基于PLC脉冲指令库实现的立体仓库监控系统的设计.pdf

8 8 工业仪表与自动化装置 2 0 1 6年第 2期 基 于 P L C脉 冲 指令 库 实现 的 立体 仓 库 监控 系统 的设计 邹萍 ， 刘燕， 徐雷 ， 余桂花 常熟理工学院 电气与 自动化工程学院 ， 江苏 常熟 2 1 5 5 0 0 摘要 以立体仓库模型为例 ， 设计 了上位监控 系统及 以 P L C为核心的 自动化立体仓库的管理 和控制 系统 ， 给 出了具体的 P L C的选型和硬件电路连接 ， 阐述 了利用 P L C脉 冲指令库 MA P实现程 序设计和组态界面监控 的设计方法。实际运行表 明， 该设计方案能够 实现堆垛机纵横轴的准确定 位 ， 程序编写简单 ， 参数修改方便 ， 易于运行调试 ， 具有硬件设备 少、 实时性强、 便于操作等优点。 关键词 立体仓库； 监控 系统； 脉 冲指令库 M A P 中图分类号 T H 1 8 1 ； T P 2 7 3 文献标志码 A文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 6 0 2 0 0 8 8 0 4 De s i g n o f s t e r e o s c o p i c wa r e h o u s e mo n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n t h e PLC p u l s e c o mma n d l i b r a r y ZOU Pi n g，L I U Ya n，XU Le i ，SHE Gui h ua S c h o o l ofE l e c t r i c a l a n dA u t o m o t i v e En g i n e e r i n g，C h a n g s h u I n s t i t u t e of T e c h n o l o g y ， J i a n g s u C h a n g s h u 2 1 5 5 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t Th e s t e r e o s c o pi c wa r e h o us e mo d e l a s e x a mp l e，d e s i g n ma n a g e me n t a nd c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n t h e a ut o ma t e d s t e r e o s c o p i c wa r e h o us e mo n i t o r i ng s y s t e m ，u s i n g PL C a s t h e c o r e ． Gi v e n t h e s e l e c t i o n a nd h a r d wa r e c i r c u i t c o n n e c t i o n s p e c i fic PL C，de s c r i b e s t h e u s e o f PL C p u l s e c o mma n d l i b r a r y MAP i mp l e me n t a t i o n pr o g r a m de s i g n a n d me t h o d o f c o n fig u r a t i o n i n t e r f a c e mo n i t o rin g ．Th e a c t u a l o p e r a t i o n s h o ws t h a t t h e de s i g n c a n r e a l i z e a c c u r a t e p o s i t i o n i n g s t a c k e r a n d s h a ft，s i mp l e p r o g r a mmi n g，e a s y t o mo d i f y p a r a me t e r s，e a s y de b u g g i ng，h a s t he f e a t u r e s o f l e s s h a r d wa r e，r e a lt i me a n d e a s y o p e r a t i o n e t c ． Ke y wo r ds s t e r e o s c o p i c wa r e h o us e；mo n i t o rin g s y s t e m ；pu l s e c o mma nd l i b r a r y MAP 0 引言 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 ， 是 现代物流系统 中的一个重要 的 组成部分 J 。