毕业设计（论文）-基于PLC的小车定位系统设计.doc

辽宁科技大学毕业设计（论文） 第i页 基于基于 plcplc 的小车定位系统设计的小车定位系统设计 摘要 企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得仓库成为生产物流系统中的一个重 要且不可缺少的环节。立体仓库正以它最小的占地面积和最佳的空间利用率，逐步替 代面积利用率极低且陈旧落后的平面仓库，这种替代促使仓储物流业的水平提高。为 满足现代化生产与流通的需要，就必须采用以计算机控制技术为主要手段组成的自动 化立体仓库。 本设计通过对小车自动控制过程的分析，明确了小车自动控制过程中实现控制过 程的工艺要求。设计中以小车为控制对象，采用德国西门子公司的 s7-300 系列可编程 序控制器实现了对小车的定位自动控制。 本文首先阐述了 plc 工作原理与 step7 编程语言，并对小车在仓库中的工作过程 作以介绍，然后详细描述小车定位自动控制系统的设计过程，包括小车工作时的 plc 程序设计，并附有 plc 程序梯形图。 关键词：s7-300 plc，小车定位，自动化立体仓库 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第ii页 trolleys positioning automatic control system design abstract modernized production scale enterprises have constantly expanded and deepened, allowing warehouses to become an important production and logistics system indispensable link. it is three-dimensional warehouse to the smallest area and the best utilization of space, space utilization is very low and gradually replace the outdated one-dimensional warehouse, a storage alternative to the logistics industry standards. to meet the needs of modern production and circulation, we must use a computer control technology as a primary means of automated three-dimensional warehouse. this text introduced the small car in brief in the work in the warehouse process, the plc weaves with step7 the distance language, detailed described the plc procedure design for small car to work, and fish-eye plc procedure trapezoid diagram. trolleys automatic control of the design process through the analysis clearly trolleys automate the process of achieving control of processes. trolleys for the control design to the target, the use of german siemens company s7-300 series programmable controller to achieve trolleys positioning automatic control. the first expounded on trolleys in the warehouse process and plc operating principles to do with step7 programming language introduced, and then described in detail trolleys positioning automatic control system design process, including the work of trolleys plc programming, together with plc procedures tixingtu. key words: s7-300 plc，trolleys positioning，automated three-dimensional warehouse 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第iii页 目 录 摘要.i abstract.ii 目 录.iii 1 绪论1 1.1 选题背景及目的.1 1.2 国内外的研究状况.1 1.3 课题的研究方法和内容.3 2 plc 编程软件 step74 2.1 siemens 公司编程软件 step7 的简单介绍.4 2.2 使用 step7 软件开发一个 plc 程序的步骤.4 2.3 siemens 公司的 s7-300 系列可编程控制器介绍.8 3 控制系统总体方案设计以及系统流程图11 3.1 控制系统总体方案11 3.2 小车定位控制工艺流程图.14 4 小车定位控制 plc 程序编制15 4.1 plc 选型和资源配置15 4.2 plc 程序设计18 结论.25 致谢.26 参考文献.27 附录 a（外文文献).28 附录 b（中文译文）.35 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第1页 1 绪论 1.1 选题背景及目的 自动化立体仓库的出现是物流技术的一个划时代的革新。