【導(dǎo)讀】機(jī)械系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)9個(gè)貨位物料的存取，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的邏輯控制。上位機(jī)使用VB的MSComm控件，編寫(xiě)FX2N-PLC通信協(xié)議代碼，實(shí)現(xiàn)上下位。機(jī)的串行通信,完成顯示貨位號(hào)、尋貨、取貨、存貨、急停、回零等動(dòng)作的控制。于VB控制的上位機(jī)監(jiān)控。本次設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)了機(jī)械系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、PLC控制系。統(tǒng)及軟件設(shè)系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算后采用Proe建模和動(dòng)畫(huà)及AutoCAD畫(huà)工程圖；

　　

【正文】 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，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型 時(shí)能對(duì)程序容量有一定的估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)代替。 存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒(méi)有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給了不同公式，但大體上都是按數(shù)字量 I/O 點(diǎn)數(shù)的 10~15 倍，加上模擬 I/O 點(diǎn)數(shù)的 100 倍，以此數(shù)據(jù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)(16 位為一個(gè)字 )，另外再按此數(shù)據(jù)的 25%考慮余量。因此本設(shè)計(jì)的 PLC 內(nèi)存容易選擇應(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。 ⑶ 控制功能 的選擇 該功能包括運(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)本設(shè)計(jì)所涉設(shè)計(jì)的自動(dòng)門控制的需要，主要介紹在線編程方式。 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)，下一掃描周華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 期主機(jī)就根據(jù)新收到得程序運(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 中常采用。而編程語(yǔ)言有五種標(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。選用的編程語(yǔ)言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，還應(yīng)支持多種 語(yǔ)言編程形式，如 C、 Basic 等，以滿足特殊控制場(chǎng)合的控制要求。 ⑷ 機(jī)型的選擇 從 PLC 的類型考慮， FX2N 系列可編程控制器主機(jī)分為 1 2 3 6 80、 128 點(diǎn)六檔。本設(shè)計(jì)的立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)有輸入信號(hào) 31 個(gè)，輸出信號(hào) 13個(gè)。其中外部輸入元件包括：?jiǎn)?dòng)、急停、回零、取貨、放貨、行程開(kāi)關(guān)等；輸出有三個(gè)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)等。按照上述配置，所選 I/O 點(diǎn)不得低于 31點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，所選 I/O 點(diǎn)為 64點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)所選型號(hào)為 FX2N64MR。 從經(jīng)濟(jì)性考慮，選擇 PLC 時(shí)，應(yīng)考慮性價(jià)比，考慮經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考 慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出比較滿意的產(chǎn)品。輸入輸 出點(diǎn)數(shù)對(duì)價(jià)格有直接影響。