立体仓库监控系统毕业设计 吴伟苏晓辉.docx

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立体仓库监控系统毕业设计吴伟苏晓辉

毕业设计报告

设计题目：

立体仓库监控系统

设计作者1：

苏晓辉

专业班级/学号：

11自动化1班1106160130

设计作者2：

吴伟

专业班级/学号：

11自动化1班1106160107

设计时间：

2013年12月—2014年1月

摘要

随着我国国民经济的发展，自动化立体仓库的应用越来越广泛。

利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化。

自动化立体仓库的主体由货架、巷道式堆垛起重机、入（出）库工作台和自动运进（出）及操作控制系统组成。

本课题的电气控制主要由西门子公司的PLC、步进电机驱动器、步进电动机、直流电动机等器件组成。

本文首先对本课题进行简要的介绍，包括背景，研究意义，现状等；其次对该系统的硬件组成、结构、原理进行了阐述和分析；再次对本系统用到的器件进行分别介绍，重点对PLC程序进行了编写；最后对设计本课题所学到的知识和结论进行归纳和总结。

关键词：

立体仓库；电气控制；PLC

Abstract

Withthedevelopmentofnationaleconomyofourcountry,Theapplicationofautomatedwarehousewillbecomemorewidely.Themainbodyoftheautomatedwarehouseismadeupofshelves,stakingcranesroadway,worktableandoperationcontrolsystem.ElectricalcontrolofthesubjectmainlybySiemensPLC,steppermotordrivepowermodulesandotherdevices.

Firstly,It’sabriefintroductionofthesystem,includingbackground,significance,status,etc.secondly,Thehardwarecomponentsofthesystem,structure,principlearedescribedandanalyzed.Thirdly,thedevicesofthissystemareintroduced,focusingonthePLC—thesoftwareiswritten.Finally,summarizetheknowledgeaboutthispaper.

Keywords:

Warehouse；ElectricalControl；PLC；

第一章引言

由于世界经济、现代科技的快速发展，物流产业成为经济发展中的新兴的一个服务部门。

在国际上，物流产业成为了国民经济发展的动脉，其发展的程度成为一个国家的现代化程度以及综合锅里的重要标志之一。

在我们国家，由于市场经济的不断深入，单纯依赖商流而赚取利润的机会将会变少。

因此，企业需要将目标转向物流。

在20世纪六、七十年代，一些发达国家都开始重视仓储管理。

立体仓库一般是指采用几层、十几、几十层的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物的出、入库操作。

因为这类仓库能充分的利用空间存储货物，所以将它称为立体仓库。

我国立体仓库与物料搬运的研究也并不是很晚，1973年开始研究立体仓库，1980年就有立体仓库应用于实践。

自动化立体仓库有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已经成为了企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术。

自动化立体仓库的主要优点如下：

（1）仓库作业实现机械化和自动化。

（2）采用高层货架、立体储存，能有效地利用空间，减少占地面积，降低土地购置费用。

（3）采用托盘或货箱储存货物，货物的破损率显著降低。

（4）货位集中，便于控制与管理，特别是使用电子计算机，不但能够实现作业过程的自动控制，而且能够进行信息处理。

在本论文中第一章介绍了立体仓库的发展情况；第二章介绍了立体仓库系统的设计要求；第三章介绍了立体仓库系统设计的方案；第四章阐述了立体点阵系统的软件设计思路；第五章介绍了在编写程序时遇到的问题和解决办法。

