机电一体化毕业设计论文立体仓库模拟装置的设计及控制(PLC控制类)控制部分设计

I郑州大学现代远程教育毕业设计题目立体仓库模拟装置的设计及控制PLC控制类控制部分设计入学年月09年5月姓名学号专业机电一体化专科学习中心指导教师_完成时间2010年12月3日II目录摘要1ABSTRACT错误未定义书签。2第1章绪论111论文研究的背景112立体仓库的组成和优越性1121立体仓库的组成1122立体仓库的优越性213题目目的和意义314本设计主要完成的工作4第2章可编程控制器与MCGS的概述521可编程控制器的产生、发展及应用特点5211PLC的定义和功能5212PLC的产生和发展5213PLC的特点622可编程控制器的基本组成623MCGS组态软件8231MCGS的主要特点和基本功能8232MCGS的构成8234MCGS组态软件的工作方式11第3章基于PLC的立体仓库控制系统的应用1231系统设计的基本步骤1232立体仓库结构组成与控制要求12311结构与组成12312系统控制要求1233PLC的I/O地址分配1334立体仓库的控制流程图以及编程说明13341立体仓库的工作流程图14342控制系统的设计思路1435PLC程序的设计16第4章基于MCGS对立体仓库控制系统的应用2041基于MCGS仿真实现的意义2042MCGS实现立体仓库工程画面2043MCGS实时数据库的读写实现22III431MCGS实时数据库简介22432数据对象的类型23433立体仓库控制系统数据库的构造2344MCGS与PLC设备的通信2445监视画面的设定与动画的连接2846编制控制流程30461脚本程序的简介30462立体仓库脚本程序的编制3047立体仓库控制流程及仿真演示32附录错误未定义书签。41附件1库位2“取”“存”货控制程序错误未定义书签。41附件222立体仓库组态软件监控画面2号库位取货过程仿真错误未定义书签。601PLC与组态软件在立体仓库中的控制摘要本设计主要研究PLC与组态软件用于立体仓库系统的控制和监视。首先通过分析立体仓库的结构组成以及控制要求确定了堆垛机的三个自由度X、Y、Z轴的位置定位采用接通延时定时器来控制。再根据工作流程确定了立体仓库控制系统PLC梯形图从而实现22模拟立体仓库的“存货”“取货”功能然后采用基于WINDOWS平台的工控组态软件MCGS建立监视界面。即通过设备连接和实时数据库的构建、动画连接及控制流程编制、调试等实现立体仓库的监视从而直接、直观、准确地反映立体仓库“取、存”货时实际运行状态。关键字立体仓库PLCMCGS监视1第1章绪论立体仓库是以高层立体货架托盘系统为主体以成套搬运设备为基础以计算机控制技术为主要手段组成的高效率物流、大容积储藏系统。11论文研究的背景立体仓库一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货物故常形象地将其称为“立体仓库”。立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。50年代初美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术建立了第一座计算机控制的立体仓库。此后自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展并形成了专门的学科。60年代中期日本开始兴建立体仓库并且发展速度越来越快成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚1963年研制成第一台桥式堆垛起重机机械部北京起重运输机械研究所1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库高15米机械部起重所负责该库1980年投入运行。在该立体仓库开始投产以来在汽车、化工、电子、烟草等行业的应用逐年增长。据不完全统计目前我国拥有立体仓库500余座其中高度在15米以上的大型立体仓库100多座最具典型意义的是我国家电龙头企业海尔集团国际物流中心的立体仓库该仓库高22米拥有18056个标准托盘位包括原材料和产成品两大自动化物流系统全部实现了现代物流的自动化和智能化。立体仓库由于具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成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术越来越受到企业的重视。12立体仓库的组成和优越性121立体仓库的组成高层货架用于存储货物的钢结构。目前主要有焊接式货架和组合式货架两种基本形式。托盘货箱用于承载货物的器具亦称工位器具。巷道堆垛机用于自动存取货物的设备。按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形式按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。2输送机系统立体库的主要外围设备负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。输送机种类非常多常见的有辊道输送机链条输送机升降台分配车提升机皮带机等。AGV系统即自动导向小车。根据其导向方式分为感应式导向小车和激光导向小车。自动控制系统驱动自动化立体仓库系统各设备的自动控制系统。