2023年11月28日发(作者：)
第一章前言
自动化立体库系统最早在美国诞生。20世纪50年代初美国开发了世界上第
一个自动化立体仓库，井在60年代即采用计算机进行自动比立体仓库的控制与
管理。日本制造出第一座自动化立体仓库，并在此后的20年间使这一“技术得
到广泛应用。进入20世纪80年代，自动化立体仓库在世界各国发展迅速，使用
围涉与几乎所有行业。我国自动化立体仓库的发展与欧美、日本等发达国家相比
起步比较晚，国第一座自动化立体仓库是纺织机械厂冷作二车间的模具库，建成
于1974年2月，与此同时，国一些科研机构也开始了自动化立体仓库的研究工
作。至1980年，我国已经建成和正在施工中的自动化立体仓库达到21座。目前
我国的自动化立体仓库大部分是简易的中低层小型分离式仓库。货架只有单元货
架和重力货架两种。
当今社会仓储、物流等概念已经逐渐为广大公众所了解，其相应的管理技术
也在许多大、中型企业中付诸实施。立体仓库一般是指采用几层、十几层、乃至
几十层高的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业
的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓
库”。自动化立体仓库就是自控技术在物流管理上的一个很好的应用。自动化仓
库是生产物流的重要组成部分。生产物流是从原材料采购开始，并最终将产品送
达用户。物料经过采购运输、入库、存放、生产出库／再人库，加工制造，最后
进入成品库以与成品外运等一系列过程。
自动化立体仓库不仅具有节省用地、减轻劳动强度、提高物流效率、降低储
运损耗、减少流动资金积压等功能，而且在沟通物流信息、衔接产需、保证生产
均衡、合理利用资源、进行科学储备与生产经营决策等方面发挥着独特的作用，
使人们真正享受到现代计算机技术应用于企业物流管理的益处。
自动化立体仓库是融计算机网络数据库管理技术、自动控制技术、通讯技术、
机电技术为一体的综合系统，科技含量高，并具有一定的复杂性。本文的研究对
象机械手，或称巷道车是自动化立体仓库的主要存取设备，直接执行出、入库等
任务的操作，因此其控制系统的灵活性、稳定性直接彰响着整个系统的运行状况。
1.1国外自动化立体仓库的发展现状与优缺点
自动化立体仓库仓库技术仍处于不断发展之中，今后将向两个方向发展：一
是开发储藏大型物体，如整台汽车，大型模具之类的自动化仓库;另一个是开发
对录音带、录像带或半导体器件之类的轻量或超轻量物体的小型自动化立体仓
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库。随着科学技术的发展，自动化立体仓库将逐步向完整、人工智能化控制系统
发展。发展至今，自动化仓库在设计、制造、自动化控制和计算机管理方面的技
术也日趋成熟。近些年我国自动化仓库技术发展很快，己实现了与其它信息决策
系统的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。尽管如此，至今在我国
已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，
无论是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距.由于自动化立体仓库在
当今物流和制造业中的广泛应用、计算机技术和网络技术的推波助澜，使得立体
仓库的发展十分迅速，其发展趋势主要有：
1．仓储作业管理自动化水平逐步提高。随着生产的进一步发展，对物流的
要求将更加严格。具体来说，就是在要求的时间、在准确的地点、按准确的顺序
与方法、提供准确的品种和数量的货物。
2. 智能技术将会获得应用。人工智能技术的发展，推动了自动化技术向其高
级阶段一智能化方向发展，已经在仓库的设计、搬运系统的控制和储运设备的选
用等方面应用了专家系统。
3. 仓库作业向柔性化发展。随着柔性化的普与，自动化仓库的储运作业也将
向柔性化发展。国外已经开始出现一批可拆卸的或移动式的仓库结构。
现在国外各发达国家在自动化仓库技术中投入大量资金，在仓库自动化过程
各个环节即输入、储运、输出上采用新技术。这些新技术集中有以下几种:
自动导向小车系统(Automated Guided Vehicle)
磁性导轨装置
激光扫描仪(Laser Scanner)
条形码识别(Bar-code Labels)
命令拣选系统(Order-Picking System )
储运机器人
机械手
智能卡车
（1)立体仓库之所以受到青睐，是由于它具有以下优点：a.提高空间利用率
早期立体仓库的构想，其基本出发点就是提高空间利用率，充分节约有限且
宝贵的土地。在西方有些发达国家，提高空间利用率的观点已有更广泛深刻的含
义，节约土地，已与节约能源、环境保护等更多的方面联系起来。有些甚至把空
间的利用率作为系统合理性和先进性考核的重要指标来对待。立体库的空间利用
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率与其规划紧密相连。一般来说，自动化高架仓库其空间利用率为普通平库的
2-5倍。这是相当可观的。
b.便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平
传统仓库只是货物储存的场所，保存货物是其唯一的功能，是一种“静态储存”。
自动化立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库按需要自
动存取，而且可以与仓库以外的生产环节进行有机的连接，并通过计算机管理系
统和自动化物料搬运设备使仓库成为企业生产物流中的一个重要环节。企业外购
件和自制生产件进入自动化仓库储存是整个生产的一个环节，短时储存是为了在
指定的时间自动输出到下一道工序进行生产，从而形成一个自动化的物流系统，
这是一种“动态储存”，也是当今自动化仓库发展的一个明显的技术趋势。
c.加快货物的存取节奏，减轻劳动强度，提高生产效率
建立以自动化立体仓库为中心的物流系统，其优越性还表现在自动化高架库具有
的快速的入出库能力，能快速妥善地将货物存入高架库中（入库），也能快速与
时并自动地将生产所需零部件和原材料送达生产线。这一特点是普通平库所不能
达到的。d.减少库存资金积压
经过对一些大型企业的调查了解，由于历史原因造成管理手段落后，物资管理零
散，使生产管理和生产环节的紧密联系难以到位，为了到达预期的生产能力和满
