基于PLC和組態(tài)的立體倉庫控制系統(tǒng)設(shè)計

-PAGEIVV摘要【摘要】立體倉庫控制系統(tǒng)主要按照十二個倉庫分別進行存貨和取貨的工藝設(shè)計需求，對系統(tǒng)進行每個倉庫的存貨與取貨設(shè)計，通過調(diào)試和仿真達到設(shè)計工藝的要求，滿足設(shè)計的需求。系統(tǒng)主要通過可編程控制器+觸摸屏控制方式進行設(shè)計，在分析該系統(tǒng)的工藝要求基礎(chǔ)上，提出詳盡的控制策略和總體設(shè)計思路。系統(tǒng)主要由西門子S7-200SMART可編程控制器、限位開關(guān)檢測單元、步進電動機執(zhí)行機構(gòu)等組成，系統(tǒng)分為總體設(shè)計、硬件圖紙設(shè)計、軟件流程及程序設(shè)計以及觸摸屏仿真設(shè)計等。在總體設(shè)計中對系統(tǒng)工藝進行詳細分析，并提出總體設(shè)計的思路；在硬件設(shè)計中重點對PLC及其他接線進行詳細設(shè)計和分析；在軟件設(shè)計中，重點對程序流程進行分析，并完成軟件程序以及觸摸屏組態(tài)設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計通過仿真設(shè)計和調(diào)試，達到了設(shè)計的基本控制要求，該立體倉庫控制系統(tǒng)控制邏輯清晰，功能設(shè)計滿足了工藝的需求.【關(guān)鍵詞】立體倉庫；步進控制；可編程控制器；觸摸屏

Abstract【ABSTRACT】Thethree-dimensionalwarehousecontrolsystemmainlydesignstheinventoryandpick-upofeachwarehouseaccordingtotheprocessdesignrequirementsoftenwarehouses.Throughdebuggingandsimulation,thesystemmeetstherequirementsofdesignprocessandmeetsthedesignrequirements.ThesystemismainlydesignedbyPLC+touchscreencontrolmode.Basedontheanalysisoftheprocessrequirementsofthesystem,detailedcontrolstrategyandoveralldesignideasareproposed.ThesystemismainlycomposedofSiemensS7-200smartPLC,limitswitchdetectionunit,steppingmotoractuator,etc.thesystemisdividedintogeneraldesign,hardwaredrawingdesign,softwareflowandprogramdesign,touchscreensimulationdesign,etc.Intheoveralldesign,thesystemprocessisanalyzedindetail,andtheoveralldesignideaisproposed;inthehardwaredesign,thePLCandotherwiringaremainlydesignedandanalyzedindetail;inthesoftwaredesign,theprogramflowismainlyanalyzed,andthesoftwareprogramandtouchscreenconfigurationdesignarecompleted.Throughsimulationdesignanddebugging,thesystemdesignhasachievedthebasiccontrolrequirementsofthedesign,thecontrollogicisclear,andthefunctionrealizationmeetstheprocessrequirements.【KEYWORDS】stereoscopicwarehouse;stepcontrol;programmablecontroller;touchscreen

目錄TOC\o"1-2"\h\z\t"標題3,3,樣式3,3,畢業(yè)論文標題2,2,畢業(yè)論文標題3,3"170671緒論 1228711.1課題研究的目的及意義 1204561.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2253131.3課題研究的思路 247732立體倉庫系統(tǒng)的總體設(shè)計 490232.1系統(tǒng)的工藝要求 4173892.2系統(tǒng)的控制方案 550883立體倉庫控制的硬件設(shè)計 7209283.1可編程控制器的選型 79983.2步進電機及驅(qū)動器的選型 828973.3光電開關(guān)的選型 9143143.4I/O分配設(shè)計 9215663.5系統(tǒng)的圖紙設(shè)計 1063574立體倉庫控制的軟件設(shè)計 12160094.1系統(tǒng)的流程設(shè)計 12292974.2脈沖功能組態(tài)的設(shè)計 13105884.3程序的設(shè)計 1419594.3.1系統(tǒng)復(fù)位程序 14130154.3.2手動禁止輸出程序 15126734.3.3回位程序 15321314.3.4矩陣編碼程序 17100914.3.5存貨控制程序 1936114.3.6取貨控制程序 19169654.3.7取存取貨完畢控制程序 20278425立體倉庫控制的組態(tài)設(shè)計 22228575.1組態(tài)設(shè)計的工藝分析 22196925.2組態(tài)設(shè)計的過程 2237895.3系統(tǒng)的組態(tài)調(diào)試 27229086總結(jié)與展望 2821609參考文獻 2928391致謝 30-PAGE1-1緒論1.1課題研究的目的及意義立體倉庫在生活中應(yīng)用很普遍，特別是物流行業(yè)和工廠成品倉庫，立體倉庫的主要特點是節(jié)省占用空間，能夠存儲更多物品，倉庫貨架可以按照倉庫的空間進行自行設(shè)計。