毕业论文-基于PLC的自动化仓储控制系统设计

HUNANUNIVERSITY毕业论文论文题目基于PLC自动化仓储控制系统设计学生姓名学生学号专业班级自动化1103班学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015年5月17日湖南大学毕业设计(论文)第I页摘要现代工业由于对生产效率要求的不断提高，工业自动化已经成为其核心议题之一。对于仓储的管理，由于其环境不确定性：高温、高压、腐蚀性；物件大小的可变性：巨大或微小以及物件数量的庞大，使得其的自动化进程显得十分重要。如何有效的利用工业自动化手段实现仓储管理的自动化、机械化成为本文的核心议题。可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，以下简称PLC）在初期的设计目的仅仅是替代继电器来完成逻辑控制，以减少和缩小控制器的数量及整体体积，因而其提供及定义的功能多为逻辑控制、定时器和计数器等。随着微电子和计算机技术的发展，PLC被赋予了更多更完善的功能例如：模拟量控制、通信和PID运算等。在这种功能背景下，PLC相对于PC具有更强的稳定性和环境耐性，相对于单片机具备更强大的性能和适应本议题的顺序控制和运动控制等组件，因而本文选用PLC作为核心的控制器来构建整个系统。本文设计自动化仓储控制系统时主要考虑解决的问题有：1.仓储情况的记录；2.多种的管理模式：成批存入/取出、定点存入/取出；3.基于仓储情况的动作判定（例：仓库中对应的点在存入物件时是否已经存在物件，再存入会导致重复存入乃至无法存入）；4.基于不同应用场景的动作模式：直线插补和圆弧插补；5.用于试教和调试的其他辅助功能：更改运行速度、执行原点复归等。本文分别就自动化仓储控制系统的工作原理、PLC配置、人机交互界面（HumanMachineInterface，以下简称HMI）设计、仓库平台模拟等方面进行系统阐释，最终搭建实物测试平台。设计后的自动化仓储控制系统具有响应快、动作模式优化、应用场景湖南大学毕业设计(论文)第II页广泛、工作效率高等优势，适用于多类工业现场尤其是IC芯片存储此类对抖动和速度要求较高的应用场景。关键词：PLC，HMI，顺序控制，运动控制湖南大学毕业设计(论文)第III页TheDesignofAutomaticStorageControllingSystemBasedonProgrammableLogicControllerAbstractBecauseoftherequirementofproductionefficiencyhasbeenfrequentlyraisedduetothedevelopmentofmodernindustry,Industrialautomationhasbecomethemajordiscussionandfocuswithinthisarea.Themanagementofstorage,duetoitsenvironmentaluncertainty:hightemperature,highpressureor\t"C:/Users/King/AppData/Local/Youdao/Dict/Application/117/resultui/"corrosivityandtheflexibilityofcontainingarticles,hasputfactoryautomationtoahigherandmorecenterposition.Howtosufficientlyengagefactoryautomationstrategiestoachievingtheautomaticandmechanizedstoragemanagementisgoingtobethemaindiscussionwithinthisarticle.ProgrammableLogicController(PLC)wasdesignedonlytoreplacerelaystocompletelogiccontrollingmoreefficientlyandlessentheamountofcontrollerwhileshorteningthecontrollingcenter’svolume.Tothisinstance,PLC,atfirst,onlyprovidesanddefinedwithfewcapacitiessuchaslogiccontrolling,timerandrelay.Withthehighspeeddevelopmentofmicroelectronicandcomputertechnologies,PLChasbeenengagedwithmoreperfectfunctions,forexample:analogcontrolling,communicationandPIDcalculating.Underthiscircumstanceandbecauseofitsmorereliablestabilityandhighersevereenvironmentresistance(comparedtopersonalcomputer);strongerfunctionsandcorrespondingcapacity--motioncontrollingandlogiccontrolling(comparedtoSCM),IwouldliketochoosePLCasthecontrolcentertobuildupthewholesystem.Themainconsiderationsofdesigningthisautomaticstoragecontrollingsystemsarelistedasfollowing:1.Recordingsituationsofthestorage;2.Presentingdifferent湖南大学毕业设计(论文)第IV页managingmodes:puttinginordrawingoutasawhole,puttinginordrawingoutfromaorseveralpositions;3.Basedonthestoragesituation’smovementjudgment(forinstance:ifcertainpositionshavebeenfilledwitharticles,stillputtingwillcausereputingoreventhearticlescannotbeputinagain.);4.Dividedmotionmodesbasedondifferentapplications:straightorcircleinterpolation;5.Otherfunctionsintheusageofteachinganddebugging:changingoperatingspeed,operatingORGmovement,etc.Thisarticleisorganizedwiththeoperatingprinciplesofexhibitingautomaticstoragecontrollingsystem,PLCconfiguration,HumanMachineInterface(HMI)designingandstorageplatformsimulation.Thefinalgoalistobuilduprealtestingplatform.Thissystemisengagedwithadvancessuchasfastresponding,optimizedmotionmodes,multipleapplicationsandhighworkingefficiency,whichcansuitdifferentindustrialapplications,particularlyICchipsstorageandotherhighspeed,lowtremblescenes.KeyWords：ProgrammableLogicController,sequentialcontrolling,movementcontrollingandHumanMachineInterface.湖南大学毕业设计(论文)第V页目录1. 绪论 11.1. 毕业设计（论文）的背景及目的 11.2. 国内外研究状况和相关领域中已有的成果 21.3. 设计和研究方法 31.4. 设计过程及研究内容 32. PLC基本原理及选型 42.1. PLC概述 42.1.1. PLC的定义和发展 42.1.2. PLC的功能和应用 52.2. PLC的基本结构及工作原理 52.2.1. PLC的基本结构 52.3. PLC选型 142.3.1. PLC选型的关注点 142.3.2. 本文选用PLC简介 143. HMI基本功能及选型 143.1. HMI定义 113.2. HMI的功能 143.3. 本文采用HMI简介 144. 控制系统设计 144.1. 方案选择 144.1.1. 方案1：内置定位运动控制 144.1.2. 方案二：利用KV-MC40V定位模块 16湖南大学毕业设计(论文)第VI页4.2. 方案设计及编程实现 174.2.1. 方案设计思路与流程图 174.2.2. 方案设计的编程实现 205. 人机交互界面设计 275.1. HMI与PLC的通讯 275.2. 