仓库机械手plc设计本科课程设计

绪论1.1选题背景世纪后半期，随着计算机、材料、自动控制等技术的发展，制造业也获得了蓬勃的发展，新的加工、制造概念和方法层出不穷，如 CNC、CAD、CAM、FMS、CIMS、ERP、并行工程、敏捷制造等等。这些先进的制造技术改变了传统的制造模式，大大提高了企业的竞争能力。先进制造技术是传统制造技术与基础科学、管理学和工程技术等领域的最新成果、理论、方法有机结合产生的适应未来制造的前沿技术的总称，具有综合性、系统性、创新性、可持续性等特征，成为集机械、电子、信息、材料和管理等学科于一体的新兴交叉学科。1.2可编程控制技术教案现状在先进制造技术日益发展的情况下，可编程控制技术（ PLC）已经成为先进自动化制造系统中一项非常重要的技术。因此，可编程控制技术也已成为机械制造专业方向非常重要的专业课。同济大学职业技术教育学院机械工程及其自动化专业也开设了相关的课程。然而，可编程控制器的特点决定了这些课程技术实践性非常强，其程序的验证只有结合被控制对象才能实现，因此，在教案过程中，实验环节非常重要。而实物被控对象一般都有体积大、价格昂贵、维护困难的特点，所以大部分学校都因为受资金、场地、设备等因素的制约，只购买一些简单的实验箱或者功能单一的可编程控制器，或者只配备一套实验系统。为了克服这些困难，目前国内外部分学校已经开始尝试采用一种基于计算机仿真技术的实验方法，通过计算机仿真软件模拟其自动控制过程。1.3基于教案现状的课题研究目的基于上述我们在相关专业课程里遇到的实际操作困难，本课题利用德国 SL公司开发的MSM-2102 软件，在计算机上构建一套由高架立体仓库和三轴运动机械手等组成的毛坯零件搬运单元。在了解柔性制造系统（ FMS）中毛坯零件的仓储、搬运的特点的基础上，采用德国西门子S7可编程控制器进行控制，编制出相应的 PLC程序，然后进行仿真模拟，从而实现自动化生产过程的模拟仿真。一方面，通过这种模拟仿真不仅可以在教案过程中让学生非常直观地查看控制过程，更容易地理解编程的方法，而且还可以提高学生编程和调试的能力，以培养我们的工程研究与开发的能力。另一方面，对于我们职教师资工程的学生来说，还可以深入地体会到用工程教案法与模拟仿真方法相结合，构建复杂工作环境的教案方法带来的优势。综合上述因素提出了本课题。1.4研究内容和研究方法1.4.1课题构思本课题要求在了解柔性制造系统（ FMS）中毛坯零件的仓储、搬运的特点的基础上，利用德国SL公司开发的 MSM-2102软件在计算机上仿真构建一套由高架立体仓库和三轴运动机械手等组成的毛坯零件搬运单元，采用德国西门子 S7可编程控制器进行控制，编制出相应的 PLC程序，然后对编制的程序进行调试、模拟运行。这样一来，通过对实际工程的仿真模拟，操作者简单形象地了解了PLC控制过程，掌握编程方法，培养了工程研究与开发能力。1.4.2研究内容（1）熟悉并掌握德国 SL公司提供的 MSM-2102软件和可编程控制器编程语言 STEP7。（2）了解柔性制造系统（ FMS）中毛坯零件的仓储、搬运的特点。（3）利用德国 SL公司提供的 MSM-2102 软件搭建一个能存放 20个毛坯零件的高架立体仓库，一个能三轴运动的机械手、一个带紧停按钮的操作面板、若干个毛坯零件等组成的毛坯零件搬运系统，连接输入、输出信号线，并设计控制流程图。如图所示：图1.1系统搭建界面4）用编程语言STEP7编制相应的PLC控制程序，并利用仿真手段对该系统进行调试，以得出最终控制程序。1.4.3研究方法本课题的研究主要采用系统研究和实验研究等方法。（1）系统研究利用系统研究的方法了解柔性制造系统（FMS）中毛坯零件的仓储、搬运的特点，分析研究零件在仓储、搬运中将要碰到的技术问题，以帮助设计控制流程图和编制PLC控制程序。（2）实验研究利用德国 SL公司提供的 MSM-2102软件，搭建上述的控制系统的硬件设备并连接输入、输出信号。用可编程控制器编程语言 STEP7编制相应的 PLC控制程序，并利用仿真手段对该系统进行调试并最终得出控制程序。此过程即实验研究过程。2可编程控制技术1969年美国数字设备公司（ DEC），研制出世上第一台 PLC，并在 GM汽车生产线上应用成功。国际电工委员会（ LEC）于1982年11月和1985年1月对PLC定义为：可编程序控制器ProgrammableLogicalController，简称PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。多年来，可编程序控制器从其产生到现在，实现了从接线逻辑到存储逻辑的飞跃，功能由弱到强，实现了从逻辑控制到数字控制的进步。在半导体技术、计算机技术和通信技术高速发展的今天，PLC在模拟量的处理、数字运算、人机接口和网络等各方面的能力都已大幅度提高，成为工业控制领域的主流控制设备并且应用的越来越广泛，在各行各业发挥着越来越大的作用。2.1由继电器到 PLC的变革在现代工业设备及自动化工程中，我们会遇到大量的开关量、脉冲量以及模拟量等控制装置。如电机的启动与停止，电磁阀的开闭；工件的位置、速度、加速度等的测定；产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等。早期的控制系统是用导线将各种继电器、定时器、接触器及其触点按照系统要求的逻辑关系连结起来组成的，这就是60年代以前在工业控制领域广为应用的继电接触器控制系统。它的优点是结构简单，易于掌握，价格便宜。继电接触器控制系统基本上能够满足一些工作模式简单而固定的工业场合的控制要求。图2.1三相异步电机正反转继电器控制原理图但是继电器接触器控制系统通用性和灵活性不够，如果控制系统中某个继电器出现故障，可能会造成个控制系统运行不正常，检修起来也很不方便。为了克服这些弊端，世界上各国研制出了可编程序控制器取代继电器控制，其可靠性、抗干扰性等诸因素是继电器无法比拟的。随着计算机技术的不断发展，它给工业自动化带来了革命性的变革。这个变革是由继电器控制到计算机控制的飞跃。图2.2三相异步电机正反转控制梯形图2.2PLC的特点PLC的特点是：①可靠性高，抗干扰能力强；②配套齐全，功能完善，适用性强；③操作简单，易学易用，深受工程技术人员欢迎；④系统的设计、建造工作量小，维护方便、易于改造；⑤体积小、质量轻、功耗低。2.3PLC国内外发展虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步， PLC也迅速发。其发展过程大致可分三个阶段：（1）早期的 PLC(20世纪 60年代末一 70年代中期)一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义。其主要功能一般只用于单一工序的自动控制。它在硬件上以准计算机的形式出现，在 I，O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式