第二章设计的任务及要求

2.1设计任务

1、机械手（货台）要有三个自由度，即：

前进、后退；上、下；左、右。

2、机械手的运动由步进电机驱动。

3、机械手前进（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行。

4、机械手前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护。

5、每个库位必须有检测装置（微动开关）。

6、在手动模式下通过组态可以实现任意仓库的的货物存储。

7、在自动模式下可以实现自动切换仓库里面的格子。

8、能是实现切换仓库（即货物架）。

2.2设计要求

1、通电状态下，各机构手动复位，即返回初始状态。

点击手自动选择开关置于自动（或自动）位置，立体仓库坐标定位以初始位置开始。

2、当手动模式的时候，可点击停止，选择物架（有3*3、4*4、5*5物架，默认为5*5物架）按送物料按钮后，送料台上有物件，选择欲送货物的仓库位。

货物自动送入指定的仓位号对应的仓库位里。

若被指定的仓位号里已存满货物（即：

有3个物料），则送货命令不被执行。

送货完成后，小车自动返回原来的位置。

3、当自动模式的时候，可点击停止，选择物架（有3*3、4*4、5*5物架，默认为5*5物架）点击启动送料台可以自动将货物依次从仓库1存放到满，实现报警。

4、送货指令完成后，机构自动返回原来位置。

5、在组态画面上必须能监视到货台现在的位置

6、上电复位时货台的位置不能飘出组态界面

7、在安全方面。

当舞台回到原点后便不能继续向原点方面运行

8、 整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。

第三章系统总体设计

3.1方案论证

方案一：

PLC负责驱动程序和控制程序，组态负责监视

如果由PLC负责驱动程序和主控程序，那么PLC还必须建立一个数据库来统计立体仓库中每个一格子的原件个数，而PLC本身对数据库这一方面并不擅长。

方案二：

PLC作为下位机，组态作为上位机

由PLC负责驱动程序，组态负责主控程序，在这样的情况下组态只要想PLC提供3个值：

1、X轴的坐标；2、Y轴的坐标。

3、启动信号。

数据库就完全脱离PLC由组态来控制，脚本的编程语言是VB更便于数据库的编写。

由于所设计的立体仓库需要较为大量的数据库程序，所以我们选择了方案二来作为我们的最终方案。

3.2系统结构框图设计及说明

立体存储单元主要PLC、由I/O接线端口、步进驱动模块、丝杆驱动模块、工件推出装置、立体仓库、气源处理组件和MCGS组态等部件组成。

系统结构框图如3-1所示。

电源

步进电机

MCGS组态

西门子PLC

图3-1系统结构框图

第四章系统的硬件设计和软件设计

4.1硬件设计

4.1.1步进电机驱动模块

立体储存单元中由两套步进驱动模块。

步进驱动器接受PLC发出的告诉脉冲信号及方向信号，并将这些信号转换成驱动步进电机的信号。

步进电机旋转的方向由电平控制；旋转速度由脉冲频率控制；而需要转多少圈是由脉冲信号的数目控制的。

而立体存储单元的步进电机其步距角为1.8度，由此可知发出200个脉冲的时候步进电机旋转一周。

由于步进电机驱驱动器的将脉冲4分，所以需要发出800个脉冲才能使步进电机旋转一周。

所以步进电机每个脉冲可以走0.005MM。

从原点到第一个格子的X轴的距离是41MM，所以需要8200个脉冲。

到Y轴的距离是36MM，说需要的脉冲式7200个脉冲。

往后X轴每格43.5MM的宽度，也就是说每格需要8700个脉冲，Y轴每格高度42MM，所需要的脉冲为8400个脉冲。

图4-1步进电动机驱动控制器的构成

4.1.2丝杆驱动模块

丝杆驱动模块是将步进电机的旋转运动转换成直线往复运动，两套丝杆

驱动模块成90°垂直安装，这样就形成了一个X-Y轴的平面运动系统。

在两个丝杆驱动模块上均设有一个零点，用以校正位置及提供位置参考点。

同时为防止丝杆驱动模块过冲而产生机械物理损伤，在丝杆驱动模块的极限位置均装有碰撞保护开关，用来防止丝杆驱动模块过冲。

4.1.3工件推出装置

该部分由一个双作用气缸、推块和一个接收工件的推块导槽组成。

4.1.4I/O接线端口

I/O接线端口是该工作单元与PLC之间进行通信的线路连接端口。

该工作单元中的所有电信号（直流电源、输入、输出）线都接到该端口上，再通过信号电缆线连接到PLC上。

4.1.5可编程控制器（PLC）简介

可编程控制器的基本结构由输入/输出模块、中央处理单元、电源部件和编程器等组成。

PLC与计算机的基本组成一致，它实际上就是一种工业控制计算器。

输入/输出模块在PLC中，CPU是通过输入/输出模块与外界连接的。

输入模块用于将控制现场输入信号变换成CPU能接收的信号，并对其进行滤波、电平转换、隔离和放大等；输出模块用于将CPU的决策输出信号变换成驱动控制对象执行机构的控制信号，并对输出信号进行功率放大、隔离PLC内部和外部执行元件等。

