1、2.1 设计思想 本设计是以可编程控制器（ProgrammableLogicController简称PLC）为核心，三菱FX2N-20GM作为PLC专用定位单元，控制伺服电机驱动一个有二个自由度的堆垛机来模拟现实中立体仓库的存取过程。在整个立体仓库运行过程中采用开环控制方式，触摸屏（三菱GT1155）为人机接口元件，PLC和定位单元为控制元件，伺服电机和电磁阀（双轴气缸）为执行元件来驱动工作台在高强度导轨上做三维运动，堆垛机传动部件为高精度丝杠传动。运行时PLC会接收和分析操作人员在触摸屏上的输入指令，做出合理的工作安排。即读取执行元件的信息，通过软件做出合理的工控安排反馈到执行元件和操作系统
2、，实现车位的位置移动。具体原理方框图如图1所示。 图1系统方框图2.1 本设计控制要求 （1）PLC根据触摸屏所设置不同物品对应仓位实现十二个仓位的自动存取，本系统对三层仓位每层放置不同的三类物品，系统会自动寻找此空位来实现物品的依次存放，存放结束后自动返回原点（机械原点），等待下一个存放命令。PLC接受存放命令向目标空位靠近的运动默认为有负荷运动，此时为低速运动，以获得较大的电机转矩，回原点的运动默认为空载，此时堆垛机快速移动，可以节省工作时间，提高效率。 （2）具有急停功能。当系统在运行的过程中发现其它意外等，可以点击急停按键，此时系统会立即停止运行并保持原位置。但系统再次运行务必要回原点
3、校正。因为系统采用开环控制，其速度由伺服电机或步进电机接受的脉冲频率决定，运行位移量由脉冲数目决定。而各空位对应的脉冲频率、数量数据均由程序设定。另外从系统运行时的可靠性和安全性角度考虑，所有的数据均应参考原点而设置。所以系统每次任务结束后都必须回原点进行校正，避免执行错误命令，发生意外。 （3）能够快速返回原点。堆垛每次执行完取/放料动作完成后，系统便快速返回原点。本功能也可以作为原点校正用，长时间运行误差积累导致工作台不能精确定位，借此可以校正。 （4）有手动和自动档选择，可以实现手动和自动两种控制方式。并且在触摸屏上有点动按钮导航键，分别用于控制堆垛机X轴正向与反向运行，Y轴正向与反向运
4、行，Z轴（物料叉）伸缩运动运。规定远离原点为正向，靠近原点为反向。同时在控制台上设置手动操作的十字开关，对堆垛机X与Y轴手动控制。实现对物品的存放操作。（5）堆垛机X轴与Y轴方向定位由输出脉冲序列专用单元FX2N-20GM控制两台MR-E-20A伺服电机来实现；堆垛机取放料机构物料叉由PLC驱动电磁阀控制气缸伸缩动作实现对仓库取放物品功能。（6）装配物品检测传感器，PLC获取此信息并根据触摸屏对物品分类入库参数设置，实现对物品分类入仓。（7）触摸屏功能：在系统中实现对堆垛机对象的监视及仓库和系统运行状态的显示功能，具体要求： 1.自动控制； 2.手动控制；3.系统急停；4.物品对应仓位设置；5
5、.仓库物品实时库存数量统计，6.历史库存数量统计； 7.仓库实时监视；8.出库操作；9系统报警（如满仓）。2.3 系统构成 系统由可编程控制器（FX2n-32MR）、定位单元（FX2n-20GM）、触摸屏（三菱GT1155）、伺服电机（MR-E-20A）及气缸（物料叉）等组成。控制电路图如图2所示。图2 系统控制电路图2.3.1 手动控制堆垛机十字开关到FX2N-20GM连接器CON2接线见表1。表1 手动控制堆垛机十字开关到FX2N-20GM连接器CON2接线十字开关FX2N-20GM连接器CON2针脚备 注XRVS（X）X轴向左XFWD（X）X轴向右YRVS（Y）Y轴向上YFWD（Y）Y轴
