论文总字数：19069字

摘 要

本文首先对PLC与伺服驱动系统设计的意义、背景、研究状况、进行介绍，并分别对可编程逻辑控制器、伺服驱动器和伺服电机的定义、组成、工作原理分别进行了介绍，并介绍了自动化立体仓库的基本知识，包括它的组成、特点。自动化立体仓库采用PLC S7-300，然后由于系统需要，设计PLC与伺服驱动系统的硬件结构，包括PLC各个模块的选型，伺服驱动系统的选择，PLC与伺服驱动系统的连线。最后设计基于PLC S7-300与伺服驱动系统的自动化立体仓库的功能图，输入输出分配表，立体仓库的流程图。本文中的程序在STEP 7 中进行程序的编写，采用模块化设计的方式实现堆垛机的键盘控制、进料、出料、复位、等功能。

关键词：PLC S7-300 伺服驱动 立体仓库

Design of PLC and Servo Drive System

Abstract

In this paper, the meaning, background and research status of PLC and servo drive system design are introduced. The definition, composition and working principle of programmable logic controller, servo drive and servo motor are introduced respectively, and the automation The basic knowledge of the three-dimensional warehouse, including its composition, characteristics, classification. Automated three-dimensional warehouse using PLC S7-300, and then because the system needs, design PLC and servo drive system hardware structure, including PLC module selection, servo drive system selection, PLC and servo drive system connection. Finally, based on the PLC S7-300 and servo drive system of automated warehouse function diagram, input and output distribution table, three-dimensional warehouse flow chart. The program in this article in STEP 7 program preparation and simulation, using modular design to achieve the way the stacker keyboard control, feed, discharge, reset, and other functions.

Key Words: PLC S7-300; Servo drive; automated warehouse

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3课题研究内容 3

第二章 PLC与伺服系统的简介 4

2.1 PLC控制系统 4

2.1.1 PLC的基本概念 4

2.1.2 PLC的应用领域 7

2.2伺服驱动系统 8

2.2.1概述 8

2.2.2特性 8

2.2.3控制伺服驱动的设计概述 9

2.3 自动化立体仓库 10

2.3.1 组成 10

2.3.2 优点 11

2.4 本章小结 12

第三章硬件设计 13

3.1 PLC的选择 13

3.2伺服驱动系统的选择 14

3.3系统评估 14

3.4原理图 16

3.5接线图 16

3.6本章小结 18

第四章 软件设计 19

4.1 STEP软件 19

4.1.1 Step 7介绍 19

4.1.2 Step 7编程语言 19

4.1.3 Step 7的程序结构 19

4.2立体仓库功能图 20

4.2 立体仓库输入输出点分配 21

4.3 立体仓库流程图 22

4.4 程序设计 23

4.5.系统仿真 29

4.6 本章小结 31

第五章 总结与展望 32

5.1 总结 32

5.2展望 32

参考文献 33

附录 34

第一章 绪论

1.1选题背景及意义

目前，可编程逻辑控制和伺服控制已经成为了两种重要的技术。为了既能满足控制系统所需的安全需求和精度要求，也能让它能够在工业生产中得到应用，这就需要让伺服电机的转速得到精准的控制。在设计中通常使用PLC的输出控制与伺服控制。

在使用初期，构造较为简易的PLC和伺服驱动系统的需要非常高的工艺技巧才能进行工业生产，而且即使在工业生产中也会发出较大的噪声。在近几年来,由于科技的迅速发展，这也影响控制技术得到飞速的进步,如今在工业中使用PLC与伺服驱动系统的时候已经能够减少噪声，提高控制系统的灵活度。

PLC被称为可编程逻辑控制器，PLC能够运行它内部已经编写完成的程序，然后运用I/O接口控制电机来完成机械运动。伺服驱动技术是伺服电机利用自带的旋转编码器发出反馈信号输送给伺服驱动器，然后根据反馈的数值与目标数值之间相互的比较，按照比较的结果去调整转子的角度，达到伺服电机精确运转的要求 ^[1-2]。PLC发出脉冲指令和编码器的位置反馈信号输入到驱动器中，根据一定的偏差的计算，按照规律得到的所需要的校正信号，然后经过调节或者放大，使得电机能够消除偏差。