中央处理单元中央处理器单元包括微处理器、系统程序存储器和用户程序存储器。

微处理器CPU是PLC的核心部件。

电源部件电源部件是把交流电转换成直流电源的装置，它向PLC提供所需的高质量直流电源。

基本结构如下图4-2所示：

图4-2PLC的基本结构

4.1.6可编程控制器（PLC）的特点

1、可靠性高，抗干扰强。

2、功能强大，性价比高。

3、编程简易，现场可修改。

4、配套齐全，使用方便。

5、寿命长，体积小，能耗低。

6、系统的设计、安装、调试、维修工作量少，维修方便。

4.1.7昆仑通太MCGSTPC7062Hi

MCGS即"监视与控制通用系统"，英文全称为MonitorandControlGeneratedSystem。

MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。

TPC7062Hi，是一套以嵌入式低功耗CPU为核心（主频600MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。

该产品设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480），四线电阻式触摸屏（分辨率1024×1024）。

图4-3TPC7062

图4-4产品参数介绍

4.1.8MCGS组态软件的功能和特点

（1）概念简单，易于理解和使用。

（2）功能齐全，便于方案设计。

（3）实时性与并行处理。

（4）建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。

（5）设立"设备工具箱"，针对外部设备的特征，用户从中选择某种"构件"，设置于设备窗口内，赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。

（6）"面向窗口"的设计方法，增加了可视性和可操作性。

（7）利用丰富的"动画组态"功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。

（8）引入"运行策略"的概念。

复杂的工程作业，运行流程都是多分支的。

（9）MCGS系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。

不同的构件有着不同的功能，且各自独立。

三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。

用户也可以根据需要，定制特定类型构件，使MCGS系统的功能得到扩充。

这种充分利用"面向对象"的技术，大大提高了系统的可维护性和可扩充性。

（10）支持OLEAutomation技术。

MCGS允许用户在VisualBasic中操作MCGS中的对象，提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用VB编制特定的功能构件来扩充系统的功能。

（11）MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。

组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。

利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其他应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。

（12）设立"对象元件库"，解决了组态结果的积累和重新利用问题。

4.1.9PLC输入输出分配

输入接口

输出接口

PLC端

单元板端口

注释

PLC端

单元板接口

注释

I0.0

I0

X轴极限坐标

Q0.0

X轴-cp

平移电动机脉冲信号

I0.1

I1

Y轴极限坐标

Q0.1

Y轴-cp

升降电动机脉冲信号

I0.2

I2

推料气缸收回到位

Q0.2

X轴-DIR

平移电动机方向信号

I0.3

I3

推料气缸伸出到位

Q0.3

Y轴-DIR

升降电动机方向信号

I0.4

Q0.4

推料

推送物料

表4-1PLCI/O分配表

4.1.10硬件原理图

图4-5硬件原理图

4.2软件设计

4.2.1系统总流程图及设计思路说明

（1）设计思路说明

系统的电气设计中，电机主要采用2台步进电动机，分别控制水平移动、垂直移动及货台的动作（即：

X轴、Y轴）。

并由双作用气缸来控制货物的推送。

传感器采用光接收器（光接收器探头）处于相对的位置工作的光电接近开关和电感传感器以及行程开关，用于完成货物、货架初始位置检测和限位保护等。

系统在机构设计上采用滚珠丝杠、滑轨和普通丝杠作为传动机构。

当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，货台推料气缸向前伸出可将货物推入物架，当货物已经送入时，气缸缩回。

