基于PLC控制的自動化立體倉庫設計與組態(tài)監(jiān)控-河北大學

1、河北大學2013屆本科生畢業(yè)論文（設計） 1 引言第二次世界大戰(zhàn)之后,工業(yè)飛速發(fā)展，立體倉庫應運而生。50年代初，美國首先研制出采用橋式堆垛起重機的立體倉庫,60年代中期，日本開始興建立體倉庫，并且發(fā)展速度越來越快，成為當今世界上擁有自動化立體倉庫最多的國家之一。我國于1963年成功研制出了第一臺橋式堆垛起重機，1973年開始研制第一座由計算機控制的自動化立體倉庫。隨著當今企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大和深化，倉庫成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中一個重要而不可或缺的環(huán)節(jié)，而立體倉庫正以其占地面積小和空間使用率佳的特點，正在逐步替代面積利用率低且陳舊落后的平面?zhèn)}庫，這種替代大大提高了倉儲物流的水平。近幾年國內(nèi)外立

2、體倉庫的發(fā)展方向，以采用可編程控制器(PLC)與微控制搬運設備的倉庫以及采用PC機遠程管理與PLC聯(lián)網(wǎng)控制的全自動立體倉庫為主。但其中不容忽視的一個問題是，當前各領域中使用的立體倉庫系統(tǒng)通常是比較龐大的，在研發(fā)立體倉庫的過程中，需要投入大量的人力和財力，這必然會給立體倉庫系統(tǒng)的研制帶來巨大的成本負擔。目前比較流行的方法是通過制作小型的立體倉庫模型，采用可重復使用的編程系統(tǒng)對其進行編程控制，在模型上模擬調(diào)試成功后，最后將實驗結果應用到立體倉庫的實際生產(chǎn)研發(fā)中。通過以上的流程即可節(jié)約成本、提高效率，多角度多方式的確定出最優(yōu)的立體倉庫生產(chǎn)方案。本設計將采用三菱FX1N-40MT型PLC和北京昆態(tài)公司

3、的MCGS組態(tài)軟件設計一個自動化立體倉庫系統(tǒng)模型，最終實現(xiàn)立體倉庫系統(tǒng)的自動化、智能化在實際生產(chǎn)中的應用。2 可編程邏輯控制器（PLC）簡介隨著微處理器，計算機和數(shù)字通信技術的飛速發(fā)展，計算機控制幾乎已經(jīng)擴展到了工業(yè)領域的每一個角落?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammable Logic Controller, PLC）作為一種應用面積廣，功能強大，使用方便的通用自動控制裝備，已經(jīng)成為工業(yè)控制領域不可或缺的重要組成部分。PLC已經(jīng)廣泛的應用在各種機械設備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中，在其他領域也得到了迅速的發(fā)展。國際電工委員會（IEC）在1985年的PLC標準草案第3稿中對它作了如下定義：“可編程

4、序控制器是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充的原則設計?！?2.1 PLC的發(fā)展歷史可編程序控制器（PLC）問世于1969年。美國數(shù)據(jù)設備公司（DEC）研制出世界上第一臺可編程控制器，并成功地應用在美國通用汽車公司（GM）的生產(chǎn)線上。其后日本、原聯(lián)邦德國等相繼引入，使其迅速發(fā)展起來。PLC從誕生至今，其發(fā)展大體經(jīng)歷了三個階段：第一階段從誕生到2

5、0世紀80年代中期，以單機為主發(fā)展硬件技術，研發(fā)除了取代傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的各種型號的PLC；第二階段從20世紀80年代中期到20世紀80年代末期，為適應柔性制造系統(tǒng)（FMS）的發(fā)展，在提高單機功能的同時，加強了軟件的開發(fā)，并提高了PLC通信能力；第三階段從20世紀90年代以來，為適應計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的發(fā)展，采用多CPU的PLC系統(tǒng)，不斷提高其運算速度和數(shù)據(jù)處理能力。2.2 PLC的特點、應用領域和發(fā)展趨勢2.2.1 PLC的主要特點：(1)可靠性高、抗干擾能力強為保證PLC能在工業(yè)環(huán)境下可靠工作，在設計和生產(chǎn)過程中采取了一系列硬件和軟件的抗干擾措施。主要采用以下方面的措施：如隔

6、離、濾波；對PLC的內(nèi)部電源采取了屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施，以減少外界干擾；在內(nèi)部設置了連鎖、環(huán)境監(jiān)測與診斷、看門狗等電路；利用系統(tǒng)軟件定期進行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障監(jiān)測，并采取信息保護和恢復措施；對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進行電池備份，以保障停電后有關狀態(tài)或信息不丟失。通過以上措施保證了PLC能在惡劣的環(huán)境中可靠地工作，使平均故障間隔時間指標高，故障修復時間短。(2)可實現(xiàn)三電一體化PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結（運動控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應各種工業(yè)控制的需要。(3)編程簡單、使用方便、控制程序可變、具有很好的

