智能堆垛机控制系统的设计报告.docx

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智能堆垛机控制系统的设计报告

毕业设计报告

设计题目：

智能堆垛机的设计

设计作者：

苏标霖

专业班级/学号：

0906020141

合作者 1：

XXX专业班级/学号：

xxx

合作者 2：

XXX专业班级/学号：

xxx

指导教师：

XXX

设计时间：

2011 年 12 月 5 日——2012 年 2 月 10 号

1

1引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1

2设计任务及要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2

2.1 设计任务．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2

2.2 设计要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2

3系统总体设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2

3.1 机械手控制系统结构说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2

3.2 堆垛机设计方案框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

4软、硬件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

4.1 系统硬件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

4.1.1 系统硬件原理图及工作原理说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

4.1.2 气动控制系统认知．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

4.1.3 气动控制回路分析及连接．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

4.1.4 步进电动机认知及应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

4.1.5 S7-200 控制系统设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

4.2 系统软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

4.2.1 程序通信参数选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

4.2.2 软件系统总流程图及设计思路说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

5安装与调试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

5.1 安装调试过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

5.1.1 立体存储单元结构与功能分析．．．．．．．．．．．．．13

5.1.2 立体存储单元机械及气动元件安装与调整．．．．．．．．14

5.1.3 立体存储单元气动回路分析、安装与调试．．．．．．．．15

5.1.4 步进电动机的使用．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

5.1.5 立体存储单元电气系统分析、安装与调试．．．．．．．．24

2

5.1.6 立体存储单元控制程序设计与调试．．．．．．．．．．．27

5.2 故障分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34

6结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35

7使用仪器设备清单．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35

8收获、体会和建议．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36

9参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36

10附录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36

附录一：

人机界面的四个界面 .............................. 36

附录二：

各功能模块的程序注释及符号说明................... 38

附录三：

I/O 口符号表说明.................................45

附录四:

25 个存储仓的脉冲分配表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．46

附录四：

立体存储站在柔性生产线中的位置实图...............47

3

1引言

　立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。

自

上世纪 60 年代以来,美、日、欧等国家和地区设计和投入使用的立体仓库越来越多,

立体仓储技术已成为一门新兴的学科。

有轨堆垛机是自动化立体仓库的主要作业机

械,担负着出库、进库、盘库等任务,是自动化立体仓库的核心部件。

本文以西门子

公司 S7-200 系列 PLC 机型为例，研究了堆垛机的定位控制系统。

关键词：

堆垛机；立体仓库；PLC

Abstract

The creation and development of stereoscopic warehouse is the request of modern

logistics system development and the result of information technique progress. From last

century 60's, more and more nations and regions such as the United States, Japan, Europe

began to design and devotion the usage of stereoscopic warehouse, which have become a

newly arisen academics. Stacker is the core part of automation stereoscopic warehouse,

which carries on many main missions for the automation stereoscopic warehouse. The

development of automation stereoscopic warehouse take the stacker’s development as it’s

main marking. The most important part of the whole warehouse system is laned type of

stacker. The reserch of it’s controlling system has wildly application foreground. This

paper took the example of Siemens company’s S7-200 series PLC, it reserched the

position control system of laned type of stacker.

Key words :

