自动化立体仓库控制系统设计

1、摘要随着先进存储技术的不断更新与推进，自动化立体仓库功能的完善是当代存储业系统发展的目标。这种集自动储存、信息管理一体化产品，以计算机为核心的控制系统与现代物流技术的结合被越来越多的现代化企业所接受。本文主要通过堆垛机运行流程分析、修改，设计了自动化立体仓库控制系统方案。运用计算机集成技术作为管理、监控机，通过可编程逻辑控制器（PLC）作为动力控制器件，根据系统需要设计出系统供电原理图及部分设备操作图。为实现立体仓库系统的便捷性、实用性，故采用Step 7编程软件设计PLC应用系统。文中还分别介绍了仓库控制系统的硬件组成、STEP 7 软件组态、PLC通信的过程和编程的方法。最后运用WinCC

2、组态软件仿真人机界面。关键词：自动化立体仓库；PLC 300；Setp7；WinCCABSTRACTAlong with the continuous renewal of advanced storage technology and propulsion, the improvement of the automatic stereo warehouse function is contemporary storage industry system development goals.This kind of automatic storage, information manageme

3、nt integration products, with the computer as the core of control system with the combination of modern logistics technology is more and more accepted by the modern enterprise. This paper mainly through the stacker operation process analysis, modifying, automated stereoscopic warehouse control syste

4、m scheme is designed.Use computer integrated technology as the management and monitoring machine, through a programmable logic controller (PLC) as power control device, according to the requirements of the system of PLC module, motor module, motor drive module selection, and design the system power

5、supply principle diagram and part of equipment operation.To achieve the convenience and practicability of stereoscopic warehouse system, the Step 7 program design PLC application software system is adopted, the WinCC configuration software design man-machine interface monitoring.This paper separatel

6、y introduces the hardware composition of the control system of the warehouse, the STEP 7 software configuration, PLC communication process and the method of programming.By using the software of WinCC configuration simulation interface. Key words: AS/RS；PLC 300；Setp7；WinCC目 录1 绪论11.1 课题的背景及研究意义11.2 国

7、内外研究状况11.3 此课题的研究内容22 总体设计方案42.1 自动化立体仓库的构成、特点及分类42.2 堆垛机控制系统52.2.1 主要结构与工作原理52.2.2 堆垛机工作原理62.3 可编程控制器定义及组成62.3.1 PLC的定义62.3.2 PLC 的工作原理62.3.3 PLC的特点72.3.4 PLC的基本组成72.3.5 PLC模块的选择72.3.6 PLC控制系统的设计步骤92.4 微动开关的选择102.5 仓库管理及监控结构112.6 供电设计112.7 认址的定义132.7.1 认址方式的比较132.7.2 认址方式确认13第三章 系统软件设计143.1 Step7软件

8、简介143.1.1 Step7的编程语言153.1.2 Step7的程序结构153.2 WinCC简介163.3 监控系统分析163.3.1 设备状态监控163.3.2 设备系统调试173.3.3 监控系统的设计需求173.4 WinCC与PLC的通讯173.5 PLC输入输出分配表19第四章 总结与展望204.1 总结204.2 展望20致谢22参考文献23附录24 西京学院本科毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题的背景及研究意义随着现代化存储技术的不断发展与完善，以自动化立体仓库为核心的物流系统成为企业节省资源、降低成本合理化运营的首要选择。它作为现代物流中首选的新型存储技术，应具备货物自

9、动存储、系统操作便捷、企业化实施管理的能力。自动化立体仓库系统又称自动存储/检索系统（Automated Storage/Retrieval Systrm 即AS/RS），它是采用立体式货架存储、计算机远程管理、堆垛机运行操作的货物存储流程技术【 王占富，谢丽萍等.PLC快速入门与实践，人民邮电出版社，2010.】。自动化立体仓库作为当代新型物流仓储的代表，集自动控制技术、计算机技术、自动化仓储技术、通信技术于一体，具有空间利用率大、成本低效率高、自动化技术先进、操作与监控以及通信技术集成化等优点，在现代新型产业中占据主导地位。作为物流系统的重要组成部分，立体仓库主要承担货物的储存保管、货物的

