自动化立体仓库

前言

随着企业的持续稳定发展，经济全球化步伐也迅速，我国的工业也出现了翻天覆地的变化，一方面高科技的加工工艺越来越得到推广，加工效率也得到了大大的提高。与此同时原有的物流和仓储系统已不能满足新形势的要求,建立一个集物流、信息流和资金流于一身的自动化物流管理中心,从而降低企业综合物流成本,提高企业综合效益便成为目前亟待解决的问题。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， 而且自动化立体仓库是现代物流与仓储系统的重要组成部分，具有货物存取效率高和自动化程度高、很强的入出库能力等优点。而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。完全满足立体仓库工作环境和控制系统的要求。。

但是由于立体仓库前期投入大，需要专业人才从事维护，维持费用高， 只有资本雄厚的企业才会重视立体仓库，成本成为立体仓库发展的限制因素，因此如何降低立体仓库的成本或者设计中小型立体仓库自然成为重中之重更利于推广与普及。本设计就是针对那些中小型企业而设计的采用三菱FX1N系列PLC作为核心控制元件的中小型字体仓库，而且结构可以灵活调整，既可以是单排或者双排货架的自动化立体仓库，也可以是自动化立体车库，可以根据需求调整。采用专用键盘作为人机接口部件，具有手动和自动操作，可根据用户需求人机之间进行信息交换，作控制步进电机来驱动一个有三自由度的小车在高强度导轨上做三维运动来完成一系列动。

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1 绪论

1.1 自动化立体仓库的发展情况及发展趋势

随着现代工业生产的发展，柔性制造系统(FlexibleManufacturing System)、计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System)和工厂自动化(Factory Automation)对自动化仓库提出更高的要求。射频数据通信、条形码技术、扫描技术和数据采集越来越多地应用于仓库堆垛机、自动导引车和传送带等运输设备上，移动式机器人也作为柔性物流工具在柔性生产、仓储和产品发送中日益发挥重要的作用。实现系统的柔性化，灵活的传输设备是实现物流和仓储自动化的趋势。

美国学者J．A．White将自动化立体仓库的发展分为五个阶段：人工仓储阶段、机械化仓储阶段、自动化仓储阶段、集成化仓储阶段和智能自动化仓储阶段。目前，智能自动化仓储技术虽然还处于初级发展阶段，但它将是主要的发展方向。

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，建立了第一座计算机控制的立体仓库。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。

我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963研制成第一台桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所），1973开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械部起重所负责），该库1980年投入运行。到2003年为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。现在，自动化物流技术和成套设备的研发已经发展成了一个庞大的产业。目前，国外自动化立体仓库采用扫描技术， 提高信息的传输速度和准确性：采用射频数据通信技术，数据的采集、处理和交换能够在搬运工具与中央计算机之间快速进行，使物品的存取和发送信息做到快速、实时、可靠和准确。另外，近年来迅猛发展的多媒体技术也在自动化立体仓库中得到越来越广泛的应用，普遍应用于人员培训、操作指导、远程现场监视、异地故障分析和诊断及防火防盗等方面。

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但是国内的自动化立体仓库系统具有一定的局限性，主要以单机为主，系统整体的集成能力和集成水平低；因为资金不足，许多外围设备如AGV系统、码垛和拆垛等无法应用于物流系统，从根本上限制了这些设备的研制和发展；仓储作业的计算机管理水平较低。因此不论从自动化物流系统的设备品种及技术水平，还是在应用的广度和深度上与国际水平都还存在着相当大的差距。

1.2 自动化立体仓库的发展趋势

随着自动化技术和信息技术在自动化立体仓库广泛运用，自动化立体仓库的发展将呈现以下趋势：

(1)仓储作业管理自动化水平将会逐步提高。 (2)智能技术将会获得应用。 (3)仓库作业向柔性化方向发展。

(4)建设自动化立体仓库方面更加注重实用性和安全性

1.3 本课题的研究意义及研究目的

自动化立体仓库又称立库、自动存取系统AS/RS(Automatic Storage& Retrieval System)，是一种用高层立体货架(托盘系统)储存物资，用电子计算机控制管理和用自动控制堆垛运输车进行存取作业的仓库。