人机交互界面布局及与PLC的关联 286. 模拟机测试 297. 结论 148. 致谢 149. 参考文献 1410. 附录1 1410.1. 表10.1 3310.2. 表10.2 36湖南大学毕业设计(论文)第1页绪论毕业设计（论文）的背景及目的自动化仓储又称自动仓储SA/RS(AutomaticStorage&RetrievalSystem),它是一种利用托盘系统存储物资，用电子计算机或其他控制器实现控制管理并利用码垛机（堆垛机）实现存取操作的仓储系统。自动化仓储从单纯的物件存储，发展到肩负物资的接收、分拣配送和存档等多种功能。这类自动化的应用有利于提升物流和大容量仓储的效率。自动化仓储作为供应链的重要环节，其首要关注点在于控制仓库中物件的空间移动和仓储情况。自动化仓储控制系统同时也基于实时的信息指导和优化了库存存储。合理利用自动化仓储能产生巨大的社会效率和经济效率，相较于传统的仓储管理，其具有以下优势，这些优势也是本文研究的目的所在：自动存取使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提高了劳动生产率，降低了劳动人员的劳动强度并且节省了人力成本。同时，自动仓储能被合理、便捷的纳入到现代企业的物流、工业流程中，使得企业的生产和物流更趋合理化。计算机控制能够精确、实时地对各种仓储信息进行存储和管理，能有效避免由于人为因素而导致的仓储错误，减少甚至避免货物处理和信息处理过程可能产生的差错。同时借助计算机的运算能力能够快速的实现库存的整理盘点，利于分析和减少库存。自动化仓储的信息可通过以太网实现远程的操作和监控，实现了信息管理的自动化、远程化。自动化仓储的实时性有利于企业根据实时数据随时掌握仓储情况，根据生产需湖南大学毕业设计(论文)第2页求及时有效的调整生产计划。国内外研究状况和相关领域中已有的成果美国于1959年开发了世界上最早的自动化仓储系统，并在1963年最早使用计算机进行自动化仓储的控制管理。后来德国和日本也相继开发了自动化仓储系统。进入20世纪80年代，自动化仓储在各国迅猛发展，其应用范围也逐渐涉及近乎所有行业。我国在这一领域发展较为缓慢，在1974年才在郑州纺织机械厂建成了全国第一座自动化仓库。20世纪70年代，以发达国家为主导大力推广了商品物流和工业制造的自动化、高速化、信息化。其控制方式也从手动控制转向了自动控制和计算机管理。紧接着自动化移动式机械手或机器人自动拣货、自动导向车和码垛机的应用进一步提升了仓储的效率、自动化和智能性。随着现代工业的进步，柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem），工厂自动化（FactoryAutomation）和计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystems）对自动化仓储提出了更高的要求，搬运仓储技术要具有更可靠更及时的数据反馈，工厂和仓库中的物流信息必须伴随着并行的信息流。扫码技术等技术采集和追溯系统开始应用于这一领域。在经历了以上的发展过程后，自动化仓储进入到智能运输的阶段。自动化仓储控制系统快速发展，其内容涉及到智能控制下的仓储管理。利用专家系统控制自动引导车等。为了设计更智能化的仓储系统，必须深入研究物件处理和仓储大系统技术。设计和研究方法PLC在现代工业控制中具有关键的控制地位，上文所提到的计算机控制在应用到工业现场有着很多不同的表现形式，例如：工控机、PLC和单片机等。本文选用PLC作为自动化仓储控制系统的主控制器。在现代工业现场，仓储的命令往往是通过数字信号的途径进行传输。PLC在接收到对应的控制信息需要经过编译、扫描和执行来将控制动作的信息传递给外围的码垛机等机械湖南大学毕业设计(论文)第3页设备。外部的机械设备在完成控制动作后将完成信号反馈给PLC，PLC经过输入响应和处理后将更新后的仓储信息重新反馈给上位机，从而实现整个仓储控制过程。该设计的难点在于控制信息的处理：1.对运动时序的把握；2.对仓储情况的实时分析。本文将通过梯形图编程来实现此算法，并以模拟的方法通过测试平台将这一控制系统展示出来。设计过程及研究内容仓储管理的核心控制在于对外围设备的动作控制——利用PLC的运动控制来实现。基于这样的考量，本设计在研究过程中对PLC具有的各类运动控制方法进行了综合分析：一体式PLC的内置定位功能。这种运动控制的特点在于编程简单，各个动作之间不需要执行握手动作。优点是控制简单，缺点是对运动的监控不精确，不能实现完整的闭环控制。模块式PLC的运动定位模块的基本模式。这种外置模块的特点是功能强大，可以实现不同的控制模式：定位控制、转矩控制和速度控制等。