——梯形图。因此，早期的

PLC

的性能要优于继电器控制装置。其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。（2）中期的PLC(20世纪70年代中期一80年代中后期的变化。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为

)微处理器的出现使PLC

PLC发生了巨大的中央处理单元(CPU)。这样，使

PLC

功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程 I／O模块、各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使 PLC应用范围得以扩大。（3）近期的 PLC(20世纪80年代中后期至今 )进入20世纪80年代中后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的 PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高 PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片，这样使得 PLC软硬件功能发生了巨大变化。跨入 21世纪后，就整体而言，不论是硬件还是系统软件 (专用操作系统、编程语言 )，以至于联网通信， PLC正在向标准化方向发展，以谋求在 ERP、MES和PCS的3层体系结构中立于不败之地，更好地满足工业生产。管理及经营系统不断追求降低成本，快速响应，综合和整体高效，从而增强产品竞争力的要求。我国可编程控制器的引进，应用，研制，生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF系列，杭州机床电器厂生产的 DKK及D系列，大连组合机床研究所生产的 S系列，苏州电子计算机厂生产的 YZ系列等多种产品已具备了一定的规模，并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司、南京嘉华公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC生产厂家。虽然我国在PLC生产方面还比较弱，但在 PLC应用方面，我国是很活跃的。近年来每年约新投入 10万台套PLC产品，年销售额 30亿元人民币，应用的行业也很广。可以预期，随着我围现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。2.4PLC的应用2.4.1根据IO点数分类PLC系统可以分为大型、中型、小型和微型。大型 PLC系统不少于 1024个IO点，主要用于冶金自动化生产线和电厂。目前有超过 8000个IO点的巨型 PLC系统在电厂运用。中型 PLC系统有

256—1023个

IO

点，主要用于冶金、电力、造纸、化工、加工

/组装生产流水线、包装流水线等领域。小型

PLC系统有

64～255个

IO

点，主要用于设备控制，也有用作小型系统控制器的。微型

PLC

系统的

IO

点少于

64个，它主要用于单台设备的监控，在纺织机械、数控机床、塑料加工机械、小型包装机械上。2.4.2根据PLC的应用领域分类PLC是以自动控制技术，微计算机技术，和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置。随着微处理器技术的发展， PLC得到了迅速的发展，也在社会各领域的生产中得到了越来越多的应用。目前，PLC的应用领域包括：通用和专用机械，机床与工具，汽车制造，立体仓库，过程控制，控制与装置仪表，控制设备制造，环保及文化娱乐等各个行业。并且还在向其它领域延伸。使用情况及分类如下。（1）开关逻辑量控制这是 PLC最基本最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机，印刷机，订书机械，组合机床，磨床，包装生产线，电镀流水线等。（2）工业过程控制在工业生产中．存在一些连续变化的量 (即模拟量)如：温度，压力，流量，液位，速度等。PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有广泛的应用。（3）运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量 I／模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）数据处理现代

PLC

具有数学运算

(含矩阵运算，函数运算．逻辑运算

)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统．如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸，冶金，食品工业中的一些大型控制系统。（5）通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的

