1、. . . . I / 47基于基于 PLCPLC 的小車定位系統(tǒng)設(shè)計的小車定位系統(tǒng)設(shè)計摘要企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和深化，使得倉庫成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的一個重要且不可缺少的環(huán)節(jié)。立體倉庫正以它最小的占地面積和最佳的空間利用率，逐步替代面積利用率極低且舊落后的平面?zhèn)}庫，這種替代促使倉儲物流業(yè)的水平提高。為滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)與流通的需要，就必須采用以計算機控制技術(shù)為主要手段組成的自動化立體倉庫。本設(shè)計通過對小車自動控制過程的分析，明確了小車自動控制過程中實現(xiàn)控制過程的工藝要求。設(shè)計中以小車為控制對象，采用德國西門子公司的 S7-300 系列可編程序控制器實現(xiàn)了對小車的定位自動控制。本文首先闡述了

2、PLC 工作原理與 STEP7 編程語言，并對小車在倉庫中的工作過程作以介紹，然后詳細描述小車定位自動控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，包括小車工作時的 PLC程序設(shè)計，并附有 PLC 程序梯形圖。關(guān)鍵詞：S7-300 PLC，小車定位，自動化立體倉庫Trolleys Positioning Automatic Control System DesignAbstractModernized production scale enterprises have constantly expanded and deepened, allowing warehouses to become an important

3、 production and logistics system indispensable link. It is three-dimensional warehouse to the smallest area and the best utilization of space, space utilization is very low and gradually replace the outdated one-dimensional warehouse, a storage alternative to the logistics industry standards. To mee

4、t the needs of modern production and circulation, we must use a computer control technology as a primary means of automated three-dimensional warehouse. This text introduced the small car in brief in the work in the warehouse . . . . II / 47process, the PLC weaves with STEP7 the distance language, d

5、etailed described the PLC procedure design for small car to work, and fish-eye PLC procedure trapezoid diagram.Trolleys automatic control of the design process through the analysis clearly trolleys automate the process of achieving control of processes. Trolleys for the control design to the target,

6、 the use of German Siemens company S7-300 series programmable controller to achieve trolleys positioning automatic control.The first expounded on trolleys in the warehouse process and PLC operating principles to do with STEP7 programming language introduced, and then described in detail trolleys pos

7、itioning automatic control system design process, including the work of trolleys PLC programming, together with PLC procedures Tixingtu.KeywordKeywords s:S7-300 PLC，Trolleys positioning，Automated three-dimensional warehouse目 錄摘要 IABSTRACTII目錄 III. . . . III / 471 緒論 11.1 選題背景與目的 11.2 國外的研究狀況 11.3 課題

8、的研究方法和容 32 PLC 編程軟件 STEP742.1 SIEMENS 公司編程軟件 STEP7 的簡單介紹 42.2 使用 STEP7 軟件開發(fā)一個 PLC 程序的步驟 42.3 SIEMENS 公司的 S7-300 系列可編程控制器介紹 83 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計以與系統(tǒng)流程圖 113.1 控制系統(tǒng)總體方案 113.2 小車定位控制工藝流程圖 144 小車定位控制 PLC 程序編制 154.1 PLC 選型和資源配置 154.2 PLC 程序設(shè)計 18結(jié)論 25致 26參考文獻 27附錄 A（外文文獻)28附錄 B（中文譯文）35. . . . 1 / 471 緒論1.1 選題背景與目

9、的自動化立體倉庫的出現(xiàn)是物流技術(shù)的一個劃時代的革新。它不僅徹底改變了倉儲行業(yè)勞動密集、效率低下的落后面貌，而且大大拓展了倉庫功能，使之從單純的保管型向綜合的流通型方向發(fā)展。自動化立體倉庫是用高層貨架儲存貨物，以巷道堆垛起重機存取貨物，并通過周圍的裝卸搬運設(shè)備，自動進行出入庫存取作業(yè)的倉庫。自動化立體倉庫具有普通倉庫無可比擬的優(yōu)越性。首先是節(jié)約空間、節(jié)約勞力。據(jù)國際倉庫自動化會議資料：以庫存 11000 托盤、月吞吐 10000 托盤的冷庫為例，自動化立體倉庫與普通倉庫比較情況為：用地面積為 13%、工作人員為 21.9%、吞吐成本為 55.7%、總投資為 63.3%。立體倉庫的單位面積儲存量為

10、普通倉庫的 4-7 倍。其次是提高倉庫管理水平，減少貨損，優(yōu)化、降低庫存，縮短周轉(zhuǎn)期，節(jié)約資金。近年來，特別在冷凍行業(yè)，自動化立體倉庫的發(fā)展極快。自動化立體倉庫主要由貨架、巷道堆垛起重機、周邊出入庫配套機械設(shè)施和倉儲管理控制系統(tǒng)等幾部分組成。貨架長度大、排列數(shù)多、巷道窄，故密度高；巷道機上裝有各種定位的檢測器和安全裝置，保證巷道機和貨叉能高速、精確、安全地在貨架中取貨1。1.2 國外的研究狀況中國開始對立體倉庫的研制并不晚，1963 年研制成第一臺橋式堆垛機，1973 年開始研制第一座由計算機控制的自動化立體倉庫，1980 年該倉庫在汽車制造廠正式投入運行。到去年年底，中國的立體倉庫數(shù)量已超過