10、存取输送、货位的判断选择等，是实现低成本、高效率、大容量的最有效手段。自动化立体仓库的引进提升了社会经济水平的发展。它通过立体式货架存储，使存储区域化，提高了空间利用率；采用选择式存放管理，结合外部辅助设备及计算机监控，防止货物的变质和损坏；运用PLC自动控制系统，使操作过程便捷化管理运行整体化。计算机系统控制能够快速准确地对输入输出信息进行采集和分析，减少了劳动率，避免货物存储间的差错，同时自动化立体仓库的储存系统与企业生产系统实现集成化，提高企业的信息化管理。通过主机操作控制设备完成相应的动作流程，同时将完成状况、采集数据实时上传主控计算机的管理界面，使主控计算机实现对企业运行流程、设备运

11、行状态、货仓检测及货物定位、故障检测与系统维护的实时监控。实现立体仓库自动化、企业化的运行管理模式。课题的研究目的是随着社会生产力的迅速提高，仓库存储技术经历了从手动存储、半自动存储、自动存储、智能化存储的改进与完善，是立体仓库仓储技术迅速成为当红产业。所以课题研究自动化立体仓库控制系统设计，采用西门子PLC程序操纵系统、WinCC组态实时监控仿真，使立体仓库的信息化、控制一体化、操作便捷化得以体现。1.2 国内外研究状况 自动化立体仓库是二战后引出的产物，至今已经历了人工作业、半自动作业、自动作业、智能化作业的过程。20世纪60年代中期，以计算机为核心控制的立体仓库在美国投入使用并成立了研究

12、所研究开发。随后在日本、德国、英国等也引进并成为了主导产业。据数据显示，迄今为止美国拥有规模不一的自动化立体仓库40000多个、日本35000多个、德国16000多个、英国10000多个等。我国由于社会生产力的原因发展比较晚，20世纪60年代研究开发；70年代中期，由计算机控制的立体仓库问世。据统计当前我国拥有立体仓库约3000多个，运用于各行各业配合完成企业操作流程，适应了社会潮流、促进了经济发展。自动化立体仓库是以计算机为主要操作方式的运行系统化、管理一体化的现代存储系统。随着立体仓库在企业产生的经济效益，使人类投入了更多的精力去研究开发。在国外，Linn和Wysk在立体仓库控制操作中引进

13、专家系统模拟实验得到成功验证；Randhawa和Shroff通过对货物出入仓库的影响因素的研究，得出立体仓库的模拟仿真；Egbule通过研究堆垛机待命点的选择来减少作业响应时间【 Frenzel.PLC KIT SUPPORTS MULTIPLE MODULATION SCHEMES AND PROTOCOLS. Electronic Design . 2010.】。在国内，山东大学的田园会等提出了影响仓库运行效益的若干调试问题。在货位分配方面，Hausman等做出对周转率货位分配、随机货位分配等不同方式货位分配的对比研究；Hackett提出了COI（Cube-per-order Index）

14、货位分配策略。在国内常发亮等在货位分配中涉及优化算法改进系统【 潘峰，刘红兵.西门子PLC控制技术实践M.中国电力出版社，2009.】。现代仓库储藏技术的发展趋势：（1） 仓储系统集成计算机网络技术实现智能化。结合物流处理的基本理论和复杂的仓库储藏技术，实现现代智能化产业。（2） 仓储物的多样化，使的仓储技术的不断提高、仓储设备的不断更新。为使仓库有较大的柔性，研究开发高效、柔性的出入库输送设备和库内作业机械。（3） 现代化物流仓储系统是一套集信息与价值的物流服务系统。（4）仓储系统是一个复杂的、快速的物流系统，只有系统的完善及设备的齐全才能发挥高效、经济的系统。PLC凭借其适应性强、应用灵活