PLC

都具有通信接口，通信非常方便。2.5PLC

的应用前景PLC

未来的应用前景分为以下几个方面：（1）人机界面将更加友好PLC

制造商通过收购或联合软件企业或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数

PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形人机友好的控制系统，目前，

PLC+网络+IPC+CRT

的模式被广泛应用。（2）网络通讯能力大大加强PLC厂家在原来

CPU

模板上提供物理层

RS232／422／485接口的基础上．逐渐增加了各种通讯接口．而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。例如：罗克韦尔

A—B公司主推的三层网络结构体系，即EtherNet，ContmlNet，DeviceNet。西门子公司在Pm胁us—DP及Pmfibus—FMS网络等。（3）开放性和互操作性有很大发展PLC在发展过程中，各 PLC制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面。各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞争的过程，并且这一过程还在继续。虽然PLC开发上各种工具仍不兼容，但基于这些标准的开发系统，使用户在应用过程中，可以较方便地适应不同品牌的产品。

OPC基金会推出了

0PC(OLEforProcessContml)

标准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过

OPC

一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。目前，多数

PLC

软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具有了

OPC功能。OPC与现场总线技术的结合，是未来控制系统向FCS技术发展的趋势。为了使PLC更具开放性和执行多任务，可以在一个PLC系统中同时装几个CPU模块，每个CPU模块都执行某一种任务。例如：三菱电机公司的小

