （32768到 32767时间基准单團5脉冲数(1 到 4294967295)9#2初始周期（2到65535时间阜准单他11每个咏冲的周期壻最有符号值）| 32768列32767时间基准单位）13脉冲数(1 到 4294967295)it（3）计算包络表值PTO发生器的多段管线能力在许多应用中非常有用，尤其在步进电机控制中。图4-2的例子说明了如何生成包络表值，按要求产生输出波形加 速电机、恒速运行，然后减速电机。对该例，假定需要4000个脉冲达到要求的电机转动数，启动和结束 频率是2000Hz，最大脉冲频率是 10KHZ。由于包络表 C-中的值是用周 期表示的，而不是用频率，需要把给定的频率值转换成周期值。所示以， 启动和结束的周期是500血，最大频率对应的周期是100血。在输出包络 的加速部分，要求在200个脉冲左右达到最大脉冲频率。也假定包络的减速部分，在400个脉冲完成。在该列中，使用一个简单公式计算 PTO/PWM 发生器用来调整每个脉冲周期所示使用的周期增量值：给定段的周期增量 二|ECT-ICT|/QECT =该段结束周期时间ICT =该段初始化周期时间3.2 PTO/PWM 控制寄存器表4.2是控制PTO/PWM 操作的寄存器，利用图 4-3可以作为快速 参考，确定放入 PTO/PWM 控制寄存器中的值，启动要求的操作。对 PTO/PWM0 使用SMB67，对PTO/PWM1 使用SMB77。如果要装入新 的脉冲数（SMD72 或SMD82 ）、脉冲宽度（SMW70 或SMW80 ）或周 期（SMW68 或SMW78 ），应该在执行 PLS指令前装入这些值和控制寄存器。如果要使用多段脉冲串操作， 在使用PLS指令前也需要装入包络表 的起始偏移值（SMW168 或SMW178 ）和包络表的值。Q0.000.1状态字节SM66?4SM764PTO包络由于増晴计算错混而终止0=1 =终止SM66.5SM76.5PTO包帘由干用户命令而终止0=无错凝；丨=终止SM66.6SM76.SPTO管线上镒厂FSS0=无上潘；1 =上圖下溢SM667SM76.7PTO空隔0 =执行中，1 = PTO空闲0.0Q0.1控制字节I表4.2 控制PTO/PWM 操作的寄存器SW7 0SV6/.1SM77.1 射了？.4SX/77.&PTO/PWM更新周期值 0二不更新：1 m更新周期值 PWM更耕瞅冲净典值 0=不更新，1 =牒冲迎度俏 PTO更新牀沖数0二不更新；1二更新脉冲数PTCVPWK/I时间基准迅择0二1开/时基;1二Im时阜 PWM更新力法：0 =异步更新；1二同步更新PTO操作：0三单段操作；1多段操作FTOJFW閘 模式进抒0 =选择PTO：丨二 选抒PW怕PTO/FWM 允许Q =禁止 PTO/FWW1 =允许 PTO/PWMS “钉.4SN/6/.bSIW.7Q0.0 0,1其它PTO/PWM寄存器SN/W68SMW78TO/PWW 周期值（范除 2 JiJ 65535）SMW70SMW80RfJXZ i丸沖誉現隽 Mr； t判tjbbSbiSMD72SMD82PTO脉冲计数值 Mt 1到4294967295）SMB166SMB 176进行屮的段数（仪用在多段PTO揉作屮）SMW16&SMW1 78包路衷的起始位呂，用从V&开始的宇节 偏移魏示（仅用在多段PTO操作中）2 = 13图4-3 PTO/PWM控制字节参考控制 寄存器 （16进制）执行PLS指令的结果允许模式 选择PTO段按件PWM 吏新方法时厘脉冲数脉冲 宽度周期1YesPTO申段1L曲周期装入YesPTOlus/周期装入1W35YesPTO申段kis/周期装入装入16# 8&YesPTO单段1 ms/成期装入163CYesPTO甲段1 ms/周期装入16#8DYesPTO单段1 ms/周期装入装入YesPTO冬段Ws/周期16#A8YesPTO若段1 ms/局期ig#diYesPWM同步1us/周期装入1&#D2YesPWM同店lus/周期装入；16#D3YesPWM同步1us/ .周期装入15#D9Yes同步1 ms/周期装、16#DAYesPWM1 H1&/周期16#DBYes1PWM同步1 msi周期装入装入图4-4 PTO/PWM 初始化和操作顺序PTO/PWM 初始化操作假定S7-200已置成RUN模式如图4-4所示， 因此初次扫描存储器位为真（SM0.1=1 ）。如果不是这种情况，或 PTO/PWM 必须重新初始化，你可以用一个条件（不一定是初次扫描存储 器位）来调用初始化程序。为了初始化PTO，请遵循如下步骤：1、用初次扫描存储器位（SM0.1 ）复位输出为0，并调用执行初始化 操作的子程序。由于采用这样的子程序调用，后续扫描不会再调用这个子 程序，从而减少了扫描时间，也提供了一个结构优化的程序。2、初始化子程序中，把16#85送入SMB67，使PTO以微秒为增量 单位（或16#A8使PTO以毫秒为增量单元）。用这些值设置控制字节的 目的是：允许PTO/PWM 功能，选择PTO操作，选择以微秒或毫秒为增 量单位，设置更新脉冲计数和周期值。3、 向SMW168 （字）写入包络表 C-的起始V存储器偏移值。4、在包络表中设定段数，确保段数区（表的第一个字节）正确。5、 可选步骤。如果你想在一个脉冲串输出（PTO ）完成时立刻执行一个相关功能，则可以编程，使脉冲串输出完成中断事件（事件号19 ）调用一个中断子程序，并执行全局中断允许指令。6、退出子程序。3.3主要程序的编写PLC脉冲输出使用脉冲串（PTO）功能在输出端Q0.0或Q0.1输出周 期和脉冲数可变的脉冲串，控制步进电机速度与距离。在立体仓库提升机 的步进电机控制中，使用下图完成步进电机的定位。