基于PLC控制的自动化立体仓库设计与组态监控河北大学.docx
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基于PLC控制的自动化立体仓库设计与组态监控河北大学
1引言
第二次世界大战之后,工业飞速发展，立体仓库应运而生。
50年代初，美国首先研制出采用桥式堆垛起重机的立体仓库,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。
我国于1963年成功研制出了第一台桥式堆垛起重机，1973年开始研制第一座由计算机控制的自动化立体仓库。
随着当今企业现代化生产规模不断扩大和深化，仓库成为生产物流系统中一个重要而不可或缺的环节，而立体仓库正以其占地面积小和空间使用率佳的特点，正在逐步替代面积利用率低且陈旧落后的平面仓库，这种替代大大提高了仓储物流的水平。
近几年国内外立体仓库的发展方向，以采用可编程控制器（PLC）与微控制搬运设备的仓库以及采用PC机远程管理与PLC联网控制的全自动立体仓库为主。
但其中不容忽视的一个问题是，当前各领域中使用的立体仓库系统通常是比较庞大的，在研发立体仓库的过程中，需要投入大量的人力和财力，这必然会给立体仓库系统的研制带来巨大的成本负担。
目前比较流行的方法是通过制作小型的立体仓库模型，采用可重复使用的编程系统对其进行编程控制，在模型上模拟调试成功后，最后将实验结果应用到立体仓库的实际生产研发中。
通过以上的流程即可节约成本、提高效率，多角度多方式的确定出最优的立体仓库生产方案。
本设计将采用三菱FX1N-40MT型PLC和昆态公司的MCGS组态软件设计一个自动化立体仓库系统模型，最终实现立体仓库系统的自动化、智能化在实际生产中的应用。
2可编程逻辑控制器（PLC）简介
随着微处理器，计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制几乎已经扩展到了工业领域的每一个角落。
可编程序控制器（ProgrammableLogicController,PLC）作为一种应用面积广，功能强大，使用方便的通用自动控制装备，已经成为工业控制领域不可或缺的重要组成部分。
PLC已经广泛的应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，在其他领域也得到了迅速的发展。
国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中对它作了如下定义：
“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计。
”
2.1PLC的发展历史
可编程序控制器（PLC）问世于1969年。
美国数据设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在美国通用汽车公司（GM）的生产线上。
其后日本、原联邦德国等相继引入，使其迅速发展起来。
PLC从诞生至今，其发展大体经历了三个阶段：
第一阶段从诞生到20世纪80年代中期，以单机为主发展硬件技术，研发除了取代传统继电器控制系统的各种型号的PLC；第二阶段从20世纪80年代中期到20世纪80年代末期，为适应柔性制造系统（FMS）的发展，在提高单机功能的同时，加强了软件的开发，并提高了PLC通信能力；第三阶段从20世纪90年代以来，为适应计算机集成制造系统（CIMS）的发展，采用多CPU的PLC系统，不断提高其运算速度和数据处理能力。
2.2PLC的特点、应用领域和发展趋势
2.2.1PLC的主要特点：
（1）可靠性高、抗干扰能力强
为保证PLC能在工业环境下可靠工作，在设计和生产过程中采取了一系列硬件和软件的抗干扰措施。
主要采用以下方面的措施：
如隔离、滤波；对PLC的内部电源采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰；在内部设置了连锁、环境监测与诊断、看门狗等电路；利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障监测，并采取信息保护和恢复措施；对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。
通过以上措施保证了PLC能在恶劣的环境中可靠地工作，使平均故障间隔时间指标高，故障修复时间短。
（2）可实现三电一体化
PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。
（3）编程简单、使用方便、控制程序可变、具有很好的柔性和扩展性。
（4）体积小、重量轻、功耗低。
2.2.2PLC的应用领域
可编程控制器是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通信技术于一体的一种新型工业控制装置。
