模具厂刀具小型仓库控制程序设计

1、天 津 大 学 网 络 教 育 学 院本科毕业设计（论文）题目：基于PLC立体仓库控制程序设计完成期限：2016年7月8日 至 2016年8月25日学习中心：奥鹏专业名称：选择一项。 学生姓名：孙传国学生学号：指导教师：摘 要随着中国经济的迅速发展，自动化立体仓库在各行各业都得到了广泛的应用。我们这个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，该设计采用组态软件作为人机界面，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，来实现立体仓库的“取货“或“存货“等功能。 关键词：立体仓库；组态软件；西门子S7-200；

2、 目 录第一章绪论21.1立体仓库设计背景21.1.1立体仓库的定义21.1.2立体仓库的特点21.2立体仓库的研究意义21.3 本课题的设计内容2第二章系统控制方案的确定22.1自动化立体仓库控制器的简介22.1.1系统控制要求方案2.2用PLC控制立体仓库的优点2.3系统控制要求方案22.4系统设计的基本步骤2第三章 系统硬件的设计23.1系统硬件组成23.2可编程控制器（PLC）选型13.3 PLC输入输出分配表23.4控制结构示意图2第四章 系统软件的设计24.1编程语言的介绍24.2编程软件STEP7的介绍24.3系统软件流程图24.4梯形图的设计2第五章 系统的调试及结论25.1梯

3、形图程序的下载25.2程序运行调试25.3结论2参考文献2参考文献附 录2致 谢2天津大学网络教育学院本科毕业设计（论文）第一章 绪论1.1立体仓库设计背景随着企业现代化生产规模的不断扩大和深化,使得仓库成为生产物流系统中的一个重要且不可缺少的环节，立体仓库正以它最小的占地面积和最佳的空间利用率,逐步替代着面积利用率极低且陈旧落后的平面仓库,这种替代促使仓储物流业的水平不断提高为满足现代化生产与流通的需要,就必须采用以计算机控制技术为主要手段组成的自动化立体仓库。针对此问题,我计划设计立体仓库计算机实时控制系统，及认址检测系统，提高了立体仓库的管理水平。1.1.1立体仓库的定义货架自动化立体仓

4、库简称立体仓库。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”。1.1.2立体仓库的特点立体仓库一般都较高。其高度一般在5米以上，最高达到40米，常见的立体仓库在725米之间。立体仓库必然是机械化仓库。由于货架在5米以上，人工已难以对货架进行进出货操作，因而必须依靠机械进行作业。而立体仓库中的自动化立体仓库，则是当前技术水平较高的形式。1.2立体仓库的研究意义自动化立体仓库在各行各业得到了广泛的应用，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

5、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 本课题的设计内容立体仓库种类很多，本课题，我们设计目标为小型的单元货格式立体仓库，针对模具厂的刀具发放来设计一个小型的立体仓库。我们以每一种刀具为一个单元来设计货格式立体仓库，其特点是每层货架都是由同一尺寸的货格组成，货格开口面向货架之间的通道，装取货机械在通道

6、中行驶并能对左、右两边的货架进行装、取作业。每个货格中存放一个货物单元或组合货物单元。货架以两排为一组，组间留有通道。所以这种仓库需留有较多的通道，空间利用率较高。我们设计自动寻址、自动装取方式，是无人操作方式。按控制者的指令或按计算机出库的指令进行自动操作，按照系统提示来定时补库存刀具。l 本设计的特点是：可自动发放刀具系统主管核准后的刀具。 可自动统计发放信息，统计刀具月用量，便于刀具成本核算。l 本设计应用于生产管理中，其效益体现为一下三点：节省刀具库管理人力1人大大节省刀具领用时间更有利于刀具成本管理19第二章 系统控制方案的确定2.1刀具自动化立体仓库控制的简介我们以刀具存储为主要研