11、 300 座，而且這一數(shù)字還在快速的增長中。 而傳統(tǒng)倉儲存在著一些漏洞和不合理之處，如：用偽造提貨單提貨、紙質(zhì)提貨單不易識別真?zhèn)危桓鞣N賬冊在保管員手中，容易產(chǎn)生問題，且不易查詢等。使用計算機技術(shù)，通過密碼管理，可以有效杜絕這些漏洞和不合理之處。 另外，提高空間利用率和提高生產(chǎn)效率，還只是自動化立體倉庫作為一個“獨立庫”所具有的優(yōu)勢，它更大的作用是便于企業(yè)形成先進的物流系統(tǒng)，提高企業(yè)生產(chǎn)管理水平。隨著我國經(jīng)濟和科學技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代物流技術(shù)在我國也得到了很大的提高，特別是作為現(xiàn)代物流技術(shù)典的自動化倉庫技術(shù)尤其令人關(guān)注。無軌巷道堆垛機，由于. . . . 2 / 47其自動化程度高，勞動效率高，

12、可進行計算機集成管理和控制，從而可以方便地納入整個企業(yè)的物流系統(tǒng)中，因此，在一些自動化程度較高的流通企業(yè)和生產(chǎn)企業(yè)得到了很好的應(yīng)用。近幾年來，堆垛機在自動化倉庫中發(fā)展很快，不僅規(guī)模越來越大、數(shù)量越來越多，而且自動化倉庫種類也越來越多，以適應(yīng)不同場合的需求。有軌巷道堆垛機可以完成左右兩排貨架的貨物存儲工作。這種堆垛機在固定的軌道上運動，控制簡單，造價低廉2?？删幊绦蚩刂破骱喎Q PLC, 是一種以微處理器為核心的用于工程自動控制的工業(yè)控制機，其本質(zhì)是一臺工業(yè)控制專用計算機。它的軟、硬件配置與計算機極為類似，只不過它比一般計算機具有更強的與工業(yè)過程相連接的接口和更直接的適應(yīng)于控制要求的編程語言。硬件

13、主要由中央處理單元 CPU、存貯器、輸入/輸出單元以與編程器、電源和智能輸入/輸出單元等構(gòu)成.PLC 是一種專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算電子系統(tǒng)，它是以微處理機為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置，是當今工業(yè)發(fā)達國家自動控制的標準設(shè)備之一。自動化立體倉庫是一種功能多、規(guī)模大、利用率高的物資配運中心，廣泛地運用于大型倉庫，能按照編制的人庫單/出庫單自動地把物件從入口處搬運到目的貨位或從指定貨位把物件搬運到出口處。完成這一搬運任務(wù)的堆垛機是該系統(tǒng)的最關(guān)鍵部份，它在高層固定貨架巷道中運行。實現(xiàn)這一控制任務(wù)采用 PLC 控制最為合適。S7

14、-300 是模塊化中小型 PLC 系統(tǒng)，它能滿足中等性能要求的應(yīng)用。模塊化，無排風扇結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點使得 S7-300 成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務(wù)的方便又經(jīng)濟的解決方案。SIMATIC S7-300 的應(yīng)用領(lǐng)域包括：專用機床、紡織機械、包裝機械、通用機械工程應(yīng)用、控制系統(tǒng)、機床、樓宇自動化、電器制造工業(yè)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)， 多種的性能遞增的 CPU 和豐富的且?guī)в性S多方便功能的 I/O 擴展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實際應(yīng)用選擇合適的模塊。當任務(wù)規(guī)模擴大并且愈加復(fù)雜時，可隨時使用附加模塊對 PLC 進行擴展。選擇 SIMATIC S7-300 系列 PLC 系統(tǒng)并應(yīng)用在

15、立體倉庫體系中已取得了很大的成功，SIMATIC S7-300 為模塊化無風扇的設(shè)計，堅固耐用，容易擴展、具有廣泛的通訊能力，容易實現(xiàn)的分布式結(jié)構(gòu)以與用戶友好的操作使SIMATICS7-300 成為中、高檔性能控制領(lǐng)域中首選的理想解決方案。結(jié)合堆垛機的工作特性，SIMATIC S7-300 是既經(jīng)濟又方便的選擇方案。近幾年來，堆垛機在自動化倉庫中發(fā)展很快，不僅規(guī)模越來越大、數(shù)量越來越多，而且自動化倉庫種類也越來越多，. . . . 3 / 47以適應(yīng)不同場合的需求。有軌巷道堆垛機可以完成左右兩排貨架的貨物存儲工作。這種堆垛機在固定的軌道上運動，控制簡單，造價低。輸送機系統(tǒng)是自動化倉庫中不可缺少

16、的一部分。主要完成貨物的分配、收集和轉(zhuǎn)運等任務(wù)，經(jīng)常與堆垛機配合使用3。1.3 課題的研究方法和容立體倉庫中堆垛機的主要工作是完成儲存環(huán)節(jié)的搬運，即：準確地依照上位機給出的出入庫地址將貨物取出或放入有關(guān)貨位，并將工作過程的狀態(tài)信息反饋給監(jiān)控系統(tǒng)。 這個方法使堆垛機的小車每通過一個位置就記錄一個數(shù)，一直移動到和預(yù)定位置號一致時停止移動。這個方法的特點是電路簡單。另外隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了眾多優(yōu)秀的 PLC，用 PLC 來控制堆垛機是相當靈活方便的，可以在 PLC的軟件中加保護，即堆垛機每走過一個貨格的時間超過或少于正常的時間圍就報警。這樣就可以有效地避免記數(shù)出錯，本設(shè)計即采用此方法。智能立體

17、倉庫能實現(xiàn)貨物的自動存取功能，這就要小車在作水平、升降臺做垂直運動時，能準確記憶堆垛機的位置，即堆垛機的小車和升降臺所在的列和層數(shù)，以實現(xiàn)貨物的定位存取，本系統(tǒng)采取了非接觸式反射型光電傳感器，自動檢測貨位的列和層數(shù)。例如，隨小車移動，反射式光電傳感器每經(jīng)過一列貨架立柱時接收到一個反射信號，列值增加 1，升降臺每升高一層，層光電傳感器使層值增一。光電傳感器的有效反射距離為 30cm。在自動存取貨物時，貨位的輸入方法有微機鍵盤和 BCD 碼撥盤開關(guān)兩種形式輸入，PLC 在收到外部輸入的貨位層和列數(shù)層后，將此值作為層列記數(shù)器的預(yù)置值，用于實現(xiàn)貨位的自動搜索控制。. . . . 4 / 472 2PL