Q系列

PLC

可以在一个机架上插

4个

CPU模块。4）功能的进一步增强随着应用范围越来越广泛，PLC的网络能力，模拟量处理能力，运算速度，内存，复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越多地应用于过程控制方面。有人统计，除石化过程等个别领域， PLC均有成功地应用。 PLC在相当多的应用取代了昂贵的 DCS，从而使原来 PLC(顺序控制)+DCS(过程控制)的模式变成 PLC+IPC模式。综合以上所述，PLC以其结构紧凑、可靠性高、功能强、速度快、价格低等优点不管在现在还是在未来的工业自动化领域中都将发挥其不可替代的作用。它将推动整个工业领域的发展，为再次科技革命的到来奠定坚实的基础。3基于PLC的高架立体仓库在自动化制造系统中，物料流的自动化是非常重要的一个组成部分。如何对毛坯零件和成品零件进行分类管理和仓储已成为大家热点研究的内容之一。高架立体仓库作为现代物流系统中的一个重要组成部分，是一种多层次存放货物的仓储系统。它是把计算机与信息管理和设备控制集成起来，能按照控制指令要求自动完成货物的存取作业，并能对库存的货物进行自动管理，达到仓储技术的全面自动化。因此，高架立体仓库也是企业管理现代化的重要手段之一。近年来，自动化仓库在我国得到快速发展，高架立体仓库的需求越来越大。3.1高架立体仓库介绍高层货架仓库简称高架仓库，一般是指采用几层，几十层乃至几十层高的货架存储单元货物，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存储货物，故形象的将其称为“立体仓库”。立体仓库是由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库托盘输送机系统、尺寸检测条码阅读系统、通讯徐、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理以及其他如无线电缆桥架配电柜、托盘、调节平台、钢结构平台等辅助设备组成的复杂的自动化系统，运用一流的集成化物流理念，采用先进的控制、总线、通讯和信息技术，通过以上设备的协调运作，按照用户的需要完成货物的自动有序、快速精准、高效的入库出库作业。自动化高架立体仓库技术的特点： (1)高速化。高架立体仓库的主体设备的运行速度每年都在提升，目前其水平运行速度最大可达 400M／分，垂直速度达 100M／分；复合作业循环时间由1522次／时，提高到50～70次／时。(2)准确化。由认址片加旋转编码器定位，到部分采用旋转编码器加激光定位，使定位精度从+10毫M，提高到+3毫M。驱动由传统的调速技术发展为内置嵌入式计算机的矢量变频调速技术，从而获得更佳启动停止曲线罔，减少循环时间，获得更佳启动扭矩。通信方式从有线、电磁感应已过渡到红外无线通信技术，未来蓝牙技术有可能成为新的热点。货位虚实探测技术已开始应用无线摄像传输技术。机上控制技术已开始采用现场总线技术代替专用硬软件，便于与上位机兼容联网。3.2高架立体仓库的发展及功能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， 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年代初期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，称为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。表3.1日本1989-2004年高架库销售简况表3.21989-2004年日本高架库建设简况我国对自动化立体仓库及其物料搬运设备的研制并不晚， 1963年研制成第一胎桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所）， 1973年开始演示我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高 15M，机械起重所负责），该库 1980年投入使用。到 2003年为止，我国自动化立体仓库数量已超过 200座。立体仓库由于其很高的空间利用率，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特点，已成为企业物流和生产管理不可或缺的仓储技术，越来越受到企业的重视。与传统的货物仓库相比，自动化仓库具有许多突出的功能，主要包括以下四个大方面：大大提高空间利用率，应用先进物流系统优化企业生产管理，加快货物存取，减轻劳动强度，提高生产效率，减少库存资金积压。使用立体仓库还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，使得存储区大幅度向高空发展，提高了空间利用率。自动化立体仓库采用层级式存放，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。通过自动化存储系统，加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，减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确保无误的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水平。图3.1立体仓库控制系统总体结构图3.3高架立体仓库的关键技术3.3.1自动化仓库的自动寻址立体仓库的自动寻址就是寻找存放、提取货物的位置。计算机控制的自动化仓库都具有自动寻址的功能。在同一巷道内的货位地址由三个参数组成：第几排货架，第几层货格，左侧或者右侧，当自动化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，运行中，安装在堆垛机（或机械手）上的传感器不断检测位置信息，计算判断是否到位。3.3.2自动识别系统AS/RS的货物管理基本是技术是对货物进行自动识别和跟踪，自动识别是指在没有人工干预的情况下对物料流动过程中的某一活动关键特性的确定，每一关键特性都与生产活动有关，这些关键特性包括产品的名称，数量，设计，质量，物料来源，目的地，体积，重量和运输路线。这些数据被采集处理后，能用来确定产品的生产计划，运输路线，路程，库存，存储地址，销售生产，库存控制，运输文件，单据和记账等，货物信息可以通过声，光，磁，电子等多种介质获取，具体实现时，是在生产的关键部位配备自动识别装置，将每一处所获取的信息经过计算机网络系统传输，并经行统一处理，从而实现整个生产过程中对物料的信息跟踪。现代生产物流系统中，广泛采用条形码自动识别技术，这是因为条形码具有读取快，精度高，使用方便，成本低，适应性好等优点。3.3.3控制系统控制系统是自动化仓库运行成功的关键，没有好的控制，系统运行成本就会很高，而效率很低，为了实现自动运转，自动化仓库内使用的各种存取设备和输送设备本身必须配备各种控制装置。这些控制装置种类较多，从普通开关和继电器，到微处理器，单片机和可编程控制器，根据各自的设定功能，速度控制，货叉控制以及方向控制等。所有这些控制器都不许通过各种控制装置去实现。控制系统对搬运设备 ,运输设备进行自动控制，他是自动化仓库的核心部分之一，直接关系到仓库作业的正常经行，因此，控制系统中所采用的材料，设备，传感器和元件都应该采用可靠性高，寿命长，易于维护和更换的产品，否则将存在安全隐患。堆垛机的控制现多采用模块化控制方式，驱动系统议案为交流电机，无级调速。这种方式技术成熟，应用广泛，既能实现堆垛机的高速运行，又能平稳进行停车对位。在控制系统中，还应采取一系列自检和连锁保护措施，确保在工作人员操作错误时不发生事故。对机械及电器故障进行判断，报警和向主机系统传递故障信息。控制系统应能适应多种操作方式需要。3.3.4监控调度系统监控系统是自动化仓库的信息枢纽，是实现自动化仓库实时控制的重要组成部分。它在整个系统中起着举足轻重的作用，负责协调系统中各个部分的运行。自动化仓库系统使用了很多运行设备，各设备的运行任务，运行路径，运行方向都需要由监控系统来统一调度，监控调度系统根据主机系统的作业命令，按运行时间最短，作业间的合理配合等原则对作业的先后顺序进行优化组合排队，并将优化后的作业命令发送给各个控制系统，对作业进程，作业信息及运行设备进行实时监控。3.3.5计算机管理系统计算机管理系统是自动化仓库的指挥中心，相当于人的大脑，它指挥着仓库中各个设备的运行，它主要完成整个仓库的作业管理和账目，并负担着与上级系统的通信和企业信息管理系统部分任务，自动化仓库的信息管理是基于现代信息管理理论和现代控制理论而创立的一个分支，对于一个自动化仓库来说，它可以是独立的，但对于一个企业，它又是其管理信息系统MIS）的一个子系统。它不仅对信息进行处理，也对物流进行管理，集信息流和物流于一体，是现代化企业的核心。自动化仓库管理系统的主要功能是对仓库所有入，出库活动进行最佳登录和控制，并对数据进行统计分析，以便能使决策者及早发现问题，采取相应的措施，最大限度地降低存量，加快货物流通，创造经济和社会效益。3.4基于PLC的高架立体仓库由PLC控制的高架立体仓库工作流程的全过程，充分体现了 PLC的优点。随着科学技术的发展，PLC技术越来越多地应用到各种实际生产领域。在集成化、智能化的生产系统理念下，自动化高架立体仓库的货物存储全面使用 PLC技术，使运行加速、操作准确，从而全面提升了企业的综合竞争能力。提高了企业总体效益。3.4.1采用PLC控制立体仓库的优点(1)低成本 利用电力线上网，最大的优点就是成本低。由于利用电力线上网，直接使用现有电力网就可以实现通信，而不需要另外铺设电话线、光电缆等，大大地减少了在基础网络上的投资。(2)范围广无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。因为家家都有电力线，由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一个家庭.因此，这一技术一旦进入商业化阶段，将会促进电信市场的变革，并给互联网普及带来极大的发展空间。(3)高速 利用电力线上网能够提供高速传输。德国最大的电力设备生产商他们的电力线上网技术，其速度要比 ISDN拔号上网快 30多倍,比ADSL

