PLC控制的堆垛式立体车库设计方案.docx

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毕业论文

毕业设计论文

设计（论文）题目：

PLC控制的堆垛式立体车库设计

下达日期：

2011年 2月 21日

开始日期：

2011年 2月 21日

完成日期：

2011年 4月 1日

指导教师：

学生专业：

班 级：

学生姓名：

教研室主任：

电气工程 学院

基于松下PLC的立体车库控制

摘 要

随着汽车的急剧增加，致使城市停车难问题不断恶化，而作为解决城市静态交通的有效措施 向空间、向高层发展的自动化立体停车设备，以其占地

面积少，停车率高、布置灵活、高效低耗、性价比高、安全可靠等优点，越来越受到人们的青睐。

立体车库是现代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分，是一种多层存放货物的高价仓库系统，有自动控制与管理系统、巷道堆垛机、高位货架、自动入库以及其他辅助设备组成。

立体停车库生产在中国是个新兴行业，立体停车库可缓解城市动、静态交通问题，改善居住环境，有效利用土地价值。

本系统采用PLC，按动按钮即可完成汽车存取过程，操作简单，存取方便。

控制电路部分采用交流接触器传统方式，使运行安全可靠。

设计采用可分组合，模块式安装，方便灵活，具备维护使用方便，造价低等特点。

立体车库是在不直接进行人工参与的情况下，自动存储和取出物料的系统。

它是采用高层货架存储货物，用专门的仓储作业设备进行货物出入作业的仓库。

针对都市住宅小区、商业区、写字楼等繁华地带短时间停车难的问题,提出了采用松下PLC作为主控器控制立体车库的方案,设计开发一种堆垛式立体车库的自动控制系统并构建研制了实验模型牌,提高经济。

它可以实现利用空间多层停车,不但节省占地空间,而且堆垛外观可设计成多用途的商业广告效益和实用性,堆垛式立体车库对于解决现代化密集型城市的汽车停放问题具有重要的开发价值和广泛的应用前景。

该系统具有操作简便,自动化程度高,运行速度快、可靠性高等特点。

关键词 巷道式堆垛起重机/立体车库/可编程控制器

I

目录

摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1本课题的设计背景 1

1.2本课题的主要任务 1

1.3本课题研究的主要意义 2

第二章 立体车库的概述 3

2.1立体仓库的基本结构 3

2.2FP0系类PLC的特点及配置 6

2.2.1该型PLC还具有如下特点 6

2.2.2FP0系列PLC的I/O配置 7

2.3设计程序清单 8

2.4系统流程框图 9

2.5PLC实现步进电机库位的定位 12

2.5.1PLC部分 12

2.5.2步进电机驱动器 13

2.5.3步进电机的工作原理及特点 13

2.5.4PLC位置控制指令 15

2.2.5传感器的选择 17

2.6立体车库的编程设计 20

2.6.1系统初始化设置 20

2.6.2脉冲个数的计算 22

2.6.3键盘取低四位 23

2.6.4键盘输入各库位编号 23

结论 28

致谢 29

主要参考资料：

30

第一章 绪论

1.1本课题的设计背景

1969年，美国数字设备公司（DEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了产业控制的新局面。

至80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展。

使PC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。

不仅控制功能增强，功耗和体积减小，本钱下降，可靠性进步，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程

I/O和通讯网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现产业生产自动化的一大支柱。

可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的贮存器，用来在其内部存储执行逻辑运算、程序控制、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。

利用可编程控制器（PLC），可以设计出成本低、效率高的自动化立体车库。

本系统以PLC为主控制器，结合步进电机、传感技术、位置控制等技术，实现四层十二仓位库体自动存储物品。

自动化立体仓库是以四层十二仓位库体为主体，以成滚珠丝杠、步进电机、直流电机为搬运设备，以松下电工fp0PLC为控制核心，实现高效率物流、大容量存储的机电一体化高科技集成系统，系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点。