其程序流程图如下控 制变速。使用了三个子程序。子程序1脉冲输出。子程序2停止程序，子程序3意外情况发生回原点程序。程序流程图如图4-5所示：开始（四）控制器的发展方向可编程控制器，简称 PLC，是一种专门在工业环境下应用而设计的数 字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在内部存储 执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并通过 数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。技术上，计算机新的成果会更多的应用于可编程控制器的设计与制造，运算速度更快、存储容量更大、组网能力更强的产品出现。在产品规 模，会逐步增大、在配套上，产品会更丰富，规格更齐全。在市场上，各 国多种产品会随着国际竞争力而打破，出现通用型编程语言。网络发展上,可编程控制器和合其他控制计算机联网，构成大型控制系统是其发展方 向。可编程控制器作为自动化控制网络的重要组成部分，将在各行业的领 域中发挥越来越大的作用。4.1可编程控制器的构成与工作原理（图 4-6所示）图4-6 构成与工作原理可编程控制器的硬件构成主要有中央处理器（CPU）存储器（RAM、ROM ）、输入输出器件（I/O ）、电源与编程设备几大部分组成。可编程控制器的软件构成包括系统软件和应用软件。4.2 可编程控制器的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输 出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的 1/101/100 ，因触 点接触不良造成的故障大为减少。 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术， 采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高 的可靠性。此外， PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可与时发 出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程 序，使系统中除 PLC 以外的电路与设备也获得故障自诊断保护。这样，整 个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。（2）硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并 且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户 选用，用户能灵活方便地进行系统配置， 组成不同功能、 不同规模的系统。 PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模 的工业控制场合。 除了逻辑处理功能以外， 现代 PLC 大多具有完善的数据 运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现， 使 PLC 渗透到了位置控制、 温度控制、 CNC 等各种工业控制中。 加上 PLC 通信能力的增强与人机一体技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（3）易学易用 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为 不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控 制打开了方便之门。（4）容易改造 系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造。 PLC 的梯 形图程序一般采用顺序控制设计法。 这种编程方法很有规律， 很容易掌握。 对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间 要少得多。 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外 部的接线，使控制系统设计与建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易 起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很 适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm ，仅相当 于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的 1/21/10 。 它的重量小于 150g ，功能消耗仅数瓦。由于体积小，很容易装入机械内 部，是实现机电一体化的理想控制设备。4.3 可编程控制器的主要功能（1）逻辑控制功能 逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是可编程控制器的最基本的功 能之一。 PLC 设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令。利用这些指令，根 据外部现场（开关、按钮或其他传感器）的状态，按照制定的逻辑进行运 算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、接触器、继电器、指 示灯等）。