（完整版）小型立体仓库电气控制系统的设计毕业论文

综合毕业实践报告(论文)

综合毕业实小型立体仓库电气控制系统的设践题目：

计 系 电气工程系 所学专现代应用电器与电

子 部: 业：

学生*** 班440310 学号： ******** 姓名： 级： 起迄2006.2至2006.6 日期： 实践江苏省移动通信第二话务中心 地点： 指导*** 专业技术职讲师 教师： 务： 顾问 教师：

2006 年 6 月

摘 要

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。

本课题的电气控制是由日本三菱公司生产的FX2型可编程序控制器(PLC)、步进电机驱动电源模块、开关电源、位置传感器等器件组成。该电气控制系统分手动和自动两种方式。它实现的功能主要有：取（由零位出发到指定仓位号取货并送到入货台）；入（到零位取货并送入指定仓位号）等等，在执行完任务后自动返回到零位等待下一个指令。

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。

关键词:立体仓库 电气控制 PLC 步进电机 物流管理

目 录

第1章 论???????????????????????????1

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第2章 硬件分 ????????????????????????4

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第3章 元器件的择 ?????????????????????9

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第4章 软件分 ????????????????????????20

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第5章 结论与选

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参考文

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第一章 绪 论

随着国民经济的飞速发展,自动化立体仓库必然会在各行业中得到越来越广的应用。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。通过出入输送系统将货物送至仓库货架前，由巷道堆垛机实现自动出库和入库存，整个过程通过计算机网络化管理和自动控制系统。 1.1 立体仓库在自动化生产过程中的重要性

自动化立体仓库具有普通仓库无可比拟的优越性。首先是节约空间、节约劳力。据国际仓库自动化会议资料：以库存11000托盘、月吞吐10000托盘的冷库为例，自动化立体仓库与普通仓库比较情况为：用地面积为13%、工作人员为21.9%、吞吐成本为55.7%、总投资为63.3%。立体仓库的单位面积储存量为普通仓库的4-7倍。其次是提高仓库管理水平，减少货损，优化、降低库存，缩短周转期，节约资金。近年来，特别在冷冻行业，自动化立体仓库的发展极快。

自动化立体仓库（以下简称立库）系统，能在计算机的控制下，实现自动化入库管理、在库管理、出库管理、盘库管理、具有自动查询管理功能。系统管理计算机能与上位（工厂）中心计算机连通，能与全厂计算机相互通讯，及时汇总提供库存信息；监视货物流向；具有经济情报分析功能；具有先进的功能及设备进行故障检测和查询显示功能。立库可充分利用空间，减少占地面积，有效利用仓储能力，合理减少库存，高速存取,加快储备资金周转，适应现代企业的柔性化生产。可广泛应用于医药、电子、汽车、机械、化工等行业。 1.2 此课题的设计内容及主要思路

该立体仓库主体由底盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。

机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成，采用步进电机作为拖动元件。

该控制系统主要由日本三菱公司生产的FX2型可编程序控制器(PLC)、步进电机驱动电源模块、开关电源、位置传感器等器件组成。小型立体仓库的电气控制系统由PLC来实现，控制系统分手动和自动两种方式。

此系统实现的功能主要有：取（由零位出发到指定仓位号取货并送到入货台）；入（到零位取货并送入指定仓位号）等功能，在执行完任务后自动返回到零位等待下一指令。

小型立体仓库的应具备的功能主要有几下几点：

1、开机时首先要回零位操作，这样的目的就是给堆垛机有个工作参考点；

2、堆垛机（机械手）要有三个自由度，即：前进、后退；上、下；左、右；

3、堆垛机的运动由步进电机驱动，伸缩由直流电机控制（Y方向）； 4、堆垛机前进（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行； 5、堆垛机前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护；

6、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；

7、仓位共有12个，3行4列；

8、当按完仓位号后，没按入或取前，可以按取消键进行取消该操作。 9、整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。

本系统设计的主要思路是：第一、对系统进行整体规划，此阶段主要进行资料搜集和阅读工作；第二、对系统的硬件原理的理解和消化并对其

进行合理地选择；第三、对系统软件的编写并在模拟系统中进行软件的核对；第四、在时间允许的情况下对系统进行运行调试；最后、整理资料进行论文撰写工作。 1.3 此课题设计的可行性

