机电一体化毕业设计（论文）-立体仓库模拟装置的设计及控制(PLC控制类)控制部分设计.doc

i 郑州大学现代远程教育 毕 业 设 计 题题 目：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：入学年月：0909 年年 5 5 月月 姓姓 名：名： 学学 号：号： 专专 业：机电一体化业：机电一体化 专科专科 学学 习习 中中 心：心： 指指 导导 教教 师师_ _ 完成时间完成时间 20102010 年年 1212 月月 3 3 日日 ii 目 录 摘要.1 abstract 2 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3 1.4 本设计主要完成的工作4 第 2 章 可编程控制器与 mcgs 的概述5 2.1 可编程控制器的产生、发展及应用特点.5 2.1.1plc 的定义和功能5 2.1.2 plc 的产生和发展5 2.1.3 plc 的特点6 2.2 可编程控制器的基本组成.6 2.3 mcgs 组态软件 8 2.3.1 mcgs 的主要特点和基本功能.8 2.3.2 mcgs 的构成.8 2.3.4 mcgs 组态软件的工作方式.11 第 3 章 基于 plc 的立体仓库控制系统的应用12 3.1 系统设计的基本步骤.12 3.2 立体仓库结构组成与控制要求.12 3.1.1 结构与组成12 3.1.2 系统控制要求12 3.3 plc 的 i/o 地址分配.13 3.4 立体仓库的控制流程图以及编程说明.13 3.4.1 立体仓库的工作流程图.14 3.4.2 控制系统的设计思路.14 3.5 plc 程序的设计 16 第 4 章 基于 mcgs 对立体仓库控制系统的应用20 4.1 基于 mcgs 仿真实现的意义.20 4.2 mcgs 实现立体仓库工程画面 20 4.3 mcgs 实时数据库的读写实现 22 iii 4.3.1 mcgs 实时数据库简介.22 4.3.2 数据对象的类型.23 4.3.3 立体仓库控制系统数据库的构造.23 4.4 mcgs 与 plc 设备的通信.24 4.5 监视画面的设定与动画的连接.28 4.6 编制控制流程30 4.6.1 脚本程序的简介30 4.6.2 立体仓库脚本程序的编制.30 4.7 立体仓库控制流程及仿真演示 32 附录41 附件 1 库位 2“取”“存”货控制程序 .41 附件 2 2*2 立体仓库组态软件监控画面2 号库位取货过程仿真60 1 plc 与组态软件在立体仓库中的与组态软件在立体仓库中的控制控制 摘要摘要：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：关键字： 立体仓库；plc；mcgs；监视 1 第第 1 章章 绪论绪论 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立体仓库的组成和优越性 1.2.1 立体仓库的组成：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。 2 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： 提高空间利用率。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。 便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平。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”， 3 也是当今自动化仓库发展的一个明显的技术趋势。 加快货物的存取节奏，减轻劳动强度，提高生产效率。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。 减少库存资金积压。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。 现代化企业的标志。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。 4 1.4 本设计主要完成的工作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（programming logic controller ,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。 5 第第 2 章章 可编程控制器与可编程控制器与 mcgs 的概述的概述 2.1 可编程控制器的产生、发展及应用特点可编程控制器的产生、发展及应用特点 2.1.1plc 的定义和功能的定义和功能 可编程控制器，英文称 programmable controller，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： 逻辑处理功能； 数据运算功能； 准确定时功能； 高速计数功能； 中断处理（可以实现各种内外中断）功能； 程序与数据存储功能； 联网通信功能； 自检测、自诊断功能。 2.1.2 plc 的产生和发展的产生和发展 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 6 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。 2.1.3 plc 的特点的特点 （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： 7 图 2-1 plc 的硬件系统结构图 1cpu（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 8 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。 