基于PLC的立体化仓库的设计.docx
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基于PLC的立体化仓库的设计
PLC作为一种通用的控制装置，性价比较高，是存储逻辑在工业应用中的代表性成果，具有配置灵活、按模块连接、处理速度快、控制指令丰富、数据处理精度高、网络通信技术先进等特点。
PLC和步进电机的组合进而能够实现计算机精确控制推料机的位移运动，把物体储存到立体仓库的指定位置。
本设计是以PLC为控制器，综合了电机驱动及电机控制原理、传感器原理及检测技术和网络通信等知识来实现立体仓库的单元存储功能的。
1绪论
1.1本设计研究的目的和意义
立体仓库的控制模块主要采用PLC作为控制器的计算机监测控制的方式。
由于通信设备的飞跃发展，软PLC作为另外一种控制模式也日益广泛应用，其中就包括人机界面触摸屏仿真软件的WinCCflexible。
由于物流的不断发展，因此对于物流与仓库单元相适应的管理问题也越来越复杂，对存储位置精确性的和效率化分类管理等方面也提出了更高要求，因此需要继续研究以满足现代物流的控制需求及更进一步的优化控制系统和控制程序。
MPS（ModularProductionSystem）是由上海寰益智能仪器科技有限公司研制的教学设备，是机电一体化技术发展的产物。
一共包括六个独立单元，既可以组成一个独立的控制系统，也可以由多个单元组成集成系统联机控制。
在实验室MPS系统上研究基于PLC的立体存储单元的系统设计，一方面提高MPS系统的开发性和扩展型，加强实验室的建设。
另一方面，通过立体存储单元的研究，可以把设计原理、控制方法和编程思想应用到其他领域。
1.2本设计国内外研究现状
目前国外的立体存储仓库主要是通过扫描方式来加快系统的传输速度和读取工件的外观信息。
国内对于立体仓库采用单片机控制，因此需要设计的外围电路相对于PLC控制器要复杂，从而降低了系统整体的集成性。
一方面立体存储仓库的空间有限制，另一方面还要与前台或者后台的智能化设备协作，随之而来的其空间位置的分配、最优路径的选择、位置极限的避碰保护、死锁的避免等问题给系统的设计带来了苦难，而且许多复杂的控制问题还没有良好的解决措施。
目前多智能体的控制和多机器人协作是近年来的热门话题。
1.3本设计拟解决的关键问题
本课题探讨了如何利用西门子PLC-224作为控制器实现立体仓库的控制。
解决的关键问题有：
1、立体存储单元的精确定位控制
2、系统运行的稳定性控制
本系统采用开环控制模式，当电机运行速度较高时，如果直接加速到目标速度或者迅速命令其停止，会造成电机运行不平稳甚至造成机械装置震动。
3、最优路径的选择
在仓库存储原则下，如何选择最优路径，实现运动模式是一个重点和难点。
2MPS立体储存单元
2.1功能简介
图2.1立体仓库
功能：
模拟立体仓库的存储功能，分类立体存放系统加工完成的合格产品。
PLC主机：
三菱FX2N系列、西门子S7系列
扩展模块：
485、PPI、MPI、Profibus网络
步进电机及驱动器：
Start
2.2组成模块
2.2.1步进电机控制模块
基于PLC的立体存储单元的设计有两个步进电机驱动模块，分别控制滚珠丝杆的水平转动和垂直转动，从而使得推料机能够左右上下移动。
步进电动机是运动控制系统中常用的执行器件，能够将脉冲信号转成角度,利用脉冲信号控制运动。
脉冲信号被驱动器成功接收后，将会控制步进电机根据脉冲值旋转一个步距角。
可以经由控制脉冲频率和控制脉冲个数等参数的修改来控制电机转动的速度和加速度以及角位移量，精确定位和速度调整。
型号17HS101驱动器2H202D（默认800）
表2.1步进电机驱动参数
Microstep
setting
SW12
steps
00
400
01
800
10
1600
11
N/a
SW34
Kept“1”
类型
说明
2相
细分数
2、4、8
步距角
0.9°、0.45°、0.225°
电流范围
1.7A
图2.2驱动器及电机连接图
2.2.2滚珠丝杆模块
两套滚珠丝杆模块安装成垂直的方式，形成一个平面轴运动系统。
滚珠丝杆驱动模块能够改变机械装置的运动模式，将旋转运动转换成直线往复运动，在推料机工作台的左、右、上、下极限处均装有极限开关B1和B2。
螺旋丝杆的螺距经测量为：
4mm
