边江智能立体仓库物品定位的PLC自动控制系统解读.docx

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边江智能立体仓库物品定位的PLC自动控制系统解读

摘要

可编程控制器（简称PLC或PC）是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。

它具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点。

目前，可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。

其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。

应用PLC成为世界的潮流，PLC将在我国得到更全面的推广应用。

企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得仓库成为生产物流系统中的一个重要且不可缺少的环节。

立体仓库正以它最小的占地面积和最佳的空间利用率，逐步替代面积利用率极低且陈旧落后的平面仓库，这种替代促使仓储物流业的水平提高。

为满足现代化生产与流通的需要，就必须采用以计算机控制技术为主要手段组成的自动化立体仓库控制系统。

自动化立体仓库为现代物流系统的主要设备，是一种多层存放货物的高层仓库系统。

也是CIMS的集成环节之一，在FMS和FAS中占有非常重要的地位。

关键词：

可编程控制器；立体仓库；控制系统

Abstract

ProgrammableLogicController（PLC）isamoderncontrolequipmentofindustrialautomationwhichhashighlyreliability.Ithasalotofmerits.Suchasstrongholdingcapacity、highlyreliability、assignmentflexibility、compilingprogrameasily、usedexpedientlyandexpansioneasily.Atpresent，PLCbecomesthemostimportantinindustrializationrealmandthemostapplicationcontroldevice.Itisthefirstplaceinthethreesupportsoftheindustrialautomatedproduction（PLC、Industrialrobot、Computer-aideddesignandmanufacture）.ItistrendofthetimesoftheworldtousePLCandPLCwillbeusedspeedilyoverallinourcountry.

Withtheproducescaleofmodernizationbusinessismoreandmoreexpanderanddeeper,warehouseismoreimportantandindispensableinproducingproceduresystem.Stereoscopicwarehousewhichtakessmallestareandthebestutilizationratioinspaceinsteadofplanewarehouse.thiscanimprovethelevelofthewarehouseprocedure.ItneedstouseSolidAutomatedWarehouse（SAW）whichismadeofcomputercontroltechnologytobefullofmodernizationproduceandcirculate.SAWisthemainequipmentinthemoderncirculatesystemandnotonlyoneofCIMSintegratedlinkbutalsostrongstatusinFMSandFAS.

Keywords:

