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1、摘要立体仓库的特点在于以高层立体货架为标志，以成套先进搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术为主要手段，高效率地利用仓储空间，节约时间和人力进行各种作业，具有巨大地社会效益和经济效益，因此被普遍应用于机器制造业、电器制造业、航空港、轻工和化工企业、商储业、军需部门等各行各业。其中自动化的立体仓库更是具有广阔市场前景。它集机械、电子、控制、计算机技术于一体，具有科技含量高，货物存取效率高和自动化程度高等优点，在物流监控技术、计算机应用技术、通信技术、货位优化管理等技术领域都有很好的应用。自动化仓库有利于商品的保管。提高仓库的安全可靠性。降低成本，加快物流速度，提高企业在行业中的形象。本文主要设计
2、了一个自动化的立体仓库系统，首先给出了自动化立体仓库的基本框架结构与设计流程，并明确了系统各模块所能实现的基本功能，然后具体分析了系统组成及设计思想。采用PLC作为整个立体仓库系统的控制器，通过PLC编程软件对立体仓库的整个运作进行了PLC程序的设计，主要以手动和自动两种不同的方式控制，并对意外情况的发生也作了意外处理程序的设计。另外，为了监控和管理立体仓库的运行状态，利用组态王对于立体仓库的运行情况设计了一个实时监控系统。监控管理系统包括出、入库管理、查询、报表、监控与动画等模块。管理人员只要通过运行监控系统界面就可以实时监控立体仓库的工作状态，保证了仓库的正常运作，对出现的问题做出及时的判
3、断和处理。关键词：立体化仓库；PLC控制；组态王；实时监控Design of the Automated Tridimensional Warehouse based on PLC and its Real-time Monitoring SystemAbstractAs the expanding of the modem enterprise industrial scale, warehouse has become the most important and indispensability tool of the logistics system. The paper mainly
4、 designs an automated warehouse system. First, put forward the basic framework of the automated warehouse structure and design process, and then make sure clearly the basic functions of each module of the system. Last, give a detailed analysis of the system components and design ideas. In this syste
5、m, use PLC as the controller of the entire warehouse system, use the stepper motor drive stacker movement, and use photoelectric sensors to detect the in-and-outs control of automated warehouse and precise positioning of the stacker. Secondly, the tridimensional warehouse control systems has been de
6、signed primarily to use programmable control device to control, through the PLC programming software for the entire tridimensional warehouse operation of the PLC program design, developed manual and automatic two way control, and the design of unexpected accidents treatment program is also conducted
7、. In addition, in order to monitor and manage the operation of tridimensional warehouse status, with the input of configuration software for the operation of tridimensional warehouse has a real, time monitoring system. The system is capable of onsite data collection and processing, the operator coul
