垂直提升平移式立体仓库-毕业设计.doc

摘要摘要 本课题采用西门子 S7 200 型 PLC 可编程序控制器 设计了一种垂直 提升平移式立体仓库的自动控制系统 通过 THFLT 1 型立体仓库教学模型 实现了立体仓库的各种功能 论文描述了多层升降横移式立体仓库的运行 原理和结构特点 介绍了其控制系统的组成 PLC 控制的实现和控制软件的 设计 在此基础上 利用亚控组态软件进行上位机监控 设计监控画面 通过串行通讯方式 实现了对仓库运行过程及仓库状态的监测 关键字关键字 立体仓库 PLC 组态软件 ABSTRACT In this project an automatic control system is designed to control the three dimensional warehouse based on a programmable logic controller PLC S7 200 of Siemens It realizes various of function by the THFLT 1 warehouse mode The characteristics and application of warehouse is briefly introduced in this paper The system component the work principle how to control stepper motor and how to programmable are also introduced in detail On this basis this design realizes the real time monitoring program for automated warehouse mode by configuration software Key Words Warehouse PLC Configuration software 目录目录 1 1 绪论绪论 1 1 1本课题研究的主要意义 1 1 2本课题的主要任务 2 2 2 立体仓库概述立体仓库概述 3 2 1 立体仓库的发展与前景 3 2 2 立体仓库简介 4 3 3 PLCPLC 可编程控制器可编程控制器 9 3 1PLC 概述 9 3 2 可编程序控制器的硬件与工作原理 12 4 4 立体仓库控制系统设计立体仓库控制系统设计 23 4 1 系统硬件概述 23 4 2 系统软件设计 30 5 5 监控系统的设计监控系统的设计 41 5 1 组态软件简介 41 5 2 监控系统设计 45 总结总结 54 参考文献参考文献 55 致谢致谢 56 附录 翻译附录 翻译 57 1 1 绪论绪论 1 11 1 本课题研究的主要意义本课题研究的主要意义 自动化立体仓库 系统是指在不需要人工干预的情况下 运输设备能 自动存储和取出货物的多层仓库存储系统 自动化立体仓库是现代物流 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及管理水平 提高管理和操作人员素质 降低储运损耗 有效地减少流动资金的积压 提高物流效率等诸多优点 与厂级计算机管理信息系统联网以及与生产线紧密相连的自动化立体仓 库更是当今 CIMS 计算机集成制造系统 及 FMS 柔性制造系统 必不可 少的关键环节 本次课题所设计的立体仓库主要是用来存放车辆 随着社会 经济 交通的发展以及人们生活水平的不断提高 车辆无处停放的问题日趋突出 立体停车设备的发展在国外 尤其在日本已有近30 40年的历史 无论在理 论还是在技术上均已获得了成功 我国也于90年代初开始研究开发机械立 体停车设备 距今已有十多年的历程 采用立体仓库进行存放车辆与传统的自然地下车库相比 在许多方面 都显示出优越性 首先 立体仓库具有突出的节地优势 以往的地下车库 由于要留出足够的行车通道 平均一辆车就要占据40平方米的面积 而如 果采用多层立体仓库 可使地面的使用率提高80 90 如果采用地上 多层 21层 立体式车库的话 50平方米的土地面积上便可存放40辆车 仓库可以大幅度地向高空发展 充分利用仓库地面和空间 因此 节省了 库存占地面积 提高了空间利用率 这可以大大地节省有限的土地资源 并节省土地开发成本 立体仓库存放车辆与传统地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆 的安全 人在车库内或车不停准位置 由电子控制的整个设备便不会运转 应该说 立体仓库从管理上可以做到彻底的人车分流 在立体仓库中采用机械存车 还可以免除采暖通风设施 因此 运行 中的耗电量比工人管理的地下车库低得多 立体仓库一般不做成套系统 而是以单台集装而成 这样可以充分发挥其用地少 可化整为零的优势 在住宅区的每个组团中或每栋楼下都可以随机设立机械停车楼 这对眼下 车库短缺的小区解决停车难的问题提供了方便条件 因此 对这个课题的 研究是具有重大意义的 1 21 2 本课题的主要任务本课题的主要任务 本课题的主要任务是利用现有的立体仓库教学模型 通过PLC编程控 制实现简单的取车或送车动作 并利用亚控组态软件设计监控系统 实现 上位机对机构的动作的跟踪监控 2 2 立体仓库概述立体仓库概述 2 12 1 立体仓库的发展与前景立体仓库的发展与前景 立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果 50 年代初 