它不仅彻底改变了仓储 行业劳动密集、效率低下的落后面貌，而且大大拓展了仓库功能，使之从单纯的保管 型向综合的流通型方向发展。自动化立体仓库是用高层货架储存货物，以巷道堆垛起 重机存取货物，并通过周围的装卸搬运设备，自动进行出入库存取作业的仓库。 自动化立体仓库具有普通仓库无可比拟的优越性。首先是节约空间、节约劳力。 据国际仓库自动化会议资料：以库存 11000 托盘、月吞吐 10000 托盘的冷库为例，自 动化立体仓库与普通仓库比较情况为：用地面积为 13%、工作人员为 21.9%、吞吐成 本为 55.7%、总投资为 63.3%。立体仓库的单位面积储存量为普通仓库的 4-7 倍。其次 是提高仓库管理水平，减少货损，优化、降低库存，缩短周转期，节约资金。近年来， 特别在冷冻行业，自动化立体仓库的发展极快。自动化立体仓库主要由货架、巷道堆 垛起重机、周边出入库配套机械设施和仓储管理控制系统等几部分组成。货架长度大、 排列数多、巷道窄，故密度高；巷道机上装有各种定位的检测器和安全装置，保证巷 道机和货叉能高速、精确、安全地在货架中取货1。 1.2 国内外的研究状况 中国开始对立体仓库的研制并不晚，1963 年研制成第一台桥式堆垛机，1973 年开 始研制第一座由计算机控制的自动化立体仓库，1980 年该仓库在北京汽车制造厂正式 投入运行。到去年年底，中国的立体仓库数量已超过 300 座，而且这一数字还在快速 的增长中。 而传统仓储存在着一些漏洞和不合理之处，如：用伪造提货单提货、纸质 提货单不易识别真伪；各种账册在保管员手中，容易产生问题，且不易查询等。使用 计算机技术，通过密码管理，可以有效杜绝这些漏洞和不合理之处。 另外，提高空间 利用率和提高生产效率，还只是自动化立体仓库作为一个“独立库”所具有的优势， 它更大的作用是便于企业形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平。 随着我国经济和科学技术的不断发展，现代物流技术在我国也得到了很大的提高， 特别是作为现代物流技术典范的自动化仓库技术尤其令人关注。无轨巷道堆垛机，由 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第2页 于其自动化程度高，劳动效率高，可进行计算机集成管理和控制，从而可以方便地纳 入整个企业的物流系统中，因此，在一些自动化程度较高的流通企业和生产企业得到 了很好的应用。近几年来，堆垛机在自动化仓库中发展很快，不仅规模越来越大、数 量越来越多，而且自动化仓库种类也越来越多，以适应不同场合的需求。有轨巷道堆 垛机可以完成左右两排货架的货物存储工作。这种堆垛机在固定的轨道上运动，控制 简单，造价低廉2。 可编程序控制器简称 plc, 是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业 控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似， 只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要 求的编程语言。硬件主要由中央处理单元 cpu、存贮器、输入/输出单元以及编程器、 电源和智能输入/输出单元等构成.plc 是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电 子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现 代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标 准设备之一。自动化立体仓库是一种功能多、规模大、利用率高的物资配运中心，广 泛地运用于大型仓库，能按照编制的人库单/出库单自动地把物件从入口处搬运到目的 货位或从指定货位把物件搬运到出口处。完成这一搬运任务的堆垛机是该系统的最关 键部份，它在高层固定货架巷道中运行。实现这一控制任务采用 plc 控制最为合适。 s7-300 是模块化中小型 plc 系统，它能满足中等性能要求的应用。模块化，无排风 扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得 s7-300 成为各种从小规模到中等性 能要求控制任务的方便又经济的解决方案。simatic s7-300 的应用领域包括：专用机 床、纺织机械、包装机械、通用机械工程应用、控制系统、机床、楼宇自动化、电器 制造工业及相关产业， 多种的性能递增的 cpu 和丰富的且带有许多方便功能的 i/o 扩 展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大并且愈加复 杂时，可随时使用附加模块对 plc 进行扩展。