随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，但功能却大大的增强了。
目前在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，几乎覆盖了工业控制全行业。
特别是在轻工行业中，因生产门类多，加工方式多变，产品更新换代快，所以PLC广泛的应用在组合机床电气设备中。
PLC已成为位于现代工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的主导地位。
可编程控制器的功能使它既可以用于开关量控制，又可用于模拟量控制；既可用于单机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。
它的应用大致可归为如下几类：
逻辑控制，运动控制，过程控制，数据处理，多级控制。
2.2.3PLC的发展趋势
近些年我国自动化仓库技术发展很快，己实现了与其它信息决策系统的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。
尽管如此，我国已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从数量上还是从建设水平上都有着很大的差距。
目前PLC正在向通用化、系列化和高性能化的趋势发展，主要表现在：
功能不断增强，各种应用模块不断推出：
加强过程控制和数据处理的功能，提高多机通信和组网的能力，开发具有更多功能的模块，使各种PLC控制系统都具有可靠的高性能，同时也使的PLC的组成和维护更加灵活方便，使PLC的应用X围更加宽广。
在系统构成规模上向大、小两个方向发展：
发展超大容量，超高性能PLC用来满足现代化工业控制中大规模的复杂的生产需要；发展价格低廉，功能简单的专用PLC来替代继电器。
产品更加规X化、标准化：
PLC生产厂家在不断推出新产品的同时，积极提高产品的标准化属性，使产品更容易被使用者接受，同时将PLC的各个标准部件如输入输出模块、接线端子、通信协议等方面的技术规格更加标准和规X，使不同产品可以互相兼容和组网，使用户可以方便的应用PLC控制各种标准机械化设备。
2.3三菱公司FX-1N系列PLC性能介绍
FX1N系列PLC是三菱公司FX系列PLC（包括FX1s、FX1N、FX2N、FX2NC）中推出的一种造价低廉、功能强大的普及型PLC。
FX1N系列PLC有13种基本单元，可以组成14~128个I/O点的系统，并能使用特殊功能模块、显示模块和扩展板。
用户存储器容量为8000步，有内置的实时钟。
PID指令用于实现模拟量闭环控制，一个单元可以同时输出2点100kHz的高速脉冲，有7条特殊的定位指令，有两个内置的设置参数用的小电位器。
通过通信扩展板或特殊适配器可以实现多种通信或数据，例如CC-Link、AS-i网络，RS-232C、RS-422和RS-485串行通信，N:
N、并行连接、计算机和I/O。
3立体仓库的硬件组成及控制原理
3.1立体仓库模型的基本结构
立体仓库模型是用来储存、分类货物的模型。
送货时，根据仓库存储情况将不同的货物送入指定的仓库位置中去；取货时，根据目标需求从指定的仓库位置取出货物。
采用皮带、直线导轨、主流减速电机作为传动装置，由PLC编程实现X、Y、Z轴位置控制，可完成仓库货物模型的自动/手动存取。
台式立体仓库模型结构如图3-1所示。
图3-1自动立体仓库装置图
该装置由立体库位框架、巷道式高叉车、操作盘等组成，并配有PLC控制器、光电式寻址传感器、限位开关、直流电机、键盘、驱动系统、直流稳压电源、空气保护开关等。
具体说明如表3-1所示。
表3-1自动立体仓库装置说明
图中序列标号
硬件名称说明
1
水平运行电机
2
垂直升降电机
3
升降式货叉装置
4
水平运行装置
5
水平叉车运行装置
6
列定位片
7
层定位片
8
光电传感器
9
键盘
10
货架
11
手操盘
12
直流稳压电源
13
电器驱动板
14
空气开关
15
三菱FX1N-40MT型号PLC
3.2系统的硬件组成及说明
3.2.1仓库位
本系统由6+3+1个存储位组成。
其中6为6个可自由存取位置，虽只有6个，但已经从原理上模拟出了所有仓库可定位情况；3为3个模拟位，由于硬件限制，并不具备实际存取功能，仅为美观所设；1为1个缓冲台，用来暂时存取货物。
3.2.2直流减速电机
直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。
齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。
同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。