整个系统流程如图4.1所示

1、其工作流程如下：

2、接通电源。

3、系统自检。

4、人工手动复位

5、手/自动模式切换

6、等待送货信号

7、在手动模式下点击TPC7062Hi触摸屏上所要送到的仓库位置和确认启动信号

8、在手动模式货台移动到位，气缸推出将货物送进仓库

9、在手动模式送进仓库后货台返回到原点等下下一轮的循环

10、在自动模式下确认有物件

11、将物品送进到仓库1

12、如果仓库1能存放的3个货物已满则存到仓库2，依次类推

13、存放完后回到原点进行第二次存放

因此，该立体仓库系统的运行情况可归纳为：

当按下启动按钮后，允许进行立体仓库允许的控制。

判断有无货物，如果有就将货物送到仓库，送完之后回到原点。

（2）软件系统总流程图

复位、启动

手动

自动

送料台是否有物件

N

自动送物料

依次从仓库1开始存放

Y

返回原点

选择所要存放的存库

物架是否有存满

N

手动添加物料

到达指定仓库

存放物料

Y

回原点

返回

图4-6总流程图

4.2.2PLC软件各功能模块的流程图设计及思路说明

（1）上电初始化模块

上电调用时PLC处于初始化，清除以前残留的数据：

包括中间继电器残留的数据，同时给SMB67初值，让高速脉冲PTO使能兵允许PTO发出脉冲。

并且S7-200有两台PTO/PWM发生器，建立高速脉冲串或脉宽调节信号信号波形。

一台发生器指定给数字输出点Q0.0，另一台发生器指定给数字输出点Q0.1。

一个指定的特殊内存（SM）位置为每台发生器存储以下数据：

一个控制字节（8位值）、一个脉冲计数值（一个不带符号的32位值）和一个周期和脉宽值（一个不带符号的16位值）。

PTO/PWM发生器和过程映像寄存器共用Q0.0和Q0.1。

PTO或PWM功能在Q0.0或Q0.1位置现用时，PTO/PWM发生器控制输出，并禁止输出点的正常使用。

输出信号波形不受过程映像寄存器状态、点强迫数值、执行立即输出指令的影响。

PTO/PWM发生器非现用时，输出控制转交给过程映像寄存器。

过程映像寄存器决定输出信号波形的初始和最终状态，使信号波形在高位或低位开始和结束。

而上电初始化就是允许PTO输出脉冲，程序如以下2个部分所组成。

1、主程序调用模块

2、上电初始化子程序

（2）复位模块

使货物台回到原点的位置等待程序执行。

回到原点后并将高速计数器清零。

并让主控开关M10.0得电，让后面的驱动程序可以运行。

并且程序由以下3部分组成

1、主程序调用模块

2、复位子程序

3、回原点子程序

（3）X轴，Y轴信号驱动程序

MOV-DW移动双字（MOVD）指令将输入双字（IN）移至输出双字（OUT），不改变原来的数值。

SM67.7PTO使能，允许PLC输出脉冲。

这段驱动程序的是根据VD72现在的数据，然后相对应的脉冲值。

从而让步进电机旋转起来。

程序由以下一部分说组成。

1、X轴和Y轴的驱动程序

（4）货台位置计算模块

高速计数器（HSC）指令根据HSC特殊内存位的状态配置和控制高速计数器。

参数N指定高速计数器的号码。

高速计数器最多可配置为十二种不同的操作模式。

每台计数器在功能受支持的位置有专用时钟、方向控制、复原和起始输入。

对于双相计数器，两个时钟均可按最高速度运行。

在正交模式中，可以选择一倍\（1x）或四倍（4x）的最高计数速率。

所有的计数器按最高速率运行，而不会相互干扰。

在这个程序主要是利用高速计数器的第12个模式开计算PTO输出的脉冲数量，从而监控货台现在的位置，但是由于PTO脉冲计算的时候只能增加不能减少，所以又利用了计算模块和方向信号来对货台精确位置的计算。

其工作原理是当正向行驶时，HCO和HC3送到VD1000和VD1100,。

然后组态读取VD1000和VD1100的值来确定货物台现在所在的位置进行监视。

并且监视的位置分为复位前和复位后，因为刚上电时货台并一定处于原点，而不处于原点是V1000和VD11000的数据会以为中间的计算值而改变造成组态监视画面的货台飞出了界面，根据这个原因又单独写一个复位前的子程序，并用主控开关M10.0来区分开来。

并且程序如下面所示。

（5）组态驱动模块

驱动模块主要功能是：

由组态送来2组数据VD72和VD82，然后把这2组数据送到PTO01和PTO02，在根据确定启动指令M2.0然后货台走起来，当货台走到位了，推料气缸把货物推出，推出后I0.3得电，然后气缸断电，然后推料气缸收回到位，I0.2得电后PTO发出脉冲并且Q0.2和Q0.3得电，让货台回到原点等下下一轮的循环。

4.2.3MCGS组态软件立体仓库模型的软件设计及思路说明

（1）MCGS中定义的数据对象的作用域是全局的，像通常意义的全局变量一样，数据对象的各个属性在整个运行过程中都保持有效，系统中的其它部分都能对实时数据库中的数据对象进行操作处理。

