立体仓库的PLC控制系统

毕业设计说明书

论文题目： 立体仓库的PLC控制系统 作者姓名： 班级学号：

系 部： 机电工程系 专 业： 机电一体化 指导教师： 张君霞老师

2011年4 月8 日

目录

摘要…………………………………………………………………………………2 1.绪论………………………………………………………………………………3

1.1 设计背景及研究意义………………………………………………………3 2.2 本课题设计的内容…………………………………………………………3

2.系统控制方案的确定…………………………………………………………4

2.1 自动化立体仓库控制器的简介……………………………………………4 2.2 用PLC控制立体仓库的优点………………………………………………4 2.3 系统控制要求方案…………………………………………………………4 2.4 系统设计的基本步骤………………………………………………………5

3.系统硬件的设计………………………………………………………………5

3.1 系统硬件组成………………………………………………………………5 3.2 可编程控制器（PLC）选型…………………………………………………7 3.3 PLC输入输出分配表………………………………………………………8 3.4 控制结构示意图……………………………………………………………9

4.系统软件的设计………………………………………………………………10

4.1 编程语言的介绍……………………………………………………………10 4.2 编程软件STEP7的介绍……………………………………………………10 4,3 系统软件流程图……………………………………………………………11 4.4 梯形图的设计………………………………………………………………12

5.系统的调试及结论……………………………………………………………12

5.1 梯形图程序的下载…………………………………………………………12 5.2 程序运行调试结果…………………………………………………………14 5.3 结论…………………………………………………………………………14

致谢…………………………………………………………………………………15 参考文献…………………………………………………………………………16 附录A………………………………………………………………………………17

摘 要

1

随着国民经济的迅速发展，自动化立体仓库在各行各业都得到了广泛的应用。本设计就是采用西门子S7-200系列PLC作为核心控制元件的小型自动化立体仓库，该设计采用专用键盘作为人机接口部件，具有手动和自动操作两种操作模式，可根据用户需求人机之间进行信息交换，通过控制步进电机及其它部分，来实现3*4立体仓库的“取货“或“存货“等功能。

关键词：立体仓库、可编程控制器（PLC）、西门子S7-200

1. 绪论

2

1.1 本课题设计背景

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。1973开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库，该库1980年投入运行。目前，国外自动化立体仓库采用扫描技术， 提高信息的传输速度和准确性：采用射频数据通信技术，数据的采集、处理和交换能够在搬运工具与中央计算机之间快速进行，使物品的存取和发送信息做到快速、实时、可靠和准确。随着社会的发展自动化立体仓库的应用范围越来越广。现在在我国，自动化仓库主要应用的行业有机械、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。

1.2 本课题的研究意义

自动化立体仓库在各行各业得到而来广泛的应用，进行PLC立体仓库的设计对于节约土地资源，节省劳动力方面都有着不可代替的作用。PLC作为工业自动化三大支柱的重要一部分，因为其可靠性高、抗干扰能力强、设计安装容易等特点而被广泛的应用于自动化控制的各个领域。PLC控制系统可以很好的完成立体仓库的控制有助于其实现自动化。因此，进行立体仓库的PLC控制系统的设计，可以推动机械手行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。

1.3 本课题的设计内容

本设计用西门子S7_200系列的控制器作为控制核心，实现一个十二仓位的立体仓库的入库出库功能。立体仓库主体有底盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。电气控制部分由西门子生产的S7_200型的可编程控制器、步进电机驱动、各种位置电磁传感器和一些低压电器元件组成。S7_200型可编程控制器作为控制核心，采集输入端口信号后完成各种逻辑控制和数据的运算，然后通过输出端口完成电机的运动和各种信号的现实。该系统要能够实现手动和自动两种工作模式，通过键盘可以对设备进行控制。

2.控制系统方案的确定

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2.1 自动化立体仓库的简介

自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。它主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统所组成。货物存储系统由立体货架的货格(托盘或货箱)组成，货架按照排、列、层组合而成立体仓库储存系统；货物存取和传送系统承担货物存取、出入仓库的功能，它由有轨或无轨堆垛机、出入库输送机、装卸机械等组成；自动化立体仓库视情况不同采取不同的控制方式：有的仓库只采取对存取堆垛机、出入库输送机的单台PLC控制，机与机无联系；有的仓库对各单台机械进行联网控制。更高级的自动化立体仓库的控制系统采用集中控制、分离式控制和分布式控制，即由管理计算机、中央控制计算机和堆垛机、出入库输送等直接控制的可编程序控制器组成控制系统