目前以采用现场总线方式为控制模式为主。库存信息管理系统亦称中央计算机管理系统。是全自动化立体仓库系统的核心。目前典型的自动化立体仓库系统均采用大型的数据库系统如ORACLESYBASE等构筑典型的客户机/服务器体系可以与其他系统如ERP系统等联网或集成。立体仓库的形式以高层货架的基本形式为基准可分为整体式仓库和分离式仓库两个基本类型。立体仓库起始于12米以上的高层货架仓库这种仓库的货架结构不但用于存放货物同时又是仓库基筑的柱子和仓库侧壁的支撑即仓库建筑与货架结构成为一个不可分开的整体故称整体式仓库。整体式仓库具有技术水平高、投资大和建设周期长等问题适用于大型企业和流通中心。相反货架结构自成一个单元与建筑无关的仓库则称分离式仓库。122立体仓库的优越性立体仓库之所以受到青睐是由于它具有以下优点提高空间利用率。早期立体仓库的构想其基本出发点就是提高空间利用率充分节约有限且宝贵的土地。在西方有些发达国家提高空间利用率的观点已有更广泛深刻的含义节约土地已与节约能源、环境保护等更多的方面联系起来。有些甚至把空间的利用率作为系统合理性和先进性考核的重要指标来对待。立体库的空间利用率与其规划紧密相连。一般来说自动化高架仓库其空间利用率为普通平库的25倍。这是相当可观的。便于形成先进的物流系统提高企业生产管理水平。传统仓库只是货物储存的场所保存货物是其唯一的功能是一种“静态储存”。自动化立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备不仅能使货物在仓库内按需要自动存取而且可以与仓库以外的生产环节进行有机的连接并通过计算机管理系统和自动化物料搬运设备使仓库成为企业生产物流中的一个重要环节。企业外购件和自制生产件进入自动化仓库储存是整个生产的一个环节短时储存是为了在指定的时间自动输出到下一道工序进行生产从而形成一个自动化的物流系统这是一种“动态储存”也是当今自动化仓库发展的一个明显的技术趋势。加快货物的存取节奏减轻劳动强度提高生产效率。3建立以自动化立体仓库为中心的物流系统其优越性还表现在自动化高架库具有的快速的入出库能力能快速妥善地将货物存入高架库中入库也能快速及时并自动地将生产所需零部件和原材料送达生产线。这一特点是普通平库所不能达到的。减少库存资金积压。经过对一些大型企业的调查了解由于历史原因造成管理手段落后物资管理零散使生产管理和生产环节的紧密联系难以到位为了到达预期的生产能力和满足生产要求就必须准备充足的原材料和零部件。这样库存积压就成为一个较大的问题。如何降低库存资金积压和充分满足生产需要已成为大型企业不得不面对的一个大问题。高架库系统是解决这一问题的最有效的手段之一。现代化企业的标志。现代化企业采用的是集约化大规模生产模式。这就要求生产过程中各环节紧密相连成为一个有机整体要求生产管理科学实用做到决策科学化。为此建立自动化高架仓库系统是其有力的措施之一。13题目目的和意义自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。它通过高层货架存储使存储区大幅度地向高空发展提高了空间利用率自动化立体仓库采用层积式存放结合计算机管理可以很容易实现先入先出防止货物的自然老化、变质和损坏通过自动存取系统AS/RS,加快了运行和处理速度提高了劳动生产率降低操作人员的劳动强度采用自动化技术后还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理减少了货物处理和信息处理过程中的差错同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力便于清点和盘库合理减少库存加快资金周转节约流动资金从而提高仓库的管理水平。自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成实现企业信息管理的自动化。同时由于使用自动化仓库促进企业的科学管理减少了浪费保证均衡生产也提高了操作人员素质和管理人员的水平。立体仓库的出现,实现了仓库功能从单纯保管型向综合流通型的转变。随着现代化生产规模的不断扩大和深化,它将为工业、企业带来巨大的经济效益。自动化立体仓库应用范围很广几乎遍布所有行业。在我国自立体仓库应用的行业主要有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。414本设计主要完成的工作自动化立体仓库是一种用高层立体货架托盘系统存储物资用自动控制堆垛机运输车进行存取作业的仓库。通过可编程控制器PROGRAMMINGLOGICCONTROLLER,简称PLC控制堆垛机的位置变动模拟立体仓库工作的控制系统实现存取货功能。在查阅了大量资料的基础上以立体仓库库位设备和堆垛机位置变动控制为研究对象通过S7200PLC以及MCGS组态软件来实现对22立体仓库的模型控制系统的控制对立体仓库的监视用工控组态软件MCGS实现立体仓库控制系统“取/存”货运行动作的模拟仿真。