15、、易于编程、安装和调试等成为整个立体仓库控制领域的核心系统设备。随着立体仓库被企业广泛应用，普及存储PLC控制的自动化立体仓库是现代化发展的趋势【 张还，李胜多.可编程序控制器原理及过程控制M.中国电力出版社，2008. 】。1.3 此课题的研究内容自动化立体仓库是高维立体货架式储存系统，通过立体货架、PLC控制系统、WinCC组态实现对货物存取流程的人机界面监控。采用西门子梯形输入指令等，扩展了PLC的输入和输出点数。运用监控系统对货物实时监控，提高了工作效率、降低了运营成本，所有设备都通过PLC程序控制运行，减少了损耗、方便了操作。根据以PLC为核心的自动化立体仓库的运行原理及控制系统决定

16、运行的三个坐标方向，根据用户的输入实现物体准确定位移动。具体完成的任务如下： （1） 命令键盘的设计。 （2） 掌握PLC编程步骤及方法。 （3） 完成硬件电路的设计和应用。 （4） 设计要求程序，并通过修改调试。 （5） 在模拟仿真上进行存取试验。26 2 总体设计方案2.1 自动化立体仓库的构成、特点及分类自动化立体仓库（AS/RS,Automatic Storage & Retrieval System）是以高层立体货架为主体、成套搬运设备为基础，集计算机控制技术、自动控制技术、自动化于一体的高容量、高效率的贮藏机构。自动化立体库

17、的基本构成为:1. 高层货架它是自动化立体仓库系统实现货物存取的主框架，直接确定仓库的体积及货物存取要求。货架形式：自动化立体仓库的货架形式一般有贯通式货架、单元式货架、组合式货架等。设计时，可根据货物的形状、大小及要求合理选取。2. 堆垛起重机堆垛起重机作为自动化立体仓库的源动力，承担货物的搬运及存取。主要由主架、运行轨道、载货台、提升支架及控制系统构成。 3. 输送系统它是将货物运送到巷道端口或仓库的设备。一般有辊道输送机、链条输送机、皮带输送机等。同时，根据平均流量仓库需合理确定运输系统的速度。4. 托盘用于承载货物的机构，常见的有钢材、塑料、木质等。其中木质托盘具有较高的性价比。5.

18、其它辅助设备根据立体仓库设计的要求，需依靠外部辅助设备完善货物存储流程。6. 自动控制系统它控制整个立体仓库系统设备的运行，可以使设备单独、组合运行，还可预留与外接设备的接口。自动化立体仓库控制系统可分为组合式、单一式、排列式控制。自动化立体仓库的优点：1. 货物存储的集中化、立体化，合理利用空间，提高利用率。2. 便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平。3. 仓库设备的现代化使货物存取节奏变快，节省劳动率、提高生产率。4. 减少库存资金积压。5. 现代化企业的标志。自动化立体仓库大致可以分为：1. 按货架高度可以分为高层仓库、中层仓库、低层仓库。2. 按货架构造可以分为贯通式、阁楼式、

19、组合式等。3. 按建筑物构造可以分为一体式、分离式立体仓库。4. 按操作方式可以分为人工寻址，人工存取方式；自动寻址，人工存取方式；自动寻址，自动存取方式。5. 按功能方式可以分为存储仓库、专用仓库、转换仓库等。2.2 堆垛机控制系统堆垛机作为立体仓库运行流程的主要组成设备，配合系统完成货物的存取。堆垛机具有操作简单便捷、存储效率高及运输成本低等优点。与PC机联网控制，形成一体式自动化物流系统。堆垛机按运行方式分为有轨式和无轨式堆垛机；按操作方式分为手动、半自动、自动堆垛机；按升降高度分为低层、中层和高层堆垛机等。2.2.1 主要结构与工作原理图2.1 堆垛机结构示意图如图2.1所示堆垛机结构