2.2 系统控制要求方案

立体仓库共有十二个仓位和一个出入货口（0号仓位），可以实现手动

和自动两种控制方式。手动情况下可以实现人工控制堆垛机的上下、前后、左右三个方向上的运动。自动情况下可以通过出入货口自动实现货物的入库和出库动作。

本课题设计的具体控制功能如下：

1．接通电源，将选择开关置于手动位置，分别按下↑、↓、←、→、↗、↙后观察各方向运动情况，小车在高强度丝杠上运行平稳，在接近极限位置时，执行限位保护。

2．将选择开关置于自动位置，通电状态下，各机构复位，即返回零位。立体仓库坐标定位以零位开始。

3．当送货的时候，选择欲送货物的仓位号，按动仓位号对应的按钮，控制面板数码管显示仓位号。按送货按钮后，货物自动送入指定的仓位号对应的仓库位里。若被指定的仓位号里有货物，则送货命令不被执行。送货完成后，小车自动返回原来的位置。

4．当取货的时候，选择欲取货物的仓位号后，在控制面板的数码管里显示出来，按动取货按钮后，可以自动将货物取出。如果小车里有货物，则取货命令不被执行。取货与送货装有互锁开关，防止发生故障。

5．取货和送货指令完成后，机构自动返回原来位置。 6. 整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。

2.4 系统设计的基本步骤

在立体仓库控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：

4

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，确定系统所需的用户输入、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软硬件设计和现场施工完成后，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。

3.系统硬件的设计

3.1 系统硬件组成

立体仓库主体由底盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成。其关键部分是堆垛机，它由水平移动、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步进电机驱动滚珠丝杠来完成，在滚珠丝杠的两端分别有一个限位开关用以起保护的作用。当堆垛机碰到相应的限位开关以后自动的停止运动。伸叉机构由一台直流电机来控制。它分为上下两层，上层为货台，可前后伸缩，低层装有丝杠等传动机构。当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，伸叉机构电机驱动货台向前伸出可将货物取出或送入，当取到货物或货已送入，则向后缩回。电气控制由西门子生产的S7_200系列的可编程序控制器(PLC)、步进电机驱动电源模块、开关电源、位置传感器等器件组成。 仓位排布如下图：

10 11 12 7 8 9 4 5 6 0

1 5 2 3

系统控制面板如下图：

3.2 输入输出设备的介绍 1.步进电机及驱动的介绍

步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊执行电动机。每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度，它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。它的时序为脉冲正序列为A→AB→B→BC→C→CA,反序列为CA→C→BC→B→AB→A。按照时序循环输入就可以通过软件控制来实现。当将时序输入按照与正转时序相反的顺序输入时，就可以实现步进电机的反转。步进电动机需要专门的驱动装置（驱动器）供电，驱动器和步进电动机是一个有机的整体，步进电动机的运行性能是电动机及其驱动器二者配合所反映的综合效果。步进电机驱动器的功能是接收来自控制器（PLC）的一定数量和频率脉冲信号以及电机旋转方向的信号，为步进电动机输出三相功率脉冲信号。

实际应用中通过PLC控制输入到步进电机驱动器中的脉冲数量就可以精确地控制电机的转动角度，从而实现精确定位。电机旋转方向由专门的旋转方向信号控制。

2. 数码显示部分 由于PLC的输入与输出点数直接决定了其价格，因此在实现更多功能的基础上，为了降低成本，程序设计的基本原则是尽量减少其I/O点数。数码管显示

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部分可以直接用PLC驱动，用SEG可以将数字转换为七段码后输出，本设计中采用BCD码显示管可以节约8个输出端口。利用I_BCD转换指令将整数转变成BCD码后从QB1输出，达到显示效果。

3.其它输入输出设备

其它的输入设备主要是各种开关、按钮及各种检测装置等，输出设备除电机和数码显示部分还有状态显示部分。

3.2 可编程控制器（PLC）的选型

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设

计选型。

PLC 选型时需要注意：

1、输入电源电压：24VDC 还是 220VAC，根据供电系统电压来选择，一般来说，不建议直接从动力电源直接取电，最好用隔离变压器把动力电源和控制电源隔离开来，同时做好滤波等抗干扰措施。本设计采用24V直流电。

2、输入输出点数：所谓的输入输出点数指的是整个控制系统需要用到的 PLC 的输入点个数和输出点个数。一般来说，当然是预先设计好整套系统方案，然后算出所有的输入输出点个数，如果是第一次设计的方案，建议预留点数。经过估算本设计中需要输入端口36个，输出端口18个。