选择 simatic s7-300 系列 plc 系统并 应用在立体仓库体系中已取得了很大的成功，simatic s7-300 为模块化无风扇的设计， 坚固耐用，容易扩展、具有广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的 操作使 simatic s7-300 成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。结合堆垛 机的工作特性，simatic s7-300 是既经济又方便的选择方案。近几年来，堆垛机在自 动化仓库中发展很快，不仅规模越来越大、数量越来越多，而且自动化仓库种类也越 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第3页 来越多，以适应不同场合的需求。有轨巷道堆垛机可以完成左右两排货架的货物存储 工作。这种堆垛机在固定的轨道上运动，控制简单，造价低。输送机系统是自动化仓 库中不可缺少的一部分。主要完成货物的分配、收集和转运等任务，经常与堆垛机配 合使用3。 1.3 课题的研究方法和内容 立体仓库中堆垛机的主要工作是完成储存环节的搬运，即：准确地依照上位机给 出的出入库地址将货物取出或放入有关货位，并将工作过程的状态信息反馈给监控系 统。 这个方法使堆垛机的小车每通过一个位置就记录一个数，一直移 动到和预定位置号一致时停止移动。这个方法的特点是电路简单。另外随着电子技术 的发展，出现了众多优秀的 plc，用 plc 来控制堆垛机是相当灵活方便的，可以在 plc 的软件中加保护，即堆垛机每走过一个货格的时间超过或少于正常的时间范围就 报警。这样就可以有效地避免记数出错，本设计即采用此方法。 智能立体仓库能实现货物的自动存取功能，这就要小车在作水平、升降台做垂直 运动时，能准确记忆堆垛机的位置，即堆垛机的小车和升降台所在的列和层数，以实 现货物的定位存取，本系统采取了非接触式反射型光电传感器，自动检测货位的列和 层数。例如，随小车移动，反射式光电传感器每经过一列货架立柱时接收到一个反射 信号，列值增加 1，升降台每升高一层，层光电传感器使层值增一。光电传感器的有效 反射距离为 30cm。在自动存取货物时，货位的输入方法有微机键盘和 bcd 码拨盘开 关两种形式输入，plc 在收到外部输入的货位层和列数层后，将此值作为层列记数器 的预置值，用于实现货位的自动搜索控制。 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第4页 2 plc 编程软件 step7 2.1 siemens 公司编程软件 step7 的简单介绍 step7 是一个用于对siemens s7-200系列plc、s7-300系列plc、以及s7-400系 列plc建立、测试和维护程序的工具。它是一个支持plc设备和地址信息，siemens 的plc和这些plc支持的网络设备进行通信的方便工具。 该软件具有如下特点4： （1） 统一的windows开发易于操作: 使用windows环境下的各种工具可同时在不同程序之间剪切或粘贴程序语句或其 他数据。使用统一的windows工具能够毫不费力的开始设计和开发工作。 （2）它能在以下工业领域实现多种多样的自动化控制任务： 生产制造工程；汽车工业；通用机械制造；专业机械制造；塑料加工；包装工业； 食品和烟草工业；过程控制工程； （3）它的特点是高效率的组态和编程，从而大幅度地降低工程成本。此外，集成的 高性能系统诊断功能可保证控制器的更高可用性，显著提升生产率。为了减少停机时 间，增加产量，提供可组态的过程诊断，以用于分析和排除过程故障。 （4）它为节省空间的模块化设计，可以适配您现有的各种机械控制任务，不需要考 虑槽位规则。 （5）全集成自动化：通过单一、全集成和统一标准的系统就能完成用户所有的自动 化任务。 （6）分布式预处理：这种机器和设备的新概念能给用户带来很多优点，如可重复使 用的软件，更快速的调试时间和更高的可用性。 2.2 使用 step7 软件开发一个 plc 程序的步骤 1、启动 simatic 管理器并创建一个项目 simatic 管理器是一个中央窗口，step7 启动时激活。项目结构用来以一定的顺 序保存和排列所有数据和程序。在一个项目中，数据在分层结构中以对象的形式保存。 simatic 站和 cpu 包含组态和硬件的参数数据。s7 程序包含了所有的块，这些块中 有控制机器所需的程序。 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第5页 在 preview 中你可以将创建的项目结构的视图在 on 和 off 之间切换。要转到下一 个对话框，点击 nest. 每个 cpu 有特定的特性；例如，关于它的存储器组态或地址区域。这也是为什么 在你编程之前要选择 cpu。需要 mpi 地址（多点接口）是为了你的 cpu 与编程设备 或 pc 通讯。对于入门样板项目，选择 cpu314。你可以按照示例创建的方式在任何时 候实际地选择你所得到的 cpu。 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第6页 ob1 代表最高的编程层次，并组织 s7 程序中的其它块。以后还可以重新改变编程 语言。 当点击 make 按钮时，simatic 管理器连同已生成的“getting started”项目窗口 一起打开。每次程序启动时 step7 助手将被激活。你可以在助手的第一个对话框中取 消这个缺省设置。但是，如果不使用 step7 助手，要创建项目则必须在项目中自己创 建每一个目录。 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第7页 2、生成符号和地址 生成一个梯形图程序的重要一步就是对程序要访问的那些 plc 数据区进行定义。 