20、示意图a）立柱：升降台的主要支撑结构，可设置导轨牵引升降台运送货物b）电源配置系统：包括外部电源系统、电动机驱动系统、实时监测系统等c）升降台：由钢板焊接组成，是货物存取的主要承载平台 d）货叉：货物存取的主要运输元件，由电动机驱动、导轨牵引运行e）底架：支撑整个堆垛机的重要组成部分f）升降驱动系统：升降驱动电机牵引导索使货叉竖直运行g）行走驱动系统：行走驱动电机牵引货叉水平运行h）上横梁：连接两端立柱使堆垛机结构稳定并限制升降台的高度2.2.2 堆垛机工作原理在下横梁和立柱上分别安装一组导轨，升降电机驱动货叉竖直运行，行走电机驱动货叉水平运行。通过操作控制面板可以使货叉加减速灵活变换及故障急

21、停等功能。货叉的上、中、下位分别设有定位装置，同仓库的光电传感器配合使货叉准确定位实现货物存取。2.3 可编程控制器定义及组成2.3.1 PLC的定义PLC（可编程控制器）是一种数学运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数学或模拟式的输入与输出，控制各类型的机械或生产过程【 李仁主编.电气控制技术第3版.机械工业出版社，2008.6.】。2.3.2 PLC 的工作原理1. PLC的扫描工作方式一般来说，PLC有两种工作状态，即系统的运行和停止。运行状态指系统执行指令及数据采样

22、过程；停止状态程序的设计、下载及数据的分析过程。为了输入信号发生变化时输出端及时响应，在PLC运行状态下程序执行过程需一直循环直至PLC切换到停止状态，通过周期循环扫描方式实现循环。一个循环周期包括系统检测阶段、通信服务阶段、输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。1） 系统检测阶段。CPU对系统内部的硬件作故障扫描、以及定时器、采样器的复位等。2） 通信服务阶段。是指PLC与编程器、计算机进行通信链接，CPU分析采样输出的信息。3） 输入采样阶段。每次执行扫描周期时，先将输入端点的初始值存入输入映像寄存器区。在程序执行阶段，CPU会扫描输入映像寄存器区。4） 程序执行阶段。PLC根据梯形图

23、的指令分时扫描执行，并将程序过程采集数据存储于输入映像寄存器区。CPU逐条解释并执行程序。5） 输出刷新阶段。每个扫描周期结束时，CPU把过程存储数据经数字量输出端点输出，更新输出初始状态，然后自动返回输入采样阶段循环执行。2. 输入/输出滞后时间输入/输出滞后时间指从输入信号发生变化开始经系统使输出信号发生变化止之间的响应时间，其中包括电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和扫描工作方式产生的滞后时间三部分。扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期。PLC总的响应延迟时间一般只有数十毫秒，对于一般系统没有影响。要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选择扫描速度快的PLC或在软件及硬

24、件上采取措施。3. PLC与继电器工作原理的差别1） 内部器件的差别。继电器一般由硬件组成；而PLC一般由“软件”组成。2） 触点个数的差别。继电器一般只有816个触点；PLC的触点理论上有无限对，可重复使用。3） 逻辑关系上的区别。继电器电路图是用低压电器的接线表达逻辑控制关系的；PLC主要使用梯形图表达逻辑关系。4） 运行时序上的差别。继电器可以忽略电磁及机械滞后，同一继电器的所有触电的动作和线圈通电或断电可以认为是一致的；PLC由于系统分段扫描指令，故同一设备的线圈和触点的动作不一致。2.3.3 PLC的特点1. 抗干扰能力强、适应性强2. 应用灵活、可靠性高3. 易于编程及使用4. 功

25、能及拓展能力广泛5. 控制系统设计、安装、调试、操作方便2.3.4 PLC的基本组成S7-300系列PLC是模块化结构设计，各种模块之间可以进行组合和扩展。它的主要组成部分有机架、电源（PS）模块、中央处理单元（CPU）模块、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）和通信处理器（CP）模块【 漆汉宏.PLC电气控制技术M.机械工业出版社，2007. 】。2.3.5 PLC模块的选择仓库控制系统运用西门子PLCS7 300系列，它抗干扰能力强、编程及操作简单方便、易于实现分布和功能完善等成为中等性能要求用户的首选方案。用户可以根据设计要求对S7 300系列PLC多种不同性能的CPU模