3、输出触点类型：是继电器输出类型还是晶体管输出类型。根据所控制的执行机构电源电压及功率来决定输出触点类型，如果系统里有需要用到高速脉冲输出控制步进电机或伺服系统时，一定要选择晶体管输出类型。本设计因为有步进电机的控制所以选择晶体管输出类型。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。S7系列PLC有专门的高速脉冲输出端，可以方便的完成步进电机的控制。根据控制功能要求选择微型PLC。微型PLC S7_200系列可编程控制器主机分为10、14、24、40点四档，还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加I/O点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入。本课题设计的立体仓库控制系统有输入信号40个，输出信号18个。所选I/O点不得低于58点，结合实际情况，考虑到经济实惠所选I/O点为40点的CPU 226 CN外加输入输出扩展模块EM223 16输入\\16输出。

3.3 PLC输入输出分配表

根据本课题PLC输入输出的控制要求，得出PLC输入输出I/O分配，如下表所示。

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PLC输入输出I/O分配 输 入 I1 I2 I3 I4 I5 急 停 手动/自动 取 出 送 进 放 弃 I23 1号仓库微动开关 Q0 I24 2号仓库微动开关 Q1 I25 3号仓库微动开关 Q2 I26 4号仓库微动开关 Q3 I27 5号仓库微动开关 Q4 输 出 横轴脉冲 竖轴脉冲 横轴方向 竖轴方向 取货物 放货物 显示取出 显示送进 I6 1号仓库的键、左移 I30 6号仓库微动开关 Q5 I7 2号仓库的键、下移 I31 7号仓库微动开关 Q6 I10 3号仓库的键、右移 I32 8号仓库微动开关 Q7 I11 4号仓库的键、后移 I33 9号仓库微动开关 Q10 I12 5号仓库的键、上移 I34 10号仓库微动开关 Q11 I13 6号仓库的键、前移 I35 11号仓库微动开关 Q12 I14 I15 I16 I17 I20 I21 7号仓库的键 8号仓库的键 9号仓库的键 10号仓库的键 11号仓库的键 12号仓库的键 I36 12号仓库微动开关 Q13 I37 I40 I41 I42 I43 横轴右限位 横轴左限位 竖轴上限位 竖轴下限位 货台回位限位 货台到位限位 共36个输入 Q14 Q15 Q16 Q17 Q20 个位BCD码 十位BCD码 显示就绪 共17个输出 I22 0号仓库微动开关 I44 3.4

控制结构示意图

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4.系统软件的设

4.1 编程语言的介绍

基本的编程语言有：梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL）。

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LAD和FBD是面向图形的语言。在LAD中通过串联或并联结构中连接各个触点来创建控制方案，而在FBD中则是通过AND和OR方框互连在一起的。STL是一种面向文本的语言，以列表方式描述控制任务。梯形图因为其比较直观并且容易接受因而很受普通编程人员的欢迎。

4.2 编程软件STEP7的介绍

STEP 7 Micor/Win 是应用于SIMATIC S7_200的编程软件。使用STEP 7

Micro，可以使用语句表或图形化的梯形逻辑来最优化的创建在S7_200 CPU中处理的用户程序。用户程序有单一的块组成，它可以包含子程序。编程软件连接PLC后可以实现在线仿真，可以对程序中的各个输入输出端口、中间继电器状态进行实时监控，方便用户查找程序错误、验证程序功能。软件内还各种功能配置向导，方便用户使用。在本设计中就运用了软件内置的PTO配置向导，通过配置运动包络来完成事先设计好的运动。

4.3 系统软件流程图

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上电启动 手动操作 Y N 手动控制 自动控制 各轴向复位 方向键按下 Y 仓位键按下 相应电机动作 Y 数码显示 功能键按下 N Y PLC控制器 取操作送放弃 操作仓位内有货物 0号仓无货物 仓位内无货物 0号仓有货物 N Y 执行取N 执Y 行送

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4.4 梯形图的设计

在编写梯形图的过程中遵循以下编程规则：

1. 梯形图必须按照从左到右、从上到下的顺序书写，CPU也按这个顺序执行程序。

2．程序每个逻辑行起始于左母线，终止于右母线。线圈处于最有端且线圈不能直接接在左边母线上。

3．在一个程序中，同一编号的触点可以反复使用，次数不限。但线圈多次使用很容易引起误操作，应避免。

4. 编写梯形图时应尽量做到“上重下轻，左重右轻”。

5. 梯形图的触点可以任意串、并联，但输出线圈只能并联不能串联。

5．在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个“电流”只能在梯形图中单方向流动——即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。

