《基于PLC的仓库系统设计与仿真探究》7600字【论文】

基于PLC的仓库系统设计与仿真研究摘要 1前言 11自动化仓库系统的发展现状 22自动化仓库的系统设计 32.1设计目标 32.2自动化仓库的结构及工作流程 83硬件系统设计 73.1PLC选型 73.2I/O口地址分配 94基于PLC的自动化仓库系统软件设计 94.1主程序设计 134.2自动化仓库系统子程序设计 155基于MCGS组态软件的仿真验证 205.1MCGS与自动化仓库系统的连接 225.2实时数据库创建 235.3系统画面设计与动画连接 245.4运行策略设计 255.5设备窗口组态 255.6系统运行 26总结 27参考文献 28[摘要]论文旨在设计实现一种基于PLC的仓库系统设计，电气控制系统以西门子S7-200CPU226型号可编程控制器（PLC）、步进电机、伺服电机和传感器等组成。本文研究自动化仓库系统的工作原理并分析了西门子S7-200可编程控制器、步进电机、伺服电机和组态软件MCGS的特点。最后，以STEP7-MicroWin编程软件为基础，介绍了S7-200、I/O地址分配的通讯设置并编写一个PLC控制梯形图，依据自动化仓库系统的工作流程设计一个组态监控仿真界面。[关键词]立体仓库；PLC；组态软件MCGS前言随着企业的持续稳定发展，经济全球化的步伐也迅速加快，我国的工业也出现了翻天覆地的变化，一方面高科技的加工工艺越来越得到推广，加工效率也得到了大大的提升。在此背景下，传统的仓库系统已经不能满足新形势的要求，所以实现从传统仓库到自动化仓库系统的转变，提高企业综合效益便成为目前亟待解决的问题。自动化仓库是指在不直接进行人工处理的情况下，自动地完成物品仓储和取出的系统，是以成套搬运设备为基础，集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率、大容量存储机构，具有减轻劳动强度，消除差错，提高仓储自动化水平以及管理水平和降低储运损耗等优点。而PLC作为一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力以及多种控制功能等优点，是目前广泛应用的控制装置之一。所以利用PLC可以完全满足自动化仓库系统研究及设计的需求。1自动化仓库系统的发展现状近些年随着企业的持续不断稳定的发展，全球经济飞速发展，我国的工业进步巨大，一方面，不断进步的高科技的加工工艺，另一方面是大大的提升的加工效率。在这样的背景下，普通的仓库系统已经不能够满足不断发展工业生产的要求，所以自动化仓库系统取代传统仓库，并且提高企业综合效益就成为目前急需要解决的问题。为了解决这个问题，自动化立体仓库系统就应运而生。自动化立体仓库，也叫自动存取仓库是指在不直接进行人工处理的情况下能自动存储和取出物料的系统系统，广泛应用于各个行业。自动化立体仓库以它是以多层货架构成，通常是将物料存放在标准的料箱或托盘内，然后由巷道式堆垛起重机对任意货位实现物料的存取操作，并利用计算机实现对物料的自动存取控制和管理。最早是在1963年，美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了全球的第一座以计算机控制的立体仓库。自那以后，在美国和欧洲，自动化立体仓库得到迅速发展，并且逐步形成了专门的学科。在60年代的中期，日本国开始兴建立体仓库，而且发展速度迅速，成为了那时全球拥有自动化立体仓库最多的几个国家之一。而我国对自动化立体仓库的研制也不算太晚，1973年我国开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。1980年，由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成的我国第一座自动化立体仓库在北京汽车制造厂投产。现在，自动化立体仓库具有广阔的应用前景。