论文2石祥睿.doc

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1、江苏省徐州机电工程高等职业学校毕业设计姓 名： 石 祥 睿 学 号： 060703412 系 部： 电 气 工 程 系 专 业： 机 电 一 体 化 设计题目： PLC的自动检测控制系统设计 指导教师： 窦 万 军 职 称： 副 教 授 2011年 5 月 江苏徐州机电工程高等职业学校毕业设计任 务 书系部 电气工程系 专业年级 机电一体化06级4班 学生姓名石祥睿 任务下达日期：2010年5 月15 日毕业设计日期： 2010 年 5月 18 日至 2011年 5 月 18 日毕业设计题目：基于PLC的小型立体仓库电控设计毕业论文主要内容和要求：应用PLC技术对小型立体仓库电控设计1、电控系

2、统总体设计2、PLC程序设计3、调试技术系主任签字： 指导教师签字：窦万军江苏徐州机电工程高等职业学校毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：同意答辩！成 绩： 80 指导教师签字：窦万军 2011 年5 月 18 日江苏徐州机电工程高等职业学校毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在

3、问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日江苏徐州机电工程高等职业学校毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩答辩委员会主任签字： 年 月 日系部领导小组综合评定成绩系部领导小组负责人： 年 月 日摘 要 自动化立体仓库，是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工程。这种集信息、储存、管理于一体的高技术机电一体化产品，作为计算机集成制造系统及现代物流技术的重要组成部分并日益受到重视。 本文主要内容通过堆垛机作业流程的分析，提出了小型立体仓库电气控制系统的总体设计方案。利用工业控制计算

4、机作为调度、管理、监控主机，利用可编程逻辑控制器(PLC)作为堆垛机的运动控制器件，采用现场总线完成工业控制计算机与PLC之间的数据通讯。根据系统需要进行了PLC模块、电机及电机驱动器的选型，并给出了系统供电原理图以及部分设备接线图。然后分别利用西门子公司的编程软件Step7,监控组态软件WINCC设计了堆垛机控制程序和上位机监控界面。 整套系统经过了严格测试，在实际运行中取得了良好的控制效果。整个系统不仅操作方便、实用高效，而且便于日后对控制功能进行改进和扩充。关键词：立体仓库； 电气控制系统； PLC 度和生产效率都较高；其只能在货架巷道内作业，因此要配备出入库装置；机架除应满足一般起重机

5、的强度和刚度要求以外，还有较高的制造与安装精度要求；采用特殊形式的取物装置，常用多节伸缩货叉或货板；各机构电气传动调速要求高，且要求制动平衡，采用安全保护装置，措施齐全。巷道堆垛机适用于各种高度的高层货架仓库，可以实现半自动，自动和远距离集中控制。1.3可编程控制器控制概况 可编程控制器是一种数字运算的电子系统，是在计算机技术、通信技术和继电器技术发展基础上开发起来的，专为在工业环境下应用而设计的可编程序的控制器。它以微处理器为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或者生产过程。PLC内部采用了输入和输出信号的光电隔

6、离、滤波、电源的屏蔽、稳压和保护、故障诊断等技术，在工业控制现场的恶劣环境中可靠地工作平均无故障时间可高达5万10万小时以上、功能完善、安装容易、体积小、重量轻、功耗低、价格越来越便宜。现己广泛应用于工业控制的各个领域：在灯光照明、机床电控、食品加工，等方面送行逻辑控制；对温度、体力、流量、物体高度等连续变化的物理量进行控制；在机器人、机床、电机调速等领域进行位置、速度控制；在电力、自来水处理、化工、炼油、轧钢等方面进行数据采集，监测和控制;作为下位机，与上位机的计算机共同组成分散数据控制系统等。 PLC是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物，所以在工业控制方面，它具有继电器控制或通用计算

7、机所无法比拟的特点。 1)高可靠性 PLC的高可靠性主要表现在硬件和软件两个方面： 在硬件方面，由于采用性能优良的开关电源，并且对采用的器件进行严格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此PLC具有很强的抗振动冲击性能；无触点的半导体电路来完成频繁的开关动作，就不会出现继电器控制系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；所有的输入输出接口都采用了光电隔离措施，使外部电路和PLC内部电路能有效地进行隔离；PLC模块式结构，可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能尽量缩短系统的维修时间。 在软件方面，PLC的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运算处理器的

8、延迟保证在程序出错和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当CPU、电池、I/O口、通信等出现异常时，PLC的自诊断功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障扩大;停电时，后备电池和正常工作时一样，进行对用户程序及动态数据的保护，确信信I OR、不丢失。由于采取了以上有效措施，保证了PLC的高可靠性，从而使PLC的平均无故障时间己经能高达几十万小时。 2)应用灵活性、使用方便 模块化的PLC设计，使用户根据自己控制系统的大小、工艺流程和控制要求等来选择自己所需要的PLC的模块并进行资源配置和PLC编程。这样，控制系统就不再需要大量的硬件装置，用户只需根据控制需要设计PLC的硬件配置