5第2章可编程控制器与MCGS的概述21可编程控制器的产生、发展及应用特点211PLC的定义和功能可编程控制器英文称PROGRAMMABLECONTROLLER简称PLC本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序把经输入电路的物理过程得到的输入信息变换为所要求的输出信息进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC基于电子计算机但并不等同于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时大多只考虑信息本身信息入出的物理过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环境如便于安装便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现可以说是PLC实现控制的两个基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控制装置多的多、强的多。PLC有丰富的指令系统有各种各样的I/O接口、通信接口有大容量的内存有可靠的自身监控系统因而具有以下基本的功能逻辑处理功能数据运算功能准确定时功能高速计数功能中断处理可以实现各种内外中断功能程序与数据存储功能联网通信功能自检测、自诊断功能。212PLC的产生和发展20世纪60年代汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置占据主导地位。由于继电器控制系统明显的缺点即通用性和灵活性、可扩展性较差导致当时汽车的每一次改型都需要对控制系统进行重新设计和安装。随着生产的发展汽车型号更新的周期愈来愈短显然继电器控制装置十分费时、费工、费料延长了更新周期。为了适应汽车型号的不断翻新及生产工艺不断变化的需要1968年美国通用公司公开招标要求用新的控制装置取代继电器控制装置由此PLC这种新型的工业控制装置得以诞生并以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小和使用寿6命长等一系列优点很快在美国其他工业领域得到推广应用。到1971年PLC已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业中并很快受到了世界其他国家的高度重视。1971年日本从美国引进该项技术很快研制出日本第一台PLC1973年西欧国家也研制出了他们的第一台PLC我国1974年开始研制1977年开始工业应用。213PLC的特点1可靠性高抗干扰能力强。2适应性强应用灵活。3编程方便易于使用。4功能强扩展能力强。5PLC控制系统设计、安装、调试方便。6维修方便维修工作量少。7体积小重量轻易于实现机电一体化。22可编程控制器的基本组成PLC从组成形式上分为整体式和模块式两种。整体式PLC一般由CPU、I/O单元、存储器、电源、通讯端口、I/O扩展端口组成其特点是结构紧凑、体积小。模块式PLC一般由CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、通信单元、底版或机架组成其特点是配置灵活输入/输出接点的数量可自由选择。PLC的硬件系统结构图如下图21所示图21PLC的硬件系统结构图1CPU中央处理器和一般的微机一样CPU是PLC的核心主要由运算器、控制器、寄存器以及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。CPU在很大程度上决定了PLC7的整体性能如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量。CPU位数越高系统处理的信息量越大运算速度也越快。CPU控制着PLC工作通过读取、解释指令指导PLC有条不紊的工作。2存储器存储器内存主要用于存储程序及数据是PLC不可缺少的组成部分。PLC中的存储器一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序一般由厂家编写的用户不能修改而用户程序是随PLC的控制对象而定的由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。用户存储器容量的大小关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少是反映PLC性能的重要指标之一。3输入输出模块输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。PLC提供了各种工作电平、连接形式和驱动能力的I/O模块有各种功能的I/O模块供拥护选用。按I/O点数确定模块的规格和数量I/O模块可多可少但其最大数受PLC所能管理的配置能力即底版的限制。PLC还提供了各种各样的特殊的I/O模块如热电阻、热电偶、高速计算器、位置控制、以太网、现场总线、温度控制、中断控制、声音输出、打印机等专用型或智能型模块用以满足各种特殊功能的控制要求。智能接口模块是一独立的计算机系统它有自己的CPU、系统程序、存储器及与PLC系统总线相连接的接口。4编程装置编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器并利用编程器检查、修改和调试用户程序监视用户程序的执行过程显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。常见的编程器有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PC的专用编程软件。