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基于PLC的立体化仓库的毕业设计（论文）第1页，共63页PLC作为一种通用的控制装置，性价比较高，是存储逻辑在工业应用中的代表性成果，具有配置灵活、按模块连接、处理速度快、控制指令丰富、数据处理精度高、网络通信技术先进等特点。PLC和步进电机的组合进而能够实现计算机精确控制推料机的位移运动，把物体储存到立体仓库的指定位置。本设计是以PLC为控制器，综合了电机驱动及电机控制原理、传感器原理及检测技术和网络通信等知识来实现立体仓库的单元存储功能的。1绪论1.1本设计研究的目的和意义立体仓库的控制模块主要采用PLC作为控制器的计算机监测控制的方式。由于通信设备的飞跃发展，软PLC作为另外一种控制模式也日益广泛应用，其中就包括人机界面触摸屏仿真软件的WinCCflexible。由于物流的不断发展，因此对于物流与仓库单元相适应的管理问题也越来越复杂，对存储位置精确性的和效率化分类管理等方面也提出了更高要求，因此需要继续研究以满足现代物流的控制需求及更进一步的优化控制系统和控制程序。MPS(ModularProductionSystem）是由上海寰益智能仪器科技有限公司研制的教学设备，是机电一体化技术发展的产物。一共包括六个独立单元，既可以组成一个独立的控制系统，也可以由多个单元组成集成系统联机控制。在实验室MPS系统上研究基于PLC的立体存储单元的系统设计，一方面提高MPS系统的开发性和扩展型，加强实验室的建设。另一方面，通过立体存储单元的研究，可以把设计原理、控制方法和编程思想应用到其他领域。1.2本设计国内外研究现状目前国外的立体存储仓库主要是通过扫描方式来加快系统的传输速度和读取工件的外观信息。国内对于立体仓库采用单片机控制，因此需要设计的外围电路相对于PLC控制器要复杂，从而降低了系统整体的集成性。一方面立体存储仓库的空间有限制，另一方面还要与前台或者后台的智能化设备协作，随之而来的其空间位置的分配、最优路径的选择、位置极限的避碰保护、死锁的避免等问题给系统的设计带来了苦难，而且许多复杂的控制问题还没有良好的解决措施。目前多智能体的控制和多机器人协作是近年来的热门话题。1.3本设计拟解决的关键问题本课题探讨了如何利用西门子PLC-224作为控制器实现立体仓库的控制。解决的关键问题有：基于PLC的立体化仓库的毕业设计（论文）第2页，共63页1、立体存储单元的精确定位控制2、系统运行的稳定性控制本系统采用开环控制模式，当电机运行速度较高时，如果直接加速到目标速度或者迅速命令其停止，会造成电机运行不平稳甚至造成机械装置震动。3、最优路径的选择在仓库存储原则下，如何选择最优路径，实现运动模式是一个重点和难点。2MPS立体储存单元2.1功能简介图2.1立体仓库功能：模拟立体仓库的存储功能，分类立体存放系统加工完成的合格产品。PLC主机：三菱FX2N系列、西门子S7系列扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus网络步进电机及驱动器：Start2.2组成模块2.2.1步进电机控制模块基于PLC的立体存储单元的设计有两个步进电机驱动模块，分别控制滚珠丝杆的水平转动和垂直转动，从而使得推料机能够左右上下移动。步进电动机是运动控制系统中常用的执行器件，能够将脉冲信号转成角度,利用脉冲信号控制运动。脉冲信号被驱动器成功接收后，将会控制步进电机根据脉冲值旋转一个步距角。可以经由控制脉冲频率和控制脉冲个数等参数的修改来控制电机转动的速度和加速度以及角位移量，精确定位和速度调整。型号17HS101驱动器2H202D(默认800)表2.1步进电机驱动参数MicrostepsettingSW12steps004000180010160011N/aSW34Kept“1”类型说明2相基于PLC的立体化仓库的毕业设计（论文）第3页，共63页细分数2、4、8步距角0.9°、0.45°、0.225°电流范围1.7A图2.2驱动器及电机连接图2.2.2滚珠丝杆模块两套滚珠丝杆模块安装成垂直的方式，形成一个平面轴运动系统。