足生产要求，就必须准备充足的原材料和零部件。这样库存积压就成为一个较大
的问题。如何降低库存资金积压和充分满足生产需要，已成为大型企业不得不面
对的一个大问题。高架库系统是解决这一问题的最有效的手段之一。e.现代化企
业的标志
现代化企业采用的是集约化大规模生产模式。这就要求生产过程中各环节紧
密相连，成为一个有机整体；要求生产管理科学实用，做到决策科学化。为此，
建立自动化高架仓库系统是其有力的措施之一。
（2)当然，立体仓库也存在一些缺点：
a.仓库结构复杂，配套设备多，需要大量的基建和设备投资。
b.货架安装要求精度高，施工比较困难，施工周期长。
c.计算机控制系统是仓库的“神经中枢”。一旦出现故障，将会使整个仓库处于
瘫痪状态，收发作业就要中断。
d.由于高层货架是利用标准货格进行单元储存的，所以对储存货物的种类有一定
的局限性。
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e.由于仓库实行自动控制与管理，技术性比较强，对工作人员的技术业务素质要
求比较高，必须具有一定的文化水平和专业知识，而且经过专门培训的人员才能
胜任。
1.2 自动化立体仓库定义、特点与分类
在现代物流系统中，自动化立体仓库是一个重要的组成部分，它是一种新型
的仓储技术，是物流仓储中出现的新概念，利用立体仓库设备可实现仓库高层合
理化，存取自动化，操作简便化，是当前技术水平较高的形式。自动化立体仓库
又称为自动存储/检索系统(Automated Storage/Retrieval System，即AS/RS)，它
是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工程。它以高层货架为主要标志，
以成套先进搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术为主要手段，由此组成高
效率的物流、大容量的科学的存储，以适应现代化生产的需求。
自动化立体仓库有以下特点：
立体仓库一般都较高。其高度一般在5米以上，最高达到40米，常
见的立体仓库在7～25米之间。
立体仓库必然是机械化仓库。由于货架在5米以上，人工已难以对
货架进行进出货操作，因而必须依靠机械进行作业。而立体仓库中的自动化
立体仓库，则是当前技术水平较高的形式。
立体仓库中配置有多层货架。由于货架较高，所以又称为高层货架
仓库。
自动化立体仓库可分为六大类：
（1）按按货架高度分类，可分为：
高层立体仓库（15米以上）
中层立体仓库（5～15米）
低层立体仓库（5米以下）
（2）按货架构造分类，可分为：
单元货格式立体仓库
贯通式立体仓库
自动化柜式立体仓库
条型货架立体仓库
（3）按建筑物构造分类，可分为：
一体型立体仓库
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分离型立体仓库
（4）按立体仓库装取货物机械种类分类，可分为：
货架叉车立体库
巷道机械手立体库
（5）按操作方式分类，可分为：
人工寻址、人工装取方式
自动寻址，人工装取方式
自动寻址、自动装取方式
（6）按功能分类，可分为：
储存式立体仓库
拣选式立体仓库
1.3采用PLC控制立体仓库的优点
1、低成本利用电力线上网，最大的优点就是成本低。由于利用电力线上网，
直接使用现有电力网就可以实现通信，而不需要另外铺设线、光缆线等，大减少
了在基础网络上的投资。
2、围广无所不在的电力网络也是这种技术的优势。电力线是最基础的网络，
它的规模之大，是其它任何网络无法比拟的。因为家家都有电力线，由此，运营
商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一个家庭。因此，这一技术一旦进
入商业化阶段，将会促进电信市场的变革，并给互联网普与带来极大的发展空间。
3、高速利用电力线上网能够提供高速传输。德国最大的电力设备生产商RWE
承诺，运用他们的电力线上网技术，其速度要比ISDN拨号上网快30多倍，比
ADSL更快！足以支持现在网络上各种应用。更高速率的PLC产品正在研制之中。
4、便捷不管在家里的哪个角落，只要连接到房间的任何电源插座上，就可
立即拥有PLC带来的高速网络享受！
5、永远在线 PLC属于“即插即用”不用繁琐的拨号过程，接入电源就等
于接入网络。
6、结构灵活通过PLC技术实现Internet接入，可以灵活扩展接入端口数量，
使资源保持较高的利用率。目前还未有效解决电力线信号通过变压器的技术，因
此，电力线通信设备都是集中在220V线路变压器的用户端。
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7、家庭数字化 PLC技术能够通过电力线将整个家庭的电器与网络联为一
体，在室的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网，使人们能够通过网络来控
制自己家里的电器设备。
1.4自动化立体仓库模型研究的意义
自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下，自动地完成物品的存
放和取出的系统，根据这个原理结构，设计了自动化立体仓库模型控制系统。本
设计的自动化立体仓库模型主要应用于自动化等相关专业教学仪器的演示部分，
目的是帮助自动化等相关专业的学生了解自动化立体仓库的基本结构、设计原理
以与整个控制系统的工作过程、熟悉电气控制的基本原理，了解电气控制在现代
科技应用中的重要性，以与PLC应用在现代控制系统中的作用和一些不可替代性
的优点。熟悉PLC的外围电路设计、软件设计方法和设计流程等。 同时本系统
在设计方案上结合了正在开发的自动化立体仓库模型，并对其技术方案进行了描
述，为日后自动化立体仓库的具体实施作一个技术上的参考。使未来自动化立体
仓库的设计更趋于完美化。
1.5本课题研究的意义和目的
立体仓库库是现代社会存储系统中迅速发展的一个重要组成部分，它具有节
约用地、减轻劳动强度、消除差错、提高仓储自动化水平与管理水平、提高物流
效率等诸多优点。本课题研究的任务：根据自动化立体仓库运行的基本原理，通
过大学阶段所学的知识设计一套基于PLC的自动化立体仓库运动的控制系统，具
有根据用户的输入，三个坐标方向电机能够准确移动、定位以实现物品的正确存
放功能。具体完成的任务如下：(1)任务要求
将当前物料口上的货物放入最小号仓位, 例如：若0号仓位已有货，则送至1号