使用自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。它通过高层货架存储，使存储区大幅度地向高空发展，提高了空间利用率；自动化立体仓库采用层积式存放，结合计算机管理，可以很容易实现先入先出，防止货物的自然老化、变质和损坏；通过自动存取系统(AS/RS),加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度；采用自动化技术后，还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要；计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了货物处理和信息处理过程中的差错；同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管理的自动化。同时，由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，也提高了操作人员素质和管理人员水平。

自动化物流控制系统具有信息处理、系统控制、系统监视、系统管理等多种功能，集信息流和物流于一体，是现代化企业物流和信息流管理的重要组成部分。

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自动化控制系统在现代物流系统中起着承上启下的重要作用，根据上位调度管理计算机下达作业任务，控制系统自动完成对设备的运行、停机、故障、报警等各项过程的控制。同时将作业完成情况和设备状况实时上报上位调度管理层，使上位系统实现对设备运行状况、物流位置和物流数据的管理与监控。自动化控制系统作为自动化物流系统中的一个重要组成部分，对于提高物流系统的物流控制功能和作业效率，具有关键的作用。

自动化立体仓库是一个复杂的综合自动化系统是现代物流技术领域中出现的一种新型仓储方式。自动化立体仓库自诞生以来就受到了极大关注，对其相关技术和管理的研究从未停止过。在现代社会，随着生产方式和技术革命性的变革，自动化立体仓库已经成长为支持企业和社会经济活动的重要因素，其经济和社会效益逐渐被人接受，自动化立体仓库也成为企业和社会投资的重点。而且自动化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。 立体库的空间利用率与其规划紧密相连。一般来说，自动化高架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”。自动化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”，也是当今自动化仓库发展的一个明显的技术趋势。

本课题研究的目的在于，随着自动化立体仓库系统控制技术的蓬勃发展，探索自动化立体仓库新的控制技术，结合现代科技的发展水平，用技术创新的思想，在实现自动化立体仓库的Integrated(集成化)、Intelligent(智能化)、Information(信息化)方面进行研究。为提高自动化立体仓库先进性、可靠性，提高其经济效益和社会效益，提高我国的物流技术水平做出我们应有的贡献。堆垛机控制系统和货位的优化分配研究已经取得了较大的进展，但随着现代物流的发展，问题的复杂程度和求解精度要求的不断提高，现有的研究方法还不能满足现代物流的控制要求，需要发展更为高效的优化方案。

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1.4 本课题的研究内容

本课题主要研究中小型自动化立体仓库的自动控制系统，具有专用的人机信息交流界面控制面板，可以实现手动和自动货物存取功能。存取货物还可以实现全自动，为节省PLC成本，采用三菱的矩阵输入指令等高级宏指令，扩展了PLC的输入和输出点数。而且利用PLC软件实现货架上有无货物的检测，节省了货物检测传感器的成本投入，步进电机也是通过PLC软件进行控制其正转、翻转和加减速。

根据自动化立体仓库运行的基本原理，通过大学阶段所学的知识设计一套基于PLC的自动化立体仓库运动的控制系统，具有根据用户的输入，三个坐标方向电机能够准确移动、定位以实现物品的正确存放功能。具体完成的任务如下： （1） 命令键盘的设计。

（2） 熟练掌握PLC程序设计方法。 （3） 应用PLC完成硬件电路的设计。 （4） 设计出相应的程序，并且通过调试。 （5） 在立体仓库模型上进行物品装卸试验。

通过对仓库模型控制系统的设计研究，能够对自动化立体仓库设计的基本工作原理有一定的认识，并且对大学阶段所学知识能够进一步的深化，对理论知识和实际应用之间的相互转化有更具体的理解，特别是对PLC技术、数字电路、机电一体化技术有了更进一步的认识。以及PLC的程序设计有了更认真地学习和运用。