极限开关B1和B2为感应式传感器，属性参数见下图。
电感式接近开关就是利用电涡流效应制造的传感器。
高频振荡型电感式接近开关：
它以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，利用被测金属物体接近电感线圈时产生的涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检测的目的。
图2.2电感式传感器
表2.2电感式传感器参数
MB系列直流两线
型号
输出类型
工作电压
输出电路
连接方式
FN1.5-M8G8-D0D1
DC2线制
DC10-30V
DC/NO
连接器
FN1.5-M8G8-DCD1
DC2线制
DC10-30V
DC/NC
连接器
表2.3B1/B2传感器参数
基本参数
安装类型
齐平
非齐平
额定感应距离SN
1.5mm
2mm
滞后
3...10%ofSr
输出指示
红色LED
2.2.3工件推出组件
工件推出模块采用气动控制系统作为执行机构，其中有两个接近开关1B1和1B2，用以判断推出气缸的位置。
1Y1控制气缸的运动，工作原理和过程与两位五通电磁换向阀相同。
接近开关1B1和1B2为磁感应式传感器，属性参数见下图。
电感式接近开关就是利用电涡流效应制造的传感器。
差动线圈型电感式接近开关：
它有两个电感线圈，由其中一个电感线圈作为检测线圈，另一个电感线圈作为比较线圈；由于被测金属物体接近检测线圈时会产生涡流效应，从而引起检测线圈中磁通的变化，检测线圈的磁通与比较线圈的磁通进行比较，然后利用比较后的磁通差，经由传感器的信号调理电路将该磁通差转换成电的开关量输出，从而达到检测的目的。
图2.3磁感式传感器
图2.4气动阀原理
表2.4磁感式传感器参数
M12系列直流两线
型号
输出类型
工作电压
输出电路
连接方式
FN4-M12-D0D1
DC2线制
DC10-30V
DC/NO
2米电缆
FN4-M12-DCD1
DC2线制
DC10-30V
DC/NC
2米电缆
表2.51B1/1B2传感器参数
基本参数
安装类型
齐平
非齐平
额定感应距离SN
2mm
4mm
滞后
3...10%ofSr
输出指示
红色LED
2.2.4立体仓库
推块槽的宽度：
36mm
立体仓库规格尺寸：
6X6（横向6格，竖向6格），每一个为40mm的正方规格。
3S7-200PLC（CPU-224）
3.1PLC概述
图3.1西门子S7-200CPU224
3.1.1PLC的主要优点
1、模块接线方便简单、功耗低、通用性好等优点。
2、数据处理功能强大，还能够实现数据的通信和PID参数调节。
3、抗扰能力强，具有工作稳定性好、准确度高、响应速度快等特点。
4、PLC能够用MX.X、TXX、CXX等软元件取代实际继电器，降低成本。
5、良好的自诊断功能和动态的显示功能，而且故障时易于诊断和修护。
6、能够与其他职能控制设备通信，由网络组成的集成控制的分布式控制系统，大幅度提高了控制系统的可靠性。
可编程逻辑控制器通信包括主机与远程I/O之间的通信，它还有多种人-机对话的接口模块和多种通讯联网的接口模块，形成网络化统一管理。
3.1.2PLC的工作原理
将PLC接入电气控制系统，下载程序后，就可以运行工作了。
扫描过程分为三个阶段，第一阶段为输入采样，第二阶段为程序执行，第三阶段为输出刷新。
一个扫描周期是指三个阶段运行一次的时间。
而“周期”则反复循环运行，只要PLC不关机，将会重复执行上述三个阶段。
图3.2西门子S7-200扫描方式
3.2PLC编程
3.2.1编程语言
STEP7为用户提供了多种编程语言，S7-300相比s7-200增加的编程语言有结构控制SCL、顺序控制S7Graph等，我们常用的小型PLC编程语言一般有三种，梯形逻辑LAD、语句表STL、功能块图FBD，其中最常用的是LAD。
3.2.2编程方式
主要有经验法和顺控法。
33.2.3程序的基本组件
.2.3程序的基本组件
一个程序块主要包括有可执行指令、符号地址和注释等。
程序由OB1主程序和SFB子程序或者INTO中断组成。
4系统硬件设计
4.1硬件设计组成
立体存储单元依据控制器和执行器的设计特点可以有以下几个方案：
1、基于PLC运动控制器和步进电机的组合进行立体存储单元的设计。
