基于PLC的立体仓储控制系统及组态监控设计.pdf

P L C 与D C S PL C an d DCS 自动化技术与应 用2 01 0年第 2 9卷第 9期 基于 P L C的立体仓储控制系统及组态监控设计 孟雷 ， 臧华 东 苏州大学电子信息学院， 江苏苏州 2 1 5 1 0 4 摘要 本文主要介绍运用P L C技术设计开发的立体仓库。系统采用松下F P O系列 P L C， 结合组态王软件的远程监控， 实现了计算机 的实时控制， 提高了系统运行的效率及安全可靠性。 关键词 P I C控制技术； 组态软件； 实时监控 中图分类 号 T M5 7 1 ． 6 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 0 0 9 0 0 6 9 0 4 T h e Wa r e h o u s e Co n t r o l Sy s t e m a n d Co n f i g u r a t i o n Co n t r o l B a s e d o n PL C M ENG Le i ， ZANG Hu a - d o n g De p t ． o f E l e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ， S u z h o u Un i v e r s i t y ， S u z h o u 2 1 5 1 0 4 Ch i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r d e s c r i b e s t h e u s e o f P LC t e c h n o l o g y i n d e v e l o p me n t o f t h e wa r e h o u s e ． P a n a s o n i c F P 0 s e r i e s PLC i s u s e d i n t h e s y s t e m ， c o mb i n e d wi t h c o n f i g u r a t i o n s o ftwa r e r e mo t e mo n i t o r i n g ， r e a l t i me c o mp u t e r c o n t r o l t o a c h i e v e i m p r o v e d e f f i c i e n c y a n d s a f e t y a nd r e l i a bl i t y o f s y s t e m o p e r a t i o n ． Ke y wo r d s P LC c o n t r o l t e c h n o l o g y ； Ki n g v i e w s o ftwa r e ； r e a l t i me m o n i t o r mg 1 引言 自动化立体仓库是现代物流系统 中迅速发展的一 个重要组成部分， 它具有节约用地、减轻劳动强度、消 除差错、提高仓储自动化水平及管理水平、提高管理和 操作人员素质、降低储运损耗、有效地减少流动资金的 积压、提高物流效率等诸多优点。与厂级计算机管理信 息系统联 网以及与生产 线紧密相 连的 自动化立体仓 库 ， 是当今 C I MS 计算机集成制造系统 及 F MS 柔性制造系 统 必不可少的关键环节⋯ 1。随着现代化生产规模的不 断扩大和深化， 将为工业、企业带来巨大的经济效益。 本文中所设计的系统利用工业控制计算机作调度、管 理， 完成了计算机与 P L C之间监视和控制参数的传递 ， 提高了立体仓库的自动化管理水平。经过在现场的实 际应用证明， 这种管理和控制系统结构具有较高的可靠 性和稳定性f 2 1 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 一 l 8 2 立体仓库 P L C系统 X, I O 4 D P x4 - - - x7 X2 4 2 7 点 X2 O ～2 3 Y 2 O ～2 e 。 ’ 一 嗽 图 1 立体仓库系统框图 立体仓库主体 由底盘 、4层 1 2仓位库体、运动机 械及电气控制等 4部分组成 ， 其机械部分采用滚珠丝杠、 滑杠、普通丝杠等机械元件组成 ， 采用步进电机、直流 电机作为拖动元件。电气控制由松下 电工的 F P 0 型 P L C、电动机驱动模块等组成。上述各位置传感器的 通、断状态作为输入信号送人 P L C， 经 内部程序运算， 再由输出端 口的开、关量去控制电动机驱动模块， 立体 自动化技术与应用 2 0 1 0年第 2 8卷第 9期 仓库系统框图如图 1所示。 P L C 与D C S PL C a n d DCS 3 系统硬件设计 3 ． 1 命令键盘的设计 由于P LC控制立体仓库的车位多， 再加上手动模式 输人和P L C对限位开关的信号采集， 如果直接通过P L C ／ O口输入 ， 那么需要的输人点数量较大， 无疑就增大 了成本。 从节省输入点数和降低成本的角度考虑， 通常情况 下 P L C与键盘的通信分为两种 一种是并行 I ／ O通信； 一 种是串行 I ／ O总线的通信的方式。 1 如果对仓位号的输入采用串行通信的方式， 对 所有的仓位号输入需要两根数据线 ， 这样整个通信电路 设计需要两个输入 口， 键盘设计为单片机控制行列式， 当有按键按下， 单片机根据相应的键盘号发串行通信脉 冲， 第一根数据线发一个高 电平持续一定时间的脉冲 ， 结束后等待一定时间， 另外一根数据线发送一定周期的 方波， PLC可以根据方波数 目来确定命令的目标仓库 ， 来控制电机执行。这样设计虽在一定程度上节省 了输 入 口， 但是程序设计复杂 ， 实现困难。 2 如果我们首先对仓位号进行编码， 即采用并行 输入的方式来发送脉冲信号。这样在一定程度上 同样 节省了输入 口。而且程序设计相比之下容易实现。 所以从软件设计以及其他 自身角度考虑 ， 在本控制 系统中命令键盘设计采用了并行通信方式。即命令键 盘通过并行输入法与主控制器 PL C之间进行通信。键 盘 布置 图如 图 2所示 。 图 2 键盘布置图 按键号的定义如表 1 。 表 1 按键号定义 按建 号 功自 选择 定 义 自 动 选 择1 号仓位 l 手动 机 构水平阿左移动 自 动 选择2 号仓位 2 手动 机 构垂直向下移动 自 动 选择3 号仓位 3 手动 机 构水平向右移动 自 动 选择4 号仓位 4 手动 机 构水平向后移 动 自 动 选择5 号仓位 5 手 动 机构垂直向上 移动 自 动 选择6 号仓位 B 手 动 机构水平阿前 移动 自 动 选 择T 号仓位 7 手 动 无 意义 自 动 建 择8 号 仓位 8 手动 无意义 自 动 选择9 号 仓位 9 手动 无意义 自 动 选择1 0 号仓位 l 0 手 动 无意义 自 动 选择1 1 号 仓位 l 】 手 动 无意 义 自 动 选择l 2 号 仓位 l 2 手 动 无意 义 并行输入的具体做法为 用 8／3线优先编码器 7 4 HC 1 4 8和与非门7 4 L S 0 0 组成 1 6 ／ 4线优先编码， 对键 盘上各个车库号进行编码 ， 然后驱动 P LC。4个输入口 可以完成 1 5 个车位信号的输入。并且将在 P L C中编写 译码程序， 来识别命令， 控制步进 电机的运行。 3 ． 2 P L C的I／ O口分酉 己 要想很好的完成 P LC的硬件电路， 需要对设计所用 的 P L C的 I ／ O 口进行合理 的分配 ， 以便下面的软件设计 以及软件与硬件的联调。P L C的 ／ O E l 具体分配情况 如表 2所示。 4 系统软件设计 软件设计为本设计的主体部分 ， 控制程序是整个系 统工作的核心 ， 程序的处理方法决定了系统的工作方式 和性能， 因此程序的设计在此系统中至关重要。 本程序设计的难点是如何确定各 电机按要求协调 P L C 与D C S PL C a n d DCS 工作， 因为只有各个 电机都按要求协调工作了才能完成 一 个标准的存放过程 。