目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件当个人计算机安装了PLC编程支持软件后可用作图形编程器进行用户程序的编辑、修改并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。5电源PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源用于向输入接口上的接入电气元件供电从而简化外围配置。6通信接口为了实现“人机”或“机机”之间的对话PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机以及其他的PLC或计算机相连。823MCGS组态软件MCGS全中文工业自动化控制组态软件以下简称MCGS工控组态软件或MCGS为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案。MCGS工控组态软件是一套32位工控组态软件它基于WINDOWS平台可稳定运行于WINDOWS95/98/NT操作系统。通过对现场数据的采集处理以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案它充分利用了WINDOWS图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性在自动化领域有着更广泛的应用。231MCGS的主要特点和基本功能简单灵活的可视化操作界面。实时性强、良好的并行处理性能。丰富、生动的多媒体画面。开放式结构广泛的数据获取和强大的数据处理功能。完善的安全机制。强大的网络功能。多样化的报警功能。实时数据库为用户分部组态提供极大方便。支持多种硬件设备实现“设备无关”。方便控制复杂的运行流程。良好的可维护性和可扩充性。用数据库来管理数据存储系统可靠性高。设立对象元件库组态工作简单方便。实现对工控系统的分布式控制和管理。总之MCGS组态软件功能强大操作简单易学易用普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。同时使用MCGS组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题集中精力去解决工程问题本身根据工程作业的需要和特点组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。232MCGS的构成MCGS组态软件以下简称MCGS由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成如图22所示。两部分互相独立又紧密相关。9图22MCGS组态软件系统构成用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行组态环境相当于一套完整的工具软件它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义必须与组态结果数据库一起作为一个整体才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡它们之间的关系如图23所示。图23MCGS组态环境与运行环境的关系MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成每一部分分别进行组态操作完成不同的工作具有不同的特性如图24所示。10图24MCGS五大组成部分主控窗口是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括定义工程的名称编制工程菜单设计封面图形确定自动启动的窗口设定动画刷新周期指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备注册设备驱动程序定义连接与驱动设备用的数据变量。用户窗口本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面诸如生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。实时数据库是工程各个部分的数据交换与处理中心它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。运行策略本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序IFTHEN脚本程序选用各种功能构件如数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。窗口是屏幕中的一块空间是一个“容器”直接提供给用户使用。在窗口内用户可以放置不同的构件创建图形对象并调整画面的布局组态配置不同的参数以完成不同的功能。在MCGS的单机版中每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口但可以有多个用户窗口和多个运行策略实时数据库中也可以有多个数据对象。MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面组态配置各种不同类型和功能的对象或构件同时可以对实时数据进行可视化处理。