为了便于访问，可以分配符号名称，而不是每次都访问特定地址。 3、编辑梯形图或助记符程序 一个 plc 程序既可以使用梯形图也可以使用助记符编程语言来生成。 4、通过编译程序检查程序的错误 无论是在线程序还是离线程序，在其生成和编辑过程中不断被检验。在梯形图中， 程序错误以红线出现。如果梯级中出现一个错误，在梯形图梯级的右边将会出现一道 红线。例如在图表窗口已经放置了一个元素，但是并没有分配符号和地址的情况下， 这种情形就会出现。 5、使 plc 处于在线状态 6、将没有错误的程序下载到 plc 中 工程包含要装载程序的 plc 类型和型号的细目。在开始下载程序之前，必须检查 这些信息以确保这些信息是正确的，并且和实际中使用的 plc 类型相匹配。还要为相 连接的 plc 选择适当的通信类型。 7、使 plc 处于运行或监视模式 8、在梯形图上监视程序的运行 9、在助记符程序编辑窗口监视程序运行 10、建立观察窗口监视程序运行 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第8页 监视窗口能够同时监视多个 plc 中指定 plc 地址的内容。监视窗口一般显示在主 窗口下方。它显示在程序执行时 plc 存储器内容的值。 11、使用设置值功能改变定时器、计数器或数据区的数据，使调试工作更加容易 进行 可以很容易的改变 tim/cnt 指令的第一个操作数，同时也可以改变用作其状态 位的地址。要做到这一点，使用“地址”作为查找对象，输入要操作的地址状态位（比 如 t0001） 。这也能够操作计时器/计数器指令的第一个操作数。 （例如，如果查找 t0001，则 tim 指令中的“1”也会发生匹配） 。 2.3 siemens 公司的 s7-300 系列可编程控制器介绍 plc的种类繁多，本设计采用的是德国siemens公司的s7-300可编程控制器。它已 成功地用于范围广泛的自动化领域。s7-300 的重点在于为生产制造工程中的系统解决 方案提供一个通用的自动化平台。 1、系统组成 （1）中央处理单元 (cpu) 各种 cpu 有各种不同的性能，例如，有的 cpu 上集成有输入/输出点，有的 cpu 上集成有 profibus-dp 通讯接口等。 （2）信号模块 (sm) 用于数字量和模拟量输入/输出。 （3）通讯处理器 (cp) 用于连接网络和点对点连接。 （4）功能模块 (fm) 用于高速计数，定位操作 (开环或闭环定位) 和闭环控制。 （5）负载电源模块 (ps) 用于将 simatic s7-300 连接到 120/230 伏交流电源，或 24/48/60/110 伏直流 电源。 （6）接口模块 (im) 用于多机架配置时连接主机架 (cr) 和扩展机架 (er)。s7-300 通过分布式的主 机架 (cr) 和 3 个扩展机架 (er)，可以操作多达 32 个模块。运行时无需风扇。 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第9页 2、simatic s7-300 适用于通用领域 高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。 3、类型 （1）s7-300 有两种类型： 标准型 温度范围从 0到 60 （2）环境条件扩展型 温度范围从 -25 到 +60 更强的耐受振动和污染特性。 4、功能 simatic s7-300 的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护。 （1）高速的指令处理 0.60.1s 的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。 （2）浮点数运算 用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算 （3）方便用户的参数赋值 一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培 训的费用。 （4）人机界面 (hmi) 方便的人机界面服务已经集成在 s7-300 操作系统内。因此人机对话的编程要求大 大减少。simatic 人机界面 (him) 从 s7-300 中取得数据，s7-300 按用户指定的刷 新速度传送这些数据。s7-300 操作系统自动地处理数据的传送。 （5）诊断功能 cpu 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事 件 (例如 ：超时，模块更换，等等)。 （6）口令保护 多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修 改。 （7）操作方式选择开关 操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这 样就防止非法删除或改写用户程序。 5、simatic s7-300 具有多种不同的通讯接口 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第10页 （1）多种通讯处理器用来连接 as-i 接口、和工业以太网总线系统 （2）串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统 （3）多点接口 (mpi) 集成在 cpu 中，用于同时连接编程器、pc 机、人机界面系 统及其他 simatic s7/m7/c7 等自动化控制系统。 