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

1、郑州大学现代远程教育毕 业 设 计题 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 2013 年春_姓 名 赵青松 _学 号 13088187085 专 业_ 机电一体化_学 习 中 心_石鸡中心_指 导 教 师_完成时间 2015年 1月 20日目 录摘要第 1 章绪论 .11.1论文研究的背景.11.2立体仓库的组成和优越性 .11.2.1立体仓库的组成. .11.2.2立体仓库的优越性.21.3题目目的和意义.2 1.4本设计主要完成的工作.3 第 2 章可编程控制器与 MCGS 的概述.3 2.1可编程控制器的产生、发展及应用特点.3 2.1.1PLC的

2、定义和功能 .32.1.2 PLC的产生和发展 .32.1.3 PLC的特点 .42.2可编程控制器的基本组成.4 2.3 MCGS组态软件.5 2.3.1 MCGS的主要特点和基本功能 .52.3.2 MCGS的构成 .52.3.3 MCGS组态软件的工作方式 .7第 3 章基于 PLC 的立体仓库控制系统的应用 .83.1系统设计的基本步骤 .83.1.1结构与组成 .83.1.2系统控制要求 .83.2 PLC的 I/O 地址分配 .83.3立体仓库的控制流程图以及编程说明 .93.3.1立体仓库的工作流程图 .103.3.2控制系统的设计思路 .103.4 PLC程序的设计 .10第

3、4 章基于 MCGS 对立体仓库控制系统的应用 .134.1基于 MCGS 仿真实现的意义 .134.2 MCGS实现立体仓库工程画面 .134.3 MCGS实时数据库的读写实现 .164.3.1 MCGS实时数据库简介 .164.3.2数据对象的类型 .164.3.3立体仓库控制系统数据库的构造 .174.4 MCGS与 PLC 设备的通信 .174.5监视画面的设定与动画的连接 .224.6编制控制流程 .244.6.1脚本程序的简介 .244.6.2立体仓库脚本程序的编制 .244.7立体仓库控制流程及仿真演示 .26总结.31参考文献.31致谢.31附录 .32附件 1 库位 2“取”

4、 “存”货控制程序 .33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.35郑州大学 现代 远程教育专科毕业论文（设计）评审表 .36PLC与组态软件在立体仓库中的控制摘要.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

5、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.立体仓库. PLC.MCGS.监视第 1 章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

6、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

7、、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 1.2.1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

8、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。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。

9、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

10、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。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。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

11、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 ”.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。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

12、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。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

13、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

14、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。1.4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

15、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。第 2章可编程控制器与 MCGS的概述2.1可编程控制器的产生、发展及应用特点 2.1.1PLC的定义和功能可编程控制器.英文称

16、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

17、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 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

18、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.

19、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 （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 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

20、 /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.1.CPU（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

21、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

22、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

23、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

24、其他的 PLC 或计算机相连。2.3 MCGS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 MCG

25、S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

26、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。 2.3.2 MCGS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。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

27、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 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。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

28、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

29、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。2.3.4 MCGS组态软件的

30、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