7、柔性和擴展性。(4)體積小、重量輕、功耗低。2.2.2 PLC的應用領域可編程控制器是在繼電器控制和計算機技術的基礎上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成以微處理器為核心，集計算機技術、自動控制技術及通信技術于一體的一種新型工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術的快速發(fā)展，PLC的制造成本不斷下降，但功能卻大大的增強了。目前在先進工業(yè)國家中PLC已成為工業(yè)控制的標準設備，幾乎覆蓋了工業(yè)控制全行業(yè)。特別是在輕工行業(yè)中，因生產(chǎn)門類多，加工方式多變，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，所以PLC廣泛的應用在組合機床電氣設備中。PLC已成為位于現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的主導地位?？删幊炭刂破鞯墓δ苁顾瓤梢?/p>

8、用于開關量控制，又可用于模擬量控制；既可用于單機控制，又可用于組成多級控制系統(tǒng)；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復雜系統(tǒng)。它的應用大致可歸為如下幾類：邏輯控制，運動控制，過程控制，數(shù)據(jù)處理，多級控制。2.2.3 PLC的發(fā)展趨勢近些年我國自動化倉庫技術發(fā)展很快，己實現(xiàn)了與其它信息決策系統(tǒng)的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。盡管如此，我國已建成的集成化倉儲系統(tǒng)還不多，我國的自動化立體倉庫與國外發(fā)達國家相比，無論是從數(shù)量上還是從建設水平上都有著很大的差距。目前PLC正在向通用化、系列化和高性能化的趨勢發(fā)展，主要表現(xiàn)在：功能不斷增強，各種應用模塊不斷推出：加強過程控制和數(shù)據(jù)處理的功能，提高多機通

9、信和組網(wǎng)的能力，開發(fā)具有更多功能的模塊，使各種PLC控制系統(tǒng)都具有可靠的高性能，同時也使的PLC的組成和維護更加靈活方便，使PLC的應用范圍更加寬廣。在系統(tǒng)構成規(guī)模上向大、小兩個方向發(fā)展：發(fā)展超大容量，超高性能PLC用來滿足現(xiàn)代化工業(yè)控制中大規(guī)模的復雜的生產(chǎn)需要；發(fā)展價格低廉，功能簡單的專用PLC來替代繼電器。產(chǎn)品更加規(guī)范化、標準化：PLC生產(chǎn)廠家在不斷推出新產(chǎn)品的同時，積極提高產(chǎn)品的標準化屬性，使產(chǎn)品更容易被使用者接受，同時將PLC的各個標準部件如輸入輸出模塊、接線端子、通信協(xié)議等方面的技術規(guī)格更加標準和規(guī)范，使不同產(chǎn)品可以互相兼容和組網(wǎng)，使用戶可以方便的應用PLC控制各種標準機械化設備。2

10、.3 三菱公司FX-1N系列PLC性能介紹FX1N系列 PLC是三菱公司FX系列PLC（包括FX1s、FX1N、FX2N、FX2NC）中推出的一種造價低廉、功能強大的普及型PLC。FX1N系列PLC有13種基本單元，可以組成14128個I/O點的系統(tǒng)，并能使用特殊功能模塊、顯示模塊和擴展板。用戶存儲器容量為8000步，有內(nèi)置的實時鐘。PID指令用于實現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制，一個單元可以同時輸出2點100kHz的高速脈沖，有7條特殊的定位指令，有兩個內(nèi)置的設置參數(shù)用的小電位器。通過通信擴展板或特殊適配器可以實現(xiàn)多種通信或數(shù)據(jù)鏈接，例如CC-Link、AS-i網(wǎng)絡，RS-232C、RS-422和RS-4

11、85串行通信，N:N鏈接、并行連接、計算機鏈接和I/O鏈接。3 立體倉庫的硬件組成及控制原理3.1 立體倉庫模型的基本結構立體倉庫模型是用來儲存、分類貨物的模型。送貨時，根據(jù)倉庫存儲情況將不同的貨物送入指定的倉庫位置中去；取貨時，根據(jù)目標需求從指定的倉庫位置取出貨物。采用皮帶、直線導軌、主流減速電機作為傳動裝置，由PLC編程實現(xiàn)X、Y、Z軸位置控制，可完成倉庫貨物模型的自動/手動存取。臺式立體倉庫模型結構如圖3-1所示。圖3-1 自動立體倉庫裝置圖該裝置由立體庫位框架、巷道式高叉車、操作盤等組成，并配有PLC控制器、光電式尋址傳感器、限位開關、直流電機、鍵盤、驅(qū)動系統(tǒng)、直流穩(wěn)壓電源、空氣保護開

