三菱plc立体仓库设计

中国计量学院电气工程课程设计论文
题目：THFLT-1型立体仓库设计
二级学院机电工程学院
专业电气工程及其自动化班级07电气1班
姓名
指导教师何金龙李刚
2010年11 月 28日
引言
随着国民经济的飞速发展,自动化立体仓库必然会在各行各业中得到越来越广泛的应用。

自动化立体仓库是现代物流系统的重要组成部分，是一种多层存放货物的高架仓库系统，由自动控制与管理系统、高位货架、巷道堆垛机、自动入库、自动出库、计算机管理控制系统以及其他辅助设备组成。

本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FX1N系列PLC作为核心控制元件，专用键盘作为人机接口部件，控制步进电机来驱动一个有三自由度的仓库模型在高强度导轨上做三维运动。

以步进电机每转输出的脉冲数为基础，通过键盘对每个仓位予以地址编码，通过PLC对命令键盘进行扫描并得到相应的仓位号，当PLC 接收到来自键盘的输入命令后，便输出对应仓位的脉冲数，经过驱动器驱动步进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，我们还采用了限位开关对其进行限位保护。

本文首先对该课题的可行性及课题实现的现实意义和价值进行了介绍；其次对该系统的硬件组成、结构、原理进行了阐述和分析；再次对本控制系统的核心——软件进行了编写，论文中即有梯形图又有相应的语句表；最后对设计本课题所学到的知识和结论进行归纳和总结，并对本论文有待完善的地方进行扼要的说明。

任务要求
立体仓库系统
THFLT-1型立体仓库实物教学模型在机械上采用丝杆传动方式，在电气控制方面，可以通过目前市面上比较流行的各类晶体管输出的PLC（如西门子、三菱或欧姆龙等）采集各种传感器信号，对步进电机和直流电机进行较复杂的位置控制及时序逻辑控制，实现仓位定位和送/取动作（X、Y轴完成仓位定位，Z轴完成送/取动作）。

本模型可以实现：将Z轴上的货物送到指定位置；将任意位置的货物送到另一位置；将零号位置的货物送到任意位置；从任意位置取回货物放至零号位；实现低速启动-变速运行-低速停车的功能；0～12号仓位扫描检测等实验功能。

控制要求
系统采用滚珠丝杠、滑杠和普通丝杠作为主要传动机构，电机采用步进电机和直流电机，其关键部分是堆垛机，它由水平移动、垂直移动及伸叉机构三部分组成，其水平和垂直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成，伸叉机构由一台直流电机来控制。

它分为上下两层，上层为货台，可前后伸缩，低层装有丝杠等传动机构。

当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，伸叉电机驱动货台向前伸出可将货物取出或送入，当取到货物或货已送入，则铲叉向后缩回。

整个系统需要三维的位置控制。

设计原理
1．控制面板上的开关及按钮功能及仓位号（见图一、二）
图一控制面板上的开关及按钮功能图二控制面板上的仓位号
按键号功能选择定义
1 自动选择1号仓位
手动机构水平向左移动
2 自动选择2号仓位
手动机构垂直向下移动
3 自动选择3号仓位
手动机构水平向右移动
4 自动选择4号仓位
手动机构水平向后移动
5 自动选择5号仓位
手动机构垂直向上移动
6 自动选择6号仓位
手动机构水平向前移动
7 自动选择7号仓位
手动无意义
8 自动选择8号仓位
手动无意义
9 自动选择9号仓位
手动无意义
10 自动选择10号仓位
手动无意义
11 自动选择11号仓位
手动无意义
12 自动选择12号仓位
手动无意义
2．步进电机驱动器
步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。