本课题设计的重点在于运用PLC控制步进电机来实现位置控制。在S7_200中有两个高速脉冲输出端Q0.1、Q0.2，利用这两个端口给步进电机提供脉冲。在STEP 7 中有对这两个端口的配置向导，可以通过配置向导来配置两个高速脉冲输出端口。

具体梯形图见附录A。

5.系统的调试及结论

5.1 梯形图程序的下载 1.连接PLC并检查通信

首先，需要一条西门子 PLC 下载线，用来连接电脑与 PLC。然后设置好 PLC 与电脑通信的端口号 （电脑的串行通信端口号查看方法：点击我的电脑－点击鼠标右键－选择属性－选择硬件页面－选择设备管理器－点开通信端口，

就可查看到当前的串得通信口编号是多少） 点击工具栏中的通信图标 弹出通信设置对话框，

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在此对话框中可以看到通信的网络参数设置及传输速率，检查是否为正确设置，如果不是，可以点击下面的“设置 PG/PC 接口”，弹出对话框

选择正确的接口类型，并修改属性。点击“属性” 可修改站参数，传输率 9.6Kbps，以及连接的通信端口号。确认，点击“双击刷新”，直到能通信上为止，确定。

2. 把编写编译转换完的程序下载到 PLC 里

点击或选择 文件――下载，弹出以下对话框，这里我们只选择程序块，把程序块前打上勾

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点击下载，对话框关闭后，表示程序已经下载到 PLC 中。

5.2 程序运行调试

程序下载到PLC中点击运行，程序就开始在PLC中运行，打开调试的下

拉菜单选择“开始程序状态监控”这样我们就可以实时的监控PLC的运行状况。程序状态的监控，有助于我们对程序的调试，可以容易的发现程序编写中出现的错误。在实际应用中也经常用它来检测硬件的故障。

5.3 结论

本系统主要以PLC为控制核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了利用可编程控制器控制立体仓库的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当机械手的功能增加时，硬件接线上只需增加行程开关输入信号。原来的接线不需改变，软件上只需增加相应程序以及输出的功能，要改动的地方也较少。调试结果表明，在适应性、精确性和可靠性方面，到达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。

通过本设计，我学习到了很多东西，在工作的细心上也得到了提高。并且，更了解了有关可编程控制器的功能。我选择这个设计，也是为了弥补以前学习上的不足。这次设计，使我了解到老师的用心良苦，并且从老师那学到了很多宝贵的东西。

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致谢

本文是在张君霞老师的精心指导下完成的。在此，向他表示衷心的感谢。在我撰写论文的过程中，老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构想和资料的收集方面，我都的到了老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养和严谨的治学经神使我终身受益。

在此还要感谢大学三年来所有老师，是你们教导我电气方面的知识，让我能完成这个设计。感谢机电工程系给予我们的关心和帮助，感谢其他同学在设计中提供大量的支持和帮助。

即将毕业之际，再一次向三年中在学习和生活中所有关心、支持、帮助过我的良师益友致谢。

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参考文献

[1]戴明洪、张君霞主编. 电气控制与PLC应用. 北京航空航天大学出版社, 2007

[2]张云刚、宋小春等主编. 西门子S7_200 PLC技术与应用. 人民邮电出版社, 2007

[3]西门子公司编著. 西门子自动化系统入门. 人民邮电出版社, 2007

[4]汤子春主编. PLC原理及应用技术. 高等教育出版社, 2006 [5]吴明亮、蔡夕忠主编. 可编程控制器实训教程. 化工工业出版社, 2005

[6]周伯英主编.工业机器人设计[M].机械工业出版社，1995.6. [7]龚振帮编主编.机器人机械设计[M].电子工业出版社，1995. [8]成大光编.机械设计图册（５）[M].化学工业出版社，1999. [9]何存兴编.液压传动与气压传动[M].华工科技大学出版社，2000 [10]沈鸿主编.机械工程手册(10)[M].机械工业出版社，2005 [11]马振福主编.液压与气动传动[M] 机械工业出版社，2006

[12] 余雷声编著．电气控制与PLC应用．北京：机械工业出版社，1996

[13] 洪忠渝编著．可编程序控制器的原理及应用．青岛：青岛海洋大学，1988

[14] 朱绍祥编著.可编程控制器原理及应用.上海：上海交通大学出版社，1988

[15] 王兆义编著.可编程控制器教程.可编程控制器教程.北京：机械工业出版社，2001

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附录

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