 Laned type of stacker; Stereoscopic warehouse; manipulator; PLC

1

2设计任务及要求

2.1 设计任务（设计内容）

基于 PLC 控制技术设计一种堆垛机械，堆垛机械能完成三维空间的运动，人工

可以操作堆垛机搬运货物，堆垛机能按设定程序自动搬运货物。

2.2 设计要求（技术指标）

（1）堆垛机三维运动均可手动控制。

（2）用人机界面设计堆垛机控制面板。

（3）堆垛机的三维运动速度可调，并能指示工作速度等级。

（4）程序自动控制堆垛机搬运货物。

（5）撰写设计报告。

3系统总体设计

3.1 立体仓库的电气接线分析

机械手主要用于搬动或者装卸货物的重复动作，动力来源于气压系统。

在机械

手控制选用 PLC，其原因安全可靠。

机械手控制分为手动单步、回原点、选格移动、

单货源自动、五货源自动五大部分。

手动控制与自动控制运用转换开关进行切换，

切换后按照以前步骤继续执行。

通过 PLC 输出驱动中间继电器或步进电机驱动器，

或接通电磁阀。

立体存储单元主要组成有：

步进驱动模块、丝杆驱动模块、工件推出装置、立

体仓库、电气控制板、操作面板、I/O 转接端口模块、CP 阀岛、气源处理装置等。

具体结构组成可参考“5.1 安装调试过程”。

如图 3-1 所示为立体存储单元的 I/O 接线原理图，基本的电磁阀和传感器等的

接线。

当 PLC 中的 I/O 接口被接通时，PLC 上相应的端口指示灯将会亮起，转接端

口上的指示灯也会亮起。

在分析立体仓库的电气的接线图时，可以接线工艺图纸，

同时控制堆垛机进行所有的操作，通过观察指示灯的变化判断立体仓储的接线。

经

过分析发现在本程序设计中需要知道在 PLC 与机床的接线中：

与 I0.0 相接的是 X 轴

运动方向限位探头、与 I0.1 相接的是 Y 轴运动方向限位探头、与 Q0.0 相连的是 X

轴电机脉冲 CP+端、与 Q0.1 相连的是 Y 轴电机脉冲 CP+端、与 Q0.2 相连的是 X 轴步

2

进驱动器方向 DIR+端、与 Q0.3 相连的是 X 轴步进驱动器方向 DIR+端、与 Q0.4 相连

的是直线气缸电磁阀 Y1。

通过对立体仓库的电气的接线图的分析，我们就可以知道在程序中：

I0.0 将控

制 X 轴的归零光电信号、I0.1 将控制 Y 轴的归零光电信号、Q0.0 将控制 X 轴电机的

步进脉冲、Q0.1 将控制 Y 轴电机的步进脉冲、Q0.2 将控制 X 轴电机的步进方向、

Q0.3 将控制 Y 轴电机的步进方向、Q0.4 将控制推料气缸的伸出/缩回。

图 3-1 立体存储单元 PLC I/O 接线原理图

3.2 堆垛机设计方案框图

堆垛机系统的设计方案

步进电机

驱动器

机械臂二维移动

MT500

人机对话

S7-200

立体存储

站专机

按键

通过设置相同的按键地址进行通讯

机械手伸缩控制

气缸

3

4软、硬件设计

4.1 系统硬件设计

4.1.1 系统硬件原理图及工作原理说明

立体存储单元用于接收前一单元送来的工件，按照预定的工件信息而自动运送

至相应指定的仓位口，并将工件推入立体仓库完成工件的存储功能。

在典型的自动

化生产线中，立体存储单元在生产流水线中作为最后一单元，模拟工业自动化生产

过程中物件的分类存储功能，如图4-1所示为立体存储单元的整体结构。

立体存储单

元主要由直线驱动模块、工件推料装置、立体仓库、I/O转接端口模块、电气控制板、

操作面板、CP阀岛及气源处理装置等部件组成。

具体可参考“5.1.1 立体存储单元

结构与功能分析”。

立体仓

库

工件推料装置

直线驱动模块

图4-1  立体存储单元

如图 4-2 所示，就像自动生产线一样，智能堆垛机系统的最大特点在于它的综

合性和系统性。

技术的综合性是将机械技术、气动技术、传感检测技术、电机驱动

技术、PLC 技术、网络通信技术以及人机界面技术等多种技术的有机结合，并综合

应用到整个自动化生产线上。

技术的系统性指的是自动化生产线的传感检测、传输

与处理、分析与控制、驱动与执行等部件在微处理单元的控制下协调有序地工作，

