基于PLC的桶裝水堆疊機控制系統(tǒng)設計,基于,plc,桶裝,堆疊,重疊,控制系統(tǒng),設計
摘要
針對勞動力日趨緊張，工人工資成本的增加,各中、大型飲用水廠勞動力資源不足等情況，通過對多數(shù)飲用水生產(chǎn)廠家的實際調(diào)查，設計基于PLC的桶裝水堆疊機（以下稱堆疊機），該自動堆疊機占地面積少，運行費用低，每小時可將600-3000桶裝水按要求疊成1-3層（每層4*4桶或每層3*4桶），以便于運輸和存放，整臺設備只需一人即可輕松操作，最大程度上減輕了員工的勞動強度及降低整個生產(chǎn)線的人員編制。設備占地面積少，運行費用低，可將桶裝水按要求疊成1-3層（每層4*4=16桶或任意），以便于運輸和存放，整臺設備只需一人即可輕松操作，最大程度上減輕了員工的勞動強度及降低整個生產(chǎn)線的人員編。本文基于現(xiàn)代科學技術(shù)的應用和發(fā)展要求，介紹桶裝水堆疊機的應用及其功能和作用，結(jié)合現(xiàn)代科技的發(fā)展，著重研究桶裝水堆疊機控制系統(tǒng)的控制技術(shù)。本文詳細闡述了本控制系統(tǒng)的設計思想，以及整個系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)和軟件設計。
傳統(tǒng)的機械設備與產(chǎn)品,多是以機械為主,是電氣、液壓或氣動控制的機械設備。隨著工業(yè)水平的不斷發(fā)展,機械設備已逐步地由手動操作改為自動控制,設備本身也發(fā)展成為機電一體化的綜合體?？删幊绦蚩刂破?PLC)是以微處理器為核心,綜合計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。經(jīng)過30多年的發(fā)展,目前,可編程序控制器已成為工業(yè)自動化領域中最重要、應用最多的控制裝置,已躍居工業(yè)生產(chǎn)自動化四大支柱(可編程序控制器、數(shù)控機床、機器人、計算機輔助設計與制造)的首位。其應用的深度和廣度已成為衡量一個國家工業(yè)先進與自動化程度高低的標志。
關(guān)鍵詞：堆疊機，可編程序控制器(PLC)，控制系統(tǒng)
ABSTRACT
Increasingly nervous for Labour, the increased cost of workers' wages, great drinking water plant, in the labor force resources, etc., through the actual survey of most of the drinking water production factory, stack design based on PLC bottled water machine (hereinafter referred to as the \"stacker crane), the automatic palletizing machine covers an area of less, low operating cost, bottled water can be 600-600 per hour lay in 1-3 layers as required (each layer of 4 * 4 barrels or each layer 3 * 4 barrels), for transportation and storage, and the whole device needs a person can be easily operation, the largest extent, reduce the labor intensity of the staff and reduce staffing of the whole production line. Equipment covers an area of less, low operating cost, bottled water can be folded into 1-3 as required layer (each layer of 4 * 4 = 16 barrels or arbitrary), transportation and storage, in order to facilitate the whole device needs a person can be easily operation, the largest extent, reduce the labor intensity of workers and reduce the whole production line of the staff. In this paper, based on the requirement of application and development of modern science and technology, introduces the application of bottled water stacker crane and its function and role, and in combination with the development of modern science and technology, this paper studies bottled water control technology of stacker crane control system. This paper expounds the design idea of this control system, and the implementation of the whole system hardware and software design.
More than the traditional mechanical equipment and products, mainly on mechanical, electrical, hydraulic or pneumatic control is the mechanical equipment. With the continuous development of industrial level, mechanical equipment has been gradually from manual to automatic control, the device itself also developed into a complex of electromechanical integration. Programmable controller (PLC) is a microprocessor as the core, integrated computer technology, automation technology and communication technology, developed a kind of new industrial automatic control device. After 30 years of development, at present, the programmable controller has become the most important and most used in industrial automation control equipment, industrial production automation has become the four pillars (programmable controller, CNC machine, robot, computer aided design and manufacturing) of the first. The application of the depth and breadth of has become a measure of a country advanced industrial and automation level.