7、究方向：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。我们可以看到图中：货物储存系统主要由两台货架组成。货物存取和传送系统主要由3个马达来带动同步带轮，分别带动X、Y、Z三个轴的运动，以达到存取刀具的目的。X轴：由一个电机和一对夹爪组合成，电机负责转动头部选择左货架或者右货架的刀具，夹爪负责将左右货架上的刀具取出Y轴：由电机带动同步带轮，上下运动，跑动到合适的纵向位置，按照电脑寻址选取相应的刀具。Z轴：由电机带动同步带轮，负责前后运动，跑动到合适的深度位置，按照电脑寻址选取相应的刀具。控制和管理部分由工控机来完

8、成。主要用来进行管理和统计工作。而运动控制系统是触摸屏和西门子PLC。一些简单的运动采用步进电机系统。这类步进电机系统通过编程和IO口可以完成特定的动作，对简化设备结构，减少布线，简化PLC程序非常有意义。2.2系统控制要求方案立体仓库共有120仓位和一个出入货口，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取刀机的上下、前后、左右三个方向上的运动。自动情况下可以通过出货口自动实现刀具的出库动作。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

9、电状态下，各机构复位，即返回零位。刀具发放立体仓库坐标定位以零位开始。3取货的时候，选择欲取货物的仓位号后，在控制界面里显示出来，按动取货按钮后，可以自动将货物取出。取出后投入取料口。4. 当料仓中某种规格的刀数量为少于2时，系统界面会自动提示统一补刀。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刀具立体仓库控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：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

10、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。第三章 系统硬件的设计3.1系统硬件组成 刀具立体仓库主体由底盘、左右刀具架、运动机械及电气控制等四部分组成。机械部分采用滚珠丝杆、直线滑轨、普通丝杠，同步带等机械元件组成。其关键部分是取刀机，它由水

11、平移动、垂直移动及左右伸叉机构三部分组成，其水平和垂直移动分别用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。当取刀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。当取刀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。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：采用15度斜度，利用自重供料，便供料机构最简单化并且可靠，性价比最高。载具使用统一标准的圆筒式设计，所有

12、刀具放置到圆筒内。系统控制面板如下图：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。安全防护措施是所有机器人系统最重要部分，我们采取机械限位，传感器信号和位置信息互锁，软限位，安全门锁等措施及它们的有机组合。NO零件名稱規 格數量品牌工控机CMC813嵌入式工控机/配觸摸屏/攝像頭/刷卡单元（13.56MHz，支持ISO 14443A，ISO 15693）1物联网产品处可編程控制器CP1H-X40DT-D1歐姆龍/OMRON通訊模塊 CP1W-CIF011歐姆龍/OMRON光電開關 E3Z-T61 2M BY OMC2歐姆龍/OMRON感應器

13、EE-SX672A5歐姆龍/OMRON光電開關EE-SX673A3歐姆龍/OMRON微動開關SS-016歐姆龍/OMRONCJ单元适配器CP1W-EXT011歐姆龍/OMRON通信模块CJ1W-ETN211歐姆龍/OMRON步進馬達/步進電機AM34HD2805-B241鳴志/MOONS馬達驅動器SRAC81鳴志/MOONS步進馬達/步進電機42HS041雷賽/Leadshine步進馬達/步進電機57HS221雷賽/Leadshine馬達驅動器M5421雷賽/Leadshine馬達驅動器DM5561雷賽/Leadshine開關電源SPS4072雷賽/Leadshine急停開關Y090-11TS

14、/R/DC24V1紅波開關電源SFLA-040-1B,AC220V出DC24V/40W1山勝伺服电机HC-KFS431三菱伺服驱动器MR-J2S-40A1三菱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