美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库 其目的是实现军 事上自动化搬运弹药 自动化立体仓库以其占地面积少 差错少 节省人 力等优点 大大提升了航空母舰战斗机群轮番战斗能力 50 年代末 60 年 代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库 1963 年美国率先在高 架仓库中采用计算机控制技术 建立了第一座计算机控制的立体仓库 自 动化立体仓库以其可靠性高 节省劳动力 零件容易维修更换 操作简单 方便 降低工业生产中的生产物流成本 有效节约建设费用和土地资源等 优势 在美国和欧洲得到迅速发展 并形成了专门的学科 60 年代中期 日本开始兴建立体仓库 并且发展速度越来越快 成为当今世界上拥有自 动化立体仓库最多的国家之一 我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚 1963 年研制成 第一台桥式堆垛起重机 机械部北京起重运输机械研究所 1973 年开始 研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库 高 15 米 机械部起重所 负责 该库 1980 年投入运行 立体仓库由于具有很高的空间利用率 很强的入出库能力 采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理 等特点 已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术 越来越受到企 业的重视 但截至目前 国内使用立体化仓库的企业还不是十分的普及 究其原因 其一 国内建造普通仓库投入每平方米大约是 1000 元 而建造自 动化立体仓库投入每平方米高达 10000 元 价格相差整整 10 倍 其二 自 动化立体仓库的运行成本 如自动叉车 电脑集成 信息控制系统等成本 也相当高 最后是成本与效益问题 我国劳动力资源丰富而廉价 因此 国 内企业与国外企业对物流投入的迫切感不一样 国内企业可能比较实际 如 果要花几十万上这个设备 而且以后还要不断地在维修 燃料 零部件更 换中不断投入 还不如干脆多请几个人来操作 当然也不能以此就断定自动 化立体仓库就不适合中国的国情 在国内也有在自动化立体仓库方面做的 很不错的企业 比如 昆明船舶设备有限公司和北京自动化研究所 他们一 方面习吸收国外先进技术 另一方面立足自身发展 获得了相当完整的自动 化立体仓库技术体系 在十五期间包揽了国家主要自动化立体仓库的设计和建造任务 创造了 巨大的社会效益和经济效益 村田机械 大福 上海 及冈村物流等在国 内的自动化仓库制造方面也都有着不俗的业绩 回望 2006 年自动化立体仓 库市场总体发展是稳健快速的 虽然总体利润下降 但各厂家生产订单饱满 销售结果好于预期 预计 2007 年形势会更好 全年自动化立体库建设数量 将接近 100 座 今后 随着中国企业规模的扩大和数量的增加 以及重视与 合理利用土地这一稀缺资源的意识不断增强 具有节约土地资源优势 提 高企业管理水平的自动化立体库必将得到更广泛使用 2 22 2 立体仓库简介立体仓库简介 2 2 12 2 1 立体仓库立体仓库 自动化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 化立体仓库不是单一设备堆积而成的仓库 它是一个仓库系统 自动化立 体仓库中所有设备在控制软件的管理下统一高效地运行 因为自动化立体仓库不单纯是一个仓库 所以它的建设也是一个复杂 的系统工程 包括地基的勘探 工程的设计 建设等 自动化立体仓库系 统的设计建设必须与企业的物流规划 企业的发展联系起来综合考虑 使 其成为物流链中重要的节点 自动化立体仓库 是当前技术水平较高的形 式 自动化立体仓库的主体由货架 巷道式堆垛起重机 入 出 库工作 台和自动运进 出 及操作控制系统组成 货架是钢结构或钢筋混凝土结 构的建筑物或结构体 货架内是标准尺寸的货位空间 巷道堆垛起重机穿 行于货架之间的巷道中 完成存 取货的工作 管理上采用计算机及条形 码技术 自动化立体仓库大大提高了仓储管理 物资调动和作业的准确率 同 时提高了物流速度 大量的管理信息由计算机数据库系统存储 计算机控 制自动设备连续作业 并由计算机的逻辑判断进行合理的货位选择 保证 了仓储管理的高效率 2 2 22 2 2 立体仓库的基本组成立体仓库的基本组成 自动化立体仓库一般由高层货架 起重运输设备 土建公用设施以及 控制和管理设施等部分组成 1 货架 构铸货架的材料一般选用钢材或钢筋混凝土 钢货架的优点 是构件尺寸小 制作方便 安装建设周期短 而且可以提高仓库的库容利 用率 钢筋混凝土货架的优点在于其防火性能较好 抗腐蚀能力较强 维 护保养也相对简单 自动化立体仓库的货架一般都分隔成一个个的单元格 单元格是用于存放托盘或直接存放货物的 2 货箱与托盘 货箱和托盘的基本功能是装小件的货物 以便于叉车 和堆垛机的叉取和存放 采用货箱和托盘存放货物可以提高货物装卸和存 取的效率 3 巷道机 巷道机是自动化立体仓库中最重要的设备 它是随自动化 立体仓库的出现而发展起来的专用起重机 巷道机可在高层货架间的巷道 内来回运动 其升降平台可作上下运动 升降平台上的货物存取装置可将 货物存入货格或从货格中取出 4 周边搬运设备 搬运设备一般是由电力来驱动 由自动或手动控制 把货物从一处移到另一处 