1.2本课题的主要任务

课题的主要任务是基于松下FP0系列PLC的立体仓库控制系统的设计。

立体仓库的机构由仓库本体、PLC控制单元、接口单元、巷道式堆垛起重机、和电源单元等组成。

它利用立体仓库模型，采用滚珠丝杠、直线导轨、普通丝杠作为传动装置，通过PLC编程控制实现X、Y、Z轴位置控制，可完成简单的取车或送车动作。

1

1.3本课题研究的主要意义

自动化立体仓库系统是指在不需要人工干预的情况下，运输设备能自动存储和取出货物的多层仓库存储系统。

自动化立体仓库是现代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分。

立体车库库应用范围很广，几乎遍布所有行业。

在我国，自动化仓库应用的行业主要有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。

随着社会、经济、交通的发展以及人们生活水平的不断提高，车辆无处停放的问题入去突出。

采用立体仓库进行存放车辆与传统的自然地下车库相比，在许多方面显示出优越性。

首先，立体仓库具有突出的节地优势。

仓库可以大幅度的向高空发展，充分利用仓库地面和空间，节省了库存占地面积，提高了空间利用率。

立体仓库存放车辆与传统地下车库相比更加有效的保证人身和车辆的安全，立体车库从管理上可以做到彻底的人车分流。

因此对这个课题的研究是具有重大意义的。

第二章立体车库的概述

2.1立体仓库的基本结构

立体车库的外形结构下图2-1所示。

图2-1立体车库的外形结构

1-垂直方向步进电动机 2-汽车 3-立体车库本体 4-垂直方向定位传感器

5-垂直方向滚珠丝杠6-货台叉车7-货台直流电动机8-急停按钮9-水平方向定位传感器10-按钮11-仓位检测传感器（13个）12-定位标条13-水平方向步进电动机14-PLC15-接口板16-按钮板17-底板

立体仓库主体由立体车库本体单元、PLC控制单元、接口单元及电源单元等组成。

如下图2-2所示。

3

图2-2 立体仓库组成图

1.立体车库本体单元。

该单元由12个仓位和巷道式堆垛起重机等组成。

2.PLC控制单元。

该单元可分别选用松下PLC、西门子PLC、欧姆龙PLC、三菱PLC等。

PLC主体具有脉冲输出功能，能同时实现二轴定位功能。

3.接口单元。

给单元将系统中所有控制单元、执行单元、检测单元、输入

/输出单元的信号都引到面板上，由学生自行完成电路的设计，不同性质的节点采用不同的颜色进行标识，并且每个单元自身的电路具有独立性，具备扩展功能。

4.电源单元。

电源单元是由开关电源提供系统工作的DC24V电压。

该系统在设计上设置了各种保护功能，包括短路保护、反向保护、限位保护、定位保护。

TVT-99V立体仓库系统中为了防止不确定因素对系统硬件的损坏，分别在机械手臂运行的横轴和纵轴上设置了仓库的定位孔，当机械手臂运行时，位于移动模块下方的光电传感器分别检测运行X轴、Y轴的定位点，当且仅当机械手臂停止于点位孔点时，对应的Z轴才能进行取货和移货的动作。

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。

电气控制是由松下电工生产的FP0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。

本系统采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠作为主传动机构，电机采用步进电机和直流电机，其关键部分是堆垛机，它由水平移动、竖直移动及伸叉机构三部分组成，其水平和竖直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成，伸叉机构有一台直流电机来控制它分为上下两层，上层为货台，可前后伸缩，下层装有丝杠等传送机构。

当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，伸叉电机驱动货台向前伸出可将货物取出或送入，当货物已送入，则铲叉向后缩回。

