可编程序控制系统的设计应用毕业设计.docx

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可编程序控制系统的设计应用毕业设计

201#届毕业生论文说明书

可编程控制系统的应用

——立体仓库的设计

课题名称：

学生姓名：

学号：

系别：

专业:

指导老师：

摘要

随着现代化生产技术的飞速发展以及社会物质的不断繁荣，平面化仓库对于货物的存放已经远远不能满足当前的需求，因此立体仓库己成为生产和生活中的一个重要的组成部分，对于立体仓库的研究也在不断的深入。

本文主要设计了一个自动化的立体仓库系统，首先对设计方案进行讨论，确定了系统的模块组成、功能以及各模块之间的联系，并对设计中出现的问题进行讨论，提出解决方案。

其次对于立体仓库的控制系统也进行了设计，主要采用可编程控制器件来对其进行控制，通过PLC编程软件对立体仓库的整个运作进行了PLC程序的设计，主要以手动和自动两种不同的方式控制，并对意外情况的发生也作了意外处理程序的设计。

为了更好的验证此立体仓库的设计，根据设计思想制作了一个12仓位的立体仓库模型，该模型系统采用了先进的PLC控制器控制，通过内部PLC程序的设计，能根据控制要求灵活方便地进行系统配置，并能通过步进电机、运动机械装置等组成的自动化控制系统对货物进行准确的送取。

另外，为了监控和管理立体仓库的运行状态，利用组态王软件对于立体仓库的运行情况设计了一个实时监控系统。

该系统能对现场数据进行采集处理，管理人员只要通过运行监控系统就可以实时监控立体仓库的工作状态，保证了正常运作，对出现的问题作出及时的判断和处理。

最后通过该系统的模拟运行，验证了此立体仓库运行平稳，送取货物定位准确，安全可靠。

关键词：

立体化仓库，PLC控制，组态王软件，实时监控。

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmodemproductiontechnology，aswellasthecontinuingsocialandmaterialprosperity，planarwarehouseforthestoragecannotmeetthecurrentdemand，warehousehasbecomeanimportantcomponentfornormalsociallifeandmanufacturing．Thetridimensionalwarehousekeepsitsconstantlyin-depthstudy．Firstlyitfocusesondesignofsystemmodules，functions，andthelinkagesbetweenthevariousmodulesandthenmakessomeproposedsolutionsforexpectedproblems．

Secondly，thetridimensionalwarehousecontrolsystemshasbeendesignedprimarilytouseprogrammablecontroldevicetocontrol，throughthePLCprogrammingsoftwarefortheentiretridimensionalwarehouseoperationofthePLCprogramdesign,developedmanualandautomatictwowaycontrol，andthedesignofunexpectedaccidentstreatmentprogramisalsoconducted．

Inordertoverifythedesignoftridimensionalwarehousebetter，accordingtodesigninnovations，Ibuilta12storageroomstridimensionalwarehousemodel，themodelsystemadoptsadvancedPLCcontroller，theinternalPLCprogrammedsigncontrolrequirementsforaflexibleandconvenientwayofsystemconfiguration，theautomaticcontrolsystemsmadeupwithsteppermotorsandothermechanicaldevicesensuresallaccuratedeliveryofgoods．

Inaddition，inordertomonitorandmanagetheoperationoftridimensionalwarehousestatus，withtheinputofconfigurationsoftwarefortheoperationoftridimensionalwarehousehasareal．Timemonitoringsystem．Thesystemiscapableofonsitedatacollectionandprocessing，theoperatorcouldlaunchthemonitoringsystemtogetareal-timeupdatesoftheworkingstatusofthewarehouse，toensureasafeoperationandimmediateerrorshootingandcorrectiontreatment．

Finally，thewholesystemhasbeenverifiedasasafe，reliable，accurate，andstableoperationaltridimensionalwarehousethroughvirtualtest．Keywords：

TridimensionalWarehouse，PLCcontrol，Kingviewsoftware，Real-timeMonitoringSystem.