由于仓储物流设备是在通用的场合使用，工作并不很繁重，因此具有操作方便，易维护并具有耐久性、无故障性和良好的经济性，以及较高的安全性、可靠性和环保性。这类设备批量较大、用途广，考虑综合效益，可降低外型高度，简化结构，降低造价，同时也可减少设备的运行成本。随着物流的多样性，物流活动的系统性、一致性、经济性、机动性和快速化，要求一些设备向专门化方向发展，又有一些设备向通用化、标准化方向发展。

此课题的控制系统主要由PLC来控制，目前PLC生产厂商较多易于购买，且使用寿命和低故障率是世人所共认的。又因PLC控制程序能够实现生产过程的优化，降低物流系统的故障率，提高生产质量和生产效率。而PLC所用的电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。PLC 不用进行额外布线可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。从硬件设备购置方面来说已备设计条件；其次此课题从设计时间和系统的调试角度考虑也完全可以做到，因为该课题有四个月左右的时间，设计时间应该足够；再次，此课题的设计是在具有四年PLC设计和维护工作经验的侍寿永老师的指导下进行的，并在我校实验室已有设备的基础上设计和调试的。从这以上几个方面来说，此课题的设计是完全可行的。 1.4 设计此课题的实用价值及现实意义

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。

第2章 硬件部分

2.1 立体仓库的基本结构

立体仓库主体由底盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。

机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成，采用步进电机、直流电机作为拖动元件。

电气控制是由日本三菱公司生产的FX2型可编程序控制器(PLC)、步进电机驱动电源模块、开关电源、位置传感器等器件组成。

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

表一、控制面板上的按钮功能表

按键号 1 手动 自动 2 手动 自动 3 手动 自动 4 手动 功能选择 自动

定义 选择1号仓位 机构水平向左移动 选择2号仓位 机构垂直向下移动 选择3号仓位 机构水平向右移动 选择4号仓位 机构水平向后移动

自动 5 手动 选择5号仓位 机构垂直向上移动

自动 6 手动 自动 7 手动 自动 8 手动 自动 9 手动 自动 10 手动 自动 11 手动 12 自动 手动 无意义 选择12号仓位 无意义 无意义 选择11号仓位 无意义 选择10号仓位 无意义 选择9号仓位 无意义 选择8号仓位 机构水平向前移动 选择7号仓位 选择6号仓位

2.2 立体仓库的硬件原理 2.2.1 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。

2.2.2 步进电机驱动器的原理

当物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原先的信号相比较，产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号相关的直流信号输出电平。

2.2.3 传感器的工作原理

（1）、反射式传感器的工作原理：

当物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原先的信号相比较，产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号相关的直流信号输出电平。

图三 反射式传感器结构图

（2）、对射式传感器的工作原理：

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时ON和遮光时ON两种。入光时为ON的对射式传感器的结构图如图四所示，

图四 对射式传感器的结构图

当24V电压加到发光二极管LED1时，它将光发射给发光二极管LED2，LED2接收到光导通，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。

2.2.4 开关型稳压电源的原理 (1)、并联型开关式稳压电源的原理

并联型开关稳压电源是由开关晶体管V和二极管及储能电感L、滤波电容C组成的。除此以外，通常还有较为复杂的驱动电路，调节电路、保

护电路、基准电路以及构成闭环回路中的取样电路、放大电路和耦合电路等各个部分，用来对输出电压的大小以及特性进行控制和调节，图五并联型开关稳压电源的原理框图。

图五 并联型开关稳压电源的原理模框图

设开关晶体管V的开关转换周期T，导通期的时间为，截止期的时间为，占空比为δ(δ＝T)。

图六 并联型开关稳压电源输出电路的电压、电流波形

其工作原理如下：当开关晶体管V处于导通期间，输入电压加到储能电感L的两端(这里我们忽略了V的饱和压降)，二极管因被反向偏置而截止。在此期间流过L的电流为近似线性地增加的锯齿波电流(见图十六)，并以磁能的形式储存在L中。当开关晶体管V截止时，储能电感L两端的电压极性相反，此时二极管被正向偏置而导通。储存在L中的能量通过二极管输送给负载电阻和滤波电容C。在此期间，L中的泄放电流是锯齿波电流的线性下降部分。同理，当开关晶体管V导通期间在储能电感L中增加的电流数值应该等于开关管V截止期间在储能电感L中减少的电流值。只有这样才能达到动态平衡，才能给负载电阻提供一个稳定的输出电压。