12、關等。具體說明如表3-1所示。表3-1 自動立體倉庫裝置說明圖中序列標號硬件名稱說明1水平運行電機2垂直升降電機3升降式貨叉裝置4水平運行裝置5水平叉車運行裝置6列定位片7層定位片8光電傳感器9鍵盤10貨架11手操盤12直流穩(wěn)壓電源13電器驅(qū)動板14空氣開關15三菱FX1N-40MT型號PLC3.2 系統(tǒng)的硬件組成及說明3.2.1 倉庫位本系統(tǒng)由6+3+1個存儲位組成。其中6為6個可自由存取位置，雖只有6個，但已經(jīng)從原理上模擬出了所有倉庫可定位情況；3為3個模擬位，由于硬件限制，并不具備實際存取功能，僅為美觀所設；1為1個緩沖臺，用來暫時存取貨物。3.2.2 直流減速電機直流減速電機，即齒輪減

13、速電機，是在普通直流電機的基礎上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是，提供較低的轉速，較大的力矩。同時，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉速和力矩。這大大提高了直流電機在自動化行業(yè)中的使用率。減速電機是指減速機和電機（馬達）的集成體。這種集成體通常也可稱為齒輪馬達或齒輪電機。通常由專業(yè)的減速機生產(chǎn)廠進行集成組裝好后成套供貨。本設計使用了三個ZHENGK公司生產(chǎn)的直流減速電機，其中X、Y方向采用型號為ZYTD-45SRZ-F-091020的直流24V，變速比rpm：2500的電機，并且在X軸方向上加配了ZGB60R-45SRZ-1 1：110的直流24V，變速比rpm：20的8W齒輪變速箱。

14、Z方向采用型號JQ24-125G840的電機，并配備ZGA25RP216的直流24V，變速比rpm：20的齒輪變速箱。3.2.3 反射式計數(shù)傳感器 本設計中，采用反射式計數(shù)傳感器來控制倉庫號尋址定位，當遮光板相對于計數(shù)器移動時，計數(shù)器將反射回路的信號與原信號對比，產(chǎn)生頻移，集成電路再把微弱的頻移信號進行放大，再經(jīng)多普勒檢測、放大、限幅等措施，最后取得和物體移動信號相關的直流信號輸出電平。這種電平可產(chǎn)生計數(shù)脈沖，將計數(shù)脈沖傳送給PLC對比，通過X、Y兩方向的不同的計數(shù)脈沖數(shù)來確定立體倉庫的定位。3.2.4 穩(wěn)壓電源 開關穩(wěn)壓電源是由開關集體管VT和二極管VD及儲能電感L、濾波電容C組成的。另外，

15、通常還具備較為復雜的驅(qū)動電路、調(diào)節(jié)電路、保護電路、基準電路以及構成閉環(huán)回路中的取樣電路、放大電路和耦合電路用來控制盒調(diào)節(jié)輸出電壓的大小以及特性。在本設計中，考慮到直流減速電機的工作電壓為DC 24V電源，并考慮系統(tǒng)用電量、系統(tǒng)可靠性、和系統(tǒng)設計的規(guī)整性等，最終選擇穩(wěn)壓電源來統(tǒng)一供電。3.3 系統(tǒng)的工作原理及功能分析立體倉庫的運動機械結構部分采用皮帶、滑軌等部分組成，采用三個直流電機作為拖動元件。其關鍵部分是巷道起重機，由水平移動、垂直移動及伸叉機構三部分組成，其水平和垂直移動分別用兩臺直流減速電動機帶動皮帶來完成，伸叉機構由一臺直流減速電動機來控制，當堆垛機平臺移動到貨架的指定位置時，伸叉電動

16、機驅(qū)動貨架向前伸出，將貨物取出或送入，然后鏟叉向后縮回。整個系統(tǒng)需要X、Y、Z三維的位置控制。4 基于PLC的立體倉庫軟件設計4.1 系統(tǒng)的工作流程如圖 依據(jù)上述工藝流程分析，立體倉庫控制系統(tǒng)的工作流程圖如圖4-1所示。緩沖貨臺有無貨物發(fā)送目的倉庫號目的倉庫有無貨物從緩沖貨臺取貨向目的倉庫存貨到達目的倉庫返回初始位置程序開始設備初始化存貨還是送貨緩沖貨臺有無貨物存貨取貨NYYN發(fā)送目的倉庫號目的倉庫有無貨物YNNY到達目的倉庫從目的倉庫取貨返回初始位置向緩沖貨臺存貨報警結束圖4-1 自動化立體倉庫控制系統(tǒng)的工作流程圖該立體倉庫系統(tǒng)運行情況為：當將A/M按鈕切換到自動后，系統(tǒng)允許進行立體倉庫運行

17、的自動控制。系統(tǒng)初始化后，按下某倉庫位置的按鈕以及“取”或“送”按鈕時，系統(tǒng)將進行相應的動作。當出現(xiàn)故障時，電動機停止運行。4.2 PLC輸入、輸出點數(shù)的分配根據(jù)以上對立體倉庫控制系統(tǒng)設計要求可以看出，其中輸入點數(shù)為24點，輸出點數(shù)為6點，供電及公共端3點，參照三菱公司FX系列PLC性能簡介即可得知本系統(tǒng)采用FX1N-40MT系列PLC即可滿足要求?？傻贸鼍唧w的可編程邏輯控制器I/O分配表，如表4-1所示。表4-1 自動化立體倉庫控制系統(tǒng)的可編程邏輯控制器I/O分配表X0叉車左極限X235號倉庫是否有貨X1叉車右極限X246號倉庫是否有貨X2叉車下極限X257號倉庫是否有貨X3叉車上極限X26