KEY WORDS: stacker crane, control systembagging ,Programmable controller
目 錄
摘 要 1
ABSTRACT 2
目 錄 3
1 緒論 4
1.1 引言 4
1.2 PLC概述 4
1.3 桶裝水堆疊機設計的內(nèi)容 6
1.3.1 桶裝水堆疊機的應用現(xiàn)狀 6
1.3.2 桶裝水堆疊機設計的要求 6
2 桶裝水堆疊機結(jié)構(gòu)特點 7
2.1 概述 7
2.2 桶裝水堆疊機系統(tǒng)組成及其特點 7
3 桶裝水堆疊機控制系統(tǒng)硬件設計 11
3.1 PLC控制的優(yōu)點及選取 11
3.2 PLC控制系統(tǒng)硬件設計 14
4 桶裝水堆疊機控制系統(tǒng)軟件設計 19
4.1 堆疊機自檢和復位/歸位程序 20
4.2 自動方式下的堆疊機運行控制 22
4.3 手動方式下的堆疊機運行控制 26
4.4 步進電機驅(qū)動程序 29
5系統(tǒng)抗干擾措施 30
5.1抗電源干擾 30
5.2 控制系統(tǒng)接地 30
5.3 防I/O信號干擾 31
結(jié)論 32
參考文獻 33
致謝 34
附錄 35
1 緒論
1.1 引言
隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)力水平的不斷提高，人們對降低勞動強度、改善工作環(huán)境同時重視起來。桶裝純凈水等行業(yè)對生產(chǎn)質(zhì)量和勞動效率的要求也日益提高，從而促進了這些企業(yè)的現(xiàn)代化改造。而傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)由于其生產(chǎn)效率低下而成為這些行業(yè)產(chǎn)量和生產(chǎn)質(zhì)量提高的巨大障礙，已不能滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)的需要。用戶為了便于產(chǎn)品的運輸和存儲，設計基于PLC的桶裝水堆疊機，設備采用PLC+觸摸屏控制，實現(xiàn)智能化操作管理，簡便、易掌握。可大大地減少勞動力和降低勞動強度。
1.2 PLC概述
上世紀六十年代末，美國最大的汽車制造商——通用汽車公司(GM)為滿足市場需求，適應汽車生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，提出了著名的十條技術(shù)指標公開向社會招標，要尋求一種比繼電器更可靠，響應速度更快、功能更強大的通用工業(yè)控制器。1969年，美國數(shù)字設備公司(DEC)根據(jù)十條要求研制出世界上第一臺可編程控制器PDP-14，并在GM公司的汽車生產(chǎn)線上首次應用成功?？删幊炭刂破魇且晕⑻幚砥鳛楹诵模央姎鈧鲃雍瓦壿嬁刂?、自動測量和調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)計算和處理有機地結(jié)合起來，具有豐富的軟件資源的現(xiàn)代化工業(yè)自動化控制器。經(jīng)過30多年的發(fā)展，現(xiàn)在可編程控制器己經(jīng)成為最重要、最可靠、應用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計算機。在可編程控制器中，充分應用了大規(guī)模集成電路技術(shù)、微電子技術(shù)及通信技術(shù)，迅速地從早期的邏輯控制發(fā)展到進入位置控制、過程控制等領域。
