【正文】 需要滿足一下功能：機(jī)械手要有三個(gè)自由度，即：前進(jìn)、后退；上、下；左、右；機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；機(jī)械手前進(jìn)（或后退）運(yùn)動(dòng)和上（或下）運(yùn)動(dòng)可同時(shí)進(jìn)行；機(jī)械手前進(jìn)、后退和上、下運(yùn)動(dòng)時(shí)必須有超限位保護(hù)；每個(gè)庫(kù)位必須有檢測(cè)裝置（微動(dòng)開關(guān)） 。當(dāng)按完庫(kù)位號(hào)后，沒(méi)按入或沒(méi)取前，可以按手動(dòng)取消該操作。 采用 PLC 控制立體倉(cāng)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)PLC 的應(yīng)用非常廣泛，例如：電梯控制、防盜系統(tǒng)的控制、交通分流信號(hào)燈控制、樓宇供水自動(dòng)控制、噴水池自動(dòng)控制、消防系統(tǒng)自動(dòng)控、供電系統(tǒng)自動(dòng)控制及各種生產(chǎn)流水線的自動(dòng)控制等。按 PLC 編程功能可分為 4 大類：開關(guān)量順序控制、通信功能、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制。PLC 的應(yīng)用大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、適用性、并且降低了系統(tǒng)成本。其控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，更改容易，施工周期短；系統(tǒng)維護(hù)容易。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，少不了自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)，只有使用強(qiáng)大的倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)才能使得倉(cāng)庫(kù)管理和業(yè)務(wù)流程上一個(gè)臺(tái)階，才能將先進(jìn)的硬件設(shè)備發(fā)揮作用、產(chǎn)生效益，針對(duì)這一倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)，我選擇了 PLC。選擇 PLC 是因?yàn)樗姆€(wěn)定性比單純的使用單片機(jī)要穩(wěn)定的多，所能實(shí)現(xiàn)的功能也強(qiáng)大的多?？偟膩?lái)看，基于 PLC 的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)可以總結(jié)為如下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：低成本、范圍廣、高速、便捷、永遠(yuǎn)在線、結(jié)構(gòu)靈活、數(shù)字化等。 第 5 頁(yè) 共 43 頁(yè) 3. 系統(tǒng)的硬件配置 立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)控制立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的控制圖如下圖 所示。構(gòu)成 PLC 控制系統(tǒng)的主要電氣硬件有控制立體倉(cāng)庫(kù)的 Z 軸的直流電動(dòng)機(jī)，控制 XY 軸的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及供給系統(tǒng)能源的直流開關(guān)電源，還有各種傳感器，如系統(tǒng)中采用的反射式和對(duì)射式傳感器以及微動(dòng)開關(guān)（用來(lái)完成貨物的檢測(cè)以及限位保護(hù)）。圖 立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)控制框圖 電氣原理圖的設(shè)計(jì)根據(jù)以上的控制要求，得到如下電氣原理圖： 第 6 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 PLC 外部接線圖 立體倉(cāng)庫(kù)電氣硬件的介紹與選擇 可編程控制器（PLC）在 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。所以，權(quán)衡利弊、合理地選擇機(jī)型才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)當(dāng)是要分析控制過(guò)程的特點(diǎn)、要求、范圍。然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，選擇有較高性價(jià)比的 PLC、設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 第 7 頁(yè) 共 43 頁(yè) 1．輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算在我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，我們先對(duì) I/O 點(diǎn)數(shù)估算，并且考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加 10%～20%的可擴(kuò)展，以此來(lái)確定我們所需要的PLC 輸入輸出點(diǎn)數(shù)。根據(jù)估算的方法故本課題的 I/O 點(diǎn)數(shù)為輸入 40 點(diǎn)，輸出 21 點(diǎn)。2．存儲(chǔ)器容量的估算存儲(chǔ)器容量是指可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。設(shè)計(jì)階段，為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代。存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點(diǎn)數(shù)的 10～15 倍，加上模擬量 I/O 點(diǎn)數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16 位為一個(gè)字） ，另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。因此本課題 PLC 內(nèi)存容量選擇應(yīng)能存儲(chǔ) 5000 條梯形圖，這樣才能在以后的改造過(guò)程中有足夠的空間。 [3]3．控制功能的選擇該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。根據(jù)本課題所設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇。（1）控制功能PLC 主要用于順序邏輯控制，大多數(shù)場(chǎng)合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，一方面要提高 PLC 的處理速度，另一方面節(jié)省存儲(chǔ)器容量。