自动化立体仓库能够发展成为了一个庞大的产业是因为自身显著的优势。自动化立体仓库的主要优点为：（1）极大的提高了工作效率（2）降低了货物储存的损耗率（3）极大节省了人力资源（4）十分充分利用仓库的垂直补分空间（5）强力出库入库能力但是由于立体仓库系统的前期部分投入相对比较大，并且需要专业人才从事维护和调试，所以综合成本就成为限制自动化立体仓库发展的主要因素，因此，重中之重就是如何降低立体仓库的综合成本。本次设计就是利用PLC功能强大和可靠性高、抗干扰能力强，易于实现机电一体化等一系列的优点来针对那些中小型企业而设计的以PLC作为核心控制元件的中小型立体仓库。来满足立体仓库系统的控制要求和工作环境。2自动化仓库的系统设计论文以设计实现一个自动化立体仓库为目标，本节将阐述自动化立体仓库的设计目标、组成结构及工作流程。2.1设计目标立体仓库工艺流程与控制要求：（1）系统初始化状态码料小车处于一层C区（SQ11检测有信号），小车内无货物。（2）运行操作①货物进入仓库之前，先进行称重。（重量由仿真页面自动设置）货物的重量会显示在自动控制界面的当前货物重量中。②码料要求：根据称得的货物重量以及之前的码放情况，系统自动决定将货物码放至仓库的第几层的某一区。已知每个存储位置最多可承受100KG的重量，而货物重量一般在0-100千克之间。在码放货物时，按照A1-A2-A3-B1-B2-B3-C1-C2-C3的规则进行码放。例如：第一个货物重50KG，将其放入A1仓位之后，第二个货物若小于50KG，则还将其放入A1位置，若大于50KG，则放入A2位置，依次类推。③称重过的货物会被放至货物传送带上，则SQ1会被压下，SQ1有信号后，M1电机启动正转，M1的速度根据自动设置的货物重量进行调整，即60KG-100KG的货物，M1电机以低速度运送；20-60KG之间的货物，M1电机以中速度运送；小于20KG的货物，M1电机以高速度运送。直至货物被运送到位，SQ2被压下，M1电机停止。④M1电机启动的同时，M2电机负责带动托盘传送带将托盘运送至SQ4位置：首先SQ3检测到传送带上有托盘，M2电机开始启动，当托盘被运送到位，SQ4被压下，M2电机停止。当货物和托盘都被运送到位之后，等待3s，期间机械手负责将货物抓放至托盘上。⑤货物被抓放至托盘上之后，系统开始正式的入库操作：首先码料小车从C1位置向右行驶2cm，然后等待5s（期间码料小车自动完成取货）；取货完成后，码料小车根据前面的码料要求自动将货物送至相应的仓位。例如码料小车需要将货物运送至B2仓位，则取货完成后，电机M3、M4的动作流程如下：M3向左行驶，直至SQ12处停下；M4正转上升托动码料小车到达B2仓位，等待2s（期间小车上的气缸将货物连同托盘推送至仓位中），此时触摸屏中对应仓位的重量显示发生改变；货物放下后，电机M4反转，码料小车下降至SQ12位置，之后M3向右运行至SQ11，即码料小车回到原点。至此一个完整的码料过程完成，等待下一个货物。⑥当所有仓位都满仓时，系统停止运行，同时报警指示灯HL5常亮。（3）停止操作系统自动运行过程中，按下停止按钮SB2，系统完成当前货物的入库后停止运行。当停止后再次启动运行，系统保持上次运行的纪录。（4）送料过程的动作要求连贯，执行动作要求顺序执行，运行过程不允许出现冲突。（5）非正常情况处理当电机M1开始运行时，若托盘传送带上无托盘（SQ3无信号），则在触摸屏中自动弹出报警画面“托盘用完、请放入托盘”，直至SQ3有信号M2电机启动，报警画面自动消除。2.2自动化仓库的结构及工作流程图1立体仓库系统俯视图图2立体仓库正视图立体仓库系统共由称重区、货物传送带、托盘传送带、机器手装置、码料小车和一个立体仓库组成，系统俯视图如图1所示。系统运行过程如下：货物首先经过称重区称重，然后经过货物传送带将货物运送至SQ2位置，然后由机械手将货物取至SQ4处的托盘上，然后由码料小车将货物连同托盘运送至仓库区，码放至不同的存储位置。