6、cpu 支持下列通讯类型 （1）过程通讯 通过总线 (as-i 或 profibus ) 对 i/o 模块周期寻址 (过程映象交换)。 （2）数据通讯 在自动控制系统之间或人机界面 (hmi) 和几个自动控制系统之间，数据通讯会 周期地进行或被用户程序或功能块调用。 7、结构 din 标准导轨安装 只需简单地将模块钩在 din 标准的安装导轨上，转动到位， 然后用螺栓锁紧。 （1）集成的背板总线 背板总线集成在模块上，模块通过总线连接器相连，总线连接器插在机壳的背后。 （2）更换模块简单并且不会弄错 更换模块时，只需松开安装螺钉。很简单地拔下已经接线的前连接器。在连接器上 的编码防止将已接线的连接器插到其他的模块上。 （3）可靠的接线端子 对于信号模块可以使用螺钉型接线端子或弹簧型接线端子 （4）top 连接 采用一个带螺钉或夹紧连接的 1 至 3 线系统进行预接线。或者直接在信号模块上 进行接线。 （5）确定的安装深度 所有的端子和连接器都在模块上的凹槽内，并有端盖保护，因此所有的模块都有相 同的安装深度。 （6）没有槽位的限制，信号模块和通讯处理模块可以不受限制地插到任何一个槽上， 系统自行组态。 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第11页 3 控制系统总体方案设计以及系统流程图 3.1 控制系统总体方案 作为一个定位控制系统，必须实现的目标是能满足一般控制系统要求的自动、手 动的控制功能；能根据使用者发出的指令做出相应的动作；能够根据相应的情况进行 自动校正。智能立体仓库由货架、堆垛机、自动控制装置等部分组成，有自动和手动 两种操作方式。立体仓库之间为巷道，两侧为双行货架，堆垛机在巷道上、固定的天、 地导轨之间运行。 本系统仅设置 x 和 y 层的货架一行，另一行货架仅为虚拟行，以便安装和参观学 习。堆垛机由固定在小车的门式框架、沿门式框架上导轨提升运动的升降台以及在升 降台上做伸缩运动的货叉（机械手）等 3 部分组成，堆垛机设计成一个 3 自由度系统， 货物放在升降台的货叉上能实现上下、左右和前后的运动5。 在确定了控制方式、plc 品牌以后就先来了解一下小车自动控制主要的工作过程。 见图 3.1 第三行 货位 1 货位 2 货位 3 第二行 货位 1 货位 2 货位 3 第一行 货位 1 货位 2 货位 3 位置 1 位置 2 位置 3 图 3.1 小车工作过程图 小车 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第12页 先来介绍一下小车工作过程，水平方向的前后运动，由小车电动机进行驱动，小 车电动机为 220w 的三相交流异步电动机。堆垛机垂直方向，由提升电机驱动升降台 沿门式框架结构做升降运动，提升速度小于 5m/min，提升电动机功率为 220w 的锥型 转子单相交流异步电动机，具有断电抱闸制动的功能。固定在升降台上的机械手可带 动货物一起做伸缩运动，伸缩量为左右各 300mm，用于货物的存取操作。速度按机械 手 5m/min 的速度要求设定。 堆垛机的信息显示、作业地址及指令的输入方法有很多种。一种方法是采用发光 二极管来显示各种信息（如故障诊断代码等） ，采用拨码开关来输入作业地址。此种方 法原理简单，但是一旦原器件有损坏，如某个发光二极管损坏，显示的信息就不准； 会直接影响拨码开关的可靠性，造成拨码开关拨的数值与plc输入的数值不一致，堆 垛机无法运行到目的地址。此种方法直接影响了堆垛机的可靠性，增大了堆垛机的后 期保养、维修工作，因此目前此种方法已经很少有人采用。 本系统是采用键盘来输入作业地址、作业指令、用数字和符号来显示各种信息， 输入的数值及指令马上可以显示出来，校对容易，对错一目了然。 plc 控制系统总体方案设计的硬件组成框图： 图 3.2 硬件组成框图 编程器的显示器有二行共 32 位 57 的液晶点阵，可以显示数字、符号和字母； 键盘按键有 09、af 等键可以使用，可以向小车输入作业地址（排、列和层） 、作 可 编 程 控 制 器 功率驱动器 电 机 计算机键盘作为 按钮输入 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第13页 业指令（存、取最多二个作业） 、操作方式（自动、手动） 。将键盘的 09 键定义为数 字键，af 定义为功能键，在输入作业指令、作业地址时显示器能马上显示出来，实 现了简单的人机对话，保证了输入的作业地址和作业指令的准确性，提高了堆垛机 运行的可靠性。 这个方法使堆垛机的小车每通过一个位置就记录一个数，一直移动到和预定位置 号一致时停止移动。这个方法的特点是电路简单。另外随着电子技术的发展，出现了 众多优秀的 plc，用 plc 来控制堆垛机是相当灵活方便的，可以在 plc 的软件中加保 护，即堆垛机每走过一个货格的时间超过或少于正常的时间范围就报警。这样就可以 有效地避免记数出错，本例即采用此方法。 智能立体仓库能实现货物的自动存取功能，这就要小车在作水平、升降台做垂直 运动时，能准确记忆堆垛机的位置，即堆垛机的小车和升降台所在的列和层数，以实 现货物的定位存取，使堆垛机先以较高的速度运行到接近目的地址的位置后将速度平 稳降到较低的速度下工作，并在目的地址处准确制动停准，必要时可采取机械抱闸系 统来辅助快速定位；堆垛机在工作过程中实时采集水平运行、货物升降、货叉伸缩三 个方向的数据，并不断地与存放在软件控制数据块里的标准位置参数进行比较和控制 决策，从而达到准确定位、快速存储货物、提高作业效率的目的，并与监控系统交换 工作信息和库位状态信息等以实现系统的全面动态管理。 