RWE承诺，运用更快！足以支持现有网络上的各种应用。更高速率的 PLC(4)便捷 不管在家里的哪个角落

产品正在研制之中。,只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有

PLC带来的高速网络享受！(5)永远在线(6)结构灵活

PLC属于"即插即用通过PLC技术实现

"，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络！Internet接入，可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率。目前还未有效解决电力线信号通过变压器的技术，因此，电力线通信设备都是集中在220V线路变压器的用户端。(7)家庭数字化PLC技术能够通过电力线将整个家庭的电器与网络联为一体，在室内的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网，使人们能够通过网络来控制自己家里的电器设备。3.4.2PLC机械手同时，在自动化生产领域中，机械手是近几十年发展起来的。其特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。采用 PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现，可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。此外，PLC机械手能满足机械手的手动、半自动自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求。在生产中应用广泛，是企业自动化设备的重要标志之一。图3.2正在运行的机械手目前，由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点．已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。气动机械手基本由气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。本课题构建的三轴运动机械手安装在一个四层高架立体仓库上，其X、Z轴方向的运动采用电机控制，Y轴和手爪的运动采用气动控制，用于对毛坯零件的定位、抓取和搬运工作。MSM软件介绍4.1SL系统概论机电一体化系统 “SL-MSK2100”的思想建立在自动化技术领域多年的经验基础上，并引入了最新的BIBB发展方向以满足机电一体化工程师的需要。 SL“机电一体化系统 21xx”特性是模块化，所应用的是集成的组件：SL硬件模块、SL联接模块和SL软件模块。尤其在教案和培训领域中可演示自动化技术的相互关系，具有很高的应用价值。图4.1SL系统一览表SL系统可以通过仿真的教案过程来演示复杂的系统，对自动化技术 /控制技术/机电一体化的教案极有帮助。目前SL系统已进行连续的、多学科的改进，已极大丰富了职业培训的教案内容，其涉及到机电一体化的关键组件，如自动化技术领域、计算机技术领域和生产过程组织领域，被特别得到关注。4.2MSM软件模块简介使用机电一体化系统 “SL-MSK2100”中MSM软件模块“SL?MSM21xx”进行工作，既可在屏幕上仿真构造简单的部件，也可构建复杂的、 PC支撑的自动化装置。软件可将涉及各领域的元部件真实地进行仿真，使用者可方便、有效地建立、测试、控制任意仿真的自动化过程，并进行工程开发程序的设计。在模拟时，也可对在真实硬件环境运行时会产生干扰的过程情况进行评价。软件有三个不同的部分：1）MSM2100软件包括带功能部件的模块库，其可在机电一体化基本系统 TMS-2000-B01(机电一体化基本配置)。所有属于该培训系统的执行元件和传感器均可从库中进行调用，以解决自动化、控制技术和机电一体化的任务。（2）MSM2101该软件的效率尤可体现为，几乎每一个自动化技术装置均可从现有的模型库中调用后建立。相对于基本配置(SL?MSM2100)，其扩展配置包括6轴关节机器人、6轴门式机器人、

6轴

Scara机器人，不同的机器人手爪、输送带、存储、刀库、机床、扩展传感器、信号灯和开关元件等元件。3）MSM2102该软件相对于有效的“SL?MSM2101”模块，包括了所有的模型库，以产生典型的自动化过程。该软件的典型特征是使用几何的准确描述和使用原始语言进行编程，来结合工业机器人。为了进行有效的编程，可使用原始操作端作为软件示教。图4.2MSM2102工作界面4.3MSM软件操作步骤用MSM软件仿真模拟一项操作任务时，一般的操作步骤如下：(1)新建一个计划打开软件后，使用界面上下拉菜单

“计划(Z)”下的子项“新建...

可”新建一个计划。它打开一个选择窗口，可选择驱动器和路径，输入名称。类似地，可使用该菜单子项打开一个已有的计划。但在一个外部目录上新建一个计划有一个限制，不在该目录的对象必须使用按钮 “对象接受”导入到主目录中。计划的扩展名必须为 “.BCI”(自动添加)。使用按钮确认将打开模拟窗口 (此时所有为黑色)，在右边打开对象工作的对话窗口和视区窗口。使用视区窗口可优化调整装入对象的视图。(2)硬件的选择和搭建对象编辑的窗口由三部分组成：对象列表、坐标系统和对象定位。使用按钮模拟窗口中展开下拉菜单“对象(O)”：