可編程序邏輯控制器(Programmable Logical Controller)，又稱PC或PLC，它是以微型計算機為基礎的一種為用于工業(yè)環(huán)境而設計的數(shù)字式電子系統(tǒng)，這種系統(tǒng)用可編程序存儲面向用戶指令的內(nèi)部寄存器，完成規(guī)定的功能，如：邏輯、順序、定時、計數(shù)、數(shù)字運算、數(shù)據(jù)處理等，通過數(shù)字量的輸入、輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。
可編程控制器是“專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的工業(yè)控制計算機”，由于其具有很強的抗干擾能力，很高的可靠性，能在惡劣環(huán)境下工作的大量的I/O接口，因此，伴隨著新產(chǎn)品、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，始終保持著旺盛的市場生命力?？删幊炭刂破鞯某霈F(xiàn)，除了取代傳統(tǒng)的繼電器控制外，正在逐步占領DCS和PID市場份額。國際市場,當今世界的PLC生產(chǎn)廠家約200多家，生產(chǎn)400多種PLC。全球最大的5家PLC制造商，德國SIEMENS公司、美國A-B公司、SCHNEIDER公司、日本的MITSUBISHI公司、OMRON公司、三菱公司約占全球市場銷售額的67％。我國對可編程控制器的研制始于1974年，目前全國有幾十個生產(chǎn)廠家，但產(chǎn)品多為128個開關(guān)量I/O點以下的小型機。
我國應用PLC還處于初級階段，而且局限于鋼鐵、化工、汽車、機床、煤炭、電站等領域，其他行業(yè)的應用尚未普及，中國尚有廣闊的應用領域等待開拓。我國90％的PLC市場由國外占領，中、大型PLC中，幾乎100％是國外產(chǎn)品，以美國MODICON公司、GE公司、德國SIEMENS，日本富士公司為主。我國的包裝設備在許多方面采用了PLC，并取得了非常好的效果。
隨著計算機科學的發(fā)展和工業(yè)自動化愈來愈高的需求，可編程控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其技術(shù)和產(chǎn)品日趨完善。僅僅將PLC理解為開關(guān)量控制的時代已經(jīng)過去，PLC不僅以其良好的性能滿足了工業(yè)生產(chǎn)的廣泛需要，而且將通信技術(shù)和信息處理技術(shù)融為一體，其功能也日趨完善。今后，PLC將主要朝著以下兩個方向發(fā)展：一個是向超小型專用化和低價格方向發(fā)展；另一個是向高速多功能和分布式自動化網(wǎng)絡方向發(fā)展。趨勢如下：
（1）系統(tǒng)構(gòu)成規(guī)模向大、小兩個方向發(fā)展。大是指大容量、高速度、多功能、高性能。小是指小型化、專用化、模塊化、低成本。
（2）功能不斷增強，各種應用模塊不斷推出。
（3）產(chǎn)品更加規(guī)范化、標準化。
1.3 桶裝水堆疊機設計的內(nèi)容
1.3.1 桶裝水堆疊機的應用現(xiàn)狀
在工業(yè)生產(chǎn)中，機器人堆疊機可以集成在任何生產(chǎn)線中，為生產(chǎn)現(xiàn)場提供智能化、機器人化、網(wǎng)絡化，可以實現(xiàn)啤酒、飲料和食品行業(yè)多種多樣作業(yè)的堆疊物流，廣泛應用于紙箱、塑料箱、瓶類、袋類、桶裝、膜包產(chǎn)品及灌裝產(chǎn)品等。配套于三合一灌裝線等，對各類瓶罐箱包進行堆疊。堆疊機自動運行分為自動進箱、轉(zhuǎn)箱、分排、成堆、移堆、提堆、進托、下堆、出垛等步驟。如果能提高給料系統(tǒng)的精度、自動化程度，就有著重要的現(xiàn)實意義。
堆疊機屬于工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺國家實驗室的搬運核原料的遙控機械操作手。工業(yè)機器人是一種能自動控制、可重復編程、多功能、多關(guān)節(jié)的操作機。它可以是固定式或移動式的，用于工業(yè)自動化作業(yè)中。工業(yè)機器人與其他專用自動機的主要區(qū)別在于，專用自動機是適應于大量生產(chǎn)的專用自動化設備，而工業(yè)機器人是一種能適應產(chǎn)品種類變更,具有多自由度動作功能的柔性自動化設備。