控制面板上的开关及按钮功能及仓位号（见图2-3、图2-4）

图2-3控制面板上的开关及按钮功能 图2-4控制面板上的仓位号

表2-1、控制面板上的按钮功能表

按键号

功能选择

定义

1

自动

选择1号仓位

手动

机构水平向左移动

2

自动

选择2号仓位

手动

机构垂直向下移动

3

自动

选择3号仓位

手动

机构水平向右移动

4

自动

选择4号仓位

5

手动

机构水平向后移动

5

自动

选择5号仓位

手动

机构垂直向上移动

6

自动

选择6号仓位

手动

机构水平向前移动

7

自动

选择7号仓位

手动

无意义

8

自动

选择8号仓位

手动

无意义

9

自动

选择9号仓位

手动

无意义

10

自动

选择10号仓位

手动

无意义

11

自动

选择11号仓位

手动

无意义

12

自动

选择12号仓位

手动

无意义

2.2FP0系类PLC的特点及配置

FP0系列可编程控制器（PLC）是松下电工生产的一种超小型PLC，其体积小巧（W25×H90×D60mm），不受安装场所限制。

FP0系列PLC主机有10点

（FP0-10R）、14点（FP0-14R）为继电器输出，16点（FP0-16T）、32（FP0-

32T）点为晶体管输出，I/O最大可扩展到3个单元128点，并且3个I/O扩展单元采用堆叠方式不需要任何电缆，结构紧凑。

FP0系列PLC功能强大，执行每个基本指令只需0.58μs,同时脉冲捕捉和中断输入满足了高速响应的需要。

此外该PLC具有32K步的大容量内存及丰富的指令系统。

2.2.1该型PLC还具有如下特点

1.脉冲输出功能（限于晶体管输出型）

装配了2通道，最大的为10kHz的脉冲输出。

（2通道输出时为5kHz）各自可以独立进行控制，因此可以和2轴独立的位置控制用途相对应。

配备了自动梯形控制，原点返回和JOG运行的专用指令，设定非常简单。

2.高速计数的功能

对单相配备了4通道，2相则为2通道。

在单相的情况下，4通道合计为

10kHz；2相的情况下，2通道合计为2kHz。

以此计数速度，可用于对变频器进行控制等。

3.PWM输出功能（限于晶体管输出型）

使用专用指令，可以实现频率1kHz占空比0.1%～99.9%的脉冲输出。

由于它的超小型尺寸和高度兼容性，FP0拥有广泛的应用领域，如：

继电器顺序控制、室内检测、传送控制、自动货架、给料机、食品加工和包装机、停车器、行车限距仪等。

本系统采用FP0-C16T型PLC作为控制单元，该型PLC属于晶体管输出型，共有16点I/O，其中输入用X表示，有8点，对应的地址为X00-X07；输出用Y表示，有8点，对应的地址为Y00-Y07。