驱动器参数如下列图表所示
（1
（2
（3
（4
输入部分输出部分
X0 货台到位限位Y0 横轴脉冲
X1 货台回位限位Y1 竖轴脉冲
X2 货台是否有物Y2 横轴方向I／0 X3 自动／手动(0／1) Y3 竖轴方向I／0
X4 十
六
进
制
输
入键盘值1位Y6 货台前升
X5 键盘值2位Y7 货台退回
X6 键盘值3位Y10
显示
部分就绪
X7 键盘值4位Y11 取
X10 横轴右限位Y12 放
X11 横轴左限位Y13 十位显示
X12 竖轴上限位Y14
BCD
码输
出显
示BCD码1位
X13 竖轴下限位Y15 BCD码2位
Y16 BCD码3位
Y17 BCD码4位X14～X30接0～12号仓限位
操作模式
·手动操作
（1）接通电源。

（2）将选择开关置于手动位置（此时1～6号有效）
（3）分别点动按键←1、2↓、3→、4↙、5↑、6↗，观察水平（X轴）、垂直（Y轴）、前后（Z 轴）各丝杠运行情况，运行应平稳，在接近极限位置时，应执行限位保护（运行自动停止）。

注意：只有X、Y轴运行到相应位置（即左侧数码管显示“”）时，伸叉机构方可运行。

·自动运行
（1）将程序下载到PLC
（2）将选择开关置“自动”位置（通电状态下，各机构复位，即返回零位）。

（3）将一带托盘汽车模型置零号仓位，放置模型时，入位要准确，并注意到仓位底部检测开关已动作。

（4）执行“送”指令
a、选择欲送仓位号，按动仓位号对应按钮，控制面板上的数码管显示仓位号。

b、按动送指令按钮，观察送入动作（若被选择仓位内已有汽车，则该指令不被执行）。

c、指令完成后，机械自动返回。

d、零号仓位已无汽车，则下一个“送”指令（误操作）将不被执行。

（5）执行“取”指令
a、选择欲取仓位号，按动仓位号对应按钮，控制面板上的数码管显示仓位号。

b、按动“取”指令按钮，观察取出动作（若被选择仓位内无汽车，则该指令不被执行）。

c、指令完成后，机构自动复位。

d、零号仓位已有汽车，则下一个“取”指令（误操作），将不被执行。

（6）演示程序中的其它内容
当0#仓位上有货物时，若无外部操作指令，“就绪”灯亮，延时15秒后，自动将货物放在仓库号最小的空位上，依次类推。

如1#、2#、3#、4#都已有货物，程序延时15秒，15秒内若无外部操作指令，自动将货物放在5#仓库。

如1#、3#、4#都已存放货物，15秒内若无外部操作指令，自动将货物放在2#仓库。

在延时的15秒内，若按下数字5#，然后按下“送”键，则运行机构将货物放入5#库，若按下5#键后，想取消此操作，可按下“放弃”键。

此时，程序又处在待命状态，“就绪”灯亮，又可进行其它操作。

（程序只写到6号仓）
PLC控制器与步进电机驱动器工作原理如图所示：
步进电机
1．步进电机的原理
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。

2．步进电机的选择
（1）、步进电动机的特点
①、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。

②、步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比
③、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。

④、起制动、正反转、变速等控制方便。

⑤、价格便宜,可靠性高。

⑥、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。

⑦、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。

⑧、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。

（2）、步进电机驱动系统的基本组成
与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电机不会运行的。

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，如下图所示。

（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，在该立体仓库控制系统中要求步进电动机电压低、电流小、有定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，而且其体积小，具有较高的起动和运行频率，最终确定步进电动机采用2相8拍混合式步进电机。

步进电机的正反转控制
正转相序：A相施加正电压->B相正电压->A无电压->A相负电压->B相无电压->B相负电压->A 相无电压->A相正电压->返回；反转相序反之。

本模型中采用并联型接法，其电气图如下图所示
步进电机驱动器
(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8-1 5mA的驱动电流，参见图3-4和图3-5。