11234MCGS组态软件的工作方式如何对工程运行流程实施有效控制MCGS开辟了专用的MCGS如何与设备进行通讯MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL动态连接库文件设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序将数据传送到工程中各个部分完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程达到互不干扰的目的。MCGS如何产生动画效果MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性如一个长方形的动画属性有可见度大小变化水平移动等每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。我们在组态环境中生成的画面都是静止的在工程运行中产生动画效果的方法是图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量连接到实时数据库中以此建立相应的对应关系MCGS称之为动画连接。MCGS如何实施远程多机监控MCGS提供了一套完善的网络机制可通过TCP/IP网、MODEM网和串口网将多台计算机连接在一起构成分布式网络测控系统实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时可利用MCGS提供的网络功能在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网络测控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS把各种网络形式以父设备构件和子设备构件的形式供用户调用并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。“运行策略”窗口建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件供用户选用通过构件配置和属性设置两项组态操作生成各种功能模块称为“用户策略”使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库实现对动画窗口的任意切换控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式避免了烦琐的编程工作。12第3章基于PLC的立体仓库控制系统的应用31系统设计的基本步骤在立体仓库控制系统的设计过程中主要考虑以下几点1深入了解和分析立体仓库的存取工作要求和控制要求。2确定I/O设备。3根据I/O点数选择合适的PLC类型。4分配I/O点分配PLC的输入输出点编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。5设计立体仓库系统的梯形图程序根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序这是整个立体仓库系统设计的核心工作。6将程序输入PLC进行软件测试查找错误使系统程序更加完善。7立体仓库整体调试在PLC软硬件设计和现场施工完成后就可以进行整个系统的联机调试调试中发现的问题要逐一排除直至调试成功。32立体仓库结构组成与控制要求311结构与组成本设计的立体仓库主体由底盘、2列2层4仓位库体、巷道堆垛机、检测元件及电气控制元件等组成。堆垛机是立体仓库的关键部件负责全部货物的入库、出库承运作业可实现三个自由度X、Y、Z轴的运动。X轴方向与Y轴方向即堆垛机的水平运动与垂直运动采用滚珠丝杠、滑杠作为传动与导向机构由步进电机拖动Z轴方向即货叉伸缩机构的前后运动采用普通丝杠传动由直流电机拖动。该立体仓库控制系统的要求是实现基本的存取货物功能。312系统控制要求立体仓库的入货口与出货口为同一位置称为装/卸货台。存货操作时当控制系统检测到装/卸货台有货物时启动堆垛机将装/卸货台上的货物取出放置到指定库位号上取货操作时启动堆垛机将指定库位号上的货物取出送到装/卸货台堆垛机在执行完每次取存任务后自动返回到初始位置等待下一运行指令。为了有效准确控制堆垛机的三个自由度X、Y、Z轴的运动定位安装有限位保护或时间控制电机的运行到位本设计采用定时器来控制电机的运动每个库位安装检测装置微动开关判断库位是否已有货物禁止双重入库与空取货操作整个电气控制系统设置有急停按钮以防发生意外。存/取货是由控制台发出指令的。1333PLC的I/O地址分配根据本课题PLC输入输出的控制要求得出PLC输入输出I/O分配如表31所示。表31PLC输入输出I/O分配输入与输出I00选择库位1按钮I06取货按钮I01选择库位2按钮I07存货按钮I02选择库位3按钮I11库位1传感器I03选择库位4按钮I12库位2传感器I04启动按钮I13库位3传感器I05停止按钮I14库位4传感器Q00X轴电机左行Q06取货指示灯Q01X轴电机右行Q07存货指示灯Q02Y轴电机上行Q10取有物指示灯Q03Y轴电机下行Q11存有物指示灯Q04Z轴电机伸叉Q12启动指示灯Q05Z轴电机缩叉34立体仓库的控制流程图以及编程说明本次设计采用西门子S7200系列PLC选用CPU226CN。然后按照上述原理根据表一对PLC在四库位立体仓库中的应用进行连线具体连线步骤如下。