18、8號倉庫是否有貨X4叉車內(nèi)極限X279號倉庫是否有貨X5叉車外極限Y0叉車后退X6列定位Y1叉車前進X7層定位Y2叉車上升X20A/M轉換Y3叉車下降X21緩沖臺是否有貨Y4進叉X224號倉庫是否有貨Y5出叉X11 X150號倉庫位置X10 X176號倉庫位置X11 X141號倉庫位置X10 X167號倉庫位置X11 X172號倉庫位置X13 X158號倉庫位置X11 X163號倉庫位置X13 X149號倉庫位置X10 X154號倉庫位置X12 X15入庫X10 X145號倉庫位置X12 X12出庫4.3 PLC系統(tǒng)的程序設計PLC的程序編輯工作是靠梯形圖完成的，梯形圖具有形象直觀，且便于分析

19、記憶的特點。GX Developer是一款可以開發(fā)三菱全系列的編程軟件，使用十分方便，因此本設計采取GX Developer作為開發(fā)環(huán)境。為了使得設計調(diào)試簡單方便，依據(jù)功能分析知程序設計部分可分為系統(tǒng)初始化、送貨子程序、取貨子程序、貨位保護程序等部分。分別編程后再進行程序匯總。4.3.1 初始化復位程序設計自動控制系統(tǒng)工作的第一步，便是判斷叉車是否已經(jīng)準備繼續(xù)，是否可以正常工作，若不在初始位，需要自動回復到初始位。因此在初始化階段，本設計將叉車在下限位，左限位，外極限設置為初始位置。根據(jù)叉車保護原則，叉車應判斷是否叉車是否在外極限，若不在外極限，首先驅(qū)動電機向后收回叉子，到達外限位后進行下一步

20、；若此時叉車已經(jīng)在外極限，驅(qū)動垂直電機下降，當?shù)竭_下極限后，驅(qū)動水平電機，后退到左極限，此時車車到達初始位置，PLC控制程序如圖4-2梯形圖所示。圖4-2 初始位置復位程序4.3.2 送貨子程序設計送貨是指叉車從緩沖倉庫位置取出貨物后送到指定倉庫。以4號庫為例，系統(tǒng)的運行控制流程為：叉車從初始位置出發(fā)，驅(qū)動水平前進電機，當?shù)竭_列定位1時停下，此時到達緩沖倉庫位置的水平位置，驅(qū)動垂直上升電機，當?shù)竭_層定位脈沖數(shù)為1時停下，驅(qū)動叉車電機向前伸出叉子，叉子到達內(nèi)限位后繼續(xù)驅(qū)動垂直上升電機，當檢測層計數(shù)脈沖數(shù)為2停止，此時貨物已經(jīng)被抬起，驅(qū)動叉車電機向后收回叉子，到達外限位后，驅(qū)動水平電機繼續(xù)前進直到

21、列定位脈沖數(shù)為2，驅(qū)動叉車向前伸出，到達內(nèi)限位后，驅(qū)動垂直電機下降，檢測層定位脈沖數(shù)為1時，驅(qū)動電機向后收回叉子，此時貨物被安全穩(wěn)妥的安放到了指定倉庫位。此時繼續(xù)執(zhí)行初始化位置程序，將叉車退回到初始位置，等待下次命令的出現(xiàn)。其他倉庫位置的送貨程序與4號庫相似，只需改變相應的層、列定位脈沖數(shù)，其中5號位定位脈沖為列定位為3，層定位為1、2；6號位定位脈沖為列定位為4，層定位為1、2；7號位定位脈沖為列定位為2，層定位為3、4；8號位定位脈沖為列定位為3，層定位為3、4；9號位定位脈沖為列定位為4，層定位為3、4。4號庫送貨子程序如圖4-3所示。圖4-3 4號庫送貨梯形圖4.3.3 取貨子程序設計

22、取貨是指叉車從指定倉庫位置取出貨物后送到緩沖貨臺。以9號庫為例，系統(tǒng)的運行控制流程為：叉車從初始位置出發(fā)，驅(qū)動水平前進電機，當?shù)竭_列定位4時停下，此時到9號倉庫位置的水平位置，驅(qū)動垂直上升電機，當?shù)竭_層定位脈沖數(shù)為3時停下，驅(qū)動叉車電機向前伸出叉子，叉子到達內(nèi)限位后繼續(xù)驅(qū)動垂直上升電機，當檢測層計數(shù)脈沖數(shù)為4停止，此時貨物已經(jīng)被抬起，驅(qū)動叉車電機向后收回叉子，到達外限位后，驅(qū)動垂直電機下降直到層定位脈沖數(shù)為2，驅(qū)動水平電機后退到達列定位1，驅(qū)動叉車向前伸出，到達內(nèi)限位后，驅(qū)動垂直電機下降，檢測層定位脈沖數(shù)為1時，驅(qū)動電機向后收回叉子，此時貨物被安全穩(wěn)妥的安放到了緩沖存儲貨倉。此時繼續(xù)執(zhí)行初始化