这类设备包括输送机 自动导向车等 设备形 式可以是单机 双轨 地面的 空中的 一维运行 即沿水平直线或垂直直 线运行 二维运行 三维运行等 其作用是配合巷道机完成货物的输送 转移 分拣等作业 在仓库内的主要搬运系统因故停止工作时 周边设备 还可以发挥其作用 使作业继续进行 2 2 32 2 3 立体仓库的分类立体仓库的分类 立体仓库按不同划分规则可有不同的分类 如下 按高度划分为低层 货架高度 5M 以下 中层 货架高度 5 12M 高 层 货架高度 12M 以上 按规模划分为小型 库容量 2000 个托盘以下 中型 库容量 2000 5000 个托盘 大型 库容量 5000 个托盘以上 按建筑形式分为整体和分离式 按货物存取行式为单元架式 移动货架式和拣选货架式 按货架构造形式分为单元货格式 贯通式 水平循环式和垂直循环式 仓库 按所起的作用分为生产性仓库和流通性仓库 按自动化仓库与生产联接的紧密程度分为独立型 半紧密型和紧密型 仓库 2 2 42 2 4 自动化立体仓库的优点自动化立体仓库的优点 自动化立体仓库能得迅速发展的主要原因 就在于它具有如下优点 1 货物存放集中化 立体化 减少占地面积 在地价昂贵的国家里 其效果尤为显著 目前 世界上最高的立体仓库可达 40 多米 容量多达 30 万个货位 2 仓库作业的机械化和自动化减轻了工人的劳动强度 节约劳力 缩 短作业时间 大大提高作业效率 3 采用计算机进行仓储管理 可以方便地做到 先进先出 并可防止 货物自然老化 变质 生锈 也能避免货物的丢失 4 物品出入库迅速 准确 减少了车辆了待装待卸时间 提高了仓库 的存储周转能力 5 采用电子计算机控制与管理 有利于压缩库存和加速物品的周转 降低了储存费用 从面降低了产品成本 6 可以适应特殊环境下的作业 如高温 低温作业 剧毒 放射性和 腐蚀性等物资的储存 7 提高仓库的安全可靠性 便于进行合理储存和科学的养护 提高保 管质量 确保仓库安全 8 由于采用计算机管理 加快了处理各种业务活动的速度 缩短了交 货时间 总之 由于自动化立体仓库这一新技术的出现 使原来那种固定货位 人工搬运和码放 人工管理 以储存为主的仓储作业 改变为自由选择货 位 可按需要实现先进先出的机械化与自动化仓储作业 在储存同时 可 以对货物进行必要的拣选 组配 并根据整个企业生产的需要 有计划的 将库存物按指定的数量和时间要求送到恰当地点 满足均衡生产的需要 可以说自动化立体仓库的出现使 静态仓库 变成了 动态仓库 2001 年 5 月 北京立体仓库就已建成 目前库房面积 5400 平方米 高 约 11 米 为钢结构大跨度的独立库房 与传统平面仓库相比 立体仓库对 大型货物的存储能力提高 1 6 倍 小件物品的存储能力提升 10 倍 整体作业 周期缩短 收货 占收货总量 35 左右的厂家自带托盘 货物的接收上架速 度由原先的 70 分钟 整车 提升到 45 分 整车 效率提升近 40 整车散装货 物的接收上架时间也从 100 分钟缩短至 80 分钟 发货 基本维持了原有的 水平 但效率提高了 以市内配送为例 从交货单生成到货物发运驶离库房 原有时间为 52 分钟 目前在日订单量同期比增加 20 扫描单数增加 60 每月扫描量从 2000 年的零扫描增长为两万多条扫描需求 并且还呈不 断上升的趋势的情况下 出货速度与以往基本持平 另外 由于利用了 RF 手持终端设备实现了 PN 条形码扫描 粘贴等无纸化操作 物流作业的错误率 大大降低 在存储量保持不变的前提下 每月因折旧 租金的微提升增加 费用为人民币 7 万元 但随着存储量的提升将每月节省租金约人民币 12 万余 元 根据介绍 该立体仓库自接到网上订单后平均备货 出货过程在 15 分钟 内都可完成 并在两小时内通过 神州特快 送达客户手中 13 3 3 PLCPLC 可编程控制器可编程控制器 3 13 1PLCPLC 概述概述 3 1 13 1 1PLCPLC 的基本概念的基本概念 现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应 生产出小批量 多 品种 多规格 低成本和高质量的产品 为了满足这一要求 生产设备和 自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性 可编程序控制器 Programmable Logic Controller PLC 正是顺应这一要求出现的 它是以 微处理器为基础的通用工业控制装置 1985 年国际电工委员会 IEC 对 PLC 的定义如下 可编程控制器是 一种进行数字运算的电子系统 是专为在工业环境下的应用而设计的工业 控制器 它采用了可以编程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作的指令 并通过数字或模拟式的 输入和输出 控制各种类型机械的生产过程 PLC 的应用面广 功能强大 使用方便 已经广泛地应用在各种机械 设备和生产过程的自动控制系统中 PLC 仍处于不断的发展之中 其功能 不断增强 更为开放 它不但是单机自动化中应用最广的控制设备 在大 型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位 PLC 应用之广 普及程度 之高 是其他计算机控制设备无法比拟的 3 1 23 1 2 可编程序控制器的特点可编程序控制器的特点 可编程序控制器得以迅速发展和广泛应用的原因是由于它具有继电接 