四库位立体仓库的PLC连线步骤开关给定量及指示灯里的I00、I01、I02、I03、I04、I05、I06、I07、Q00、Q01、Q02、Q03、Q04、Q05、Q06、Q07分别与CPU226的输入、输出端口里的I00、I01、I02、I03、I04、I05、I06、I07、Q00、Q01、Q02、Q03、Q04、Q05、Q06、Q07相连。库位传感器I11、I12、I13、I14分别与CPU226输入端口里的I11、I12、I13、I14相连指示灯Q10、Q11、Q12分别与CPU226的输出端口里的Q10、Q11、Q12相连。14341立体仓库的工作流程图立体仓库的工作控制流程图如图32所示开始工作选择存指令选择库位号选择库位号所选库位号有无物品选择取指令所选库位号有无物品X,Y轴电机运行至所选库位号Z轴电机正转伸叉伸入库内X,Y轴电机运行至装货台Z轴电机正转伸叉伸入装货台内Y轴电机上升抬起物品Z轴电机反转将物品带出Y轴电机上升抬起物品Z轴电机反转将物品带出X,Y轴电机运行至卸货台Z轴电机正转伸叉进入卸货台Y轴电机下行将物品放下Z轴电机反转出库X,Y轴电机运行至所选库位号Z轴电机正转伸叉进入卸货台Y轴电机下行将物品放下Z轴电机反转出库X,Y轴电机复位至原始位置结束有无有无图32工作流程图342控制系统的设计思路取货和存货工作流程接通电源通电状态下各机构复位X轴、Y轴、Z轴回复零位堆垛机停在初始位置入库口按下启动按钮I04定时器控制启动指示灯Q12亮2秒。取货按下取货按钮I06执行取货指令定时器控制取指示灯Q06亮2秒然后选择库位号如所选库位有物品则定时器控制取有物指示灯亮2秒可执行“取”操作15然后X轴、Y轴电机运行到该库位Z轴电机正转将伸杆伸入库内,Y轴电机上升将物体抬起,Z轴电机反转将物体带出,X、Y电机运行到装/卸货台Z轴电机正转将物体送入卸货台Y轴电机下降使物体放在卸货台上Z轴电机反转出库X、Y轴电机复位堆垛机运行至入库口如果取有物指示灯不亮则表示所选库位内无物品此时不执行取货操作。存货按下存货按钮I07,执行存货指令定时器控制存货指示灯亮2秒然后选择库位号如所选库位无物品则定时器控制存无物指示灯亮2秒可执行“存”操作X、Y轴电机运行至装/卸货台Z轴电机正转伸入装货台内Y轴电机上升将物体抬起Z轴电机反转伸出装/卸货台并将物体带出X轴、Y轴电机运行至所选库位号Z轴电机正转送入物体,Y轴电机下降将物体放入库内Z轴电机反转出库。X、Y轴电机复位堆垛机运行至入库口。若存无物指示灯不亮则表示所选库位内有物品此时不执行存货指令。指示灯点亮设计由于立体仓库的规模庞大库位众多立体仓库操作人员在操作间很难了解哪一库位有物品哪一库位无物品。为了是操作人员对库位有无货物一目了然便于操作。特提出了当执行取货指令时如过库位内有物品则利用接通延迟定时器控制取有物指示灯连续亮2秒并在组态控制页面内显示所选库位所在的行和列可执行取指令反之亦然同时当选择存货指令时如库位内无物品则利用接通延迟定时器控制存无物指示灯也会连续亮2秒并在组态页面内显示所选库位所在的行和列可执行存指令反之亦然。这样便于操作人员在操作之前就能看到所选库位有没有物品便于操作。模拟立体仓库要实现的运行结果接通电源通电状态下各机构复位堆垛机停在初始位置。执行“存”或“取”操作由库位传感器检测各库位有无物品来判断“存”或“取”指令是否可以响应。即判断库位是否已有货物禁止双重入库存货与空取货操作。执行“取”指令。执行“存”指令。由于本次设计的立体仓库为2层2列4库位的仓库主要实现的功能是取货和存货下面以取2号为例子说明“取货”的全部动作过程。取2号库位首先按下启动按钮I04定时器T255控制启动指示灯Q12亮2秒然后按下取货按钮I06,定时器T37控制取指示灯Q06亮2秒2秒后T37接通按下库位2按钮I01,定时器T52控制取有物指示灯Q10亮2秒2秒后T52接通M30置1定时器T53控制X电机右行4秒到达库位2所在的列然后M31接通定时器T54控制Y轴电机上行3秒到达库位2前然后M32接通定时器T55控制Z轴电机正转3秒伸叉进入库位2然后M33接通定时器T56控制Y轴电机上行3秒将物品抬起16然后M34接通定时器T57控制Z轴电机反转3秒将物品移出库位2然后M35接通定时器T58控制Y轴电机下行6秒然后M36接通定时器T59控制X轴电机右行8秒到达卸货台然后M37接通定时器T60控制Y轴电机上行6秒然后M40接通定时器T61控制Z轴电机正转3秒伸叉进入装/卸货台进行“存货”动作然后M41接通定时器T62控制Y轴电机下行3秒将物品放在装/卸货台上然后M42接通定时器T63控制Z轴电机反转3秒移出装/卸货台然后M43接通定时器T101控制Y轴电机下行3秒然后M44接通定时器T102控制X轴电机左行12秒回到初始位置。启动、停止、取、存、取2号、存2号梯形图见附录135PLC程序的设计西门子S7200PLC因此使用的编程软件是STEP7MICROWINV40。STEP7MICROWINV40为西门子S7200系列PLC基于WINDOWS的编程工具。用于S7200PLC的程序编译、网络组态等。其界面如图33所示STEP7MICRO/WIN编程软件为用户开发、编辑和控制自己的应用程序提供了良好的编程环境。为了能快捷高效地开发你的应用程序STEP7MICROWIN软件提供了三种程序编辑器。STEP7MICRO/WIN软件提供了在线帮助系统以便获取所需要的信息。