18、C 編程軟件 STEP72.1 SIEMENS 公司編程軟件 STEP7 的簡單介紹STEP7 是一個用于對SIEMENS S7-200系列PLC、S7-300系列PLC、以與S7-400系列PLC建立、測試和維護程序的工具。它是一個支持PLC設(shè)備和地址信息，SIEMENS 的PLC和這些PLC支持的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行通信的方便工具。該軟件具有如下特點4：（1） 統(tǒng)一的Windows開發(fā)易于操作:使用Windows環(huán)境下的各種工具可同時在不同程序之間剪切或粘貼程序語句或其他數(shù)據(jù)。使用統(tǒng)一的Windows工具能夠毫不費力的開始設(shè)計和開發(fā)工作。（2）它能在以下工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)多種多樣的自動化控制任務(wù)：生產(chǎn)制

19、造工程；汽車工業(yè)；通用機械制造；專業(yè)機械制造；塑料加工；包裝工業(yè)；食品和煙草工業(yè)；過程控制工程；（3）它的特點是高效率的組態(tài)和編程，從而大幅度地降低工程成本。此外，集成的高性能系統(tǒng)診斷功能可保證控制器的更高可用性，顯著提升生產(chǎn)率。為了減少停機時間，增加產(chǎn)量，提供可組態(tài)的過程診斷，以用于分析和排除過程故障。（4）它為節(jié)省空間的模塊化設(shè)計，可以適配您現(xiàn)有的各種機械控制任務(wù)，不需要考慮槽位規(guī)則。（5）全集成自動化：通過單一、全集成和統(tǒng)一標準的系統(tǒng)就能完成用戶所有的自動化任務(wù)。（6）分布式預(yù)處理：這種機器和設(shè)備的新概念能給用戶帶來很多優(yōu)點，如可重復(fù)使用的軟件，更快速的調(diào)試時間和更高的可用性。2.2 使

20、用 STEP7 軟件開發(fā)一個 PLC 程序的步驟1、啟動 SIMATIC 管理器并創(chuàng)建一個項目SIMATIC 管理器是一個中央窗口，STEP7 啟動時激活。項目結(jié)構(gòu)用來以一定的順序保存和排列所有數(shù)據(jù)和程序。在一個項目中，數(shù)據(jù)在分層結(jié)構(gòu)中以對象的形式保存。SIMATIC 站和 CPU 包含組態(tài)和硬件的參數(shù)數(shù)據(jù)。S7 程序包含了所有的塊，這些塊中有控制機器所需的程序。. . . . 5 / 47在 Preview 中你可以將創(chuàng)建的項目結(jié)構(gòu)的視圖在 on 和 off 之間切換。要轉(zhuǎn)到下一個對話框，點擊 Nest.每個 CPU 有特定的特性；例如，關(guān)于它的存儲器組態(tài)或地址區(qū)域。這也是為什么在你編程之前

21、要選擇 CPU。需要 MPI 地址（多點接口）是為了你的 CPU 與編程設(shè)備或PC 通訊。對于入門樣板項目，選擇 CPU314。你可以按照示例創(chuàng)建的方式在任何時候?qū)嶋H地選擇你所得到的 CPU。. . . . 6 / 47OB1 代表最高的編程層次，并組織 S7 程序中的其它塊。以后還可以重新改變編程語言。當點擊 Make 按鈕時，SIMATIC 管理器連同已生成的“Getting Started”項目窗口一起打開。每次程序啟動時 STEP7 助手將被激活。你可以在助手的第一個對話框中取消這個缺省設(shè)置。但是，如果不使用 STEP7 助手，要創(chuàng)建項目則必須在項目中自己創(chuàng)建每一個目錄。. . . .

22、 7 / 472、生成符號和地址生成一個梯形圖程序的重要一步就是對程序要訪問的那些 PLC 數(shù)據(jù)區(qū)進行定義。為了便于訪問，可以分配符號名稱，而不是每次都訪問特定地址。3、編輯梯形圖或助記符程序一個 PLC 程序既可以使用梯形圖也可以使用助記符編程語言來生成。4、通過編譯程序檢查程序的錯誤無論是在線程序還是離線程序，在其生成和編輯過程中不斷被檢驗。在梯形圖中，程序錯誤以紅線出現(xiàn)。如果梯級中出現(xiàn)一個錯誤，在梯形圖梯級的右邊將會出現(xiàn)一道紅線。例如在圖表窗口已經(jīng)放置了一個元素，但是并沒有分配符號和地址的情況下，這種情形就會出現(xiàn)。5、使 PLC 處于在線狀態(tài)6、將沒有錯誤的程序下載到 PLC 中工程包含

23、要裝載程序的 PLC 類型和型號的細目。在開始下載程序之前，必須檢查這些信息以確保這些信息是正確的，并且和實際中使用的 PLC 類型相匹配。還要為相連接的 PLC 選擇適當?shù)耐ㄐ蓬愋汀?、使 PLC 處于運行或監(jiān)視模式8、在梯形圖上監(jiān)視程序的運行9、在助記符程序編輯窗口監(jiān)視程序運行10、建立觀察窗口監(jiān)視程序運行. . . . 8 / 47監(jiān)視窗口能夠同時監(jiān)視多個 PLC 中指定 PLC 地址的容。監(jiān)視窗口一般顯示在主窗口下方。它顯示在程序執(zhí)行時 PLC 存儲器容的值。11、使用設(shè)置值功能改變定時器、計數(shù)器或數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)，使調(diào)試工作更加容易進行可以很容易的改變 TIM/CNT 指令的第一個操作數(shù)