26、块进行选择，及时添加或减少CPU模块以达到任务完善的需求。本设计采用的中央处理器是CPU 314，能通过MPI经电缆或通讯模块与PC机进行通讯连接，自身的诊断功能和修复技术，使其实用性及可靠性大大提高，完全符合设计要求。此外，它自带的Step 7编程软件功能强大、操作便捷，使的程序系统编程简单化。模块配置具体如下：中央处理器：CPU314能准确执行二进制代码指令，设置I/O配置，便于功能程序和执行程序的安装。最大可扩充1024字符的I/O 或256个模拟通道，内置256个计时器。程序深度有8层嵌套配置，内置存储器的基本容量为48K字节，可用外置存储卡(MMC卡)扩展内置存储器，最大内存可达8M

27、B。计数功能模块：FM350-1它是单通道智能计数模板。可与BEN（增量编码器）、光电式脉冲传感器连接；具有比较功能，能够自动比较输入值和预设值并及时输出响应；具有连续计数、单向计数、周期计数三种工作模式。定位功能模块：FM353用来定位步进电机轴的实际状态，由脉冲功率驱动步进电机、脉冲数量决定移动长度、脉冲频率控制移动速度，从而达到定位任务。准确快速的复杂运动模式，是机械设备定位任务的理想要求。数字量输入模块：SM321可将现场各开关触点的状态由光电隔离和滤波转换为S7 300内部信号，经CPU扫描采样。为了方便系统调试，各输出端经发光二极管分段显示（灯亮为正常，反之异常）。数字量输出模块：

28、SM322系统选择带直流负载的晶体管输出端子把S7 300的物理信号转化为电平信号。模拟量输出模块：SM332可将从S7 300采集的数字量信号转换为模拟量信号。供电参数可调，用初始化参数可提前为通道单独设置范围，输出端与背板总线间有光藕隔离。电源模块：PS3O7输入为120V/230V单相交流电，输出为24V/5A直流电，输入和输出之间隔离可靠。电源操作指示灯用一个LED显示（灯亮为输出电压正常，反之异常）。由于本项目所用模块较少，此电源模块可稳定供电。上述模块在STEP7软件中的组态画面如图2.2所示。图2.2 PLC硬件组态2.3.6 PLC控制系统的设计步骤PLC 控制系统的基本设计步

29、骤如下：（1）分析被控对象控制条件要求。（2）根据性能与系统要求选择PLC适合类型。（3）PLC中I/O点数和用户存储器容量的粗略估算，画出状态流程图表。（4）I/O模块的选择，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入输出模块的选择。（5）根据程序流程图表设计程序，或梯形图程序。然后根据设计图列制程序清单。（6）将程序输入PLC的用户程序存储器中，或通过微机输入PLC存储器，然后进行模拟仿真调试。 控制系统结构图如图2.3所示：图2.3 控制系统结构图2.4 微动开关的选择该立体仓库控制系统共有30个货格，30个微动开关分别为仓库货物的检测。微动开关原理图如图2.4所示。 图2.4 微动

30、开关原理图2.5 仓库管理及监控结构立体仓库控制系统由管理系统、监控系统、执行系统组成。如图 2.5 所示。图2.5立体仓库功能结构示意图2.6 供电设计系统供电设计如图2.6所示：图2.6 系统供电原理图如上图所示，01、02、03连外接电源的火线；04连接零线；05连接地线。为了使系统运行更加灵活、故障排除方便，采用双电机分别驱动供电，一台给予图“电机供电”部分，另一台给予“柜内及PLC”供电。2.7 认址的定义2.7.1 认址方式的比较通过对国内外立体仓库采用的认址方式的比较，其中包括光电开关、编码器和激光传感器，得下表2.1所示：表 2.1 认址方式比较认址器件光电开关增量编码器光电传