另外，通过对此课题的学习研究，还可以培养自己独立解决实际问题的能力，为以后学习打下基础

1.5 方案论证

目前自动化立体仓库已随着经济的发展开始越来越流行起来，其设计也在不断的趋向于完美化，本仓库模型系统的设计也有很多不同的方法。我们对仓库模型控制作了两种设计方案，并对其进行了研究和讨论

方案一：基于单片机的仓库模型控制系统的设计。采用单片机作为主控制器来控制步进电机的控制系统，系统所要设计的控制电路较多，较为复杂。而且整个控制系统的开发周期长。由于需设计的电路居多，所以系统的软件程序设计复杂，难于实现[12]。

方案二：基于PLC仓库模型控制系统设计，它具有很多其他设计方法不可比拟的优点：

（1） 可靠性高、环境适应性强：可编程控制器输入/输出端口均采用继电器和光电耦合器件，采取了隔离和抗干扰措施，所以具有很高的抗干扰能力； （2） 通用性好： 由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU 模块、电源模块、PID 模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性[14] 。

（3） 使用方便、灵活：对于不同的控制系统，当硬件结构选定后，如果输入/输出作很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线做较大的修改，减少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。 （4） 具有顺序、周期性的工作特征。

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（5） 体积小；由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化。

综上所述：我们选择方案二，即PLC作为设计中的主控制系统，能够很好的满足设计要求，达到设计的目的。

1.5本章小结

本章首先从国内和国外两个方面简要介绍了自动化立体仓库的发展状况，并指出了自动化立体仓库的未来发展方向；其次简要介绍了本课题的研究背景、意义及目的；最后给出了本次设计的自动化立体仓库的研究内容即本设计系统所能完成的功能；还有我们为什么会选择使用PLC完成对本系统的控制，及其优点。

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2 可编程控制器的介绍

2.1 PLC的定义及功能简介

可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它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。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。 可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会（IEC）曾先后于1982.11；1985.1和1987.2发布了可编程序控制器标准草案的第一，二，三稿。

在第三稿中，对PLC作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 PLC是近年来发展极为迅速、应用极为广泛的工业控制装置。它将传统的继电器控制技术、自动化技术、计算机控制技术和通信技术融为一体专门为工业控制而设计，具有可靠性高、功能强、编程简单、使用方便、环境适应性好以及体积小、功耗低等特点；具有基本控制功能、步进控制功能、模拟控制功能、定位控制功能、网络通信功能、自诊断功能、显示监控功能等，可以满足对工业生产进行监视和控制的绝大多数场合的需要。PLC最常用的语言是面向控制的梯形图语言，它采用了与实际电器原理图非常接近的图形编程方式，易学易用[16]。具体特点如下：

（1） 所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外部电路与PLC内部电路之间电气上隔离，使其安全工作。

（2） 各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms； （3） 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 （4） 采用性能优良的开关电源。

（5） 一旦电源或其他硬件等设备发生异常情况，CPU立即采用有效的措施，以防止故障扩大。 （6） PLC可以真对不同的工业现场信号有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备[17]。

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2.2 PLC的分类

自动化立体仓库通常有以下几种分类方式，按建筑形式可以分为整体式和分离式；按自动化仓库与生产连接的紧密程度可分为独立型(也称离线型)、半紧密型和紧密型仓库(在线型)；按货物存取形式可以分为单元货架式、拣选货架式；按照在生产流通中的作用可以分为生产性仓库和流通性仓库；按货架的结构形式可以分为单元货格式、贯通式、水平循环式和垂直循环式，其中以单元货格式仓库使用最广。按容量和功能分为小型机、中型机、大型机。

小型PLC一般以开关量控制为主，它的输入/输出点数适合于接触器、继电器控制的场合，还能直接驱动电磁阀等执行元件。这类PLC价格低廉、体积小巧，适合于控制单台设备，开发机电一体化产品。