并通过一定的辅助设备构成一个完整的机电一体化系统，自动地完成预定的全部生

产任务。

4

图 4-2  自动化生产技术特点

4.1.2 气动控制系统认知

图 4-3简单的气动控制系统图 4-4静音气泵

图 4-3 为一简单的气动控制系统构成图，该控制系统由静音气泵、气动二联件、

气缸、电磁阀、检测元件和控制器等组成，能实现气缸的伸缩运动控制。

气动控制

系统是以压缩空气为工作介质，在控制元件的控制和辅助元件的配合下，通过执行

元件把空气的压缩能转换为机械能，从而完成气缸直线或回转运动并对外做功。

一个完整的气动控制系统基本由气压发生装置（气源装置）、执行元件、控制元

件、辅助元件、检测元件以及控制器等六个部分组成，如图 4-5 所示。

图 4-5  气动控制系统基本组成

图 4-3 中静音气泵为压缩空气发生装置，其包括空气压缩机、压力开关、过载

安全保护器、储气罐、压力表、过滤减压阀及气源开关等部件，如图 4-4 所示。

气

泵是用来产生具有足够压力和流量的压缩空气并将其净化、处理及存储的一套装置，

气泵的输出压力可通过其上的过滤减压阀进行调节。

5

4.1.3 气动控制回路分析及连接

图 4-6 所示为图 4-4 气动控制系统的原理图。

从图可知，执行元件为双作用气

缸，控制元件为两位五通的单电控电磁阀，气动系统借助检测及辅助元件装置，在

控制器的控制下实现气缸的伸缩运动。

图 4-6  气动控制回路原理图

在气动控制回路中，由于电磁阀为单电控，所以电磁阀未通电时，阀工作于右

位复位状态，气路走向如图 4-7 左图所示，此时在气压力作用下，气缸活塞左移，

气缸杆缩回。

当电磁阀的电磁线圈通电时，阀工作位于左位工作状态，气路走向如

图 4-7 右图所示，此时在气压力作用下，气缸活塞右移，气缸杆伸出。

依据图 4-6 气动控制系统的原理图，并结合气动回路的运行过程要求，绘制出

对应的气动控制回路安装连接图，如图 4-8 所示。

在绘制安装连接图时，要求各元

件之间的位置布局合理，管路连接无交叉，整体的效果美观。

图 4-7  气动控制回路运行图

图 4-8  气动控制回路安装连接图

6

依据图 4-8 所示气动控制回路的安装连接图，分别将气泵、过滤减压阀、电磁

阀及直线气缸上的快速连接头用气管进行连接，随时检查气路的可靠牢固性。

然后

接通气源，用手控旋钮进行调试，检查气缸动作情况。

4.1.4 步进电动机认知及应用

步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一

个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步距角）。

根

据步进电动机的工作原理，步进电动机工作时需要满足一定相序的较大电流的脉冲

信号，生产装备中使用的步进电机都配备有专门的步进电机驱动装置，来直接控制

与驱动步进电机的运转工作。

现在比较常用的步进电机分为永磁式（PM）、反应式

（VR）和混合式（HB）三种。

如图 4-9 所示为各种步进电动机及驱动装置的实物图。

图 4-9  步进电动机及驱动装置

步进电动机受脉冲的控制，其转子的角位移量和转速与输入脉冲的数量和脉冲

频率成正比，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的，同时

也可以通过控制脉冲频率控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步

进电动机的运行特性还与其线圈绕组的相数和通电运行方式有关。

在实际应用中，首先按照步进电机和驱动器装置具体对应的电气接口关系连接

好硬件线路，其次根据需要设置好驱动器装置上步距角细分选择与电流设置开关，

接着控制器只需要提供一组控制步进电动机转速和方向的 mW 数量级功率的可调脉

冲序列就可驱动电动机工作。

步进电动机由于结构简单、价格便宜、精度较高以及使用方便等优点，在计算

机的数字开环控制系统中应用广泛，例如数控机床、印刷设备、打印机、自动记录

仪等都有应用。

虽然步进电动机也有一些弱点，一是用得不好有可能失步，二是控