31、感器认址方式相对认址绝对认址绝对认址绝对认址安全性低高高较高认址精度高高mmmm系统成本低高高高外置接口无无多个多个定位方式反射式反射式接触式反射式使用期限短短长短2.7.2 认址方式确认(1) 水平方向采用光电传感器。安装在堆垛机上的光电传感器通过光及物体反射来测量物体的速度及距离，其原理是通过发射出的激光光线及物体反射的长度来测定距离【 Frenzel.PLC KIT SUPPORTS MULTIPLE MODULATION SCHEMES AND PROTOCOLS. Electronic Design . 2010.8 张还主编，PLC控制系统设计快速入门，机械工业出版社，2011.9

32、 Hans Berger.西门子S7-300/400PLC编程语句表和结构化控制语言描述.3版.人民邮电出版社，2008.10 汤朝霞，李洪群.基于PLC的立体仓库控制系统及组态设计.苏州大学学报，2009(12).11 吴丽，梅杨电气控制与PLC应用技术北京：机械工业出版社，2008.12 杜胜霖.基于货位优化的自动化立体仓库出入库系统设计.山东大学.2006.13 胡健.西门子S7-300可编程控制器应用教程M.机械工业出版社，2010.14 陈晓军PLC控制技术在立体仓库堆垛机中的应用J工业技术，2007.15 张还.基于S7-300 PLC软件编程的现场总线系统故障处理J.设备管理与维

33、修，2010（1）.16 李风阁等.电气控制与可编程控制器应用技术M.机械工业出版社，2007.17 崔监.西门子S7可编程控制器STEP 7编程指南.机械工业出版社，2007.18 Siemens AG. 用于S7-300和S7-400的语句表（STL）编程手册参考，2007.19 Siemens AG. STEP 7 V5.3使用入门.2004.20 Siemens AG. S7-300和S7-400梯形逻辑（LAD）编程参考手册.2004.21 廖常初. S7-300/400 PLC应用技术M. 2版.北京：机械工业出版社,2007.附录 自动化立体仓库控制系统语句表1：列向自动运行LD

34、 SM 0.0 / 该值始终为1 LPSAN M2 0.7 /小车是否处于执行动作过程中；为ON则表示执行动作过程中AN M2 0.1/列到位标志A M 0.0/运行状态A M1 0.0 / 置Q0.6为ON，Q0.6为小车前向运行输出S Q 0.4, 1 /小车向前运行LPPA M2 0.7AN M2 0.5 /物品到位标志A M 0.0 /运行状态A M1 0.0 /手、自动状态S Q 0.5, 1 / 置Q0.5为ON，Q0.5为小车后退运行输出2：列向准确寻址LD SM 0.0 / 该值始终为1 LPSAN M2 0.7 / 小车是否处于执行动作过程中，ON则表示执行动作AN M2 0

35、.1 / 列到位标志A M 0.0 / 运行状态A M1 0.0 / 手、自动状态AR= VD1200,VD28 / 激光测距传感器数值/水平目的距离= Q 1.6 / 输出停止向前运行信号S M2 0.1, 1 / 设置达到标记LPPA M2 0.7AN M2 0.1 / 输出停止向后运行信号AN M2 0.3 / 行到位标志A M 0.0A M1 0.0AR= VD1200,0.0= Q 1.7 / 停止向后运行R M2 0.1, 1 / 清除达到标记RM2 0.7, 1 / 清除达到标记3 行向准确寻址LD SM 0.0 /该值始终为1LPS LD I 0.3 / 出入库选择AN M2

36、0.7 /小车是否处于执行动作过程中，ON表示执行动作AN M2 0.3A M1 0.0A C 1 / 行计数器C1A I 2.2 / 下对准光电LDN I 0.3 /出入库选择AN M2 0.7AN M2 0.3A M1 0.0 /手、自动状态A C 1 / 行计数器C2A I 2.0 / 上对准光电OLD A M 0.0ALD= Q 2.0 / 行到位，停止上升S M2 0.3, 1 / 置位行到位标记LPPA M2 0.7AN M2 0.6A M 0.0A M1 0.0A C 2S Q 2.1, 1 / 停止下降R M2 0.1, 1 /列到位标志R M3 0.1, 1 / 下降计数器复

