基于组态王组态软件监控的立体仓库设计格式

1、摘要本设计利用的立体仓库主体由底盘、四层十二仓位库体、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。组态软件对仓库信息的实时监控立体车库今后的发展进行了科学的展望关键词：立体车库；PLC；组态软件ABSTRACTladder diagram and real-time monitoring information of the configurable software in the article. configurable software国内外发展概况国内外发展概况S7-200

2、的通信4.2.1 S7-200的通信协议4.2.2 在编程软件中设置通信接口的参数高速脉冲的产生和输出S7-200 高速输出指令PTO 操作PTO /PWM 控制寄存器PTO/PWM 控制字节脉冲输出指令(PLS)PTO 初始化- 单段操作步进电机的控制堆垛机三维位置定位立体仓库程序流程图及程序编写 建立组态王新工程 创建组态画面 定义 I/O 设备 构造数据库 建立动画连接运行和调试1 绪论国内外发展概况国内外发展概况自动化立体仓库是以高层立体货架为主体，以成套搬运设备为基础，以计算机控制技术为主要手段组成的高效率物流，大容量贮藏系统。随着经济的高速发展，我国有关行业开始重视自动化立体仓库的

3、研究，并亦有一些自动化立体仓库建成投入使用。现就自动化立体仓库的历史沿革，技术特点及发展方向作简要介绍。1.历史沿革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

4、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。2.技术特点现代化的自动化立体仓库集起重运输机械、自动控制、计算机管理及遥感技术于一体，整个系统实行计算机分级管理，通常由管理级，监控级和操作级组成，各个部分的基本组成。3.发展方向自动化立体仓库仓库技

5、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。北京斯达特机电科技发展有限公司生产的SH-2H057本系统设计的主要思路是：通过分析I/O地址的分配和利用PLC进行较复杂的位置控制及时序逻辑控制的要求，再根据实际应用的情形进行PLC程序的编制与调试，以达到对自动化立体仓库所要求实现的功能。3)通过组态王软件实现对仓库信息的实时监控。 RUN状态 STOP状态按键号功能选择定义1自动选择

6、1号仓位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3自动选择3号仓位手动机构水平向右移动4自动选择4号仓位手动机构水平向后移动5自动选择5号仓位手动机构垂直向上移动6自动选择6号仓位手动机构水平向前移动7自动选择7号仓位手动无意义8自动选择8号仓位手动无意义9自动选择9号仓位手动无意义10自动选择10号仓位手动无意义11自动选择11号仓位手动无意义12自动选择12号仓位手动无意义表3.1 控制面板上的按钮功能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

7、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，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。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、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。设计中利用提供的北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型步进电机，其电气技术数据为:0.901.80表3.2 4 2BYG250C型步进电机电气技术数据步进电机驱动系统的基本组成和工作原理及应用为了驱动步进电动机

8、，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。型步进电机驱动器电气技术数据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。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

9、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3.4所示。工作原理：图3.6 并联型开关稳压电源的原理模框图并联型开关稳压电源输出电路的电压电流波形其工作原理如下：当开关晶体管V处于导通期间，输入电压U加到储能电感两端（这里我们忽略了V的饱和压降），二极管的因被反向偏置而截止。MW S-50-24S-50 型 号 S-50-24输入电压 输入频率 4763Hz输出电压 24V输出电流 2.1A输出功率 50.4W输出可调范围约±10过压保护 工作环境温度/湿度-1060/2090储存温度/湿度-2085/10

10、95尺寸重量 () 颜色银色表3.4 S-50系列开关电源的性能指标S7-200使程序便于设计和理解。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。4.2 S7-200的通信 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

11、协议，带有起始位、8位数据、偶校验和1个停止位。协议支持一个网络中的个地址，最多个主站，网络中各设备的地址不能重叠，运行的计算机默认地址是0，PLC默认地址是2。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。 在编程软件中设置通信接口的参数 在中选择菜单命令“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图4.1。图4.1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

12、S7-200设置波特率和站地址，在中选择菜单命令“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其作用。图4.2在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4.3双击图4.3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

13、特率的搜索。图4.4显示计算机连接到S7-200。图4.4I0.0X轴左限位I2.5检验10号仓库I0.1X轴右限位I2.6检验11号仓库I0.2Y轴上限位I2.7检验12号仓库I0.3Y轴下限位Q0.0X轴脉冲I0.4键盘值输入一位Q0.1Y轴脉冲I0.5键盘值输入二位Q0.2X轴方向I0.6键盘值输入三位Q0.3Y轴方向I0.7键盘值输入四位Q0.4货台前身I1.0货台到位限位Q0.5货台后退I1.1货台回位限位Q0.6就绪I1.2货台是否有物Q0.7取出I2.7检验0号仓库Q1.0放置I1.4检验1号仓库Q1.1十位显示I1.5检验2号仓库Q1.2BCD输出一位显示I1.6检验3号仓库Q