滚珠丝杆驱动模块能够改变机械装置的运动模式，将旋转运动转换成直线往复运动，在推料机工作台的左、右、上、下极限处均装有极限开关B1和B2。螺旋丝杆的螺距经测量为：4mm极限开关B1和B2为感应式传感器，属性参数见下图。图2.2电感式传感器表2.2电感式传感器参数MB系列直流两线型号输出类型工作电压输出电路连接方式FN1.5-M8G8-D0D1DC2线制DC10-30VDC/NO连接器FN1.5-M8G8-DCD1DC2线制DC10-30VDC/NC连接器表2.3B1/B2传感器参数基本参数安装类型齐平非齐平额定感应距离SN1.5mm2mm滞后3...10%ofSr输出指示红色LED2.2.3工件推出组件工件推出模块采用气动控制系统作为执行机构，其中有两个接近开关1B1和1B2，用以判断推出气缸的位置。1Y1控制气缸的运动，工作原理和过程与两位五通电磁换向阀相同。接近开关1B1和1B2为磁感应式传感器，属性参数见下图。图2.3磁感式传感器电感式接近开关就是利用电涡流效应制造的传感器。高频振荡型电感式接近开关：它以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，利用被测金属物体接近电感线圈时产生的涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检测的目的。电感式接近开关就是利用电涡流效应制造的传感器。差动线圈型电感式接近开关：它有两个电感线圈，由其中一个电感线圈作为检测线圈，另一个电感线圈作为比较线圈；由于被测金属物体接近检测线圈时会产生涡流效应，从而引起检测线圈中磁通的变化，检测线圈的磁通与比较线圈的磁通进行比较，然后利用比较基于PLC的立体化仓库的毕业设计（论文）第4页，共63页图2.4气动阀原理表2.4磁感式传感器参数M12系列直流两线型号输出类型工作电压输出电路连接方式FN4-M12-D0D1DC2线制DC10-30VDC/NO2米电缆FN4-M12-DCD1DC2线制DC10-30VDC/NC2米电缆表2.51B1/1B2传感器参数基本参数安装类型齐平非齐平额定感应距离SN2mm4mm滞后3...10%ofSr输出指示红色LED2.2.4立体仓库推块槽的宽度：36mm立体仓库规格尺寸：6X6(横向6格，竖向6格)，每一个为40mm的正方规格。3S7-200PLC(CPU-224)3.1PLC概述图3.1西门子S7-200CPU2243.1.1PLC的主要优点1、模块接线方便简单、功耗低、通用性好等优点。2、数据处理功能强大，还能够实现数据的通信和PID参数调节。3、抗扰能力强，具有工作稳定性好、准确度高、响应速度快等特点。4、PLC能够用MX.X、TXX、CXX等软元件取代实际继电器，降低成本。5、良好的自诊断功能和动态的显示功能，而且故障时易于诊断和修护。6、能够与其他职能控制设备通信，由网络组成的集成控制的分布式控制系统，大幅度提高了控制系统的可靠性。可编程逻辑控制器通信包括主机与远程I/O之间的通信，它还有多种人-机对话的接口模块和基于PLC的立体化仓库的毕业设计（论文）第5页，共63页多种通讯联网的接口模块，形成网络化统一管理。3.1.2PLC的工作原理将PLC接入电气控制系统，下载程序后，就可以运行工作了。扫描过程分为三个阶段，第一阶段为输入采样，第二阶段为程序执行，第三阶段为输出刷新。一个扫描周期是指三个阶段运行一次的时间。而“周期”则反复循环运行，只要PLC不关机，将会重复执行上述三个阶段。图3.2西门子S7-200扫描方式3.2PLC编程3.2.1编程语言STEP7为用户提供了多种编程语言，S7-300相比s7-200增加的编程语言有结构控制SCL、顺序控制S7Graph等，我们常用的小型PLC编程语言一般有三种，梯形逻辑LAD、语句表STL、功能块图FBD，其中最常用的是LAD。3.2.2编程方式主要有经验法和顺控法。