24、，同時也可以改變用作其狀態(tài)位的地址。要做到這一點，使用“地址”作為查找對象，輸入要操作的地址狀態(tài)位（比如 T0001） 。這也能夠操作計時器/計數(shù)器指令的第一個操作數(shù)。 （例如，如果查找T0001，則 TIM 指令中的“1”也會發(fā)生匹配） 。2.3 SIEMENS 公司的 S7-300 系列可編程控制器介紹PLC的種類繁多，本設(shè)計采用的是德國Siemens公司的S7-300可編程控制器。它已成功地用于圍廣泛的自動化領(lǐng)域。S7-300 的重點在于為生產(chǎn)制造工程中的系統(tǒng)解決方案提供一個通用的自動化平臺。1、系統(tǒng)組成（1）中央處理單元 (CPU) 各種 CPU 有各種不同的性能，例如，有的 CPU

25、上集成有輸入/輸出點，有的 CPU 上集成有 PROFIBUS-DP 通訊接口等。 （2）信號模塊 (SM) 用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出。 （3）通訊處理器 (CP) 用于連接網(wǎng)絡(luò)和點對點連接。 （4）功能模塊 (FM) 用于高速計數(shù)，定位操作 (開環(huán)或閉環(huán)定位) 和閉環(huán)控制。 （5）負載電源模塊 (PS) 用于將 SIMATIC S7-300 連接到 120/230 伏交流電源，或 24/48/60/110 伏直流電源。 （6）接口模塊 (IM) 用于多機架配置時連接主機架 (CR) 和擴展機架 (ER)。S7-300 通過分布式的主機架 (CR) 和 3 個擴展機架 (ER)，可以操作多

26、達 32 個模塊。運行時無需風扇。2、SIMATIC S7-300 適用于通用領(lǐng)域高電磁兼容性和強抗振動，沖擊性，使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。. . . . 9 / 473、類型（1）S7-300 有兩種類型： 標準型 溫度圍從 0到 60 （2）環(huán)境條件擴展型 溫度圍從 -25 到 +60 更強的耐受振動和污染特性。4、功能SIMATIC S7-300 的大量功能支持和幫助用戶進行編程、啟動和維護。（1）高速的指令處理 0.60.1s 的指令處理時間在中等到較低的性能要求圍開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。 （2）浮點數(shù)運算 用此功能可以有效地實現(xiàn)更為復(fù)雜的算術(shù)運算 （3）方便用戶的參數(shù)賦值 一個帶標

27、準用戶接口的軟件工具給所有模塊進行參數(shù)賦值，這樣就節(jié)省了入門和培訓的費用。 （4）人機界面 (HMI) 方便的人機界面服務(wù)已經(jīng)集成在 S7-300 操作系統(tǒng)。因此人機對話的編程要求大大減少。SIMATIC 人機界面 (HIM) 從 S7-300 中取得數(shù)據(jù)，S7-300 按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300 操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送。 （5）診斷功能 CPU 的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件 (例如 ：超時，模塊更換，等等)。（6）口令保護 多級口令保護可以使用戶高度、有效地保護其技術(shù)，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改。 （7）操作方式選擇開關(guān) 操作方

28、式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當鑰匙拔出時，就不能改變操作方式。這樣就防止非法刪除或改寫用戶程序。5、SIMATIC S7-300 具有多種不同的通訊接口（1）多種通訊處理器用來連接 AS-I 接口、和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)（2）串行通訊處理器用來連接點到點的通訊系統(tǒng)（3）多點接口 (MPI) 集成在 CPU 中，用于同時連接編程器、PC 機、人機界面系統(tǒng)與其他 SIMATIC S7/M7/C7 等自動化控制系統(tǒng)。. . . . 10 / 476、CPU 支持下列通訊類型（1）過程通訊 通過總線 (AS-I 或 PROFIBUS ) 對 I/O 模塊周期尋址 (過程映象交換)。（2）數(shù)據(jù)通訊 在自

29、動控制系統(tǒng)之間或人機界面 (HMI) 和幾個自動控制系統(tǒng)之間，數(shù)據(jù)通訊會周期地進行或被用戶程序或功能塊調(diào)用。7、結(jié)構(gòu)DIN 標準導(dǎo)軌安裝 只需簡單地將模塊鉤在 DIN 標準的安裝導(dǎo)軌上，轉(zhuǎn)動到位，然后用螺栓鎖緊。（1）集成的背板總線 背板總線集成在模塊上，模塊通過總線連接器相連，總線連接器插在機殼的背后。 （2）更換模塊簡單并且不會弄錯 更換模塊時，只需松開安裝螺釘。很簡單地拔下已經(jīng)接線的前連接器。在連接器上的編碼防止將已接線的連接器插到其他的模塊上。 （3）可靠的接線端子 對于信號模塊可以使用螺釘型接線端子或彈簧型接線端子 （4）TOP 連接 采用一個帶螺釘或夾緊連接的 1 至 3 線系統(tǒng)進

30、行預(yù)接線?；蛘咧苯釉谛盘柲K上進行接線。 （5）確定的安裝深度 所有的端子和連接器都在模塊上的凹槽，并有端蓋保護，因此所有的模塊都有一樣的安裝深度。 （6）沒有槽位的限制，信號模塊和通訊處理模塊可以不受限制地插到任何一個槽上，系統(tǒng)自行組態(tài)。. . . . 11 / 473 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計以與系統(tǒng)流程圖3.1 控制系統(tǒng)總體方案作為一個定位控制系統(tǒng)，必須實現(xiàn)的目標是能滿足一般控制系統(tǒng)要求的自動、手動的控制功能；能根據(jù)使用者發(fā)出的指令做出相應(yīng)的動作；能夠根據(jù)相應(yīng)的情況進行自動校正。智能立體倉庫由貨架、堆垛機、自動控制裝置等部分組成，有自動和手動兩種操作方式。立體倉庫之間為巷道，兩側(cè)為雙行貨架，