（2）診斷功能PLC 的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過(guò)硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過(guò)軟件對(duì) PLC 內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行的診斷是內(nèi)診斷，通過(guò)軟件對(duì) PLC的 CPU 與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行的診斷就是外診斷。PLC 的診斷功能的強(qiáng)弱，直接影響對(duì)操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時(shí)間。（3）編程功能離線編程方式：PLC 和編程器共用一個(gè) CPU，編程器在編程模式時(shí)，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程之后，編程器切換到運(yùn)行模式，CPU 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，就不能進(jìn)行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在本設(shè)計(jì)中選用的是此方式。 第 8 頁(yè) 共 43 頁(yè) 在線編程方式：CPU 和編程器有各自的 CPU，主機(jī) CPU 負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型 PLC 中經(jīng)常被采用。五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言：順序功能圖（SFC） 、梯形圖（LD） 、功能模塊圖（FBD ）三種圖形化語(yǔ)言和語(yǔ)句表（IL） 、結(jié)構(gòu)文本（ ST）兩種文本語(yǔ)言。 [17]（ 4） 機(jī) 型 的 選 擇S7200 系 列 在 集 散 自 動(dòng) 化 系 統(tǒng) 中 充 分 發(fā) 揮 著 強(qiáng) 大 功 能 。 使 用 范 圍 可 覆蓋 從 替 代 繼 電 器 的 簡(jiǎn) 單 控 制 到 更 復(fù) 雜 的 自 動(dòng) 化 控 制 。S7200 CPU 226 集成 24 輸入/16 輸出共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)?？蛇B接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。2 個(gè) RS485 通訊/編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O 端子排可以很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。本 系 統(tǒng) 所 采 用 的 PLC 是 西 門 子 S7200 CPU226 DC24 V,繼 電 器 輸 出 。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種由電脈沖控制的特殊同步電動(dòng)機(jī)，它的作用是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或者線位移。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。它可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，是自動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的執(zhí)行元件。下面簡(jiǎn)單介紹步進(jìn)電機(jī)的工作原理及其特點(diǎn)與選擇。（1） 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)將一個(gè)電脈沖信號(hào)加到步進(jìn)電機(jī)定子繞組時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。當(dāng)電脈沖按某一相序加到電動(dòng)機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)子沿某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)等于電脈沖個(gè)數(shù)。因此，改變輸入脈沖的數(shù)目就能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械位移的大?。桓淖冚斎朊}沖的通電相序，就能控制步進(jìn)電機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械位移的方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的控制。（2） 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)a) 位移與輸入脈沖信號(hào)的信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，可以組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在需要更高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。b) 速度可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。c) 易于起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，快速響應(yīng)性能好。 第 9 頁(yè) 共 43 頁(yè) d) 具有自鎖的能力。當(dāng)控制脈沖停止輸入且讓最后一個(gè)脈沖控制的繞組繼續(xù)通電時(shí)，電機(jī)可以保持在固定的位置上，即停在最后一個(gè)控制脈沖所控制的角位移的終點(diǎn)位置上。所以步進(jìn)電機(jī)具有帶電自鎖能力。e) 步距角選擇的范圍大，可以在幾十角分至 180176。范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。在小步距情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行，可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。f) 電動(dòng)機(jī)本身沒(méi)有電刷、轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，也不需要位置傳感器，可靠性高。（3） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成介紹步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用較早的一種機(jī)電一體化的產(chǎn)品，電機(jī)的本體與驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成一個(gè)不可分割的有機(jī)整體，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能很大程度上取決于所使用的驅(qū)動(dòng)控制器的類型。