9、和I/O的外部接线即可。而在PLC控制系统中，当控制要求改变时，不改动PLC外部接线，只需修改程序即可。这种面向控制过程的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，应用灵活，移植性强。 3)面向控制过程的编程语言，容易掌握PLC的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言，清晰直观。虽然PLC是以微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户具有很强的程序设计能力，只需用户具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可。这种面向控制过程的编程方式，虽然在PLC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数机电控制设备来说，这种时耗是微不足道的。4)易于安装、调试、维修 在安装时，由于PLC

10、的输入/输出接口已经做好，因此可以直接和外部设备相连，而不再需要专门的接口电路。而且PLC的软件功能取代了原来的继电器控制中的中间继电器、计时器、计数器等一些器件，所以硬件安装上的工作量相应减少。PLC的调试可先在实验室模拟完成，模拟调试完成后再现场安装和调试。这样就可以避免可能在现场会出现的一些问题，从而缩短调试周期:在维修方面，PLC完善的诊断和显示功能，可以通过模块上的显示或者编程器等很容易地找出故障的模块，而且由于模块化设计，因此只需要对出错的模块进行更换即可。 5) PLC的功能强、功能等扩展能力强 其一，PLC利用程序进行定时、计数、顺序、步进等控制十分准确可靠。其二，PLC还具有

11、A/D和D/A转换、数据运算和数据处理、运动控制等功能。因此它既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。其三，PLC具有通信联网功能，因此，它不仅可以控制一台单机、一条牛产线，还可以控制一个机群、多条生产线，它既可现场控制，也可远距离对生产过程进行监控。PLC的功能扩展极为方便，硬件配置相当灵活，根据控制要求的改变可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。 6)网络功能强大 PLC具有强大的网络功能。PLC不仅能做到远程控制、进行PLC内部通信与上位机进行通信，还具备专线上网、无线上网等功能。这样，PLC就可以组成范围很大的控制网络，整个工厂

12、，甚至整个系统都可以实现自动化，从而提高生产的效率。 7) PLC体积小、重量轻、易于实现机电一体化 由于PLC内部电路主要采用半导体微电子集成电路，具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低的特点;更由于它具有很强的抗干扰能力，能适应各种恶劣的环境，因而它已成为实现机电一体化十分理想的控制装置。 随着PLC技术的不断发展，目前已能完成以下控制功能。 1)条件控制功能 条件控制(或称逻辑控制或顺序控制)功能是指用PLC的与、或、非指令取代电器触点串联、并联及其他各种逻辑连接，进行开关控制。 2)定时/计数控制功能 定时/计数控制功能就是用PLC提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的定时或计数控制，

13、以取代时间继电器和计数继电器。 3)步进控制功能 步进控制功能就是用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。 4)数据处理功能数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算与逻辑运算以及编码和译码等操作。 5) A/D与D/A转换功能 A/D与D/A转换功能就是通过A/D, D/A模块完成对模拟量和数字量之间的转换。 6)运动控制功能 运动控制功能是指通过高速计数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴控制。 7)过程控制功能 过程控制功能是指通过PLC的PID控制模块实现对温度、压力、速度、流量

14、等物理参数进行闭环控制。 8)扩展功能 扩展功能是指通过连接输入/输出扩展单元(即I/O扩展单元)模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制能力。 9)远程I/O功能 远程I/O功能是指通过远程I/O单元将分散在远跟离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。 10)通信联网功能 通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位计算机的链接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成系统规模较大的复杂控制。 11)监控功能 监控功能是指PLC能监视系统各部分运行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动

15、终止运行;也可在线调整、修改控制程序中的定时器、计数器等设定值或强制I/O状态。表3.1西门子PLC循环处理顺序的调整3.2Step7软件简介 Step7编程软件是基于WINDOWS操作系统、为西门子S7-300/400PLC配置和编程的标准软件包。通过Step7，用户可以进行PLC的硬件组态、系统配置和程序的编写、调试，并能够在线诊断PLC硬件状态，控制PLC的运行状态和I/0通道的状态等。3.2.1Step7的编程语言 Step7可通过编程器在WINDOWS环境下对系统进行配置、程序编制、调试和监视，编程功能强盗，用户界面友好。其编程语言主要有三种:语句表编程语言(STL),梯形逻辑编程语