立體倉庫在以往的控制，主要通過人工管理，人為控制碼垛機進行貨物的存取操作，往往容易出錯，工作效率不高，人工成本較大。本設(shè)計主要針對某立體倉庫進行自動化控制系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)自動存取貨物功能，并且對每個倉庫進行有無貨物顯示，便于管理和統(tǒng)計貨物。對于立體倉庫控制系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)設(shè)計需要進行工藝設(shè)計分析、總體控制思路設(shè)計。并且進行硬件、軟件以及觸摸屏調(diào)試設(shè)計。進入新時代后，人多地少的格局對中國和全世界都是一個巨大的挑戰(zhàn)，而發(fā)展建設(shè)立體倉庫，就能實現(xiàn)對土地資源的縱向利用，從而緩解土地橫向使用造成的浪費。在相同面積的土地上，立體倉庫與傳統(tǒng)倉庫相比，不論是效率還是容量等都有巨大的提升，可以最大化的達到節(jié)約用地，提升效率的目的[1]。立體倉庫的研究與推廣可以在一定程度上解決人與土地日益突出的矛盾，緩解當前的用地不足情況，尤其是對國土面積和可利用面積相對較少的國家而言，立體倉庫的建設(shè)更是上升到國家層面，同時關(guān)乎這個國家的可持續(xù)發(fā)展。通過立體倉庫的普及完善來更好的服務(wù)人類社會發(fā)展。在現(xiàn)代化社會發(fā)展的進程中，往往需要將某些控制對象或管理對象采用電氣自動化控制，用以提高控制精度和工作效率，實現(xiàn)自動化控制的目的。對于控制系統(tǒng)來說，主要通過控制單元實現(xiàn)自動化控制，市場上常用的控制單元包含可編程控制器和單片機。單片機功能很強大，能夠?qū)?yīng)用的控制系統(tǒng)實現(xiàn)各種功能，完成指定的工藝要求[2]。但可編程控制器是為工業(yè)現(xiàn)場專門生產(chǎn)的控制單元，具有很強的抗干擾性能和穩(wěn)定性能，可編程控制器可以按照現(xiàn)場的要求，通過各種擴展模塊的添加實現(xiàn)現(xiàn)場的模擬量控制、通訊、高速計數(shù)等功能。本設(shè)計主要對立體倉庫控制系統(tǒng)進行研究，通過該設(shè)計的學習，對以往學習過的課程進行全面的復(fù)習和深入了解。特別是電氣控制的理論知識和可編程控制器的應(yīng)用知識進行詳細的學習。對市場的應(yīng)用產(chǎn)品和控制單元，以及各種控制樣例進行掌握，有利于以后的社會實踐，提升自己的工作能力。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著社會的快速發(fā)展，物流行業(yè)也迅速發(fā)展起來，特別在碼頭，倉庫存儲成為研究的重要課題，隨著物流行業(yè)的發(fā)展，開始研究立體倉庫，并且隨著立體倉庫的應(yīng)用，碼垛機的使用也越來越廣泛。在上世紀八十年代，通過司機操作巷道式的碼垛機開始出現(xiàn)在立體倉庫的應(yīng)用中，使立體倉庫的應(yīng)用效率和管理得到了提升，所以人們開始進行基于碼垛機使用的立體倉庫研究，隨著計算機的發(fā)展，立體倉庫開始向智能化、自動化方向開始發(fā)展。從此以后，碼垛機成為立體倉庫中必不可少的重要設(shè)備[3]。立體倉庫發(fā)展至今已經(jīng)經(jīng)歷了五代：第一代是操作人員通過電器開關(guān)按鈕控制的機械式立體倉庫系統(tǒng)。第二代是實現(xiàn)了控制自動化的立體倉庫。第三代是計算機技術(shù)作用下的集成化立體倉庫系統(tǒng)。第四代是實現(xiàn)對出入庫任務(wù)和倉庫信息的全自動處理的智能立體倉庫。而目前立體倉庫的發(fā)展正處在對3I（intelligent，integrated，information）系統(tǒng)的過度階段。在國外，開始研究立體倉庫的國家為美國，上世紀六十年代，美國開始首次將計算機控制應(yīng)用在立體倉庫中，并快速發(fā)展。但是發(fā)展至今，世界上立體倉庫數(shù)量最多研究水平最高的是日本。這是因為日本擁有一億多人口，可是土地面積卻十分狹小[4]。所以為了提升對土地資源的利用效率，舉國之力發(fā)展建設(shè)立體倉庫，并一躍成為當今世界立體倉庫行業(yè)的龍頭。也開始研究立體倉庫，并成為世界立體倉庫領(lǐng)域最先進的國家。我國自上世紀八十年代開始，進行立體倉庫的建設(shè)，在九十年代，我國的立體倉庫達到長足的發(fā)展，特別是將微機使用在立體倉庫，提升了立體倉庫的效率，并有利于現(xiàn)代化的管理，目前隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，立體倉庫的研究開始進入新的階段，將碼頭集裝箱的各個信息通過物聯(lián)網(wǎng)和立體倉庫連接起來，實現(xiàn)了信息共享、智能化的現(xiàn)代化立體倉庫。