2、基于单片机运动控制器和步进电机的组合进行立体存储单元的设计。
3、基于嵌入式运动控制器和步进电机的组合进行立体存储单元的设计。
由于s7-200具有强大的指令系统，具有功能齐全的编程软件和界面友好的工控组态软件，同时它有多种功能模块，便于组网，有良好的扩展性。
尤其它的两路高速脉冲功能在步进电机控制上非常方便，从系统实现和系统设计性价等方面比较，采用基于PLC和两台步进电机的立体存储单元的设计。
图4.1立体仓库系统组成
4.2硬件控制接线图
4.2.1输入电气连接
图4.2立体存储单元IN
4.2.2控制面板电气连接
图4.3控制面板
各开关的控制功能定义为：
带灯按钮，绿色开始
带灯按钮，蓝色复位
按钮，黄色特殊
两位开关，白色切换手、自动
两位开关，白色切换独立、级联
按钮，红色（完成当初动作后）停止
带灯按钮，红色上电
带灯按钮，（停止所有动作）急停
4.2.3输出电气连接
图4.4立体存储单元OUT
4.2.4系统整体电气连接及I/O分配
表4.1I/O分配
输入I
输出O
I0.0B1感应式左行程开关（X轴）
Q0.0步进电机CP1脉冲
I0.1B2感应式下行程开关（Z轴）
Q0.1步进电机CP2脉冲
I0.2IB1接近开关（推料气缸推杆缩回状态）
Q0.2步进电机DIR1方向控制（0前进1后退）
I0.3IB2接近开关（推料气缸推杆伸出状态）
Q0.3步进电机DIR2方向控制（0前进1后退）
T1-T4四个手动型限位开关
Q0.41Y1控制气动电磁阀
I1.0开始按钮
Q1.0开始指示灯
I1.1复位按钮
Q1.1复位指示灯
I1.2特殊按钮
I1.3手自动开关
I1.4单联动开关
I1.5停止按钮
图4.5系统控制连接
4.3系统工作原理
4.3.1系统的功能要求
按“上电”后，复位灯以默认的周期1s闪烁。
按“复位”后，灯熄灭，并调用复位子程序开始动作，推料机处于缩回状态，由丝杆驱动模块带动推料机运转复位（X、Z轴归零）。
开始灯以默认的周期1s闪烁，按“开始”后，灯熄灭，由丝杆驱动模块带动推料机运转到开始位置，等待工件的放入。
按“特殊”后，由丝杆驱动模块带动推料机运转到达预定的仓位，推杆再将工件推入相应存储单元（存储单元有分类，运转到达的仓库是根据工件信息选择的）。
最后由丝杆驱动模块带动推料机复位后再次去开始位置处等待接收工位，直到按下后续的“特殊”按钮信号。
在不考虑联机的情况下，暂时把对物料的材质及颜色的分类用I1.3“手/自”和I1.4“单/联”两个按钮代替：
表4.2仓库分配
按钮
材质及颜色
银色、铝合金
白色、塑料
黑色、塑料
银色、塑料
手动
0
1
0
1
单/联
1
0
0
1
图4.6工件
4.3.2系统的工作流程
上电：
复位灯闪烁（Q0.1），SM0.5实现闪烁,I0.2亮（IB1工作，即气缸处于收缩状态）。
复位：
复位到指定位置，开始灯闪烁（Q0.0），I0.0I0.110.2亮（左下角）
若检查到堆料机不在复位的位置，则调用输出脉冲子程序（即Q0.0X轴工作或Q0.1Z轴工作，Q0.2Q0.3亮，因为此时推料机后退，步进电机反转）开始：
开始到指定位置后，开始指示灯亮（Q0.0），I0.0I0.2亮（向上走了一段距离，经测量为45MM，停留在第二排存储单元开端处，故I0.1下限位灭）特殊：
开始指示灯熄灭运动方向：
右上---上---气阀工作---左----下----上（“上”指上升到开始指定位置
图4.7蓝色为开始位置
5系统软件设计
5.1软件编程顺序控制
图5.1顺序控制流程图
5.1软件设计流程图
图5.2主程序流程图
5.3步进电机实现方法及重要指令说明
5.3.1PTO位置控制向导配置
首先确定脉冲输出模块，定义模块参数和需要的运动包络。
位控向导能够引导我们对设备和包络进行设置，并且完成后生成一系列的子程序和包络表。
其次选择测量系统，选择好使用的输出点。
为了降低步进电机运行的不平稳性，一般而言需要设置加、减速的时间（MS）。
模式一般有两种，一种是单速连续转动模式，另外一种是相对位置模式，一个包络中最多包络四个步，一般情况下，我们选择单步包络就足够了。
脉冲输出子程序：
通过位置控制向导就生成了4个PTO函数，分别是PTOx_CTRL、PTOx_RUN、PTOx_MAN、PTOx_LDPOS。
多段PTO操作的包络表设置（位置控制向导）