利用其基本模式可通过梯形图来完成对多种控制模式的切换，并可以利用时序图对不同阶段的输入进行正确响应。同时系统的每次动作都需要进行握手，从而达到闭环控制的目的。模块式PLC的运动定位模块利用运动流程图。这种控制方法具备上一点的优点：多种模式切换、闭环控制。在此基础上，这种方法更加直观易懂，易于理解和后期修改，编程也十分简单。但是，在实际的仓储控制中，需要很多的控制位来指导外围设备的动作，并由控制位来实现对外围设备接收数据的响应，这种控制方法在这一点上较难实现。分析完控制方法的选取问题，另一个需要研究的方面是—这个自动化仓储控制系统的构成。从工业现场应用的角度来讲，自动化仓储控制系统不仅仅是运算和动作控制，其还应涉及到数据的传输、输入输出信号以及人机交互。确定好这四个方向后，整个系湖南大学毕业设计(论文)第4页统就有了明晰的架构：1.PLC主体（及定位控制模块）；2.扩展IO模块；3.以太网或者串行（并行）通信模块；4.人机交互界面（触摸屏）。通过对具体的研究内容进行列项分析并明确设计过程。本论文便形成了具体的架构和方向，具体的设计实现也伴随着这些问题和方向展开。PLC基本原理及选型PLC概述PLC的定义和发展制造业中采用的生产设备和生产过程的控制，一般都需要通过工作机构、传动机构、原动机以及控制系统等部件来完成。尤其当原动机为电动机时，还需要对电动机的正反转、调速和定位等进行控制。生产中的电气操作和控制部分，称为电气自动控制系统。20世纪60年代，产生了一种设想：能否将计算机通用灵活且功能完善的特点和“继电器—接触器系统”的简单易懂、使用方便的优点相结合，从而制作出一种面向生产过程顺序控制、利用简单的编程语言来实现工业自动化的控制。美国数字设备公司在1969年研究出第一台“可编程逻辑控制器”，该控制机在实际应用中得到了广泛的认可。此后PLC得到了长足的发展，早期的PLC硬件主要由分立元件和小规模的集成电路构成，其虽然采用了计算机技术，但指令系统、软件和功能相对简单。早期的PLC一般仅能进行逻辑运算，同时简化计算机的内部结构和改进可靠性等措施。1980年，美国电气制造协会对可编程逻辑控制器进行了如下定义：“可编程逻辑控制器是一种带有指令存储器，数字或模拟输入输出接口；以位运算为主；能完成逻辑、顺序、定时、技术和算术运算功能；面向生产过程的自动控制装置。”而国际电工协会也在1987年颁布的PLC标准草案中对其进行了定义：“PLC是一种专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子设备。它采用可以编制程序的存湖南大学毕业设计(论文)第5页储器，用来在其内部存储器进行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术等操作的指令，并能通过数字式或者模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。通过以上定义可以了解到：相对于一般意义上的计算机，PLC并不仅仅拥有计算机的内核，其还配置了许多令其能够适用于多种工业控制现场的器件。它实质上市经过了再开发的工业控制用计算机。PLC的功能和应用各类PLC之间的性能和价位具有较大的区别，但大体上的功能较为一致，可分为以下两种。基本功能：逻辑控制是PLC必备的基本功能。本质上说，这是一种以计算机位运算为单位的，按照程序要求，通过对来自外围设备的输入信号进行逻辑运算处理并控制外部设备通断的功能。此外，逻辑控制中常用的代码转换、数据比较与处理等，也是PLC的基本功能。特殊控制功能：PLC的特殊控制功能包括AD/DA转换、温度调节与控制、位置控制和通讯等。这种功能的实现一般需要特殊模块的存在。PLC的应用十分广泛。目前在国内外，PLC已经被应用在钢铁、采矿、水泥、电子、石油、化工、机械制造、汽车、船舶、装卸、环保等不同领域。这些不同领域的应用从功能上化可划分为开关控制、顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理、信号报警和联锁系统等方面。PLC的基本结构及工作原理PLC的基本结构虽然市面上存在的PLC从规格、性能、价位上存在很大区别，但从构成上其大致湖南大学毕业设计(论文)第6页可以分为两类：模块式PLC（图2.1）和一体式PLC（图2.2）图2.1模块式PLC的基本结构图2.2一体式PLC的基本结构湖南大学毕业设计(论文)第7页结合以上的结构图，具体介绍各部分的功能：中央处理单元(CPU)。一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。CPU的主要任务有：控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据。