23、位置程序，將叉車退回到初始位置，等待下次命令的出現(xiàn)。其他倉庫取貨程序與9號庫取貨程序相似，層、列定于與上相同，不再敖述。9號庫取貨子程序如圖4-4所示。圖4-4 9號庫取貨梯形圖4.3.4 貨位保護程序設計貨位保護程序的主要目的是在程序的初始位置判斷是取貨還是送貨，在取貨狀態(tài)時，必須保證目的倉庫有貨且緩沖貨臺無貨，否則程序不執(zhí)行。而送貨狀態(tài)時，必須保證緩沖貨臺有貨且目的倉庫無貨，否則不執(zhí)行。同時取貨程序和送貨程序還應有互鎖程序，不能同時執(zhí)行以防出現(xiàn)雙線圈的現(xiàn)象。梯形圖如圖4-5所示。圖4-5 程序匯總及互鎖保護立體倉庫控制系統(tǒng)的PLC程序完整梯形圖見附錄。4.4 調(diào)試及故障處理4.4.1 調(diào)試

24、步驟(1) 按系統(tǒng)I/O表連線，確認無誤后，合上空氣開關，看系統(tǒng)是否正常，若不正常，立即關閉電源開關，查出并排除故障。(2) 先將初始化程序通過RS-232C數(shù)據(jù)線下載到PLC中，觀察PLC運行指示燈是否亮。(3) 將選擇開關至于自動位置，系統(tǒng)將自動復位到初始位置，若不回復初始位置，說明初始位置程序有誤，查出并排除錯誤后進行下一步。(4) 將入庫子程序下載到PLC，依次檢查送貨程序是否正常，特別注意程序是否是在緩沖臺有貨而目標倉庫位無貨時執(zhí)行，若緩沖臺無貨或目標倉庫已經(jīng)有貨單送貨程序仍然執(zhí)行，說明入庫子程序有錯，查出并排除錯誤后進行下一步。(5) 將出庫子程序下載到PLC，依次檢查取貨程序是否

25、正常，特別注意程序是否是在緩沖臺無貨而目標倉庫位有貨時執(zhí)行，若緩沖臺已經(jīng)有貨或目標倉庫無貨但取貨程序仍然執(zhí)行，說明出庫子程序有錯，查出并排除錯誤后進行下一步。(6) 將以上程序匯總到一起后，通過RS-232C數(shù)據(jù)線下載到PLC中，觀察PLC運行指示燈是否亮，并依次檢查在入庫出庫切換后，程序是否按照預定步驟正常運行。4.4.2 故障處理(1)電源指示燈不亮：檢查供電是否正常。(2) 電機不工作：檢查電動機接線是否正確；檢測緩沖存儲位置是否處于正常位置和狀態(tài)；檢測直流電動機是否損壞。(3) 立體叉車不送貨：檢測開關是否在自動位置；檢測對應倉庫位置是否有貨；檢測緩沖存儲位置是否有貨。(4) PLC輸

26、入輸出指示燈不亮：檢測PLC是否真正有輸出信號或輸入信號；檢測接口板的晶體管是否正常工作；檢測指示燈是否正常。 4.5 MCGS概述及設計MCGS(Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是北京昆態(tài)公司研發(fā)的一套組態(tài)軟件系統(tǒng)，可實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。MCGS為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、動畫顯示、流程控制、趨勢曲線、報表輸出、報警和安全機制等功能。4.5.1 MCGS的工作原理使用MCGS完成一個實際的應用系統(tǒng)時，首先必須在MCGS的組態(tài)環(huán)境下進行系統(tǒng)

27、的組態(tài)生成工作，然后將系統(tǒng)放在MCGS的運行環(huán)境下運行。MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用戶應用系統(tǒng)的工作環(huán)境，用戶在MCGS組態(tài)環(huán)境中完成動畫設計、設備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態(tài)工作后，生成擴展名為.mcg的工程文件（又稱為組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫）。MCGS運行環(huán)境是用戶應用系統(tǒng)的運行環(huán)境，在MCGS運行環(huán)境中用戶可完成對工程的控制工作。組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫完成了MCGS系統(tǒng)從組態(tài)環(huán)境向運行環(huán)境的過渡，它們之間的工作過程可表示為圖4-6。運行環(huán)境：解釋執(zhí)行組態(tài)結果組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫組態(tài)環(huán)境：組態(tài)生成應用系統(tǒng)圖4-6 MCGS工作原理示意圖4.5.2 MCGS組態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的組成及功能MCGS組態(tài)環(huán)境系