因此 PLC 可以代替继电器进行开关控制，完成触点的串联、并 联等各种连接。另外，在 PLC 中一个逻辑位的状态可以无限次地使用，逻 辑关系的修改变更也十分方便。（2）定时控制功能PLC 中有许多可供用户使用的定时器，功能类似于继电器线路中的时 间继电器。定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运 行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。程序执行时，PLC 将根据用户指定的定时器指令对某个操作进行限制或延时控制，以满足生产工艺的 要求。（3）计数控制功能PLC 为用户提供很多计数器。计数器计到某一定值时（设定值） ，产 生一个状态信号，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的 设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改。程序 执行时 PLC 将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状 态改变次数（如某个开关的闭合次数）进行计数，以完成对某个工作过程 的计数控制。（4）步进控制功能PLC 为用户提供了若干个状态器，可以实现由时间、计数或其他指定 逻辑信号为转移条件的步进控制，即在一道工序完成以后，在转移条件满 足时，自动进行下一道工序。大部分 PLC 都有专用的步进控制指令，应用 步进指令编程十分方便。（5）数据处理功能大部分 PLC 都有数据处理功能，可实现算术运算、数据比较、数据传 送、数据移位、数制转换、译码编码等操作。现在一些新型的 PLC 数据处 理功能更加齐全，可以完成开方、 PID 运算、浮点运算等操作，还可以和 CRT、打印机连接，实现程序、数据的显示和打印。（6）过程控制功能有些 PLC 具有 A D 、 DA 转换功能，可以方便地完成对模拟量的 控制和调节（ 7）通信联网功能有些 PLC 采用通信技术，可以多台 PLC 之间的同位链接、 PLC 与计 算机之间的通信等。利用 PLC 之间的同位链接，可以把数十台 PLC 用同 级或分级的方式链成网络，使各台 PLC 的 I O 状态相互透明。采用 PLC 和计算机之间的通信连接， 可用计算机为上位机， 下面连接数十台 PLC 作 为现场控制。目前 PLC 的联网和通信技术正趋于完善并迅速发展。（8）监控功能PLC 设置了较强的监控功能。操作人员利用编程器或监视器可对PLC的运行状态进行监视。利用编程器可以调整定时器、计数器的设定值和当 前值，并根据需要改变 PLC 内部逻辑信号的状态与数据区的数据内容， 为 调试和维护提供了极大的方便。（9）停电记忆功能PLC 内部的部分存储器所使用的 RAM 设置了停电保持器件（如备用 电池等），以保证断电后这部分存储器中的信息不会丢失。4.4 电动机的介绍与选择 常用电动机的种类：电力拖动系统中拖动生产机械运行的电动机成称 为驱动电动机 ,驱动电动机包括直流电动机和交流电动机两大类。 交流电动 机又分为异步电动机和同步电动机两种。常用电动机的主要种类：直流电动机包括：他励直流电动机、并励直 流电动机、串励直流电动机、复励直流电动。直流电动机包括：异步电动机和同步电动机。 异步电动机包括：三星异步电动机和单相异步电动机。 三相异步电动机包括：笼型和绕线型同步电动机包括凸极式和隐极 式、永磁同步电动机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲 信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距 角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数 来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率 来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。因此，在本设计中，堆垛机的行走和升降就可用步进电动机控制。 直流电动机 是将直流电能转换为机械能的转动装置。电动机定子提 供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生 的转矩保持方向不变。 其特点是：（ 1）调速性能好。所谓“调速性能” ，是指电动机在一定负载的条件 下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件 下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。（2）起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在 重负载下起动或要求均匀调节转速的机械， 例如大型可逆轧钢机、 卷扬机、 电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。因此本设计中堆垛机的货叉部分可用直流电动机控制。传感器的选择 传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物 理条件或化学组成 , 并将探知的信息传递给其他装置或器官。（1）能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的 器件或装置。