立体仓库模拟装置的设计及控制PLC控制类控制部分设计.docx
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立体仓库模拟装置的设计及控制PLC控制类控制部分设计
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2013年春___
姓名宁俊毅__
学号14101787014
专业_机电一体化_
学习中心_恒信教育中心___
指导教师______________
完成时间2016年2月8日
摘要
第1章绪论...............................................................1
1.1论文研究的背景.....................................................1
1.2立体仓库的组成和优越性............................................1
1.2.1立体仓库的组成..................................................1
1.2.2立体仓库的优越性.................................................2
1.3题目目的和意义.....................................................2
1.4本设计主要完成的工作...............................................3
第2章可编程控制器与MCGS的概述...........................................3
2.1可编程控制器的产生、发展及应用特点..................................3
2.1.1PLC的定义和功能..................................................3
2.1.2PLC的产生和发展.................................................3
2.1.3PLC的特点.......................................................4
2.2可编程控制器的基本组成..............................................4
2.3MCGS组态软件.......................................................5
2.3.1MCGS的主要特点和基本功能........................................5
2.3.2MCGS的构成......................................................5
2.3.3MCGS组态软件的工作方式..........................................7
第3章基于PLC的立体仓库控制系统的应用...................................8
3.1系统设计的基本步骤..................................................8
3.1.1结构与组成........................................................8
3.1.2系统控制要求......................................................8
3.2PLC的I/O地址分配..................................................8
3.3立体仓库的控制流程图以及编程说明....................................9
3.3.1立体仓库的工作流程图..............................................10
3.3.2控制系统的设计思路................................................10
3.4PLC程序的设计......................................................10
第4章基于MCGS对立体仓库控制系统的应用....................................13
4.1基于MCGS仿真实现的意义.............................................13
4.2MCGS实现立体仓库工程画面...........................................13
4.3MCGS实时数据库的读写实现...........................................16
4.3.1MCGS实时数据库简介...............................................16
4.3.2数据对象的类型....................................................16
4.3.3立体仓库控制系统数据库的构造......................................17
4.4MCGS与PLC设备的通信...............................................17
4.5监视画面的设定与动画的连接..........................................22
4.6编制控制流程........................................................24
4.6.1脚本程序的简介....................................................24
4.6.2立体仓库脚本程序的编制............................................24
4.7立体仓库控制流程及仿真演示..........................................26
总结........................................................................31
参考文献....................................................................31
致谢........................................................................31
附录.......................................................................32
附件1库位2“取”“存”货控制程序........................................33
附件22*2立体仓库组态软件监控画面—2号库位取货过程仿真.................35
郑州大学现代远程教育专科毕业论文（设计）评审表.....................................................36
PLC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2*2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.PLC.MCGS.监视
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。
1.1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。
1.2立体仓库的组成和优越性
1.2.1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。
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ORACLE、SYBASE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。
1.2.2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：
①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2-5倍。
这是相当可观的。
②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。
③加快货物的存取节奏.减轻劳动强度.提高生产效率。
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。
④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。
⑤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。
1.3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。
1.4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S7-200PLC以及MCGS组态软件来实现对2*2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。
第2章可编程控制器与MCGS的概述
2.1可编程控制器的产生、发展及应用特点
2.1.1PLC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..
①逻辑处理功能..
②数据运算功能..
③准确定时功能..
④高速计数功能..
⑤中断处理..可以实现各种内外中断..功能..
⑥程序与数据存储功能..
⑦联网通信功能..
⑧自检测、自诊断功能。
2.1.2PLC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PLC.1973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。
2.1.3PLC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。
（5）PLC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。
2.2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2-1所示..
1.CPU（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PLC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。
2.3MCGS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。
2.3.1MCGS的主要特点和基本功能
⑴简单灵活的可视化操作界面。
⑵实时性强、良好的并行处理性能。
⑶丰富、生动的多媒体画面。
⑷开放式结构..广泛的数据获取和强大的数据处理功能。
⑸完善的安全机制。
⑹强大的网络功能。
⑺多样化的报警功能。
⑻实时数据库为用户分部组态提供极大方便。
⑼支持多种硬件设备.实现“设备无关”。
⑽方便控制复杂的运行流程。
⑾良好的可维护性和可扩充性。
⑿用数据库来管理数据存储..系统可靠性高。
⒀设立对象元
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