ProgrammableLogicController;Stereoscopicwarehouse;Thecontrolsystem

目录

1引言1

2PLC的简介2

2.1可编程控制器发展史2

2.2PLC的构成3

2.2.1CPU模块3

2.2.2I/O模块4

2.2.3电源模块4

2.3可编程控制器实现控制的要点4

2.4西门子S7-200介绍5

2.5CPU226简介6

2.6编程软件8

2.6.1基本功能8

2.6.2三种编程器的特点8

3定位自动控制系统总体设计10

3.1功能分析10

3.2定位自动控制系统PLC选型和资源配置11

3.2.1PLC选型11

3.2.2PLC的I/O资源配置13

3.2.3其他资源配置14

3.3控制系统的主要功能15

3.3.1工作方式选择15

3.3.2变频调速系统控制16

3.3.3货叉伸缩控制18

3.4控制原理分析18

3.5模型的自动寻址20

4控制系统PLC程序设计流程21

4.1程序设计思路21

4.2程序流程图21

5智能立体仓库物品定位自动控制系统的PLC程序说明23

5.1程序初始化23

5.2列向自动运行24

5.3手动控制26

5.4自动控制28

5.5自动控制机械手臂伸缩运动30

5.6自动控制存取物品33

结论37

致谢38

参考文献39

附录A英文原文40

附录B中英文对照44

附录C源程序47

附录D梯形图56

1引言

立体仓库是物流系统的集散地，实现了仓库功能人单纯保管型向综合流通型的转变。

它以高层立体货仓为主体，以自动化搬运工具为基础，以计算机技术为主要手段的高效大容量现代化储运设备。

自动化立体仓库广泛应用于大型仓库，能按照编制的入库单，出库单自动地把物件从入口处搬运到目的货位或从指定货位把物件搬运到出口处。

完成这一搬运任务的堆垛机是该系统的关键部件，它在高层固定货架巷道中运行。

自动化立体仓库采用PLC控制、变频调速、光电检测定位、步进驱动控制及计算机管理等一系列自动控制技术。

PLC集中控制系统，是当前应用最为广泛的一种堆垛机自动控制系统。

它以PLC为中心，通过通信接口，接收来自上位机的任务信息，采集设备传感系统的各种信息，通过PLC的控制软件，控制PLC的输出，控制设备的各向运动，对货物进行存、取作业，实现货物的流转与存储。

同时通过通信接口，向上位机发送设备的实时状态信息，以实现仓库实时监控系统对自动化立体仓库所有设备的实时监控功能。

2PLC的简介

2.1可编程控制器发展史

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制是按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求。

第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器。

个人计算机发展起来后，为了方便，也为了反映可编程序控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController。

现在，仍常常将PLC简称PC[8]。

追溯到20世纪的六十年代末，认识一下可编程控制器的发展史。

在可编程控制器出现以前，继电器控制在工业控制领域占主导地位，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序地工作，若要改变控制的顺序就必须改变控制系统的硬件接线，因此，其通用性和灵活性较差。

20世纪的六十年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。

1968年，美国最大的汽车制造商—通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。

主要内容是：

（1）编程方便，可现场修改程序。

（2）维修方便，采用插件式结构。

（3）可靠性高于继电器控制装置。

（4）体积小于继电器控制盘。

（5）数据可直接送入管理计算机。

（6）成本可与继电器控制盘竞争。

（7）输入可为市电。

（8）输出可为市电，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器。

（9）扩展时原系统改变最少。

（10）用户存储器大于4KB。

这些条件实际上提出将继电器控制的简单易懂、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬接线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。

1969年，美国数字设备公司（DEC公司）研制出了第一台可编程控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生[2]。

可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。

1971年，日本开始生产可编程控制器。

1973年，欧洲开始生产可编程控制器。

到现在，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器装置。

可编程控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30%-40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的未来，是无法取代的。

2.2PLC的构成

从结构上分，PLC分为固定式和组合式两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

2.2.1CPU模块

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用。

每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存如规定的寄存器中。

同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元

2.2.2I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入，开关量输出，模拟量输入，模拟量输出等模块。

开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。

常用的I/O分类如下：

（1）开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

（2）模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA，0-20mA）、电压型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。