Keywords:

stereoscopicwarehouse,PLCcontrol,configurationsoftware,real-timemonitoring.

第1章绪论

1.1本课题的目的及意义

随着仓储水平的提高，自动化立体仓库在仓储业中应用越来越广泛。

随着自动化立体仓库的出现，人们对仓储空间的利用率逐渐提高，改变了传统的仓储模式。

本次设计是用组态软件来模拟一个小型自动化立体仓库，来体现自动化立体仓库的便捷性、控制性。

1.2自动化立体仓库的历史及国内外现状

立体仓库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。

2007年，我国自动化立体仓库建设总量与2006年基本持平。

据不完全统计，全国共建成自动化立体仓库50余座，总产值在7亿人民币左右。

用户主要集中在医药生产、医药配送、食品、烟草生产及烟草配送、制造业、服装加工等行业领域。

我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距.由于自动化立体仓库在当今物流和制造业中的广泛应用、计算机技术和网络技术的推波助澜，使得立体仓库的发展十分迅速，其发展趋势主要有：

1仓储作业管理自动化水平逐步提高。

随着生产的进一步发展，对物流的

要求将更加严格。

具体来说，就是在要求的时间内、在准确的地点、按准确的顺序与方法、提供准确的品种和数量的货物。

2.智能技术将会获得应用。

人工智能技术的发展，推动了自动化技术向其

高级阶段一智能化方向发展，已经在仓库的设计、搬运系统的控制和储运设备的选用等方面应用了专家系统。

3.仓库作业向柔性化发展。

随着柔性化的普及，自动化仓库的储运作业也

将向柔性化发展。

国外已经开始出现一批可拆卸的或移动式的仓库结构。

1.3自动化立体仓库的优越性

随着生活水平的提高，生产力的提高，现代物流业逐渐显现出快速增长的趋势，传统的仓储模式已经不能满足巨大的货存，所以立体仓库就显示出它的功效。

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。

归纳于：

1）提高空间利用率

2）便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平

3）减少商品的破损率

4）提高仓储作业效率

第2章自动化立体仓库系统概述

2.1本课题设计的内容

本文研究的主要内容包括三个部分：

基于电子标签技术的仓储物流管理系统：

基于西门子S7一200PLC的下位执行机构自动控制系统的实现以及PLC程序的编制：

管理层、监控层、控制层三层之间的通信实现。

在管理系统中，研究内容涉及到：

自动化立体仓库的出入库方式、存储策略及货位分配原则：

根据自动化立体仓库中存放货品的特点，提出了采用分类随机存储和定位存储相结合的货品存储策略。

结合电子标签技术，根据货品出入库频度划分货品的大致存储区域：

在此基础上，使用货位自动均匀分配算法实现货位的均匀分配与货品的就近出入库;最后根据此算法实现了批量出入库作业和单件出入库作业。

在执行系统中，研究内容涉及到：

构建一个实验室规模的自动化立体仓库系统;分析整个控制系统的构成以及电气控制原理，进而对下位执行系统进行总体功能设计，并对各单元PLC的控制功能模块进行了分析;最后迸行PLC程序的编写，局部调通之后再将三个部分整合在一起进行调试，实现三个单元的顺序控制。