8、d launch the monitoring system to get a real-time updates of the working status of the warehouse, to ensure a safe operation and immediate error shooting and correction treatment.Keywords：Tridimensional Warehouse；PLC control；Kingview software Real-time Monitoring System目录1 绪论11.1 研究背景11.2 立体仓库的国内外研究
9、现状21.3 自动化立体仓库的研究意义41.4 本文研究的主要内容52 立体仓库系统设计方案的选择72.1 立体仓库系统的组成设计72.2 立体仓库系统各模块功能的设计72.3 立体仓库参数的数确定92.4 立体仓库系统实现功能的设计102.5 设计中的问题及解决方案112.5.1 设计中出现的问题112.5.2 解决方案113 立体仓库系统的硬件设计133.1 步进电机的选择133.2 传感器的选择173.3 PLC选型193.4 PLC输入输出分配表233.5 立体仓库控制系统的结构设计243.6 电气原理图总体设计264 立体仓库系统的软件设计274.1 PLC控制程序流程设计274.2
10、 PLC程序设计295 立体仓库系统的组态监控设计365.1 组态软件的选择365.2 设计流程395.3 组态监控画面的设计43总结51致谢52参考文献53附录 立体仓库控制系统PLC程序541 绪论自动化立体仓库系统是在不直接进行人工处理的情况下能自动存储和取出物料的系统，也称自动存取系统。通常指采用几层至几十层高的货架，并用自动化物料搬运设备进行货物出、入库作业的仓库。这个定义覆盖了不同复杂程度及规格多样的系统。自动化立体仓库是由计算机进行管理和控制，不必人工搬运即可实现收发作业的仓库。自动化立体仓库除了具有传统仓库的基本功能外，还具有分拣、理货的功能，以及在不直接进行人工处理的情况下，
11、自动存储和取出物料的功能。1.1 研究背景一、立体仓库的发展历史立体仓库一词起源于“高层货架”，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，随着科技的发展，人们逐渐采用起重、装卸、运输机械设备等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”。立体仓库的产生是第二次世界大战之后生产技术发展的结果。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
12、和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。二、立体仓库的组成立体仓库是指采用高层货架储存货物，用起重、装卸、运输机械设备进行货物出库和入库作业的仓库。这类的仓库主要通过高层货架充分利用空间进行存取货物，所以称为“立体仓库”，也有的称为“高架仓库”。目前，这类仓库最大高度能达到40多米，最大库存数可大至数万甚至10多万个货物单位，可以做到无人操作，按计划入库和出库的全自动化控制，并且可以实现仓库的计算机网络化的管理。立体仓库一般由高层货架、仓储机械设备、建筑物及控制和管理设施等部分组成。货架的形式有很多，材料一般用钢材或钢筋混凝土制作。钢货架的优点是构件尺寸小，仓库空间利用率高，制作方便，安装建设
13、周期短。而且随着高度的增加，钢货架比混凝土货架的优越性更加明显。为了提高货物装卸、存取效率，自动化立体仓库一般使用货箱或托盘盛放货物。货箱与托盘的基本功能是盛放小件物料，同时还应便于运输车和堆垛机的存放。搬运设备是自动化仓库中的重要设备，它们一般由电力驱动，通过手动或自动控制，实现把货物从一处搬运到另一处。输送系统必须具有高度的可靠性。在立体仓库内，一般只有一套输送系统，一旦发生故障，就会使整个仓库工作受到影响。所以，要求输送系统的各个环节上的设备可靠、耐用、维修方便。对输送系统设置手动控制做后备。三、自动化立体仓库的优点及缺点优点：1) 大大提高了仓库的单位面积利用率。2) 提高了劳动生产率
14、，降低了劳动强度。3) 减少了货物处理和信息处理过程的差错。4) 合理有效地进行库存控制。5) 能较好地满足特殊仓储环境的需要。6) 提高了作业质量，保证货品在整个仓储过程的安全运行。7) 便于实现系统的整体优化。缺点：1) 结构复杂，配套设备多，需要的基建和设备投资很大。2) 货架安装精度要求高，施工比较困难，而且施工周期长。3) 储存货品的品种受到一定的限制，不同类型的货架仅适合于不同的储存物品。因此，自动化仓库一旦建成，系统的更新改造比较困难。1.2 立体仓库的国内外研究现状一、国外现状美国于1959年开发了世界上第一座自动化立体仓库，并在1963年率先使用计算机进行自动化立体仓库的控制
15、管理。此后，自动化仓库在欧美一些发达国家和日本迅速发展起来。70后代以来，发达国家大力推广商品物流自动化、高速化、信息化，在各大城市纷纷建立了大型自动化立体仓库。进入80年代，自动化立体仓库在世界各国发展迅速，使用范围涉及几乎所有行业。随着科技的不断发展，先进的技术手段在自动化仓库中及时得以应用。实现了信息自动采集、物品自动分拣、自动输送、自动存取，库存控制实现了智能化，自动导引车得到广泛应用，大大提高了仓储作业效率，一座大型自动化立体仓库每小时可完成500800次出入库作业。立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。自上世纪60年代以来，美日欧等国家和地区设计和投入使
