立体仓库电气系统设计.docx
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立体仓库电气系统设计
设计任务书
设计目的：
1、学习PLC电气控制系统的开发过程和系统设计思路；
2、锻炼实际应用程序开发能力；
3、提高电气制图、流程图绘制及办公文档编辑能力。
设计要求：
1）基本要求：
●设置叉车平台复位按钮
叉车平台的入库、出库操作，一般情况下都应该从初始位置开始。
当叉车平台位于缓冲区列、第一层、叉子收回到位状态为初始位置。
开机运行时，叉车平台应该首先自动回到初始位置；若遇到特殊情况，叉车平台停在非初始位置，按下复位按钮即可实现复位。
●入库工作过程
选定操作仓库编号（用拨动开关实现）
按下“入库”操作键
按下“确定”键
●出库工作过程
选定操作仓库编号（用拨动开关实现）
按下“出库”操作键
按下“确定”键
设置初始位置指示灯、入库/出库操作指示灯，用于指示叉车位置或工作状态
2）提高要求
i）当执行入库操作时，完成货物入库之后，叉车平台停在最后入库位置。
待下次重新设定入库/出库操作并确定后，由当前位置开始工作。
这样操作理论上可以节约电能、使工作过程更趋合理；
ii）假定开始工作时，各个仓库都是空状态。
要求在PLC的V型数据区，存储每个仓库当前空/满状态，以备组态监控使用。
iii）也可用状态表监视其状态变化。
3）高级要求
利用上位机组态软件组态监控画面，或利用触摸屏组态监控画面，监控机械手的生产过程。
绪论
随着国民经济的快速发展，自动化立体仓库必然会被更广泛地应用于各行各业。
自动化立体仓库是现代物流系统的一个重要组成部分，是一个多囤货仓库系统的开销，通过自动控制和管理系统，高位货架，堆垛机，自动存储，自动出库，计算机管理控制系统和其他辅助设备。
仓库模型控制系统是基于对自动化仓库的操作和设计的基本原则。
在整个控制系统，以西门子系列PLC为核心控制元件，专用键盘作为人机接口装置，用于控制步进电机来驱动一个仓库有三个运动自由度的由高强度钢轨三维模型。
在根据地址码每转的步进电机输出脉冲应当通过键盘的每个位置，由PLC的键盘命令扫描和位置的相应数量的，当PLC接收从键盘输入的命令，则输出数的脉冲对应于该位置，之后驱动步进电机驱动按设定的方向转动一定的角度，进而控制传动部件丝杠旋转进行准确的定位，以完成货物的存取功能。
另外，为了保证整个控制系统运行的稳定性和可靠性，我们还采用了限位开关对其进行限位保护。
本文首先对该课题的可行性及课题实现的现实意义和价值进行了介绍；其次对该系统的硬件组成、结构、原理进行了阐述和分析；再次对本控制系统的核心——软件进行了编写，论文中即有梯形图又有相应的语句表；最后对设计本课题所学到的知识和结论进行归纳和总结，并对本论文有待完善的地方进行扼要的说明。
关键字：
立体仓库、可编程控制器（PLC）、步进电机
1设计思路
1.1设计目的
通过对实验室流水线上具体的从站及其接线方式的认真观察，了解其各部分功能，对PLC主机进行编程来控制相关元件动作，来加深对PLC原理与实践应用。
主要是梯形图的掌握，这一点是本次课程设计的最关键因素，直接关系着最终设计的成败与否。
对此要发挥团队合作精神，一起探讨，集思广益，积极动手动脑，勤于程序调试，不断发现并解决问题，不怕失败，勇于挑战困难，逐渐趋于完美并达到任务要求。
本实验选用从站八，即立体仓储控制单元，对三台不同方向运转的电机进行正反转控制来实现，需要认真周到地编写程序并能大概预见其执行效果，在具体调试中不断完善程序。
另外在测试阶段一定要注意设备安全，避免电机的堵转，更要注意人身安全，防止机械划伤碰。