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。

电机型号相数步距角相电流驱动电压额定转矩重量
42BYGH101 2 1.80 1.7A DC24V 0.44N·M 0.24kg
图3-4 输入信号接口电路图3-5 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，其接口见下图。

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，如图所示。

所以采用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。

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)
微动开关的选择
在该立体仓库控制系统中共有13个仓位（四层十二个仓位加0号仓位）分别采用13只微动开关作为货物检测，当有货物时相应开关动作，其信号对应PLC 的x14-x30，另外为保险起见，在X 轴的左限位和Y 轴的下限位处还分别加装了1只微动开关作限位保护，以确保立体仓库在程序出错时不损坏；微动开关原理图如图所示。

常开点
中间接
微动开关原理图
参数计算
取控制步进电机的最大脉冲频率为4000Hz ，则D100=D200=K4000 总脉冲个数为500000个，则D102=D202=K500000 根据经验公式：
max
max
90000
5818t
f f 总脉冲个数
，（其中，t 为加/减速时间）
得：112.5102250t （单位 ms ） 取t=500 ms
则 D104=D204=K500
电气原理图的设计
根据立体仓库的课题设计要求，得出如下图的电气原理图
急停
启
系统流程图
根据系统工作过程的分析得出，示意图如下图所示
主程序流程图初始化流程图
送车的流程图取车流程图
梯形图
小结
本次电气工程课程设计我们选择了THFLT-1型立体仓库，它是一个复杂的中小型控制系统，以三菱FX-1N的PLC作为主控单元进行控制系统设计，采用了手动和自动两种控制方式，保证系统的可靠运行，满足了立体车库的控制功能和使用要求。

选择了这个课题，是因为没有选上交通灯，就随便选了一个，后来具体去做了才发下它难，真的很难！不论是去图书馆还是网上查资料，其他几个题目都能找到很多的资料，像交通灯和电梯这些基本是没本PLC实例书的必备例题，唯独这个立体仓库很少有资料提到，好不容易找到一些类似的，也是用西门子和松下的PLC做的，而我们学的又是三菱FX-2N的PLC，而且程序长度达到了近2000行，所以阅读起来也并不轻松。

这个设计，主要是通过PLC对步进电机、直流电机进行较复杂的开关量控制、位置控制及时序逻辑控制，实现仓位定位和物料送/取的功能。

其中自动堆垛机和货台的移动速度和距离，都是靠PLC发送脉冲来控制电动机的转速和旋转圈数来实现的。

这个模型中的仓库是立体的，所以需要对他们建立三维的坐标轴来描述其空间位置，这个在我们以前的PLC课中并没有学过，所以对于我们来说，要编这样的程序比较难。

还有控制要求中要求仓库有扫描检测等功能，也就是说要求它在一定时间内无人控制的话，要自动的将货物摆放到合适的位置，这对我们来说也是个艰难的任务。

该模型还要求低速启动-变速运行-低速停车的功能，原先以为会很难，后来发现了DPLSR指令，可以10级变速发送脉冲，就轻松的实现了这项功能。

我们找了一些用各种PLC编写的类似的程序，和一些功能模块，经过一些列翻译加修改，最终完成了这个程序。

本次设计，使我认识到PLC没以前想得那么简单，以前学的不过是些皮毛。

我也学习到了更多有关PLC的知识，学习的耐心上也得到了提高，总之，受益匪浅。

参考资料
[1]李胜多张还.《可编程控制器原理与应用实训》中国电力出版社，2010.1
[2]付家才.《PLC实验与实践》高等教育出版社，2006.5
[3]周恩涛. 《可编程控制器原理及其在液压系统中的应用》机械工业出版社，2003.2
[4]郑萍. 《现代电气控制技术》重庆大学出版社，2008.5
[5]《基于PLC的立体仓库控制系统的设计》
[6]《FX系列PLC用户手册》
[7]张运刚宋小春郭武强. 《从入门到精通—三菱FX2NPLC技术与应用》人民邮电出版社2007.2。