仓位，若0、1号仓位均有货，则送至2号仓位，依次类推，每次将货物送至最
小号仓位，若0~12号仓位均有货，则不送货，直到有空余仓位。
(2)控制方案的确定，PLC型号的选择，输入/输出的定义。
(3)系统硬件电路图（包括PLC输入、输出电路，电源电路等）。
(4)程序编制。
本课题研究的目的：通过对仓库模型控制系统的设计研究，能够对自动化立
体仓库设计的基本工作原理有一定的认识，并且对大学阶段所学知识能够进一步
的深化，对理论知识和实际应用之间的相互转化有更具体的理解，特别是对PLC
技术、数字电路、机电一体化技术有了更进一步的认识。以与PLC的程序设计有
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了更认真地学习和运用。另外，通过对此课题的学习研究，还可以培养自己独立
解决实际问题的能力，为以后的学习打下基础。
1.6此课题的设计容与主要思路
该立体仓库主体由底盘、三层四仓位库体、运动机械与电气控制等四部分
组成。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
机作为拖动元件。
(1)立体仓库的具备的功能主要有几下几点：
开机时首先要回零位操作，这样的目的就是给机械手有个工作参考
点；
机械手要有三个自由度，即：前进、后退；上、下；左、右；
机械手的运动由步进电机驱动，伸缩由直流电机控制（Z方向）；
机械手前进（或后退）运动和上（或下）运动可以同时进行；
机械手前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护；
每个仓位必须有检测装置（微动开关），当操作有误时停止运动；
仓位共有12个，3行4列；
整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。
(2)本系统设计的主要思路是：
查阅PLC以与步进电机相关资料,对设计中所用的西门子S7-200系
列PLC和步进电机进行熟悉和掌握。
从立体仓库的基本结构和所实现的功能入手，通过分析I/O地址的
分配和利用PLC完成位置控制与顺序控制的要求，再根据实际应用的情形
进行PLC程序的编制，以达到对自动化立体仓库所要现的功能。
对立体仓库的监视用工控组态软件MCGS，使其能够实现立体仓库控
制系统“取/存”货运行动作的模拟仿真。
第二章可编程序控制器与MCGS简介
2.1可编程控制器定义和组成
2.1.1 PLC的定义
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存中的程序，把经输入电路的物理过程
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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，以与信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于
工业环境，如便于安装，便于维修与抗干扰等问题,入出信息变换与可靠的物理
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。
2.1.2 PLC的产生和发展
在自动控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，PLC产品广泛应用于汽
车(23％)、粮食加工(16．4％)、化学／制药(14．6％)、金属／矿山(11．5％)、
纸浆／造纸(11．3％)等行业。
在工业生产过程中，大量的使用开关量顺序控制，它是按照逻辑条件进行顺
序动作的，并按照逻辑关系对连锁保护动作进行控制，并伴随着大量离散量的数
据采集。传统方式下，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1969年美
国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手
段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable
Controller(PC)。
个人计算机(简称PC)发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功
能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC)。
PLC的定义有许多种。国际电工委员会(IEC)对PLC的定义是：可编程控制器
是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用可编
程序的存贮器，用来在其部存贮执行逻辑运算、顺序控制、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。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期。在这时期，PLC在处理
模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐
渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS
系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程
简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，是无法取代的。
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从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、
I／O板、显示面板、存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体(如图
2.1所示)。模块式PLC包括CPU模块、I／O模块、存、电源模块、底板或机架，这
些模块可以按照一定规则组合配置(如图2.1所示)。
图2.1固定式PLC示意图
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPIJ，它按PLC
的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输