1.3課題研究的思路按照立體倉庫的控制設(shè)計內(nèi)容，對立體倉庫進行系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計主要包含總體工藝分析設(shè)計，系統(tǒng)的硬件圖紙設(shè)計以及軟件設(shè)計，系統(tǒng)的調(diào)試設(shè)計等。（1）在總體設(shè)計工藝分析中，對立體倉庫的控制工藝進行詳細的分析，明確系統(tǒng)的控制對象，對系統(tǒng)的總體設(shè)計策略和方案進行設(shè)計，明確輸入動作和輸出動作，以及相關(guān)的控制要求。確定系統(tǒng)的設(shè)計方案，對系統(tǒng)采用的控制單元、檢測部分和執(zhí)行部分進行選型設(shè)計。（2）在系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，明確硬件設(shè)計的要求，對系統(tǒng)的電路進行分部設(shè)計，詳細設(shè)計每個電路圖，對線路部分的接線要求和原理進行明確分析。（3）在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，對系統(tǒng)的I/O分配進行詳細設(shè)計，I/O分配的設(shè)計關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計的準確性和后期的調(diào)試使用。對系統(tǒng)的流程圖進行分析，明確各種動作要求和動作規(guī)范性，對程序進行分部設(shè)計，完成程序的各種功能實現(xiàn)，分析程序的設(shè)計思路和注釋。（4）對系統(tǒng)的觸摸屏進行設(shè)計，觸摸屏設(shè)計作為系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計必不可少的環(huán)節(jié)，主要對系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)進行顯示，并且能夠通過立體倉庫的可視化管理，達到自動管理倉庫的要求。（5）完成系統(tǒng)設(shè)計的總結(jié)，對本系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)缺點進行分析，為后期的升級改造留有空間，并且進行設(shè)計的總結(jié)分析。2立體倉庫系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1系統(tǒng)的工藝要求按照立體倉庫模型，主要存放成品產(chǎn)品，將成品打包為箱體，通過碼垛機存放在立體倉庫的具體區(qū)域。系統(tǒng)主要由存取按鈕、倉位選擇按鈕、上升下降步進電動機、前進后退步進電動機以及送貨臺等組成。碼垛機主要通過滾珠絲杠進行傳動，在前進后退中，當步進電動機正轉(zhuǎn)時，絲杠正向旋轉(zhuǎn)，此時將碼垛機進行前進動作，如果步進電動機反轉(zhuǎn)，絲杠反向旋轉(zhuǎn)，此時將碼垛機進行后退動作。對于上升和下降，采用相同的動作原理，進行滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)控制。對于送貨臺運動，通過直流電機進行控制，實現(xiàn)物料的送貨，將貨物送到指定的位置。立體倉庫的示意圖如下圖所示。圖2-1立體倉庫模型示意圖按照上圖可知，立體倉庫為行列式排列，一共四層，每層三列，一共十二個倉庫。系統(tǒng)設(shè)計立體倉庫主要工藝如下：（1）按下系統(tǒng)啟動，首先碼垛機進行回原點，當碼垛機的原點開關(guān)動作，將停止，進入工作就緒狀態(tài)；（2）系統(tǒng)分為存貨和取貨兩種方式，每個倉庫都有存貨按鈕、取貨按鈕。當某一倉庫有貨時，可以進行取貨，但不能進行存貨動作；當某一倉庫無貨時，可以進行存貨，但不能進行取貨動作。當碼垛機在執(zhí)行某一任務(wù)時，按下其他的存貨按鈕或取貨按鈕，將不起作用。（3）在工作就緒狀態(tài)下，按下某個倉庫的存貨按鈕，碼垛機進行前進工作，當前進到該倉庫的正下方，該倉庫正下方時，碼垛機停止前進，開始上升，當上升到該倉庫樓層時，碼垛機停止上升，將貨物存放在指定倉庫，，碼垛機開始下降，當下降到一樓處，開始返回原點，當返回到原點后，碼垛機停止，進入工作就緒狀態(tài)。（4）在工作就緒狀態(tài)下，按下某個倉庫的取貨按鈕，碼垛機進行前進工作，當前進到該倉庫的正下方，該倉庫正下方時，碼垛機停止前進，開始上升，當上升到該倉庫樓層時，碼垛機停止上升，將貨物存指定倉庫取下后，碼垛機開始下降，當下降到一樓處，開始返回原點，當返回到原點后，碼垛機停止，進入工作就緒狀態(tài)。（5）系統(tǒng)的限位開關(guān)主要對步進電動機進行限位保護，當步進電動機動作到位后，通過限位保護，將步進電動機立即停止動作。（6）系統(tǒng)設(shè)計對前進和后退動作采用步進電動機進行驅(qū)動，對上升和下降動作采用步進電動機進行驅(qū)動。按照以上的碼垛機控制工藝，進行系統(tǒng)的控制策略研究和控制方案確定，并且進行硬件設(shè)計和選型，對軟件程序進行設(shè)計，并對功能流程進行設(shè)計，在觸摸屏設(shè)計中，要對系統(tǒng)進行可視化設(shè)計，實現(xiàn)動畫管理[5]。2.2系統(tǒng)的控制方案對于立體倉庫控制設(shè)計，按照工藝的設(shè)計要求，進行控制設(shè)計，采用可編程控制器作為本設(shè)計的控制單元，可編程控制器的開發(fā)設(shè)計本身是針對工業(yè)控制環(huán)境的特定要求而研制，可編程控制器結(jié)合當前研究最新成果，特別是計算機的技術(shù)發(fā)展、通信技術(shù)發(fā)展、傳感器應(yīng)用發(fā)展等領(lǐng)域的研究，都可以通過可編程控制器的特定功能模塊得以實現(xiàn)[6]。