触器控制装置和通用计算机以及其他控制系统所不具有的特点 1 编程方法简单易学 2 功能强 性能价格比高 3 硬件配套齐全 用户使用方便 适应性强 4 运行稳定 可靠性高 抗干扰能力强 5 系统的设计 安装 调试工作量少 6 维修工作量小 维修方便 7 与网络技术相结合 8 体积小 质量轻 能耗低 3 1 33 1 3 可编程序控制器的分类可编程序控制器的分类 1 按 PLC 的结构形式分为整体式和组合式 1 整体式结构 PLC 将中央处理器 CPU 电源部件 输入输出单元集 中制造在一起 结构紧凑 体积小 价格低 小型 PLC 常采用这种结构 2 组合式结构 PLC 将各部分模块 CPU 模块 电源模块 I O 模块 等 分开制造 使用时将这些模块分别插入机架底座的插槽中 像积木一 样组合起来 系统配置灵活方便 易于扩展 大中型 PLC 通常采用这种结 构 2 按控制规模分为小型机 中型机 大型机 1 小型机 I O 点数在 128 点以下 内存容量在几 KB 左右 具有逻辑 运算 定时 计数等功能 适用于开关量控制的场合 2 中型机 I O 点数在 128 512 点 内存容量在几十 KB 左右 除具有 小型机的功能外 还增加了数据处理功能 并可配置模拟输入输出模块 适用于小规模控制系统 3 大型机 I O 点数在 512 896 点 内存容量在几百 KB 4 超大型机 I O 点数在 896 点以上 内存容量在 1000KB 以上 大型机和超大型机除具有中 小型机的功能外 还增加了联网通信 记录打印等功能 增强了编程终端的处理能力 适用于大规模的控制系统 可构成分布式控制系统 3 1 43 1 4 可编程序控制器的应用领域可编程序控制器的应用领域 PLC 已经广泛地应用在很多的工业部门 随着其性能价格比的不断提高 PLC 的应用范围不断扩大 主要有以下几个方面 1 逻辑控制功能 用 PLC 的与 或 非指令取代继电器触电串联 并 联和其他逻辑连接 进行开关控制 2 定时 计数控制功能 用 PLC 提供的定时器 计数器指令实现对某种 操作的定时或计数控制 3 顺序控制功能 用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中 只有 前一道工序完成后 才能进行下一道工序操作的控制 4 数据处理功能 PLC 能进行数据传送 比较 移位 数制转换 算术 运算与逻辑运算以及编码和译码等操作 5 A D 与 D A 转换功能 通过 A D D A 模块完成模拟量和数字量之 间的转换 6 运动控制功能 通过高速计数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴 控制 7 过程控制功能 通过 PLC 的 PID 控制模块实现对温度 压力 速 度 流量等物理量进行闭环控制 8 扩展功能 通过连接输入输出扩展单元模块来增加输入输出点数 也 可以通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高 PLC 的控制能力 9 远程控制功能 通过远程 I O 单元将分散在远距离的各种输入输出设 备与 PLC 主机相连接 进行远程控制 10 通信联网功能 通过 PLC 之间或与主控计算机的联网 实现较大规 模的系统控制 11 监控功能 PLC 能够监视系统运行的状态 对异常情况进行报警 显示 故障诊断以及自动终止运行 3 23 2 可编程序控制器的硬件与工作原理可编程序控制器的硬件与工作原理 3 2 13 2 1 LCLC 的基本结构的基本结构 PLC 主要由中央处理单元 输入接口 输出接口 通信接口等部分组 成 其中 CPU 是 PLC 的核心 I O 部件是连接现场设备与 CPU 之间的接口 电路 通信接口用于与编程器和上位机连接 见图 3 1 对于整体式 PLC 所有部件都装在同一机壳内 对于模块式 PLC 各功能部件独立封 装 称为模块或模板 各模块通过总线连接 安装在机架或导轨上 不同 厂商生产的不同系列产品在每个机架上可插放的模块数是不同的 一般为 3 10 块 可扩展的机架数也不同 一般为 2 8 个机架 基本机架与扩展 机架之间的距离不宜太长 一般不超过 10M 输入 接口 外部 设备 接口 I O 扩展 接口 输出 电路 编程器 存储器 系统 程序 用户 程序 数据 中央处理器单元 CPU 电源电源 限位开关 手动开关 编码器 数字开关 电磁阀 继电器 指示灯 蜂鸣器 I O 扩展 单元 上位计算机 图形监控系统 打印机 EPROM写入机 条形判读机 图 3 1 PLC 硬件结构 1 中央处理单元 CPU CPU 模块主要由微处理器 CPU 芯片 和存储器组成 CPU 通过输入 装置读入外设的状态 由用户程序去处理 并根据处理结果通过输出装置 去控制外设 一般的中型可编程控制器多为双微处理器系统 一个是字处 理器 它是主处理器 由它处理字节操作指令 控制系统总线 内部计数 器 内部定时器 监视扫描时间 统一管理编程接口 同时协调位处理器 及输入输出 另一个为位处理器 也称布尔处理器 它是从处理器 它的 主要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现 PLC 编程语言 向机器语言转换 CPU 处理速度是指 PLC 执行 1000 条基本指令所花费的 时间 2 存储器 存储器主要存放系统程序 用户程序及工作数据 PLC 所用的存储器 基本上由 PROM EPROM EEPROM 及 RAM 等组成 3 I