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一值后，相應(yīng)的存儲(chǔ)器容量 相應(yīng)增加，因此點(diǎn)數(shù)的增加對(duì) CPU 選用、存儲(chǔ)器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性價(jià)比。本設(shè)計(jì)的立體倉(cāng)庫(kù)屬于中小型控制系統(tǒng)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性的考慮，因此選擇整體性 PLC。 最后根據(jù)輸入輸出，選擇三菱公司出產(chǎn)的 FX2N64MR。 PLC 輸入輸出分配表 據(jù) PLC 輸入輸出的控制要求，得出下列的輸入輸出的分配表，見(jiàn)表 41。 表 41 PLC 輸入輸出分配表 I/O 點(diǎn) 型號(hào) 功能 I/O 點(diǎn) 型號(hào) 功能 I/O 點(diǎn) 型號(hào) 功能 X0 SWPB 啟動(dòng) X17 SWSPST 后限位 Y0 水平 脈 沖 信號(hào) X1 SWPB 急停 X20 SWSPST 上限位 Y1 水平 方 向 信號(hào) X2 SWPB 回零 X21 SWSPST 下限位 Y2 水平 使 能 信號(hào) X3 SWPB 取貨 X22 SWSPST 伸限位 Y4 豎直 脈 沖 信號(hào) X4 SWPB 放貨 X23 SWSPST 縮限位 Y5 豎直 方 向 信號(hào) X5 SWPB 1 號(hào) 貨位 X24 SWSPST 水平行 程開(kāi)關(guān) 1 Y6 豎直使 能 信號(hào) X6 SWPB 2 號(hào) 貨位 X25 SWSPST 水平行 程開(kāi)關(guān) 2 Y10 貨叉 前伸 X7 SWPB 3 號(hào) 貨位 X26 SWSPST 水平行 程開(kāi)關(guān) 3 Y11 貨叉 回縮 X10 SWPB 4 號(hào) 貨位 X27 SWSPST 豎直行 程開(kāi)關(guān) 1 Y12 貨叉 電 機(jī)制動(dòng) X11 SWPB 5 號(hào) 貨位 X30 SWSPST 豎直行 程開(kāi)關(guān) 2 Y20 A 劉茂盛：規(guī)整與秩序（小型 NC 立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)） 24 X12 SWPB 6 號(hào) 貨位 X31 SWSPST 豎直行 程開(kāi)關(guān) 3 Y21 B X13 SWPB 7 號(hào) 貨位 X32 SWSPST 貨叉前 伸開(kāi)關(guān) Y22 C X14 SWPB 8 號(hào) 貨位 X33 SWSPST 貨叉原位 Y23 D X15 SWPB 9 號(hào) 貨位 X34 SWSPST 堆垛機(jī) 水平原位 X16 SWSPST 前限位 X35 SWSPST 堆垛機(jī) 豎直原位 PLC 接口圖 微型立體倉(cāng)庫(kù)采用 PLC控制。根據(jù)立體倉(cāng)庫(kù)的動(dòng)作要求及 I/O點(diǎn)數(shù)要求，選擇三菱 FX2N型 PLC，由此構(gòu)建微型立體倉(cāng)庫(kù)的控制接口圖。微型立體倉(cāng)庫(kù) PLC 控制接口電路如圖 42所示 ， 詳細(xì)請(qǐng)見(jiàn)附錄 F PLC 控制接口電路 所示。 電路所用的原件清單如表 42 所示 。 圖 42 PLC 控制接口電路圖 表 42 電路元件清單 序號(hào) 元件名稱 規(guī)格型號(hào) 數(shù)量 備注 1 LED 顯示器 HS5101AS2 1 2 譯碼器 74LS48 1 3 PLC FX2N64MR 1 三菱公司 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 4 繼電器 9 5 直流電機(jī) TH37JB502 1 易順企業(yè) 6 電壓穩(wěn)壓器 W7824 1 7 電壓穩(wěn)壓器 W7805 1 8 555 定時(shí)器 NE555 1 9 驅(qū)動(dòng)芯片 THB7128 2 10 橋式整流器 KBJ6A 5 深圳市浩海 電子有限公 司 11 光電耦合器 TPLP512 6 12 電壓穩(wěn)壓器 LM317L 1 13 步進(jìn)電機(jī) 85HB80554 57RB76156 1 1 上海昀研自動(dòng)化 科技有限公司 14 變壓器 40V 26V 9V 1 1 1 15 功率放大器 3DD15 8 16 非門 6 輸入模塊： X0X15 為按鈕輸入 ，用于選擇貨位號(hào)、 存取貨物 、急停、回零 操作， X16X36為行程開(kāi)關(guān)輸入，用于移動(dòng)部件的尋位、定位及超越控制，依靠移動(dòng)部件的觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的開(kāi)關(guān)量輸入。 電機(jī)控制 模塊： Y0Y2 和 Y4Y6分別 為 水平和升降步進(jìn) 電機(jī)的 脈沖、方向和使能信號(hào)的 輸出。 