所以可編程控制器的應(yīng)用比較廣泛。通過統(tǒng)計外部的I/O分配點進行可編程控制器選型。對于前進和后退電動機，以及上升和下降電動機，采用步進電動機作為驅(qū)動單元進行設(shè)計，步進電動機屬于脈沖控制輸出的位移電動機，通過驅(qū)動器控制，輸出脈沖信號對步進電動機進行旋轉(zhuǎn)，脈沖信號的數(shù)量決定步進電動機的旋轉(zhuǎn)角度，脈沖的頻率決定步進電動機的旋轉(zhuǎn)速度。系統(tǒng)的具體策略如下：（1）采用可編程控制器作為本設(shè)計的控制單元，通過可編程控制器的硬件設(shè)計和軟件編程，來實現(xiàn)立體倉庫的控制設(shè)計，通過步進電動機進行前后移動以及上升下降的電機驅(qū)動，通過設(shè)計電動機硬件圖紙，達到控制設(shè)計要求。（2）系統(tǒng)設(shè)計分為存貨和取貨兩種工作方式，每個工作方式都有不同的工藝要求和順序控制要求。當存貨時，取貨動作不能執(zhí)行，當取貨時，存貨動作不能執(zhí)行。（3）系統(tǒng)的輸入部分主要包括外部系統(tǒng)啟停按鈕、1-12號的倉庫選擇按鈕、以及存貨、取貨按鈕、步進電機的限位傳感器等。（4）系統(tǒng)的輸出部分主要包括前后移動步進電機的脈沖信號和反轉(zhuǎn)信號、上升下降移動步進電機的脈沖信號和反轉(zhuǎn)信號、送貨臺電機驅(qū)動輸出等。（5）對于送貨臺的控制，按照啟動運行后，將貨物進行輸送，輸送到指定位置。（5）在設(shè)計中，主要對存貨邏輯狀態(tài)和取貨邏輯狀態(tài)和控制進行分別設(shè)計，特別對工作流程功能圖進行設(shè)計，詳細分析設(shè)計的基本原理[7]。3立體倉庫控制的硬件設(shè)計3.1可編程控制器的選型在西門子公司生產(chǎn)的小型PLC中，常用的有S7-200以及S7-200SMATRT產(chǎn)品，S7-200SMART系列PLC的應(yīng)用場合較多，該可編程控制器使用的功能強大，能夠?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜的控制功能，編程的指令比較豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)PID控制功能和PTO脈沖輸出功能以及高速計數(shù)器功能等。通訊方式比較多，通過PPI通訊方式可以使用編程電纜進行程序的下載和上傳。通過程序編譯組態(tài)，可以實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的MODBUS通訊和以太網(wǎng)通訊，通過通信端口進行硬件連接。S7-200SMART可編程控制器的功能模塊比較豐富，有常用的DI/DO模塊，AI/AO模塊，通信模塊，高速計數(shù)模塊等。CPU的類型也比較多，包含ST20-ST40，每個CPU型號的程序處理能力各不相同，等級越高，處理的能力越強。按照系統(tǒng)的設(shè)計要求，采用西門子S7-200SMARTST40可編程控制器作為系統(tǒng)的控制單元，完成系統(tǒng)的設(shè)計。該型號的可編程控制器可以實現(xiàn)本系統(tǒng)涉及的基本邏輯控制，能夠?qū)ν獠枯斎胄盘栠M行數(shù)據(jù)邏輯計算、特殊功能的使用，通過外部輸出將連接外部的執(zhí)行單元[8]。通過端子計算和存儲容量計算，采用的工作電源為AC220V，采用的編程軟件為Step7-Micro/winSMART。產(chǎn)品如下所示。圖3-1S7-200SMART可編程控制器3.2步進電機及驅(qū)動器的選型步進電動機屬于脈沖控制輸出的位移電動機，通過驅(qū)動器控制，輸出脈沖信號對步進電動機進行旋轉(zhuǎn)，脈沖信號的數(shù)量決定步進電動機的旋轉(zhuǎn)角度，脈沖的頻率決定步進電動機的旋轉(zhuǎn)速度。步進電動機的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度與脈沖的個數(shù)和脈沖的頻率有關(guān)，而且成正比例輸出的關(guān)系。步進電動機的旋轉(zhuǎn)方向和該電機內(nèi)部的繞組相序有關(guān)，在具體應(yīng)用時，通過步進驅(qū)動器發(fā)送脈沖單元，來控制步進電動機的速度頻率和具體的位移和方向。工業(yè)生產(chǎn)中，步進電動機的使用非常廣泛，特別是需要高精度加工行業(yè)，比如機床行業(yè)、伺服機械手行業(yè)、機器人行業(yè)等，都要用到步進電動機進行執(zhí)行單元的驅(qū)動控制。按照立體倉庫的設(shè)計要求，對機械的控制精度和保持轉(zhuǎn)矩，欲選用2相混合式步進電動機。通過查詢資料和手冊，本系統(tǒng)設(shè)計選用的步進電動機制造廠家為普菲德公司生產(chǎn)的步進電動機。具體型號為HB202M，該型號步進電動機為兩相混合式步進電動機。按照該步進電動機的銘牌標識，固定步距角為1.8°，也就是說，每一個脈沖輸出，電動機旋轉(zhuǎn)的角度為1.8°。相電流為1.2A，電阻阻值為30Ω。該步進電動機的相電感37mH，保持轉(zhuǎn)矩2.8kg·cm，轉(zhuǎn)動慣量36g·cm2，軸徑5mm，機身長56mm[9]。該步進電動機的安裝體積較小，輸出轉(zhuǎn)矩滿足了本系統(tǒng)選擇的要求，控制精度也達到了位移控制的工藝要求。本系統(tǒng)按照控制策略，選用步進驅(qū)動器，該驅(qū)動器的輸入電源電壓為DC24V，脈沖輸入來自可編程控制器的脈沖信號，方向為可編程控制器的方向信號。步進驅(qū)動器可以通過撥碼開關(guān)進行步進電機最小步距角的選擇。