16、言(LAD)和功能块图编程语言(FBD)，其它编程语言作为可选软件包使用。 1)梯形逻辑(LAD) 梯形逻辑(LAD)是STEP7编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一个继电器梯形逻辑图相似:当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线圈时，梯形图可以让你追踪电信号在电源示意线之间的流动。 2)语句表(STL) 语句表(ST助是STEP?编程语言的文本表达方式。与机器码相似，如果一个程序是用语句表编写的，CPU执行程序时则按每一条指令一步一步地执行。为使编程更容易，语句表已扩展到包括一些高层语言结构(例如，结构数据的访问和块参数)。 3)功能块图(FBD) 功能块图(FBD)是STEP7编程语言

17、的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框表达逻辑。复合功能(如数学功能)可用逻辑框相连直接表达。3.2.2 Step7的程序结构 为了容易阅读和理解，编程中常常将程序分成若干部分。STEP7中，将这种具有其自身技术和功能基础的程序部分称之为“块”。在STEP7中，主要包括用户块和系统块，它们在功能、使用方法和结构上各有不同。 系统块包含在操作系统中，包括:系统功能块(SFB )、系统功能(SFC)和系统功能块(SDB)。系统块中包含重要的系统功能函数，如通信功能、一操纵CPU的内部时钟等。用户可以调用系统功能和系统功能块，但是没有对其进行修改的权利。SFB和SFC不占用存储空间，但SFB被

18、调用时，其背景数据块需占用用户的存储空间。 用户块分为组织块(OB)、功能块(FB)、功能(FC)和共享数据块(DB) 。 1)组织块(OB) 组织块表示操作系统和用户程序之间的接口。组织块由操作系统调用，控制循环中断驱动的程序执行、PLC启动特性和错误处理。其中，OBI是用于循环处理的组织块(主程序)，CPU在启动后将对OBI进行无条件的循环执行。 2)功能块(FB) 功能块属于用户编程的块，是一种“带存储器”的块。分配数据块作为其存储器(背景数据块)。传送到FB的参数和静态变量保存在背景数据块中。临时变量则保存在本地数据堆栈中。执行完FB时，不会丢失背景数据块中保存的数据。但会丢失保存在本

19、地数据堆栈中的数据。 3)功能(FC) 功能属于用户编程的块，是一种“不带存储器”的逻辑块。属于FC的临时变量保存在本地数据堆栈中。执行FC时，该数据将丢失。为永久保存绍数据，功能也可使用共享数据块。由于FC本身没有存储器，因此，必须始终给它指定实际参数。不能给FC的本地数据分配初始值。 4)共享数据块(DB)共享数据块不包含STEP 7指令，用来存储可由所有其它块访问的用户数据。即，数据块包含用户程序使用的变量数据。在创建共享数据块时，用户可以决定数据的类型、格式、次序以及存储在什么块中。3. 3 PLC程序的模块化设计 普通的机加工等生产线中的动作控制，往往只是简单动作的机械重复，如刀具和

20、钻头的进退、夹具的松开夹紧、传送带和生六线的走停等，采用线性编程即可满足拄制要求。然而对于较为复杂的控制系统而言，若其内部的联锁及互动关系较为复杂，应用线性编程就显得非常繁琐，逻辑关系不清，且难以将程序进行优化。 如果将计算机高级语言的编程算法和模块化、结构化的程序设计思想应用到PLC软件设计中，则对于复杂的控制系统就能制定一个合理的总体方案，根据系统控制要求，将要完成的任务转变成能适合于编程的有限步骤，进行模块化设计。模块化设计指：将某个复杂功能分解为若干个功能模块的组合，这些功能模块通过输入、输出参数相互藕合。功能模块可以继续分解，一般构成层次关系，最底层的功能模块实现某个特定的、不宜再分

21、解的原子功能。 通过模块化编程设计出的程序，不仅结构清晰、方便调试、通用性强，而且系统效率比采用传统的继电控制系统的设计思想设计的程序高出若干倍，避免了各功能之间的相互干扰，保证了系统的可靠性和稳定性，是PLC程序设计的一种新颖的方法。本课题中的堆垛机动作控制，虽然I/O点并不多，但是涉及到的PLC模块较多，定位精度要求高，而且包含了若干数据采集与检索功能，线性编程无法满足设计要求，因此选择模块化设计。3.4立体仓库控制系统的PLC程序设计3.4.1 I/O分配及数据块建立在进行程序设计前，首先根据工程需要建立用户数据块并为PLC进行输入输出地址分配，具体如表3.2、表3.3所示:表3.2 用

22、户数据块清单表3.3 PLC输入输出接口分配表3.4.2功能划分及主要模块流程图为实现PLC程序的模块化设计，主循环模块里没有具体的动作执行语句。整个系统的控制功能被分为若干子功能，主要的子功能及其所执行的动作如表3.4所示：表3.4 功能清单名称功能初始化PLC从上位机读取系统参数信息及货仓状态信息并控制堆垛机及货叉运行至待命位置。列位置扫描开机后仅在初始化过程中执行一次，扫描各列的认址片位置，并写入DB111。入库作业入库作业主程序。查询空货仓对货仓数据块进行扫描，查询出空单元格，并将其位置信息写入共享数据块以供调用。入库仓填入信息货物入仓后，将该货物信息写入货仓数据块对应位，并向WINC