O 模块 输入模块和输出模块简称为 I O 模块 是联系外部现场设备和 CPU 模 块的桥梁 PLC 通过 I O 接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参 数 以这些现场数据作为 PLC 对被控对象进行控制的信息依据 同时 PLC 又通过 I O 接口将处理结果送给被控设备或工业生产过程 以实现控制 4 电源部件 PLC 的电源包括系统电源和后备电池 PLC 一般使用 AC220V 电源 电源模块的作用就是将外部输入的交流电经过整流 滤波 稳压电路转换 成 PLC 的 CPU 存储器 I O 接口等内部电路所需要的直流电源 PLC 大 多使用开关型稳压电源 其稳压性能好 抗干扰能力强 内部的开关电源 为各个模块提供和不同的电压等级的直流电源 5 编程器 编程器是人机对话工具 用来输入 修改和调试用户程序 监控 PLC 的运行情况 调整内部寄存器的参数等 编程器可分为建议编程器和图形 编辑器两种 简易编程器只能输入助记符程序 而图形编程器可直接输入 梯形图 6 其他接口电路 为了扩展 PLC 的功能 出 I O 接口外 PLC 还配置了其他一些接口 主要有 1 I O 扩展接口 2 智能 I O 接口 3 通信接口 4 A D D A 接口 7 PLC 外部设备 外部设备包括编程器 打印机 外存储器 EPROM 写入器等 3 2 23 2 2 LCLC 的工作原理的工作原理 PLC 的 CPU 连续执行用户程序 完成控制功能是以扫描工作方式进行 的 所谓扫描工作方式 即 CPU 从程序段的第一句顺序读取顺序执行 直 至最后一句 CPU 在扫描周期中 要完成以下任务 1 输入处理阶段 每次扫描周期开始时 先读数字输入点的当前值 然后把这些值写到 输入映像寄存器中 CPU 以 8 位 1 个字节 为增量的方法来保留输入映像寄存器 在每 次扫描开始时 CPU 会将映像寄存器中未使用的输入位清零 2 执行程序 在扫描周期的执行程序阶段里 CPU 执行程序是从第一条指令开始 直到最后一条指令结束 不论在主程序或中断程序执行过程中 直接 I O 指 令允许对输入点和输出点直接存取 如果在程序中使用了中断 与中断事件相关的中断程序就作为程序的 一部分存储下来 中断程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行 而是 当中断事件发生时才执行 3 处理通讯请求 在扫描周期的信息处理阶段 CPU 处理从通讯端口接收到的任何信息 4 执行 CPU 的自诊断测试 在扫描周期中 CPU 检查其硬件 以及用户存储器 仅在 RUN 模式下 它也检查所有的 I O 模块的状态 5 输出处理阶段 在每个扫描周期的结尾 CPU 把存在输出映像寄存器中的数据输送给 数字输出点 CPU 以 1 个字节为增量来保留输出影响寄存器 当 CPU 操作 模式从 RUN 切换到 STOP 数字输出设置为输出表中定义的值 或保持当 前状态 模拟输出保持最后写入的值 6 扫描周期中断 当中断事件发生时 CPU 以异步扫描方式 根据中断优先级来处理中 断 7 输入输出映像寄存器 输入输出映像寄存器是 PLC 的 RAM 工作区中将一特定区域的存储单 元作为输入映像寄存器和输出映像寄存器的存储区 输入映像寄存器存储着对应位输入 继电器 的通 断状态 高电平 1 为通 低电平 0 为断 输入映像寄存器的内容只能被 PLC 的 CPU 读出 而 不能被改写 输出映像寄存器单元存储着对应位输出 寄存器 的状态 在执行用 户程序时 输出映像寄存器既可以被 PLC 的 CPU 读取 也可以被 CPU 改 写 8 立即 I O 立即 I O 指令允许对实际输入输出点直接存取 尽管通常用映像寄存器 作为 I O 的源操作数或目的操作数 但执行立即 I O 指令对输入输出映像寄 存器的影响是不同的 当使用立即 I O 指令来存取输入点的值时 输入映像 寄存器的值尚未更新 而使用立即 I O 指令来存取输出点的同时 相应的输 出映像寄存器被更新了 PLC 在执行程序是存在 I O 滞后现象 造成 I O 响应滞后的原因 1 扫描方式 2 电路惯性 输入滤波时间常数和输出继电器触点的机械滞后 3 与程序设计安排有关 3 2 33 2 3 LCLC 的编程语言的编程语言 PLC 的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求 通过 PLC 编程语言的编制设计的 根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标 准 IEC1131 3 PLC 的编程语言包括以下五种 梯形图语言 LD 指 令表语言 IL 功能模块图语言 FBD 顺序功能流程图语言 SFC 及 结构化文本语言 ST 1 梯形图语言 LD 梯形图语言是 PLC 程序设计中最常用的编程语言 它是与继电器线路 类似的一种编程语言 由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉 因此 梯形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用 梯形图编程语言的特点是 与电气操作原理图相对应 具有直观性和 对应性 与原有继电器控制相一致 电气设计人员易于掌握 梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是 