2.3 mcgs 组态软件组态软件 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。 2.3.1 mcgs 的主要特点和基本功能的主要特点和基本功能 简单灵活的可视化操作界面。 实时性强、良好的并行处理性能。 丰富、生动的多媒体画面。 开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能。 完善的安全机制。 强大的网络功能。 多样化的报警功能。 实时数据库为用户分部组态提供极大方便。 支持多种硬件设备，实现“设备无关”。 方便控制复杂的运行流程。 良好的可维护性和可扩充性。 用数据库来管理数据存储，系统可靠性高。 设立对象元件库，组态工作简单方便。 实现对工控系统的分布式控制和管理。 总之，mcgs 组态软件功能强大，操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时 间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。同时使用 mcgs 组态软件能 够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身，根据工程作业的 需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。 9 2.3.2 mcgs 的构成的构成 mcgs 组态软件（以下简称 mcgs）由“mcgs 组态环境”和“mcgs 运行环境”两 个系统组成，如图 2-2 所示。两部分互相独立，又紧密相关。 图 2-2 mcgs 组态软件系统构成 用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具 软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文 件，称为组态结果数据库。 运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行 各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与组 态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，运行 环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。 组态结果数据库完成了 mcgs 系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关 系如图 2-3 所示。 图 2-3 mcgs 组态环境与运行环境的关系 10 mcgs 组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和 运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特 性，如图 2-4 所示。 图 2-4 mcgs 五大组成部分 主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和 多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义 工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周 期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。 设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控 制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。 用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画 显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。 实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将 mcgs 工程的各个 部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处 理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。 运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（ifthen 脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多 媒体输出等。 窗口是屏幕中的一块空间，是一个“容器”，直接提供给用户使用。在窗口内，用 户可以放置不同的构件，创建图形对象并调整画面的布局，组态配置不同的参数以完 成不同的功能。 在 mcgs 的单机版中，每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口，但可 以有多个用户窗口和多个运行策略，实时数据库中也可以有多个数据对象。mcgs 用 主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置 各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据进行可视化处理。 