在管理层、监控层、控制层的网络结构与通信实现中主要研究OPC通讯实现过程中，组态软件MCGS设置：

监控层与控制层的基于现场总线PROFIBUS的具体组网通讯实现以及MCGS本的编写，最终实现管控一体化。

2.2自动化立体仓库的模块设计

在立体仓库的模块中，根据各模块的功能，排列了各个部件之间的位置，设计的一个整体图：

图2-1功能模块图

第3章立体仓库的硬件设计

3.1系统结构

本设计的控制对象可分为三个控制区域，即传送带、机械手及立体仓库。

1.传送带输送机控制

本系统中共有二台辊道输送带，其传动采用交流变频调速系统控制，可进行速度调节设定及正、反转控制。

每台输送机可由安装在其上面的光电开关根据程序设计自动控制启/停及正/反转，完成货物送入、取出动作。

在实验台的按钮板上有一些转换开关和按钮，用于手动控制操作。

2.机械手的控制

机械手的动作由气缸驱动，而气缸由对应的电磁阀控制，当下降电磁阀通电时，机械手下降，当下降电磁阀断电时机械手停止，只有当上升电磁通电时，机械手才上升，断电时才停止。

机械手的放松和夹紧由一个线圈两位置电磁阀控制。

3.立体仓库及自动堆垛机控制

在立体货库中配有一台全自动堆垛机，由二台步进电机和一台直流电机控制，可进行行走、升降及叉货控制。

主要根据设计程序，进行立体仓库进货的自动存储及出货的自动提取。

堆垛机在行走方向共有三个限位开关：

左/右极限限位开关和行走认址限位开关，行走的位置靠碰到限位开关计数来完成。

堆垛机在升降方向共有四个限位开关：

上/下极限限位开关、一个入库认址限位开关和一个出库认址限位开关，升降的位置靠碰到限位开关计数来完成。

在实验台的按钮板上有一些转换开关和按钮，用于手动控制操作。

在发生紧急情况时，可按下紧停按钮，用以切断步进电机控制模块的电源。

图3-1储存单元图

3.2传感与检测系统设计

传感器（英文名称：

transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节

1）光电传感器又分为PNP集电极开路输出和NPN集电极开路输出，传感器本系统只使用了NPN集电极开路输出。

下图是光电传感器的原理图：

图3-2光电传感器原理图

2）漫反射式传感器的工作原理:

在立体仓库中采用EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式传感器作货物检测。

采用能抗周围外来刚干扰的变调光式；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。

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主流信号输出电平。

图3-3漫射型光电传感器接线图

漫反射型光电传感器是在探测物体挡在传感器正面使传感器接收到足够的光线时输出信号。

可以通过调节灵敏度调节VR调节检测的距离。

其对不同颜色的检测距离不相同，反射性能越好检测的距离越远。

3）电容传感器：

图3-4电容传感器基本原理图及接线图

电容传感器也分为NPN集电极开路输出和PNP集电极开路输出两种形式，在本系统只使用了PNP集电极开路输出型。

当被测物接近传感器时输出信号，PNP型在没有检测到物体输出为悬空状态，检测到物体输出为高电平状态。

在本单元所使用的传感器的位置及型号如下表所示：

表3-1传感器的位置及型号

3.3S7—200系列PLC与通信系统的连接

本自动化立体仓库模型整个整个下位控制系统三大组成部分：

传送带、机械手、堆垛机的自动控制实现用到的可编程控制器均是S7－200系列PLC。

同其它的PLC一样基本组成也是由单元加编程器，在需要进行系统扩展时，系统组成中还包括：

数字扩展单元模块、模拟量扩展单元模块、通信模块、网络、人机界面HMI等。

采用PC/PPT电缆建立个人计算机与S7－200CPU的连接。

具体实现过程如下：

设置PC/PPI电缆开关（下＝0，上＝1）；

在DIP开关上：

选择计算机所支持的波特率：

9600（123设置为010）

选择11位（4设置为0）

选择DCE（5设置为0）

PC/PPI电缆的RS－232端（标有PC）连接到PC的通信口：

COM１或COM2。

PC/PPI电缆的RS－485端（标有PPI）连接到CPU的通信口。

图3-5PU的通信口的连接图

图3-6C24V输入/输出点的基本原理图（源型接法）

3.4PLC模块的选择

本设计选用的可编程控制器是西门子公司的S7-200系列小型PLC-CPU226。

本机集成24输入/16输出共40个数字量I/0点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/0点或35路模拟量I/0点。