制精度相对较低，而且运动中无法确定运动部件的准确位置，一般可满足对于工作

精度要求不高的领域。

7

4.1.5 S7-200 控制系统设计

PLC 的 I/O 口分配可参照 图 3-1 立体存储单元 PLC I/O 接线原理图。

堆垛机的手动控制工作流程

在人机界面上选择物料堆垛的位置

PLC中相应的虚拟中间继电器被触发，高速脉冲输出指令被

接通后向X轴或Y轴的步进电机驱动器输入一定量的脉冲数

步进电机驱动器驱动步进电机正反转，控制机械臂走到指定的单位上

在人机界面上选择伸出或缩回机械手

PLC中相应的虚拟中间继电器被触发，Q0.4输出指令被置1

或置0，气动控制的回路也跟着改变，机械手伸出或缩回

机械手伸出拿取或放置货物，或者缩回

堆垛机的自动控制工作流程

在人机界面上选择自动控制的模式，并点击启动开关

PLC中相应的虚拟中间继电器被触发，程序不断调用

高速脉冲输出指令、定时器指令和Q0.4置1或置0指令

步进电机驱动器驱动步进电机正反转，控制机械臂在X轴和Y

轴上来回移动，气动控制回路中的电磁阀控制机械手的伸缩

机械手不断从货源口向存储仓搬运货物，机械手伸

出拿取或放置货物用时2秒，缩回机械手用时1秒

完成货物搬运任务后，机械手缩回，机械臂复位到起始位置上

8

4.2 系统软件设计

4.2.1 程序通信参数选择（设置）

如图 4-10，通信参数的设置必须符合 PLC 型号要求，并且与触摸屏的通信设置

相同，以便与触摸屏通信实现人机对话。

图 4-10  通信参数设置

4.2.2 软件系统总流程图及设计思路说明

（1）PLC 部分说明：

先从机械手的部分功能开始实现，第一步通过程序将 Q0.4

置 0 或置 1 尝试实现机械手的伸缩。

在设计有了开端之后我就开始在 pls 指令中设

定步进电机工作的初始速度，并通过对 Q0.2 或 Q0.3 置 0 或置 1 实现机械手手动控

制步进升降和左右移动。

接着调整高速脉冲输出的脉冲数值，控制 Y 轴步进电机走

一步 8400 个脉冲，X 轴步进电机走一步 8600 个脉冲，因为我们选择的步进电机细

分档次为 800 个脉冲转一圈，步进电机转动一圈的距离为 4mm，而存储仓的宽度为

42mm，高度为 43mm，这样电机走一步刚好使机械臂移动一格。

为了防止工作过程

发生事故，使用底部限位开关前面的金属探测器 I0.0 和 I0.1 做为第一限位点，当机

械臂移至该点时就停止前进，避免了电机驱动器的电源被底部限位开关切断。

限位

的方式是在手动控制中，当出现误操作触及其中一个金属探头时，控制步进电机转

向的 Q0.2 或 Q0.3 将被置 1，使机械臂向左或向上移回来时的位置。

部分功能实现

之后将机械手升降、左右移和伸缩的程序整合到一起，实现堆垛机的机械手三维空

间的运动。

之后我又给程序设置加速和减速按键，同时设置了一个速度复位键，在

初始速度的基础上增加两个快速档和两个慢速档，并设置了每个速度等级的指示灯

输出地址。

从而实现堆垛机的三维运动的速度的可调性，并能指示工作速度等级。

9

考虑到机械臂在停工的时候需要有指定的起始位置，我又编写了“机械臂复位到底

线子程序”，在主程序中通过“机械臂复位按键”来调用该子程序，实现机械臂复

位到左下角的起始位置。

立体存储站的存储仓是按平面二维布局的 25 个方格，我又

编写了“移动到第 1 格”至“移动到第 25 格”的子程序，在主程序中设置“往第 1

格移动”至“往第 25 格移动”的按键。

实现手动控制之后，在系统中加入自动控制

切换开关，在自动控制程序中用定时器设定了机械手伸出加紧或放置货物的时间为

2 秒，缩回机械手的时间为 1 秒。

程序编写了两种自动控制模式，“单货源搬运模

式”和“五货源搬运模式”，并在自动控制程序中加入机械臂 25 个位置指示灯的输

出地址。

最后用威纶通的触摸屏编写了相应的手动控制和自动控制的人机界面，经

过不断的改善让控制面板示意清晰明了易操作。

在进行 PLC 控制系统软件设计之前，根据控制任务及要求，分析设计出电动机

正反转控制系统的工艺流程。

具体的控制工艺流程如“智能堆垛机控制系统流程图”