并存人输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能。不同型号的PLC其CPU芯片是不同的，有采用通用CPU芯片的，有采用厂家自行设计的专用CPU芯片的。CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。PLC的功能是随着CPU芯片技术的发展而提高和增强的。存储器。存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。PLC内部的存储器具有两种：1.RAM，可以随时由CPU对其进行读取、写入；2.ROM，CPU只能读取不能写入。一般来说，RAM中多存入用户程序等，而ROM则多载入系统内部数据。输入输出电路。一般说来PLC的输入输出电路分为两种：开关量和模拟量。根据应用场景不同，一体式的PLC多内置10至几十点的内置开关量输入输出电路，而模块式PLC大多不内置开关量或模拟量的输入输出电路，需要添加模块实现该功能。现仅对内置的开关量输入输出电路进行探讨：开关量输入模块（图2.3），开关量输出模块（图2.4）。湖南大学毕业设计(论文)第8页图2.3开关量输入模块图2.4开关量输出模块扩展单元。PLC的扩展单元为模块式PLC的概念，从具体功能进行分类，可分为：模拟量单元、扩展IO单元、定位控制单元、远程IO单元、网络与通讯单元等。模块式PLC可扩展多种不同的扩展单元，从而实现用户自定义的功能和应用场景需求，灵活并能节省成本。湖南大学毕业设计(论文)第9页图2.4扩展单元（基恩士KV系列）湖南大学毕业设计(论文)第10页PLC选型PLC选型的关注点基于不同的应用和客户需求，市场上有着多种不同类别不同定位的PLC可供选择。在这种情况下，通过哪些方面确定该如何选取指定型号的PLC是一大要点。一般说来，PLC选型时的关注点主要有以下几点：程序容量。目前市面上的PLC主要可分为三类：欧美系、日系、国产。不同系派关于程序容量的定义并不同。以西门子为代表的欧美系用数据量兆（MB），为单位来定义程序容量，多为几至几十兆。以三菱为代表的日系和国产PLC多采用指令步数来定义程序容量，一体式PLC的程序容量在几至几十千步不等；模块式PLC的程序容量在几十至一千多千步不等。通过对程序大小的简要评估来选择对应容量的PLC是选型的重要部分。指令处理速度。由于PLC逻辑控制的特点，其不能像传统计算机那样边运算边存储运算并输出。PLC在扫描梯形图时需要将整个梯形图从上至下从左到右扫描完毕再处理后统一输出状态。这样的程序执行方式使得PLC的CPU对指令的处理速度显得十分关键。目前市面上的PLC的单一指令处理速度在零点几个微秒级别，各厂家的旗舰机型多能达到短至几十纳秒的指令处理速度，而基恩士KV-7000系列和欧姆龙CW系列等的指令处理速度则在1纳秒以下。一般说来，PLC的指令处理速度和价位呈正相关，在选型的时候需要根据实际的应用需求来选择对应处理速度的PLC。可扩展性。PLC选型时其本身的性能并不完全是唯一的绝对因素，其硬件的可扩展性及其对特定外围设备的可支持性也是选型的一大关注点。举例而言：客户的外围设备机械臂可支持PROFIBUS的通讯协议，则实际选用的PLC及其扩展模块必须支持此协议，从而排除了很多厂商的PLC。除了可支持的通讯协议之外，可选的远程IO主站、远程IO从站；可同步控制或最大控制的外部电机轴数；可扩展的最大IO点数等都能作为影响PLC选型的决定性因素。湖南大学毕业设计(论文)第11页本文选用PLC简介本文采用基恩士KV-5500PLC作为核心控制器。此款PLC的特点是容量大、指令执行速度快，在仓储管理系统中，这样的优势有利于在外围机构满足条件的情况下提升生产效率。该款产品的配置参数请见附录1（表1.1）。相对其他竞争PLC，KV-5500具有一个显著的不同：丰富的内置功能。其内置了两轴的高速计数器、两轴的高速脉冲输出、24个内置IO点、视窗、以太网接口以及SD卡卡槽。其中的高速计数器在本次的设计可作为外围电机的定位反馈脉冲的接收端口；高速脉冲输出在初始的设计方案中直接担任了运动控制的控制脉冲发出段（后此方案被否决）；以太网接口可用来接收上位机的控制信息，在本设计中担任了触摸屏的通讯端口。从这些方面可看出，基恩士KV-5500PLC能很好的适应本次设计的要求。HMI基本功能及选型HMI定义人机界面是一种嵌入式系统。广义的人机交互界面是人与计算机之间进行信息传递,交换的重要媒介和对话接口。人机界面可以将计算机内部的信息代码转成人能识别的信息，例如声音、图像等。只要人类和计算机有信息的交流，就必然存在人机交互界面。