13K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、和自由方式通讯能力，还有体积小、功能强、性价比高等优点，而且具有高速脉冲输出（PTO）功能，可以驱动步进电机运动。

步进驱动模块步进驱动模块由步进电机和步进驱动器组成。

下图是CPU226外围典型接线图

图3-7CPU226外围典型接线图

3.5立体仓库驱动设计

1步进电机

步进电动机不是直接通过PLC驱动，而是用专门的步进驱动器驱动，经步进电机和步进驱动器要连接好，PLC只要给步进驱动器提供脉冲信号和方向信号就可以了。

将步进驱动器“脉冲信号+”接到PLC的输出Q0.1点，PLC输出的高速脉冲信号通过Q0.0发出驱动步进电动机；“方向控制信号+”接到Q0.1，通过Q0.1的置“1”和置“0”的状态来控制步进电动机的方向；而“脉冲信号—”和“方向控制信号—”直接接到了PLC开关电源的负极1M上。

程序分为主程序、子程序和中断程序3部分。

主程序完成子程序调用和确定步进电动机方向。

子程序完成高速脉冲指令PLC的控制字节设定，脉冲周期的设定以及输出的脉冲个数，接着连接和开放中断，最后Q0.0输出高速脉冲，驱动步进电动机运行。

Q0.0输出脉冲完成执行中断：

当步进电动机没有运行到原点时，机械手后限位10.4不动作，继续调用子程序，Q0.0继续发脉冲，步进电动机继续运行；当运行到原点时，机械手后限位10.4动作，执行中断返回指令RET1，同时复位指示灯Q1.7亮，步进电动机完成复位。

步进电动机的定位程序。

步进电动机的定位控制是指高速脉冲输出一定数量的脉冲就带动机械运行一定的距离，进行机械设备的定位控制。

定位程序的电动机驱动器、驱动器和PLC接线及PLC编号与复位程序相同。

所以步进电动机不是直接通过PLC驱动，而是用专业的步进驱动器驱动，用PLC只要给步进驱动器提供脉冲信号和方向就可以了，下面是驱动器与PLC的接线示意图：

图3-8PLC与步进驱动器的连接

2I/O分配表

表3-2I/O分配表

3步进驱动器图及它的功能的介绍

本设计中步进电机驱动器主要包括环形放大器和功率放大器两部分。

其中环形分配器是根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到加到步进电机的各个绕组，是步进电机按一定的方式运行，并实现正反转控制与定位控制，由于输出功率极小，所以脉冲分配器不能直接驱动步进电机工作，必须通过功率放大器进行放大，才能给步进电机各项绕组提供足够的电流。

图3-9驱动器接线示意图

4变频器

通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。

该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。

然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。

变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的n0，使电机运行曲线平行下移。

因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。

变频器与PLC连接的方式:

变频器的输入信号包括:

运行、停止、正转、反转等数字量输出信号变频器利用继电器接点形成与上机位连接，通过脉冲序列作为频率指令。

并得到这些运行信号。

图3-10变频器与PLC的连接

3.6立体仓库PLC控制系统的设计

1．I/O符号分配表：

控制元件

编程地址

编码器a

I0.0

编码器b

I0.1

堆垛机前后参考点

I0.2

升降参考点

I0.3

升降上到位

I0.4

转移汽缸右到位

I0.5

小车检测传感器

I0.6

列一参考点

I0.7

列二参考点

I1.0

列三参考点

I1.1

列四参考点

I1.2

启动

I1.3

停止

I1.4

复位

I1.5

运行标志

M0.0

上机位启动

M0.1

上机位复位

M0.2

上机位停止

M0.3

步进脉冲

Q0.0

步进电动机的方向

Q0.1

变频器的启停

Q0.2

变频器的方向

Q0.3

转移皮带线启停

Q0.4

堆垛机皮带线启停

Q0.5

升降气缸

Q0.6

转移气缸

Q0.7

机械手

Q1.0

小车定位气缸

Q1.1

报警灯（绿）

Q1.2

报警灯（黄）

Q1.3.