按照系統(tǒng)的控制要求，撥碼開關(guān)選擇為步距角1.5度。在參數(shù)設(shè)定中，對步進電機的參數(shù)設(shè)置為兩相混合式，細分數(shù)要求為兩相八拍，最大的設(shè)定電流為3.0A。該步進驅(qū)動器自帶散熱風機，可以通過散熱風機為步進驅(qū)動器進行降溫。圖3-2HB202M硬件接線圖3.3光電開關(guān)的選型在工廠或生活的應(yīng)用中，光電傳感器使用比較普遍，光電傳感器主要作用通過發(fā)射的光信號，檢測該范圍內(nèi)的機械結(jié)構(gòu)或物品等是否擋住該光信號，如果擋住將通過接收器收到信號，將該信號傳輸?shù)娇刂茊卧?。光電傳感器在使用過程中性能穩(wěn)定，檢測的準確率比較高，反應(yīng)靈敏，不與物體或機械之間發(fā)生接觸。采用非接觸的方式對物體進行位置檢測，達到控制的工藝目的。光電傳感器主要的組成部分為光束發(fā)射電路、光束接收電路、信號放大電路。光束發(fā)射電路主要發(fā)射光束，光束接收電路主要接收光束。當該范圍內(nèi)的物體遮擋光束，將吸收光束的一部分能量，從而接收電路能感應(yīng)到當前范圍內(nèi)有物體存在，信號放大電路將該信號進行整定放大后，進行輸出。對于光電傳感器的電路原理圖如下圖所示。圖3-3光電傳感器的時序圖及電路圖按照本系統(tǒng)的設(shè)計要求，選用四線制的光電開關(guān)，將信號傳輸?shù)娇删幊炭刂破?。歐姆龍自動化公司生產(chǎn)的光電傳感器質(zhì)量好、運行穩(wěn)定、性價比高。擬選擇歐姆龍公司的產(chǎn)品，具體型號為EE-SPY402。3.4I/O分配設(shè)計對于立體倉庫控制系統(tǒng)的I/O分配設(shè)計，主要的作用是進行系統(tǒng)的外部輸入信號和輸出信號之間的地址分配，通過該地址分配設(shè)計，方便系統(tǒng)的硬件以及軟件的設(shè)計。特別在軟件設(shè)計中，需要在程序內(nèi)部進行地址的分配，方便程序的設(shè)計和編譯，特別是后期的調(diào)試中，如果出現(xiàn)調(diào)試的問題，將通過查詢I/O分配地址表，得到相應(yīng)的故障問題信息，進行問題判斷，大大方便了后期的系統(tǒng)調(diào)試。按照本設(shè)計的要求，通過工藝的分析確定了輸入功能和輸出功能，對這些輸入和輸出的功能進行具體的I/O分配設(shè)計，具體的分配設(shè)計如下表所示。表3-1I/O分配表輸入功能輸入地址輸出功能輸出地址微動開關(guān)I0.0X軸步進驅(qū)動器脈沖Q0.0組合按鈕1I0.1Y軸步進驅(qū)動器脈沖Q0.1組合按鈕2I0.2X軸方向輸出Q0.2組合按鈕3I0.3Y軸方向輸出Q1.0組合按鈕4I0.4送貨臺電機使能Q1.1組合按鈕5I0.5送貨臺電機方向Q1.2組合按鈕6I0.6七段數(shù)碼管Q1.4-Q1.5組合按鈕7I0.7按鍵指示輸出1Q0.4手自動開關(guān)I1.3按鍵指示輸出2Q0.5X軸限位I1.4按鍵指示輸出3Q0.6X軸原點I1.5按鍵指示輸出4Q0.7Y軸限位I1.6Z軸限位I1.0Y軸原點I1.7Z軸原點I1.1有料傳感器I1.2七段數(shù)碼管Q1.6-Q1.73.5系統(tǒng)的圖紙設(shè)計本系統(tǒng)的主電路設(shè)計為兩個步進電動機的電路設(shè)計，分別為前后移動步進電動機和上下移動步進電動機。步進驅(qū)動器接線主要分為三部分，電源輸入部分為DC24V，接入端子為DC+和DC-，可編程控制器輸出的端子接入步進驅(qū)動器，將脈沖輸出信號接入驅(qū)動器的CP端子，將方向輸出信號接入驅(qū)動器的DIR端子，步進電動機分別節(jié)驅(qū)動器的A+、A-、B+、B-.按照步進電動機的步距角進行撥碼開關(guān)設(shè)置，設(shè)置為1001000001。對于步進電動機，通過四個電機線，可以實現(xiàn)步進電動機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制。對于PLC來說需要提供DC24V的電源，DC24V電源應(yīng)用于各種傳感器器、PLC以及各種儀表的場合，電源穩(wěn)定安全，可以防止外界的干擾而引起信號不穩(wěn)定的因素。開關(guān)電源輸入部分為常用的交流電AC220V，輸出部分有DC24V，按照系統(tǒng)對直流電源電壓等級的需求進行選擇。開關(guān)電源的的工作效率比較高，安裝方便，體積小巧，可以輸出比較穩(wěn)定的直流電源，能夠很好的保護儀表及PLC。開關(guān)電源安裝方便，可以和可編程控制器一起安裝在DIN導軌上，開關(guān)電源輸入的電壓為AC220V，輸出電壓為DC24V，滿足系統(tǒng)硬件設(shè)計使用的要求。圖紙如下所示。圖3-4系統(tǒng)設(shè)計硬件接線圖4立體倉庫控制的軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)的流程設(shè)計對于系統(tǒng)流程設(shè)計主要按照取貨和存貨兩種方式進行設(shè)計。系統(tǒng)在機構(gòu)設(shè)計上采用滾珠絲杠、滑杠和普通絲杠作為主要傳動機構(gòu)。當碼垛機平臺移動到貨架的指定位置時，送貨臺向前伸出可將貨物取出或送入，當取到貨物或貨已送入，則鏟叉向后縮回。整個系統(tǒng)需要三維的位置控制。在立體倉庫控制中，1-12號倉庫的存貨流程基本相同，不同的是步進電機的給定脈沖數(shù)量的位置；對于1-12號倉庫的取貨流程也基本相同，不同的也是步進電機的給定脈沖數(shù)量的位置。通過限位開關(guān)進行電動機的保護[10]。