中型PLC不仅有开关量和模拟量的控制功能，还具有数值计算能力。为了将温度、压力、流量等模拟量转化为数字量，一般都带有A/D转化器，中型机指令也比小型机丰富。还有微分、积分、比例、整数、浮点运算等模块功能。适用于有温度控制和开关动作复杂的机械及连续生产过程。

大型机已经于工业控制计算机相近，它具有计算、控制和调节的功能，还具有网络结构和通讯联网能力。这类机型点数都在100点以上，内存容量64K以上。大型机适用于设备自动化控制，过程自动化控制和过程监控系统中。

2.3 PLC的选型

2.5 PLC的各个组成部件及工作原理

PLC的工作原理具体如下：

PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等到扫描到该触点时才会动作[18]。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段[18]。具体过程如下： （1） 输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内，输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的数据和状态也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （2） 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按照先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯

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形图所规定的特殊功能指令。 （3） 输出刷新阶段

当用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，在经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC真正的输出[19]。

1.CPU——是PLC的核心部分。与通用微机CPU一样，CPU在PC系统中的作用类似于人体的神经中枢。其功能：

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（1）用扫描方式（后面介绍）接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器；

（2）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；

（3）诊断电源和PC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误； （4）在PC进入运行状态后： a）

执行用户程序——产生相应的控制信号（从用户程序存储器中逐条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路）

b）进行数据处理——分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务

c）

更新输出状态——输出实施控制（根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等）

2.存储器

系统程序存储器——存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令

解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数

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3.2 本输送系统的基本控制要求

1 接通电源，将选择开关置于手动位置，分别按下↑、↓、←、→后观察各方向运动情况，小车在高强度丝杠上运行平稳，在接近极限位置时，执行限位保护。

2 将选择开关置于自动位置，通电状态下，各机构复位，即返回零位。立体仓库坐标定位以零位开始。

3 当送货的时候，选择欲送货物的仓位号，按动仓位号对应的按钮，控制

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面板数码管显示仓位号。按送货按钮后，货物自动送入指定的仓位号对应的仓库位里。若被指定的仓位号里有货物，则送货命令不被执行。送货完成后，小车自动返回原来的位置。

4 当取货的时候，选择欲取货物的仓位号后，在控制面板的数码管里显示出来，按动取货按钮后，可以自动将货物取出。如果小车里有货物，则取货命令不被执行。取货与送货装有互锁开关，防止发生故障。

5 取货和送货指令完成后，机构自动返回原来位置。

6 当小车内有货物时，若无外部操作，就绪指示灯亮，十秒后程序把最大仓位号里的货物转运至没有放货物的比它小的仓位号所对应的仓位里。上述自动优化放货只对1～6号仓库适用。

7 需用手动取货时，必须在断电状态下进行。

8 通过控制面板可以控制步进电机，正反转和加减速。可提高送货效率。 了保护人身、设备和货物的安全，堆垛机必须具有完 善的安全保护措施：

1 ) 堆垛机在行走、载货台升降和货又伸缩终端处都设有 机械和电气限位装置。

2 ) 货物检测载货台上设有货物超高、超长和超宽检测装 置。在货物进入载货台时，当检测到货物超过设定高度、长 度或宽度时， 堆垛机便停止运行并报警。 一般允许误差为3 0 ～ 4 0 m m，检测元件采用对射或反射式光电传感器。 3 ) 载货台上还设有检测货又是否回位、货叉上有无货物 和货位中有无货物的装置。如货叉没有回位，堆垛机不能水 平运行；如货叉上已有货物，则不能再取货；入库时，必须 检测货位中有无货物，以避免发生事故。

4 ) 断电保护 如载货台升降过程中忽然断电， 则通过提升 电动机制动使载货台停在当前位置，不会掉下来。

3.3 本仓库系统的基本物流过程与控制面板

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控制面板接受指令 数码管 仓位号显示 送货指令 送货 取货指令 PLC 检测有无货物 无/有 有/无 送货指令 无/执行送货 有/指令不执行 有/执行无/指令不执取行 货动作完成后，返回原点等待下一个命令的执行 物流过程示意图