其中仓库区的正视图如图2所示。由图2可知，立体仓库共有9个存储位置。已知每个存储位置最多可承受100KG的重量，而货物重量一般在0-100千克之间，经称重模块称重后，将重量信号转换成0-10V电压信号。在码放货物时，按照A1-A2-A3-B1-B2-B3-C1-C2-C3的规则进行码放。自动化仓库系统共有称重区、货物传送带、机械手装置、码料小车和一个立体仓库组成。立体仓库划分为A、B、C三个区域分别对应码料小车水平运行轨道的限位开关SQ3、SQ2、SQ1，根据货物重量将货物运送至仓库各个区域。货物传送带含限位开关SQ4、SQ5,以通过手动调节或根据货物重量切换电机M1低速、中速、高速三种状态。系统初始状态:码料小车处于一层C区（SQ1检测有信号），小车无货物。系统模式可分为调试模式和运行模式：当选用调试模式，触摸屏显示手动调试界面，通过选择调试按钮，分别可对货物传送带、物料小车水平移动电机（伺服电机）、物料小车垂直移动电机（步进电机）进行调试，连续按下按钮SB1可以切换货物传送带的运行速度，当按下停止按钮SB2,系统停止调试，指示灯熄灭。当选用运行模式，触摸屏显示自动运行界面，称重过的货物会被放至货物传送带上，则SQ4被压下，SQ4获得信号后，电机M1正转，M1的速度根据货物重量自动调整，即60kg-100kg的货物，M1以低速速度运行，20kg-60kg的货物M1以中速速度运行，20kg以下的货物M1以高速速度运行，货物运送至SQ5，M1停止，此时机械手启动将货物转移至码料小车中开始入库，码料小车会根据货物重量将货物运送至对应仓库区域，运料结束后返回一层C区。自动运行界面会显示仓库各个区域的重量变化，当仓库已满时，满库显示灯闪烁。当出现码料小车不在一层C区及小车内部含有货物等特殊情况，触摸屏报警显示灯会出现闪烁，系统不能运行。3硬件系统设计本节将针对硬件主控模块PLC的选型和IO口设计进行阐述。3.1PLC选型在PLC系统设计时，确定好控制方案后，需进行PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，结合本系统设计时的情况选择西门子PLC，型号为S7-200CPU226。选择此款PLC主要根据以下几点：第一，具有可靠的性能及抵抗干扰的能力非常强。PLC最最重要的特质是其强大的抗干扰能力让其在各种恶劣的环境都能保持稳定的性能。立体仓库的现场工况可能会比较恶劣，所以，此款PLC完美的适应了工况。第二，程序编写简单。西门子S7-200CPU226PLC编程可以使用梯形图作为编程语言，逻辑结构简单，而且与电气图相似，非常直观。第三，设计简单、维护成本低。PLC能代替传统继电器系统的各种电气接线连接，控制柜简洁明了，节省了的大量的空间。由于PLC结构简单，自检能力强，在PLC的维护方面得天独厚，可以减少后期维修人员的维修难度。第四，在考虑I/O点的余量，结合立体仓库系统的输入输出点位和留下少量余量的原因是为了便于后续添加功能，或者可以通过软件更改某些损坏点以进行紧急修复。根计算加起来为所需点的120%来确定总体的输入输出。在根据机器的输入输出点，计算出存储器的近似容量。其次结合控制需求，立体仓库系统需要控制两组脉冲轴控制。综合以上四点，选择西门子PLC，型号为S7-200CPU226。如图3所示实物图。图3S7-200CPU226实物图3.2I/O口地址分配PLC型号为S7-200CPU226所以输入点数为24点、输出点数为16点。