所示。

图 4-11 是电动机正反转控制工艺流程图的例子。

开始

正转启动反转启动

电机动正转

电机动反转

到达限位点停止到达限位点停止

图 4-11 电动机正反转控制的工艺流程图

10

智能堆垛机控制系统流程图

开始

停止键是否按下

Y

程序停止运行

苏标霖 41

林生满 8

乐传桃 26

N

复位键是否按下

N

25个

存储仓的指示灯是否

被接通

Y

Y

复位到底限起始位置

根据被接通的指

示灯，相应存储

仓的指示灯亮起

在进入自动控制程序后又

未选择控制模式的情况下

操作系统将处在暂停状态

N

是否

从手动控制切换到

Y

进入自动控制程序

是否

选择了自动控

N

自动控制

N

制模式

程序第

一次扫描

Y

设定初始速度

选择

了哪种自动控

五货源搬运模式

启动五货源搬运模式

N

制模式

速度

复位键是否按

下

Y

恢复到初始速度

单货源搬运模式

启动单货源搬运模式

货物

搬运任务是否已

经完成

Y

N

N

加

速度键是否

按下

Y

是否达到

最高速度

Y

停留在最高速度档

N

N

速度增加一个等级

减

速度键是否

按下

Y

是否达到

最低速度

Y

停留在最低速度档

N

根据速度等级，相

应速度指示灯亮起

N

右

移键是否按

下

Y

N

速度减少一个等级

机械臂向右移动一格

机械臂达到最低

位置后停止下降

机械臂达到最低

位置后停止下降

N

左

移键是否按

Y

机械臂向左移动一格

伸出

机械手键是否按

Y

伸出机械手

下

下

N

N

上

升移键是否按

Y

机械臂向上移动一格

缩回

机械手键是否按

Y

缩回机械手

下

下

N

N

下

降移键是否按

下

Y

机械臂向下移动一格

25个

选格移动键是否被

按下

Y

机械臂移动到

相应的格子上

N

N

11

（2）人机界面部分说明：

人机界面如附录一，界面上的按键与 PLC 中设定的按键地

址相同，通过示意清晰明了的控制面板对 PLC 程序进行控制，使得操作系统易操作。

机械臂复位

机械臂上下左右移动

机械手伸缩

手动控制面板

选格移动及位置指示

速度调档

停止工作

主页面系统简介及操作说明

速度调档

选择单货源搬运模式

选择五货源搬运模式

自动控制面板

启动任务

工作过程位置指示

停止工作

12

5安装与调试

5.1 安装调试过程

5.1.1 立体存储单元结构与功能分析

立体存储单元用于接收前一单元送来的工件， 照预定的工件信息而自动运送至

相应指定的仓位口，并将工件推入立体仓库完成工件的存储功能。

在该典型的自动

化生产线中，立体存储单元作为最后一单元，模拟工业自动化生产过程中物件的分

类存储功能，如图 5-1 所示为立体存储单元的整体结构。

立体存储单元主要由直线

驱动模块、工件推料装置、立体仓库、I/O 转接端口模块、电气控制板、操作面板、

CP 阀岛及气源处理装置等部件组成。

图 5-1  立体存储单元

直线驱动模块主要由步进电机及驱动器、滚珠丝杠机构和直线导向杆等部件组

成，用于将步进电机的旋转运动转换成滚珠丝杠螺母移动块的直线往复运动，如

图 5-2 左图所示。

立体存储单元中具有 X 轴方向和 Y 轴方向的两套直线驱动模块，

它们相互呈 90°垂直安