（2）接受物理或化学变量（输入变量）形式的信息，并按一定规律 将其转换成同种或别种性质的输出信号的装置。传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，它的组成和能够完成的工作如下：（1）其组成有如下三部分：敏感元件：直接感受测量，输出与被测量成确定关系。 转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入，它把输入转换成电r介r量参量。转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录 或控制的有用的电信号的电路。（2）其能完成的工作如下：传感器是测量装置，能完成检测任务。 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量 等。它的输出量是某种物理量， 这种要是便于传输、 转换、 处理、 显示等， 可以是气、光、电量。输出与输入有一定的对应关系，且应有一定的精准度。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压 力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、 谐振式压力传感器与电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式 压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以与较好的线性特性。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最 多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应 变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘 合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一 起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变 化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组 成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通 常是 A/D 转换和 CPU ）显示或执行机构。目前的颜色传感器通常是在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红、 绿、篮滤光片，然后对输出信号进行相应的处理，才能将颜色信号识别出 来；有的将两者集合起来， 但是输出模拟信号， 需要一个 A/D 电路进行采 样，对该信号进一步的处理，进行识别，增加了电路的复杂性，并且存在 较大的识别误差，影响了识别的效果。在本设计中，选择 TCS20 颜色传感器用来对辊道上的仓库以颜色的不 同来对物品进行分类，有效的解决了无人操作下对物品分类的问题。如果 知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测物体的颜色，对于 TCS230 来说， 当选定一个颜色滤波器时， 它只允许某种特定的颜色通过， 阻止其它颜色的通过。对射式传感器的输出状态一般为 NPN 输出，输出晶体管的动作状态 可分为入光是 NO 和遮光时 ON 两种。当 24V 电压加到发光二极管 LED1 时，它将发光射给发光二极管 LED2 ，LED2 接受到光导通，三极管导通， 输出为 ON; 当发光二极管 LED1 发射出的光被物体挡住使发光二极管 LED2接收不到时，LED2不导通，三极管也不导通，输出为OFF。因此，本设计机械手控制部分采用对射式传感器。在该立体仓库控制系统中采用 8 个对射式传感器作限位控制： 4 只对射式 光电传感器分别作为 X、Y 轴的限位控制，当入光时输出晶体管 ON ， 2 只对射式光电传感器分别作为货架在 X 轴和 Y 轴的到位检测， 当遮光时输 出晶体管 ON, 如果货架未到达正确位置， Z 轴电动机将不能运行以确保当 PLC程序出错时也不至于损坏设备；2只对射式光电传感器最为 Z轴的限位控制，当遮光时，输出晶体管 ON ，其信号对应 PLC 的输入点是后限位和前限位。4.5 变频器的介绍与选择变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频 率的电能控制装置。能实现对交流异 步电机的软起动、变频调速、提高 运转精度、改变功率因素、过流 / 过压/过载保护等功能。变频器即电压频率变换器，是一种将固定频率的交流电变换成频率、 电压连续可调的交流电，以供给电动机运转的电源装置。变频器的类型选择： 根据控制功能将通用变频器分为三种类型：普通功能型 U/f 控制变频 器、具有转矩控制功能的高功能型 U/f 控制变频器和矢量控制高性能型变 频器。变频器类型的选择，要根据负载的要求来进行。（1）风机，泵类负载转矩小，通常可选择普通功能型。 （2）恒转矩类负载，如搅拌机、传送带、起重机等。有两种情况。 用普通功能型变频器，为实现恒转矩调速，常采用加大电动机和变频 器的容量，以提高低速转矩。采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被 限制在 150% 额定电流以下（根据机种不同，为 125%200% ）。用工频