6、向下公共端COM12.3.2 微动开关到FX2N-20GM连接器CON2接线见表2。表2 微动开关到FX2N-20GM连接器CON2接线微动开关X轴左限LSR（X）反向旋转行程结束X轴右限LSF（X）正向旋转行程结束X轴机械零位DOG（X）DOG（近点信号）输入Y轴左限LSR（Y）Y轴右限LSF（Y）Y轴机械零位DOG（Y）公共端子2.3.3 FX2N-20GM TO MR-E-20A通讯电缆接线见表3。表3 FX2N-20GM TO MR-E-20A通讯电缆接线FX2n-20GM CON3/CON4MR-E-20A CN1插头脚位端子名1SVRDYRD11SVENDINP102COM2VIN
7、3CLRCR513PG0OP214COM3SG14COM46FPPP2316RPNP257VIN（24V+）OPC9COM5LGEMG83PLC程序设计 3.1 系统控制使用的PLC和触摸屏的I/O、内部继电器与外部元件的对应关系见表4。表4 I/O、内部继电器、数据寄存器与外部元件对应关系内部继电器M0自动M501B2仓物品实时显示M1手动M502B3仓物品实时显示M4停止M503B4仓物品实时显示M101一层仓库出料M504C1仓物品实时显示M102二层仓库出料M505C2仓物品实时显示M103三层仓库出料M506C3仓物品实时显示M108堆垛机X轴左移M507C4仓物品实时显示M109堆
8、垛机X轴右移M508A1仓物品实时显示M110堆垛机Y轴左移M509A2仓物品实时显示M111M510A3仓物品实时显示M120实时库存数据清除M511A4仓物品实时显示M121清空历史库存数据数据寄存D517B仓实时库存数M200送/取料D518C仓实时库存数M122金属物料入三层D519A仓实时库存数M123白色物料入三层D520B仓历史入库数M124蓝色物料入三层D521C仓历史入库数M125金属物料入二层D522A仓历史入库数M126白色物料入二层输入X0金属检测M127蓝色物料入二层X1颜色检测（白）M128金属物料入一层X2颜色检测（蓝）M129白色物料入一层Y0运行M130蓝色物
9、料入一层输出Y1报警M500B1仓物品实时显示Y3（20GM）气缸（物料叉）3.2 系统主要PLC程序说明。3.2 .1 初始化参数，设置两轴最大动行速度、加减速时间。3.2 .2 手动控制，点动触摸按钮驱动气缸动作，设置JOG速度。3.2 .3 手动控制，点动触摸按钮控制堆垛机X轴与Y轴运动。3.2 .4 紧急情况，点动触摸按钮使堆垛机停止运行。答疑编号502334050102（2）环境影响后评价。专项规划 工业、农业、畜牧业、林业、能源、水利、交通、城市建设、旅游、自然资源开发有关的专项规划。 环境影响报告书（3）旅行费用法2）购买环境替代品。3.2 .5 自动分类入库，由触摸屏设置目标仓
10、库。（7）列出安全对策措施建议的依据、原则、内容。3.2 .6 自动控制，执行一次回零或绝对位置检测操作后建立标志（M40与M41对应X轴与Y轴）。3.2 .7 自动控制，获取两轴当前位置（转换为脉冲）及输出继电器分配给缓冲存储器状态。3.2 .8 自动控制，计算相应物品对应FX2N-20GM程序号。3.2.9 设置两轴爬行速度、零点计数次数、零点信号计数开始点、回零方向和回零命令。3.2 .10 仓位实时监视设置，放入物品时置位。3.3 系统FX2N-20GM程序说明，以A1仓物品取放料程序为例，见图3与图4。3.3.1 SWOD5-FXVPS-E为FX2N-20GM定位单元个人计算机编程软