这大大提高了直流电机在自动化行业中的使用率。
减速电机是指减速机和电机（马达）的集成体。
这种集成体通常也可称为齿轮马达或齿轮电机。
通常由专业的减速机生产厂进行集成组装好后成套供货。
本设计使用了三个ZHENGK公司生产的直流减速电机，其中X、Y方向采用型号为ZYTD-45SRZ-F-091020的直流24V，变速比rpm：
2500的电机，并且在X轴方向上加配了ZGB60R-45SRZ-11：
110的直流24V，变速比rpm：
20的8W齿轮变速箱。
Z方向采用型号JQ24-125G840的电机，并配备ZGA25RP216的直流24V，变速比rpm：
20的齿轮变速箱。
3.2.3反射式计数传感器
本设计中，采用反射式计数传感器来控制仓库号寻址定位，当遮光板相对于计数器移动时，计数器将反射回路的信号与原信号对比，产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号相关的直流信号输出电平。
这种电平可产生计数脉冲，将计数脉冲传送给PLC对比，通过X、Y两方向的不同的计数脉冲数来确定立体仓库的定位。
3.2.4稳压电源
开关稳压电源是由开关集体管VT和二极管VD及储能电感L、滤波电容C组成的。
另外，通常还具备较为复杂的驱动电路、调节电路、保护电路、基准电路以及构成闭环回路中的取样电路、放大电路和耦合电路用来控制盒调节输出电压的大小以及特性。
在本设计中，考虑到直流减速电机的工作电压为DC24V电源，并考虑系统用电量、系统可靠性、和系统设计的规整性等，最终选择稳压电源来统一供电。
3.3系统的工作原理及功能分析
立体仓库的运动机械结构部分采用皮带、滑轨等部分组成，采用三个直流电机作为拖动元件。
其关键部分是巷道起重机，由水平移动、垂直移动及伸叉机构三部分组成，其水平和垂直移动分别用两台直流减速电动机带动皮带来完成，伸叉机构由一台直流减速电动机来控制，当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，伸叉电动机驱动货架向前伸出，将货物取出或送入，然后铲叉向后缩回。
整个系统需要X、Y、Z三维的位置控制。
4基于PLC的立体仓库软件设计
4.1系统的工作流程如图
依据上述工艺流程分析，立体仓库控制系统的工作流程图如图4-1所示。
图4-1自动化立体仓库控制系统的工作流程图
该立体仓库系统运行情况为：
当将A/M按钮切换到自动后，系统允许进行立体仓库运行的自动控制。
系统初始化后，按下某仓库位置的按钮以及“取”或“送”按钮时，系统将进行相应的动作。
当出现故障时，电动机停止运行。
4.2PLC输入、输出点数的分配
表4-1自动化立体仓库控制系统的可编程逻辑控制器I/O分配表
X0
叉车左极限
X23
5号仓库是否有货
X1
叉车右极限
X24
6号仓库是否有货
X2
叉车下极限
X25
7号仓库是否有货
X3
叉车上极限
X26
8号仓库是否有货
X4
叉车内极限
X27
9号仓库是否有货
X5
叉车外极限
Y0
叉车后退
X6
列定位
Y1
叉车前进
X7
层定位
Y2
叉车上升
X20
A/M转换
Y3
叉车下降
X21
缓冲台是否有货
Y4
进叉
X22
4号仓库是否有货
Y5
出叉
X11X15
0号仓库位置
X10X17
6号仓库位置
X11X14
1号仓库位置
X10X16
7号仓库位置
X11X17
2号仓库位置
X13X15
8号仓库位置
X11X16
3号仓库位置
X13X14
9号仓库位置
X10X15
4号仓库位置
X12X15
入库
X10X14
5号仓库位置
X12X12
出库
4.3PLC系统的程序设计
PLC的程序编辑工作是靠梯形图完成的，梯形图具有形象直观，且便于分析记忆的特点。
GXDeveloper是一款可以开发三菱全系列的编程软件，使用十分方便，因此本设计采取GXDeveloper作为开发环境。
为了使得设计调试简单方便，依据功能分析知程序设计部分可分为系统初始化、送货子程序、取货子程序、货位保护程序等部分。
分别编程后再进行程序汇总。
4.3.1初始化复位程序设计
自动控制系统工作的第一步，便是判断叉车是否已经准备继续，是否可以正常工作，若不在初始位，需要自动回复到初始位。
因此在初始化阶段，本设计将叉车在下限位，左限位，外极限设置为初始位置。
根据叉车保护原则，叉车应判断是否叉车是否在外极限，若不在外极限，首先驱动电机向后收回叉子，到达外限位后进行下一步；若此时叉车已经在外极限，驱动垂直电机下降，当到达下极限后，驱动水平电机，后退到左极限，此时车车到达初始位置，PLC控制程序如图4-2梯形图所示。
图4-2初始位置复位程序
4.3.2送货子程序设计
送货是指叉车从缓冲仓库位置取出货物后送到指定仓库。
以4号库为例，系统的运行控制流程为：