图5.3向导设置速度
图5.4向导设置包络
电机配置
最高速度设置为：
8000/S；最低速度设置为：
800/S
启动/停止速度设置为：
800/S；包络的目标速度设置为：
2000/S
重要PTOx_RUN子程序说明（运行包络）：
EN位：
启用此子程序的使能位。
START参数：
包络的执行的启动信号。
对于在START参数已开启且PTO当前不活动时的每次扫描，此子程序会激活PTO。
为了确保仅发送一个命令，请使用上升缘以脉冲方式开启START参数。
Profile（包络）参数：
包含为此运动包络指定的编号或符号名。
Abort（终止）参数命令，开启时位控模块停止当前包络并减速至电机停止。
Done（完成）参数：
当模块完成本子程序时，此参数ON。
Error（错误）参数：
包含本子程序的结果。
C_Profile参数：
包含位控模块当前执行的包络。
C_Step参数：
包含目前正在执行的包络步骤。
图5.5PTOx_RUN子程序
SCR指令使您能够按照自然工艺段在LAD、FBD或STL中编制状态控制程序。
只要您的应用中包含的一系列操作需要反复执行，就可以使用SCR使程序更加结构化，以至于直接针对应用。
这样可以使得编程和调试更加快速和简单。
装载SCR指令（LSCR）将S位的值装载到SCR和逻辑堆栈中。
SCR堆栈的结果值决定是否执行SCR程序段。
SCR堆栈的值会被复制到逻辑堆栈中，因此可以直接将盒或者输出线圈连接到左侧的功率流线上而不经过中间触点。
5.3.2SCR指令
SCR指令是基于SFC的编程方式，专门用于编制顺序控制程序。
由于此设计的工作流程是按顺序执行的，因此可以采用SCR指令来控制系统对应的步，各个步的设定见系统顺控流程图。
5.3.3S置位、R复位指令
根据执行顺序，我们也可以采用置位与复位指令来编写顺控程序。
除了用于顺控程序编写外，也可以使用置位复位的基本功能，特别是在适合替换双线圈输出情况下的继电器输出。
5.3.4SHRB移位寄存器指令
根据执行顺序，我们也可以采用移位寄存器指令来编写顺控程序。
为了使得配合动作顺序执行，一般会将S_BIT输入端大于等于动作的步数，N输入端设置为“1”，表示一次执行一步，并且当前有效，当执行下一步时，失效。
DATA输入端设置为初始步，并且初始步在进入移位指令前需有效，即值为“1”。
图5.6SHRB移位寄存器指令
5.3.5PLS指令
当EN端有效时，指令检测各相关特殊功能寄存器的状态，根据定义的控制字节执行高速脉冲输出操作。
脉冲输出指令（PLS）用于在高速输出（Q0.0和Q0.1）上控制脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）功能。
S7-200提供了开环运动控制：
脉宽调制（PWM）一一内置于S7--200，用于速度、位置或占空比控制。
脉冲串输出（PTO）一一内置于S7--200，用于速度和位置控制。
高速脉冲输出指令是用于产生高速脉冲进而驱动负载工作。
图5.7PLS指令
5.4两种编程方法及程序说明
5.4.1符号地址
图5.8编程软件中定义的符号地址（经验法）
图5.9编程软件中定义的符号地址（顺控法）
5.4.2顺序控制法
根据绘制好的步序编程，既可以采用复位、置位指令写好各步，也可以直接利用顺控指令进行各步的编写。
在这个方法中，实现了物料手动和自动两种功能的存储，故用到了跳转指令。
而且，需要在上电时就用置位指令将S0.0设为“1”，主要是因为在没有设置开关为“1”选择进入手动子程序手动操作时，可以顺利实现物料的自动存储。
当然，在调用手动子程序时，需要将S0.1以后的各步复位设为“0”，以防开关为“0”不调用手动时，能够从S0.0开始执行，进行正确地步操作。
电机控制没有用PLS指令，而是采用了位置控制向导，向导的编程方法见相关指令介绍。
复位，作为一个子程序，主要是用于将推料机复位到原点。
开始，也作为一个子程序，主要是将推料机上升到机械手放物料的位置。
位置子程序一共有5个位置，分别为第一排第一格至第五格，用C0来进行选择。
手动子程序，用于手动操作，可以实现其动作单独执行，手动存储到指定位置。
主程序STL如下，LAD梯形图见附录。
Network1
LDSM0.1
SS0.0,1
Network2
LDI1.3
JMP1