入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC部电
路的工作状态和编程过程中的语法错误等。CPU速度和存容量是PLC的重要参数，
它们决定着PLC的工作速度，I／O数量与软件容量等，因此限制着控制规模。存
主要用于存储程序与数据，是PLC不可缺少的组成单元。
I／O模块是PLC与电气回路的接口，集成了PLC的I／O电路，其输入暂存器反
映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信
号进入PLC系统，输出模块相反。I／O分为开关量输入(OI)，开关量输出(DO)，
模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。开关量是指：只有开和关(或1和0)
两种状态的信号，模拟量是指：连续变化的量。常用的I／O分类有：开关量、模
拟量(有电流型、电压型等)。
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图2.2樽块支PIf示意图
按I／O点数确定模块规格与数量，I／O模块可多可少，但其最大数受CPU所
能管理的基本配置的能力，即受最大底板或机架槽数目的限制。
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电
路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源(220VAC或110VAC)，直流电
源(常用的为24VAC)。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以与其他智
能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC
具有RS一232接口，还有一些置有支持各自通信协议的接口。
可编程控制器和工控机的最新技术发展是工程师对设备应用性能要求的完
美体现：控制器的硬件标准化，以与用户的各种控制要求通过软件来进行改变。
2.1.3 PLC 的特点
可靠性高，抗干扰能力强。
适应性强，应用灵活。
编程方便，易于使用。
功能强，扩展能力强。
LC控制系统设计、安装、调试方便。
维修方便，维修工作量少。
体积小，重量轻，易于实现机电一体化。
2.2可编程控制器的基本组成
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PLC从组成形式上分为整体式和模块式两种。整体式PLC一般由CPU、I/O
单元、存储器、电源、通讯端口、I/O扩展端口组成，其特点是结构紧凑、体积
小。模块式PLC一般由CPU模块、I /O模块、存模块、电源模块、通信单元、
底版或机架组成，其特点是配置灵活，输入/输出接点的数量可自由选择。
2.3 MCGS组态软件
MCGS全中文工业自动化控制组态软件（以下简称MCGS工控组态软件或MCGS）
为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案。MCGS工控组态软件是
一套32位工控组态软件，它基于Windows平台，可稳定运行于Windows95/98/NT
操作系统。通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报
表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了Windows
图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业
控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。
2.3.1 MCGS组态软件
简单灵活的可视化操作界面
实时性强、良好的并行处理性能
丰富、生动的多媒体画面
开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能
完善的安全机制
强大的网络功能
多样化的报警功能
实时数据库为用户分部组态提供极大方便
支持多种硬件设备，实现“设备无关”
方便控制复杂的运行流程
良好的可维护性和可扩充性
用数据库来管理数据存储，系统可靠性高
设立对象元件库，组态工作简单方便
实现对工控系统的分布式控制和管理
总之，MCGS组态软件功能强大，操作简单，易学易用，普通工程人员经过
短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。同时使用MCGS组
态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身，根
据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控
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制监控系统。
2.3.2 MCGS的构成
MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环
境”两个系统组成。用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相
当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生
成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。
运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式
进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，
必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工
作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算
机上。
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据
库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有