根据设计要求将整个定位控制的全过程分成多个阶段：小车前进到指定货架列的 过程，将货物抬升到指定货架行的过程，机械手放置货物或者取得货物的过程，放置 或者取得货物之后返回的过程。在各个阶段，对象的特性相对稳定，并且小车在前进 和抬升货物的过程控制方面是基本一致的。 下面对各个阶段进行简单地介绍。 （1）前进的过程：在这个过程中，处于自动或者手动控制状态的小车由起始点出 发，经过位置的校对，到达预先指定的货架的列。 （2）抬升货物的过程：在这个过程中，货物被抬升到预先指定的货架的行。 （3）存取货物的过程：在这个过程中，通过控制机械手臂的运动，使机械手到达 预先指定的位置，然后根据实际的需要完成存放或者取得货物的操作。 （4）返回过程：在完成指定的操作之后，小车应该返回起始位置。 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第14页 3.2 小车定位控制工艺流程图 清楚了小车工作的逻辑关系后，可设计整体工艺流程图： 否 是 否 是 图 3.3 工艺流程图 自动运动方式 初始化过程仅在启动 时完成 启动主程序 选择运行方式 判断定位程序 选择运行方式 是否已经到位 置运行到位标志 结束主程序 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第15页 4 小车定位控制 plc 程序编制 在确定了控制方式并且掌握了小车控制系统流程图和 step7 plc 编程软件的编程 过程后，那么在本章里就可以很好的编制出小车定位控制系统各个部分流程的 plc 梯 形图程序。 4.1 plc 选型和资源配置 1、plc 选型 s7-300 系列的 plc，由于其具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格及强大 的命令，使得 s7-300 系列可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的 cpu 类型和电压等级使其在解决工业自动化问题时，具有很强的适应性。 s7-300 cpu-312 系统分别对小车电机用变频器、机械手电机步进驱动模块进行自动控 制，并对检测信号及外部输入数据和控制信号进行处理，实现了对小车、机械手驱动、 升降台提升及保护等控制的基本要求。表 4.1 所示是 cpu-312 的技术参数。 表表 4.1 cpu-312 的技术参数的技术参数 技术参数 说明 主存储器 16k 字节/5k 语句 装载存储器 通过 mmc 的 64k 字节到 8mbyte 字节 后备 通过 mmc 的所有模块 处理时间 位操作 200ns 位存储器/定时器/计数器 位存储器 1k 字节 s7 定时器/ s7 计数器 128/128 iec 定时器/ iec 计数器 有 模块的数量 可装载的块的数量(fc+fb+db 的总和) 1024 数量的范围 512fc,512fb,511db 地址范围 i/o 地址区 1024/1024 字节 i/o 过程映象 128/128 字节 数字量通道(中央) 256 模拟量通道(中央) 64 2、i/o 资源配置 系统资源分配如表 4.2 所示。 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第16页 表表 4.2 plc i/o 地址分配表地址分配表 位号名数据类型说明 i0.0boolstart i0.1boolstop i0.2bool自动选择输入 i0.3bool手动选择输入 i0.4bool前后运动 i0.5bool向前运动 i0.6bool向后运动 i0.7bool升降运动 i1.0bool上升运动 i1.1bool下降运动 i1.2bool伸缩运动 i1.3bool前伸运动 i1.4bool后缩运动 i1.5bool抓取物品 i1.6bool放置物品 q0.0bool小车向前运行 q0.1bool小车停止向前运行 q0.2bool小车向后运行 q0.3bool小车停止向后运行 q0.4bool机械手上升 q0.5bool停止上升 q0.6bool机械手下降 q0.7bool停止下降 q1.0bool机械手前伸 q1.1bool停止前伸 q1.2bool机械手后缩 q1.3bool停止后缩 q1.4bool放置物品 q1.5bool抓取物品 m0.0bool运动状态 m10.0bool手、自动状态 m20.0 m20.1 m20.2 bool bool bool 小车前后运动使能 列到位标志 升降运动使能 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第17页 续表续表 位号名 m20.3 数据类型 bool 说明 行到位标志 m20.4bool伸缩运动使能 m20.5bool物品到位标志 m20.6bool m20.7bool程序运行方向标志 m21.1bool向前运行标志 m21.2bool向后运行标志 m21.3bool上升运行标志 m21.4bool下降运行标志 m21.5bool前伸运行标志 m21.6bool后缩运行标志 m21.7bool小车已经完成预定动作，返回 m22.0bool机械手放下货物标志 m22.1bool前后电机运行停止 m23.0bool机械手抓取货物标志 3、其他资源配置 em253 位控模块是 s7-300 的特殊功能模块。能够产生移动控制所需的脉冲串，其 组态信息存储在 s7-300 的 v 存储区中，用于步进电机和伺服电机的速度和位置的开环 控制。 