叉车从初始位置出发，驱动水平前进电机，当到达列定位1时停下，此时到达缓冲仓库位置的水平位置，驱动垂直上升电机，当到达层定位脉冲数为1时停下，驱动叉车电机向前伸出叉子，叉子到达内限位后继续驱动垂直上升电机，当检测层计数脉冲数为2停止，此时货物已经被抬起，驱动叉车电机向后收回叉子，到达外限位后，驱动水平电机继续前进直到列定位脉冲数为2，驱动叉车向前伸出，到达内限位后，驱动垂直电机下降，检测层定位脉冲数为1时，驱动电机向后收回叉子，此时货物被安全稳妥的安放到了指定仓库位。
此时继续执行初始化位置程序，将叉车退回到初始位置，等待下次命令的出现。
其他仓库位置的送货程序与4号库相似，只需改变相应的层、列定位脉冲数，其中5号位定位脉冲为列定位为3，层定位为1、2；6号位定位脉冲为列定位为4，层定位为1、2；7号位定位脉冲为列定位为2，层定位为3、4；8号位定位脉冲为列定位为3，层定位为3、4；9号位定位脉冲为列定位为4，层定位为3、4。
4号库送货子程序如图4-3所示。
图4-34号库送货梯形图
4.3.3取货子程序设计
取货是指叉车从指定仓库位置取出货物后送到缓冲货台。
以9号库为例，系统的运行控制流程为：
叉车从初始位置出发，驱动水平前进电机，当到达列定位4时停下，此时到9号仓库位置的水平位置，驱动垂直上升电机，当到达层定位脉冲数为3时停下，驱动叉车电机向前伸出叉子，叉子到达内限位后继续驱动垂直上升电机，当检测层计数脉冲数为4停止，此时货物已经被抬起，驱动叉车电机向后收回叉子，到达外限位后，驱动垂直电机下降直到层定位脉冲数为2，驱动水平电机后退到达列定位1，驱动叉车向前伸出，到达内限位后，驱动垂直电机下降，检测层定位脉冲数为1时，驱动电机向后收回叉子，此时货物被安全稳妥的安放到了缓冲存储货仓。
此时继续执行初始化位置程序，将叉车退回到初始位置，等待下次命令的出现。
其他仓库取货程序与9号库取货程序相似，层、列定于与上相同，不再敖述。
9号库取货子程序如图4-4所示。
图4-49号库取货梯形图
4.3.4货位保护程序设计
货位保护程序的主要目的是在程序的初始位置判断是取货还是送货，在取货状态时，必须保证目的仓库有货且缓冲货台无货，否则程序不执行。
而送货状态时，必须保证缓冲货台有货且目的仓库无货，否则不执行。
同时取货程序和送货程序还应有互锁程序，不能同时执行以防出现双线圈的现象。
梯形图如图4-5所示。
图4-5程序汇总及互锁保护
立体仓库控制系统的PLC程序完整梯形图见附录。
4.4调试及故障处理
4.4.1调试步骤
（1）按系统I/O表连线，确认无误后，合上空气开关，看系统是否正常，若不正常，立即关闭电源开关，查出并排除故障。
（2）先将初始化程序通过RS-232C数据线下载到PLC中，观察PLC运行指示灯是否亮。
（3）将选择开关至于自动位置，系统将自动复位到初始位置，若不回复初始位置，说明初始位置程序有误，查出并排除错误后进行下一步。
（4）将入库子程序下载到PLC，依次检查送货程序是否正常，特别注意程序是否是在缓冲台有货而目标仓库位无货时执行，若缓冲台无货或目标仓库已经有货单送货程序仍然执行，说明入库子程序有错，查出并排除错误后进行下一步。
（5）将出库子程序下载到PLC，依次检查取货程序是否正常，特别注意程序是否是在缓冲台无货而目标仓库位有货时执行，若缓冲台已经有货或目标仓库无货但取货程序仍然执行，说明出库子程序有错，查出并排除错误后进行下一步。
（6）将以上程序汇总到一起后，通过RS-232C数据线下载到PLC中，观察PLC运行指示灯是否亮，并依次检查在入库出库切换后，程序是否按照预定步骤正常运行。
4.4.2故障处理
（1）电源指示灯不亮：
检查供电是否正常。
（2）电机不工作：
检查电动机接线是否正确；检测缓冲存储位置是否处于正常位置和状态；检测直流电动机是否损坏。
（3）立体叉车不送货：
检测开关是否在自动位置；检测对应仓库位置是否有货；检测缓冲存储位置是否有货。
（4）PLC输入输出指示灯不亮：
检测PLC是否真正有输出信号或输入信号；检测接口板的晶体管是否正常工作；检测指示灯是否正常。
4.5MCGS概述及设计
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，监视与控制通用系统）是昆态公司研发的一套组态软件系统，可实现对现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。
MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、动画显示、流程控制、趋势曲线、报表输出、报警和安全机制等功能。
4.5.1MCGS的工作原理
使用MCGS完成一个实际的应用系统时，首先必须在MCGS的组态环境下进行系统的组态生成工作，然后将系统放在MCGS的运行环境下运行。
MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件（又称为组态结果数据库）。
MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，在MCGS运行环境中用户可完成对工程的控制工作。
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，它们之间的工作过程可表示为图4-6。
图4-6MCGS工作原理示意图
4.5.2MCGS组态环境系统的组成及功能
MCGS组态环境系统由主控窗口、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。
其中实时数据库是MCGS系统的核心，是应用系统的数据处理中心。
实时数据库是系统各部分的公用区交换数据库，可实现各部分的协调工作。
设备窗口依靠设备构件驱动外部设备，与此同时，设备终端采集的数据送入实时数据库；将用户窗口组成的图形对象和实时数据库中的数据对象连接后，以动画形式展现实现数据；各部分工作原理如图4-7所示。
图4-7实时数据库的核心作用
4.5.3自动化立体仓库模型的上位机监控系统（MCGS）设计
（1）.新建工程的操作步骤如下：
在电脑桌面上，双击“MCGS组态环境”图标，进入MCGS组态环境。
单击“文件”菜单中的“新建工程”选项。
单击菜单“文件”在下拉菜单中选择“工程另存为”选项，在文件名一栏中输入“自动化立体仓库控制系统”，单击“保存”按钮，工程创建完毕。
（2）.按照监控程序定义系统数据名称及注释如表4-2。
表4-2系统数据对象表
数据对象名称
类型
对象内容注释
STORE0
开关型
缓冲台位置是否有货，如有货，变量为1
STORE1
开关型
1号库位置是否有货，如有货，变量为1
STORE2
开关型
2号库位置是否有货，如有货，变量为1
STORE3
开关型
3号库位置是否有货，如有货，变量为1
STORE4
开关型
4号库位置是否有货，如有货，变量为1
STORE5
开关型
5号库位置是否有货，如有货，变量为1
STORE6
开关型
6号库位置是否有货，如有货，变量为1
STORE7
开关型
7号库位置是否有货，如有货，变量为1
STORE8
开关型
8号库位置是否有货，如有货，变量为1
STORE9
开关型
9号库位置是否有货，如有货，变量为1
库位号
数值型
所选仓库的库位号
巷道起重机上有货
开关型
巷道起重机上有货时变量为1，否则为0
（3）.制作工程画面
.在MCGS组态平台中的“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新“窗口0”。
在用户窗口属性设置栏中将“窗口名称”改为：
自动化立体仓库控制系统；窗口标题改为：
自动化立体仓库控制系统如图4-8所示。
图4-8用户窗口属性设置
.选中“自动化立体仓库控制”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。
单击工具条中的“工具箱”按钮，打开绘图工具箱；单击图标可以打开或关闭常用图符工具箱，常用图符工具箱包括27种常用的图符对象。
选择“工具箱”内的“标签”按钮，鼠标的光标呈“十字”形，在窗口顶端中心位置拖拽鼠标，根据需要拉出一个一定大小的矩形；在光标闪烁位置输入文字“自动化立体仓库控制系统演示工程”，按回车键文字输入完毕；点击（填充色）按钮，设定文字框的背景颜色为：
没有填充；点击（线色）按钮，设置文字框的边线颜色为：
没有边线；点击（字符字体）按钮，设置文字字体，字型，大小分别为：
宋体，粗体，26；点击（字符颜色）按钮，将文字颜色设为：
蓝色。
.单击绘图工具箱中的“插入元件”按钮，打开“对象元件库管理”窗口，单击左侧的“对象元件列表”中相应的文件夹，在右侧的显示框中就会显示该文件夹包含的所有元件，选中满意的元件，单击“确定”即可将该元件加入到动画制作窗口，如图4-9所示。
在本系统中用到的元件有：
“开关17”一个；“按钮6”一个，“按钮7”一个，“按钮8”一个，“按钮9”一个，“按钮96”十三个，，并将两个“按钮96”重新组合，使其按钮的颜色成为红色；“马达25”两个。
将指示灯、开关、按钮、马达调整为适当的大小，放在适当的位置。
图4-9对象元件库管理窗口
选择“工具箱”内的“标签”按钮，鼠标的光标呈“十字”形，拖拽鼠标，根据需要拉出一定大小的矩形，分别编辑为开关、按钮所为不同的功能和意义。
.单击常用图符工具箱中的“立方体”按钮，并在动画制作窗口中拖动，画出五个立方体，调整其长宽高，使它们的大小相等。
调整五个立方体长宽高，使他们的大小相等。
双击图像，打开“动画组态属性设置”窗口（如图4-1
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