梯形图中的能流不 是实际意义的电流 内部的继电器也不是实际存在的继电器 应用时 需 要与原有继电器控制的概念区别对待 图 3 2 是典型的交流异步电动机直接启动控制电路图 图 3 3 是采用 PLC 控制的程序梯形图 SA1 KH KM HG HR SA2 KM KM 图 3 2 交流异步电动机直接启动电路图 图 3 3 PLC 梯形图 2 指令表语言 IL 指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言 和汇编语 言一样由操作码和操作数组成 在无计算机的情况下 适合采用 PLC 手持 编程器对用户程序进行编制 同时 指令表编程语言与梯形图编程语言图 一一对应 在 PLC 编程软件下可以相互转换 图 3 4 就是与图 3 4PLC 梯形 图对应的指令表 LD I0 0 O Q0 0 AN I0 1 AN I0 2 Q0 0 LD Q0 0 Q0 1 LDN Q0 0 Q0 2 图 3 4 指令表 指令表表编程语言的特点是 采用助记符来表示操作功能 具有容易 记忆 便于掌握 在手持编程器的键盘上采用助记符表示 便于操作 可 在无计算机的场合进行编程设计 梯形图有一一对应关系 其特点与梯形 图语言基本一致 3 功能模块图语言 FBD 功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种 PLC 编程语言 采用功 能模块图的形式来表示模块所具有的功能 不同的功能模块有不同的功能 图 3 5 是对应图 3 2 交流异步电动机直接启动的功能模块图编程语言的表达 方式 ORANDI0 0 Q0 2 I0 1 I0 2 Q0 0 Q0 1 Q0 0 Q0 0 图 3 5 功能模块图 功能模块图编程语言的特点 功能模块图程序设计语言的特点是 以 功能模块为单位 分析理解控制方案简单容易 功能模块是用图形的形式 表达功能 直观性强 对于具有数字逻辑电路基础的设计人员很容易掌握 的编程 对规模大 控制逻辑关系复杂的控制系统 由于功能模块图能够 清楚表达功能关系 使编程调试时间大大减少 4 顺序功能流程图语言 SFC 顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言 编 程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件 根据转移条件对控制系统 的功能流程顺序进行分配 一步一步的按照顺序动作 每一步代表一个控 制功能任务 用方框表示 在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯 形图逻辑 这种编程语言使程序结构清晰 易于阅读及维护 大大减轻编 程的工作量 缩短编程和调试时间 用于系统的规模校大 程序关系较复 杂的场合 图 3 6 是一个简单的功能流程编程语言的示意图 初始步 转换条件1 结束步 转换条件2 转换条件4 转换条件3 图 3 6 顺序功能流程图 顺序功能流程图编程语言的特点 以功能为主线 按照功能流程的顺 序分配 条理清楚 便于对用户程序理解 避免梯形图或其他语言不能顺 序动作的缺陷 同时也避免了用梯形图语言对顺序动作编程时 由于机械 互锁造成用户程序结构复杂 难以理解的缺陷 用户程序扫描时间也大大 缩短 5 结构化文本语言 ST 结构化文本语言是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言 它是类似于高级语言的一种编程语言 在大中型的 PLC 系统中 常采用结 构化文本来描述控制系统中各个变量的关系 主要用于其他编程语言较难 实现的用户程序编制 结构化文本编程语言采用计算机的描述方式来描述系统中各种变量之 间的各种运算关系 完成所需的功能或操作 大多数 PLC 制造商采用的结 构化文本编程语言与 BASIC 语言 PASCAL 语言或 C 语言等高级语言相类 似 但为了应用方便 在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简 化 结构化文本编程语言的特点 采用高级语言进行编程 可以完成较复 杂的控制运算 需要有一定的计算机高级语言的知识和编程技巧 对工程 设计人员要求较高 直观性和操作性较差 不同型号的 PLC 编程软件对以上五种编程语言的支持种类是不同的 早期的 PLC 仅仅支持梯形图编程语言和指令表编程语言 目前的 PLC 对梯 形图 LD 指令表 STL 功能模块图 FBD 编程语言都以支持 比 如 SIMATIC STEP7 MicroWIN V3 2 在 PLC 控制系统设计中 要求设计人员不但对 PLC 的硬件性能了解外 也要了解 PLC 对编程语言支持的种类 3 2 43 2 4 LCLC 的最新发展趋势的最新发展趋势 长期以来 PLC 始终处于工业自动化控制领域的主战场 为各种各样的 自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用 其主要原因 在于它能够为 自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案 适合于当前工业企 业对自动化的需要 另一方面 PLC 还必须依靠其他新技术来面对市场份额 逐渐缩小所带来的冲击 尤其是工业 PC 所带来的冲击 PLC 需要解决的问 题依然是新技术的采用 系统开放性和价格 在全球工业计算机控制领域 围绕开放与再开放过程控制系统 