11、件。图3 A1仓取料程序 图4 A1仓放料程序 3.3.2 各仓物品取放料对应程序号见表4，以A1仓物品取放料程序为例说明如下：A1仓取料程序（程序号：16） A1仓放料程序（程序号：17）表4 各仓位取放料对应程序号仓 位程序号A1（取/放）16/17B1（取/放）0/1C1（取/放）8/9A2（取/放）18/19B2（取/放）2/3C2（取/放）10/11A3（取/放）20/21B3（取/放）4/5C3（取/放）12/13A4（取/放）22/23B4（取/放）6/7C4（取/放）14/154系统采用的MR-E-20A伺服电机，伺服器相关参数设置见表5。表5 伺服器相关参数设置参数号设置值P
12、01001P410111P8300P420010P92000P440888P19CP450899P21P4600705触摸屏监控画面。系统的触摸画面在GT Designer2软件制作。图5 初始画面 图6 控制方式画面图7 自动控制监控画面 图8 仓库实时监视画面图9 历史库存数画面 图10 堆垛机手动控制画面图11 物料目标仓库设置画面 图12 出库操作画面6系统主要器件及在系统中的功能简介 6.1可编程控制器（PLC） 本设计中用的主控制器MITSUBISHIFX2N-32MR型PLC为本三菱公司生产的一款小型PLC，FX2n系列PLC把许多其他PLC的优点都融进一个很小的控制器中。FX2
13、n适用于最小的封装，是希望低成本的用户在有限的I/O范围寻求强大控制功能的首选目标。内部提供多达32个I/O点，并且能够通过串行通信传输数据。在系统PLC为核心元件对负责整个系统控制与数据处理。 6.2触摸屏（GOT） 触摸屏是触摸式图形显示终端的简称，它是一种人机交互装置。一般通过串行接口与计算机、PLC或其他外围设备连接进行通信，由专用软件完成画面的制作和传输，实现其作为图形操作和显示终端的功能。在控制系统中，触摸屏常作为PLC的输入和输出设备，通过使用相关软件，设计出满足用户要求的监控画面，实现对控制对象的操作和显示。本设计中用的为三菱公司生产的GT1155型320X240点STN彩色液
14、晶触摸屏，实现对系统对象的监视与控制功能。6.3定位单元 定位单元FX2n-20GM型是三菱公司生产的输出脉冲序列的专用单元。定位单元允许用户使用步进电机或伺服电机，并通过驱动单元来控制定位。一个定位单元能控制两根轴；定位单元配有一种专用定位语言（cod指令）和顺序语言（基本指令和应用指令）；当连上一个通用的脉冲发生器（集电器开路型）后，手动进给有效；当连接上一个带有绝对位置（ABS）检测功能的伺服放大器后，每次启动时的回零点可以被保存下来。当连上一个FX2n系列PLC时，定位数据可被读/写，定位单元也可不需要任何PLC单独运行。 本设计中定位单元FX2n-20GM用来控制两个MR-E伺服电机
15、定位堆垛机的两轴位置。6.4伺服驱动器及伺服电机 本设计中采用两台三菱通用AC伺服MR-E-20A型交流伺服放大器，控制模式有位置控制和速度控制2种模式，而且能够切换位置控制和速度控制进行运行。位置控制模式时可用最高500Kpps的高速脉冲串执行电机的旋转速度和方向的控制。MR-E系统伺机服电机的编码器采用14386脉冲/转分辨率的增量位置编码器，可进行高精度定位。 两台伺服电机为本设计执行元件，控制传动部件丝杠旋转进行准确的定位。6.5驱动支架仓库模型 驱动支架（堆垛机）是此模拟机的重要机械部分，要求有高的强度和传动精度用于保证运行的精度和可靠性。其有效坐标行程（可运动最大坐标值）为XYZ=