1.2系统设计的基本步骤
立体仓库的系统设计与调试的主要步骤
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工艺条件和控制要求；
2、确定I/O设备，根据立体仓库控制系统的功能要求，确定系统的用户输入、输出设备。
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的完整的梯形图程序，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软硬件设计和现场测试完成后，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。
8、小组成员：
2硬件电路设计
2.1设计的电气原理图
2.1.1输入接口电路板
输入接口电路板原理图如图1所示，其功能是将设备上行程开关的开关状态和光电传感器的信号转换为统一的电平信号（逻辑1：
24VDC；逻辑0：
0VDC）。
板上设有光电隔离电路，将内外电源隔离，以保护设备安全。
图1.输入接口电路板电气原理图
2.1.2输出接口电路板
输出接口（如图6所示）由两块电路板构成：
驱动电路板和输出接口电路板。
它们的功能是将PLC输出的控制信号用于驱动继电器动作，从而控制电动机正向或反向运行。
输出接口电路板上也设有光电隔离电路，可将内外电源隔离。
左图为驱动电路板电气原理图，继电器A吸合、B释放，对应的电机正转；继电器A释放、B吸合，对应的电机反转；继电器A、B同时释放，电机停止运行；不允许二者都吸合。
右图为输出接口电路板电气原理图，当PLC输出的某路控制信号有效时，对应的输出信号有效，从而可以使得对应的继电器吸合。
图6.输出接口电路电气原理图
（左图为驱动电路板，右图为输出接口电路板）
2.2I/O分配表
2.2.1功能介绍
在设计目的中已说过，本实验选用从站八，即立体仓储控制单元，通过对三台不同方向运转的电机进行正反转控制来实现铲车上下前后运动以及铲车手臂的左右运动。
控制台上有个按钮，分别是启停、复位、单步、手动自动。
由于本次实验要求没有设计自动控制，所以手动自动按钮没有进入编程的考虑范围内。
使用说明：
１．上电复位，接通PLC电源后相关计数器清零，并自动进入复位运动状态，如果已经复位则等待；
２．按下启停，系统进入准备状态；
３．按一下单步，系统进入第一次取货运动；
４.再按一下单步，系统进入第一次送货运动；
５．每完成一个运动按一次单步，则系统重复３、４步骤，直到取送完所有货物。
６．按复位按钮则执行复位动作，铲车回到起始位。
2.2.2CPU224CNI/O接口分配表
名称
I/O口
属性
名称
I/O口
属性
启动/停止
I0.0
自保持
列定位
常开上升沿有效
I1.2
复位
I0.1
常开
层定位
常开上升沿有效
I1.3
单步
I0.2
常开
M0前行
输出线圈
Q0.0
手动/自动
I0.3
自保持
M0后行
输出线圈
Q0.1
M0后限位
I0.4
常开开关
M1下行
输出线圈
Q0.2
M0前限位
I0.5
常开开关
M1上行
输出线圈
Q0.3
M1下限位
I0.6
常开开关
M2左行
输出线圈
Q0.4
M1上限位
I0.7
常开开关
M2右行
输出线圈
Q0.5
M2右限位
I1.0
常开开关
M2左限位
I1.1
常开开关
2.2.3接口说明
启停、复位、单步、这三个按钮为控制台上可以直接操作的按钮，可以用它们来控制系统的运行。
但限位开关是安装在运动导轨上的位置开关，在系统运动时触碰到它们时起作用成为输入信号并传入CPU的I0.4到I1.1接口。