14、1.3BCD输出二位显示I1.7检验4号仓库Q1.4BCD输出三位显示I2.0检验5号仓库Q1.5BCD输出四位显示I2.1检验6号仓库I2.2检验7号仓库I2.3检验8号仓库I2.4检验9号仓库表4.1高速脉冲的产生和输出S7-200S7-200 高速输出指令每个 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

15、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。每个生成器有一个为的控制字节，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。PTO 操作PTO 提供指定脉冲个数的方波 (50% 占空比) 脉冲串

16、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。这保证了顺序输出脉冲

17、串的连续性。PTO /PWM 控制寄存器Q0.0Q0.1状态字节SM66.4SM76.4PTO 包络由于增量计算错误而终止0 = 无错误 1 = 终止SM66.5SM76.5PTO 包络由于用户命令而终止0 = 无错误1 = 终止SM66.6SM76.6PTO 管线上溢/下溢0 = 无上溢 1 = 上溢/下溢SM66.7SM76.7PTO 空闲 0 = 执行中1 = PTO 空闲Q0.0Q0.1控制字节SM67.0SM77.0PTO/PWM 更新周期值 0 = 不更新 1 = 更新周期值SM67.1SM77.1PWM 更新脉冲宽度值 0 = 不更新 1 = 脉冲宽度值SM67.2SM77.2P

18、TO 更新脉冲数 0 = 不更新 1 = 更新脉冲数SM67.3SM77.3PTO/PWM 时间基准选择 0 = 1 祍/时基;1 = 1ms/时基SM67.4SM77.4PWM 更新方法 0 = 异步更新 1 = 同步更新SM67.5SM77.5PTO 操作 0 = 单段操作 1 = 多段操作SM67.6SM77.6PTO/PWM 模式选择 0 = 选择 PTO 1 = 选择 PWMSM67.7SM77.7PTO/PWM 允许 0 = 禁止 PTO/PWM;1 = 允许 PTO/PWMQ0.0Q0.1其它 PTO/PWM 寄存器SMW68SMW78PTO/PWM 周期值 (范围2 到 655

19、35)SMW70SMW80PWM 脉冲宽度值 (范围0 到 65535)SMD72SMD82PTO 脉冲计数值 (范围1 到 4294967295)SMB166SMB176进行中的段数 (仅用在多段 PTO 操作中)SMW168SMW178包络表的起始位置用从 V0 开始的字节偏移表示 (仅用在多段PTO 操作中)PTO/PWM 控制字节控制寄存器(16进制)执行 PLS 指令的结果允许 模式 选择PTO段操作PWM更新方法时基脉冲数脉冲宽度周期16#81 16#84Yes PTOYes PTO单段单段1us/周期1us/周期装入装入16#85Yes PTO单段1us/周期装入装入16#89Y

20、es PTO单段1ms/周期装入16#8CYes PTO单段1ms/周期装入16#8DYes PTO单段1ms/周期装入装入16#A0Yes PTO多段1us/周期16#A8Yes PTO多段1ms/周期16#D1Yes PWM同步1us/周期装入16#D2Yes PWM同步1us/周期装入16#D3Yes PWM同步1us/周期装入装入16#D9Yes PWM同步1ms/周期装入16#D9Yes PWM同步1ms/周期装入16#D9Yes PWM同步1ms/周期装入装入脉冲输出指令(PLS)图4.3脉冲输出指令梯形图脉冲输出指令 (PLS) 检测为脉冲输出 (Q0.0 或Q0.1) 设置的特

21、殊存储器位，然后激活由特殊存储器位定义的脉冲操作。操作数：Q 常数 (0 或 1)数据类型：字脉冲输出范围：Q0.0 到 Q0.1。PTO 初始化- 单段操作初始化 PTO步骤：1. 用初次扫描存储器位(SM0.1)复位输出为0，并调用执行初始化操作的子程序。由于采用了这样的子程序调用，后续扫描不会再调用这个子程序从而减少了扫描时间也提供了一个结构优化的程序。2. 初始化子程序中，把16#85送入SMB67，使PTO以微秒为增量单位(或16#8D 使 PTO以毫秒为增量单位)。用这些值设置控制字节的目的是：允许PTO/PWM 功能，选择 PTO 操作，选择以微秒或毫秒为增量单位，设置更新脉冲计

22、数和周期值。3. 向 SMW68 (字)写入所希望的周期值。4. 向 SMD72 (双字)写入所希望的脉冲计数。5. 执行 PLS 指令使 S7-200 对 PTO/PWM 发生器编程6. 退出子程序。通过上面的设置并进行梯形图的编写就可以在单段操作脉冲串实例图4.4 Q0.0脉冲输出梯形图步进电机的控制图4.5步进电机驱动系统的组成4.6 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。为保证堆垛机取货、存货准确安全，对

23、堆垛机位置控制的可靠性有很高的要求，主要包括：1)定位精度 在使堆垛机能准确寻找目标仓位进行存取操作，并在避免各种碰撞的基础上，各机构应保证较高的定位精度。2)速度特性 为提高作业效率，必须提高各机构的运行速度，加快起、制动过程。3)位置、速度控制与方向判断 位置控制能使堆垛机在接近指定位置减速，到达指定位置准确停车。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。我们先用两路脉冲控制X轴、Y轴步进电动机，完成堆垛机的二维定位任务。然后，再采用分时切换的方法，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