不同的特性。
在MCGS的单机版中，每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口，
但可以有多个用户窗口和多个运行策略，实时数据库中也可以有多个数据对象。
MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界
面，组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据进行可视
化处理。
2.3.3 MCGS组态软件的工作方式
如何对工程运行流程实施有效控制：MCGS开辟了专用的MCGS如何与设备进
行通讯：MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发
送设备指令。设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文
件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的
特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程
序，将数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独
占一个线程，达到互不干扰的目的。
MCGS如何产生动画效果：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属
性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画
属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、
位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。我们在组态环境中生成的画面都是静
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止的，在工程运行中产生动画效果的方法是：图形的每一种动画属性中都有一个
“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实
时数据库中，以此建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接。
MCGS如何实施远程多机监控：MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过
TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络测控系
统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，
可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操
作。分布式网络测控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS
把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作
状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。“运行策略”窗口，建立用户运
行策略。MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置
两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的
顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流
程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编
程工作。
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第三章硬件系统
3.1立体仓库的基本结构
该立体仓库主体由底盘、二层四仓位库体、运动机械与电气控制等四部分组
成。机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成，采用步进电机作
为拖动元件。
自动化立体仓库系统主要有三部分组成：
(1)仓库库体仓库本体分为两个区，分别为转货区和存货区。转货区主要是
由载货台组成的，用来周转货物，当货物入库以与货物出库时，都是通过转货区
来完成的。储货区由4个仓位组成，分为2行2列，主要用于存储不同的货物。
在转货区、储货区都分别安装了检测传感器，用于检测对货物的定位。
(2)巷道起重机巷道起重机由二轴行走机构、货台、驱动器等组成。巷道起
重机总共具有3个自由度，能实现水平移动、垂直移动、前后移动等操作，货物
的转移主要是由它完成的。
a.送货操作流程：复位到初始位置、水平移动到载货台位置、取货、水平/
垂直移动指定仓位、放货、复位到初始位。
b.取货操作流程：复位到初始位置、水平垂直移动指定仓位、取货、水平/
垂直移到载货台、放货复位到初始位。
(3)PLC控制单元 PLC控制单元采用西门子公司生产的S7-200 CPU226型
PLC，型号为CPU226CN DC/DC/DC，所有操作控制指令都是由PLC发出的。
3.2 立体仓库的主要硬件原理
3.2.1 步进电机驱动系统的基本组成和工作原理与应用
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，实现宽广围速度的无级平滑控制。
不管是那一种类型的步进电机，其运动控制系统都是相似的。均属于开环控
制系统，一般主要由步进电机运动控制器（本设计中步进电机运动控制器为
PLC）、步进电机驱动器和步进电机三部分组成。 驱动器主要包括环形分配器和
功率放大器两部分。其中环形分配器又称脉冲分配器，它根据运行指令按一定的
逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到步进电机的各相绕组，使步进电机按一
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定的方式运行；并实现正、反转控制和定位控制。由于输出的功率极小，所以脉