立体仓库监控 系统可 以实现 出入库 管理 、 存取控制 、 运行监视等多种功能。在程序设计 中应用 P L C的脉冲指令库 MA P实现步进 电机的定 位功能， 使各个仓位的距离值直接转换成脉冲数 ， 这 样既可以省去仓位的检测开关又可以避免大量繁琐 的计算 ， 具有编程简单 、 参数修改方便的优势。 1 立体仓库控制系统设计方案 4 4的1 6 位立体仓库模型如图1 所示。 收稿 日期 2 0 1 5 0 61 2 作者简介 邹萍 1 9 8 0 ， 女 ， 江苏常熟 人， 教师 ， 主要从 事 电气 工 程及其 自动化专业 的教学与科研工作 。 图 1 4 4立体仓库模型 立体仓库 由底盘 、 主体货 架 、 码垛机械手 等组 成 ， 在主体仓库的左、 右两侧配有货物人 口位和出口 位。 自动化立体仓库监控 系统 由货品 的堆放系统 、 货品的存取系统及控制和管理系统组成。货品的堆 放系统以立体货架 为中心 ， 按 照相应 的要求组合而 成； 货物存取系统由堆垛机、 伸插等运输设备构成， 实现货物入库 、 出库的功能 ； 控制和管理系统根据仓 库的不同 ， 采 用不 同的控制模 式。以西 门子 S 7 2 0 0 P L C为控制核心设计的立体仓库控制 系统 由上 位机 、 步进电机、 下位机 P L C控制器 、 堆垛机 、 限位 2 0 1 6年第 2期 工业仪表与 自动化装置 8 9 与检测开关等硬件设备组成， 如图2 所示。 图 2 控制系统总体设计方案 各部分功能如下 1 下位机与上位机 下位机采用 s 72 0 0实现堆垛机的入库与出库 等控制 ； 上位机 组态王 6 ． 5 5作为人 机界 面， 通 过 P C ／ P P I 与 s 72 0 0通信 ， 方便操作者监控和管理 。 2 控制面板 管理者可通过控制面板对堆垛机的运行进行控 制 ， 并设有对应的指示灯 ， 以便判 断运行是否正确 。 例如控制 P L C的启动、 停止等。 3 堆垛机 堆垛机完成运送货物 ， 它的横 、 纵轴运行分别 由 步进电机控制 ， 货叉 的伸缩由气缸来控制 ， 使用气动 手爪将货物存人或取出。 4 限位开关 在堆垛机横轴、 纵轴 的起点和终点位置 以及货 叉伸缩的前后位置都安装 了限位开关用来实现堆垛 机的定位 。 5 检测开关 在 0入库仓位与 0出库仓位安装 了检测开关用 来检测有无货物。 根据设计的控制方案， 立体仓库能够实现 自动 或手动存取货物以及实时监视功能 。 2 立体仓 库控制 系统硬件 电路设计 堆垛机是 自动化立体仓库 的主要设备 ， 要完成 货物入库、 出库等功 能， 堆垛机 的定位 系统 必须精 确 ， 才能保证堆垛机准确到达指定货位 ， 完成货物存 取 作 业 。在 设 计 中 选 用 西 门 子 S 7 2 0 0 C P U 2 2 4 X P控制器驱动堆垛机横轴 、 纵轴 步进 电机 的控制 以及伸 缩气爪前后控 制。该设计 通过 P L C 控制脉冲个数来控制步进 电机 的角位移量 ， 从而达 到准确定位的 目的。步进 电机选用两相 四线制 ， 驱 动器选用两相混合式的 K i n e o 2 M 5 3 0 。结合立体仓 库模型及控制系统所要实现 的功能 ， 设计的 P L C I ／ 0接线图如 图 3所示 ； 驱 动器与步进 电机 的接线如 图 4所示 。 _ I O ． 2 1 0 ． 3 QO 0 i驱 赫 t - - - -“ 秽 I 2 1 Q 0 2 I 2 ．0 Q O -l 皇 l 壹 E 静 ■ I 1 ． 3 Q O -3 ■ 1 1 ．2害鋈 塑 ～ ；／一 星 Q o ；，一 1 0 ． 7 ， 一 I 1 ． 0 Q O 5 ，， 一 I 1 ． 1 卜 一 _厂 I 1 ．4 Q 0 6 ≯r ， 一 I 1 ． 5 COM 1 ’ l L“ COM 图 3 P L C的 I ／ O接线图 图4 步进电机与步进驱动器的接线图 限限限限位位 动止 发右上下前后 灏潮启停 黼 黼骺 懒懒启停 横横纵纵仲仲滓喇 9 0 工业 仪表与 自动化装置 2 0 1 6年第 2期 3 立体仓库控 制系统软件设计 根据立体仓库控制系统 的工作方式分析得出系 统的总体流程如下 按下启动按 钮， 堆垛机复位 ， 选 择是送货操作还是取货操作。