37、位4 伸缩定时设定LD SM 0.0LPSAN M2 0.7A M2 0.1A M2 0.3A M 0.0AN I 1.7A I 1.6/ 货位虚实检测开关A M1 0.0AN M2 0.5TON T 37, 18/ 伸缩定时LPPA M2 0.7A M2 0.5A M 0.0A M1 0.0LD I 0.3/ 出入库选择A I 2.0LDN I 0.1A I 2.2/ 下对准光电OLDALDTON T 37, 18网络5 定时到，停止前伸，后缩LD SM 0.0 / 始终为1LPSAN M2 0.7 / 小车是否处于执行动作过程中，ON表示是A M2 0.1A M2 0.3 / 货位虚实检测

38、开关A M 0.0A M1 0.0 / 手、自动状态A T 37S I 1.6, 1= Q 2.4 / 定时到，停止前伸LPPA M2 0.7A M2 0.1 / 列到位标志A M2 0.3 / 行到位标志A I 1.6A M 0.0 / 运行状态LD I 0.3 / 出入库选择A I 2.0LDN I 0.1A I 2.2OLDALDA M1 0.0A T 37R I 1.6, 1= Q 2.5 / 定时到，停止回缩】。所以为了保证实验的准确性，在堆垛机运行时不允许存在物体遮挡激光光线的现象，对激光光线通道采取相对隔离措施，确保激光测距的准确性和自动化系统的安全性。(2) 竖直方向采用绝对光

39、电认址片认址。在堆垛机的主框架上安装绝对认址片、在升降台上、中、下位各安装一个光电开关分别确定对应层数及上下、层数的反射距离。如图2.7所示。图2.7 传感器认址定位分布图第3章 系统软件设计系统的软件设计分为两部分：（1）用Step 7编程软件设计系统程序；（2）用WinCC组态实现人机界面监控。3.1 Step7软件简介STEP 7是西门子SIMATIC工控软件的组成部分，是对可编程逻辑控制器PLC进行配置和软件编程的程序包。通过配置MPI通信设备并经专用数据线与PLC及计算机连接实现系统的程序下载以及数据的采集和调试。硬件接线图如图3.1所示。图 3.1 Step 7外部硬件接线图STE

40、P 7程序的设计、编程步骤分为：（1） 根据系统要求设计程序方案（2） 启动Step 7编程软件，创建一个新的项目（3） 完成程序的编写和组态的链接（4） 将程序下载到硬件设备并存储（5） 进行程序调试和设备运行Step 7软件运行流程图如图3.2所示。 图3.2 SETP7的使用步骤 3.1.1 Step7的编程语言由程序员在Windows环境下的系统设置，编程Step 7并调试和监控程序，功能强大、界面友好。STEP 7编程软件集成的编程语言有梯形图（LAD）、语句表（STL）、和功能块图(FBD)，描述如下表3.1所示。表 3.1 STEP 7编程语言分类编程语言说明LADLAD是STE

41、P 7编程语言的图表形式。梯形图可以实时显示跟踪电信号的输入、输出路线及整体流程。STLSTL是STEP 7编程语言的文本形式。能够让CPU识别并逐步执行的系统程序，包括一些常用指令、语句表及高级语言结构。FBDFBD是STEP 7编程语言的图形形式。用图形框之间的逻辑组合来显示系统的逻辑结构。3.1.2 Step7的程序结构系统块由组织块(OB)、系统功能(SFC)和系统功能块(SFB)组成。用户无权限修改系统功能和系统功能块但可以调用。用户块分为功能块(FB)、编程功能块(FC)和共享数据块(D）。 1）功能块(FB)功能块是能够存储用户编程的块，内存数据块存储从功能块采集的数据和系统初始

42、值，本地数据块存储临时数据。 2）编程功能块(FC)编程功能块是一种“不携带存储器”的逻辑块。执行功能时，数据堆栈暂存的临时变量将被删除。编程功能块内部无存储器，数据存储需借助共享数据块。 3）共享数据块(DB)共享数据块是专门存储其它块用户访问的数据，在创建是可以根据用户自定义数据块。3.2 WinCC简介WinCC（Window Control Center）是首次实现人机界面的监控系统。是由西门子公司研发完善的组态软件，它可以通过输入的用户程序快速准确的运行并实现人机界面监控。WinCC组态的特性： 1）全局优化方案WinCC组态界面友好，应用广泛。用户可以自行选择语言功能（中文、德文、