冲分配器不能直接驱动步进电机工作，必须通过功率放大器进行放大，才能给步
进电机各相绕组提供足够的电流。步进电机运动控制器则是控制系统的核心部
分，它根据控制要求提供给步进电机驱动控制信号，该控制信号包括脉冲信号、
脉冲方向信号、控制方式信号。运动控制器提供给步进电机的驱动信号是标准的
信号，不论哪种驱动器都接受这样的标准信号，从而为开放式的控制提供了标准
接口。这样为步进电机设计的运动控制器就可根据不同的需要与不同的驱动器连
接使用。为了控制的方便，步进电机一般可以有两种不同的控制模式可供选择。
控制模式就是由控制方式信号来设置的。一种是方向/脉冲模式，在这种控制模
式下，脉冲信号控制的是步进电机的运动，脉冲方向信号控制的是步进电机的运
动方向(即正、反转)；另一种是脉冲模式，此时这两路信号分别控制步进电机的
正转和反转运动，这样对于某些只需要一个方向运动的应用场合，可以省去一路
信号，简化设计。
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，以与一个直流功率电源等组成一个驱动系统。
步进电机驱动器是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或
者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所
以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。
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。步进电机的运行要有一电子
装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号
转化为步进电机的角位移, 或者说: 控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就
使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以，
控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对
电机精确定位目的。步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动
器工作在10细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一，也就是说：
“当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动
1.8°；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18°”，这就是
细分的基本概念。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生，与
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电机无关。
驱动器细分后的主要优点为：完全消除了电机的低频振荡。低频振荡是步进
电机（尤其是反应式电机）的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果您的
步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。提
高了电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约
30-40% 。提高了电机的分辨率。由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，“提
高电机的分辨率”是不言而喻的。
通常选择步进电机时我们希望步进电机的输出转矩大、启动频率和运行频率
高、步距误差小等等。首先应考虑的是系统的精度和速度的要求。为了提高精度，
希望脉冲当量（每输入一个脉冲脉冲使被控制对象产生的位移）。当脉冲当量太
小，要求的减速比大，而最高速度将受到步进电机的最高运行频率限制。故应兼
顾精度与速度。
经过长期的发展，步进电机的应用已渗透到数字控制的各个领域，尤其在数
控机床中广泛利用了开环控制的特点。近年来，随着微电子技术、大功率电力电
子与驱动技术的进步，步进电机在半自动化机器、工业机械和计算机外设等领域
作为控制用电机和驱动被广泛应用。
3.2.2传感器的工作原理和应用
（1）反射式传感器的工作原理：
当物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原先的信号相比较，产生频
移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措
施，最后取得和物体移动信号相关的直流信号输出电平。
在该立体仓库中采用反射式传感器作为货物的检测装置。
（2）对射式传感器的工作原理：
当24V电压加到发光二极管LED1时，它将光发射给发光二极管LED2，LED2
接收到光导通，三极管导通，输出为ON；当发光二极管LED1发射出的光被物体
挡住使发光二极管LED2接收不到时，LED2不导通，三极管也不导通，输出为OFF。
在该立体仓库控制系统中，采用8个对射式传感器作为限位控制。
3.3 S7-200 PLC的介绍
西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型PLC,用于代替继电器的简单控
制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。由于它具有强大的通信功能，在大型
网络控制系统中也能充分发挥器作用。
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S7-200的可靠性高，可以用梯形图、语句表和功能图三种语言来编程。它
的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，置有高速计数器，高速输出，
PID控制器，RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由端口模
式通信功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30
多KB程序和数据存储空间。