特定行业中的人机交互界面具有特定的定义和分类方式。在本设计中介绍的是专用的工业控制系统的设备，如基恩士VT3系列工业人机交互界面产品（图3.1）湖南大学毕业设计(论文)第12页图3.1基恩士VT5系列人机界面在工业中，人们常把就用输入触摸功能的人机界面称为触摸屏。实际上，触摸屏仅仅是人机界面的一种硬件体现形式。安装在显示屏前端的输入设备，而人机界面产品则是一种包含硬件和软件的人机交互设备。HMI的功能目前市面上的HMI产品，一般都具有以下功能：控制功能。可以对数据进行显示和监控，将数据以矩形图、趋势图等方式进行直观的显示，用于监控PLC内部的继电器状态和存储器中的数据，直观的反映了工业控制系统的流程。用户可以通过HMI改变PLC内部的状态为、存储器数值，用户可以直接参与到实际的控制过程。显示功能。HMI所支持的色彩从单色到256真色甚至1800万色。丰富的色彩、多种图片格式化的支持，使得制作出来的画面生动形象。HMI含有一定容量的程序存储，使得用户数据的存储和画面的存储更加便捷。通讯功能。人机界面具有多种通讯模式，包括：232/485，USB和以太网等。通过这些通讯模式可与多种设备直接连接，并可以通过以太网简历强大的网络化控制系统。配方功能（数据文件夹）。在工控领域，数据文件夹就是生产一件产品所采湖南大学毕业设计(论文)第13页用的不同配料之间的比例关系。通过配方，可以对PLC内部的数据位和数据进行批处理以适应不同的应用场景或不同的配方需求。本文采用HMI简介本文采用基恩士VT3-V10人机交互界面，选型的主要原因在于适配基恩士KV-5500PLC。同时，VT3-V10支持以太网拓展模块，满足了本设计中的以太网监控网络架构要求。其具体参数请见附录1（表10.2）控制系统设计方案选择鉴于本设计选用的PLC为基恩士KV-5500，其内置两轴的高速脉冲输出，本设计在初期阶段有三种编程方法及方案可供选择。现就各方案进行分析并说明选择结果及选择原因。方案1：内置定位运动控制KV-5500内置两轴高速脉冲输出，最大输出脉冲为100Khz（集电极开路）。在实际的应用中，需求的脉冲数如超过此范围可用脉冲齿轮比来补偿。本方案的基本思路是（见流程图4.1）：利用内置定位配置窗口，选取定位点控制模式（见图4.2），选取16个点（对应模拟仓库的16个存储点），设置对应的点参数（定位坐标）用于X轴的定位参数设定；同样的方法设定好Y轴的定位参数。配置好原点传感器、正负限位开关输入，脉冲输出方式等系统参数。在定位开始前清零所有可能相关的数据存储器区域数据。执行原点复归，使得外置的XY轴步进电机在限位开关和原点传感器的作用下回到原点。湖南大学毕业设计(论文)第14页将X轴执行点存储区域置1，执行X轴第一点的定位，利用X轴定位完成信号的上升沿触发Y轴第一点的定位，同时将X轴定位点存储区域数值加一；利用Y轴定位完成信号的上升沿触发X轴第二点的定位，同时将Y轴定位点存储区域数据加一。由此循环直到完成16点的定位。配置系统参数清零存储区数据执行原点复归执行X轴定位配置系统参数清零存储区数据执行原点复归执行X轴定位X轴定位完成存储区数值>=16?X轴存储区域数据加一，执行Y轴定位否是结束定位并输出信号Y轴定位完成Y轴存储区数据加一湖南大学毕业设计(论文)第15页图4.1图4.2此方案具有编程简单，不用对定位等指令进行置位再复位的握手动作。但是这个方案也具有以下缺点：无法很好的得到反馈信息。PLC内部的定位等指令发出后没有对应的内部指示位或外部指示位来确认其已动作完毕。只能采用X轴先完成定位，Y轴再执行定位的直角动作模式，在定位中可湖南大学毕业设计(论文)第16页能会产生振动。对于任意点的存入取出较难实现。方案二：利用KV-MC40V定位模块图4.3相对于内置定位，KV-5500适配的MC-40V定位模块（图4.3）功能更为强大和全面。MC40V可同时控制4轴电机，最大输出脉冲为4兆赫兹（差分驱动）。可以完成：同步控制、凸轮曲线、直线插补、圆弧插补等动作模式。同时，MC40V可外接手动脉冲发生器（KV-MX1），从而实现示教、手摇轮等功能。图4.3MC40V的设定数据（图4.4）等不是存储在内置的存储区内而是存储在模块的缓存中，与此同时，为了使得模块的控制动作受到CPU控制，CPU发给MC40V的动作指令一般都要经过握手。这样的握手动作很大程度上提升了动作的可控性和精确性。方案二的设计思路是设定32个定位点（16个有效点，16个无动作点）。通过对仓储情况的判定，来决定执行的是有效定位点或无动作点。同时利用MC40V的直线插补模式，使X轴与Y轴协同动作。具体的设计方案流程图、编程实现等将在下一节体现。