31、堆垛機在巷道上、固定的天、地導(dǎo)軌之間運行。本系統(tǒng)僅設(shè)置 X 和 Y 層的貨架一行，另一行貨架僅為虛擬行，以便安裝和參觀學習。堆垛機由固定在小車的門式框架、沿門式框架上導(dǎo)軌提升運動的升降臺以與在升降臺上做伸縮運動的貨叉（機械手）等 3 部分組成，堆垛機設(shè)計成一個 3 自由度系統(tǒng)，貨物放在升降臺的貨叉上能實現(xiàn)上下、左右和前后的運動5。在確定了控制方式、PLC 品牌以后就先來了解一下小車自動控制主要的工作過程。見圖 3.1第三行貨位 1 貨位 2 貨位 3第二行貨位 1 貨位 2 貨位 3第一行 貨位 1 貨位 2 貨位 3位置 1 位置 2 位置 3圖 3.1 小車工作過程圖小車. . . . 1

32、2 / 47先來介紹一下小車工作過程，水平方向的前后運動，由小車電動機進行驅(qū)動，小車電動機為 220W 的三相交流異步電動機。堆垛機垂直方向，由提升電機驅(qū)動升降臺沿門式框架結(jié)構(gòu)做升降運動，提升速度小于 5m/min，提升電動機功率為 220W 的錐型轉(zhuǎn)子單相交流異步電動機，具有斷電抱閘制動的功能。固定在升降臺上的機械手可帶動貨物一起做伸縮運動，伸縮量為左右各 300mm，用于貨物的存取操作。速度按機械手5m/min 的速度要求設(shè)定。堆垛機的信息顯示、作業(yè)地址與指令的輸入方法有很多種。一種方法是采用發(fā)光二極管來顯示各種信息（如故障診斷代碼等） ，采用撥碼開關(guān)來輸入作業(yè)地址。此種方法原理簡單，但是

33、一旦原器件有損壞，如某個發(fā)光二極管損壞，顯示的信息就不準；會直接影響撥碼開關(guān)的可靠性，造成撥碼開關(guān)撥的數(shù)值與PLC輸入的數(shù)值不一致，堆垛機無法運行到目的地址。此種方法直接影響了堆垛機的可靠性，增大了堆垛機的后期保養(yǎng)、維修工作，因此目前此種方法已經(jīng)很少有人采用。本系統(tǒng)是采用鍵盤來輸入作業(yè)地址、作業(yè)指令、用數(shù)字和符號來顯示各種信息，輸入的數(shù)值與指令馬上可以顯示出來，校對容易，對錯一目了然。PLC 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計的硬件組成框圖：圖 3.2 硬件組成框圖編程器的顯示器有二行共 32 位 57 的液晶點陣，可以顯示數(shù)字、符號和字母；鍵盤按鍵有 09、AF 等鍵可以使用，可以向小車輸入作業(yè)地址（排、

34、列和層） 、作業(yè)可編程控制器功率驅(qū)動器 電 機 計算機鍵盤作為 按鈕輸入. . . . 13 / 47指令（存、取最多二個作業(yè)） 、操作方式（自動、手動） 。將鍵盤的 09 鍵定義為數(shù)字鍵，AF 定義為功能鍵，在輸入作業(yè)指令、作業(yè)地址時顯示器能馬上顯示出來，實現(xiàn)了簡單的人機對話，保證了輸入的作業(yè)地址和作業(yè)指令的準確性，提高了堆垛機運行的可靠性。這個方法使堆垛機的小車每通過一個位置就記錄一個數(shù)，一直移動到和預(yù)定位置號一致時停止移動。這個方法的特點是電路簡單。另外隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了眾多優(yōu)秀的 PLC，用 PLC 來控制堆垛機是相當靈活方便的，可以在 PLC 的軟件中加保護，即堆垛機每走過一

35、個貨格的時間超過或少于正常的時間圍就報警。這樣就可以有效地避免記數(shù)出錯，本例即采用此方法。智能立體倉庫能實現(xiàn)貨物的自動存取功能，這就要小車在作水平、升降臺做垂直運動時，能準確記憶堆垛機的位置，即堆垛機的小車和升降臺所在的列和層數(shù)，以實現(xiàn)貨物的定位存取，使堆垛機先以較高的速度運行到接近目的地址的位置后將速度平穩(wěn)降到較低的速度下工作，并在目的地址處準確制動停準，必要時可采取機械抱閘系統(tǒng)來輔助快速定位；堆垛機在工作過程中實時采集水平運行、貨物升降、貨叉伸縮三個方向的數(shù)據(jù)，并不斷地與存放在軟件控制數(shù)據(jù)塊里的標準位置參數(shù)進行比較和控制決策，從而達到準確定位、快速存儲貨物、提高作業(yè)效率的目的，并與監(jiān)控系統(tǒng)

36、交換工作信息和庫位狀態(tài)信息等以實現(xiàn)系統(tǒng)的全面動態(tài)管理。根據(jù)設(shè)計要求將整個定位控制的全過程分成多個階段：小車前進到指定貨架列的過程，將貨物抬升到指定貨架行的過程，機械手放置貨物或者取得貨物的過程，放置或者取得貨物之后返回的過程。在各個階段，對象的特性相對穩(wěn)定，并且小車在前進和抬升貨物的過程控制方面是基本一致的。下面對各個階段進行簡單地介紹。（1）前進的過程：在這個過程中，處于自動或者手動控制狀態(tài)的小車由起始點出發(fā)，經(jīng)過位置的校對，到達預(yù)先指定的貨架的列。（2）抬升貨物的過程：在這個過程中，貨物被抬升到預(yù)先指定的貨架的行。（3）存取貨物的過程：在這個過程中，通過控制機械手臂的運動，使機械手到達預(yù)先