11 2.3.4 mcgs 组态软件的工作方式组态软件的工作方式 如何对工程运行流程实施有效控制：mcgs 开辟了专用的 mcgs 如何与设备进行 通讯：mcgs 通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备 指令。设备驱动程序是由 vb 程序设计语言编写的 dll（动态连接库）文件，设备驱 动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进 来或发送出去。mcgs 负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工 程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程，达到互不干 扰的目的。 mcgs 如何产生动画效果：mcgs 为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性， 如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会 产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、 闪烁性等状态的特征参数。我们在组态环境中生成的画面都是静止的，在工程运行中 产生动画效果的方法是：图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏 中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应的对 应关系，mcgs 称之为动画连接。 mcgs 如何实施远程多机监控：mcgs 提供了一套完善的网络机制，可通过 tcp/ip 网、modem 网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络测控系统， 实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，可利用 mcgs 提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式 网络测控系统的每一台计算机都要安装一套 mcgs 工控组态软件。mcgs 把各种网络 形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、 工作站地址等属性参数的设置。 “运行策略”窗口，建立用户运行策略。mcgs 提供了丰富的功能构件，供用户选 用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”）， 使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换， 控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式，避 免了烦琐的编程工作。 12 第第 3 章章 基于基于 plc 的立体仓库控制系统的应用的立体仓库控制系统的应用 3.1 系统设计的基本步骤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考虑以下几点： 1.深入了解和分析立体仓库的存取工作要求和控制要求。 2.确定 i/o 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。 3.2 立体仓库结构组成与控制要求立体仓库结构组成与控制要求 3.1.1 结构与组成结构与组成 本设计的立体仓库主体由底盘、2 列 2 层 4 仓位库体、巷道堆垛机、检测元件及电 气控制元件等组成。堆垛机是立体仓库的关键部件，负责全部货物的入库、出库承运 作业，可实现三个自由度（x、y、z 轴）的运动。x 轴方向与 y 轴方向即堆垛机的水 平运动与垂直运动采用滚珠丝杠、滑杠作为传动与导向机构，由步进电机拖动；z 轴 方向即货叉伸缩机构的前后运动采用普通丝杠传动，由直流电机拖动。该立体仓库控 制系统的要求是实现基本的存取货物功能。 3.1.2 系统控制要求系统控制要求 立体仓库的入货口与出货口为同一位置，称为装/卸货台。存货操作时，当控制系 统检测到装/卸货台有货物时，启动堆垛机，将装/卸货台上的货物取出放置到指定库位 号上；取货操作时，启动堆垛机将指定库位号上的货物取出送到装/卸货台；堆垛机在 执行完每次取存任务后自动返回到初始位置，等待下一运行指令。为了有效准确控制 堆垛机的三个自由度 x、y、z 轴）的运动定位，安装有限位保护或时间控制电机的运 13 行到位（本设计采用定时器来控制电机的运动）；每个库位安装检测装置(微动开关)， 判断库位是否已有货物，禁止双重入库与空取货操作；整个电气控制系统设置有急停 按钮，以防发生意外。存/取货是由控制台发出指令的。 3.3 plc 的的 i/o 地址分配地址分配 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，如表 3-1 所 示。 表 3-1 plc 输入输出 i/o 分配 输入与输出 i0.0选择库位1按钮i0.6取货按钮 i0.1选择库位2按钮i0.7存货按钮 i0.2选择库位3按钮i1.1库位1传感器 i0.3选择库位4按钮i1.2库位2传感器 i0.4启动按钮i1.3库位3传感器 i0.5停止按钮i1.4库位4传感器 q0.0x轴电机左行q0.6取货指示灯 q0.1x轴电机右行q0.7存货指示灯 q0.2y轴电机上行q1.0取有物指示灯 q0.3y轴电机下行q1.1存有物指示灯 q0.4z轴电机伸叉q1.2启动指示灯 q0.5z轴电机缩叉 3.4 立体仓库的控制流程图以及编程说明立体仓库的控制流程图以及编程说明 本次设计采用西门子s7-200系列plc，选用cpu226 cn。