電路的設(shè)計(jì)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的性能參數(shù)，選定相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片 THB7128，設(shè)計(jì)外圍電路，如電流設(shè)定端的電壓大小和外接檢測(cè)電阻大小。 因步進(jìn)電機(jī)的電壓較大而驅(qū)動(dòng)芯片的電壓較小，所以在驅(qū)動(dòng)芯片和電機(jī)之間設(shè)計(jì)了一個(gè)放大電路 ，其電路圖如 PLC 接口電路圖所示 。 Y10Y12 為 貨叉 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和能耗制動(dòng)輸出，通過(guò)邏輯控制繼電器的通斷，把電壓加載到電樞繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī) 的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。停止時(shí)， 控制相應(yīng)的繼電器閉合電樞回路，依靠電機(jī)的慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng) ，其電路圖如 PLC 接口電路圖 所示 。 LED 顯示模塊： Y20Y23 為 LED 顯示輸出，顯示時(shí)， 74LS48 譯碼器及外圍電路將 PLC輸出的 BCD 碼開(kāi)關(guān)量信號(hào)，轉(zhuǎn)換成七段碼電平信號(hào)控制 LED 顯示貨位號(hào)。 為了在現(xiàn)場(chǎng)能顯示按下的是哪個(gè)貨 位，所以 在現(xiàn)場(chǎng)控制面板中設(shè)置一個(gè) LED 顯示器， LED 顯示時(shí)通過(guò) PLC驅(qū)動(dòng) LED 順序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本 LED 顯示模塊中 LED 驅(qū)動(dòng)芯片采用的是 74LS48 譯碼芯片，芯片管腳的定義： a~g連接到相應(yīng)的 LED 管腳上， A~D 連接到 PLC 的 Y20~Y23 上， LT???、RBI?????、 BI?/RBO??????腳與 +5V 的電壓連接。其電路圖如圖 43 所示。其中譯碼芯片的真值表見(jiàn)表43。 劉茂盛：規(guī)整與秩序（小型 NC 立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)） 26 圖 43 LED 顯示模塊電路圖 表 43 74LS48 譯碼芯片真值表 DECIMAL OR FUNCTION LT??? RBI????? D C B A BI?/RBO?????? a b c d e f g 0 H H L L L L H H H H H H H L 1 H X L L L H H L H H L L L L 2 H X L L H L H H H L H H L H 3 H X L L H H H H H H H L L H 4 H X L H L L H L H H L L H H 5 H X L H L H H H L H H L H H 6 H X L H H L H H L H H H H H 7 H X L H H H H H H H L L L L 8 H X H L L L H H H H H H H H 9 H X H L L H H H H H H L H H 放大電路模塊 :因步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片電壓與步進(jìn)電機(jī)的電壓不匹配，所以在驅(qū)動(dòng)芯片與步進(jìn)電機(jī)之間加入一個(gè)放大電路。根據(jù)文獻(xiàn)【 7】 P103圖 314 所示，本設(shè)計(jì)采用 3DD15的一級(jí)放大電路 ， 其具體電路設(shè)計(jì)如總電路設(shè)計(jì)圖所示。下面以水平步進(jìn)電機(jī)為例來(lái)說(shuō)明：如圖 44 所示為水平步進(jìn)電機(jī)的放大電路。其中步進(jìn)電機(jī)的電流為 ,3DD15 的放大倍數(shù)為 100 倍，電機(jī)相輸入端的電壓為 24V 即驅(qū)動(dòng)芯片 THB7128 的電壓。由電工知識(shí)可計(jì)算得步進(jìn)電機(jī)相輸入端的電阻阻值為 。 同理可得豎直放大電路中的步進(jìn)電機(jī)相輸入端的電阻阻值為 600Ω。 圖 44 水平步進(jìn)電機(jī)單電壓功率放大電路 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 電源模塊 ：根據(jù)文獻(xiàn)【 1】 P109圖 54所示，設(shè)計(jì) 電源模塊整體電路如 PLC 接口電路圖所示。 