24、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，对立体仓库的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差值来控制电动机的位移。因此，在初始化程序中要预先写入步进电动机起动、制动、正常运行的期望时间、脉冲数以及每货格的相应脉冲数，然后利用了S7-200的高速脉冲指令PLS来触发电动机运行。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。图4.6和图4.7是两路脉冲控制X轴和Y轴的梯形图。图4.6 X方向准确运动梯形图图4.7 Y方向准确运动梯形图立体仓库程序流程图及

25、程序编写立体仓库运行的技术要求如下：1)在输入仓位号后，系统自行判定所选仓位的库存情况，并通过数码管的稳定显示与闪烁显示来表示仓位无货和有货的信息。2)选择要执行的动作类型(送或取)并判断此命令的合法性，即对有货的仓位，“取”指令有效；对无货的仓位，“送”指令有效。对于合法的命令，堆垛机将自动运行到指定仓位，执行操作，并且相应的状态显示灯亮；而对不合法的指令，系统不予响应。3)指令完成后，机械自动返回到入口位，各元件复位。图4.8为程序设计流程图，由控制流程图可看出，整个软件设计包括两个子程序模块：数码管显示模块和堆垛机三维位置定位模块。图4.8 程序流程图建立新组态王工程的一般过程是1.设计

26、图形界面（定义画面）2.定义设备3.构造数据库（定义变量）4.建立动画连接5.运行和调试 建立组态王新工程要建立新的组态王工程，请首先为工程指定工作目录（或称“工程路径”）。“组态王”用工作目录标识工程，不同的工程应置于不同的目录。工作目录下的文件由“组态王”自动管理。 创建组态画面进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富的图形对象组成的。系统为用户提供了矩形（圆角矩形）、直线、椭圆（圆）、扇形（圆弧）、点位图、多边形（多边线）、文本等基本图形对象，及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的

27、图形对象。提供了对图形对象在窗口内任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作，全面支持键盘、鼠标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工具。“组态王”采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时支持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发结果。创建简单的图形画面继续上节的工程。第一步：定义新画面进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出对话框如图5.5 所示。 图5.5 新建画面在“画面名称”处输入新的画面名称

28、:立体车库，其它属性目前不用更改。点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统。如图5.6 所示。图5.6 组态王开发系统第二步：在组态王开发系统中通过 “工具箱”和“图库”，绘制立体车库组态画面，如图5.7 所示。图5.7 创建图形画面设计好组态画面之后选择“文件全部存”命令保存现有画面。 定义 I/O 设备组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备包括：下位机（PLC、仪表、模块、板卡、变频器等），它们一般通过串行口和上位机交换数据；其他Windows 应用程序，它们之间一般通过DDE 交换数据；外部设备还包括网络上的其他计算机。只有在定义了外部设备之后，组态王才能通

29、过I/O 变量和它们交换数据。为方便定义外部设备，组态王设计了“设备配置向导”引导用户一步步完成设备的连接。本设计中使用S7-200 PLC和组态王进行通信。PLC为组态王提供数据。其中PLC 连接在计算机的COM2 口。继续上面的工程。选择工程浏览器左侧大纲项“设备COM2”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”。选择“西门子-S7-200系列PPI”项，单击“下一步”。为外部设备取一个名称，输入“西门子PLC”，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”。为设备选择连接串口，假设为COM2，单击“下一步”。填写设备地址，为2，单击“下一步”。设置通信故障恢复参数(一般

30、情况下使用系统默认设置即可)，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”。检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“西门子PLC”。在定义数据库变量时，只要把IO变量连结到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。 构造数据库数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在TouchVew 运行时，它含有全部数据变量的当前值。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义，定义时要指定

31、变量名和变量类型，某些类型的变量还需要一些附加信息。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。构造数据库继续上面节的工程。选择工程浏览器左侧大纲项“数据库数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框如图5.14所示。图5.14 创建IO变量此对话框可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作。在“变量名”处输入变量名：a1；在“变量类型”处选择变量类型：IO离散，在“连接设备”中选择先前定义好的IO 设备：西门子PLC；在“寄存器”中定义为：I0.0；在“数据类型”中定义为：Bit类型。其它属性目前

32、不用更改，单击“确定”即可。 建立动画连接定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表示出来；或者由软件使用者通过图形对象改变数据变量的值。“组态王”提供了21 种动画连接方式：属性变化 线属性变化、填充属性变化、文本色变化位置与大小变化 填充、缩放、旋转、水平移动、垂直移动值输出 模拟值输出、离散值输出、字符串输出值输入 模拟值输入、离散值输入、字符串输入特殊 闪烁、隐含滑动杆输入 水平、垂直命令语言 按下时、弹起时、按住时一个图形对象可以同时定义多个连接，组合成复杂的效果，以便满足实际中任意的动画显示需要。创建动画连接继续上节的工程。双击图形对象即“就绪”灯，可弹出“动画连接”对话框，如图5.15所示。图5.15动画连接用鼠标单