1.3.2 桶裝水堆疊機設計的要求
（1）進行對桶裝水堆疊機系統(tǒng)的控制工藝流程分析，確定系統(tǒng)原理。
（2）完成對桶裝水堆疊機控制系統(tǒng)的運行過程分析及控制系統(tǒng)功能，系統(tǒng)硬件分析控制參數(shù)選擇及電控系統(tǒng)的需求，PLC的選型，確定此系統(tǒng)的布置形式。
（3）電路系統(tǒng)等供電設計，PLC控制系統(tǒng)設計及方案論證。
（4）系統(tǒng)軟件分析，系統(tǒng)狀態(tài)流程圖設計，系統(tǒng)抗干擾措施。
2 桶裝水堆疊機結(jié)構(gòu)特點
2.1 概述
所謂堆疊機是將已裝入容器的紙箱，按一定排列碼放在托盤、棧板（木質(zhì)、塑膠）上，進行自動堆碼，可堆碼多層，然后推出，便于叉車運至倉庫儲存。本設備采用PLC+觸摸屏控制，實現(xiàn)智能化操作管理，簡便、易掌握?？纱蟠蟮販p少勞動力和降低勞動強度。堆疊機是輸送機輸送來的料袋、紙箱或是其它包裝材料按照客戶工藝要求的工作方式自動堆疊成垛，并將成垛的物料進行輸送的設備。
桶裝水堆疊機是一個典型的機電一體化系統(tǒng)。所謂的機電一體化系統(tǒng)是指在系統(tǒng)的主功能、信息處理功能和控制功能等方面引進了電子技術(shù)，并把機械裝置、執(zhí)行部件、計算機等電子設備以及軟件等有機結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)，即機械、執(zhí)行、信息處理、接口和軟件等部分在電子技術(shù)的支配下，以系統(tǒng)的觀點進行組合而形成的一種新型機械系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機械系統(tǒng)(機構(gòu))、電子信息處理系統(tǒng)(計算機)、動力系統(tǒng)(動力源)、傳感檢測系統(tǒng)(傳感器)、執(zhí)行元件系統(tǒng)(如電機)等五大子系統(tǒng)組成。其五種內(nèi)部功能即主功能、動力功能、檢測功能、控制功能、構(gòu)造功能。
機電一體化系統(tǒng)的一大特點是由于機電一體化系統(tǒng)的微電子裝置取代了人對機械的絕大部分的控制功能，并加以延伸和擴大，克服了人體能力的不足和弱點。另一大特點是節(jié)省能源和材料消耗。其主要特征是自動化操作。
2.2 桶裝水堆疊機系統(tǒng)組成及其特點
①系統(tǒng)組成
該機采用滑道式自重力進瓶，侍機狀態(tài)無功率消耗，能耗極低；內(nèi)置接近信號檢測機構(gòu)跟據(jù)產(chǎn)量自動調(diào)節(jié)堆疊速度達到與灌裝出瓶線配套。提瓶系統(tǒng)采用最新式設計氣動對向型夾瓶，不傷瓶口及收縮膜、不掉瓶，耗氣量小。?升降系統(tǒng)采用直線軸承滑塊式軟連接結(jié)構(gòu)，具有提升速度穩(wěn)定，意外故障機械保護等功能，有效保障了機器在特殊故障下的自保護功能。該機提升、平移位置采用數(shù)控技術(shù)檢測定位，提瓶、放瓶位置相當精確，避免了過多使用定位開關(guān)引起故障率高的缺點。提桶采用伺服系統(tǒng)，水桶在提升及平移過程中以高、低、中多段速運行（低速夾瓶-中高速運行-低速放瓶），叢而使整個運作過程動作協(xié)調(diào)，運行平穩(wěn)。該機升降運動位置均設光電檢測保護開關(guān)，機器運行時，如果檢測部位檢測到異?，F(xiàn)象產(chǎn)刻停機并報警，最大程度上保護了生產(chǎn)人員及設備的安全。
② 堆疊機特點