本次设计使用的编程软件是STEP7MICRO/WINV40版本首先将该软件根据软件安装的提示安装到计算机上然后用编程线将计算机和实验装置连接到一起。1系统需求STEP7MICROWIN既可以在PC机上运行也可以在SIEMENS公司的编程器上运行。PC机或编程器的最小配置如下WINDOWS95、WINDOWS98、WINDOWS2000、WINDOWSME或者WINDOWSNT40以上。17图33PLC编程界面的构成2软件的使用1打开STEP7MICRO/WINV40在PC与PLC接口连接中选择PC/PPI协议。如图34所示图34PC/PPI协议2点击更改通信端口和通信速率。如图35所表示18图35通信端口和通信速率更改3在通讯菜单里双击刷新STEP7MICRO/WINV40开始搜索PPI网络中的S7200CPU。如图36所表示搜索完成后会出现网络中所有PLC的列表选择要操作的PLC可对所选PLC进行操作了。4编辑梯形图。5点击将程序下载到PLC中点击可以对程序运行状态进行监控点击可以将PLC置于运行的状态。图36PC/PPI的通讯3编程规则1外部输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件的接点可多次重复使用无需用复杂的程序结构来减少接点的使用次数。2梯形图每一行都是从左母线开始线圈接在右边。接点不能放在线圈的右边在继电器控制的原理图中热继电器的接点可以加在线圈的右边而PLC的梯形图是不允许的。193线圈不能直接与左母线相连。如果需要可以通过一个没有使用的内部继电器的常闭接点或者特殊内部继电器的常开接点来连接。4同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。双线圈输出容易引起误操作应尽量避免线圈重复使用。5梯形图程序必须符合顺序执行的原则即从左到右从上到下地执行如不符合顺序执行的电路就不能直接编程。6在梯形图中串联接点使用的次数是没有限制可无限次地使用。7两个或两个以上的线圈可以并联输出。20第章基于MCGS对立体仓库控制系统的应用41基于MCGS仿真实现的意义利用MCGS可视化仿真技术可以实现满足要求的在仿真界面能提供一个多角度、多层次的观察仿真过程。计算机上实现工程的模拟测试和仿真用户可以根据需要直接修改各种仿真参数从而大大降低了开发费和难度。同时可以通过组态仿真使读者能够设计出更加实用的控制系统从而可以在较短的时间内以较少的代价完成较好的效果。基于MCGS组态软件设计的基本步骤可以概括为以下几点查看资料组织材料。设计窗口。建立设备管理和构造实时数据库。制作工程动画和动画连接。编写脚本控制流程程序。整体运行、程序调试。42MCGS实现立体仓库工程画面MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库窗口和运行策略五部分构成每一部分分别进行不同的组态设计完成不同的工作具有不同的特性。组成MCGS公车各要素间的关系如图41所示。图41MCGS工程各要素间的关系21工程画面的制作是整个工程制作的主要步骤之一其主要目的是以实际的控制对象为模板通过绘制和动画功能的设置能够实时模拟系统的运行。它是在用户窗口中完成由新建窗口组建。立体仓库画面制作具体步骤如下1在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮建立“窗口0”如图42所示图42新建画面窗口2选中“窗口0”单击“窗口属性”进入“用户窗口属性设置”。3将窗口名称改为“立体仓库监控系统”窗口位置选中“最大化显示”其它不变单击“确认”。图43画面建立224在“用户窗口”中选中“立体仓库监控系统”点击右键选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。如图43所示最后生成的画面如图44所示图44最后生成的组态监视画面43MCGS实时数据库的读写实现431MCGS实时数据库简介MCGS用数据对象来表述系统中的实时数据用对象变量代替传统意义的值变量。我们把用数据库技术管理的所有数据对象的集合称为实时数据库。实时数据库是MCGS的核心是应用系统的数据处理中心系统各部分均以实时数据库为数据公用区进行数据交换、数据处理和实现数据的可视化处理。设备窗口通过设备构件驱动外部设备将采集的数据送入实时数据库由用户窗口组成的图形对象与实时数据库中的数据对象建立连接关系以动画形式实现数据的可视化运行策略通过策略构件对数据进行操作和处理。如图41所示23432数据对象的类型在MCGS组态软件中数据对象有开关型、数值型、字符型、事件型、组对象等五种类型。不同类型的数据对象属性不同用途也不同。开关型记录开关信号0或非0的数据对象称为开关型数据对象通常与外部设备的数字量输入输出通道连接用来表示某一设备当前所处的状态也用于表示MCGS中某一对象的状态如对应于一个图形对象的可见度状态。数值型数值型数据对象除了存放数值及参与数值运算外还提供报警信息与外部设备的模拟量输入输出通道连接。数据对象的数值范围是负数是从3402823E38到1401298E45正数从1401298E45到3402823E38。字符型字符型数据对象是存放文字信息的单元用于描述外部对象的状态特征其值为多个字符组成的字符串字符串长度最长可达64KB。事件型用来记录和标识某种事件产生或状态改变的时间信息。事件型数据对象的值是19个字符组成的定长字符串用来保留当前最近一次事件所产生的时刻“年月日时分秒”。