28、統(tǒng)由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構成，每一部分分別進行組態(tài)操作，完成不同的工作。其中實時數(shù)據(jù)庫是MCGS系統(tǒng)的核心，是應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。實時數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)各部分的公用區(qū)交換數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)各部分的協(xié)調(diào)工作。設備窗口依靠設備構件驅(qū)動外部設備，與此同時，設備終端采集的數(shù)據(jù)送入實時數(shù)據(jù)庫；將用戶窗口組成的圖形對象和實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象連接后，以動畫形式展現(xiàn)實現(xiàn)數(shù)據(jù)；各部分工作原理如圖4-7所示。用戶窗口：以圖形動畫曲線等形式可視化數(shù)據(jù)主控窗口：管理用戶窗口管理運行策略維護數(shù)據(jù)庫運行策略：以不同的形式和方法操作實時數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)對象的集合構成實時數(shù)據(jù)庫設備窗口：

29、從外部硬件設備讀取數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)庫或控制設備輸出數(shù)據(jù)圖4-7 實時數(shù)據(jù)庫的核心作用4.5.3 自動化立體倉庫模型的上位機監(jiān)控系統(tǒng)（MCGS）設計(1).新建工程的操作步驟如下：在電腦桌面上，雙擊“MCGS組態(tài)環(huán)境”圖標，進入MCGS組態(tài)環(huán)境。單擊“文件”菜單中的“新建工程”選項。單擊菜單“文件”在下拉菜單中選擇“工程另存為”選項，在文件名一欄中輸入“自動化立體倉庫控制系統(tǒng)”，單擊 “保存”按鈕，工程創(chuàng)建完畢。(2).按照監(jiān)控程序定義系統(tǒng)數(shù)據(jù)名稱及注釋如表4-2。表4-2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)對象表數(shù)據(jù)對象名稱類型對象內(nèi)容注釋STORE0開關型緩沖臺位置是否有貨，如有貨，變量為1STORE1開關型1號庫位置是

30、否有貨，如有貨，變量為1STORE2開關型2號庫位置是否有貨，如有貨，變量為1STORE3開關型3號庫位置是否有貨，如有貨，變量為1STORE4開關型4號庫位置是否有貨，如有貨，變量為1STORE5開關型5號庫位置是否有貨，如有貨，變量為1STORE6開關型6號庫位置是否有貨，如有貨，變量為1STORE7開關型7號庫位置是否有貨，如有貨，變量為1STORE8開關型8號庫位置是否有貨，如有貨，變量為1STORE9開關型9號庫位置是否有貨，如有貨，變量為1庫位號數(shù)值型所選倉庫的庫位號巷道起重機上有貨開關型巷道起重機上有貨時變量為1，否則為0(3).制作工程畫面.在MCGS組態(tài)平臺中的“用戶窗口”中

31、單擊“新建窗口”按鈕，則產(chǎn)生新“窗口0”。在用戶窗口屬性設置欄中將“窗口名稱”改為：自動化立體倉庫控制系統(tǒng)；窗口標題改為：自動化立體倉庫控制系統(tǒng)如圖4-8所示。圖4-8 用戶窗口屬性設置.選中“自動化立體倉庫控制”窗口圖標，單擊“動畫組態(tài)”，進入動畫組態(tài)窗口，開始編輯畫面。單擊工具條中的“工具箱”按鈕，打開繪圖工具箱；單擊圖標可以打開或關閉常用圖符工具箱，常用圖符工具箱包括27種常用的圖符對象。 選擇“工具箱”內(nèi)的“標簽”按鈕，鼠標的光標呈“十字”形，在窗口頂端中心位置拖拽鼠標，根據(jù)需要拉出一個一定大小的矩形；在光標閃爍位置輸入文字“自動化立體倉庫控制系統(tǒng)演示工程”，按回車鍵文字輸入完畢；點擊

32、（填充色）按鈕，設定文字框的背景顏色為：沒有填充；點擊（線色）按鈕，設置文字框的邊線顏色為：沒有邊線；點擊（字符字體）按鈕，設置文字字體，字型，大小分別為：宋體，粗體，26；點擊（字符顏色）按鈕，將文字顏色設為：藍色。.單擊繪圖工具箱中的“插入元件”按鈕，打開“對象元件庫管理”窗口，單擊左側的“對象元件列表” 中相應的文件夾，在右側的顯示框中就會顯示該文件夾包含的所有元件，選中滿意的元件，單擊“確定”即可將該元件加入到動畫制作窗口，如圖4-9所示。在本系統(tǒng)中用到的元件有：“開關17”一個；“按鈕6” 一個，“按鈕7” 一個，“按鈕8”一個，“按鈕9” 一個，“按鈕96” 十三個，并將兩個“按鈕