37、指定的位置，然后根據(jù)實際的需要完成存放或者取得貨物的操作。（4）返回過程：在完成指定的操作之后，小車應(yīng)該返回起始位置。. . . . 14 / 473.2 小車定位控制工藝流程圖清楚了小車工作的邏輯關(guān)系后，可設(shè)計整體工藝流程圖： 否 是 否 是圖 3.3 工藝流程圖自動運動方式初始化過程僅在啟動時完成啟動主程序選擇運行方式判斷定位程序選擇運行方式是否已經(jīng)到位置運行到位標志結(jié)束主程序. . . . 15 / 474 小車定位控制 PLC 程序編制在確定了控制方式并且掌握了小車控制系統(tǒng)流程圖和 STEP7 PLC 編程軟件的編程過程后，那么在本章里就可以很好的編制出小車定位控制系統(tǒng)各個部分流程的

38、PLC 梯形圖程序。4.1 PLC 選型和資源配置1、PLC 選型S7-300 系列的 PLC，由于其具有緊湊的設(shè)計、良好的擴展性、低廉的價格與強大的命令，使得 S7-300 系列可以近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的 CPU類型和電壓等級使其在解決工業(yè)自動化問題時，具有很強的適應(yīng)性。S7-300 CPU-312 系統(tǒng)分別對小車電機用變頻器、機械手電機步進驅(qū)動模塊進行自動控制，并對檢測信號與外部輸入數(shù)據(jù)和控制信號進行處理，實現(xiàn)了對小車、機械手驅(qū)動、升降臺提升與保護等控制的基本要求。表 4.1 所示是 CPU-312 的技術(shù)參數(shù)。表表 4.1CPU-3124.1CPU-312 的技術(shù)參

39、數(shù)的技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù) 說明主存儲器 16K 字節(jié)/5K 語句裝載存儲器 通過 MMC 的 64K 字節(jié)到 8Mbyte 字節(jié)后備 通過 MMC 的所有模塊處理時間 位操作 200ns位存儲器/定時器/計數(shù)器位存儲器 1k 字節(jié)S7 定時器/ S7 計數(shù)器 128/128IEC 定時器/ IEC 計數(shù)器 有模塊的數(shù)量可裝載的塊的數(shù)量(FC+FB+DB 的總和) 1024數(shù)量的圍 512FC,512FB,511DB地址圍I/O 地址區(qū) 1024/1024 字節(jié)I/O 過程映象 128/128 字節(jié)數(shù)字量通道(中央) 256模擬量通道(中央) 642、I/O 資源配置系統(tǒng)資源分配如表 4.2 所示。

40、. . . . 16 / 47表表 4.2PLC4.2PLC I/OI/O 地址分配表地址分配表位號名數(shù)據(jù)類型說明I0.0BOOLSTARTI0.1BOOLSTOPI0.2BOOL自動選擇輸入I0.3BOOL手動選擇輸入I0.4BOOL前后運動I0.5BOOL向前運動I0.6BOOL向后運動I0.7BOOL升降運動I1.0BOOL上升運動I1.1BOOL下降運動I1.2BOOL伸縮運動I1.3BOOL前伸運動I1.4BOOL后縮運動I1.5BOOL抓取物品I1.6BOOL放置物品Q0.0BOOL小車向前運行Q0.1BOOL小車停止向前運行Q0.2BOOL小車向后運行Q0.3BOOL小車停止向后

41、運行Q0.4BOOL機械手上升Q0.5BOOL停止上升Q0.6BOOL機械手下降Q0.7BOOL停止下降Q1.0BOOL機械手前伸Q1.1BOOL停止前伸Q1.2BOOL機械手后縮Q1.3BOOL停止后縮Q1.4BOOL放置物品Q1.5BOOL抓取物品M0.0BOOL運動狀態(tài)M10.0BOOL手、自動狀態(tài)M20.0M20.1M20.2BOOLBOOLBOOL小車前后運動使能列到位標志升降運動使能. . . . 17 / 47續(xù)表續(xù)表位號名M20.3數(shù)據(jù)類型BOOL說明行到位標志M20.4BOOL伸縮運動使能M20.5BOOL物品到位標志M20.6BOOLM20.7BOOL程序運行方向標志M21

42、.1BOOL向前運行標志M21.2BOOL向后運行標志M21.3BOOL上升運行標志M21.4BOOL下降運行標志M21.5BOOL前伸運行標志M21.6BOOL后縮運行標志M21.7BOOL小車已經(jīng)完成預(yù)定動作，返回M22.0BOOL機械手放下貨物標志M22.1BOOL前后電機運行停止M23.0BOOL機械手抓取貨物標志3、其他資源配置EM253 位控模塊是 S7-300 的特殊功能模塊。能夠產(chǎn)生移動控制所需的脈沖串，其組態(tài)信息存儲在 S7-300 的 V 存儲區(qū)中，用于步進電機和伺服電機的速度和位置的開環(huán)控制。位控模塊的特性如下：（1）位控模塊可提供單軸開環(huán)移動控制所需要的功能和性能；（2