图4.4湖南大学毕业设计(论文)第17页相较于方案一，方案二具有以下优点：有多种动作模式可供选择，例如用直线插补避免抖动，利用圆弧插补实现避障，利用凸轮曲线和同步功能完成多轴的协同动作。这样的动作模式也减少了编程量。动作多具备信号位。MC40V扩展模块的特点使得其的动作执行会有对应的信号位来表征时序，这样的信号位可以用来确认动作的执行到位与否，也可以用来控制外围的设备如机械臂等进行对应的动作。拥有独立的缓存区，在运行期间，如果系统参数如运行速度、定位坐标等要进行临时修改，可通过向缓存区写入对应的更改数值或位，从而使得运行过程更加的柔性化。不易产生时序上的混乱，可通过各个控制位、标志位来保证不出现时序错误。在对比两种方案的优缺点并进行实际的操作测试后，本设计采用方案二来完成控制系统的编程。方案设计及编程实现方案设计思路与流程图本设计主要分8大模块来实现这一自动化仓储控制系统的设计。它们分别是：1.原点复归与就绪；2.直线插补模式点编号判定；3.圆弧插补模式点编号判定；4.成批读写；5.基本定位；6.速度倍率控制；7.当前坐标显示；8.点状态判定。设计的思路是：动作就绪—判定仓储情况—判定指令—选择控制模式—执行定位—附加功能（速度控制及坐标监控）。接下来将从这8大模块来详细阐述系统功能的实现，并将适当的模块以流程图的形式描绘出来。原点复归与就绪。由于外部所采用的模拟码垛机为两轴的步进电机，其作为控制电机的一大特点是开环控制，因而在所有的动作指令之前需要进行原点复归湖南大学毕业设计(论文)第18页以确保电机处在初始位置。MC40V作为扩展模块在启用的时候需要进行使能，同时可能会用到的点参数存储区等都需要在上电之前对其进行清零以避免误操作，这些统称为就绪动作。除此之外，如果外部接入的是伺服电机则还需将伺服ON信号输出置位。直线/圆弧插补模式点编号判定。本设计为码垛机设计了两种运动模式即直线插补和圆弧插补，这两种模式都需要处理的一大问题是基于仓储情况的定位控制，此问题也是本控制系统的关键算法之一。在设计时，采用两个存储区域分别来存储当前的指令情况和实际的仓储情况。将其具象成下图两个4X4点阵（表4.1）：1314151613141516910111291011125678567812341234表4.1左侧为控制信息（按键）右侧为仓储信息（库存）需要进行判定的场景举例说明：1.按键1ON而存储槽1内没有物件，则执行存入动作；2.按钮1ON而存储槽内有物件则不执行存入动作；3.按钮1OFF而槽内无物件，不执行取出动作；4.按键1OFF而槽内有物件，则执行取出动作。实现方式：对于1、4场景利用异或门来实现，同时需要对存入或者取出动作进行判定，若条件导通则执行对应的实际定位点。对于2、3场景利用同或门来实现，若条件导通则执行对应的无运动定位点。在进行对于圆弧插补和直线插补模式的切换，需要有一个常闭的继电器来进行区分。若处于直线插补，则执行直线插补的定位点判定；若执行圆弧插补则需湖南大学毕业设计(论文)第19页另外执行圆弧插补的定位点。成批读写。成批读写的功能十分简单，即批量的将按键置ON或者置OFF从而实现批量的读写功能。基本定位。基本定位是对任意单点或者多点存储的动作判定和实际指令执行。在进行多点存取时会出现以下场景：1.槽1槽2都执行动作，则在槽1的定位动作完成后执行槽2的定位动作；2.槽1无需动作而槽2需要执行动作时，槽1执行无动作定位点，然后槽2定位。实现方法：当定位开始请求发出后对槽一的动作为无动作定位或实际动作定位进行判定，判定完毕后再将定位控制开始继电器置ON；利用定位完成信号来触发下一点的定位，同样对其实际的定位与否进行判定并执行对应的定位点。在一个控制周期中只完成1个点的定位控制，而16个槽点不管是否需要动作都要执行定位开始指令，其区别在于执行的到底为实际定位点还是无动作定位点。点状态判定。在执行完定位后要对仓储状态进行刷新，例如向槽1存入物件后则需要将其状态改为有物件，从而防止重复存入。由于本设计无论是否进行存取动作，每个槽点都要执行定位开始指令，因而仓储状态的刷新不能简单的通过定位完成信号来判定，需要结合执行的到底为无动作点还是实际动作点以及采取的是存动作还是取动作进行综合判定。具体实现方法见图4.5湖南大学毕业设计(论文)第20页点1定位完成点1定位完成点1按键ON点1按键OFF执行实际定位点执行实际定位点执行无运动定位点复位点1状态置位点1状态复位点1状态图4.5速度倍率。应对不同的应用场景，其对速度的要求可能不一致。同时，在运动执行中可能需要进行速度调整和示教调整。因而本系统加入了运动中更改速度的功能，使得运行速度可以在正常速度的0%~200%范围能调整，调整选项将在HMI上显示。实现方法是利用速度倍率指令结合区间限制完成。当前坐标显示。方便用户对目前的动作进程进行监控，实现方法是将XY轴当前坐标在每个扫描周期移动到对应的存储区。