(2)、开关式稳压电源的选择

在该立体仓库控制系统中，考虑到PLC和步进电机驱动器都要求直流24V电源，综合考虑系统用电量、系统运行可靠性和系统设计的规整性，我们选用了DM150-24型并联式开关电源。DM150系列开关电源输出功率大，体积小，重量轻， 高可靠性，适应宽范围的输入电压变动，具有完备的过压、过流保护功能；内置输入EMI滤波器，具有高抗干扰能力；根据UL478标准设计，耐压1500Vac1分钟；采用端子方式连接，全金属外壳，有卧式和立式两种安装方式。

DM150系列开关电源的性能指标见表二

表二、DM150系列开关电源的性能指标

型 号 输入电压 输入频率 输入浪涌电流 输出电压 输出电流 输出功率 输出可调范围 过流保护 过压保护 输入-输出绝缘 输入-机壳绝缘 输出-机壳绝缘 相对湿度 工作环境温度 储存温度 尺寸重量

DMl50-24 ACl70V～264V 50～60Hz 60A(ACIN 220V，Ta25℃，冷启动) 24V 6.5A 156W 约±10％ 外部短路撤除，输出自动恢复 27±1V AC1500V，1分钟，10mA；DC500V，绝缘电阻>60MΩ AC1500V，1分钟，10mA；DC500V，绝缘电阻>50MΩ AC1500V，1分钟，10mA；DC500V，绝缘电阻>10MΩ Ta=25℃ 相对湿度=80％ -10℃～40℃ -20℃～55℃ 200X118X49mm(长X宽X高)

颜色 冷却方式 黑色 风冷 第3章 元器件的选择

3.1 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

图七 步进电机驱动系统的组成

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，如图七所示。

（3）、步进电动机的选择计算

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，确定步进电动机采用2相8拍混合式步进电机；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。

由于我们使用螺栓机构的定位装置，已知条件和要求条件为： 移动部分总重 M=25kg 外力 Fa=4kg. cm 磨擦系数 =0.04 螺栓机构的效率 =O. 9 螺栓轴径 =1.2cm 螺栓长 =42cm 螺距 P=3mm

分辨率 L=0.01mm 移动距离 =0.0075mm步 速度 V=2mmin 计算：

设拟选用2相、1.8°步距角的HB型电动机 速比(设使用直接驱动方式)

i=m3 (3603L)=231.8(3603O.01)=1 轴向力

F=Fa+M=4+0.04325=5kg. cm 负载转矩

=F3P(2)+(33)2

=530.3(2 33.1430.9)+ (0.331.673 0.3)(2 33.14) =0.289kg. cm

螺栓的惯量 =（333）32

=（3.1437.933423）32 =0.0675kg. 移动体的惯量 =M3 =253 =0.0571 kg.

负载惯量为

=+

=0.0675+0.00571 =0.1246kg.

根据以上计算可以初步选定步进电动机，其惯量为=0.03 kg.，空载起动频率=3000H。

由要求的速度可求出运行的频率： f=VL=2000(6030.01)=3333HZ 可知需要加减速的驱动方式。

齿轮比：G=360°L=0.0075 3360° (1.8°30.01)=150 换算到电机轴的负载转矩为 T=G3L(+F) 2

=15030.013(0.289+5)(6.2830.9) =1.40 kg. cm

对首次设计的装置来讲，所选用的电动机通常留有2～3倍的余量，所以电机转矩=3T=331.40=4.2 kg. cm =0.41N. M

根据以上的计算，我们在该立体仓库控制系统中的步进电动机采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的2相8拍混合式步进电机，它的主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。型号：42BYGHl01。电气原理图如图八所示。快接线插头：红色表示A相，蓝色表示B相；如果发现步进电机转向不对时可以将A相或B相中的两条线对调。

图八 步进电机的出线圈

此步进电机的电气技术数据为:

电机型号 42BYGH101 相数 2 步距角 1.8 0相电流 1.7A 驱动电压 DC24V 额定转矩 0.44N2M 重量 0.24kg 3.2 步进电机驱动器的选择

(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

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