在此利用指令发送结束的标志 位来协调动作顺序 ， 对标志位的通断次数进行计数 ， 即 对各运行环节进行数字化 ， 把连续的运动进行数字离散 化 ， 这样就可以确定上一次动作是否结束 ， 下一次动作 是否可以开始。另外， 为了保证整个控制系统的准确性 和稳定性 ， 各环节之 间要 加 0 ． 5秒的延 时。 表 2 P L C的 I／ O地址分配及输入输出信号表 X 0 启动 X 2 4 检验 2 号仓位 “t O 前进 X l 手动 、自动 X 2 5 检验 3 号仓位 1 1 后退 x 2 取出 X 2 6 检验 4 号仓位 向上 x 3 谨进 X 2 7 检验 5 号仓位 Y 3 向下 X 4 取清 X 3 0 检验 6号仓位 Y 4 谨进 X 5 急停 X 3 1 检验 T 号仓位 取出 X 6 1 号仓库的键 X 3 2 检验8 号仓位 瑚 显示取出 X 7 2 号仓库的键 X 3 3 检验9 号仓位 W 显示送进 X l 0 3 号仓库柏键 X 3 4 检验 1 0 号仓位 T 1 0 显示操作错误 X l 1 4 号仓厍的键 X 3 5 检验 1 1 号仓位 Y l l 显示 l 号仓库 X l 2 5 号仓库的键 X 3 6 验1 2 号仓位 T 1 2 显示2 号仓库 X 1 3 6 号仓库的键 X S T 前进限制 nS 显示 3 号仓库 X “ 号仓库的键 列0 后退B 制 Y 1 4 显示4号仓库 X l 5 8 号仓库舶键 X 4 l 后退趣过 1 5 显示 5 号仓库 X 1 6 9 号仓库帕键 X 4 2 向上限制 Y 1 6 显示6号仓库 X l 7 l o 号仓库的窿 X d 3 向下限制 I 1 7 显示 7 号仓库 渤 1 1 号仓库的键 X 4 4 向下超过 Y 2 0 显示8号仓库 X 2 l 1 2 号仓库的睫 X t 5 前时限制 Y 2 1 显示9号仓库 置 2 2 检验0 号仓位 X 4 6 取出限制 I 2 2 显示1 0 号仓库 X 2 3 检验1 号仓位 X 4 7 取出超过 2 3 显示 l 1 号仓库 Y 2 4 显示 1 2 号仓库 4 。 1 一个完整的动作过程 要编写一个很好的控制程序首先要搞清运动 的各 个环节， 把连续运动合理的离散化和数字化是整个程序 设计的关键 ， 因此可以把一个完整的自动存取过程简单 划分为 首先按动键盘输入命令信号 ， P L C接受到键盘 送到的信号后， 开始响应动作， 并对键盘号进行锁定 ， 在 此， 为了保证按键的有效性 ， 一次只能输入一个命令『 3 】 。 由于整个控制 系统设计所 用 PLC 能同时发 出两点 1 0 0 K Hz 的脉冲， 因此 P L C接收到信号后， 能够同时发出 两路脉冲， 根据预先设定好的I ／ O口， X、Y轴两路步进 电机 开始 同时正转 ， 即 向各 自 目标 的坐 标值 开始靠 近 。 当步进 电机达到 目标坐标值后 ， 电机均停止动作 ， 当步 进电机停止动作的信号发出后， 用于切换 X／ Z轴步进 电 机驱动器的继电器开始响应 ， 即控制 X轴步进电机与驱 自动化技 术与应用2 0 l 0年第 2 9卷第 9期 动器断开， 控制 z轴的步进电机与此驱动器连接 ， 为了 保证执行动作的有效性和正确性 ， 在 Z轴电机开始动作 之前预先延时 1 秒， 然后， z轴电机开始接收 P L C发来的 脉冲信号 ， 开始正转。向 Z轴的目标值开始靠近。当步 进 电机到达 目标值后， Z轴电机开始停止动作。延时 0 ． 5秒后， 下一个动作开始执行， 即控制 Y轴的步进电机开 始反转， 具体表现在开始下降一段时间后 ， 工作台开始 对货物进行 自动存取。Y轴 电机到达 目标后， 电机停止 动作。继续延时 0 ． 5秒 ， Z轴电机开始发转， 准备回零 ， 即返回Z轴的起始位置。当 Z轴电机返回零点结束后， Z轴电机开始停止动作， 继电器开始复位。 到此 ， 整个运行过程结束 ， 即整个 自动化立体车库 的自动存取车过程基本结束。延时 1秒之后 ， X、Y轴 两步进 电机开始 同时反转 ， 执行返回原点的动作， 进行 下一次的存取车过程。