33、96”重新組合，使其按鈕的顏色成為紅色；“馬達25”兩個。將指示燈、開關、按鈕、馬達調(diào)整為適當?shù)拇笮?，放在適當?shù)奈恢?。圖4-9 對象元件庫管理窗口選擇“工具箱”內(nèi)的“標簽”按鈕，鼠標的光標呈“十字”形，拖拽鼠標，根據(jù)需要拉出一定大小的矩形，分別編輯為開關、按鈕所為不同的功能和意義。.單擊常用圖符工具箱中的“立方體”按鈕，并在動畫制作窗口中拖動，畫出五個立方體，調(diào)整其長寬高，使它們的大小相等。調(diào)整五個立方體長寬高，使他們的大小相等。雙擊圖像，打開“動畫組態(tài)屬性設置”窗口（如圖4-10），將其屬性改為：填充顏色為黃色，邊線線型最大。單擊“確認”。單擊工具箱中的“直線”按鈕，在立方體中畫出數(shù)條相應的

34、直線。將立方體與直線進行組合。調(diào)整這五個立方體的位置，用作立體倉庫的貨箱。單擊常用圖符工具箱中的“彎曲管道”按鈕，并在動畫制作窗口中拖動，畫出三條長短相等的管道，放在合適的位置，作為立體倉庫的巷道。圖4-10 動畫組態(tài)屬性設置窗口.調(diào)整所有圖形的圖層、比例和位置使該自動化立體倉庫控制系統(tǒng)模型的構架基本建成，并且觀賞效果最佳，其最終效果如圖4-11所示。圖4-11 自動化立體倉庫控制系統(tǒng)監(jiān)視窗口畫面5 存在問題、展望及總結本設計初期的主要重點及難點是三維計數(shù)脈沖定位功能的實現(xiàn)，對比其他主流設計采用多傳感器，本設計只用了X、Y兩個方向的光電計數(shù)器，雖給編程帶來了很多困難，但主要利用的是軟件內(nèi)部的輔

35、助繼電器，并且充分利用內(nèi)部輔助繼電器響應時間短的有點，同時也減少了對PLC輸入輸出點數(shù)目的要求，對外部硬件要求降低了，所以在最重要的設計部分降低了成本。本設計中還存在的問題是，在判斷目標倉庫及緩沖貨倉是否有貨時，由于不方便購買光電傳感器或限位開關，在本次設計中采用了7個普通觸點開關代替，其工作原理完全一樣，在以后的實驗中，只需將普通開關換成限位開關即可，不需改變程序。自動立體倉庫控制系統(tǒng)主要是以PLC為核心，以MCGS組態(tài)軟件為拓展，可實現(xiàn)對2X3立體倉庫自動存儲貨。該系統(tǒng)具有接線簡單、編程直觀、操作容易等特點。當倉庫的數(shù)量增加時，只需添加部分同原理程序，不必重新編寫程序。調(diào)試結果表明，在適應

36、性、精確性和可靠性方面，都達到了設計所需的要求，表明該設計方案是可行的。通過對基于PLC和組態(tài)軟件控制的自動化立體倉庫設計，我學到了很多的新知識，并且更深刻的了解了有關可編程控制器的用法和功能。在這次設計過程中，也培養(yǎng)了我獨立分析、解決問題的能力。在拓展部分，也增加了我展望未來和實際動手的能力?？偟膩碚f，這次設計，使我受益匪淺。參考文獻：1 汪曉平.PLC可編程控制器系統(tǒng)開發(fā)實例導航M.北京：人民郵電出版社，20052 廖常初.FX系列PLC編程及應用M.北京：機械工業(yè)出版社，20113 周志敏，紀愛華.可編程序控制器實用技術問答.北京：電子工業(yè)出版社,20064 劉洪濤，黃海.PLC應用開發(fā)

37、從基礎到實踐.北京：電子工業(yè)出版社,20075 周美蘭，周封，王岳宇.PLC電氣控制與組態(tài)設計.北京：科學出版社，20056 常斗南.PLC運動控制實例及解析M.北京：機械工業(yè)出版社，20107 秦曾煌.電工技術.北京：高等教育出版社2007 8 清華大學教學儀器廠.立體倉庫使用說明書9 楊廣才，張丹.MCGS在PLC實驗系統(tǒng)中的應用.淮陰工學院學報.200610 北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司.MCGS用戶指南K.200311 北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司.MCGS工控組態(tài)軟件參考手冊，200312 北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司.MCGS工控組態(tài)軟件培訓教程，200313 Y

38、ousif I. Al Mashhadany. Design and Implement of a Programmable Logic Controller (PLC) for Classical Control Laboratory. Baghdad, Iraq. Electrical Engineering Department .2012致 謝在畢業(yè)論文完成之際，我要對我的輔導老師表示衷心的感謝。本篇論文是在任國強、孫業(yè)歧老師的悉心指導下完成的。兩位老師用自己淵博的知識和豐富的科研經(jīng)驗，在整個實驗和論文撰寫的過程中都給了我詳盡的指導，使我的課程設計能夠順利的完成。在此謹致以最衷心的感謝