立体仓库IO表输入输出地址注释地址注释I0.0启动按钮SB1Q0.0P0I0.1停止按钮SB2Q0.1D0I0.2调试完进入自动按钮SB3Q0.2P1I0.3货物传送带起始传感器SQ1Q0.3D1I0.4货物传送带到位传感器SQ2Q0.4M1调试指示灯HL1I0.5托盘传送带起始传感器SQ3Q0.5M2调试指示灯HL2I0.6托盘传送带到位传感器SQ4Q0.6M3调试指示灯HL3I0.7左右C仓位到位传感器SQ11Q0.7M4调试指示灯HL4I1.0左右B仓位到位传感器SQ12Q1.0报警指示灯HL5I1.1左右A仓位到位传感器SQ13Q1.1放料气缸动作I1.2Q1.2M1低速正转I1.3Q1.3M1中速正转I1.4Q1.4M1高速正转I1.5Q1.5M2正转I1.6Q1.6I1.7Q1.7I2.0I2.1I2.2I2.3I2.4I2.5I2.6I2.74基于PLC的自动化仓库系统软件设计论文以设计实现一个自动化立体仓库为目标，本节将详细阐述基于PLC的自动化仓库系统软件设计，本设计的梯形图编程是运用西门子公司的STEP7-MicroWin编程软件完成的。国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准(1EC1131-3)，PLC有五种标准编程语言:分别为梯形图语言(LD)、指令表语言(IL)、功能模块语言(FBD)、顺序功能流程图语言(SFC)和结构文化本语言(ST)。根据梯形图编程语言的程序编写简单。西门子S7-200CPU226PLC编程可以使用梯形图作为编程语言，逻辑结构简单，而且与电气图相似，非常直观，故本设计采用的是梯形图语言。下面先简单介绍如何使用STEP7-MicroWin编程软件完成程序编写。（1）双击打开STEP7-MicroWin编程软件，如下图4所示。图4STEP7-MicroWin编程软件（2）新建一个工程，如下图5所示。新建工程新建工程图5新建工程（3）保存为“立体仓库”，如下图6所示。图6保存工程（4）依据立体仓库的I/O表建立一个符号表，如图7所示。点击进入地址必须在英文输入法下输入点击进入地址必须在英文输入法下输入图7符号表（5）编译并调试程序，记得编写完程序一定要编译并保存，如下图8所示。图8编译程序4.1主程序设计主程序主要分为以下几个部分，见图9图9主程序组成主程序为OB1，主要为执行几个子程序的循环，主要的程序架构为主程序OB1下不断循环自动运行子程序、手动调试子程序、报警子程序、步进电机子程序和伺服电机子程序，如下图10、图11所示。图10主程序梯形图图11主程序梯形图4.2自动化仓库系统子程序设计由于立体仓库PLC控制系统的全部程序较为复杂，本节以手动调试子程序、自动调试子程序和报警子程序为例，说明程序的设计思路。其余部分不作一一说明，完整的PLC程序请详见附录。（1）手动调试子程序手动调试程序涉及M1调试，论文以调试M2为例。如下图12所示，通过启动按钮SB1触发M2调试保持状态自锁，停止按钮SB2结束M2调试保持状态自锁状态。通过TON40与TON41组成的交替定时器来不停触发M2正转来打成控制要求。图12M2调试梯形图（2）自动调试子程序由于该部分子程序较为繁多，无法一一表述，特举部分典型案例分析来解释该部分程序的设计思路。首先整个自动程序是整个立体仓库程序的核心，该部分主要采取的逻辑架构为控制步序写法，这样的好处是可以使整个流程的逻辑清晰，不会混乱。如下图13所示，通过判断条件和进入自动按钮SB3使M1.5自动运行中保持自锁，同时触发上升沿信号，使得自动步序寄存器VB23的值为1，自动步序寄存器VB23的值可以清晰的判断当前自动运行状态的执行情况。图13进入自动状态梯形图其次是自动程序的核心部分，该部分程序主要是完成自动运行程序中对放料位置的判断。立体仓库共有9个存储位置。已知每个存储位置最多可承受100KG的重量，而货物重量一般在0-100千克之间，经称重模块称重后，将重量信号转换成0-10V电压信号。在码放货物时，按照A1-A2-A3-B1-B2-B3-C1-C2-C3的规则进行码放。这里将已经放料的货物重量记为累计货物重量VW23，通过对VW23进行DIV指令，将商寄存在VW36中，判断商的值可以知道，此时当前货物应当放在哪个位置。