然后按照上述原理，根 据表一对plc在四库位立体仓库中的应用进行连线，具体连线步骤如下。 四库位立体仓库的plc连线步骤： 开关给定量及指示灯里的 i0.0、i0.1、i0.2、i0.3、i0.4、i0.5、i0.6、i0.7、q0.0、q0.1、q0.2、q0.3、q0.4、q0.5 、q0.6、q0.7分别与cpu226的输入、输出端口里的 i0.0、i0.1、i0.2、i0.3、i0.4、i0.5、i0.6、i0.7、q0.0、q0.1、q0.2、q0.3、q0.4、q0.5 、q0.6、q0.7相连。 14 库位传感器 i1.1、i1.2、i1.3、i1.4 分别与 cpu226 输入端口里的 i1.1、i1.2、i1.3、i1.4 相连；指示灯 q1.0、q1.1、q1.2 分别与 cpu226 的输出端口里 的 q1.0、q1.1、q1.2 相连。 3.4.1 立体仓库的工作流程图立体仓库的工作流程图 立体仓库的工作控制流程图如图 3-2 所示： 开始工作 选择存指令 选择库位号 选择库位号 所选库位号有无物品？ 选择取指令 所选库位号有无物品？ x,y轴电机运行至 所选库位号，z轴 电机正转伸叉伸入 库内 x,y轴电机运行至 装货台，z轴电机 正转伸叉伸入装货 台内 y轴电机上升抬起 物品，z轴电机反 转将物品带出 y轴电机上升抬起 物品，z轴电机反 转将物品带出 x,y轴电机运行至卸货台，z 轴电机正转伸叉进入卸货 台，y轴电机下行将物品放 下，z轴电机反转出库 x,y轴电机运行至所选库位 号，z轴电机正转伸叉进入 卸货台，y轴电机下行将物 品放下，z轴电机反转出库 x,y轴电机复 位至原始位置 结束 有 无有 无 图3-2 工作流程图 3.4.2 控制系统的设计思路控制系统的设计思路 取货和存货工作流程： 15 接通电源，通电状态下，各机构复位，x 轴、y 轴、z 轴回复零位，堆垛机停在 初始位置(入库口)，按下启动按钮i0.4，定时器控制启动指示灯q1.2亮2秒。 取货：按下取货按钮i0.6，执行取货指令，定时器控制取指示灯q0.6亮2秒，然后 选择库位号，如所选库位有物品，则定时器控制取有物指示灯亮2秒，可执行“ 取”操 作，然后 x 轴、y 轴电机运行到该库位，z 轴电机正转将伸杆伸入库内,y 轴电机上 升将物体抬起,z 轴电机反转将物体带出,x、y电机运行到装/卸货台，z 轴电机正转将 物体送入卸货台，y轴电机下降使物体放在卸货台上，z 轴电机反转出库，x、y轴电 机复位，堆垛机运行至入库口；如果取有物指示灯不亮，则表示所选库位内无物品， 此时不执行取货操作。 存货：按下存货按钮i0.7,执行存货指令，定时器控制存货指示灯亮2秒，然后选择 库位号，如所选库位无物品，则定时器控制存无物指示灯亮2秒，可执行“存”操作， x、y轴电机运行至装/卸货台，z 轴电机正转伸入装货台内，y 轴电机上升将物体抬 起，z 轴电机反转伸出装/卸货台并将物体带出，x 轴、y 轴电机运行至所选库位号， z 轴电机正转送入物体,y 轴电机下降将物体放入库内，z 轴电机反转出库。x、y轴 电机复位，堆垛机运行至入库口。若存无物指示灯不亮，则表示所选库位内有物品， 此时不执行存货指令。 指示灯点亮设计： 由于立体仓库的规模庞大，库位众多，立体仓库操作人员在操作间很难了解哪一 库位有物品，哪一库位无物品。为了是操作人员对库位有无货物一目了然，便于操作。 特提出了，当执行取货指令时，如过库位内有物品，则利用接通延迟定时器控制取有 物指示灯连续亮2秒，并在组态控制页面内显示所选库位所在的行和列，可执行取指令， 反之亦然；同时当选择存货指令时，如库位内无物品，则利用接通延迟定时器控制存 无物指示灯也会连续亮2秒，并在组态页面内显示所选库位所在的行和列，可执行存指 令，反之亦然。这样便于操作人员在操作之前，就能看到所选库位有没有物品，便于 操作。 模拟立体仓库要实现的运行结果： 接通电源，通电状态下，各机构复位，堆垛机停在初始位置。 执行“存”或“取”操作，由库位传感器检测各库位有无物品，来判断“存”或“取”指 令是否可以响应。即判断库位是否已有货物，禁止双重入库存 货与空取货操作。 执行“取”指令。 执行“存”指令。 由于本次设计的立体仓库为 2 层 2 列 4 库位的仓库，主要实现的功能是取货和存 货，下面以取 2 号为例子说明“取货”的全部动作过程。 16 取 2 号库位：首先按下启动按钮 i0.4，定时器 t255 控制启动指示灯 q1.2 亮 2 秒， 然后按下取货按钮 i0.6,定时器 t37 控制取指示灯 q0.6 亮 2 秒，2 秒后 t37 接通，按下 库位 2 按钮 i0.1,定时器 t52 控制取有物指示灯 q1.0 亮 2 秒，2 秒后 t52 接通，m3.0 置 1，定时器 t53 控制 x 电机右行 4 秒到达库位 2 所在的列，然后 m3.1 接通，定时器 t54 控制 y 轴电机上行 3 秒到达库位 2 前，然后 m3.2 接通，定时器 t55 控制 z 轴电 机正转 3 秒伸叉进入库位 2，然后 m3.3 接通，定时器 t56 控制 y 轴电机上行 3 秒将物 品抬起，然后 m3.4 接通，定时器 t57 控制 z 轴电机反转 3 秒将物品移出库位 2，然后 m3.5 接通，定时器 t58 控制 y 轴电机下行 6 秒，然后 m3.6 接通，定时器 t59 控制 x 轴电机右行 8 秒到达卸货台，然后 m3.7 接通，定时器 t60 控制 y 轴电机上行 6 秒， 然后 m4.0 接通，定时器 t61 控制 z 轴电机正转 3 秒伸叉进入装/卸货台进行“存货”动 作，然后 m4.1 接通，定时器 t62 控制 y 轴电机下行 3 秒将物品放在装/卸货台上，然 后 m4.2 接通，定时器 t63 控制 z 轴电机反转 3 秒移出装/卸货台，然后 m4.3 接通，定 时器 t101 控制 y 轴电机下行 3 秒，然后 m4.4 接通，定时器 t102 控制 x 轴电机左行 12 秒回到初始位置。 