23、C发出更新货仓数据库信息指令。出库作业出库作业主程序。查询出库货仓对货仓数据块进行扫描，查询出待出库单元格，并将其位置信息写入共享数据块以供调用。出库仓清除信息货物出仓后，将该货物信息写入货仓数据块对应位置，并向WINCC发出更新货仓数据库信息指令。Y方向定位堆垛机Y方向的定位控制模块。Z方向定位堆垛机Z方向的定位控制模块。货叉控制控制货叉的进退。 主程序流程图如图3. 1所示：图3.1主程序流程图 初始化流程图如图3.2所示：图3.2初始化流程图入库程序流程图如图3.3所示:图3.3入库程序流程图3.4.3堆垛机Y方向的定位 堆垛机的精确定位是本课题的关键技术现将堆垛机Y方向定位的原理及过程

24、详述如下。定位原理：堆垛机Y方向的运动由直流电机所带动的丝杠驱动。SM332输出的直流电机速度数据，通过驱动器转换为电流信号，驱动电机带动丝杠旋转。光电编码器通过联轴器与直流电机相连，可间接检测出丝杠的旋转圈数及旋转方向，并转换为脉冲信号反馈给FM350, CPU通过读取FM350的计数值即可计算出堆垛机当前所处位置。两部分相结合，形成了一个反馈控制环路，如图3.4所示: 图3.4堆垛机定位反馈控制环路 由于采用了闭环控制，CPU可对堆垛机的位置进行实时监测并及时做出相应补偿，加之堆垛机的最后定位是由FM350计数码和接近传感器这两个条件联合判定，避免了外界干扰所导致的误判，确保了系统的安全性

25、。详细定位方法：为方便下文表述，现将各变量及其说明由表 3.5列出。表 3.5相关参数说明 首先，在初始化过程中，堆垛机到达Y方向零点时，将常数0写入DB_FM350.LOAD VAL，对FM350进行清零。随后将M76.0置1启动计数功能，延迟2秒启动列位置扫描模块。在列位置扫描模块里，首先对”Shared Para.ZhiLiuSpeed进行取反，并将Q1.0置1,此时堆垛机开始反向运行。同时开始对10.3的上升沿进行扫描，将扫描到每个上升沿时的CounterD依次写入CangweiY1至CangWeiY10中，并对I0.3设置上升沿计数器。该计数值达到10表明全部列位置信息扫描完毕，结束

26、本模块。在出入库作业中，堆垛机的Y方向定位过程如下:首先比较CounterD和CounterSet(由数据查询模块写入)，由比较结果确定堆垛机的运行方向。电机实时速度的计算公式如下：Shared Para.ZhiLiuSpeed=MinMin(AccSpeed,6000),Max(DecSpeed,200)其中AccSpeed为电机加速曲线，初值为100，每0.1秒增加150，设置6000为其上限;DecSpeed为电机降速曲线，其值为CounterSet与CounterD之差的十分之一，设置200为其下限。当CounterSet与CounterD之差小于100个计数码时，速度降为100(可满

27、足定位精度要求的最高速度)，寻找认址片。传感器接通后，堆垛机向零点运行，直至传感器断开后再反向运行至传感器接通(确保堆垛机的最后停靠动作始终从同一方向寻找认址片)，结束本模块，定位完成。3.4.4 Z方向定位 堆垛机Z方向的运动由步进电机所带动的丝杠驱动。FM353对电机的控制模式多达七种，本课题主要应用了其中的点动模式(Jogging，用于手动控制)、参考点接近模式(Reference point approach，用于回零动作)以及增量模式(Incremental relative，用于定位到货仓)。货叉的定位原理与具体实现方法与Z方向定位类似，在此不在赘述。4 结论本系统主要以PLC为核

28、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检测系统的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当系统的功能增加时，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 廖常初. PLC基础及应用. 机械工业

29、出版社，2003, 03.2 丁立言. 仓储自动化. 清华大学出版社, 2003.3 刘昌棋，董良主编. 自动化立体仓库设计. 机械工业出版社, 2004，03.4 宋伟刚. 物流工程及其应用. 机械工业出版社. 2003, 08.5 吴 勇. 计算机与数字工程. 机械工程出版社, 2004, 03.6 何希才. 传感器技术及应用. 北京航空航天大学出版社. 2005, 04.7 周旭. 现代传感器技术. 国防工业出版社. 2007, 01.8 廖常初. S7-300/400 PLC应用技术. 机械工业出版社. 2005, 08. 9 王玉申. 通用变频器的选择与使用. 中华纸业出版社, 2001.10姚寿文.自动控制理论基础.北京理工大学出版社，2006.。