开放 式过程控制软件 开放性数据通信协议 已经发生巨大变革 几乎到处都 有 PLC 但这种趋势也许不会继续发展下去 随着软 PLC SoftPLC 控制组 态软件技术的诞生与进一步完善和发展 安装有 SoftPLC 组态软件和基于 工业 PC 控制系统的市场份额正在逐步得到增长 对于控制软件来讲 这是 PLC 控制器的核心 PLC 供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具 软件 此外 开放式通信网络技术也得到了突破 其结果是将 PLC 融入更 加开放的工业控制行业 当前 在所有过程控制领域 最大的发展趋势之一就是 Ethernet 技术 的扩展 PLC 也不例外 现在 越来越多的 PLC 供应商开始提供 Ethernet 接口部件 Ethernet 仅仅定义了 OSI 参考模型底部的几层协议标准 如果 上层协议相互之间不能兼容 那么仍然不可能进行相互之间的通信处理 为了将 Ethernet 技术应用到工厂底层的现场过程控制设备中去 ODVA 协会 为此建立了一套全球性标准技术规范 即 Ethernet IP 标准 以便能够解 决在实际工作中所遇到的困难 另外 Schneider 公司最近还推出了基于 Modicon 公司的 Momentum MIE 系列处理器的适配器 该适配器提供了标准 IEC 程序控制性能 进一步为 e 制造提供了完美的解决方案 该适配器还 提供了将智能化 I O 系统和其他现场过程控制设备连接到 Internet 和 Ethernet 的能力 现场过程控制设备包括所有功能化实时过程控制器 同样 其他许多公司也已经推出了 Ethernet 通信接口模件 例如 来 自于 IDEC 公司的 OpenNet PLC 控制器所提供的通信接口 实现了与 DeviceNet LonWorks 和 Interbus 等现场总线设备的兼容 Sierra 公司所 提供的 8051 型工业通信桥路能够让彼此之间互不兼容的 PLC DCS RTU 和 SCADA 系统很好地集成在一起 在过程控制方面 尽管传统 PLC 被应用于离散过程控制领域 但现在 PLC 已被广泛应用于连续过程控制领域 而且基于连续过程控制技术的发展 趋势正在进一步得到增长 尽管离散和连续过程控制应用都使用了同样的 硬件产品和网络系统 可能还需要额外增加一些特殊模件 但它们之间始 终存在着一些不同的差异 只要将不同类型的应用软件装入到同样的系统 之中 就能够完成不同的过程控制应用 运动控制方面 PLC 在运动控制领域的应用也已经有很长一段时间了 而且还保持了很好的增长趋势 PLC 一般总是使用梯形图逻辑控制程序 现在 所有类型的其他产品正 在努力获得并使用一些或者全部与 IEC 61131 3 标准兼容的程序设计语言 包括梯形图逻辑图表 功能模块图表 顺序功能图表 结构化文本和指令 表等程序设计语言 然而 硬件 操作系统和应用软件相互之间都是延缓 此独立的实体 与传统的全集成 PLC 系统有很大的不同 随着硬件和操作 系统的不断发展 操作系统所提供的标准商业化功能特性可能会进一步促 使 PLC 变成一种更加不同的控制设备 这也就是 PLC 需要采 IEC61131 3 标 准程序设计语言的原因所在 4 4 立体仓库控制系统设计立体仓库控制系统设计 4 14 1 系统硬件概述系统硬件概述 4 1 14 1 1 立体仓库的基本结构立体仓库的基本结构 本次设计选用 THFLT 1 型立体仓库的教学模型 其主体由底盘 四层 十二个仓位库体 运动机械及电气控制四部分组成 模型的机械部分采用 滚珠丝杠 滑杠 普通丝杠等机械元件组成 采用步进电机 直流电动机 作为拖动元件 电气控制是由西门子生产的 S7 200 型可编程序控制器 PLC 步进电 机驱动电源模块 开关电源 位置传感器等器件组成 控制面板上的开关及按钮功能及仓位号 见图 4 1 4 2 图 4 1 控制面板图 0123 456 789 101112 图 4 2 仓位号图 控制面板各按钮功能见表 4 1 表 4 1 控制面板上的按钮功能表 按键号功能选择定义 自动选择 1 号仓位 1 手动机构水平向左移动 2 自动选择 2 号仓位 手动机构垂直向下移动 自动选择 3 号仓位 3 手动机构水平向右移动 自动选择 4 号仓位 4 手动机构水平向后移动 自动选择 5 号仓位 5 手动机构垂直向上移动 自动选择 6 号仓位 6 手动机构水平向前移动 自动选择 7 号仓位 7 手动无意义 自动选择 8 号仓位 8 手动无意义 自动选择 9 号仓位 9 手动无意义 自动选择 10 号仓位 10 手动无意义 自动选择 11 号仓位 11 手动无意义 自动选择 12 号仓位 12 手动无意义 4 1 24 1 2 立体仓库的硬件简介立体仓库的硬件简介 立体仓库模型如图 4 3 所示 图 4 3 立体仓库模型 模型中主要器件简介如下 1 步进电机 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 当电脉 冲按某一相序连续加到步进电动机时 转子以正比于电脉冲频率的转速沿 某一方向旋转 因此 改变电脉冲的频率大小和通电相序 就能控制步进 电动机的转速和转向 实现宽广范围内速度的无级平滑控制 步进电动机 的这种控制功能 是其它电动机无法替代的 步进电动机可分为磁阻式 永磁式和混合式 步进电动机的相数可分为 单相 二相 三相 四相 控制面板 自动堆垛机 立体仓库 货台 五相 