立体仓库 毕业论文.doc

摘要摘要 本设计利用的立体仓库主体由底盘、二层四仓位库体、运动机械及电气控制等 四部分组成。其中电气控制是由西门子 s7-200 cpu226 型可编程序控制器(plc)、 步进电机驱动模块、开关电源、位置传感器等器件组成。 本论文首先对该课题的可行性及课题实现的现实意义和价值进行了介绍；其次 对 s7-200 可编程控制器和步进电机以及组态软件 mcgs 等特点、基本功能和工作 原理进行了阐述和分析；再次，基于 step7-micro/win 编程软件，介绍了 s7-200 的通信设置、i/o 地址分配以及立体仓库程序流程图及程序的编写。然后采用基于 windows 平台的工控组态软件 mcgs 建立监视界面。即通过设备连接和实时数 据库的构建、动画连接及控制流程编制等实现对立体仓库的监视，使其能直接、直 观、准确地反映立体仓库“取、存”货时实际运行状态。 关键词关键词：立体仓库；plc；步进电机；组态软件 mcgs ii abstract the design of the three-dimensional garage is consisted of the main chassis, two floors of four positions, move machinery and electrical control parts. the electrical control is formed by siemens s7-200 cpu226 programmable logic controller (plc), stepper motor drive power modules, switching power supply, sensors and other devices . in this paper , i introduce the feasibility,the practical significance,and the value of the subject firstly. secondly , i expound and analyse the features,basic functions and working principle of siemens s7-200 programmable logic controller, stepper motor and configuration software mcgs.last ,based on step7-micro/win programming software,i introduced the communication settings of s7-200, i / o address assignment.and prepared the automated warehouse program flow chart and procedure. and then adopt windows platform-based labor to charge group state software mcgs building-up for guarding an interface. surveillance being that the structure passing equipment connection and the real time data base builds , animated cartoon connection and control flow weaving . key words: automated warehouse;plc;stepper motor;configuration software iii 目目 录录 第一章第一章 前言前言1 1 1.1 自动化立体仓库定义、特点与分类 .1 1.2 立体仓库的历史沿革 .2 1.3 国内外自动化立体仓库的发展现状及优缺点 .3 1.4 此课题的设计内容及主要思路 .5 1.5 本文的结构 .5 第二章第二章 可编程控制器与可编程控制器与 mcgsmcgs 的概述的概述6 6 2.1 可编程控制器定义和组成6 2.1.1plc 的定义.6 2.1.2 plc 的产生和发展 6 2.1.3 plc 的特点 .7 2.2 可编程控制器的基本组成7 2.3 mcgs 组态软件 .7 2.3.1 mcgs 的主要特点和基本功能.7 2.3.2 mcgs 的构成.8 2.3.3 mcgs 组态软件的工作方式.9 第三章第三章 硬件部分硬件部分1010 3.1 立体仓库的基本结构 10 3.2 立体仓库的主要硬件原理11 3.2.1 步进电机驱动系统的基本组成和工作原理及应用 11 3.2.2 传感器的工作原理和应用.11 3.3 plc 的选择 12 3.3.1 plc i/o 点的选择.12 3.3.2 plc 型号的选择.12 3.3.3 s7-200 plc 的介绍12 第四章第四章 软件部分软件部分1313 4.1 step7-micro/win 编程软件13 4.2 s7-200 的通信 14 4.2.1 s7-200 的通信协议14 4.2.2 在编程软件中设置通信接口的参数 15 iv 4.3 i/o 地址分配 .17 4.4 步进电机的控制.17 4.5 堆垛机三维位置定位.18 4.6 立体仓库程序流程图及程序编写 19 4.6.1 立体仓库的工作流程图 19 4.6.2 控制系统的设计思路.21 4.6.3 s7-200 高速输出指令 .22 4.6.4 pto 操作 22 4.6.5 pto /pwm 控制寄存器 pto/pwm 控制字节 23 第五章第五章 基于基于 mcgsmcgs 对立体仓库控制系统的应用对立体仓库控制系统的应用2929 5.1 基于 mcgs 仿真实现的意义 .29 5.2 mcgs 实现立体仓库工程画面 29 图 5.2-6 最后生成的组态监视画面 32 5.3 mcgs 实时数据库的读写实现 32 5.3.1 mcgs 实时数据库简介32 5.3.2 数据对象的类型 32 5.3.3 立体仓库控制系统数据库的构造.33 5.4 mcgs 与 plc 设备的通信 34 5.5 监视画面的设定与动画的连接.38 5.6 编制控制流程.41 5.6.1 脚本程序的简介.41 5.6.2 立体仓库脚本程序的编制 41 5.6.3 运行和调试 44 总结总结4646 参考文献参考文献4747 致致 谢谢4848 附录附录: :程序程序4949 1 第第 1 章章 前言前言 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。计算机自控技术的飞速发展，为现代企业的物流 管理提供了重要的技术支持。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 堆垛机，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。 1.11.1 自动化立体仓库定义、特点与分类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 725 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） 2 中层立体仓库（515 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 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 巷道堆垛机立体库 （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 1.21.2 立体仓库的历史沿革立体仓库的历史沿革 在 1950 年，在美国首次出现了自动化立体仓库的雏形，那时的自动化立体仓 库，严格说只能算是立体仓库，还远谈不上自动二字。其后，在英，法等国也相继 出现了类似的立体仓库。自动化立体仓库真正成为高效率的自动化设施，还是 70 年代的以后的事情。随着经济的起飞，为提高物流的效率和充分利用仓储空间，日 本自 1965 年从欧美引入自动化立体仓库，并于 70 年代以后使其获得飞速发展。现 在，自动化立体仓库技术已日趋成熟，并随着科学技术尤其是计算机技术的发展， 而不断向前发展。80 年代中期起，我国先后在无锡，湖北和大连等地出现多座利用 微机控制巷道堆垛机的自动化仓库。