16、用的立体仓库越来越多，立体仓储技术已成为一门新兴的学科。据不完全统计，美国也有各种类型的自动化立体仓库20000多座，日本有38000多座，德国有10000多座，英国有4000多座，前苏联有1500多座。堆垛机是自动化立体仓库的主要作业机械，担负着出库、进库、盘库等任务，是自动化立体仓库的核心部件，自动化立体仓库的发展就是以堆垛机的发展为主要标志的，目前巷道式堆垛机为主要发展方向。二、国内现状相对国外发达国家而言，我国的自动化仓库的发展起步较晚，自1974年在郑州纺织机械厂建成我国第一座自动化立体仓库以来，我国自动化仓库领域的发展速度比较缓慢。至1980年我国已经建成和正在施工建设的自动化立体
17、仓库达到21座。我国的自动化仓库大部分是简易的中低层小型分离式仓库。货架只有单元货架和重力货架两种。作业方式几乎都是巷道堆垛机配以小车、叉车或输送机等周边设备。这些仓库主要分布在机械制造业，其次是商业、电气行业。仓库的控制以手动控制为主，能够单机自动远距离控制的目前只有北京汽车制造厂零件库、长沙火车站库和天津储运公司库。近些年我国自动化仓库技术发展很快，己实现了与其它信息决策系统的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。目前我国有能力承接立体仓库设计任务的单位已达数十家，主要有原机电部系统的北京起重机研究所、北京自动化研究所、上海机电自动化研究所、中国机械工程学会物料搬运学会、中国物流研究
18、会仓储专业委员会、全军仓库机械自动化学会等。尽管如此，至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距。这些差距主要表现在：1) 发展速度慢。目前，我们国家自动化仓库的数量和生产能力还不能满足今后我国经济发展的需求。2) 仓库形式和设备的品种、规格较少，还不能满足各方面的需求。3) 应用先进控制技术和驱动技术的不多。例如，在国内堆垛机多采用两速、三速电机拖动，水平速度60-80米/分，垂直运行的速度16-60米/分，货叉的速度4-10米/分，速度不高，工作效率也不太高，经济效益也不太好。4) 研究开发和创新能力还不
19、强。1.3 自动化立体仓库的研究意义一、社会意义立体仓库的特点在于以高层立体货架为标志，以成套先进搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术为主要手段，高效率地利用仓储空间，节约时间和人力进行各种作业，具有巨大地社会效益和经济效益，因此被普遍应用于机器制造业、电器制造业、航空港、轻工和化工企业、商储业、军需部门等各行各业。其中自动化的立体仓库更是具有广阔市场前景。它集机械、电子、控制、计算机技术于一体，具有科技含量高，货物存取效率高和自动化程度高等优点，在物流监控技术、计算机应用技术、通信技术、货位优化管理等技术领域都有很好的应用。从制造工厂、商场、机场，到港口、军需部地下室冷库到都少不了立体仓库
20、的身影，特别是随着人们生活水平的提高，自我国的机动车数量日益猛增，传统的停车场已经不能满足人们的需求，于是人们将立体仓库这一理念和技术应用到停车库，很多城市都相继出现了立体停车库，使停车难的问题逐渐得以缓解，所以为了更好的合理利用资源、保证产需均衡、提高物流效率，我们对于自动化立体仓库的研究迫在眉睫。二、科技意义近些年我国自动化仓库技术发展很快，尽管如此，至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距，究其原因，自动化程度不够是一个很大的缺陷。对此能较有效的改善这一缺陷的方法就是在控制系统中采用PLC控制器，因为
21、PLC功能强大，可靠性高，抗干扰能力强，维修方便，易于实现机电一体化，可以完全满足立体仓库工作环境和控制系统的要求。通过PLC控制的立体仓库克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。所以近几年采用可编程控制器(PLC)与微机控制搬运设备的仓库以及采用计算机管理与PLC联网控制的全自动化仓库在全部立体仓库中的比重不断增加。
22、另外，当前各领域中使用的立体仓库往往是很庞大的系统，研制立体仓库往往需要投入很大的人力和财力，这给立体仓库的研究带来很大难度，令很多科技研发和教学研究机构望而却步，针对这一难题，可以通过设计制作小型的立体仓库模型，对其加入控制系统，并通过对其进行模拟调试，再将其研究成果应用于立体仓库的生产研制，这样一来既节约成本，提高效率，也可以更为广泛的开展对于立体仓库的研究。三、教学意义目前，很多高等院校以及职业院校的电子、机械等专业都把PLC列为一项必修课程，因此可以将此立体仓库制作成教学模型，则既可以在教学过程中增加教学的应用性，又可以通过让学生设计不同的PLC程序来达到不同的运行效果，适用于学生毕业
23、设计、课程设计、实习实验等，也适合于研究机构的科研使用，具有一定的教学意义。1.4 本文研究的主要内容本文主要设计了一个自动化立体仓库系统，通过手动或自动两种方式来实现自动化立体仓库货物出入库作业，并且采用智能监控系统的设计来有效的保证自动化立体仓库的安全可靠运行。本文的主要研究内容和结构主要可分为五个章节，分别总结如下：第一章介绍了自动化立体仓库的发展历史、基本组成、优点和缺点，以及国内外立体化仓库的现状和国内立体化仓库的不足之处，分析立体化仓库的发展方向。同时，提出本文所要研究的主要内容。第二章设计了自动化立体仓库的总体设计方案，包括各个模块之间的流程，以及自动化立体仓库系统要实现的功能和