报警灯（红）

Q1.4

循环开始

V1.2

停止标志

V1.3

启动标志4

V1.4

步进复位标志

V1.5

标志启动1

V0.0

地轨复位标志

V0.1

表3-2I/O符号分配表

2.传感器与个执行元件的连接图：

图3-15传感器与个执行元件的连接图

第4章PLC的软件设计

S7-200CPU的控制程序有主程序,堆垛机向上运行和堆垛机向上运行的子程序和中断程序。

程序运行过程：

首先按下复位按钮，堆垛机复位，小车定位机械手下降抓取货物，然后上升，上升到位后右移，气缸右移到位后机械手下降，下降到位后放下货物，同时转移皮带线启动将货物送至堆垛机皮带线上再由堆垛机将货物送至仓库。

堆垛机的上下运行有变频器控制，左右运行由步进电机控制。

当堆垛机向上或向下运行时会调用向上或向下运行子程序，以设定脉冲数的不同会达到相应的高度，是货物能准确无误的到仓库地点。

当堆垛机向左或向右运行时是由高速脉冲数决定的，高速脉冲数的多少决定了左右运行的距离。

如果期间发生错误动作则能直接按下急停按钮将动作停止。

此过程可以依次循环直到任务完成。

注意：

子程序只需要写一次，其他程序在需要的时候就调用，但子程序的调用是有条件的，未调用时不会执行子程序中的指令，因此使用子程序可以减少扫描时间。

中断程序不由程序调用，而是在中断事件发生时有操作系统调用，在中断程序中可以调用一级子程序

指令的说明：

图4-1指令图

将16#85传送至控制字节SMB67中，将16进制换成2进制，即85→10000101。

图4-2指令图

将输入信号传送到控制字中的SMW68中，用它来指示周期为30ms。

图4-3指令图

调用堆垛机向下运行的子程序。

主程序：

1.将步进电动机，步进电动机驱动器，PLC及输入输出器件按要求连接好，将设计好的梯形图下载到PLC,PLC开始运行，SM0.1导通一个扫描周期，将16#85送到SMB67,30送到SMW68设置高速脉冲输出控制字节，PTO高速脉冲输出周期为30ms。

2.复位按钮，进行复位。

3.步进开始复位，进行步进方向，调用堆垛机向下运行子程序。

4.地轨复位标志，地轨到达参考点，复位完成。

5.运行标志。

6停止。

7.运行指示，运行状态下，小车运送工件到达，小车定位气缸。

8.小车定位气缸，库位满，清零。

9循环开始。

10.小车到位后延时。

11.延时到，置标志位。

12.升降气缸，抓小车工件。

13.工件已到转移皮带上。

14.工件已到堆垛机皮带线上。

15.启动变频器向库位方向运行。

16.变频器启停.方向，步进开始复位。

17.堆垛机向下运行的程序：

注释：

堆垛机向下运行由Q0.1发送脉冲，采用SMD72作为高速脉冲输出的控制字节，当堆垛机到达某个升降参考点时即发送脉冲数为200个向下运行的脉冲，当19号事件发生时则调用步进中断程序

18.堆垛机向上运行：

注释：

堆垛机向上运行由Q0.0发送脉冲，采用SMD72作为高速脉冲输出的控制字节，在计数器是4时发送向上的脉冲70000个，当计时器是五5、8时发送向上的脉冲420000个，当计数器是9、12时发送770000个脉冲，当19号事件发生时，调用步进中断程序。

运行到第二，三层库存位。

19.中断程序：

当步进复为标志复位，到达堆垛机升降参考点时调用向下运行的子程序

第5章基于组态软件仓储监控管理系统的设计

5.1工程组态软件MGCS的应用

随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。

在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源