對于本設(shè)計來說，需要建立程序，分別為主程序、回原點子程序、存貨子程序和取貨子程序以及脈沖功能組態(tài)程序等?；卦c程序流程設(shè)計如下：圖4-1回原點程序功能圖當系統(tǒng)運行之初，調(diào)用回原點子程序，前后移步進電機開始工作后移，當碰觸到原點限位開關(guān)后，將立即停止，此時回原點子程序執(zhí)行完成，系統(tǒng)進入運行就緒狀態(tài)。對于存取貨程序，當按下啟動按鈕后，允許進行立體倉庫運行的控制。在正常的情況下，按下某一倉位的按鈕和“取”或“送”按鈕，系統(tǒng)將進行相應(yīng)的動作，此時控制面板上的數(shù)碼管顯示相應(yīng)的倉位號。當出現(xiàn)故障時，電機停止運行。在緊急情況下，按下緊急按鈕，送貨物送回原來的位置，只有當故障排除后，才能重新運行。在執(zhí)行該程序之前，首先進行判斷，判斷當前送貨臺是否有貨，通過監(jiān)測開關(guān)監(jiān)測。判斷存貨的制定倉庫是否有貨，如果沒有貨，才可以進行存貨。按下制定倉庫存貨按鈕，可以根據(jù)流程的設(shè)計進行動作。存取貨程序流程設(shè)計如下：圖4-2存取貨程序功能圖4.2脈沖功能組態(tài)的設(shè)計可編程控制器具有脈沖輸出功能，主要用于對需要脈沖控制的執(zhí)行單元進行控制，比如PLC輸出脈沖控制固態(tài)繼電器，進行執(zhí)行單元的電壓調(diào)節(jié)輸出，在伺服驅(qū)動器和步進驅(qū)動器的應(yīng)用中，需要PLC進行脈沖輸出，達到速度控制和位移控制的目的。所以脈沖輸出功能的應(yīng)用比較重要。對于本系統(tǒng)選擇的可編程控制器，擬采用Q0.0輸出端子作為脈沖輸出的端子。所以本節(jié)對Q0.0的輸出進行PTO/PWM的功能建立。打開編程軟件的PTO/PWM的脈沖輸出導向?qū)υ捒颍M行Q0.0和Q0.1的PTO/PWM功能選擇。需要進行制定一個脈沖發(fā)生器的輸出端口，按照本硬件設(shè)計，選擇Q0.0和Q0.1作為脈沖發(fā)生器的輸出端口。圖4-3脈沖組態(tài)調(diào)制導向圖該對話框需要對脈沖輸出的類型進行選擇，一般分為線性脈沖串輸出以及脈寬調(diào)節(jié)輸出。對于本設(shè)計來說，需要進行選擇線性脈沖串來進行脈沖的輸出，選擇PWM。也就是說脈沖串的占空比都相同，通過脈沖串的輸出頻率和個數(shù)進行驅(qū)動器的控制。電機速度和啟停速度的設(shè)置，該對話框建立了脈沖輸出的斜坡比率和最高脈沖頻率。本設(shè)計按照默認的選擇即可。4.3程序的設(shè)計4.3.1系統(tǒng)復(fù)位程序當系統(tǒng)上電后，SM0.1接通一次，將執(zhí)行回復(fù)位程序，將所有的電動機進行靜止輸出，對系統(tǒng)的其他命令進行復(fù)位。stop程序是將脈沖輸出頻率、脈沖輸出控制、帶寬調(diào)頻等參數(shù)復(fù)位，并且將方向也復(fù)位。Stop-ch0是對x軸，Stop-ch1是對Y軸圖4-4系統(tǒng)復(fù)位程序4.3.2手動禁止輸出程序當外部按鈕為手動時，將所有的動作靜止輸出，包括QW0，將VW238復(fù)零，并調(diào)用CH0和CH1的停止子程序。并且返回。自動手動是取反的一種操作，一個位開和閉代表兩種狀態(tài)。圖4-5手動禁止輸出程序4.3.3回位程序當系統(tǒng)初始化或者執(zhí)行貨物存取完畢，需要進行回原點控制。將出庫和入庫動作復(fù)位后，進行步進電機后移和下移操作。當后移和下移到位后，停止操作。在操作過程中對脈沖功能進行調(diào)用，設(shè)置好低速和高速，通過脈沖位置設(shè)定，進行復(fù)位操作。將X軸參數(shù)起始速度速度500，運行速度2000，位置值-5000送入CPU進行返回，Y軸參數(shù)起始速度500，運行速度2000，位置值-5000送入CPU進行返回。X在左限位，Y在下限位，Z在后限位則復(fù)位完成。圖4-6回位程序Pls-ch0該子程序是用于PLC發(fā)出三段包絡(luò)線的脈沖。對于給定了起始頻率、運行頻率以及行程的包絡(luò)線，可以根據(jù)公式計算出頻率上升的斜率，基于此原則，子程序是假定外部給定三個變量：起始頻率、運行頻率、脈沖數(shù)（即行程），計算出各段運行脈沖數(shù)。將步進電機的當前脈沖值#positoin:LD8存儲于VD4200中，通過運算得出設(shè)定值與當前脈沖值的差值A(chǔ)C0，即為步進電機將要行走的距離。然后將實際走行距離轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)量，通過直接外部輸入工程坐標值，系統(tǒng)就可以將其轉(zhuǎn)換成實際運行脈沖值。在本例中，由于要求的脈沖數(shù)，故其當量值為1。為實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)操作。當步進電機的距離為正值時，方向信號Q0.2為正，電機向左運行，同時將走行距離直接傳送給AC2；當步進電機的距離為負值時，方向信號Q0.2復(fù)位，電機向右運行，同時將走行距離取反后直接傳送給AC2。將0.0和AC2的比較，同時在在系統(tǒng)上電時將3傳送至VB500。在用于將包絡(luò)表傳送給系統(tǒng)相應(yīng)的存儲區(qū)。第一段包絡(luò)線。首先VD501用于存儲起始頻率，VD505用于存儲結(jié)束頻率，VD509用于存儲第一段包絡(luò)線所走的距離（脈沖個數(shù)）。經(jīng)過上面的計算可知，對于固定的加速率，每個起始頻率、運行頻率都一一對應(yīng)于一個脈沖值。所以當系統(tǒng)給定了速度以后，其加速段所走的距離是一個定值。