3.4 PLC的选择
3.4.1 PLC的I/O口选择
根据控制要求，将各输入设备和被控设备详细列表，准确的统计出被控设备
对数需求量，然后在实际统计的I/O点数的基础上增加15%～20%的备用量，以
便以后调整和扩充。同时要充分利用好输入和输出扩展单元，提高主机的利用率，
例如S7-200 CPU224分为14输入、10输出，S7-200 CPU226分为24输入、16
输出，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。在确定好I/O点数后，还要注意它的
性质，类型和参数。
根据本次设计的立体仓库系统的输入、输出信号，其中外部输入元件包括：
检测元件、按钮、取、存、急停、限位开关等；输出有三个电机的正反向、动作
指示等。
3.4.2 PLC型号的选择
本课题根据I/O的信号数量，类型与控制要求，同时考虑到维护和保养，改
造和经济等诸多因素，根据以上分析已知应选用S7-200 CPU226。
其中PLC选择的一般原则为：
PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、
维护使用最方便以与性能价格比的最优化机型。
在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议
选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。
对于开关量控制以与以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程
项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加
减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。
而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现
PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模与复杂程度来选用中档或
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高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以
与整个工厂的自动化等。
第四章软件系统
4.1 STEP7-Micro/WIN 编程软件
STEP7-Micro/WIN是专门为S7-200设计的，在个人计算机Windows操作系统下
运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学。CPU通过PC/PPI电缆或
插在计算机中的CP5511、CP5611通讯卡通讯。通过PC/PPI电缆，可以在Windows
下实现多主站通信方式。
STEP7-Micro/WIN的用户程序结构简单清晰，即通过一个主程序调用主程序，
在中断事件出现时调用中断程序，还可以通过数据块进行变量的初始化设置。用
户可以用语句表、梯形图和功能块图编程，不同的编程语言编制的程序可以相互
转换，可以用符号表来定义程序中使用变量地址对应的符号，例如指定符号启动
按钮对应地址I0.0，使程序便于设计和理解。
STEP7-Micro/WIN可以为用户提供两套指令集，即SIMATIC指令集（S7-200）
和国际标准指令集（IEC61131-3方式）。通过调制解调器可以实现远程编程，可
以用单次扫描和强制输出等方式来调试程序和进行故障。
图4.1 PLC编程界面的构成
编程规则如下：
（1）外部输入/输出继电器、部继电器、定时器、计数器等器件的接点可多
次重复使用，无需用复杂的程序结构来减少接点的使用次数。
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（2）梯形图每一行都是从左母线开始，线圈接在右边。接点不能放在线圈
的右边，在继电器控制的原理图中，热继电器的接点可以加在线圈的右边，而
PLC 的梯形图是不允许的。
（3）线圈不能直接与左母线相连。如果需要，可以通过一个没有使用的部
继电器的常闭接点或者特殊部继电器的常开接点来连接。
（4）同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。双线圈输出
容易引起误操作，应尽量避免线圈重复使用。
（5）梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左到右，从上到下地执行，
如不符合顺序执行的电路就不能直接编程。
（6）在梯形图中串联接点使用的次数是没有限制，可无限次地使用。
（7）两个或两个以上的线圈可以并联输出。
4.2 S7-200的通信
4.2.1 S7-200的通信协议
S7-200支持多种通信协议，例如点对点接口（PPI）、多点接口（MPI）和
PROFIBUS。这些协议基于7层开放系统互连模型（OSI），通过一个令牌环网来实
现，令牌环网遵循标准（IEC61185）和欧洲标准（EN50170），它们都是基于字
符的异步通信协议，带有起始位、8位数据、偶校验和1个停止位。
S7-200的通信接口是RS-485，计算机可以使用RS-232或USB通信接口，多主
站PPI电缆用于计算机和S7-200之间的通信，有RS-232/PPI和USB/PPI两种电缆。
4.2.2 在编程软件中设置通信接口的参数
在STEP7-Micro/WIN中选择菜单命令“检视”→“元件”→“设置PG/PC接口”
或双击浏览或指令数中的“设置PG/PC接口”图标，都可以进入设置接口对话框。
在“设置PG/PC接口”对话框中设置的是计算机通信接口的参数。此外还应
该为S7-200设置波特率和站地址，在STEP7-Micro/WIN中选择菜单命令“检视”
→“元件”→“系统块”或双击指令树中的系统块文件夹下面的“通信端口”图
标，将打开设置的通信参数的选项卡。设置好参数后把系统块下载到中才会起作
用。
在STEP7-Micro/WIN中双击浏览栏或指令树中的“通信”图标，或执行菜单
命令“检视”→“元件”→“通信”，将出现“通信”的对话框。在将新的设置
下载到S7-200之前，应设置远程站即的地址，使它与的地址一样。
双击“双击刷新”旁边的蓝色箭头组成的图标，编程软件将会自动搜索连接