回到原点后 ， X、Y轴 电机开始 停止动作 ， X、Y 轴都到达原点后 ， 两路 电机均停止动 作 ， 对程序键盘号的 自锁设定 自动打开。 4 ． 2 程序设计流程图 整个控制系统程序设计流程图如图 3所示。 图3 程序流程图 5 立体仓库的组态监控 组态 王 软件 是 北京 亚控 科 技 发展 有 限公 司开 发的 一 个集成人机界面 HMI 系统和监控管理系统的工业上 位监控软件。P L C与组态王软件联合应用 ， 组成的监控 系统 ， 可远程获得实时和历史数据 ， 以优化控制现场作 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 8 卷 第9 期 P L C 与D O S PLG an d DCS 业。监控系统设计结合P L C程序， 变量设置与 P L C的I ／ O分配一一对应。本设计采用 k i n g v i e w6 ． 5 3 组态王软 件 ， 进行设备配置、设计图形监控界面、构造变量数据 库、建立动画连接、运行调试等方面的设计监控 。 1 设备配置 设备配置就是完成 P L C与组态王通讯的设备的设 置， 将P L C的生产厂家、设备名称、通讯方式等填入相 应对话 框 中即可 。 2 设计图形监控界面 图4 立体仓库仿真界面 图形监控界面运用于模拟实际工业现场和工控设 备， 本系统设计图形界面的任务就是绘制立体仓库仿真 画面， 如图4所示， 界面包括 1 2个汽车仓位、X轴滚珠 丝杠副、Y轴滚珠丝杠副、Z轴系统等组成。界面有前 视 图和 侧视 图组成 。 3 设置变量 ， 构造数据库 图 5 变量数据库 数据是用来描述工控对象的各种属性 ， 组态王定义 的各种变量构成数据库 ， 其中不需要与其它应用程序交 换数据的变量称为 内存变量 ， 而与其它应用程序交换数 据的变量称为 I ／ O变量 ， 从下位机采集来的数据、发送 给下位机的指令l 4 】 。在 “ 组态王”系统运行过程中， 每 当I ／ O变量的值改变时， 该值就会自动写入远程应用程 序； 每当远程应用程序中的值改变时， “ 组态王”系统中 的 I ／ O变量值也会自动更新。由于本系统用P LC的I ／ O地址另加少量内存变量来设置图形界面所需变量。变 量数据库如图5所示， 共用到 3 3个变量， 其中3个内存 整型变量 ， 2 9 个 I ／ 0离散变量 ， 1 个内存实型变量。 4 建立动画连接 动画连接是指在界面上的的图形对象与数据库的 数据变量之间建立一种关系 ， 当变量的值改变时， 在画 面上以图形对象的动画效果表示出来 ； 或者通过图形对 象改变数据变量的值 ， 以实现图形界面与对象间的双向 控制。本系统的动画连接包括 z轴伸叉的运动， x、Y轴 的移动等。 6 结束语 本系统通过最终调试表 明 无论选择手动控制模 式还是 自动控制模式 ， 都能够较为准确地完成对货物 的存取功能， 而且运行 比较灵敏、可靠。如果选择 自动 控制模式， 按键选择任一个车位， 都能够相应并准确地 完成 自动存取任务。另外 ， 如果整个控制系统在运行 时遇到意外情况， 按键选择急停 ， 则系统会立即响应， 避免意外的发生。系统的组态监控画面既能监视现场 的工作情况， 也能控制系统的动作执行， 可以较好地进 行 远程 控 制 。 参考文献 【 1 】F X1 S， F X1 N， F X 2 N， F X2 NC编程 手册[ Z 】 ， 2 0 0 9 ． 【 2 】 薛迎成， 何坚强． 工控机及组态控制技术原理与应用[ M1 ． 北京 中国电力出版社， 2 0 0 7 ． [ 3 】程子华． P L C原理与编程实例分析【 M】 ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 j P I A S EC KI ， D AvE ． Wa r e h o u s e Ma n a g e me n t S y s t e ms 『 J ] ． Wo r l d Tr a d e ， Vo 1 ． 1 7 I s s u e 6 ， 2 0 0 5 ． 作者简介 孟雷 1 9 7 9 一 ， 女， 讲师， 研究方向 应用电子技