43、英文、法文等），即用户可在程序运行时切换目标语言。 2）便捷高效的组态组态功能的不断完善使工作人员的时间和精力大大降低。扩展友好的用户界面；程序库的完整性；在线组态的快速修改。 3）一致性延展Web“SIMATIC WinCC”提供用户要求的Web，解决用户在集成Historia软件和Web操作站遇到的问题。 4）开放性和集成性WinCC软件具有开放性和高集成性。 5）全集成自动化(TIA)的组成部分TIA可以充分整合各种自动化元件，用来降低成本、提高利用率。它避免了耗时输入，并及时排除故障。TIA的另一个特点是综合诊断系统。通过SIMATIC各元件的相互联系，WinCC可以对运行中的系统和过

44、程诊故障。3.3 监控系统分析3.3.1 设备状态监控自动化立体仓库监控系统提供平面监控图及数据分析表，包括堆垛机运行定位显示图、仓库货物检测图、货物操作流程图。也可对堆垛机的运行状态进行选择调试，包括系统的启动与停止、货叉运行速度、货物的自动存取及系统设备复位等。3.3.2 设备系统调试 通过人机界面实现对堆垛机的运行速度、设备的运行安全、货物的存取过程进行实时监控，为系统及时排除故障。3.3.3 监控系统的设计需求监控系统一般应具备：（1） 通过监控界面对堆垛机实时控制并采集、分析数据等（2） 企业化管理，对设备的运行状态及故障进行管理排除（3） 动态监控人机界面，实时反映设备运行状态（4

45、） 通过堆垛机界面参数设置，控制堆垛机运行3.4 WinCC与PLC的通讯WinCC与PLC通讯结构图如图3.3所示。图3.3 WinCC与PLC通讯结构图 本设计采用WinCC组态程序中安装CP5611通讯卡，经MPI与PLC连接，具体步骤如下： （1）通讯卡的安装将CP5611通讯卡装入计算机并启动，安装驱动程序。 （2）在WinCC组态程序中增加SIAMATIC S7软件。 （3） 通讯卡安装连接，启动WinCC，选择“Tag Management”，单击右键选择“Add New driver”，在加载窗口中选择“SIAMATIC S7 ”添加到“Tag Management”。（4）

46、PG/PC接口设置点击“PG/PC接口设置”图标，按图3.4所示添加接口。图3.4 PG/PC接口装置在“属性”对通讯参数设置，如图3.5所示。图3.5 MPI通讯参数设置（5） 与WinCC组态建立连接单击MPI通信驱动，鼠标右键单击选择“ connection Parameter”(如果同时接多个CPU，每个CPU就需创建一个新的连接，CPU连接的数量与PC机的网卡有联系)。选择S7 300 CPU时的槽号改为2，单击确定，此时WinCC与PLC之间通信就已经建立起来了。3.5 PLC输入输出分配表通过本设计系统的控制要求可得出（PLC）输入输出I/O分配，如下表所示。表3.2 PLC输入输出I/O分配控制元件编程地址控制元件编程地址 启动I0.0货叉右伸按钮I2.2 停止I0.1货叉左伸按钮I2.3 复位I0.2货叉原位按钮I2.4 存货I0.3货叉电机脉冲输出Q0.0 取货I0.4堆垛机上升Q0.1 自动I0.5堆垛机下降Q0.2水平编码器反馈AI0.6货叉方向改变Q0.3水平编码器反馈BI0.7堆垛机前进Q0.4手动I1.0堆垛机后退Q0.5货叉右伸到位I1.1低货位指示灯Q0.6货叉到中位I1.2高货位指示灯Q0.7货叉左伸到位I1.3水平停准指示灯Q1.0垂直编码器反馈AI1.4垂直停准指示灯Q1