24、各个功能模块的介绍。第三章对立体仓库系统的作了硬件设计，分析了组成各模块的元器件，包括可编程控制器、步进电机模块等等，并对这些硬件的工作原理和功能进行了详细的说明。第四章对自动化立体仓库控制系统进行软件设计，包括所采用的PLC控制器、PLC编程软件、PLC与各模块间的连接、程序流程图以及PLC程序的详细阐述，其中包括手动控制和自动控制、取货物、送货物、状态显示等程序。第五章用组态王设计了一个立体仓库的实时监控系统，采用组态王软件，实现此监控系统的功能，介绍智能监控系统的基本功能。 2 立体仓库系统设计方案的选择2.1 立体仓库系统的组成设计本文所设计的自动化立体仓库系统主要是由人机智能监控系统
25、、控制模块、驱动模块、电机制动模块、机械模块和仓位模块所构成。操作人员可以通过人机智能监控系统界面，实现对立体仓库的所以的控制。它们之间的关系流程设计如图2-1所示：图2-1 自动化立体仓库系统流程图2.2 立体仓库系统各模块功能的设计一、人机智能监控系统人机智能监控系统主要指的是由操作人来进行机械或设备控制的平台，在自动化立体仓库中，人机智能监控系统承担了操作人员控制立体仓库正常运行的作用。操作人员通过人机智能监控接口界面可以向立体仓库发出操作命令。保证了立体仓库系统的运行效率。二、控制模块在对控制模块的设计中，本设计选用的是可编程控制器(PLC)，因为PLC是一种专门为在工业环境下应用而设
26、计的数字运算操作的电子装置，采用可以编制程序的存储器，用来在其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，并能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。因此可以在PLC控制器写入用以控制立体仓库工作的程序，包括初始化程序、货物出库、入库程序等等。当控制器接收到来自人机智能接口界面的命令之后，就可以做出逻辑判断是否响应，然后调用先前设定好的程序执行，从而实现相应的功能。采用PLC控制立体仓库的优点:1) 低成本。利用电力线上网，最大的优点就是成本低。由于利用电力线上网，直接使用现有电力网就可以实现通信，而不需要另外铺设电话线、光电缆等，大大地减少了在基础
27、网络上的投资。2) 范围广。无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。因为家家都有电力线，由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一个家庭。因此，这一技术一旦进入商业化阶段，将会促进电信市场的变革，并给互联网普及带来极大的发展空间。 3) 高速。利用电力线上网能够提供高速传输。德国最大的电力设备生产商RWE承诺，运用他们的电力线上网技术，其速度要比ISDN拔号上网快30多倍，比ADSL更快。足以支持现有网络上的各种应用。更高速率的PLC产品正在研制之中。 4) 便捷。不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就
28、可立即拥有PLC带来的高速网络享受。5) 永远在线。PLC属于“即插即用”，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络。6) 结构灵活。通过PLC技术实现Internet接入，可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率。目前还未有效解决电力线信号通过变压器的技术，因此，电力线通信设备都是集中在220V线路变压器的用户端。7) 家庭数字化、PLC技术能够通过电力线将整个家庭的电器与网络联为一体，在室内的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网，使人们能够通过网络来控制自己家里的电器设备。三、驱动模块驱动模块的信号主要由控制模块输入，它的作用是驱动相应的电机制动装置模块工作，并起到电路的保护的作
29、用，即过压保护、过流保护。四、机械模块电机制动装置模块主要用于带动后续的机械部件运动，机械部件的运动目的就是为了将货物移动到适当的位置，而机械部件本身没有动力，因此需要依靠电机来带动它的运动。要将货物从起始位置运送到仓库中或是从仓库中取出到起始位置，这个过程中对于动作方面主要考虑三个问题：取移放。取，即从某一个地点取下货物的动作，可以是在起始位置取货物准备存放，也可以在某一个仓位取货物。移，即是将货物转移到指定的位置，可以是移动到起始平台，也可以是各个仓位中，所以在这个过程中能够做到准确的定位是非常重要的。放，即是将转移到指定地点的货物放下的动作，可以是放在起始位置，也可以是放在某一个仓位中。
30、五、仓位模块仓位模块一般可以设计成框架结构，在材料的选取上应选用比较坚固的材质，比如钢质或铁质材料，在外形的设计上最好是比较整齐的排列，比如最常用的是阵列式结构，如34型仓位，即横向3排仓位和纵向4排仓位整齐排列，这样比较有利于对货物移送定位的控制。同时在每一个仓位的设计上应考虑到仓位当前状态信息的传递，比如仓位是否已经存有货物，否则如果向已满的仓位再送入货物会导致仓库的运行发生错误或损坏货物以及仓库的硬件设备。2.3 立体仓库参数的数确定表2-1 立体仓库具体参数名 称参数出、入货物品的最大重量100kg每个仓位的高度50cm仓位之间的上下距离20cm仓位之间的平行距10cm可编程控制器（P