除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力限制。

2.2.3电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

2.3可编程控制器实现控制的要点

入出信息变换、可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。

入出信息变换依靠运行存储于PLC内存中的程序实现。

PLC程序既有生产厂家的系统程序（不可更改），又有用户自行开发的应用（用户）程序。

系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。

用户程序由用户按控制要求设计。

什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。

可靠物理实现主要靠输人（INPUT）及输出（OUTPUT）电路。

PLC的I/O电路，都是专门设计的。

输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。

而且与内部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦元件建立联系。

输出电路内外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。

输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等[10]。

I/O电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个I/O电路。

PLC有多少个I/O用点，一般也就有多少个I/O用电路。

但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，所占体积并不大。

输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。

每一个输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。

输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。

输出锁存器与输出点也是一一对应的。

这里的输入暂存器及输出锁存器实际就是PLC处理器I/O口的寄存器。

它们与计算机内存交换信息通过计算机总线，并主要由运行系统程序实现。

把输人暂存器的信息读到PLC的内存中，称输入刷新。

PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。

这个区的每一对应位（bit）称之为输入继电器，或称软接点。

这些位置成1，表示接点通，置成0为接点断。

由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。

输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。

一个输出锁存器也有一个内存位（bit）与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈。

靠运行系统程序，输出继电器的状态映射到输出锁存器。

这个映射也称输出刷新。

输出刷新主要也是靠运行系统程序实现的。

这样，用户所要编的程序只是内存中输入映射区到输出映射区的变换，特别是怎么按输入的时序变换成输出的时序。

这是一个数据及逻辑处理问题。

由于PLC有强大的指令系统，编写出满足这个要求的程序是完全可能的，而且也是较为容易的。

2.4西门子S7-200介绍

可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础的工业控制装置，其中S7-200是小型可编程序控制器，可以应用于各种小型自动化系统，具有紧凑的设计，高速的处理能力，界面友好的编程软件，良好的扩展性，安全可靠的通讯，强大的指令集等优点。

可编程序控制器是一种新型的工业自动化控制装置，在今后的工业控制领域中它必将迅速发展并成为主统。

SIMATICS7-200系列PLC可以满足各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化控制需要。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能价格比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

（1）极高的可靠性

（2）极丰富的指令集

（3）易于掌握

（4）便捷的操作

（5）丰富的内置集成功能

（6）实时特性

（7）强劲的通讯能力

（8）丰富的扩展模块

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

如：

冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统[11]。

2.5CPU226简介

CPU222/224/224XP/226均有6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。

可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。

可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。

本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O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、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

I/O端子排可以很容易地整体拆卸。

用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。

可完全适应于一些复杂的中小型控制系统[12]。

其端子连接如图2.1所示。

图2.1CPU226DC/DC/DC端子连接图

2.6

编程软件

STEP7-Micro/WIN32V3.2编程软件可以对所有的CPU221/222/224/224XP/226功能进行编程。

其功能是通过一个主程序调用其他子程序或中断程序，保证了程序结构的清晰。

此外，还可以生产数据块，用语句表（STL）和梯型图（LAD）编程，进行符号编程；通过符号表分配符号和绝对地址，并可打印输出。

支持三角函数，开方，对数运算功能。

STEP7MicroWIN32是在Windows平台上运行的SIMATICS7-200软件简单、易学，具有扩展功能，能够解决复杂的自动化任务，西门子STEP7可以快速进入，节省编程时间。

2.6.1基本功能

（1）STEP7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATICS7-200PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。

（2）适用于所有SIMATICS7-200PLC机型软件编程。

（3）STEP7-MicroWINV3.2提供三种编辑器来创建程序：

梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）。

用任何一种程序编辑器编写的程序，都可以用另外一种程序编辑器来浏览和编辑，但要遵循一些输入规则。

（4）具有密码保护功能。

（5）STEP7-Micro/WIN提供软件工具帮助您调试和测试您的程序。

这些特征包括：

监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。

（6）指令向导功能：

PID自整定界面；PLC内置脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）指令向导；数据记录向导；配方向导[12]。

2.6.2三种编程器的特点

（1）STL编辑器的特点

STL编辑器按照文本语言的形式显示程序。

STL编辑器允许你输入指令助记符来创建你的控制程序。

语句表也允许你创建用LAD和FBD编辑器无法创建的程序。

这是因为你在使用S7-200的本族语言进行编辑，而在图形编辑器中，为了正确地画出图形，必须遵守一些规则。

（2）LAD编辑器的特点

LAD编辑器以图形方式显示程序，与电气接线图类似。

梯形图程序允许程序方针来自电源的电流通过一系列的逻辑输入条件，决定是否使能逻辑输出。

一个LAD程序包括左侧提供能流的能量线。

闭合的触点允许能留经过并到达下一个元素；打开触点会阻塞能流。

（3）FBD编辑器的特点

FBD编辑器以图形方式显示程序，由通用逻辑门图形组成。

它没有梯形图编辑器中的触点和线圈，但有与之等价的指令，用盒指令表示。

S7-200PLC用LAD编程时以每个独立的网络块（Network）为单位，所有的网络块组合在一起就是梯形图程序，这也是S7-200PLC的特点。

S7-200PLC用STL编程时，如果也以每个独立的网络块为单位，则STL程序和LAD程序基本上是一一对应的，而且两者可以通过编程软件互相转换[13]；如果不是每个独立的网络块为单位编程，而是连续编写，则STL程序和LAD程序不能通过编程软件相互转换。

