基于plc的立体仓库控制系统的设计

基于plc的立体仓库控制系统的设计内容摘要：

)的选型 PLC 概述 可编程控制器，英文称 Programmable Controller，简称 PLC，本课题中用 PLC 作为它的简称。 PLC 是用于工业现场的电控制器。 它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。 它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。 PLC 基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。 普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。 而 PLC 则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。 特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于 启 动 手动 /自动 取 出 送 进 取 消 急 停 1号 仓 库 键 12号仓 库 键 检 验 0号 仓 库 检 验 12号仓 库 前进限制 后退限制 后退超过 向上限制 向下限制 向下超过 前时限制 取出限制 取出超过 前 进 后 退 向 上 向 下 送 进 取 出 显 示 取 出 显 示 送 进 显 示 操 作 错 误 显 示 1号仓 库 显 示 12 号仓 库 P L C 第 11 页 共 41 页 维修及抗干扰等问题 ,入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是 PLC 实现控制的两个基本要点。 PLC 可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。 其功能要比继电控制装置多的多、强的多。 PLC 有丰富的指令系统，有各种各样的 I/O 接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能： ○ 1 逻辑处理功能； ○ 2 数据运算功能； ○ 3 准确定时功能； ○ 4 高速计数功能； ○ 5 中断处理（可以实现各种内外中断）功能； ○ 6 程序与数据存储功能； ○ 7 联网通信功能； ○ 8 自检测、自诊断功能。 可以说，凡普通小型计算机能实现的功能， PLC 几乎也都可以做到。 像 PLC 这样。 集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。 丰富的功能为 PLC 的广泛应用提供了可能，同 时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。 PLC 的选型 在 PLC 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程设计选型。 工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。 因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的控制系统。 1． 输入输出（ I/O）点数的估算 I/O 点数估算时应考虑适当的 余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%～ 20%的可扩展。 余量后，作为输入输出点数估算数据。 实际订货时，还需根据制造厂商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 根据估算的方法故本课题的 I/O 点数为输入 40 点，输出 21 点。 2． 存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。 设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。 为了设计选型时能对程序容量有一 定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数的 10～ 15 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（ 16位为一个字），另外再按此数的 25%考虑余量。 因此本课题的 PLC 内存容量选择应能存储第 12 页 共 41 页 5000 条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。 3． 控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的 选择。 （ 1） 控制功能 PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高 PLC 的处理速度和节省存储器容量。 （ 2） 编程功能 离线编程方式： PLC 和编程器公用一个 CPU，编程器在编程模式时， CPU 只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。 完成编程后，编程器切换到运行模式， CPU 对现场设备进行控制，不能进行编程。 离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。 在线编程方式： CPU 和编程器有各自的 CPU，主机 CPU 负责 现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。 这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。 五种标准化编程语言：顺序功能图（ SFC）、梯形图（ LD）、功能模块图（ FBD）三种图形化语言和语句表（ IL）、结构文本（ ST）两种文本语言。 选用的编程语言应遵守其标准（ IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如 C， Basic 等，以满足特殊控制场合的控制要求。 （ 3）诊断功能 PLC 的诊断功能包括硬 件和软件的诊断。 硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。 通过软件对 PLC 内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对 PLC 的 CPU 与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。 PLC 的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 4． 机型的选择 (1)PLC 的类型 FX2 系列可编程控制器主机分为 1 2 3 6 80、 128 点六档，还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加 I/O 点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入。 本课题设计的立体 仓库控制系统有输入信号 40 个，输出信号 21 个。 其中，外部输入元件包括： 检测 元件 、按钮、取、送、急停、限位开关、超限位保护等等 ； 输出有三个步进电机的正反向、动作指示、错误显示等等。 按照上述配置，所选 I/O 点不得低于 61 点，结合实际情况，所选 I/O 点为 80 点。 因此我所选型号为 FX2N80MR。 （ 2） 经济性的考虑 选择 PLC 时，应考虑性能价格比。 考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。 第 13 页 共 41 页 输入输出点数对价格有直接影响。 当点数增加 到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。 在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。 本课题所设计的立体仓库属于小型控制系统，结合经济性的考虑因此选择 整体型 PLC。 根据我组设计的立体仓库其输入点数为 40 点、输出电数为 21 点，所以选择三菱FX2N80MR。 步进电机的选择 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。 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。 第 14 页 共 41 页 （ 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，如图 32所示。 图 32 步进电机驱动系统的组成 （ 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 lT 、额定转矩 NT 和运行频率 yf ，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  = 螺栓机构的效率  =O. 9 螺栓轴径 BD = 螺栓长 BL =42cm 螺距 P=3mm 分辨率 L= 移动距离  =速度 V=2m／ min 计算： 设拟选用 2 相、 176。 步距角的 HB 型电动机 速比 (设使用直接驱动方式 ) i=mb /(360L)=2／ (360)=1 轴向力 第 15 页 共 41 页 F=Fa+ M=4+25=5kg.  cm 负载转矩 lT =FP／ (2   )+( 0 0F P )/2  =5／ (2 )+ ( )/(2 ) =.   cm 螺栓的惯量 BJ =（   BL 4BD ） /32 =（ 310 42 ） /32 =.   2c。