该型PLC程序容量为2720步，支持83条基本指令及114条高级指令，定时器为100个，对应的标号为0-99，计数器为44个，对应的标号为100-143。

该型PLC支持32点主控（MC0-MC31），16个子程序

（SUB0-SUB15），7中断（外部6点，内部1点）。

2.2.2FP0系列PLC的I/O配置

X

10进制数

1,2,3，……9

16进制数

1,2,3，……9，A,B……F

用X表示，外部输出用Y表示。

具体的输入和输出的编号用十进制和16进制的组合表示，如图2-5所示。

：

图2-5FP0系列PLC的外部输入地址编号

外部的输入和输出既可以用位表示，也可以用字表示，即输入输出状态字，如：

WX0则表示0号输入状态字。

WX0对应X00-X0F共16位外部输入的状态。

当PLC控制单元的I/O点数不足时，可进行I/O单元扩展，FP0系列PLC连接到一个控制单元的扩展单元最多为三个，如图2-6所示。

7

图2-6FP0系列PLC控制单元与扩展单元连接

各型扩展单元对应的输入输出地址如表2-2所示。

表2-2FP0系列PLC各型扩展单元对应的输入输出地址对照表

单元的种类

分配点数

扩展单元1

扩展单元2

扩展单元3

FP0

扩展单元

FP0-E8X

输入（8点）

X20-X27

X40-X47

X60-X67

FP0-E8R

输入（4点）

X20-X23

X40-X43

X60-X63

输出（4点）

Y20-X23

Y40-X43

Y60-X63

FP0-E8YT/P

FP0-E8YR

输出（8点）

Y20-X27

Y40-X47

Y60-X67

FP0-E16X

输入（16点）

X20-X2F

X40-X4F

X60-X6F

FP0-E16R

FP0-E16T/P

输入（8点）

X20-X27

X40-X47

X60-X67

输出（8点）

Y20-X27

Y40-X47

Y60-X67

FP0-E16YT/P

输出（16点）

Y20-X2F

Y40-X4F

Y60-X6F

FP0-E32T/P

输入（16点）

X20-X2F

X40-X4F

X60-X6F

输出（16点）

Y20-X2F

Y40-X4F

Y60-X6F

2.3设计程序清单

I/O地址分配表如表2-3所示

表2-3立体仓库I/O分配表

输入部分

输出部分

X0

Y0

横轴脉冲

X1

Y1

竖轴脉冲

X2

Y2

横轴方向I／0

X3

Y3

竖轴方向I／0

X4

货台回位限位

Y4

X5

货台到位限位

Y5

X6

货台是否有物

Y6

货台前升

X7

自动／手动（0／1）

Y7

货台退回

X20

十六进制输入

键盘值1位

Y20

显示部分

就绪

X21

键盘值2位

Y21

取

X22

键盘值3位

Y22

放

X23

键盘值4位

Y23

十位显示

X24

横轴右限位

Y24

BCD

码输出显示

BCD码1位

X25

横轴左限位

Y25

BCD码2位

X26

竖轴上限位

Y26

BCD码3位

X27

竖轴下限位

Y27

BCD码4位

注：

X40～X4C为0至12个仓库的微动开关

2.4系统流程框图

系统存取车辆的流程图如图2-7所示，系统流程框图如图2-8所示

9

图2-7系统存取车辆的流程图

复位选择仓位号

显示仓位号

N

选择操作方式

取货？

送货？

N

Y Y

取消操作

N被选择仓位有货？

转货台有货？

N 取消操作

Y

X轴右移

Y轴上移

N

Y

X轴右移

Y轴上移

N

到达制定仓位？

到达转货台？

Y Y

货台前伸 货台前伸

N

货台

前伸到位？

Y

N

货台

前伸到位？

Y

Y轴上移 Y轴上移

货台回缩 货台回缩

N

货台

前伸到位？

Y

N 货台

前伸到位？

Y

X轴右移

Y轴上移

X轴右移

Y轴上移

到达转货台？

到达制定仓位？

Y Y

货台前伸 货台前伸

N

N

货台

前伸到位？

货台

前伸到位？

Y Y

Y轴下移 Y轴下移

货台回缩 货台回缩

11

图2-8系统流程框图

2.5PLC实现步进电机库位的定位

脉冲信号

（PLC）

步进电机

驱动器

步进电机

滚珠丝杠

PLC实现步进电机库位的定位主要由PLC、步进电机驱动器、步进电机及滚珠丝杠组成，如图2-9所示。

图2-9步进电机控制系统结构框图

2.5.1PLC部分

系统中脉冲信号由PLC提供，采用松下电工生产的FP0-C16T。

其中FP0-

C16T是晶体管输出型的PLC，具备2路最高可达10KHz的脉冲输出，可实现独立控制，常用于两轴位置控制。

通过输出端子Y0，Y1分别产生一个50%占空比脉冲串，然后接到两个步进电机驱动器，从而控制X轴，Y轴步进电机，构成步进电机位置的开环控制系统。

脉冲周期和数量由PLC程序进行控制。

通过输出端子Y2，Y3分别接到两个步进电机驱动器方向控制端，实现步进电机正转、反转控制。

步进电机位置控制系统接线图如图2-10所示。

-

DC24V

Y0Y2



公共端脉冲

方向



DC+ A+

DC-A+

A- A-

B+

COM（±）

1# B-

B+ B-

X轴步进电机

Y1

Y3COM（-）



公共端脉冲

方向

2#



DC+DC-A+A-B+

B-



A+

A-

B+

Y轴步进电机

PLC

（FP0-C16T）

步进电机细分驱动器

图2-10步进电机位置控制系统接线图

2.5.2步进电机驱动器

步进电动机的驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。

驱动电路是步进电动机应用的关键，是影响其性能发挥和可靠运行的一个最重要的因素。

步进电机驱动器采用森创Syntron SH-20403两相混

合式步进电机细分驱动器，该驱动器提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分七种模式，利用驱动器上六位拨码开关的1、2、3位可以组合出不同的状态如图2-11所示。

当前的设置为2细分即改善半步。

步进电机驱动器控制信号的意义如下：

公共端：

输入信号采用共阳极接线方式，应将输入信号的电源正极接到该端子上，将输入的控制信号接到相应的信号端子上。

控制信号低电平有效，此时对应得内部光耦导通，控制信号输入控制器中。

脉冲：

脉冲信号输入端，共阳极时该脉冲信号下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。

方向：

方向信号输入端，该信号的低电平和高电平控制电机的两个转向。

脱机：

脱机信号输入端，共阳极低电平时，电机相电流被切断，转子处于自由状态（脱机状态）。

2.5.3步进电机的工作原理及特点

1.步进电机的工作原理

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使速度、位置等控制变得非常的简单。

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

13

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.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。

本系统中步进电机采用森创Syntron42byg250C，该电机为两相混合式步进电机，静态相电流1.5A，步距角1.8°，即在无细分的条件下200个脉冲电机转一圈（细分精度最高可以达到12800个脉冲电机转一圈）。

步进电机传动组件采用滚珠丝杠，丝杠的导程为3mm，即丝杠转一圈，螺母直线运动距离为3mm。

当螺纹是单头时,则螺距与导程相等。

PLC对步进电机的控制首先要确立坐标系,可以设为相对坐标系,也可以设为绝对坐标系。

PLC直接控制步进电机位置控制系统设计时，必须先计算出脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量3个参数：

脉冲当量=步进电机步进角´螺距

360´传动速比

脉冲频率上限=移动速度´步进电机细分数

脉冲当量

最大脉冲数量=移动距离´步进电机细分数

脉冲当量

根据脉冲频率确定PLC高速脉冲输出频率,根据脉冲数量确定PLC的位宽。

2.5.4PLC位置控制指令

FP0-C16T型PLC使用F168（SPD1）指令，以位控指令实现步进电机的速度控制。

F168（SPD1）指令，可以从指定的输出通道（Y0或Y1）输出一个脉冲序列，如图2-12所示。

图2-12F168（SPD1）指令

其中，参数S，表示存储区的起始地址；参数n指定用于输出脉冲的输出通道Yn（n:

K0或K1）。

表2-4脉冲输出通道参数对照表

通道号

控制

标志

经过值

目标值

方向

输出

ch0

R903A

DT9044，DT9045

（FPO-T32:

DT90044.DT90045）

DT9046，DT9047

（FPO-T32:

DT90046,DT90047）

Y2

ch1

R903B

DT9048,DT9049

（FPO-T32:

DT90048,DT90049

）