方案设计的编程实现本设计将方案的八大模块分作8个每次扫描执行模块来编程实现。现将每个具体模块的核心梯形图罗列如下：湖南大学毕业设计(论文)第21页原点复归及就绪：直线/圆弧插补模式点编号判定：湖南大学毕业设计(论文)第22页成批读写：基本定位：在编写基本定位梯形图之前，首先要对系统的参数进行配置，包括直线插补下的定位点参数、无运动的定位点参数以及圆弧插补下的定位点参数（见图4.7，4.8，4.9）：图4.7无运动定位点参数设定湖南大学毕业设计(论文)第23页图4.8圆弧插补模式图4.9圆弧插补模式时的半径设定湖南大学毕业设计(论文)第24页湖南大学毕业设计(论文)第25页湖南大学毕业设计(论文)第26页点状态判定：速度倍率湖南大学毕业设计(论文)第27页当前坐标人机交互界面设计HMI与PLC的通讯本设计所选用的HMIVT3-V10具有三种通讯模式：PORT2PLC链接端口（基于RS232协议），PORT3通用9针RS232通讯口，以太网接口。RS232协议的特点是一对一的通讯，相对于以太网来言，其不能构建起有效的通讯网路，因此本设计选用以太网接口，并将KV-5500的以太网端口配置为KVstudio模式—与电脑及VT3系列的连接模式。湖南大学毕业设计(论文)第28页人机交互界面布局及与PLC的关联在上一章中已经系统阐述了自动化仓储控制系统的设计及实现的功能。这些功能的控制及显示需要通过人机交互界面来显示，其具备的功能是：4X4按键，4X4仓储状态指示灯，原点复归请求按键，执行定位按键，直线插补模式按键，圆弧插补模式按键，速度倍率控制及当前速度显示。这些功能对应的指示灯、数值显示、按键等要和PLC内部对应的继电器状态、存储区数值相关联。基于这样的要求，人机交互界面可绘制如图5.1图5.1图中的按键控制区域各点与实际的PLC内部继电器相关联，余量显示的指示灯则与PLC内部每个物件槽点存储状态继电器相关联。速度倍率通过两个按键进行上下调湖南大学毕业设计(论文)第29页整并在右侧的数值显示中进行显示。最后，不同控制模式的切换以及动作的执行都以左下角的按键形式具象的显示出来，方便用户操作，整个画面以PLC内部继电器寄存器的关联性进行显示的情况如下图（图5.2）图5.2模拟机测试按照设计方案，搭建了模拟测试平台。平台由一台基恩士KV-5500PLC，一台KV-MC40V定位控制模块，一台VT3-V10人机交互界面以及两轴步进电机（模拟码垛机）构成（图6.1）。测试的流程是：1.执行原点复归动作；2.执行批量写入动作，检测16个槽点的指示灯是否按顺序点亮以及步进电机的运行路径；3.执行批量取出动作，检测16个槽点的指示灯是否按顺序熄灭以及步进电机的运行路径；4.执行任意多点的取出湖南大学毕业设计(论文)第30页动作，检测对应动作时的电机运行路径、是否全部执行到位及是否干扰到其他点的仓储情况；5.切换至圆弧插补模式，执行任意多点的存入，检测电机路径是否为相应圆弧，检测本已有库存的点是否存在重复存入现象；6.在执行定位的过程中增大速度倍率，观测是否有速度变化，减小速度倍率至0，观测电机是否停止动作。图6.11.VT3-V10触摸屏2.KV-5500PLC3.XY平台4.MC40V定位控制模块实机测试的结果完全满足以上流程的检测要求，并形成操作视频，个点之间的执行间隔在毫秒级别，能很好的应对多种应用场景。结论经过思路规划、方案设计、编程实现以及实机测试。本设计所实现的自动化仓储控制系统利用PLC的逻辑控制功能，具有应用场景广泛、延迟少、响应时间快、柔性控制等特点。在后期的拓展中，可将步进电机换做伺服电机从而进一步提升系统的精度。本系统特有的仓储情况/点状态判定、直线插补去抖动和圆弧插补避障等功能在满足基本定位的基础上实现了更多基于实际应用的功能提升。同时整个系统采用工业用PLC以湖南大学毕业设计(论文)第31页及工业用HMI，稳定性好、环境抗性高。总体而言本设计具有实际应用的导向性，能应用于工业现场。通过本设计，我学习了PLC的逻辑控制功能和定位控制功能，在设计的工程中遇到的多种问题：时序混乱、状态判定错误等问题也使得我对于数电的相关知识有了更加深入的了解。实机的接线和测试提升了我的现场排错能力，例如：原点复归错误时检测正反向限位开关以及原点传感器是否正常动作等。这些实际的操作也是必不可少的，因为理论需要与实际相结合。于此同时，在设计中我也意识到学习是永无止境的。从小的方面而言，对PLC的应用上尚有很大一部分的功能可以涉猎例如MODBUS通讯、模拟量控制等。从大的方面而言，整个工业自动化领域有着无尽的知识等待我们去汲取。致谢本设计是在张小刚老师的指导下完成的，在此向他表示真心的感谢。张老师在整体设计上为我指明了方向，对于