“对象(O)”可在图4.3下拉菜单“对象(O)”菜单包括下列子项：① 接受：从展开的列表中添加对象。② 参数化...：添加对象大小和属性 (修改长度、宽度、高度、颜色和属性 )的参数化。③ 清除...：从计划中清除添加的对象。④ 复制...：复制所选对象 (在列表中以亮色显示 )，将出现一个输入复制后的名称和偏置的窗口。在对象复制前，必须选择一个已存在的对象，以免产生对象垃圾 (即相同的对象多次放置在相同的地方 )。⑤ 信息...：打开对象输入和输出的窗口。⑥ 删除...：从所有软件中删除对象，而不是仅从计划中删除！使用子项“接受”将打开一个下拉菜单，其包含所有可装入的对象组。可使用下列选项进行接受：①单元：不同的空间、分割空间的墙和方便定位的网格；②仓储：工作台、料箱、容器、支架、刀夹；③可编程控制器：各种带可变的输入/输出地址的自动化装置；④工作站：所有部件、功能单元和制造站的对象库，它们可作为硬件组件使用，因此可直接使用机电一体化联接模块进行控制；⑤附件：操作元件、显示元件和“电气”固定板的对象库；⑥工件：不同的工件组，可用作运输和运送装置的材料流；⑦横向轴：不同的机器人横向轴(在软件“SL-MSM2101”或以上版本)；⑧机器人：不同的机器人类型(在软件“SL-MSM2101”或以上版本，取决于软件的扩充程度)；传感器：不同的传感器；⑩其它等等。(3)在对象间建立信号联接在接受了模拟所需的所有对象后，必须在可编程控制器与执行元件和传感器的输入和输出间建立联接。在实际中可将之与可编程控制器的联线相比较。打开信号联接窗口后，使用回车健或使用菜单“联接”下的子项“新建...可”新建一个联接。这些端口的编址或信号联接的结构见下列步骤：步骤1：选择需联接输出的对象；步骤2：选择需联接的输出；步骤3：选择需联接输入的对象；步骤4：选择需联接的输入；步骤5：输入描述释放动作的备注。图4.3一个信号联接结构的空对话框(4)硬件信号连线的调试在完成计划的结构和形式，产生信号联接列表后，为了检查连线和硬件结构，以免发生接错线、硬件移动时碰撞等问题，可不用可编程控制器程序开始模拟调试。使用者通过 “手动”、“信号”将可编程控制器设置为“停机”状态。通过直接给输入、输出端信号，检查各硬件之间运动及连线。如果发现问题，可以对其进行修改和调试。为清晰显示模拟，建议同时打开模拟窗口、带视区控制的可编程控制器的信号窗口。可使用下拉菜单“手动”下的子项“信号...

中”的可编程控制器栏上调用所装入

PLC的信号窗口。(5)在完成了硬件搭建，建立信号和随后使用模拟进行测试。可使用下拉菜单

PLC的联接列表后，可在 PLC编辑器中编写 PLC程序，“手动(M)”下子项“编辑器...来”调用编辑器。 PLC程序必须包含一个结构模块 Ob_1，也可对功能模块 Fc_1进行调用。(6)软、硬件调试在完成了上述操作之后，可对所编的 PLC程序进行模拟运行，最后对系统进行改进。通过模拟运行，操作者可以检查与调试所编写的程序，并对各硬件再次进行检查与调试。零件搬运系统设计本课题以研究如何对毛坯零件和成品零件进行自动化搬运和仓储为出发点，现使用上述介绍的 MSM-2102 软件仿真构建一套由高架立体仓库和三轴运动机械手等组成的毛坯零件搬运系统。该搬运系统采用德国西门子 S7可编程控制器进行控制。该研究过程按照之前介绍的 MSM 软件操作步骤，依次进行新建计划、搭建硬件、信号联接、硬件信号调试、编程和软、硬件调试，并最终得出符合要求的硬件系统和 PLC程序。5.1系统硬件的选择和搭建5.1.1硬件搭建要求本课题的具体要求是：搭建一个能存放 20个毛坯零件的高架立体仓库，一个能三轴运动的机械手，一个带紧停按钮的操作面板，一个毛坯零件等组成的毛坯零件搬运系统。需要指出的是，在实际工作环境中高架立体仓库上所需要搬运的毛坯零件不只一个，而相关的控制流程和PLC程序将会更加复杂，所以本课题可以作为进一步研究、完善毛坯零件搬运系统的初探。图5.1毛坯零件搬运系统5.1.2系统硬件的选择和搭建在软件界面上选择 “计划”、“对象编辑”，可以进行系统各硬件的选择和搭建。图5.2本课题对象编辑窗口（1）栅格首先，需要搭建一个空间系统容纳其它硬件设备，即搭建一个三维坐标系

——栅格。估算系统所需尺寸，选择一个大小为

2*2m

的栅格。2）SL-参数工作台以2*2m的栅格为坐标系，搭建一个支承高架立体仓库和联接平台的工作台。根据课题具体要求，选择尺寸可调节的 SL-参数工作台。（3）PLC

的选用西门子 S7系列的可编程控制器包括 S7-200，S7-300和S7-400，它们的控制点数由小到大递增。由于本课题研究的立体仓库控制系统中需控制的设备及其输入、输出接口不多， PLC所需的输入输出点数不多，并且考虑到经济性因素，故选用西门子

