基于PLC和步進電機的立體倉庫存儲系統精確定位控制設計

李庭貴

（瀘州職業技術學院，瀘州 646005）

0 引言

步進電機是一種將電脈沖轉換為角位移或直線運動的執行設備。在非超載的情況下，電機轉速和停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，因此步進電機廣泛應用于精密控制場合[1]。

自動化立體倉庫也稱立庫，是在不直接進行人工參與的情況下自動地存儲和取出物料的系統，采用高層貨架存儲貨物，用專門的倉儲作業設備進行貨物出入庫作業。其具體功能是：在接收工位接收送料單元送來的工件，按照工件信息而自動運送至相應倉位，并將工件推入立體倉庫指定位置存儲。

1 系統總體設計

1.1 系統結構設計

立體倉庫存儲系統主要由PLC控制模塊、步進驅動模塊、絲桿驅動模塊、工件推出模塊、立體倉庫、氣源處理組件等部件組成。系統結構示意圖如圖1所示。

1.2 精確定位原理

PLC每發出一個脈沖，步進電機轉動一個步距角度，X軸步進電機帶動X軸絲桿做左右直線運動或Z軸步進電機帶動Z軸絲桿做上下直線運動，實現載物臺的上、下、左、右運動。通過控制X軸、Z軸步進電機的脈沖個數，就可以控制載物臺在X軸、Z軸上移動的距離，實現載物臺在X—Z軸平面的精確定位，從而把物體放到倉庫的指定位置。當PLC輸出5000個脈沖時，平移距離為3.125cm（平移距離=步距角×脈沖個數×螺距/360o），輸出脈沖為10000時平移距離理論值為6.25cm。

2 系統硬件設計

2.1 PLC控制模塊

立體倉庫精確定位存儲控制系統選用西門子S7-200系列的CPU 224 CN作為控制器。它有24個I/O點（14輸入點，10個輸出點出），具有體積小、功能強、性價比高等優點，而且具有高速脈沖輸出（PTO）功能，可以驅動步進電機運動。

系統硬件控制接線圖如圖2所示。

2.2 步進驅動模塊

步進驅動模塊由步進電機和步進驅動器組成。倉庫立體存儲系統有兩套步進驅動模塊，分別控制X軸、Z軸的絲桿運動。

圖1 立體倉庫精確定位存儲控制系統結構示意圖

圖2 立體倉庫存儲系統硬件控制接線圖

步進驅動器接收PLC發出的高速脈沖信號及方向電平信號，并將這些信號轉換成驅動步進電機的信號。步進電機旋轉方向由方向電平控制；步進電機旋轉速度由脈沖信號的頻率控制；步進電機旋轉角度由脈沖信號的數目控制。

選用四相步進電機42J1834-810，與之配套的驅動器選用美國IMS公司生產的M415B細分型步進電機驅動器，其細分功能使步進電機運轉精度提高，振動減小，雜訊降低，且具有光隔離信號輸入（抗干擾），靜止時電流減半，電源接反保護功能等優點。

42J1834-810 步進電機步距角為1.8o，即在無細分的條件下，200個脈沖使步進電機轉一圈（200×1.8=360o）。通過驅動器設置細分精度，最高可以達到12800個脈沖電機轉一圈。步進電機驅動器M415B細分設定由撥碼開關SW4、SW5、SW6設定，如表1所示。設置SW4=ON、SW5= OFF、SW6=ON，細分設置為800步數/圈，即800個脈沖使步進電機轉一圈，此時步距角為（800×0.45=360o）。

步進電機傳動組件采用聯軸器直接帶動螺旋絲杠轉動，螺旋絲杠的螺距為5mm，即步進電機每轉動一周，載物臺位移5mm。通過控制載物臺在X-Z軸平面的運動，從而把工件運送到倉庫的指定位置。

步進電機驅動器M415B輸出相電流設定由撥碼開關SW1、SW2、SW3設定，如表2所示。設置SW1=OFF、SW2=ON、SW3=OFF，輸出相電流為1.05A。