圖 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的構(gòu)成（4） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇在選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，首先要考慮的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型，其次才是具體的品種。在該立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)中，要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電壓低、電流小、有定位轉(zhuǎn)矩和使用螺栓機(jī)構(gòu)的定位裝置，所以確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用二相八拍混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。八拍混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器（1） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入輸出信號(hào)介紹步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行需要有電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。控制系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器就使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，也就是說(shuō)，它把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。所有型號(hào)驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)都相同，它們是步進(jìn)脈沖信號(hào) CP、方向電平信號(hào) DIR、脫機(jī)信號(hào) FREE（此端為低電平有效時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于無(wú)轉(zhuǎn)矩狀態(tài)；此端為高電平或懸空不接時(shí)，此功能無(wú)效，電動(dòng)機(jī)可以正常運(yùn)行）。它們?cè)隍?qū)動(dòng) 第 10 頁(yè) 共 43頁(yè) 器內(nèi)部的接口電路都相同如圖 所示。該立體倉(cāng)庫(kù)中，由于提供的電平為24V，而輸入部分的電平為 5V，所以需要外部另加 的限流電阻 R。圖 輸入輸出接口電路（2） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇我們這里采用 SH 系列的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它主要由電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分組成。（3） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)和電動(dòng)機(jī)電流設(shè)定 SH 系列驅(qū)動(dòng)器是靠驅(qū)動(dòng)器上的撥位開關(guān)來(lái)設(shè)定細(xì)分?jǐn)?shù)的，只需根據(jù)面板上的提示進(jìn)行設(shè)定即可。對(duì)于兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，細(xì)分后電動(dòng)機(jī)的步距角等于電動(dòng)機(jī)整步步距角除以細(xì)分?jǐn)?shù)。細(xì)分后完全消除了電動(dòng)機(jī)的低頻振蕩，而且提高了電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)的分辨率。所以，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器只要改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就能改變步距角。（4） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源接口對(duì)于超小型驅(qū)動(dòng)器，采用一組 DC 24~40V 供電。因?yàn)?PLC 需要采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電，所以該立體倉(cāng)庫(kù)中應(yīng)該選用開關(guān)式穩(wěn)壓電源。 傳感器（1） 反射式傳感器工作原理：當(dāng)物體相對(duì)于傳感器移動(dòng)時(shí)，反射回來(lái)的信號(hào)和原來(lái)的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，產(chǎn)生頻移，然后集成電路放大微弱的頻移信號(hào)。經(jīng)多普勒檢測(cè)、放大、限幅等措施，最后得到的是和物品移動(dòng)信號(hào)相關(guān)的直流信號(hào)輸出電平。 第 11 頁(yè) 共 43頁(yè) 圖 變調(diào)光式傳感器的結(jié)構(gòu)在該立體倉(cāng)庫(kù)中采用反射式傳感器作為貨物檢測(cè)裝置，并采用能抗周圍外來(lái)光干擾的變調(diào)光式。采用變調(diào)光式，與直流光式相比，不易受外來(lái)光干擾的影響，其電源電壓為 DC5~24V 的大量程電壓輸入型，帶有容易調(diào)整的光軸標(biāo)識(shí)，還帶有動(dòng)作確認(rèn)的入光顯示燈。下面是反射式傳感器的輸出電路圖：圖 反射式傳感器的輸出電路（2） 對(duì)射式傳感器對(duì)射式傳感器的工作原理：對(duì)射式傳感器的輸出狀態(tài)一般是 NPN 輸出，輸出晶體管的動(dòng)作狀態(tài)可以分為：入光時(shí) ON 和遮光時(shí) ON 兩種。入光時(shí) ON 的對(duì)射式傳感器的電路如圖 所示。當(dāng) 24V 電壓加到發(fā)光二級(jí)管 VL 時(shí)，它將光發(fā)射給光敏二級(jí)管 VD，VD 接收到光導(dǎo)通，于是晶體管導(dǎo)通，輸出為 ON。當(dāng)發(fā)光二極管 VL 發(fā)射出的光被物體擋住，使得光敏二級(jí)管接收不到時(shí)，VD 不導(dǎo)通，則晶體管不導(dǎo)通，輸出為 OFF。 第 12 頁(yè) 共 43頁(yè) 圖 對(duì)射式傳感器的電路在該立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)中，采用 8 個(gè)對(duì)射式傳感器作限位控制。其中 4 個(gè)對(duì)射式光電傳感器分別作為 X 軸 Y 軸的限位控制；2 個(gè)對(duì)射式光電傳感器分別作為 X 軸 Y 軸的到位檢測(cè)；如果貨架未到達(dá)正確位置，Z 軸電動(dòng)機(jī)將不能運(yùn)行，以確保當(dāng) PLC 程序出錯(cuò)時(shí)也不會(huì)損壞設(shè)備；2 個(gè)對(duì)射式光電傳感器作為 Z 軸的限位控制，此時(shí)遮光時(shí)輸出晶體管 ON。 [16] 微動(dòng)開關(guān)該立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)中共有 13 個(gè)庫(kù)位（四層十二個(gè)庫(kù)位加 0 號(hào)庫(kù)位）分別