层、列定位分别由坚直导轨上的六个小金属片和水平导轨上的三个小金属片作为输入信号，通过光电传感器转换成电信号传递给层定位I1.2和列定位I1.3，输出线圈直接由CPU的Q0.0到Q0.5分别两两传给三个不同电机，从而分别控制其正反转。
经过这样的I/O口分配以后，剩下的就由软件编程来处理其具体控制任务了。
3软件设计
3.1系统流程图
3.2程序分析
本课题所选设备为实验室从站八，即立体仓储控制单元系统。
I/O接口方式按“I/O接口分配表”接线，接好线后先检查一下，在确认无错后再编程实验。
编程之前先了解各个元件的特点以及功能，比如控制按钮的开关特点、限位开关的原理与用法、定位传感器的原理与用法，更为主要的是要从大脑里想象出铲车运行的各个步骤与细节是如何协调工作的。
在调试之前切记先把铲子扳到右边，以防止在铲车手臂在错误运动时卡在仓库里使电机堵转而烧坏。
本程序大量使用了CPU内部的“RS”复位－置位逻辑单元，目的是使三个电机的正反转不会发生冲突，比如当电机前进时，保证没有使电机停止的程序同时起作用，以此类推。
同时利用限位开关的上升沿或下降沿解决了顺序控制才能解决的问题，比如取到货返回时，务必先右行使铲子撤出仓库才能下行和前行，这样右限位开关的上升沿就起到了这个顺序功能。
具体实现方法在程序里面体现，在这里就不赘述了。
另外用到三个计数器C0、C1、C2，分别记录列计数，层计数和单步次数。
前两个为加减计数器，到达最前端或最下端复位，可以根据实际情况记录当前的层与列，用于定位，使铲车确定所要取货的仓库号；第三个计数器为加计数，按复位键时复位，作用是记录该执行哪次单步动作，如果取货和送货是两个单步的话，那么要完成6个货物的搬运总共需要12次单步计数。
在程序具体执行时表现为C2为奇数时取货，C2为偶数时送货，因此程序里面大量出现了“C2=?
”的判断指令。
纵观整个程序，分为主程序，复位子程序，定位子程序，运行子程序。
主程序里包括对计数器清零，上电复位子程序入口，定位子程序入口，运行子程序入口。
复位子程序里只有使铲车回到原始位置的指令，及回来前限位，下限位和右限位位置。
定位子程序包括两个计数器C0、C1，分别用于列与层的定位，还有列一、列二、列三，层一下，层一上，层二下，层二上，层三下，层三上的定义。
运行子程序包括单步计数器C2，还有前行取送货，后行取送货，左行取送货，右行取送货，上行取送货，下行取送货等等。
分别代表各种不同的状态对应的动作指令，从而告诉铲车每一步和每一个状态应该做什么。
4程序调试
4.1调试设备
一、检查接线
用万用表诸根检查面板上按钮、指示灯、转换开关到端子排的接线；端子排到PLC输入输出端子的接线；电源到PLC、触摸屏的接线。
PLC之间、PLC和触摸屏之间的通讯线缆制作和插接。
确保做到以下几点：
1.所有接线牢固、无松动，无短路：
所有电源正（L）接点不得与电源负（N）相导通，无断路：
所有同一回路中不经过触点和用电器的的线接点应导通，线号正确，标识便于理解。
2.电源正负（L和N）接线正确、无颠倒，所有电源电压应符合用电器电压允许范围。
3.传感器、用电器回路接线正确：
保证回路由电源正（L）到触点或IO接口再到用电器或传感器（包括端子排预留接口）再回到电源负（N）。
4.各类传感器或用电器接线方式正确：
两线制、四线制电流信号传感器、热电阻传感器，继电器线圈和触点等接线符合接线标准和电气原理。
发现接线有不当或错误之处，立即纠正。
二、系统上电
依次进行一下检查，如发现问题，马上查找原因解决。
1.测量电源输入电压在允许范围内后，系统上电。
2.测量开关电源输出电压是否正常。