位控模块的特性如下： （1）位控模块可提供单轴开环移动控制所需要的功能和性能； （2）提供高速控制从每秒 12 个脉冲至每秒 200 000 个脉冲； （3）支持急停 s 曲线或线形的加速减速功能； （4）提供可组态的测量系统，既可以使用工程单位如英寸或厘米，也可以使用脉 冲数； （5）支持手动的位控方式； （6）提供连续操作； （7）提供 4 种不同的参考点寻找模式，每种模式都可对起始的寻找方向和最终的 接近方向进行选择。 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第18页 4.2 plc 程序设计 1、程序初始化 在程序的第一个扫描周期（sm0.1=1）设置重要的参数，然后运行，按下设备的 “启动” （start）按钮开始运行，首先调用子程序检测位置信号，取得当前位置记数， 然后将位置计数存放在变量 mw12（行记数） 、mw14（列记数）中，以便程序判断是 否已经到达指定的位置。 程序初始化由网络 1 和网络 2 完成。 （网络是 plc 梯形图的一个基本单位，通常 可以理解为一个程序行。 ）这是一段简单的初始化过程程序，s7-300 在读特殊内存 sm0.1，只有在首次扫描循环时打开，所以这段初始化程序只在程序开始运行的时候执 行一次。 这里执行的两条指令对变量 mw12 以及 mw14 进行初始化，这两个变量分别为小 车运行中所经过的行计数以及列计数。 由于要涉及到小车完成任务的过程以及完成任务以后返回的过程，所以程序在执 行的过程中必须要明确其运动方式和目的，是前进或后退运动、升降运动或者是机械 手臂的伸缩运动等。因此，在以下的程序中，每一个运动过程都必须加上很明确的标 志和条件限制来确定。其运动的方式和运动的目的，这样才不至于因为目的不明确而 造成错误的判断以及错误的动作，造成存取货物的失败。 网络 1 的梯形图如图 4.1 所示 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第19页 图 4.1 网络 1 网络 2 的梯形图如图 4.2 所示 图 4.2 网络 2 2、列向自动运行 下面是一段小车沿列向自动运行的程序。在这段程序中，首先要考虑的问题就是： 小车处于前进或者是存放货物的过程，还是完成了预定任务返回的过程。但是由于 plc 程序的执行特点是逐行扫描，所以仅仅判断小车是处于前进过程还是返回过程是 不够的，因为在返回过程中，还有机械手臂从货架上缩回、机械手臂下降到初始位置 等几个过程，所以说，必须要在程序中能够将这 3 种完全不同的运动区分开来。根据 这种要求，在编写程序的时候加入了 3 个不同的 bool 类型的变量 m20.1、m20.3 以 及 m20.5，分别作为小车沿列向运行到位标志、机械手沿行向运行到位标志、机械手 货架到位标志。当变量为 on 时，表示已经完成了该项动作，为 off 时表明小车还没 有完成对应的运动。 q0.0 是开关量输出，表示启动小车前进，小车开始向前运动。在这里，笔者认为 自动控制不需要控制小车的向后运动。 当小车还处于取放货的动作未完成的阶段时，需要判断的是小车是否已经完成了 列的定位，如果未完成列的定位（m20.1 为 off） ，那么启动小车前进的电机使小车向 前运动。如果小车处于已经完成了取放货的动作时，那么判断小车是否已经完成了由 货架上返回（伸缩机械手的运动） 、是否已经完成了由指定行数退回初始行位置的运动 （如果完成，小车应该是第一行以下的位置） 。如果小车这两个过程都已经完成，那么 将开始进行后退运动，q0.2 表示启动小车后退电机，使小车向后运行并返回初始位置。 m20.5 是伸缩运动到位标志。为 on 时，表示机械手已经到达指定位置，为 off 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第20页 时表示还未到达指定位置。q1.0表示前伸运动的开关量输出，q1.2 表示后缩运动开关 量输出。 网络 3 的梯形图如图 4.3 所示 图 4.3 网络 3 3、手动控制 下面一段程序是手动情况下对小车进行控制的程序代码。在开始按钮已经按下的 情况下（start 按钮的状态由变量 m0.0 来对应） ，m0.0 为 on 时表示已经开始运行， 反之则为停滞状态。 网络 4 的梯形图如图 4.4 所示 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第21页 图 4.4 网络 4 4、自动控制 下面是自动控制部分，由网络 5 实现。 q0.4 是开关量输出，表示启动小车机械手上升，机械手开始运动。在这里，我认 为自动控制不需要控制小车机械手的下降运动。 当小车还处于取放货的动作未完成的阶段时，需要判断的是小车是否已经完成了 列的定位，如果未完成列的定位（m20.3 为 off）,那么启动小车机械手上升的电机， 使机械手做上升运动。如果小车处于已经完成了取放货的动作，那么判断小车是否已 经完成了由货架上的返回（伸缩机械手的运动） ，如果小车这个过程已经完成，那么将 开始进行后退运动。q0.6 表示启动机械手下降电机，使机械手下降并返回初始位置。 网络 5 的梯形图如图 4.5 所示 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第22页 图 4.5 网络 5 5、自动控制机械手臂伸缩运动 自动控制机械手臂伸缩部分由网络 6 完成。 前后、升降运动都进行完毕以后，机械手已经到达了指定的行数与列数，将进行 伸缩运动来完成货物的存取。 