第二包絡(luò)表里面的數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)，由于恒速度運行，故其起始頻率和結(jié)束頻率相同。由前面可知，在加速段和減速段運行的脈沖值對于一個給定的系統(tǒng)是個定值，故將總共的脈沖數(shù)Pv減去加速段Pu和減速段Pd的數(shù)據(jù)就是在恒速運行區(qū)所走的脈沖值?；诖嗽瓌t，網(wǎng)絡(luò)8給出了計算過程，最終將差值A(chǔ)C0傳送給VD521。第三段包絡(luò)表里面的數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)。由于加速區(qū)和減速區(qū)的脈沖值相同，只是周期增量的方向相反，故可將第一段的脈沖值傳送給VD533，起始頻率與結(jié)束頻率和第一段包絡(luò)相反為了所行距離過短導致意外產(chǎn)生而設(shè)計的[11]。當脈沖總粗線條Pv小于加速段和減速段的脈沖之和時，恒速區(qū)所走的脈沖值就是一個負值，導致系統(tǒng)運行不正常，故設(shè)定當VD521小于0時，即恒速區(qū)的脈沖值為負時，采用單段PTO輸出方式，速度恒度為800Hz。為了使包絡(luò)表可用。4.3.4矩陣編碼程序本設(shè)計采用矩陣編碼的方式進行倉庫號的選擇，通過外部信號輸入，將某一數(shù)值進行賦值，賦值到VW238，當VW238得到這個數(shù)值后，就可以判斷當前的要存取貨物的倉位號。按照此倉位號進行系統(tǒng)的選擇。圖4-7矩陣編碼程序在倉庫的管理系統(tǒng)中，各工件位置坐標是一個基本參數(shù)，關(guān)于坐標的計算方法，原本可歸結(jié)于一個數(shù)學問題，之所以單獨列出，是想提出一種利用PLC計算坐標系統(tǒng)的方案，為后面進行倉庫管理提供一個平臺。為了便于后面章節(jié)的引用，故程序采用子程序的方式進行編寫。子程序的入口參數(shù)為指定的工件位置號（從0-12），出口參數(shù)包括該工件位置的X軸坐標值和Y軸坐標值。在程序中用#DEPOT來代表指定的倉位號，用#OUT_X和#OUT_Y來代表該工件位置的X軸坐標值和Y軸坐標值。X軸坐標值分別存放在數(shù)據(jù)寄存區(qū)VD616、VD620、VD624、VD628中，Y軸的坐標值分別存放在數(shù)據(jù)寄存區(qū)VD600、VD604、VD608、VD612中。程序的第一段是用來計算倉庫0、倉庫1、倉庫2、倉庫3的X軸坐標值，第二段是用業(yè)計算倉庫1、倉庫4、倉庫7、倉庫10的Y軸坐標值。程序的第三段至第十段是分別計算各個工件位置的X軸、Y軸坐標值。由于倉位是一個長方形結(jié)構(gòu)，故任何一個工件位置的坐標值都可以通過倉庫0～倉庫3的X軸坐標值和倉庫1、倉庫4、倉庫7、倉庫10的Y軸坐標值來表示。程序的第十一段是用于給其它程序傳送工件位置的坐標值。4.3.5存貨控制程序當選擇好倉位號后，并且當前倉位沒有貨時，按下V207.1按鈕，表示當前進行存貨控制。根據(jù)倉位號的判斷，進行命令輸送。將M6.1置位，表示當前為存貨狀態(tài)。圖4-8存貨控制程序4.3.6取貨控制程序當選擇好倉位號后，并且當前倉位有貨時，按下V200.0按鈕，表示當前進行取貨控制。根據(jù)倉位號的判斷，進行命令輸送。將M6.6置位，表示當前為取貨狀態(tài)。圖4-9取貨控制程序4.3.7取存取貨完畢控制程序當存取貨完畢后，輸入V200.7或者V20.0信號，將0賦值給VW238，表示當前存取貨完畢，將選擇貨物選擇信號復(fù)位。圖4-10取存取貨完畢控制程序系統(tǒng)送貨的思路是先對系統(tǒng)初始化以及傳送Y軸行走的偏差值,再進行X軸、Y軸的第一次的位移，到達指定的位置準備取貨。然后控制送貨臺向前伸到位，為提升貨物作準備。之后控制Y軸的上升，使貨物轉(zhuǎn)移到送貨臺上。再控制送貨的回縮，完成貨物從倉位到送貨臺的轉(zhuǎn)移。放貨時控制起重機第二次位移，到達預(yù)定的位置準備放貨。然后送貨臺向前伸到位，為放置貨物作準備。再Y軸進行下降，使貨物轉(zhuǎn)移到倉位上去。最后是控制送貨的的回縮，完成貨物從送貨臺到倉位的轉(zhuǎn)移。全部完成后復(fù)位，使其回到待命狀態(tài)，準備下一次的動作。5立體倉庫控制的組態(tài)設(shè)計5.1組態(tài)設(shè)計的工藝分析本系統(tǒng)采用WINCCFlexibleV3軟件進行組態(tài)設(shè)計，對立體倉庫控制系統(tǒng)的當前狀態(tài)、存貨指令輸入、取貨指令輸入、脈沖上限設(shè)置、位置參數(shù)、I/O監(jiān)控等進行數(shù)據(jù)監(jiān)控。該軟件的版本為V3SP2,開發(fā)的公司為西門子自動化有限公司。該軟件可以通過驅(qū)動程序與S7-200SMART進行通訊，和S7-200SMART之間采用的通訊協(xié)議為以太網(wǎng)，設(shè)置好IP地址。對可編程控制器內(nèi)部的變量數(shù)據(jù)通過該通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互和讀寫。系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計分為工程建立、驅(qū)動建立、畫面設(shè)計、變量添加設(shè)計、動畫設(shè)計等。通過以上的步驟進行本系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計開發(fā)[12]。從而達到設(shè)計的監(jiān)控可視化要求。