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控制面板示意图3.4 输入与输出点数（I/O）的分配 输入：

X0 按钮0 X7 X42 X100 X10 X11 X12 按钮7 自动 电源 按钮8 按钮9 手动 X16 X17 X1 按钮1/手动向左 X2 按钮2/手动向下 X3 按钮3/手动向右 X4 按钮4/手动向外 X5 按钮5/手

数码管显示控制面板就绪07手动自动停89取送3取45126送电源控制面板示意图

送 取 X18 左限位开关 X19 右限位开关 X20 Z轴里侧限位开关 X21 Z轴外限位开X23 X轴2位置行程开关 X24 X轴3位置行程开关 X25 X轴4位置行程开关 X26 X轴5位置行程开关 X27 X轴6位置行程开关 X28 X轴7位置行Page 19 of 31

动向上 X6 按钮6/手X15 动向里 X32 Y轴1位下X33 限位 X35 Y轴2位上X36 限位 X38 Y轴4位下X39 限位 注：X50～57 矩阵输入 输出： Y8 就绪指示灯 Y9 停 X22 Y轴1位上X34 限位 Y轴3位下X37 限位 Y轴4位上X40 限位 关 X轴1位置行程开关 Y轴2位下限位 Y轴3位上限位 Y轴5位下限位 X29 X30 X31 X41 程开关 X轴8位置行程开关 X轴9位置行程开关 X轴10位置行程开关 Y轴5位上限位 取货指示灯 Y10 送货指示灯 Y11 小车沿X轴右行 Y12 小车沿X轴Y13 小车沿Y轴Y14 小车沿Y轴Y15 小车沿Z轴左行 上行 下行 里行 Y16 小车沿Z轴 外行 注：Y0～Y7 数码管显示输出 、Y20～Y26矩阵输出

3.5输送系统的PLC程序设计

3.5.1 编程过程中的问题及其解决方法

由于PLC的输入与输出点数直接决定了其价格，因此在实现更多功能的基础上，为了降低成本，程序设计的基本原则是尽量减少其I/O点数。

1、若用PLC直接驱动数码管，需要占用大量的点数，本设计中采用，三菱PLC的高级应用指令7段数码管扫描应用指令。

该指令使用范例：

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⑴当触点闭合后，将D1的值送到Y0～Y7外部布线的七段数码管显示。 ⑵4位数数据送到七段数码管必须使用12次的扫描时间，传送完毕时，M8029触点闭合。

⑶执行SEGL指令时，扫描时间大于10ms。

⑷晶体管输出PLC的输出电压为1.5V，必须选用合适的数码管。 ⑸四位数一组七段灯管与PLC的输出外部接线如图

2、以上数码管显示要由十键输入指令来配合一起使用，本指令也是三菱FX系列PLC高级指令。控制面板上的十个按键就是配合十键输入指令进行信息输入的。其具体用法及接线图如下：

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⑴当X100闭合时，从指定的X0开始的十个输入端，代表0～9，如下图

⑵ 假设按键顺序为X5、X6、X3、X10，则将结果5638保存在D0寄存器中。 ⑶ D0最多容纳9999，超过四位数时，最前面的位数溢出。

⑷ 若使用32位DTKY指令，则D0最多为99999999。本设计中不用它。 ⑸当触点X100断开时，前面输入的值继续保留。

3、从设计的基本原则出发，且由于本仓库系统有库位50个，要检测每个库位，是否有货物，若用50个传感器则必定大大的增加成本，若在软件中完成检测，如果每个仓库位都分别定义的话，增加50个输入点数，势必使PLC的成本升高。因此用矩阵输入指令，就可以解决这个问题。其具体用法解释如下：

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⑴使用矩阵输入的外部布线图如下：

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详细布线图请点击下超级链接： CAD\\矩阵输入示意图.dwg

⑵ S表示连接输入端的起始号，从该号码开始算起连续8点位矩阵输入端，本设计中指定的为X50

⑶ D1则是指定矩阵扫描的起始号码，配合n值来决定点数，本设计中起始号为Y20，n=7 程序在执行时是，顺序扫描Y20～Y26.