表1 步進電機驅動器M415B細分設定表

表2 步進電機驅動器M415B輸出相電流設定表

圖3 立體倉庫存儲系統氣動控制原理圖

表3 立體倉庫精確定位存儲系統I/O端口分配表

2.3 絲桿驅動模塊

絲桿驅動模塊是將步進電機輸出的旋轉運動轉換成直線往復運動，兩套絲桿驅動模塊成90度垂直安裝，形成一個X-Z軸的平面運動系統。在兩個絲桿驅動模塊上均設有一個零點，用以校正位置及提供一個位置參考點。同時為了防止絲杠驅動模塊過沖而產生機械物理損傷，在絲桿驅動模塊的極限位置均裝有碰撞保護開關，用來防止絲桿驅動模塊過沖。

2.4 工件推出模塊

工件推出模塊采用氣動控制系統作為執行機構，1A為雙作用氣缸，1B1和1B2為磁感應式接近開關，判斷氣缸的運動位置。1Y1為兩位五通電磁換向閥控制雙作用氣缸的運動，立體倉庫存儲系統的氣動控制原理圖如圖3所示。

3 系統軟件設計

3.1 I/O口分配

立體倉庫精確定位存儲控制系統的PLC I/O口分配表如表3所示。

3.2 程序設計

軟件采用模塊化設計方法，主要由主程序、Q0.0（控制X軸電機）輸出脈沖子程序、Q0.1（控制Z軸電機）輸出脈沖子程序等模塊組成。

3.2.1 主程序設計

主程序首先檢測絲杠的運動方向，裝入脈沖串值，然后調用Q0.0（控制X軸電機）輸出脈沖子程序、Q0.1（控制Z軸電機）輸出脈沖子程序，并判斷脈沖串輸出是否完成，最后判斷定位是否完成。主程序流程圖如圖4所示。

3.2.2 Q0.0、Q0.1輸出脈沖子程序設計

表4 多段PTO操作的包絡表設置

圖4 主程序流程圖

S7-200CPU提供兩個高速脈沖輸出點（Q0.0和Q0.1），通過PLC編程控制脈沖的周期（頻率）和個數，利用脈沖輸出指令（PLS），通過PTO編程，可在高速脈沖輸出點（Q0.0和Q0.1）上控制脈沖串輸出，從而驅動步進電機運動。

圖5 Q0.0（控制X軸）輸出脈沖子程序流程圖

圖6 Q0.1（控制Z軸）輸出脈沖子程序流程圖

PTO編程步驟：1）設置PTO/PW控制字；2）寫入周期值；3）寫入脈沖串計數值；4）連接中斷事件、中斷服務程序，允許中斷；5）執行PLS指令，對PTO進行編程。

設置PTO控制字（允許PTO多段操作模式）和設置多段PTO操作包絡表，控制Q0.0、Q0.1輸出脈沖串，如表4所示。

通過PLC的Q0.0輸出脈沖串，控制X軸步進電機運動，Q0.0（控制X軸）輸出脈沖子程序流程圖如圖5所示。

通過PLC的Q0.1輸出脈沖串，控制Z軸步進電機運動，Q0.1（控制Z軸）輸出脈沖子程序流程圖如圖6所示。

4 結束語

詳細介紹了本系統的總體結構、硬件設計和軟件設計。側重闡述了采用西門子S7-200系列的 CPU-224 PLC，輸出PTO脈沖信號控制X—Z軸平面的M415B步進電機驅動器，驅動步進電機42J1834-810運動，從而帶動X—Z軸平面的絲桿轉動，推動載物臺上、下、左、右移動，實現了載物臺在X—Z軸平面的精確定位控制，把物體存儲到立體倉庫的指定位置。實踐表明，該系統運行穩定流暢，效果良好。

本系統以自動化立體倉庫為研究對象，其方法、原理和技術可擴展到機械、冶金、化工、航空航天、電子、醫藥、食品加工、煙草、印刷、配送中心、機場、港口等行業，具有一定的工程實際意義和實用價值，具有廣闊的應用前景。

[1] 黃會雄.一種智能視頻監控體系結構設計方案[J].微計算機信息,2007,6-1:115-117.

[2] 章國華,蘇東.典型生產線原理、安裝與調試(西門子PLC版本)[M].北京:北京理工大學出版社,2009.

[3] 陶權,韋瑞錄.PLC控制系統設計、安裝與調試[M].北京:北京理工大學出版社,2009.