5.2組態(tài)設(shè)計的過程首先打開工程管理器，進行設(shè)備選擇,如下圖5-1所示。圖5-1設(shè)備選型圖在該設(shè)備選擇對話框中，可以進行本設(shè)計的觸摸屏型號選擇,本設(shè)計選擇SMART1000IE，按下確定后,就可以對此設(shè)備進行畫面、變量連接、驅(qū)動連接等設(shè)計。在項目設(shè)計中，可以對項目進行、驅(qū)動建立、畫面設(shè)計、變量添加設(shè)計、動畫設(shè)計等。本系統(tǒng)建立項目對話框時，需要對項目的存儲信息進行填寫。當建立好設(shè)備類型后，就需要對系統(tǒng)進行驅(qū)動連接，如下圖5-2所示。圖5-3連接組態(tài)圖設(shè)置PLC地址為192.168.0.0，對觸摸屏的地址為192.168.0.1。連接的驅(qū)動程序為SIMATICS7200Smart。當設(shè)置好鏈接地址后，就進行系統(tǒng)的變量設(shè)置。開始進行項目的變量表添加，變量表添加包括變量名稱、變量地址、以及變量的屬性設(shè)置。在變量管理中，對每個變量進行設(shè)置，包括對變量的基本屬性設(shè)置、報警定義設(shè)置等。對變量的類型進行設(shè)置并且對初始值、最小值和最大值等等都需要進行設(shè)置，更多時候都是保持默認設(shè)置即可。如下圖5-3示。圖5-3變量設(shè)置圖1圖5-4變量設(shè)置圖2圖5-5變量設(shè)置圖3當所有變量設(shè)計完畢后，就可以進行畫面的設(shè)計，在畫面設(shè)計中，有“工具”，可以根據(jù)工具進行畫面的背景設(shè)計、圖表添加設(shè)計、字符輸入設(shè)計以及簡單圖形設(shè)計，也可以完成對象的顏色設(shè)計、位圖設(shè)計、形狀變化設(shè)計等。在進行畫面設(shè)計時，按照本系統(tǒng)設(shè)計的要求，添加相關(guān)的對象，并對該對象進行命名，對添加的按鈕、指示燈、輸入數(shù)據(jù)框等進行變量的設(shè)置。本系統(tǒng)設(shè)計需要完成按鈕的設(shè)計、指示燈的設(shè)計、相關(guān)的數(shù)據(jù)輸入設(shè)計等。在畫面設(shè)計時，對每個對象的顏色、形狀都可以按照工藝的要求進行完成。特別是使用圖庫管理器，在圖庫管理器中，有諸多儀表、傳感器、按鈕、指示燈、電氣符號、閥門等相關(guān)圖形，可以選擇使用鼠標拖動的方式添加到畫面，并且對該對象進行變量的賦值，完成該對象的詳細參數(shù)設(shè)置等。畫面設(shè)計需要美觀大方，可操作性強，能夠充分反映當前的系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)顯示[13]。系統(tǒng)設(shè)計的畫面主要分為I/O監(jiān)控畫面、位置參數(shù)畫面以及主畫面。在I/O監(jiān)控畫面，對PLC的每個輸入輸出狀態(tài)進行監(jiān)控，達到現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)控的目的。圖5-6I/O監(jiān)控畫面對于主畫面設(shè)計，主要進行按鍵的設(shè)計和存取命令。通過監(jiān)控當前的存取狀態(tài)，進行系統(tǒng)的顯示和干預(yù)。號碼盤使用按鈕，每個號碼對應(yīng)一個按鈕變量。對系統(tǒng)就緒、物品取出和送入都進行變量顯示。圖5-7系統(tǒng)主畫面對于位置參數(shù)進行設(shè)置，包括原點參數(shù)、速度參數(shù)、基準參數(shù)和間距設(shè)定等。這些參數(shù)對系統(tǒng)的運行和倉位位置的識別非常重要。每個參數(shù)對應(yīng)一個變量。圖5-8參數(shù)設(shè)置畫面5.3系統(tǒng)的組態(tài)調(diào)試當設(shè)計好組態(tài)畫面，并且完成了組態(tài)畫面的動畫設(shè)計，就需要對系統(tǒng)進行仿真調(diào)試。按照以下的仿真調(diào)試步驟對本系統(tǒng)進行仿真。（1）首先按照系統(tǒng)設(shè)計的原理圖進行接線，接線過程中，注重系統(tǒng)的PLC輸入部分、輸出部分的接線，并且按照PLC的型號，進行AC220V的電源接線。接線完成后，進行認真檢查，確認無誤后，方可進行PLC的上電。（2）上電后，進行PLC的程序下載，并且完成PLC與WINCC之間的通訊設(shè)置，對WINCC的通訊按照要求進行通訊。（3）將提前準備好I/O分配表格，對工藝程序流程圖進行掌握，對每個分部功能進行手動調(diào)試。按下相應(yīng)按鈕，相應(yīng)的執(zhí)行元件輸出。通過監(jiān)控表格和組態(tài)的畫面狀態(tài)，觀察相應(yīng)變量的當前狀態(tài)，再判斷解決問題。直到所有的手動調(diào)試成功。（4）按照工藝程序流程圖的自動控制流程，對每一步的自動控制步驟條件進行熟悉掌握，進行自動調(diào)試。觀察程序和組態(tài)的在線監(jiān)控狀態(tài)，找出問題所在進行整改。直到所有的自動控制功能全部實現(xiàn)。（5）對本次調(diào)試進行總結(jié)，將問題進行整理，對調(diào)試的情況進行分析，實現(xiàn)了那些功能，為后期的改進積累經(jīng)驗。6總結(jié)與展望通過本次的畢業(yè)設(shè)計讓我學習到了很多的知識。整個設(shè)計過程遇到了很多的問題，但在發(fā)現(xiàn)問題解決問題的這樣一個過程中，自身的能力以及各方面都有了一個極大的提高。首先在整個設(shè)計中遇到并解決的問題有以下幾個方面：（1）立體倉庫0-12號倉庫的位置表示，如果采用逐個表示的話很復(fù)雜，而且