其中： 根據(jù)文獻(xiàn)【 1】 P109圖 54所示， 繼電器和 THB7128 芯片的電源 電路圖如下圖 45所示： 圖 45 繼電器和 THB7128 芯片的 電源電路圖 根據(jù)文獻(xiàn)【 1】 P109圖 54所示， LED、 555 及 74L38 的電源電路圖如下圖 46 所示： 圖 46 LED、 555 及 74L38 的電源電路圖 放大電路 的電源以水平放大電路模塊為例 ，其中用到了 LM317L 芯片，根據(jù)芯片的建議電路設(shè)計(jì)如下圖 47 所示的水平步進(jìn)電機(jī)放大電路的電源電路圖。 其中通過(guò)滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)節(jié)所需電壓，根據(jù) 建議電路 中 的計(jì)算公式： Vout = VREF(1+R2R1)IADJR2 得滑動(dòng)變阻器的阻值范圍為： 5KΩ － 10KΩ。同理可得豎直步進(jìn)電機(jī)電源電路中滑動(dòng)變阻器的阻值范圍為： 10KΩ － 20KΩ；貨叉電機(jī)電源電路中滑動(dòng)變阻器的阻值范圍為： 5KΩ 10KΩ。 劉茂盛：規(guī)整與秩序（小型 NC 立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)） 28 圖 47 水平步進(jìn)電機(jī)放大電路的電源電路圖 PLC 編程 三菱 FX 系列編程軟件 三菱公司 FX 系列 PLC 的編程輸入主要有手持編程器和計(jì)算機(jī)編程軟件。手持編程器體積小、攜帶方便，用于現(xiàn)場(chǎng)編程和程序調(diào)試，比較方便，但只能以指令的形式輸入，所以程序輸入或?qū)Τ绦虻姆治隼斫獠惶奖?。目前比較常用的方法是此案有計(jì)算機(jī)編程軟件。 本設(shè)計(jì)所選用的編程軟件為三菱公司的 FXGP_WINC，該軟件操作簡(jiǎn)單，占用內(nèi)存小，且在 Windows 各版本系統(tǒng)均可運(yùn)行。 PLC 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)采用的步進(jìn)順控指令對(duì) PLC 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，其步驟如下： ⑴ 設(shè)計(jì)出該控制系統(tǒng)的順序流程圖； ⑵ 按照控制流程圖設(shè)計(jì)出該流程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖； ⑶ 根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，寫(xiě)出控制系統(tǒng)的步進(jìn)梯形圖。 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 (SFC)的設(shè)計(jì) 任何一個(gè)順序控制過(guò)程都可分解為若干 工步 ，每一工步就是 控制過(guò)程中的一個(gè)狀態(tài)，所以順序控制的動(dòng)作流程圖也稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖就是用狀態(tài) (工步 )來(lái)描述控制過(guò)程的流程圖。 畫(huà)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖一般包括以下幾個(gè)步驟： ⑴ 分析控制要求和工藝流程，確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖結(jié)構(gòu) (復(fù)雜系統(tǒng)需要 )； ⑵ 工藝流程分解若干步，每一步表示一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)； ⑶ 確定步與步之間轉(zhuǎn)移條件及其關(guān)系； ⑷ 確定初始狀態(tài) (可用輸出或狀態(tài)器 )； ⑸ 解決循環(huán)及正常停車問(wèn)題； ⑹ 急停信號(hào)的處理。 步進(jìn)梯形圖指令 (STL)的 設(shè)計(jì) 步進(jìn)梯形圖指令 (STL)，其對(duì)象器件是狀態(tài)器 S；其狀態(tài)流程結(jié)束時(shí)，用 RET 指令返回到主程序。 STL 指令為順序控制而設(shè)置，可用它實(shí)現(xiàn)功能表圖所描述的動(dòng)作過(guò)程。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖用梯形圖表示的方法如下： ⑴ 控制元件 ：梯形圖畫(huà)出專 用繼電器的步進(jìn)觸點(diǎn)； ⑵ 狀態(tài)所驅(qū)動(dòng)的對(duì)象：依照 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖畫(huà)出 ； ⑶ 轉(zhuǎn)移條件：轉(zhuǎn)移條件用來(lái) SET 下一個(gè)步進(jìn)觸點(diǎn)； 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 ⑷ 轉(zhuǎn)移方向：往哪個(gè)方向轉(zhuǎn) 移，就是 SET 置 1的步進(jìn)觸點(diǎn)控制元件 。 PLC 程序結(jié)構(gòu) 根據(jù)堆垛機(jī)的運(yùn)行邏輯，可采用