43、）提供高速控制從每秒 12 個脈沖至每秒 200 000 個脈沖；（3）支持急停 S 曲線或線形的加速減速功能；（4）提供可組態(tài)的測量系統(tǒng)，既可以使用工程單位如英寸或厘米，也可以使用脈沖數(shù)；（5）支持手動的位控方式；（6）提供連續(xù)操作；（7）提供 4 種不同的參考點尋找模式，每種模式都可對起始的尋找方向和最終的接近方向進行選擇。. . . . 18 / 474.2 PLC 程序設(shè)計1、程序初始化在程序的第一個掃描周期（SM0.1=1）設(shè)置重要的參數(shù)，然后運行，按下設(shè)備的“啟動” （START）按鈕開始運行，首先調(diào)用子程序檢測位置信號，取得當前位置記數(shù)，然后將位置計數(shù)存放在變量 MW12（行記數(shù)

44、） 、MW14（列記數(shù)）中，以便程序判斷是否已經(jīng)到達指定的位置。程序初始化由網(wǎng)絡(luò) 1 和網(wǎng)絡(luò) 2 完成。 （網(wǎng)絡(luò)是 PLC 梯形圖的一個基本單位，通?？梢岳斫鉃橐粋€程序行。 ）這是一段簡單的初始化過程程序，S7-300 在讀特殊存 SM0.1，只有在首次掃描循環(huán)時打開，所以這段初始化程序只在程序開始運行的時候執(zhí)行一次。這里執(zhí)行的兩條指令對變量 MW12 以與 MW14 進行初始化，這兩個變量分別為小車運行中所經(jīng)過的行計數(shù)以與列計數(shù)。由于要涉與到小車完成任務(wù)的過程以與完成任務(wù)以后返回的過程，所以程序在執(zhí)行的過程中必須要明確其運動方式和目的，是前進或后退運動、升降運動或者是機械手臂的伸縮運動等。因

45、此，在以下的程序中，每一個運動過程都必須加上很明確的標志和條件限制來確定。其運動的方式和運動的目的，這樣才不至于因為目的不明確而造成錯誤的判斷以與錯誤的動作，造成存取貨物的失敗。網(wǎng)絡(luò) 1 的梯形圖如圖 4.1 所示圖 4.1 網(wǎng)絡(luò) 1. . . . 19 / 47網(wǎng)絡(luò) 2 的梯形圖如圖 4.2 所示圖 4.2 網(wǎng)絡(luò) 22、列向自動運行下面是一段小車沿列向自動運行的程序。在這段程序中，首先要考慮的問題就是：小車處于前進或者是存放貨物的過程，還是完成了預(yù)定任務(wù)返回的過程。但是由于 PLC程序的執(zhí)行特點是逐行掃描，所以僅僅判斷小車是處于前進過程還是返回過程是不夠的，因為在返回過程中，還有機械手臂從貨

46、架上縮回、機械手臂下降到初始位置等幾個過程，所以說，必須要在程序中能夠?qū)⑦@ 3 種完全不同的運動區(qū)分開來。根據(jù)這種要求，在編寫程序的時候加入了 3 個不同的 BOOL 類型的變量 M20.1、M20.3 以與M20.5，分別作為小車沿列向運行到位標志、機械手沿行向運行到位標志、機械手貨架到位標志。當變量為 ON 時，表示已經(jīng)完成了該項動作，為 OFF 時表明小車還沒有完成對應(yīng)的運動。Q0.0 是開關(guān)量輸出，表示啟動小車前進，小車開始向前運動。在這里，筆者認為自動控制不需要控制小車的向后運動。當小車還處于取放貨的動作未完成的階段時，需要判斷的是小車是否已經(jīng)完成了列的定位，如果未完成列的定位（M2

47、0.1 為 OFF） ，那么啟動小車前進的電機使小車向前運動。如果小車處于已經(jīng)完成了取放貨的動作時，那么判斷小車是否已經(jīng)完成了由貨架上返回（伸縮機械手的運動） 、是否已經(jīng)完成了由指定行數(shù)退回初始行位置的運動（如果完成，小車應(yīng)該是第一行以下的位置） 。如果小車這兩個過程都已經(jīng)完成，那么將開始進行后退運動，Q0.2 表示啟動小車后退電機，使小車向后運行并返回初始位置。M20.5 是伸縮運動到位標志。為 ON 時，表示機械手已經(jīng)到達指定位置，為 OFF 時表示還未到達指定位置。Q1.0表示前伸運動的開關(guān)量輸出，Q1.2 表示后縮運動開關(guān). . . . 20 / 47量輸出。網(wǎng)絡(luò) 3 的梯形圖如圖 4

48、.3 所示圖 4.3 網(wǎng)絡(luò) 33、手動控制下面一段程序是手動情況下對小車進行控制的程序代碼。在開始按鈕已經(jīng)按下的情況下（START 按鈕的狀態(tài)由變量 M0.0 來對應(yīng)） ，M0.0 為 ON 時表示已經(jīng)開始運行，反之則為停滯狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò) 4 的梯形圖如圖 4.4 所示. . . . 21 / 47圖 4.4 網(wǎng)絡(luò) 44、自動控制下面是自動控制部分，由網(wǎng)絡(luò) 5 實現(xiàn)。Q0.4 是開關(guān)量輸出，表示啟動小車機械手上升，機械手開始運動。在這里，我認為自動控制不需要控制小車機械手的下降運動。當小車還處于取放貨的動作未完成的階段時，需要判斷的是小車是否已經(jīng)完成了列的定位，如果未完成列的定位（M20.3 為

49、OFF）,那么啟動小車機械手上升的電機，使機械手做上升運動。如果小車處于已經(jīng)完成了取放貨的動作，那么判斷小車是否已經(jīng)完成了由貨架上的返回（伸縮機械手的運動） ，如果小車這個過程已經(jīng)完成，那么將開始進行后退運動。Q0.6 表示啟動機械手下降電機，使機械手下降并返回初始位置。網(wǎng)絡(luò) 5 的梯形圖如圖 4.5 所示. . . . 22 / 47圖 4.5 網(wǎng)絡(luò) 55、自動控制機械手臂伸縮運動自動控制機械手臂伸縮部分由網(wǎng)絡(luò) 6 完成。前后、升降運動都進行完畢以后，機械手已經(jīng)到達了指定的行數(shù)與列數(shù)，將進行伸縮運動來完成貨物的存取。網(wǎng)絡(luò) 6 的梯形圖如圖 4.6 所示. . . . 23 / 47圖 4.6