S7-200的

PLC

足够。因此以

SL-参数工作台作为参考坐标系，选取所需型号的

PLC16IO

放置在工作台上。（4）高层货架仓库工艺站（高架立体仓库）系统拥有仿真的高架立体仓库，即高层货架仓库工艺站。该工艺站结构为四层，每层可放置五个工件，共可以存放20个毛坯、成品零件。同样选取该工艺站放置在工作台上。5）机械手该软件构建的四层高架立体仓库上自带一个三轴运动机械手，搭建工艺站时即已搭建好机械手。该机械手X、Z轴方向的运动采用电机控制，Y轴和手爪的运动采用气动控制，用于机械手的移动和对毛坯零件的抓取、搬运工作。此外，机械手X、Y、Z轴的运动必须有超限位保护，在机械手X、Z轴的中间位置，以及手爪的开合也都设有传感器，用于机械手的定位。机械手前进（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行，各轴的运动速度也可通过设置参数进行调节。（6）工件从工件库里选择一个直径 30mm，高度适当的圆形工件，放置在高架仓库上。（7）连接平台从仓储里选择一个结构合适的连接平台，放置在工作台上。并调节其高度，使机械手在 Z轴往下的极限位置松开手爪时可以安全将工件放置在连接平台上。8）操作面板控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。选择带紧停、开始和停止按钮的操作面板，放置在工作台前方便于操作的位置。本课题选用的立体仓库、机械手和连接平台等主要技术参数见下表：表5.1硬件主要参数PLC型号PLC16IO高架立体仓库层数4每层可放工件数5X/Z轴滑块-传感器-重叠2MMX轴速度Z轴速度机械手Y轴活塞行程3CMY轴活塞-传感器-重叠2MMY轴活塞速度30MM/S直径30MM工件高度连接平台高度42CM5.2信号连接搭建好硬件后，必须对它们进行信号连接，即把各执行元件和传感器的输入或输出接口与PLC的I/O接口相连。按照之前介绍的连线步骤，首先选择操作面板的输出端，依次连接到

PLC

的输入端，使按动绿色按钮时，

PLC

接到指令，系统运动开始；按动红色按钮使之停止；按动紧停按钮，系统急停。选择高架立体仓库的八个输出端，依次连接到

PLC

的输入端，它们分别代表机械手

X、Y、Z轴的极限位置， X、Z轴的中间位置，以及手爪的开合的传感器，用于机械手工作时的定位。选择 PLC的输出端，依次与控制面板的各输入端相连，使工作信号通过 PLC的输出传递到控制面板并以各色显示灯显示出来。再次选择 PLC的输出端，依次与高架立体仓库的各输入端相连，使控制信号通过 PLC传输给机械手，机械手根据控制信号沿 X、Y、Z轴运动，手爪进行开合动作。根据上述 PLC输入输出的控制要求，得出 PLC输入输出 I/O分配，如表 5.2所示：表5.2PLC输入输出I/O分配表输入端输出端PLC地名称PLC地址名称址E4.0控制面板红色按钮A8.0机械手左移E4.1控制面板绿色按钮A8.1机械手右移E4.2控制面板运行模式1A8.2机械手下移E4.3控制面板运行模式2A8.3机械手上移E4.4控制面板紧停按钮A8.4机械手驶出动作E32.0机械手左端传感器A8.5手爪闭合动作E32.1机械手右端传感器A9.0操作面板红灯E32.2机械手上端传感器A9.1操作面板绿灯E32.3机械手下端传感器A9.2操作面板黄灯E32.4机械手已驶出传感器A9.3操作面板白灯E32.5机械手手爪已闭合传感器E32.6X轴工件位置传感器E32.7Z轴工件位置传感器信号联接操作完成之后，在软件界面中显示出最终的信号联接表：表5.3该系统最终的信号联接列表5.3控制流程图5.3.1控制要求分析本课题要求：搭建一个能存放 20个毛坯零件的高架立体仓库，一个能三轴运动的机械手，一个带紧停按钮的操作面板，一个毛坯零件等组成的毛坯零件搬运系统。通过分析毛坯零件搬运过程的步骤、所要解决的技术问题，可得出如下具体控制要求：（1）操作面板操作面板各按钮用于控制整个系统的起停。绿色按钮用于系统的启动，红色按钮用于暂停系统的运转，紧急按钮用于发生故障时紧急停止整个系统。操作面板的绿色灯在搬运系统启动后常亮，输送系统暂停或紧急停止后绿灯灭。红色灯在输送系统暂停时常亮，搬运系统未开始、运行及紧停状态下灯灭。（2）机械手当按动绿色按钮，PLC得到启动信号，通知机械手开始工作。首先，机械手沿X、Z轴方向同时前进，当X轴传感器得到信号1时，即停止X轴方向的运动，同理，当Z轴传感器得到信号1时，停止Z轴方向的运动。这时机械手在XOZ平面对准所要搬运的工件。当XOZ平面定好位置后，机械手沿Y轴方向前进以靠近工件。当Y轴到达极限位置时，传感器信号为1，同时Y轴方向运动停止，机械手手爪由原来的打开状态闭合，抓住工件。为了确保工件被安全地夹取，在夹取步骤后使用计时器T1计时2S，Y轴才开始退回。当Y轴退回到极限位置时，传感器信号为1，并停止Y轴的运动。当Y方向开始退回动作后，为了防止夹取住工件的机械手与高架立体仓库发生碰撞，使用计时器T2计时2S后，X、Z轴方向才开始同时退回。在X、Z轴退回的过程中，当Z轴到达一个中间等待位置时，Z轴方向的运动暂停，等到X轴方向到达右极限位置并停止往右运动时， Z轴方向才开始继续运动，直至下方极限位置时传感器信号为1，不再往下运动。当X、Z轴方向到达极限位置并停止时，机械手手爪松开，放置工件在连接平台上。放好工件后，机械手先后由Z、X轴方向退回到中间等待位置，完成此次毛坯零件搬运的操作。需要指出的是，正如前面所提到在实际工作环境中高架立体仓库上所需搬运的毛坯零件不只一个，而相关的控制流程将会更加复杂，所以本课题如果要作为进一步的研究，可以在机械手完成此次操作过程并回到等待位置后继续搬运其它高架仓库上的毛坯零件，以完善毛坯零件搬运系统。5.3.2绘制控制流程图控制流程图是 PLC程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地编写出语句表或梯形图，最终完成程序的设计。所以，写出流程图是非常关键也是程序设计首先要完成的任务。依据上面所列该三轴运动机械手搬运系统的控制要求，绘制出控制流程图，如图5.4所示。图5.4该任务控制流程图图5.4该任务控制流程图5.4PLC