31、LC）的电源24V DC本设计的立体仓库有十二个仓库位、有物品出入口位与输出口位，各仓位能自检，其动作示意图所示。立体仓库具体参数表：立体仓库的结构示意图见图2-1所示:图2-2 立体仓库结构示意图2.4 立体仓库系统实现功能的设计自动化立体仓库系统的主要功能是实现货物的出库、入库操作，本文设计的自动化立体仓库可以实现下面一系列的功能：1) 将仓位中的货物送到指定的位置。2) 将某一指定仓位的货物取出。3) 自动将某一位置的货物送到另一位置。4) 将起始位置的货物送到任意位置。5) 从任意位置取回货物放至起始位。6) 各仓位状态的扫描检测。7) 有三个自由度。即：前进、后退、上、下、左、右。8
32、) 前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护。10) 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。11) 当按完仓位号后，没放入或取出前，可以按取消键进行取消该操作。12) 整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。2.5 设计中的问题及解决方案2.5.1 设计中出现的问题立体仓库的功能比较多，因此结构也相对比较复杂，在考虑对立体仓库的设计中有以下几个问题需要解决。1) 在货物的传送过程中如何做到精确而快速定位。2) 在PLC控制器接受到操作命令时如何判断是否应该响应。3) 在传送平台到达货物仓位后应如何进行货物出入库作业。4) 对于传送平台在各个方向的移动如何实施
33、保护措施。2.5.2 解决方案1) 在货物的传送过程中要实现精准定位的最好方法就是采用坐标定位法。可以把货物的移动分解为水平(X轴)和垂直(Y轴)两个方向，通过控制这两个方向上的位移多少，即可以将货物送到准确位置。因此在硬件设计的时候，可以将传送货物的机械装置设计成水平杆和垂直杆，在动力控制上可以采用两个电机，分别给水平移动和垂直移动提供动力，然后通过电机控制送货平台在水平杆和垂直杆上的滑动将平台移到指定位置。为了提高送货平台移送的速度，缩短其到达指定位置的时间，在控制时可将水平和垂直的移动设定为同时进行。当PLC发出一定脉冲，经过驱动器驱动步进电机旋转一定的角度，要想实现步进电机的精确控制，
34、则需要对它的具体运行步数进行计数，步进电机以10cm长为单位长度计算为例，即坐标轴上的每个单位代表现实中的10cm。为了增大转矩提高控制精度，本控制系统所有数据(脉冲频率、数量等)均是以步距角为0.9度为参考制定的。立体仓库模拟装置丝杠上螺纹的螺距为1.8mm，也就是说电机每接400个脉冲所运行的距离为1.8mm。要实现通过输入不同数字使机械到达不同的位置，需要作到的就是控制步进电机走多少个单位长度。2) 对于PLC控制器是否应响应操作命令的问题，可以通过在每个仓位上安装限位开关来实现。限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。当仓位中货物已满时，限位开关可以将此信号传送给PLC控
35、制器，控制器即可根据接收到的信号做出是否响应的判断了。3) 传送平台在到达指定仓位后，可通过平台上的伸叉控制平台的前后和上下移动来进行出入库作业。如果将水平杆和垂直杆的移动方向设为x方向和Y方向，把出入库的前后移动设为z方向。取货的时候，传送平台先向前伸入至货物底部(z方向)，然后往上抬起货物(Y方向)，最后缩回(Z方向)。送货的时候，传送平台先向前伸入至仓位中(z方向)，然后往下放下货物(Y方向)，最后缩回(z方向)，以此来实现货物的出入库作业。4) 对于保护传送平台在各个方向的移动，可以在立体仓库中通过硬件在移动的三个方向上实施保护措施，即X轴极限位保护、Y轴极限位保护、Z轴极限位保护以及
36、X轴、Y轴、z轴协调保护(硬件联锁)，通过以上各种保护开关，可以确保操作人员在编程实验中或者是立体仓库在执行程序出错时，不会损坏该装置。3 立体仓库系统的硬件设计本设计主要是有上位机、可编程控制器、步进电机、行程开关、光电开关、指示灯、按钮开关、拨动开关、旋钮开关等成熟的工控器件组成，本章主要对组成系统的硬件及设备进行简要介绍，并说明这些硬件设备器件在系统中的用途。自动化立体仓库系统的模块中，人机接口界面采用一个控制台，上面有操作人员操控立体仓库的控制面板，电机制动装置采用堆垛机控制；机械部件主要由传送杆以及传送平台构成；仓位模块采用34的结构，每个仓位上都设置了限位开关。3.1 步进电机的选
37、择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。步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机
38、的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。（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。 起制动、正反转、变速等控制方便。 价格便宜,可靠性高。 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