50、 網(wǎng)絡(luò) 6由于基本原理與前面的前后、升降運動相似，就不詳細說明了，下面只對一些不. . . . 24 / 47同于前面兩種運動的情況進行說明。M20.5 是伸縮運動到位標志。為 ON 時，表示機械手已經(jīng)到達指定位置，為 OFF 時表示還未到達指定位置。Q1.0表示前伸運動的開關(guān)量輸出，Q1.2 表示后縮運動開關(guān)量輸出。由于機械手是以 5m/min 的速度運動，伸縮距離為 30cm，定時器 C37 是以100ms 為基本記時單位的，所以計算得到機械手可以到達預(yù)定位置的時間：運動距離 L=30cm速度 v=5m/min運行時間 t=L/v*0.01=0.06min=3.6s=3z600ms因此選用

51、 100ms 定時器 C37 進行計時，應(yīng)該設(shè)置計時累加為 36。6、自動控制存取物品自動存取物品的程序由網(wǎng)絡(luò) 7 完成。網(wǎng)絡(luò) 7 的梯形圖如圖 4.7 所示. . . . 25 / 47圖 4.7 網(wǎng)絡(luò) 7. . . . 26 / 47結(jié)論這次畢業(yè)設(shè)計使用 PLC 在自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用時，使用方便，適應(yīng)性強，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以與造紙、建材等各種生產(chǎn)部門。選擇 SIMATIC S7-300 系列 PLC 系統(tǒng)并應(yīng)用在自動化立體倉庫中已取得了很大的成功，SIMATIC S7-300為模塊化無風扇的設(shè)計，堅固耐用，容易擴展、具有廣泛的通訊能力，容易實現(xiàn)的分布式結(jié)構(gòu)以與用戶友好的

52、操作使 SIMATIC S7-300 成為中、高檔性能控制領(lǐng)域中首選的理想解決方案。結(jié)合堆垛機的工作特性，SIMATIC S7-300 是既經(jīng)濟又方便的選擇方案。. . . . 27 / 47致這次設(shè)計是在琦老師的精心指導(dǎo)下完成的，琦老師知識淵博，經(jīng)驗豐富，他經(jīng)常利用休息時間對我們進行輔導(dǎo)，老師的淵博的知識和對工作認真負責的態(tài)度，以與對我們孜孜不倦的照顧讓我十分感動。通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我對自動控制理論有了很大的提高，對 PLC 也有了更深刻的認識，在經(jīng)過大量的實驗后我把理論同實踐結(jié)合起來，對我將來的工作有很大的幫助。從琦老師那里我不僅學到了豐富的文化知識，更重要的是學到了很多做人的道理，導(dǎo)師

53、和同學對我的支持和鼓勵，永遠是我不斷前進的動力。在我即將離開學校，踏上社會的時刻，讓我真心的說一聲曾經(jīng)幫助過我的老師和同學們，祝老師今后工作順利，身體健康，家庭幸福、美滿！. . . . 28 / 47參考文獻1 周奇才，自動化倉庫主要運行參數(shù)的優(yōu)化確定M.鐵道大學學報,19992 友善，自動控制原理與應(yīng)用M. ：國防工業(yè)，19983 蔡尚峰，自動控制理論應(yīng)用技術(shù)和設(shè)計實例M. ：機械工業(yè)，20034 王兆義，西門子公司的 S7-300 系列 PLC 開發(fā)導(dǎo)航 M. ：機械工業(yè)，20055 胡學林、宋宏等編，電氣控制與 PLC 應(yīng)用M. ：冶金工業(yè)，2001 6Analog Devices P

54、rogrammable Logic ControllersJVersion 1.0Jan 2003. . . . 29 / 47附錄 A（外文文獻)INTRODUCTION OF PROGRAMMABLE CONTROLLERSProgrammable controllers systems have evolved to not only replace electromechanical devices, but to solve an ever-increasing array of control problems in both process and non-process ind

55、ustries. By all indications, these microprocessor- powered giants will continue to break new ground in the automated factory into the 1990s.1 1 HistoryHistoryIn the 1960s, electromechanical devices were the order of the day as far as control was concerned. These devices commonly known as relays, wer

56、e being used by the thousands to control many sequential-type manufacturing processes and stand-alone machines. Many of these relays were in use in the transportation industry, more specifically, the automotive industry. These relays used hundreds of wires and their interconnections to effect a cont

57、rol solution. The performance of a relay was basically reliable-at least as a single device. But the common applications for relay panels called for 300 to 500 or more relays, and the reliability and maintenance issues associated with supporting these panels became a very great challenge. Cost becam

58、e another issue, for in spite of the low cost of the relay itself, the installed cost of the panel could be quite high. The total cost including purchased parts, wiring, and installation labor, could range from$30$50 per relay. To make matters worse, the constantly changing needs of a process called

59、 for recurring modifications of a control panel. With relays, this was a costly prospect, as it was accomplished by a major rewiring effort on the panel. In addition, these changes were sometimes poorly documented, causing a second-shift maintenance nightmare months later. In light of this, it was n

60、ot uncommon to discard an entire control . . . . 30 / 47panel in favor of a new one with the appropriate components wired in a manner suited for the new process. Add to this the unpredictable, and potentially high, cost of maintaining these systems as on high-volume motor vehicle production lines, a