PLC是具有高效率的组态和编程的控制器。其中西门子S7-300是模块化结构，在DIN导轨可以将PLC各个模块都按照在上面，使用将PLC的各个模板插入到总线连接器进行安装，在进行系统设计的时候，采用这样的模块化的结构能产生了很多便利的地方，倘若系统在使用的时候，模块出现问题，每个模块都是可以被替换的容，这样更方便以后系统的维修工作。

如今，伺服驱动系统是由伺服驱动器、传感器和伺服电机合共同组成，它能和采用新型的电子器件、专用电路和新的控制算法的交流伺服驱动器相匹配，组成新型高性能控制产品^[3]。正因为如此，高速进步的伺服系统才能够真正成为工业设备的重要驱动，特别是在在自动化的工业生产当中，伺服驱动系统的越来越多被大家所使用，使用的范围也越来越广泛。

1.2国内外研究现状

在研究过程中，对于不同的要求的伺服驱动系统，它所选的PLC的型号是不一样的。侯甫坤根据据工艺要求以及方便与欧姆龙NJ-301PLC进行通信调节，所选择的伺服电机均为欧姆龙的产品，750W电机，型号为R88M-KE75030H，配套伺服驱动器为R88D-KN08H-ECT-Z，在软件设计时，通过梯形图和嵌入式语句将需要实现的功能编辑出来，从而保证实时控制，高效、方便、便捷。崔成吉, 狄艳军在系统硬件设计时，根据性能要求选用三菱FX2N一80MT PLC、交流伺服驱动器MSDA043A 1A、交流伺服电机MSMA042A1 G(400W)及11线增量式编码器组成；在软件设计的时候，根据伺服电机它旋转一圈能产生水平位移与编码器的分辨率，从而确定脉冲当量s，计算对应的脉冲数，并且由脉冲数、输出频率和增量值的正负来预先设定轨迹运动，让插补的方法来完成轨迹需要的时间减少，工作效率得到特升。胡振华和杨福合在硬件设计时，根据系统共需要15个输入点和15个输出点，因此选择使用由台达推出的DVP-32EH的高速精密定位型主机，它可结合提供的运动控制质量，这样就能够更为方便地控制伺服驱动器。为保证控制精度，按照系统的需要：进给速度必须是可调、进给位移也要是任意可调，正因为如此才可以选用台达公司ECM交流伺服电动机，选择驱动器为ASD－B2023－A；在软件设计的时候，通过PLC的运行和编辑，可以将电动机的功率值以曲线进行表示， 并且能够在显示屏上进行查看^[4-5]。

西门子PLC相对于其他的PLC的稳定性更高，性能和质量都有很提升。因此西门子PLC更为常用。赵文川和王晓磊硬件采用PLC（S7-200,CPU226 晶体管）、交流伺服驱动器（TSDA15B）、交流伺服驱动电机6CC201G增量式编码器（2000P/R）等元件组成PLC输出端口的脉冲与伺服驱动器接口电路。在软件设计时，根据公司的对该系列伺服电机电子齿轮比设定范围的要求：1/127lt;参数 21/ 参数 22 lt; 127。根据之前说明的方法，按照需要行走的距离就可以计算出控制系统需要发出的多少脉冲数才足够，之后把计算出来的脉冲数输送到伺服驱动器中，这样它就可以实现位置控制^[6]。西门子的PLC S7-300是中型系统控制对象可以在256到1024之间，是模块化的，应用范围更加广。蒋继成, 赵孝文, 王强在控制系统中采用S7-300 PLC上位机操作单元、SEW的MDX61B0022-5A3-4-00伺服驱动器，让它与伺服电机的组合精度高和性能稳定；在设计软件时，按照逻辑将启动伺服控制器 ,然后进行零点位置寻参,伺服控制器进入准备启动的状态,然后PLC可以根据发出不同的命令来控制伺服控制器，进而控制伺服电机的转动^[7]。Samin R E, Azmi N A, Ahmad M A在电机速度控制的实现控制器上，采用欧姆龙CJIG-CPU42P的PLC，建立一个闭环系统，用于监控电机的转速。在软件设计时，利用梯形图CX功能进行控制方向和电机转速^[8]。Administrator采用Fanuc PLCS解决小型包装机、点胶机和继电器的替换应用程序，在电机方面采用步进电机，成本低并且可靠性高。在软件设计方面，采用软件versapro 2.02，采用梯形图进行设计^[9]。

1.3课题研究内容

本文通过PLC与伺服驱动系统的设计，具体对于自动化立体仓库进行控制。主要内容如下：

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