而数据对象是实时数据库的基本单元。

构造实时数据库的过程，就是定义数据对象的过程。

实时数据库 如下：

（2）组态软件中的主要组成部分及画面动画组态设计

由图形对象搭制而成的图形画面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。

    MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。

在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图形的动画效果.以下是本系统的画面设计。

*主界面

介绍本设计的名称及设计人、指导老师、设计时间；并设置“进入系统”按钮，可切换到“控制界面”，如图4-7所示：

图4-7“进入系统”按钮设置

画面效果：

图4-8主界面

*控制界面

1、按钮控制区

启动、停止来控制整个系统的开启与关闭,当启动时，各个部件待命，准备执行预定任务，当系统运行完本次动作再停止系统运动 ，复位来控制系统复位，系统将回到初始位置；手自动切换按钮可实现手动及自动的切换；更换物件按钮可选择某个仓库（仓库01~仓库25）进行清除物料；送物件按钮是在手动模式下，点击它才把物料放入送料台上，才可进行送物料操作；更换物料矩形框，用来选择物架的型号（有3*3物架、4*4物架、5*5物架），点击它则下面的物架选择区可见，选择物架后则不可见，矩形框显示所选择的的物架。

按钮区如图所示：

2、指示灯区

指示灯监视本系统的动作模式（手动还是自动）及工作状态（停止、启动、复位），报警指示灯是当物架存满后边显示绿色。

指示灯区如图所示：

图4-9按钮区图4-10指示灯区

3、升降机及送料台

升降机是由插入不同元件然后构成图符，如图；进行属性设置，设置水平移动量X，实时监控升降机的位置，如图所示：

图4-11升降台图4-12属性设置

送料台是由矩形框构成，设置水平移动量X，垂直移动量Y，实时监控送料台的位置，如图所示：

图4-13送料台X轴移动量

图4-14送料台Y轴移动量

4物架

物架是由矩形框搭建起来的，物架仓库门的矩形框设置一个按钮动作，调用脚本程序使该仓库的位置坐标送给PLC，PLC将会把送料台送到相应的位置；并将会进行计数，把所存放的个数显示在仓库的右上角，等到存放个数等于3时，仓库后面指示器将会点亮。

物架效果图如下：

图4-15控制界面

仓库门按钮动作设置如下：

图4-16仓库门属性设置

物料计数设置：

图4-17物料计数属性设置

仓库存满（即：

仓库物料数大于等于3）指示器设置：

图4-18存满属性设置

5、物料

通过设置物料可见度实现物件存放的动态过程，送料台上的物料设置：

图4-19物件可见度设置

物架仓库里的物料：

图4-20物件可见度设置

（3）立体仓库脚本程序的编制 

本设计主要由两种模式（手动和自动），手动模式下，点击所要送到的仓库，如果送料台上有物件，则系统会把物料送上去。

在自动模式下，系统会自动把物料依次从第一层往上存放。

初始状态复位的程序设置：

IF复位AND物架1=0AND物架2=0AND物架3=0THEN

物架3=1

ENDIF

本设计具体程序见附录。

（4）组态软件的运动说明

用户首先进入主画面窗口，如下图4-21所示

图4-21主界面

点击进入系统进入自动化立体仓库窗口，组态模型如下图所示：

图4-22控制界面

按下复位按钮，点击停止，选择物架（有3*3、4*4、5*5物架，默认5*5物架），点击启动，系统启动，点击手自动切换按钮（默认自动），手动模式下，点击送物件按钮送料台有物件，点击所要存放的仓库，送料台运动至指定位置，完成存料操作，再返回原点；自动模式下，点击启动，系统自动从仓库1存放直至存满，并报警。

4.2.4MCGS与PLC设备的通信

设备窗口是MCGS系统的重要组成部分，负责建立系统与外部硬件设备的连接，使得MCGS能从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对应工业过程的实时监控。

  MCGS实现设备驱动的基本方法是：

在设备窗口内配置不同类型的设备构件，并根据外部设备的类型和特征，设置相关的属性，将设备的操作方法。

系统运行过程中，设备构件由设备窗口统一调度管理，通过通道连接，向实时数据库提供从外部设备采集到的数据，从实时数据库查询控制参数，发送给系统其它部分，进行控制运算和流程调度，实现对设备工作状态的实时检测和过程的自动控制。

MCGS设备目录的分类方法，为了用户在众多的设备驱动中方便快速的找到需要的设备驱动，MC