基于PLC的立体仓库堆垛机控制系统设计(4)

（4）相关设备：相关设备是为了充分和方便的利用SIMATIC S7-200系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人际操作界面和网络设备等。

（5）工业软件：工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要有标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。

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2.3.2 CPU型号选择

（1）西门子CPU的介绍

SIMATIC S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。输入部分则输出控制信号，控制工业过程中的设备。

西门子第二代产品的CPU模块位CPU 22*，是在本世纪初投放市场的。其速度快，具有极强的通讯能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元。

① CPU 221：CPU 221具有6输入/4输出，共计10个点的I/O，无扩展能力，有6KB程序和数据存储空间。还具有4个独立的30kHz高数计数器，2路独立的20kHz高数脉冲输出端，一个RS-485通讯/编程端口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯方式。非常适合小点数的控制系统。

② CPU 222：CPU 222除了具有CPU 221的功能外，其不同在于：它有8输入/6输出，共计14点I/O，可以扩展8路模拟量和最多64个I/O,因此使更广泛的全功能控制器。

③ CPU 224：它在CPU 222的基础上使主机的输入输出点数增为24点，最大可扩展为168点数字量或者35点模拟量的输入和输出；存储量也进一步增加，还增加了一些数学指令和高数计数器的数量，具有较强的控制能力。

④ CPU 226：这种模块在CPU 224的基础上功能又进一步增强，主机输入和输出点增加到40点，最大可扩展为248点数字量和35点模拟量；增加了通讯口的数量，通讯能力大大增强；它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。

（2）CPU型号的选择

根据控制点数来计算，可以选用CPU-226这个型号的CPU，CPU226有24输入/16输出，最大可以扩展为248点数字量或35点模拟量。其特点如下：

① 集成的24V电源：可直接连接到传感器和变送器、执行器，可用作负载电源。 ② 高速脉冲输出：具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHZ，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。

③ 通信口：CPU226具有2个RS-485通信口，支持PPI、MPI协议，有自由口通信能力。

④ 模拟电位器：CPU226有两个模拟电位器，用来改变特殊寄存器中的数值，以改变程序运行的参数，如定时器、计数器的预设值，过程量的控制参数。

⑤ 中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。

⑥ 数字量输入/输出点：CPU226具有24输入/16输出，输出点为24V直流双向偶看

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光电耦合输入电路，输出有继电器和直流两种类型，可扩展模块为7个。

⑦ CPU226有6个30KHZ的高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更高的脉冲信号。

2.3.3 PLC模块选型

由于

S7-200-CPU226的集成24输入/16输出不能满足设计的要求，所以又选用了

EM221扩展模块和EM235扩展模块，正好满足设计的需要。所选模块型号如表2-3所示。

表2-3 扩展模块选型表

由于CPU226的输入点只有24个，不能满足设计的输入点的需要，所以加入一个EM221模块，该模块有16个数字输入点，总体上可以满足系统输入的要求。另外加入两个EM235模拟量输入/输出模块是为控制水平和垂直运行的交流电机。系统总体结构图如2.5所示：

图2.5 系统总体结构图

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2.4 堆垛机变频调速系统设计

为了实现堆垛机的准确定位，提高存取效率和保证堆垛机的稳定性，必须对堆垛机三个机构的速度进行合理有效的控制，由于水平和垂直运行电机分别采用三相交流异步电动机和单相交流异步电动机，所以对这两个方向的速度控制采用闭环变频调速控制。

2.4.1 变频器的选型

（1） 变频的概念

变频器的工作原理是通过改变交流电频率方式实现交流电的控制。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功率。主要特点如下：

① 通过改变变频器的输出频率实现对异步电动机的调速控制。

② 在利用变频器进行调速控制时，只需改变变频器内部逆变电路换流器件的开关顺序即可达到对输出进行换向的目的，不需要设置专门的切换装置。

③ 高速驱动是变频器调速控制的一个显著优点。

④ 如果变频器的容量允许的话，可以使用一台变频器同时驱动多台电机。

⑤ 采用变频器对异步电动机进行启动时，由于可以将输出频率降至一个很小的值起动，电动机起动电流很小，对电机会起到较好的保护作用。

（2） 变频器的分类

按照主电路工作方式进行分类，变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器。电压型变频器的特点是将直流电压源转换为交流电源，而电流型变频器的特点则是将直流电流源转换为交流电源。

① 电压型变频器。在电压型变频器中，整流电路或者斩波电路产生逆变电路所需要的直流电压，并通过中间电路的电容进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起直流电压源的作用，而电压源输出的直流电压在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电压。在电压型变频器中，由于能量回馈给直流中间电路的电容，并使直流电压上升，还需要有专用的放电电路，以防止换流器件因电压过高而被破坏。

② 电流型变频器。在电流型变频器中，整流电路给出直流电流，并通过中间电路的电抗将电流进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起电流源的作用，而电流源输出的