堆疊機技術(shù)特點：低位進箱，占用空間少，生產(chǎn)能力大；整機PLC控制，全自動運行；適應多種垛型及瓶型，調(diào)整方便；多處安全保護，可帶觸摸屏控制；采用優(yōu)質(zhì)輸送鏈分段傳動，輸出段可任意加長；電機、氣缸傳動及控制全部采用進口名牌元件；盡量采用304材料，整機美觀大方；特別適應于碼熱收縮膜包裝的產(chǎn)品。
通過自帶水氣混合裝置或客戶原有水氣混合系統(tǒng)，將臭氧氣體與水充分混合生成臭氧水，直接作用于原料用水，達到消毒滅菌的效果。
桶裝純凈水生產(chǎn)設備技術(shù)參數(shù)：
生產(chǎn)能力：900-1500桶/小時(變頻控制);1500-2400桶/小時(伺服控制)
適用桶型：3加侖或5加侖
堆疊層數(shù)：三層(加高堆疊層數(shù)可特殊定制)
托盤尺寸：1200*1200(可特殊定制)
機型尺寸：L7757*W6255*H3052-4580
設備功率：8KW
控制電源：DC24V
壓縮空氣：0.4-0.6Mpa，20L/Min
設備重量：5500KG
桶裝純凈水生產(chǎn)設備具體情況介紹：
桶裝純凈水生產(chǎn)設備是由全自動控制、自動取托盤、自動進桶、自動抓桶堆疊、自動取放層隔板、自動出垛。
桶裝純凈水生產(chǎn)設備結(jié)構(gòu)特點：
1、由鋁合金、工程塑料及碳鋼噴涂電鍍制成的安全防護裝置符合國家標準。
2、采用側(cè)進桶方式：占地面積小，簡化堆疊機前的輸送系統(tǒng)，降低整線設備投資成本。
3、采用框架式結(jié)構(gòu)：四根立柱受力，結(jié)構(gòu)更先進合理，動作更輕便平穩(wěn)，功耗也較小。
4、采用德國IGUS直線定位系統(tǒng)：定位精度高、運動動作準確，有效降低設備運行時的沖擊及振動，大大提高設備運行穩(wěn)定性及可靠性;免潤滑、免維護，衛(wèi)生狀況好，使用壽命長。
5、主傳動采用變頻調(diào)速(伺服調(diào)速)及PLC控制技術(shù)，結(jié)合人機界面，實現(xiàn)無級調(diào)速，主控制采用SIEMENS可編程控制器，具有快速的通訊能力和強大的診斷功能，保證了系統(tǒng)的可靠性。操作方便，結(jié)構(gòu)緊湊合理，自動化程度高。
6、運行平穩(wěn)：整個堆疊過程的動作通過變頻電機(伺服電機)獨立驅(qū)動不同的機械機構(gòu)使產(chǎn)品提升、平移、降落，并與氣動、電、光控制相結(jié)合實現(xiàn)自動化操作。動作協(xié)調(diào)，運動平穩(wěn)準確。堆疊動作由水平移動及垂直移動結(jié)合而成：水平移動是由變頻電機(伺服電機)驅(qū)動同步皮帶來完成。
7、符合食品衛(wèi)生要求：采用無油潤滑的氣動元件，大部份運動部件之間均采用了終生不需要注油潤滑的人性化設計，為用戶減少了大量的使用成本。小部份運動件需要用戶加油潤滑的部位采用了集中潤滑方案，加油方便，日常維護簡便省事;同時噪音小，又沒有油污染。
8、本機設有多種保護功能，出現(xiàn)故障時及時停機。人員進入安全隔離線時自動停機等。故障停機時觸摸屏上有故障顯示，實現(xiàn)快速診斷及排除。
生產(chǎn)時機器上板倉機自動放置一個托盤通過輸垛系統(tǒng)輸送至堆疊位，桶裝水在套袋后由輸送帶輸送至堆疊機，通過氣動控制的理桶機構(gòu)排列成2排(每排4桶或5桶，每排5桶時須錯位排列)，抓桶機構(gòu)將桶裝水抓取放到托盤上，碼完一層后自動取一塊層隔板放到桶裝水上，再重復進行第二層堆疊作業(yè)。
3 桶裝水堆疊機控制系統(tǒng)硬件設計
3.1 PLC控制的優(yōu)點及選取
① 高可靠性；
（1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。
（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10~20ms.