3定位自动控制系统总体设计

作为一个定位控制系统，必须实现能满足一般控制系统要求的自动、手动的控制功能，能根据使用者发出的指令做出相应的动作，能够根据实际的情况进行自动的校正的目标。

3.1功能分析

智能立体仓库有货架、堆垛机、自动控制装置等部分组成，有自动和手动两种操作方式。

立体仓库中间为巷道，两侧为双行货架，堆垛机在巷道上，固定的天、地导轨之间运行。

本系统仅设置X和Y层的货架一行，另一行货架仅为虚拟行，以便安装和参观学习。

堆垛机由固定在小车上的门式框架、沿门式框架上导轨提升运动的升降台以及在升降台上做伸缩运动的货叉（机械手）等三部分组成，堆垛机设计成一个三自由度系统，货物放在升降台的货叉上能实现上下、左右和前后的运动。

水平方向的前后运动，由小车电动机进行驱动，小车电动机为220W的三相交流异步电动机。

堆垛机垂直方向，由提升电机驱动升降台沿门式框架结构做升降运动，提升速度小于5m/min，提升电动机功率为220W的锥型转子单相交流异步电动机，具有断电抱闸制动的功能。

固定在升降台上的机械手可带动货物一起做伸缩运动，伸缩量为左右各300mm，用于货物的存取操作。

速度按机械手5m/min的速度要求设定。

定位自动控制系统工艺流程:

根据设计要求将整个定位控制的全过程分为多个阶段；小车前进到指定货列架的过程；将货物抬升到指定货架行的过程；机械手放置货物或者取得货物的过程；放置或取得货物之后返回的过程。

在各个阶段，对象的特征相对稳定，并且小车在前进和抬升货物的过程控制方面是基本一致的。

其取货过程见图3.1

图3.1取货流程图

下面对各个阶段进行简单地介绍。

（1）小车前进过程：

在这个过程中，处于自动或者手动控制状态的小车由起始点出发，经过位置的校对，到达预先指定列值的货架位置。

（2）抬升货物过程：

在这个过程中，货物被抬升到预先指定行值的货架位置。

（3）存取货物过程：

在这个过程中，通过控制机械手臂的运动，使机械手到达预先指定的位置。

然后根据实际的需要完成存放或者取得货物的操作。

（4）返回过程：

在完成指定的操作之后，小车应该返回起始位置。

3.2定位自动控制系统PLC选型和资源配置

根据实际的控制点数和系统需要实现的控制要求，在本课题中选用了西门子公司生产的S7－200系列的PLC作为控制系统。

按照控制点数来计算，可以选用CPU－224这个型号的CPU模块。

3.2.1PLC选型

图3.2所示的就是S7－200系列的PLC，由于其具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令系统，使得S7－200系列可以近乎完美的满足小规模的控制要求。

此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决工业自动化问题时，具有很强的适应性。

图3.2西门子公司的S7－200系列PLC

S7－200CPU226（扩展）系统分别对小车电机用变频器、机械手电机步进驱动模块进行自动控制，并对检测信号及外部输入数据和控制信号进行处理，实现了对小车、机械手驱动、升降台提升及保护等控制的基本要求。

表3.1所示是CPU－226的技术参数。

表3.1CPU－226的技术参数

技术参数

说明

本机数字输入

24路数字量输入

本机数字输出

16路数字量输出

高速计数器（32-位值）

6个高速计数器

脉冲输出

2个，20kHz脉冲速率

模拟电位器

1个，8位分辨率

时间中断