六相和八相等多种 增加相数能提高步进电动机的性能 但电动机 的结构和驱动电源就会复杂 成本就会增加 应按需要合理选用 步进电动机是一种作为控制用的特种电机 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 而且步进电机的转速与脉冲信号的频率成 正比步距值不容易因为电气 负载 环境条件的变化而改变 使用开环控制 或半闭环控制 就能进行良好的定位控制 起制动 正反转 变速等控制方便 我们在该立体仓库控制系统中的步进电动机采用北京斯达特机电科技发展有限公司 生产的 2 相 8 拍混合式步进电机 它的主要特点 体积小 具有较高的起 动和运行频率 有定位转矩等优点 2 步进电动机的特点 1 步进电动机是一种作为控制用的特种电机 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 2 步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比 3 步距值不容易因为电气 负载 环境条件的变化而改变 使用开环 控制 或半闭环控制 就能进行良好的定位控制 4 起制动 正反转 变速等控制方便 5 价格便宜 可靠性高 6 步进电动机的主要缺点是效率较低 并且需要配上适当的驱动电源 7 步进电动机带负载惯性的能力不强 在使用时既要注意负载转矩的 大小 又要注意负载转动惯量的大小 只有当两者选取在合适的范围时 电机才 能获的满意的运行性能 8 由于存在失步和共振 因此步进电机的加减速的方法根据利用状态 的不同而复杂多变 3 步进电机驱动器 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 如图 4 4 所示 脉冲分配 器 功率放 大器 脉冲发生器 步进电机 直流电源 图 4 4 步进电机驱动系统的基本组成 我们采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的 SH 系列步进电动机 驱动器 主要由电源输入部分 信号输入部分 输出部分组成 此步进电 动机驱动器采用铸铝结构 此种结构主要用于小功率驱动器 这种结构为封 闭的超小型结构 本身不带风机 其外壳即为散热体 所以使用时要将其 固定在较厚 较大的金属板上或较厚的机柜内 接触面之间要涂上导热硅 脂 在其旁边加一个风机也是一种较好的散热办法 此步进电机驱动器的电气技术数据见表 4 2 表 4 2 步进电机驱动器的电器技术数据 驱动器型号相数类别 细分数 通过拨位 开关设定 最大 相电流 开关设定 工作电源 SH 2H057 二相或四 相 混合式二相八拍 3 0A 一组直流 DC 24V 40V 3 传感器 1 反射式传感器 在该立体仓库中采用欧姆龙 EE SPY402 凹槽型 反射型接插件式传感 器作货物检测 它是日本欧姆龙公司的产品 采用能抗周围外来光干扰的 变调光式 采用变调光式 与直流光式比 不易受外来光干扰的影响 电 源电压为 DC5 24V 的大量程电压输出型 带有容易调整的光轴标识 带有 便于调整 动作确认的入光显示灯 其结构图如图 4 5 所示 感 应 体 红 电源正 输出 电源负 图 4 5 反射式传感器结构图 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 2 对射式传感器 对射式传感器的输出状态一般为 NPN 输出 输出晶体管的动作状态可 分为入光时 ON 和遮光时 ON 两种 入光时为 ON 的对射式传感器的结构图如 图 4 6 所示 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 24V OUT 0V R2 R3 LED2 图 4 6 对射式传感器结构图 在该立体仓库控制系统中采用 8 个对射式传感器作限位控制 其中 4 只对射式光电传感器分别作为 X Y 轴的限位控制 当入光时输出晶体管 ON 2 只对射式光电传感器分别作为货架在 X 轴和 Y 轴的到位检测 当遮光 时输出晶体管 ON 如果货架未到达正确位置 Z 轴电机将不能运行以确保 当 PLC 程序出错时也不至于损坏设备 2 只对射式光电传感器作为 Z 轴的限 位控制 当遮光时输出晶体管 ON 其信号对应 PLC 的输入点是 I1 0 到位 限位 和 I1 1 回位限位 4 微动开关的选择 在该立体仓库控制系统中共有 13 个仓位 四层十二个仓位加 0 号仓位 分别采用 13 只微动开关作为货物检测 当有货物时相应开关动作 其信号 对应 PLC 的 I1 4 等 另外为保险起见 在 X 轴的左限位和 Y 轴的下限位处 还分别加装了 1 只微动开关作限位保护 以确保立体仓库在程序出错时不 损坏 微动开关原理图如图 4 7 所示 兰兰 黑黑 常常开开点点 中中间间接接 图 4 7 微动开关原理图 4 24 2 系统软件设计系统软件设计 4 2 14 2 1 立体仓库控制要求立体仓库控制要求 1 将选择开关置自动位置 通电状态下 各机构复位 即返回 0 位 2 执行送指令 将 0 号位置的货物送到任意位置 1 选择欲送仓位号 按动仓位号对应按钮 控制面板上的数码管显 示仓位号 2 按动送指令按钮 观察送入动作 若被选择仓位内已有汽车 则 该指令不被执行 3 指令完成后 机械自动返回 4 0 号仓位已无汽车 则下一个送指令 误操作 将不被执行 3 执行取指令 从任意位置取回货物放至 0 号位 1 选择欲取仓位号 按动仓位号对应按钮