3.观察PLC电源指示灯是否正常，触摸屏是否正常开机并显示。
4.按下按钮、转动转换开关、短接相应触点或端子排开关量输入预留接口，观察PLC模块的DI对应指示灯是否点亮，亮度是否正常，有无闪烁。
5.短接PLC模块DO输出接口和电源漏极或源极模拟DO输出，观察对应继电器是否吸合，吸合是否可靠。
6.将端子排模拟量输入接口接入信号源（四线制电流）或测试用传感器（两线制电流、热电阻等），用万用表测量信号是否正常，是否符合信号范围，线性变化是否正常。
三、仿真测试程序和组态画面
将编写好的PLC控制程序和触摸屏及上位机组态画面用仿真软件和编写的模拟运行程序进行仿真测试。
确保做到：
1.PLC程序IO变量与实际PLC模块地址对应正确。
2.PLC程序各子程序功能可行且可靠，模拟能考虑到的各种现场情况并测试它们对程序运行产生的影响，修改完善子程序功能。
模拟并排查程序运行一段时间可能产生的问题（如数据溢出，寻址错误，死循环等）。
尽量使子程序代码健壮，重用性强，同时优化程序执行时间。
3.按照现场可能遇到的各种情况模拟测试整个控制程序的运行，包括手动单独控制、手动一键控制、自动控制等，确保程序运行可靠、稳定。
4.触摸屏和上位机组态画面建立的外部变量地址与PLC程序中的相应变量对应正确，最好将组态项目集成到PLC项目中，这样PLC的变量可以导入到组态项目中，避免重复工作，减少错误（不适用于小型触摸屏）。
5.结合PLC程序和仿真软件模拟测试组态画面中的动画效果和数值、文字显示以及各种按钮、控件的功能。
测试报表、趋势、报警信息等功能是否正常。
四、下载程序和组态画面并调试通讯
1.检查上位机与PLC的通讯设置是否正确，向PLC下载程序。
检查PLC之间的通讯设置和PLC模块的地址拨码开关设置和DP插头上拉电阻设置，观察PLC通讯指示灯是否正常。
通过上位机监控测试PLC之间通讯是否成功。
2.检查上位机与触摸屏的通讯设置是否正确，向触摸屏传输组态画面。
检查触摸屏组态项目中与相应PLC的通讯设置，测试PLC与触摸屏通讯是否成功。
3.检查上位机组态项目与PLC的通讯设置，测试PLC与上位机监控画面通讯是否成功。
4.2遇到的问题与解决方法
1.出现双线圈，用中间继电器解决双线圈
2.输出单元有信号没动作，检查硬件更换坏的硬件
3.输入单元没信号，输入单元电源线，更换电源线
5心得体会
通过本次的控制系统综合实验课程设计，深刻体会到了自己知识的匮乏。
本次课程设计的题目是立体仓库控制系统设计。
通过查找资料，结合书本中所学的知识，完成了课程设计的内容。
把书中所学的理论知识和具体的实践相结合，有利于我们对课本中所学知识的理解，并加强了我们的动手能力。
在课程设计之前，我通过各个渠道查找资料后分析验证，经过多次的修改和整理，作了如上的设计思路。
虽然这次设计一开始是按照设计要求去完成的，但由于在实际操作中，出现了比较大的问题，导致以上的准备资料，在实际操作中都未能派上用场。
在这次的课程设计过程中，我懂得了很多，课程设计不光是让我们去“设计”，更重要的是培养我们的能力！
通过本次课程设计使我对自动控制又有了进一步的了解，增加了对所学知识的应用。
附录1参考文献
[1]常辉.西门子S7-200PLC入门与应用实例[M].北京:
中国电力出版社,2010
[2]杨后川.西门子S7-200PLC应用100例[M].北京:
电子工业出版社,2009,4
[3]汪小澄.可编程序控制器运动控制技术[M].北京:
机械工业出版社,2006,1
[4]殷洪义.可编程序控制器选择、设计与维护[M].北京:
机械工业出版社,2002,11
附录2程序清单
主程序
按键处理
复位程序
升级会员 