⑷ D2表示读入结果的起始号码，例如本设计中用M10，则代表M10～M17、M20M～27、M30～M37、M40～M47、M50～M57、M60～M67、M70～M77。

⑸ 使用本指令每列读取时间大约为20ms，本设计中为7列，时间为大约140ms。因此ON/OFF速度快于140ms的输入信号就不适用与本指令。

3.5.2 程序中应用的复杂指令的PLC接线及解释 七段灯的译码表如下：

十进制 4Bit 七段灯 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 显示值 1 2 3 4

0001 0010 0011 0100 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 24

0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 2 3 4

5 6 7 8 9 0 0101 0110 0111 1000 1001 0000 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 6 7 8 9 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 七段灯示意图

3.5.3 PLC程序的编制

4 步进电机的选择与控制

步进电机作为本系统的动力驱动元件，控制其稳定性是至关重要的本章将具体介绍，三相六拍式步进电机的控制原理。

4.1步进电机的介绍及选型

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步进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，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。它的时序为脉冲正序列为A→AB→B→BC→C→CA,反序列为CA→C→BC→B→AB→A。按照时序循环输入就可以通过软件控制来实现。当将时序输入按照与正转时序相反的顺序输入时，就可以实现步进电机的反转。

4.2 步进电动机驱动器的工作原理及型号

不管是那一种类型的步进电机，其运动控制系统都是相似的。均属于开环控制系统，一般主要由步进电机运动控制器（本设计中步进电机运动控制器为PLC）、步进电机驱动器和步进电机三部分组成。

本设计步进电机驱动器主要包括环形分配器和功率放大器两部分。其中环形分配器又称脉冲分配器，它根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到步进电机的各相绕组，使步进电机按一定的方式运行；并实现正、反转控制和定位控制。由于输出的功率极小，所以脉冲分配器不能直接驱动步进电机工作，必须通过功率放大器进行放大，才能给步进电机各相绕组提供足够的电流。

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[21]。

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，可以省去一路信号，简化设计。

4.3 步进电机的正反转及速度的PLC控制 4.3.1控制要求

①步进电机的通电方式为三相六拍（脉冲正序列为A→AB→B→BC→C→CA,

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反序列为CA→C→BC→B→AB→A）

②步进电机的工作方式为手动跟自动。手动时，按正转按钮电机每次正转一拍，按反转按钮，电机每次反转一拍。自动方式时，按启动按钮，电机连续正转，按反转按钮，电机连续反转。按加速按钮，电机加速，按减速按钮，电机减速。

4.3.2 I/O分配表 输入 说明 X0 总开关 X1 手动/自动开关 X2 正转 输出 说明 Y0 A相功放电 Y1 B相功放电 Y2 C相功放电 输入 说明 X3 反转按钮 X4 减速按钮 X5 加速按钮 4.3.3 控制程序 PLC\\电机控制\\Gppw.gps 4.3.4 程序说明

①本程序中采用定时器T246为脉冲发生器，设定值为K200～K1000（即200～1000ms），则步进电机可获得1～5步的变速范围。

②当X3为‘OFF’时，输出正脉冲序列，步进电机正转。接通总开关X0，T246以D0的预置值K500开始计时，时间到，T246的常开触点闭合，执行DECO指令，根据D1的数值，第一次为0，使M10为ON，Y0输出，步进电机A相通电；D1加1，T246自行复位后又重新开始计时，时间到，T246常开触点又接通，执行DECO指令，根据D1的数值，（此时为1）则使M11为ON，使Y0、Y1输出，