39、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。一、步进电机的选择步迸电机主要为本设计执行元件，之所以选择步进电机就是因为其适用于开环控制，而且其控制精度较高，在供电电源切断时，混合式步进电机具有自定位转矩，因此仍能保持原来的位置，同时也是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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”)，因此，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量
40、，从而达到准确定位的目的。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。本系统所用步进电机为二相八拍混合式步进电机，型号为110BYG250C-0402。此步进电机的主要特点是具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。当前主要应用于监控设备、医疗仪器、工业自动化化设备。技术数据如表3-1所示。两个步进电机的作用为分别控制水平滚珠丝杠转动，从而控制车的定位。电气原理图如下图3-1所示，图中的快接线插头：红色表示A相；兰色表示B相。二、步进电机驱动器的选择步进电机运动控制器则是控制系统的核心部分，它根据控制要求提供给步进电机驱
41、动控制信号，该控制信号包括脉冲信号、脉冲方向信号、控制方式信号。运动控制器提供给步进电机的驱动信号是标准的信号，不论哪种驱动器都接受这样的标准信号，从而为开放式的控制提供了标准接口。这样为步进电机设计的运动控制器就可根据不同的需要与不同的驱动器连接使用。为了控制的方便，步进电机一般可以有两种不同的控制模式可供选择。控制模式就是由控制方式信号来设置的。一种是方向、脉冲模式，在这种控制模式下，脉冲信号控制的是步进电机的运动，脉冲方向信号控制的是步进电机的运动方向(即正、反转)；另一种是脉冲模式，此时这两路信号分别控制步进电机的正转和反转运动，这样对于某些只需要一个方向运动的应用场合，可以省去一路信
42、号，简化设计。图3-1 步进电机的出线圈表3-1 110BYG250C-0402技术数据型号110BYG250C-0402相数2相电流（A）4.0步距角0.9/1.8保持转矩（N.M）12转动惯量（G.CM2）14600重量（KG）8.7外形尺寸（MM）112*112*190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极方式，所以
43、OPTO端须要接到外部系统的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3-2和图3-3。在该立体仓库中由于FP0提供的电平为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3-2 输入信号接口电路 图3-3 外接限流电阻R步进电机驱动器的输出信号有两种:（1）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3-4
44、。 图3-4 初相位信号接口电路（2）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，如图3-5所示。 图3-5 电机与驱动器接线图所以我采用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
45、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名称参数驱动器型号SH-2H057相数二相或四相类别混合式细分数通过拨位开关设定二相八拍最大相电流开关设定3.0A工作电源一组直流DC(24V-40V)3.2 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
46、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。此传感器的电气技术数据如下: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 1515mm)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DC524V10 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DC524V负载电流80mA以下残留电压1.
47、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3，000x以下环境温度动作时：-10+55C 保存时-25+65C(不结冰)环境湿度动作时：585RH 保存时-595RH (不结露)耐久振动1055HZ 上下振幅1.5mm XYZ各方向2h耐久冲击500m/ 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2.6g外壳材质聚碳酸酯(PC)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。3.3 PLC选型在PLC系统设计时，首先确定了控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要