组对象数据组对象是MCGS引入的一种特殊类型的数据对象类似于一般编程语言中的数组和结构体用于把相关的多个数据对象集合在一起作为一个整体来定义和处理。433立体仓库控制系统数据库的构造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。在实际组态过程中一般无法一次全部定义所需的数据对象而是根据情况需要逐步增加。通过对22立体仓库工作要求的分析要实现对仓库控制系统的仿真我们需要以下实时数据库及数据对象。如下图45所示24图45立体仓库部分实时数据库44MCGS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如硬件参数配置、数据转换、设备调试等都封装在构件之内以对象的形式与外部设备建立数据的传输通道连接。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MCGS所有的设备驱动都是按合理的分类方法排列的分类方法如图46所示25图46MCGS设备驱动分类方法在本次设计中要进行设备通信的步骤是打开“设备窗口”双击“设备窗口”选中设备工具箱单击设备管理选中本组态设计中需要的“通用串口父设备”、“西门子S7200PPI”如图47所示图47MCGS中设备通信的选择双击“通用串口父设备”对其设备属性进行编辑其中“最小采集周期”为200MS“串口端口号”为“0COM1”“数据校验方式”为“2偶校验”如图48再点击确认26图48通用串口父设备的设置双击“PLC西门子S7200PPI”对MCGS数据与PLC中的数据进行连接由于本次设计中需要的输入口、输出口较多为满足通道要求需要增加输入输出口具体步骤为在PLC西门子S7200PPI中选中“设置设备内部属性”选择“增加通道”根据本次设计的需要增加合适的通道值点击确认。增加通道后如图49所示图49PLC通道数的增加27单击“通道连接”将MCGS中的按钮输入、显示输出与PLC设备中的输入输出口相联接。如图410所示图410PLC与MCGS的通道连接然后单击“设备调试”就可以在线调试了。若“通信状态标志”为0则表示通讯正常否则MCGS组态软件和西门子S7200PLC设备通讯失败。如图411所示图411PLC与MCGS设备调试2845监视画面的设定与动画的连接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。本立体仓库的制作的动画效果部分包括1库位的库存情况例如选择库位号并双击出现属性设置选择“颜色动画连接”中的“填充颜色”则出现如图412所示。在其表达式的“”中选择需要的实时数据库作为表达式并使其与库位号库位1传感器建立连接并添加填充颜色连接。将0对应的颜色改为黄色即指示灯没指示时的颜色再次单击“增加”按钮将1对应的颜色改为红色即指示灯有指示时的颜色。如图412所示图412数据对象填充颜色设置2按钮的开关的设置添加数据对象“启动停止”设置基本属性并设置好操作属性。本开关设置为“按1松0”。特别要注意的是连接已经建立好的所需要的数据对象。如图413所示29图413构件的属性设置3指示灯的颜色变化以堆垛机左移指示灯为例。双击组态画面中的堆垛机左移指示灯选中属性设置中的“可见度”使其与相应数据对象进行连接在“表达式非零时”框中选择对应图符可见即表达式1时指示灯可见。如图414和图415所示图414属性设置30图415可见度设置46编制控制流程461脚本程序的简介脚本程序是组态软件中的一种内置编程语言引擎。当某些控制和计算任务通过常规组态方法难以实现时通过使用脚本语言能够增强整个系统的灵活性解决其常规组态方法难以解决的问题。MCGS脚本程序为有效地编制各种特定的流程控制程序和操作处理程序提供了方便的途径。它被封装在一个功能构件里称为脚本程序功能构件在后台由独立的线程来运行和处理能够避免由于单个脚本程序的错误而导致整个系统的瘫痪。在MCGS中脚本语言是一种语法上类似BASIC的编程语言。可以应用在运行策略中把整个脚本程序作为一个策略功能块执行也可以在菜单组态中作为菜单的一个辅助功能运行更常见的用法是应用在动画界面的事件中。MCGS引入的事件驱动机制与VB或VC中的事件驱动机制类似比如对用户窗口有装载卸载事件对窗口中的控件有鼠标单击事件键盘按键事件等等。这些事件发生时就会触发一个脚本程序执行脚本程序中的操作。462立体仓库脚本程序的编制由于MCGS脚本程序是为了实现某些多分支流程的控制及操作处理因此包括了几种最简单的语句赋值语句、条件语句、退出语句和注释语句同时为了提供一些高级的循环和遍历功能还提供了循环语句。所有的脚本程序都可由这五种语句组成31当需要在一个程序行中包含多条语句时各条语句之间须用“”分开程序行也可以是没有任何语句的空行。大多数情况下一个程序行只包含一条语句赋值程序行中根据需要可在一行上放置多条语句。用比较多的是条件语句。条件语句有如下三种形式IF表达式THEN赋值语句或退出语句IF表达式THEN语句ENDIFIF表达式THEN语句ELSE语句ENDIF条件语句中的四个关键字“IF”、“THEN”、“ELSE”、“ENDIF”不分大小写。如拼写不正确检查程序会提示出错信息。条件语句允许多级嵌套即条件语句中可以包含新的条件语句MCGS脚本程序的条件语句最多可以有8级嵌套为编制多分支流程的控制程序提供了可能。本动画我们对“库位显示”、“行显示”“列显示”进行了脚