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在网络上的S7-200，并用图标显示搜索到的S7-200。选中“通信”对话框左下
角的“搜索所有波特率”复选框，可以实现全波特率的搜索。
4.3 I/O地址分配
根据立体仓库的控制要求，对PLC控制系统的输入点分配如下表。
图4.2 PLC输入输出I/O分配表
输入与输出
I0.0 选择库位1按钮 I2.0 X轴限位
I0.1 选择库位2按钮 I2.1 X轴原点
I0.2 选择库位3按钮 I2.2 Y轴限位
I0.3 选择库位4按钮 I2.3 Y轴原点
I0.4 启动按钮 I2.4 Z轴原点
I0.5 停止按钮 I2.5 Z轴限位
I0.6 取货按钮 Q0.0 X轴-CP
I0.7 存货按钮 Q0.1 Y轴-CP
I1.0 库位1传感器 Q0.2 X轴方向
I1.1 库位2传感器 Q0.3 Y轴方向
I1.2 库位3传感器 Q0.4 Z轴前伸
I1.3 库位4传感器 Q0.5 Z轴回缩
I1.4 手动控制开关
4.4 步进电动机的控制
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，
以与一个直流功率电源等组成一个驱动系统，如下图所示。
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图4.4-1 步进电机驱动系统的组成
将PLC的输出端口Q0.0和Q0.1接在步进电机驱动器的X轴和Y轴脉冲端口，
用于给步进电机发送高速脉冲，通过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，将PLC 的Q0.2和Q0.3接在步进电机驱动器X轴和Y轴方
向端口，通过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。接线图如下：
图4.4-2 步进电机接线部分
4.5堆垛机三维位置定位
本系统中堆垛机由水平、垂直与伸叉机构三部分组成。水平、垂直部分运动
分别由X轴、Y轴步进电动机驱动丝杠完成，伸叉机构由上层的铲叉和底层的丝杠
传动机构组成，铲叉可前后伸缩，其运动由Z轴直流电动机正反转控制。
在此系统中，当堆垛机平台运行到目标库位后，铲叉需伸入库取、放货物，
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然后向后缩回，因此，整个运行过程需要对堆垛机进行三维位置控制。本系统先
用两路脉冲控制X轴、Y轴步进电动机，完成堆垛机的二维定位任务。然后，再控
制直流电动机驱动铲叉入、出库等后续动作。
堆垛机的二维位置定位采用了控制脉冲个数的定位方式，该方式是以水平、
垂直方向步进电动机每转输出的脉冲数为基础，对立体仓库每个货格都予以确定
相应的脉冲个数。当堆垛机运行时，PLC根据目的地址和原点基准地址之间的脉
冲值来控制电动机的位移。PLS指令通过Q0.0和Q0.1作为高速脉冲输出，Q0.2、
Q0.3为方向控制端。
4.6 立体仓库程序流程图与程序编写
4.6.1 立体仓库的工作流程图
立体仓库的工作控制流程图如图3-2所示：
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图4.6.1-1 系统流程图
4.6.2控制系统的设计思路
取货和存货工作流程：
接通电源，通电状态下，各机构复位，X 轴、Y 轴、Z 轴回复零位，堆垛机
停在初始位置(入库口)，按下启动按钮I0.4，系统开始工作。
取货：按下取货按钮I0.6，执行取货指令，然后选择库位号，如所选库位有
物品，可执行“取”操作，然后 X 轴、Y 轴通过步进电机运行到该库位，Z 轴
电机正转将伸杆伸入库,Y 轴电机上升将物体抬起,Z 轴电机反转将物体带出,X、
Y电机运行到装/卸货台，Z 轴电机正转将物体送入卸货台，Y轴电机下降使物体
放在卸货台上，Z 轴电机反转出库，X、Y轴电机复位，堆垛机运行至入库口；如
果所选库位无物品，此时不执行取货操作。
存货：按下存货按钮I0.7,执行存货指令，然后选择库位号，如所选库位无
物品，可执行“存”操作，X、Y轴电机运行至装/卸货台，Z 轴电机正转伸入装
货台，Y 轴电机上升将物体抬起，Z 轴电机反转伸出装/卸货台并将物体带出，X
轴、Y 轴电机运行至所选库位号，Z 轴电机正转送入物体,Y 轴电机下降将物体
放入库，Z 轴电机反转出库。X、Y轴电机复位，堆垛机运行至入库口。若所选库
位有物品，此时不执行存货指令。
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分析系统的入库操作和出库操作，都包括8个动作，动作过程是连贯无间断
的，所用Z轴的动作以与次序都是完全一致的，最大的区别在于取货和放货时X
轴和Y轴所走的距离不一样。所以只要改变相应的脉冲值即可实现相应的功能。
4.6.3 S7-200 高速输出指令
通过高速脉冲指令输出的两路高速脉冲来控制两台步进电机的运动。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S7-200 CPU226 PLC作脉冲发生器进行位置控制，此晶体管
输出电路的PLC可以通过高速脉冲指令同时输出两路高速脉冲来控制两台步进
电机的运动。
每个CPU 有两个PTO/PWM 发生器产生高速脉冲串和脉冲宽度可调的波形一
个发生器分配在数字输出Q0.0 另一个分配在数字输出Q0.1。PTO/PWM 发生器和
映像寄存器共同使用Q0.0 和Q0.1。当Q0.0 或Q0.1 设定为PTO或PWM 功能时
PTO/PWM 发生器控制输出在输出点禁止使用通用功能映像寄器的状态输出强置
或立即输出指令的执行都不影响输出波形。当不使用PTO/PWM 发生器时输出由映
像寄存器控制映像寄存器决定输出波形的初始和结束状态以高电平或低电平产
生波形的起始和结束。
每个生成器有一个位的控制字节，一个位无符号的周期值或脉冲宽度值，以
与一个无符号位脉冲计数值。这些值全部存储在指定的特殊寄存器区，它们被设
置好后，通过执行脉冲输出指令来启动操作。指令是读取位，并对发生器进行编
程。
通过修改区包括控制字节，然后再执行指令，可以改变或输出波形的特性。
将控制字节的允许位或置为0，然后执行指令，在任意时刻均可以禁止或波形输
出。
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