15、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

16、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

17、输入输出I/O分配，如下表所示。PLC输入输出I/O分配输 入输 出I1急 停I231号仓库微动开关Q0横轴脉冲I2手动/自动I242号仓库微动开关Q1竖轴脉冲I3取 出I253号仓库微动开关Q2横轴方向I4送 进I264号仓库微动开关Q3竖轴方向I5放 弃I275号仓库微动开关Q4取货物I61号仓库的键、左移I306号仓库微动开关Q5放货物I72号仓库的键、下移I317号仓库微动开关Q6显示取出I103号仓库的键、右移I328号仓库微动开关Q7显示送进I114号仓库的键、后移I339号仓库微动开关Q10个位BCD码I125号仓库的键、上移I3410号仓库微动开关Q11I136号仓库的键、前移

18、I3511号仓库微动开关Q12I147号仓库的键I3612号仓库微动开关Q13I158号仓库的键I37横轴右限位Q14十位BCD码I169号仓库的键I40横轴左限位Q15I1710号仓库的键I41竖轴上限位Q16I2011号仓库的键I42竖轴下限位Q17I2112号仓库的键I43货台回位限位Q20显示就绪I220号仓库微动开关I44货台到位限位共36个输入共17个输出3.4控制结构示意图第四章 系统软件的设计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）。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

19、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

20、。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

21、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。第五章 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

22、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，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 点击下载，对话框关闭后，表示程序已经下载到 PLC 中。5.

23、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

24、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。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, 20072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, 20073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, 20065吴明亮、蔡夕忠主编.

25、可编程控制器实训教程. 化工工业出版社, 20056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（）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，200010沈鸿主编.机械工程手册(10)M.机械工业出版社，200511马振福主编.液压与气动传动M 机械工业出版社，200612 余雷声编著电气控制与PLC应用北京：机械工业出版社，199613 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，198814 朱绍祥编著.可编程控制器原理及应用.上海：上海

26、交通大学出版社，198815 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西门子公司编著S7-200可编程序控制器系统手册天津大学硕士学位论文致谢天津大学网络教育学院本科毕业设计（论文）附 录管理机的功能 管理机是整个自动化立体库的管理核心,它包括在线管理及离线管理1功能如下: (1)实现存取的货格管理1 (2)实现库存帐目管理,具有输入、更改、汇总、查询及打印功能1 (3)具有处理实时的中文输入、更改、打印、显示功能1 (4)有关库存帐目及数据资料按年、月以软盘及其他方式保存,随时可查询1 管理机的在线管理, 要求货物存放必须同一品种货物先进先出,同一品种货

27、物按巷道分布,存放顺序先下后上,下重上轻,经常流通的货物尽可能分布在巷道口1在软件处理上组成独立的功能模块,一般按大类分为出/入库操作和物资文件部分、输入/输出部分、通讯部分以及辅助部分1各大部分的功能模块由主控调度模块调用1212 中控机的功能 中控机系统是整个立体库实现自动控制的中心,它沟通并协调管理机、堆垛机、出入库台和联合输送机的联系,控制和检测整个自动化立体库的运行1它具有以下功能: (1)根据管理机或自身键盘的命令组织流程1(2)监测现场设备运行情况1(3)现场设备状态、货物流向及收发货显示1(4)与管理机 、堆垛机及现场设备通讯联系1(5)对设备进行故障检测及查询显示 1213

28、直接控制器 由 PLC操作的单机自动控制器直接运用于 堆垛机或联合输送机的控制系统,完成单机自动控制及与上位机的通讯联系 1 堆垛机的主要功能是从入库台取货口取货,然后送往指定的货格,或从指定货格取出货物,放置到出库台取货口1堆垛机控制器要实现操作控制,还必须实现拖动控制(即调速控制)、定位控制及检测保护控制1 3 认址检测系统的设计 立体仓库的自动寻址就是自动寻找存放/提取货物的位置1计算机控制的自动化仓库都具有自动寻址的功能1 在同一巷道内的货位地址由3个参数组成:第几排货架;第几层货格;左侧或右侧1当自动仓库 接受到上级管理机的存取指令和存取地址后,即向 指定货位的方向运行1运行中,安装在堆垛机上的传感器不断检测位置信息, 计算判断是否到位1 认址装置由认址片和认址器组成1认址器即是某种传