（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。
（4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。
（5）對采用的器件進行嚴格的篩選。
（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。
（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。
② 豐富的I/O接口模塊；
PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強電或弱電等。有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件設備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。
另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。
③ 采用模塊化結(jié)構(gòu)；
為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化PLC，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。
④編程簡單易學；
PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。
⑤安裝簡單，維修方便；
工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。
由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。
根據(jù)實際的控制點數(shù)和系統(tǒng)需要實現(xiàn)的控制要求，在本設計中選用西門子的S7-200系列的PLC作為控制中心。
S7-200系列PLC是德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型PLC,超小型是指其功能具有大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC的價格一樣。可以單機運行，也可以輸入/輸出擴展。它結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運行速度快，繼承和發(fā)揮了它在大、中型PLC領域的技術(shù)優(yōu)勢，又極豐富的指令集，具有強大的多種集成功能和實時特性，配有功能豐富的擴展模塊，性能價格比非常高。因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。
S7-200硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式加積木式，即主機中包含一定數(shù)量的I/O輸入輸出，同時還可以擴展各種功能模塊。
（1）基本單元：基本單元有時又稱作CPU模塊，也有的稱之為主機或本機。特包括CPU、存儲器、基本輸入輸出點和電源等,是PLC的主要部分。它實際上就是一個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨的完成一定的控制任務。
（2）擴展單元：主機I/O數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時，用戶可以根據(jù)需要擴展各種I/O模塊，所能連接的擴展單元的數(shù)量和實際所能使用的I/O點數(shù)是多種因素共同決定的。
（3）特殊功能模塊：當需要完成某些特殊功能的控制任務時，可與SIMATIC S7-200主機相連，已完成某種特殊的控制任務而特制的一種裝置。
（4）相關(guān)設備：相關(guān)設備是為了充分和方便的利用SIMATIC S7-200系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)和使用的一些設備，主要有編程設備、人際操作界面和網(wǎng)絡設備等。
（5）工業(yè)軟件：工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設備而開發(fā)的與之相配套的程序，它主要有標準工具、工程工具、運行軟件和人機接口等幾大類構(gòu)成。
SIMATIC S7-200的CPU模塊包括一個中央處理單元、電源以及數(shù)字I/O點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。CPU負責執(zhí)行程序，以便對工業(yè)自動化控制任務或過程進行控制。輸入部分則輸出控制信號，控制工業(yè)過程中的設備。
根據(jù)控制點數(shù)來計算，可以選用CPU-226這個型號的CPU，CPU226有24輸入/16輸出，最大可以擴展為248點數(shù)字量或35點模擬量。其特點如下：
① 集成的24V電源：可直接連接到傳感器和變送器、執(zhí)行器，可用作負載電源。
② 高速脈沖輸出：具有2路高速脈沖輸出端，輸出脈沖頻率可達20KHZ，用于控制步進電機或伺服電機，實現(xiàn)定位任務。
③ 通信口：CPU226具有2個RS-485通信口，支持PPI、MPI協(xié)議，有自由口通信能力。
④ 模擬電位器：CPU226有兩個模擬電位器，用來改變特殊寄存器中的數(shù)值，以改變程序運行的參數(shù)，如定時器、計數(shù)器的預設值，過程量的控制參數(shù)。
⑤ 中斷輸入允許以極快的速度對過程信號的上升沿做出響應。