Network3
LDNI1.3
CALLSBR13
RS0.1,4
SS0.0,1
Network4
LBL1
Network5
LSCRS0.0
Network6
LDSM0.5
=Q1.1
Network7
LDI1.1
SCRTS0.1
SM0.0,1
Network8
SCRE
LSCRS0.1
Network10
LDI0.0
AI0.1
ASM0.5
=Q1.0
Network11
LDM0.0
CALLSBR0
RM0.0,1
SM0.1,1
Network12
LDI1.0
SCRTS0.1
Network13
SCRE
Network14
LSCRS0.2
Network15
LDM0.1
CALLSBR9
RM0.1,1
SM0.2,1
Network16
LDI1.2
LDC0
CTUC0,6
Network17
LDI1.2
SCRTS0.2
Network18
SCRE
Network19
LSCRS0.3
Network20
LDM0.2
CALLSBR10
RM0.2,1
SM0.0,1
Network21
LDI0.2
SCRTS0.4
Network22
SCRE
Network23
LSCRS0.4
Network24
LDM0.0
CALLSBR0
RM0.0,1
SM0.1,1
Network25
LDI0.1
AI0.0
SCRTS0.1
Network26
SCRE
5.4.3经验编程法
脉冲串可以作为步进电机的输入控制信号，完成定位以及调速等控制。
S7-200CPU提供两个PTO/PTM发生器，一个高速脉冲输出点是Q0.0，另外一个高速脉冲输出点是Q0.1。
根据输出要求以及控制过程确定PTO参数相关存储单元，确定参数量值，如控制输出点的脉冲数和周期值，编制相关的PLC程序，利用脉冲输出指令（PLS），使得步进电机工作。
PTO编程步骤：
1、设置PTO/PW控制字
2、写入周期值
3、写入脉冲串数目
4、允许中断
5、执行PLS指令，对PTO编程。
PTO可以产生单段脉冲串或者多段脉冲串，各段脉冲串的属性参数可存在由存储单元构成的脉冲包络表中。
PTO有两种脉冲串模式，一次只能存储一段脉冲串单管线模式和一次设定多段脉冲串的多管线模式。
属性设置可存储在V变量存储区的多段PTO操作包络表中，可以使用MOV指令设置好包络表中每个脉冲串的属性参数，然后调用PLS指令控制Q0.0和Q0.1两个输出点。
其中，Q0.0脉冲控制X轴水平方向的步进电机运动，Q0.1脉冲控制垂直方向的步进电机运动，Q0.2控制水平轴步进电机的方向电平，Q0.3控制垂直轴步进电机的方向电平。
在这个方法中，我们采用PTO编程控制电机运动。
并且采用移位寄存器指令实现各个动作的切换，类似于顺序控制电机动作。
主程序STL如下，LAD梯形图见附录。
Network1
LDSM0.1
MOVB16#85,SMB67
MOVB16#85,SMB77
MOVW300,SMW68
MOVW300,SMW78
MOVD60000,SMD72
MOVD60000,SMD82
Network2
LDSM0.1
MOVD1,MD1
Network3
LDM4.0
AI1.1
LDM4.1
AI0.0
ASM66.7
AI0.2
OLD
LDM4.2
AI0.1
ASM76.7
OLD
LDM4.3
AI1.0
OLD
LDM4.4
AT40
ASM66.7
ASM76.7
OLD
LDM4.5
AI1.2
OLD
LDM4.6
AT40
ASM66.7
ASM76.7
OLD
LDM4.7
AI0.3
OLD
LDM3.0
AI0.2
OLD
LDM3.1
AI0.0
ASM66.7
OLD
LDM3.2
AI0.1
ASM76.7
OLD
SLDMD1,1
Network4
LDM3.3
MOVD2#10000,MD1
Network5
LDM4.1
OM3.1
LPS
EU
PLS0
LPP
AI0.0
EU
RSM67.7,1
PLS0
Network6
LDM4.2
OM3.2
LPS
EU
PLS1
LPP
AI0.1
EU
RSM77.7,1
PLS1
Network7
LDM4.4
EU
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