但是，这些普通微机对环境和电源要求较高， 部适合在工业现场和堆垛机上直接使用。可编程控制器 plc 的引进和广泛使用，使 国产自动立库的性能日趋完善。plc 是带处理器的通用工业控制器，器可靠性大大 高于普通微机装置，适合在恶劣的现场使用，可直接装在堆垛机的电气柜内与接触 3 器由同一电网 供电。采用 plc 作为实时控制装置已成为当前各先进工业国家一致的发展方向。 1.31.3 国内外自动化立体仓库的发展现状国内外自动化立体仓库的发展现状及优缺点及优缺点 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。 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内按需要 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 4 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） ，也能快速及 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。 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。 1.41.4 此课题的设计内容及主要思路此课题的设计内容及主要思路 该立体仓库主体由底盘、二层四仓位库体、运动机械及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，这样的目的就是给堆垛机有个工作参考点； 5 堆垛机（机械手）要有三个自由度，即：前进、后退；上、下；左、右； 堆垛机的运动由步进电机驱动，伸缩由直流电机控制（z 方向） ； 堆垛机前进（或后退）运动和上（或下）运动依次进行； 堆垛机前进、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 4 个，2 行 2 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 以及步进电机相关资料,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 完成位置控制及顺序控制的要求，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求实现的功能。 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。 1.51.5 本文本文的结构的结构 本文以自动化立体仓库的研发工程项目作为应用背景，对立体仓库技术进行了 研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下： 第一章扼要地介绍了自动化立体仓库的概念、特点与相关研究背景； 第二章研究了可编程控制器 plc 与组态软件 mcgs 的概述； 第三章对立体仓库的硬件方面进行了解和说明； 第四章给出了步进电机控制方案，并讨论了 s7-200 对于立体仓库的设计方法； 第五章研究了工控组态软件 mcgs 对立体仓库控制系统的运用，使其能实现立 体仓库的模拟仿真和监控。 6 第第 2 2 章章 可编程控制器与可编程控制器与 mcgsmcgs 的概述的概述 2.12.1 可编程控制器定义可编程控制器定义和组成和组成 2.1.12.1.1 plcplc 的定义的定义 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内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的 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，以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环 境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现，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 的产生和发展的产生和发展 20 世纪 60 年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装 置占据主导地位。由于继电器控制系统明显的缺点即通用性和灵活性、可扩展性较 差，导致当时汽车的每一次改型都需要对控制系统进行重新设计和安装。随着生产 的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，显然，继电器控制装置十分费时、费工、 费料，延长了更新周期。为了适应汽车型号的不断翻新及生产工艺不断变化的需要， 1968 年美国通用公司公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，由此， plc 这种新型的工业控制装置得以诞生并以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通 用灵活、体积小和使用寿命长等一系列优点，很快在美国其他工业领域得到推广应 用。到 1971 年，plc 已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业中并很快 受到了世界其他国家的高度重视。1971 年日本从美国引进该项技术，很快研制出 日本第一台 plc；1973 年西欧国家也研制出了他们的第一台 plc；我国 1974 年开 始研制，1977 年开始工业应用。 7 2.1.32.1.3 plcplc 的特点的特点 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。 2.22.2 可编程控制器的基本组成可编程控制器的基本组成 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、内存模块、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。 2.32.3 mcgsmcgs 组态软件组态软件 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。 2.3.12.3.1 mcgsmcgs 的主要特点和基本功能的主要特点和基本功能 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 8 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制监控系统。 2.3.22.3.2 mcgsmcgs 的构成的构成 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。 组态结果数据库完成了 mcgs 系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的 关系如下图所示。 图 2.3.2 mcgs 组态环境与运行环境的关系 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 9 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。 2.3.32.3.3 mcgsmcgs 组态软件的工作方式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 10 观方式，避免了烦琐的编程工作。 第第 3 3 章章 硬件部分硬件部分 3.13.1 立体仓库的基本结构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、运动机械及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，当货物入库以及货物出库时，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。 3.23.2 立体仓库的主要硬件原理立体仓库的主要硬件原理 3.2.13.2.1 步进电机驱动系统的基本组成和工作原理及应用步进电机驱动系统的基本组成和工作原理及应用 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 11 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，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。 