16、46045070mm。其各坐标方向上各有三根轴，中间是传动丝杠，两边是导轨。仓库模型采用钢架结构，为34行列式，共12个空位。7关键问题处理 在本模拟自动化立体仓库设计中，主要根据输出脉冲序列的专用单元FX2n-20GM对伺服电机控制，即采用脉冲开环控制方式设计，由三菱FX2n-32MR型PLC、定位单元FX2n-20GM、MR-E伺服电机、气缸、开关电源（DC24V）、一个基本的控制台，起控制和驱动作用。 当定位单元发出一定脉冲，经过伺服驱动器驱动伺服电机旋转一定的角度，要想实现对堆垛机的精确控制，传动部件丝杠旋转一圈进给量为6mm，因此需依此量并参照机械零点位置计算出每一仓位对应坐标值。8
17、一个完整的动作过程 要编写一个很好的控制程序首先要搞清运动的各个环节，把连续运动合理的离散化和数字化是整个程序设计的关键，因此可以把一个完整的自动存取过程简单划分为：首先按动触摸屏自动控制按钮键，如系统为初次启动时堆垛机三轴归机械零位，物品检测传感器检测到物品种类，根据设置目标仓值，PLC接到信号后，执行定位单元对应目标仓位程序（取物品托架），X、Y轴两路伺服电机开始同时正转，即向各自目标的坐标值开始靠近。当伺服电机达到目标坐标值后，堆垛机X轴与Y轴均停止动作，延时后PLC驱动电磁阀，气缸出杆伸出，延时，Y轴再正转，物料叉托起物料托架使之与仓库脱离后，气缸杆作缩回动作，延时，气缸杆作缩回动作完
18、成后定位单元对两轴执行归零命令，X、Y轴归到机械零位，待检测到物品置于物料叉上时，执行定位单元对应目标仓位程序（放物品托架与物品），此次堆垛机行走路径与上一流程基本相似，只是目标坐标值Y大于对应仓位底部坐标相对值，然后物料叉做伸出运动，伺服电机（Y轴）再反转，放下物品托盘及物品，物料叉再缩回，当步进电机停止动作的信号发出后即物料叉作缩回动作完成后定位单元对两轴执行归零命令，到此，即整个自动化立体车库的自动存取车过程基本结束。9系统可扩展性所采用的PLC主机支持多种特殊功能模块，为进一步优化系统功能提供了方便，如：只要加上相应的通迅模块（如FX2n-485-BD，FX2N-32CCL等）即可把该
19、系统加入工业现场总线系统中。为今后系统改造与升级提供支持。结束语 本文重点介绍了自动化立体仓库模型的具体设计过程，此控制系统通过调试显示能够比较准确地完成对12位仓库模型的基本定位，能够比较准确地完成自动存取任务。 本控制系统是根据自动化立体仓库运行的基本原理设计的，以三菱FX2n-32MR型PLC作为核心控制元件，三菱FX2N-20GM作为PLC专用定位单元用来控制伺服电机（三菱MR-E-20A）来驱动仓库堆垛机的X轴与Y轴，驱动一个有二自由度的堆垛机在高强度导轨上做二维运动。控制气缸动作驱动Z轴，来实现对物品的自动存取任务。所做的具体工作如下：（1）设计了人机界面（触摸屏画面）。实现对系统
20、对象的监视与控制功能。（2）根据整个控制系统的运行要求，设计出了相应的程序并且通过了调试。 （3）通过系统的最终调试，完成了在立体仓库模型上进行物品装卸的试验。在这次设计中，基本完成了仓库模型控制系统的设计，达到了预期的目标，实现了其主要功能。此设备调试表明所选设计方案均是可行的。此仓库模型控制系统适合自动化类教学仪器的演示，也可以为自动化立体仓库的具体实施作一个技术参考。参考文献：梁耀光 余文烋主编电工新技术教程三菱电机FX1S；FX1N；FX2N；FX2NC系列编程手册三菱电机FX2N-10GM；FX2N-20GM编程手册三菱电机MR-E 伺服放大器使用手册三菱电机GT Designer2 版本2 画面设计手册