网络 6 的梯形图如图 4.6 所示 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第23页 图 4.6 网络 6 由于基本原理与前面的前后、升降运动相似，就不详细说明了，下面只对一些不 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第24页 同于前面两种运动的情况进行说明。 m20.5 是伸缩运动到位标志。为 on 时，表示机械手已经到达指定位置，为 off 时表示还未到达指定位置。q1.0表示前伸运动的开关量输出，q1.2 表示后缩运动开关 量输出。由于机械手是以 5m/min 的速度运动，伸缩距离为 30cm，定时器 c37 是以 100ms 为基本记时单位的，所以计算得到机械手可以到达预定位置的时间： 运动距离 l=30cm 速度 v=5m/min 运行时间 t=l/v*0.01=0.06min=3.6s=3z600ms 因此选用 100ms 定时器 c37 进行计时，应该设置计时累加为 36。 6、自动控制存取物品 自动存取物品的程序由网络 7 完成。 网络 7 的梯形图如图 4.7 所示 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第25页 图 4.7 网络 7 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第26页 结论 这次毕业设计使用 plc 在自动控制系统中应用时，使用方便，适应性强，可以广 泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。选择 simatic s7-300 系列 plc 系统并应用在自动化立体仓库中已取得了很大的成功，simatic s7- 300 为模块化无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展、具有广泛的通讯能力，容易实现的 分布式结构以及用户友好的操作使 simatic s7-300 成为中、高档性能控制领域中首选 的理想解决方案。结合堆垛机的工作特性，simatic s7-300 是既经济又方便的选择方 案。 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第27页 致谢 这次设计是在李琦老师的精心指导下完成的，李琦老师知识渊博，经验丰富，他 经常利用休息时间对我们进行辅导，李老师的渊博的知识和对工作认真负责的态度， 以及对我们孜孜不倦的照顾让我十分感动。通过这次毕业设计，使我对自动控制理论 有了很大的提高，对 plc 也有了更深刻的认识，在经过大量的实验后我把理论同实践 结合起来，对我将来的工作有很大的帮助。 从李琦老师那里我不仅学到了丰富的文化知识，更重要的是学到了很多做人的道 理，导师和同学对我的支持和鼓励，永远是我不断前进的动力。在我即将离开学校， 踏上社会的时刻，让我真心的说一声谢谢曾经帮助过我的老师和同学们，祝老师今后 工作顺利，身体健康，家庭幸福、美满！ 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第28页 参考文献 1 周奇才，自动化仓库主要运行参数的优化确定m.上海铁道大学学报,1999 2 李友善，自动控制原理与应用m. 北京：国防工业出版社，1998 3 蔡尚峰，自动控制理论应用技术和设计实例m. 北京：机械工业出版社， 2003 4 王兆义，西门子公司的 s7-300 系列 plc 开发导航 m. 北京：机械工业出版 社，2005 5 胡学林、宋宏等编，电气控制与 plc 应用m. 北京：冶金工业出版社，2001 6 analog devices programmable logic controllersjversion 1.0jan 2003. 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第29页 附录 a（外文文献) introduction of programmable controllers programmable controllers systems have evolved to not only replace electromechanical devices, but to solve an ever-increasing array of control problems in both process and non- process industries. by all indications, these microprocessor- powered giants will continue to break new ground in the automated factory into the 1990s. 1 history in the 1960s, electromechanical devices were the order of the day as far as control was concerned. these devices commonly known as relays, were being used by the thousands to control many sequential-type manufacturing processes and stand-alone machines. many of these relays were in use in the transportation industry, more specifically, the automotive