33.2.3程序的基本组件.2.3程序的基本组件一个程序块主要包括有可执行指令、符号地址和注释等。程序由OB1主程序和SFB子程序或者INTO中断组成。4系统硬件设计4.1硬件设计组成立体存储单元依据控制器和执行器的设计特点可以有以下几个方案：1、基于PLC运动控制器和步进电机的组合进行立体存储单元的设计。2、基于单片机运动控制器和步进电机的组合进行立体存储单元的设计。3、基于嵌入式运动控制器和步进电机的组合进行立体存储单元的设计。由于s7-200具有强大的指令系统，具有功能齐全的编程软件和界面友好的工控组态软件，同时它有多种功能模块，便于组网，有良好的扩展性。尤其它的两路高速脉冲功能在步进电机控制上非常方便，从系统实现和系统设计性价等方面比较，采用基于PLC和两台步进电机的立体存储单元的设计。图4.1立体仓库系统组成基于PLC的立体化仓库的毕业设计（论文）第6页，共63页4.2硬件控制接线图4.2.1输入电气连接图4.2立体存储单元IN4.2.2控制面板电气连接图4.3控制面板各开关的控制功能定义为：带灯按钮，绿色开始带灯按钮，蓝色复位按钮，黄色特殊两位开关，白色切换手、自动两位开关，白色切换独立、级联按钮，红色（完成当初动作后）停止带灯按钮，红色上电带灯按钮，（停止所有动作）急停4.2.3输出电气连接图4.4立体存储单元OUT4.2.4系统整体电气连接及I/O分配表4.1I/O分配输入I输出OI0.0B1感应式左行程开关（X轴）Q0.0步进电机CP1脉冲I0.1B2感应式下行程开关(Z轴)Q0.1步进电机CP2脉冲I0.2IB1接近开关（推料气缸推杆缩回状态）Q0.2步进电机DIR1方向控制（0前进1后退）I0.3IB2接近开关（推料气缸推杆伸出状态）Q0.3步进电机DIR2方向控制（0前进1后退）T1-T4四个手动型限位开关Q0.41Y1控制气动电磁阀I1.0开始按钮Q1.0开始指示灯I1.1复位按钮Q1.1复位指示灯基于PLC的立体化仓库的毕业设计（论文）第7页，共63页I1.2特殊按钮I1.3手自动开关I1.4单联动开关I1.5停止按钮图4.5系统控制连接4.3系统工作原理4.3.1系统的功能要求按“上电”后，复位灯以默认的周期1s闪烁。按“复位”后，灯熄灭，并调用复位子程序开始动作，推料机处于缩回状态，由丝杆驱动模块带动推料机运转复位（X、Z轴归零）。开始灯以默认的周期1s闪烁，按“开始”后，灯熄灭，由丝杆驱动模块带动推料机运转到开始位置，等待工件的放入。按“特殊”后，由丝杆驱动模块带动推料机运转到达预定的仓位，推杆再将工件推入相应存储单元（存储单元有分类，运转到达的仓库是根据工件信息选择的）。最后由丝杆驱动模块带动推料机复位后再次去开始位置处等待接收工位，直到按下后续的“特殊”按钮信号。在不考虑联机的情况下，暂时把对物料的材质及颜色的分类用I1.3“手/自”和I1.4“单/联”两个按钮代替：表4.2仓库分配按钮材质及颜色银色、铝合金白色、塑料黑色、塑料银色、塑料手动0101单/联1001图4.6工件4.3.2系统的工作流程上电：复位灯闪烁（Q0.1），SM0.5实现闪烁,I0.2亮（IB1工作，即气缸处于收缩状态）。复位：复位到指定位置，开始灯闪烁(Q0.0)，I0.0I0.110.2亮（左下角）若检查到堆料机不在复位的位置，则调用输出脉冲子程序（即Q0.0X轴工作或Q0.1Z轴工作，Q0.2Q0.3亮，因为此时推料机后退，步进电机反转）开始：开始到指定位置后，开始指示灯亮（Q0.0），I0.0I0.2亮（向上走了一段距离，经测量为45MM，停留在第二排存储单元开端处，故I0.1下限位灭）特殊：开始指示灯熄灭运动方向：右上---上---气阀工作---左----下----上（“上”指上升到开始指定位置基于PLC的立体化仓库的毕业设计（论文）第8页，共63页图4.7蓝色为开始位置5系统软件设计5.1软件编程顺序控制图5.1顺序控制流程图5.1软件设计流程图图5.2主程序流程图5.3步进电机实现方法及重要指令说明5.3.1PTO位置控制向导