39、和最誠摯的敬禮。最后，對各位老師審閱我的論文深表感謝，由于本人學識有限，錯誤之處在所難免，歡迎各位老師批評指正。在此，還要感謝大學四年來教過我的所有老師，是你們教授我電信方面的知識，讓我了解了電信這一專業(yè)，并對它產(chǎn)生了深厚的興趣，使我能夠順利的完成本次設計。感謝物理學院給予我的關心和幫助，感謝其他同學在設計過程中給予的支持。附 錄 64 Design and Implement of a Programmable Logic Controller (PLC) for Classical Control LaboratoryABSTRACTThe design and implementatio

40、n of a classical control system laboratory based on PLC control system is introduced in this paper. To design and implement the system, two parts must be produced. The first is software for PLC and the second is hardware for experiments related to the programs. The PLC control system used in the des

41、ign is LS industrial system company GM7-DR40A 24/16 Digital I/O and single Analog I/O module, two photoelectric sensors from Atonic company: the first with the model BR100-DDT-P, and the second BEN10M-TFR. An approximate sensor with 5-sides is detected, four of CMOS BCD-7-Segment driven by CD4511B,

42、two relays: 2-poles and 3-poles, six voltages and an ammeter measurement, DC motor and 24 VDC power supply and many connecters and pinions. Satisfactory results are obtained by executing twenty four experiments for classical control theory that fulfill the requirements of control theory in undergrad

43、uate stage and replace the old experiments executed by PID controller where the practice system is implemented by PLC control now.Key words: PLC Control System;Photoelectric Sensor 1 IntroductionPLCs were developed in the late 1960s to eliminate the large cost involved in changing complicated relay

44、based machine control systems. These systems were inflexible. Their major rewiring or complete replacement was necessary every time when the production requirements changed and control sequences had to be modified. It became very expensive when changes were frequent. The idea to replace relay system

45、s with flexible microprocessor based Programmable logic controllers PLCs was a revolutionary step in the industrial control business 1. PLCs have been used for many years at many applications. They are the main control elements of several subsystems which require relatively slow data monitoring: the

46、 radiation control, personal safety, fire and smoke alarm. All these subsystems are very cost effective and reliable. Adding new equipment to control or changing operating conditions to implement new control features can easily be done by the skilled technician staff, without any help from the Contr

47、ols Software Group. The software development tool and some ideas of device support for DirectNet PLCs became the basis of a new PLC control software library at control Lab. The software acts as a DirectNet master through any RS-232 port and consists of three main parts: a PLC driver with a state mac

48、hine control block, a device support module, and a common serial driver 2,3. Basic PLCs are available on a single printed circuit board as shown in Figure 1. They are sometimes called single board PLCs or open frame PLCs. These are totally self-contained (with the exception of a power sup-ply) and,

49、when installed in a system, they are simply mounted inside a controls cabinet on threaded standoffs. Screw terminals on the printed circuit board allow for the connection of the input, output, and power supply wires. These units are generally not expandable, meaning that extra inputs, outputs, and m

50、emory cannot be added to the basic unit. However, some of the more sophisticated models can be linked by cable to expansion boards that can provide extra I/O. Therefore, with few exceptions, when using this type of PLC, the system designer must take care to specify a unit that has enough inputs, out

51、puts, and programming capability to handle both the present need of the system and any future modifications that may be required. Single board PLCs are very inexpensive, easy to program, small, and consume little power, but, generally speaking, they do not have a large number of inputs and outputs,

52、and have a somewhat limited instruction set. They are best suited to small, relatively simple control applications 4. 2 Hardware Design for the ModelInputs to, and outputs from, a PLC are necessary to monitor and control a process. Both inputs and outputs can be categorized into two basic types: log

53、ical or continuous. Consider the example of a light bulb. If it can only be turned on or off, it is logical control. If the light can be dimmed to different levels, it is continuous. Continuous values seem more intuitive, but logical values are preferred because they allow more certainty, and simpli

54、fy control. As a result most controls applications (and PLCs) use logical inputs and outputs for most applications 5. Outputs to actuators allow a PLC to cause something to happen in a process. A short list of popular actuators is given below in order of relative popularity. Solenoid Valveslogical o

55、utputs that can switch a hydraulic or pneumatic flow. Motor Startersmotors often draw a large amount of current when started, so they require motor starters, which are basically large relays. Servo Motorsa continuous output from the PLC can command a variable speed or position. Outputs from PLCs are

56、 often relays, but they can also be solid state electronics such as transistors for DC out-puts or Triacs for AC outputs. Continuous outputs require special output cards with digital to analog converters, or can be used another module for PLC analogue o/p. Inputs come from sensors that translate physical phenomena into electrical signals. Typical examples of sensors are listed below in relative order of popularity. Proximity Switchesuse inductance, capacitance or light to detect an object logically. Switchesmechanical mechanisms