程序根据该三轴运动机械手搬运系统的控制要求和所绘控制流程图，用

STEP7

语言编制程序。该程序由一个组织模块 OB1和一个功能模块 FC1组成。5.4.1组织模块

OB1CALLFC1//用于调用功能模块5.4.2功能模块 FC1NETZWERK1:UE32.1//在X轴右端UE32.3//在Z轴上端UE4.1//按动绿色按钮SM2.1//置位中间标志器M2.1SM2.5//置位中间标志器M2.5SA9.1//绿灯亮UM2.1//中间标志器M2.1有信号SA8.0//沿X轴向左运动SA8.2//沿Z轴向下运动UNE32.1//不在X轴右端UNE32.3//不在Z轴上端RM2.1//复位中间标志器M2.1UE32.6//X轴方向传感器信号为//UA8.0

1RA8.0//X轴向左运动停止UE32.7//Z轴方向传感器信号为1//UA8.2RA8.2//Z轴向下运动停止NETZWERK3:UE32.6//X轴方向传感器信号为1UE32.7//Z轴方向传感器信号为1UNA8.5//手爪打开//UNA8.0//UNA8.2UM2.5//中间标志器M2.5有信号//UZ1SA8.4//手爪沿Y轴向前驶出//RM2.5NETZWERK4:UE32.4//手爪已经驶出SA8.5//闭合手爪NETZWERK5:UE32.5//手爪已经闭合LS5T#2S//装载延迟接通计时器，计时值2SSET0//T0开始计时2SUT0//计时器T0信号为1RA8.4//手爪沿Y轴退回NETZWERK6:UNE32.4//手爪不在Y轴驶出位置UNA8.4//未驶出手爪UE32.6//X轴方向传感器信号为1UE32.7//Z轴方向传感器信号为1SM2.2//置位中间标志器M2.2UM2.2//中间标志器M2.2有信号LS5T#2S//装载延迟接通计时器，计时值2SSET1//T1开始计时2S//SST1UT1//计时器T1信号为1//UZ1//RM2.2RA8.0//X向左动作复位RA8.2//Z向下动作复位SA8.1//沿X轴向右运动SA8.2//沿Z轴向下运动NETZWERK7:UE32.7//Z轴方向传感器信号为1ZRZ1//计数器Z1减1UA8.2//正沿Z轴向下运动LC#2SZ1 //装载计数器，Z1置数2UNZ1SM2.3//当计数器数值为0，则置位中间标志器M2.3UM2.3//中间标志器M2.3有信号UA8.2//正沿Z轴向下运动UNE32.1//沿X轴未到达右端RA8.2//Z向下动作复位UNA8.2//Z向不再向下运动RM2.3//复位中间标志器M2.3NETZWERK8:UE32.1//X向到达右极限位置//UA8.1UE32.7UNZ1 //Z 向到达等待位置UNE32.2//Z向未到达下极限位置//RA8.1SA8.2 //Z继续向下运动NETZWERK9:UE32.2 //Z向到达下极限位置UE32.1 //X向到达右极限位置UE32.5 //手爪已闭合UA8.5 //正闭合手爪//UA8.2//RA8.2RA8.5 //松开手爪//RT1RM2.2 //复位中间标志器 M2.2NETZWERK10:UE32.1 //X向到达右极限位置U