在送货操作 时， 首先 要判断 0入库仓位是否有货品 ， 如果无货品 ， 则不执 行送操作 ， 如果有货品则需判断是否有仓位键按下 ， 如果有则延时 2 s 后将货物送人 到指定 的仓位 ， 如 果无则延时 2 S 后将货物按照从小到大的次序依次 存入各个仓位 ； 在取货操作时 ， 首先必须要确定 0出 货仓位是否有货品 ， 如果有货品 ， 则不进行取操作 ， 若无货品则还需确定是否有仓位键按下 ， 如果有则 延时 2 S 后将货物从指定仓位取出送人 到 0出货仓 位 ， 如果无则延时 2 s 后将货物按 照从小到 大的次 序依次取出后送人 0出库仓位 。为了避免故障的发 生 ， 建立了带有紧急停止按钮 的电气控制系统 ， 任何 时候按下停止按钮 ， 堆垛机都会停止运行。 在立体仓库控制系统 中堆垛机横轴和纵轴 的精 确定位 ， 是保证堆垛 机准确 到达指定货位 的前提。 s 72 0 0提 供 了脉 宽 调 制 P WM 、 脉 冲 串输 出 P r O 、 E M 2 5 3位控模块 3种方式 的开环运 动控制 来实现堆垛机的定位控制。设计 中使用 的是 S 7 2 0 0本体 F F O提供 的应用库 MA P S E R V Q 0 ． 0和 MA P S E R V Q O ． 1 ， 分别用于 Q 0 ． 0与 Q O ． 1脉冲串输 出。M A P应用库中各个块的功能如表 1 所示 ， 这些 功能通过 S 72 0 0内置 的 P T O输 出完成堆垛机横 轴和纵轴的运动控制。 表 1 MAP应用库各块的功能 块 功能 参数定义和控制 执行一次相对位移运动 执行 一次绝对位移运动 按 预设 的速度运动 寻找参考点位置 停止运动 重新装载当前位置 将距离值转化为脉冲数 将脉冲数转化为距离值 选择 MA P输 出脉冲控制具有以下优点 1 只要知道距离值就可以利用 MA P应用库的 功能块直接转换成脉冲数， 避免了大量繁琐的计算。 2 由于立体仓库的 l 6个仓位 中无检测开关， 所以仓位的准确定位都是利用 M A P应用库 P L C编 程来 实 现 ， 这样 可 以简化 立 体仓 库 的 结构 ， 节约 成本。 3 由于 MA P库 有参数定义 、 寻找参考点位置 、 停止运动、 将距离值转换为脉冲数等功能块 ， 所以在 编写程序时只需直接调用所需 的块 ， 修改对应 的参 数即可。在调试 的过程 中遇到问题 时， 只需修改对 应功能块参数即可。 下面以堆垛机横轴控制 为例介绍 MA P应用库 的应用 。 1 堆 垛机横 轴初始化 功能块 的应用 。如 图 5 所示 ， Q O ～一 C T R L功能块 完成堆垛机 横轴 的初始 化 。图中 V e l o c i t y S S端的 5 0 0 0表示为最小脉冲频 率 ， 是加速过程的起点或减速 过程 的终点； V e l o c i t y Ma x端的 3 0 0 0 0为最大的脉冲频率 ， 受限于步进 电 机的最大频率； a c c e l d e c t i m e 端 的 3为脉冲频率 由 最小 5 0 0 0加速到最大 3 0 0 0 0所用 的时间 ， 输出 C P o s 端 V D 3 0 0为横轴的脉冲数 。该功能块用于传递 全部程序 的参数 ， 每个扫描周期都被调用。 横轴初始化 S M0 ． 0 Q 0 0 C T R L { 一 E N 5 0 0 0 Ve lo c i t y S S C P o s 3 0 0 0 0 Ve l o c i t v Ma x 3 ．0 一 a c c e l d e c ti me 横轴 邛 艮 1 O ． 2一 F w d L i mit 横轴右 限 lf 】． 3一 R a v L i m i t 横轴脉冲数vD 3 0 0 图 5 横轴初始化功能块 2 堆垛机 回零参考点功能块的应用 在控制程序中， 按下启动按钮 ， 堆垛机首先复位 回到参考点。Q O 0 一 Ho me功能块用于寻找 堆垛机 的参考点 。如图 6所示 ， 首先沿横轴 的方 向开始寻 找 ， 当碰到参 考点开关时停 止运动 ， 并且将计数 器 H C 0值设为 P o s i t i o n所定义的值 。 Q 0 0 H o m e E N E XECUT E P o s i t i o n Don e S t a r t Di r E r r o r M 1 ． 2 M 1 ．4 图6 堆垛机回零参考点功能块 3 堆垛机横轴入库和出库参数换算程序块的 应用 在步进电机工作中需要把距离值转换为脉冲 数。采用 M A P 库中提供的功能块将距离值转换为 筝 甩 墓 叩 一 诎 删 州 昌一 一 一耋 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ～ 一一～一