将余数VW34寄存在HMI显示地址VW40中，来展示当前仓位的货物重量。图14放料位置的判断梯形图A3仓自动放料程序按照码料小车从C1位置向右行驶2cm，然后等待5s（期间码料小车自动完成取货）；取货完成后，码料小车需要将货物运送至A3仓位，则取货完成后，电机M3、M4的动作流程如下：M3向左行驶，直至SQ13处停下；M4正转上升托动码料小车到达A3仓位，等待2s（期间小车上的气缸将货物连同托盘推送至仓位中），此时触摸屏中对应仓位的重量显示发生改变；货物放下后，电机M4反转，码料小车下降至SQ13位置，之后M3向右运行至SQ11，即码料小车回到原点。至此一个完整的码料过程完成，等待下一个货物。梯形图如下图15所示这里只是举了A3仓的完整放料流程，其实其他仓位的放料流程和A3仓流程基本一致，唯一变换的就是电机运行位置和放料仓位的变化。比如如果是B2仓，那么码料小车取货完成后，码料小车需要将货物运送至B2仓位，则取货完成后，电机M3、M4的动作流程如下：M3向左行驶，直至SQ12处停下；M4正转上升托动码料小车到达B2仓位，等待2s（期间小车上的气缸将货物连同托盘推送至仓位中），此时触摸屏中对应仓位的重量显示发生改变；货物放下后，电机M4反转，码料小车下降至SQ12位置，之后M3向右运行至SQ11，即码料小车回到原点。图15A3仓放料梯形图（3）报警子程序非正常情况处理当电机M1开始运行时，若托盘传送带上无托盘（SQ3无信号），则在触摸屏中自动弹出报警画面“托盘用完、请放入托盘”，直至SQ3有信号M2电机启动，报警画面自动消除。所以报警子程序分为两步，第一步是报警灯的输出，第二步是HMI上报警弹出界面的显示。其梯形图如下图16所示。图16报警子程序梯形图5基于MCGS组态软件的仿真验证本系统采用MCGSTPC7062Ti型触摸屏，功能如下：TPC7062Ti是一款高性能嵌入式集成触摸屏，采用先进的Cortex-A8CPU作为核心（600MHz），该产品采用7英寸高亮度TFTLCD（分辨率800*480），四线电阻式触摸屏（分辨率4096）*4096），还预装了MCGS嵌入式配置软件，具有强大的图像处理功能和数据处理功能。其装置如下图17所示：图17MCGSTPC7062Ti触摸屏组态软件通常是指一些做数据采集和过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境上面进行开发的，它解决了控制系统通用性问题。本立体仓库系统选用了MCGS嵌入式软件进行仿真，验证其功能的正确性。MCGS嵌入式组态软件通常有强大的界面显示组态功能。其运行于Windows环境下，也可以运用于其实物触摸屏载体，拥有可视化的风格界面、丰富的工具栏和丰富的图形控件和图库，还有其丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使仿真的界面更加生动、直观。MCGS嵌入式组态软件还拥有强大的数据库。可以存储各种类型的数据，比如模拟量、离散量、字符型等等，方便便捷的实现与外部设备的数据交换。本论文将使用MCGS软件实现自动化立体仓库控制系统的仿真，验证其功能的正确性。如下图18所示，先双击打开MCGS嵌入式组态软件图18MCGS嵌入式软件再新建工程文件，保存为“立体仓库”，如下图19所示。新建工程新建工程图19新建工程5.1MCGS与自动化仓库系统的连接点击设备组态，如下图20所示。点击点击图20设备组态右击设弹出设备工具箱，如下图21所示，在左侧设备管理中选择西门子_S7200，也就是立体仓库编程控制的PLC。图21设备组态5.2实时数据库创建MCGS嵌入式组态软件还拥有强大的数据库。可以存储各种类型的数据，比如模拟量、离散量、字符型等等，方便便捷的实现与外部设备的数据交换。如下图22所示，建立立体仓库系统组态时需要用到的数据。批量新建数据新建数据批量新建数据新建数据图22实时数据库创建如下图23