启动、停止、取、存、取 2 号、存 2 号梯形图（见附录 1） 3.5 plc 程序的设计程序的设计 西门子 s7-200 plc，因此使用的编程软件是 step 7-microwin v4.0。step 7- microwin v4.0 为西门子 s7-200 系列 plc 基于 windows 的编程工具。用于 s7-200 plc 的程序编译、网络组态等。其界面如图 3-3 所示： step7-micro/win 编程软件为用户开发、编辑和控制自己的应用程序提供了良好 的编程环境。为了能快捷高效地开发你的应用程序，step7-microwin 软件提供了三 种程序编辑器。step7-micro/win 软件提供了在线帮助系统，以便获取所需要的信息。 本次设计使用的编程软件是 step7-micro/win v4.0 版本，首先将该软件根据软件 安装的提示安装到计算机上，然后用编程线将计算机和实验装置连接到一起。 1系统需求 step7-microwin 既可以在 pc 机上运行，也可以在 siemens 公司的编程器上运行。 pc 机或编程器的最小配置如下：windows95、windows98、windows2000、windows me 或者 windows nt4.0 以上。 17 图 3-3 plc 编程界面的构成 2软件的使用 （1）打开 step7-micro/win v4.0，在 pc 与 plc 接口连接中选择 pc/ppi 协议。 如图 3-4 所示： 图 3-4 pc/ppi 协议 （2）点击 更改通信端口和通信速率。如图 3-5 所表示： 18 图 3-5 通信端口和通信速率更改 （3）在通讯菜单里双击刷新，step7-micro/win v4.0 开始搜索 ppi 网络中的 s7- 200cpu。如图 3-6 所表示：搜索完成后会出现网络中所有 plc 的列表，选择要操作的 plc 可对所选 plc 进行操作了。 （4）编辑梯形图。 （5）点击将程序下载到 plc 中，点击可以对程序运行状态进行监控，点击 可以将 plc 置于运行的状态。 图 3-6 pc/ppi 的通讯 3编程规则 （1）外部输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件的接点可多次重 复使用，无需用复杂的程序结构来减少接点的使用次数。 （2）梯形图每一行都是从左母线开始，线圈接在右边。接点不能放在线圈的右边， 在继电器控制的原理图中，热继电器的接点可以加在线圈的右边，而 plc 的梯形图是 不允许的。 19 （3）线圈不能直接与左母线相连。如果需要，可以通过一个没有使用的内部继电 器的常闭接点或者特殊内部继电器的常开接点来连接。 （4）同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。双线圈输出容易引 起误操作，应尽量避免线圈重复使用。 （5）梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左到右，从上到下地执行，如不 符合顺序执行的电路就不能直接编程。 （6）在梯形图中串联接点使用的次数是没有限制，可无限次地使用。 （7）两个或两个以上的线圈可以并联输出。 20 第章第章 基于基于 mcgs 对立体仓库控制系统的应用对立体仓库控制系统的应用 4.1 基于基于 mcgs 仿真实现的意义仿真实现的意义 利用 mcgs 可视化仿真技术，可以实现满足要求的在仿真界面，能提供一个多角 度、多层次的观察仿真过程。计算机上实现工程的模拟测试和仿真，用户可以根据需 要直接修改各种仿真参数，从而大大降低了开发费和难度。同时可以通过组态仿真使 读者能够设计出更加实用的控制系统，从而可以在较短的时间内，以较少的代价完成 较好的效果。 基于 mcgs 组态软件设计的基本步骤可以概括为以下几点： 查看资料，组织材料。 设计窗口。 建立设备管理和构造实时数据库。 制作工程动画和动画连接。 编写脚本控制流程程序。 整体运行、程序调试。 4.2 mcgs 实现立体仓库工程画面实现立体仓库工程画面 mcgs 组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库窗 口和运行策略五部分构成，每一部分分别进行不同的组态设计，完成不同的工作，具 有不同的特性。组成 mcgs 公车各要素间的关系如图 4-1 所示。 图 4-1 mcgs 工程各要素间的关系 工程画面的制作是整个工程制作的主要步骤之一，其主要目的是以实际的控制对 象为模板通过绘制和动画功能的设置能够实时模拟系统的运行。它是在用户窗口中完 21 成，由新建窗口组建。立体仓库画面制作具体步骤如下： （1）在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口 0”，如图 4-2 所示： 图 4-2 新建画面窗口 （2）选中“窗口 0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。 （3）将窗口名称改为：“立体仓库监控系统”；窗口位置选中“最大化显示”，其它 不变，单击“确认”。 图 4-3 画面建立 （4）在“用户窗口”中，选中“立体仓库监控系统”，点击右键，选择下拉菜单中的 “设置为启动窗口”选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。如图 4-3 所示： 最后生成的画面如图 4-4 所示： 22 图 4-4 最后生成的组态监视画面 4.3 mcgs 实时数据库的实时数据库的读写实现读写实现 4.3.1 mcgs 实时数据库简介实时数据库简介 mcgs 用数据对象来表述系统中的实时数据，用对象变量代替传统意义的值变量。 我们把用数