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， 以及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。 3.2.23.2.2 传感器的工作原理和应用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。 3.33.3 plcplc 的选择的选择 3.3.13.3.1 plcplc i/oi/o 点的选择点的选择 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。 12 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。 3.3.23.3.2 plcplc 型号的选择型号的选择 本课题根据 i/o 的信号数量，类型及控制要求，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 用最方便以及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。 对于开关量控制以及以开关量控制为主、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） ，可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。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及整个工厂的自 动化等。 3.3.33.3.3 s7-200s7-200 plcplc 的介绍的介绍 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。 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，内置有高速计数器，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。 13 第第 4 章章 软件部软件部分分 4.14.1 step7-micro/winstep7-micro/win 编程软件编程软件 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。 14 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、内部继电器、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。 （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内部 继电器的常闭接点或者特殊内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。 4.24.2 s7-200s7-200 的通信的通信 4.2.14.2.1 s7-200s7-200 的通信协议的通信协议 s7-200支持多种通信协议，例如点对点接口（ppi）、多点接口（mpi）和 15 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。 4.2.24.2.2 在编程软件中设置通信接口的参数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如 下图。 图 4.2.2-1 pc/ppi 协议 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如图 4.2。设置好参数后把系统块下载到中才会起 作用。 16 图4.2.2-2 pc/ppi的通讯 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，使它与的地址相同。 图4.2.2-3 双击上图中“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。下图显示计算机连接 到 s7-200。 图 4.2.2-4 17 4.3.3 i/oi/o 地址分配地址分配 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。 表 plc 输入输出 i/o 分配 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 4.44.4 步进电机的控制步进电机的控制 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，以及一个 直流功率电源等组成一个驱动系统，如下图所示。 18 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 4.54.5 堆垛机三维位置定位堆垛机三维位置定位 本系统中堆垛机由水平、垂直及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 19 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，铲叉需伸入库内取、放货物， 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。 4.64.6 立体仓库程序流程图及程序编写立体仓库程序流程图及程序编写 4.6.14.6.1 立体仓库的工作流程图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： 20 21 图4.6.1-1 系统流程图 4.6.24.6.2 控制系统的设计思路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 正转将伸杆伸入库内,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 位内无物品，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 内，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 内，z 轴电机反转出库。x、y轴电机复位，堆垛机运行至入库口。若所选库位内有 22 物品，此时不执行存货指令。 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轴的动作以及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。 4.6.34.6.3 s7-200s7-200 高速输出指令高速输出指令 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，以及 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。 4.6.44.6.4 ptopto 操作操作 pto 提供指定脉冲个数的方波 (50% 占空比) 脉冲串发生功能。周期可以用微 秒或毫秒为单位指定，周期的范围是 50 到 65,535 微秒或 2 到 65,535 毫秒。 如果设定的周期是奇数，会引起占空比的一些失真。脉冲数的范围是1 到 4,294,967,295。如果周期时间少于2个时间单位，就把周期缺省地设定为2个时间 单位。如果指定脉冲数为 0 ，就把脉冲数缺省地设定为1个脉冲。状态字节中的 pto 空闲位 (sm66.7 或 sm76.7) 用来指示可编程脉冲串完成。另外，根据脉冲串 的完成调用中断程序。如果使用多段操作，根据包络表的完成调用中断程序。pto 功能允许脉冲串的排队。当激活的脉冲串完成时，立即开始新脉冲的输出。这保证 23 了顺序输出脉冲串的连续性。 4.6.54.6.5 ptopto /pwm/pwm 控制寄存器控制寄存器 pto/pwmpto/pwm 控制字节控制字节 q0.0q0.1 状态字节 sm66.4sm76.4 pto 包络由于增量计算 错误而终止 0 = 无错误 1 =