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步进电机的A、B相同时通电；D1加1，T246自行复位后又重新开始计时，时间到，T246常开触点又接通，执行DECO指令，根据D1的数值，（此时为2）则使M12为ON，使Y1输出，步进电机的B相通电；D1又加1，T246自行复位后又重新开始计时，时间到，T246常开触点又接通，执行DECO指令，根据D1的数值，（此时为3）则使M13为ON，使Y1、Y2输出，步进电机的B、C相同时通电；程序继续执行，D1又加1，T246自行复位后又重新开始计时，时间到，T246常开触点又接通，执行DECO指令，根据D1的数值，（此时为4）则使M14为ON，使Y2输出，步进电机的C相通电；D1再加1，T246自行复位后又重新开始计时，时间到，T246常开触点又接通，执行DECO指令，根据D1的数值，（此时为5）则使M15为ON，使Y0、Y2输出，步进电机的A、C相同时通电；完成脉冲序列的正转输出要求。当M16为ON时，D1复位，重新开始新一轮的脉冲序列的产生，步进电机连续正向运转。

③当X3为ON时，输出反向序列脉冲，步进电机反转。分析方法同上。 ④每次按下减速按钮X4时，每隔0.1秒（M8012的时钟周期为100ms）将D0的当前值与K1000比较，若D0﹤K1000，则使D0增加1，输出脉冲频率降低，电机减速。

⑤每次按下加速按钮X5时，通过CMP指令，将D0的当前值与K200比较，只要D0﹥K200，则使D0的数减小，输出脉冲频率增大，电机加速转动。

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5 实验环节

5.1 5.1 实验目的与实验要求

根据实验室现有设备进行自动化立体仓库的控制实验，完成两个货位的取货与送货。

5.2 实验设备

自动化立体仓库模拟实验架、直流电机、三菱FX1N系列PLC、三菱专用编程软件、个人计算机、电源

5.3 实验内容

5.3.1 控制要求

将货物放到送货台上后，按启动按钮，自动将货物送到小车旁边，由传感器控制送货台停止后，小车接收传感器脉冲将货物取入小车内，自动放入指定的货位里，送货完成后，小车自动回到原来的位置。当要取货时，小车自动到指定仓位将货物取出放到出货台，同样由传感器发出脉冲，出货台将货物送出。

5.3.2 输入与输出点数分配 X0 X轴1位置 X11 X轴10位置 X1 X轴2位置 X12 X轴11位置 X2 X轴3位置 X13 Y轴前向限位 X3 X轴4位置 X14 Y轴中向限位 X4 X轴5位置 X15 Y轴后向限位 X22 Z轴3位置上限位 X23 Z轴3位置下限位 X24 Z轴4位置上限位 X25 Z轴4位置下限位 X26 Z轴5位置上限位 X5 X轴6位置 X16 Z轴1位置上限位 X27 Z轴5位置下限位 X6 X轴7位置 X17 Z轴1位置下限位 X30 小车处物料检测 X7 X轴8位置 X20 Z轴2位置上限位 X31 进料出物料检测 X10 X轴8位置 X21 Z轴2位置下限位 X32 出料处物料检测 输出

Y0 沿X轴向右 Y3 沿Y轴向后 Y6 进料处传送带 Y1 沿X轴向左 Y4 沿Z轴向上 Y7 出料处传送带 Y2 沿Y轴向前 Y5 沿Z轴向下 5.3.3PLC外部接线

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5.3.4 实验编程与调试

立体仓库实验\\立体仓库.dvp

5.3.5 实验演示

立体仓库实验\\立体仓库.mpg

5.4实验总结

本系统通过最终调试表明本控制系统能够较为准确地完成对货物的存取功能，而且运行比较灵敏、可靠、。但同时也暴露出了一系列问题，在具体应用中可以采用半闭环控制，传感器采用旋转编码器，旋转编码器安装在传动丝杠轴端，既能判定速度，又能确定位置，比较精确可靠。驱动采用步进电机驱动，转速可以提高，力矩也较大，灵敏度也高，更接近与实用。

另外在工作台上安装机械自锁，以提高安全。在智能化上可以提高，在工作台上安装接近传感器，防止工作台与仓库、存放货物等相撞。增加记忆、逻辑判定、自动存放、自动提取、采用条形码识别自动执行等方式。利用上位机编程

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组态软件，来提高控制方式增加数据分析等工作能力。

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