⑥ 數(shù)字量輸入/輸出點：CPU226具有24輸入/16輸出，輸出點為24V直流雙向偶看光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流兩種類型，可擴展模塊為7個。
⑦ CPU226有6個30KHZ的高速計數(shù)器，用于捕捉比CPU掃描頻率更高的脈沖信號。
由于S7-200-CPU226的集成24輸入/16輸出不能滿足設計的要求，所以又選用了EM221擴展模塊和EM235擴展模塊，正好滿足設計的需要。所選模塊型號如表3.1所示。
表3.1 擴展模塊選型表
系列號
類別
描述
選型型號
數(shù)量
EM221
輸入擴展模塊
DI16
6ES7221-1BH22-0XA0
1
EM235
輸入/輸出擴展模塊
AI4/AO1
6ES7235-0KD22-0XA0
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由于CPU226的輸入點只有24個，不能滿足設計的輸入點的需要，所以加入一個EM221模塊，該模塊有16個數(shù)字輸入點，總體上可以滿足系統(tǒng)輸入的要求。另外加入兩個EM235模擬量輸入/輸出模塊是為控制水平和垂直運行的交流電機。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如3.1所示：
圖3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
3.2 PLC控制系統(tǒng)硬件設計
PLC控制系統(tǒng)為桶裝水堆疊機的核心部分，而在堆疊過程中，動作多，運動復雜，這就要求控制系統(tǒng)具有很高的可靠性、良好的節(jié)能措施、很強的故障診斷能力，確保生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。本系統(tǒng)中堆疊機運行機構(gòu)由水平運行的行走機構(gòu)，垂直運行的起升機構(gòu)及取送貨的伸叉機構(gòu)三部分組成。水平部分運動電機和垂直部分運動電機分別采用220W的三相交流異步電動機和200W的單相交流異步電動機，由西門子S7-200PLC通過變頻器進行控制。伸叉機構(gòu)電機采用兩相混合式步進電機，由西門子S7-200通過步進電機驅(qū)動器進行控制。由堆疊機運行機構(gòu)特點及工作要求可知，能否保證堆疊機的穩(wěn)定工作，關(guān)鍵在堆疊機的三維位置移動定位的精確性。
主要技術(shù)指標和和主要設計參數(shù)
堆疊機運行的速度范圍：
水平方向：2m/min~360m/min；
垂直方向：2m/min~80/min；
貨叉：2m/min~60/min
堆疊機的控制方式有自動和手動控制。
① 手動方式通過堆疊機的轉(zhuǎn)換開關(guān)及按鈕控制堆疊機水平和提升運動及貨叉伸縮。同時運動速度可以手動選擇。手動操作時，系統(tǒng)應給予相應的警示信號，同時系統(tǒng)將解除大部分的保護控制。手動操作主要用于安裝、調(diào)試和排除故障。
② 單機自動用人機界面對堆疊機進行全自動的控制，控制系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)進行全自動的取送貨動作。界面操作時，應具備對貨物的單送、單取操作。人機界面應具備實時顯示設備運行工況，故障及歷史故障查詢等功能。
堆疊機控制系統(tǒng)中上位機完成的只是數(shù)據(jù)輸入和傳送，主要的控制任務是由PLC來完成。
① 作業(yè)命令處理：確定作業(yè)狀態(tài)時自動還是手動；確定作業(yè)指令是存貨入庫還是取貨出庫；確定作業(yè)地址包括列地址和層地址。
② 位置技術(shù)及判斷：沿著堆疊機的行進方向和載貨臺的升降方向設置認址片，PLC通過檢測認址片來判斷堆疊機位置和載貨臺的位置，每經(jīng)過一個認址片，PLC的高速計數(shù)器就自動計數(shù)一次，前進加一，后退減一，上升加一，下降減一。到達預定位置后，堆疊機停車。
③ 速度調(diào)整和準確停車：根據(jù)堆疊機和目標位置的距離，PLC輸出速度調(diào)整的控制信號給變頻器，通過變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，在停車之前先把堆疊機的運行速度降低到低速檔，使堆疊機以低速接近目標位置，保證堆疊機的穩(wěn)定性。
④ 作業(yè)任務的順序邏輯控制：按照入庫、出庫的作業(yè)順序，確定各輸出點的得電狀態(tài)，完成作業(yè)順序的邏輯控制。
⑤ 安全保護：水平行走、載貨臺升降及貨叉的伸縮等都有限位保護。
⑥ PLC還有工作故障報警功能。
本系統(tǒng)由上位監(jiān)控級與直接控制級組成。監(jiān)控級對通訊、流程進行控制，并進行實時圖像顯示，直接控制級是由PLC(可編程序控制器)組成的控制系統(tǒng)對各設備進行單機自動操作。采用組態(tài)系統(tǒng)建立監(jiān)控界面，同時將運行系統(tǒng)的狀態(tài)反饋到監(jiān)控計算機。堆疊機采用西門子公司的S7-200型PLC控制，與變頻器結(jié)合對堆疊機進行變頻調(diào)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖3.2所示。
圖3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
由堆疊機的作業(yè)流程，水平運行機構(gòu)和垂直起升機構(gòu)使堆疊機到達目標位置，貨叉伸縮機構(gòu)完成存取貨。要完成對堆疊機自動控制系統(tǒng)的設計，要保證堆疊機能準確到達目標位置，在設計堆疊機自動控制系統(tǒng)時，關(guān)鍵在于準確可靠的認址和定位保證堆疊機準確無誤的定位在目標貨位。為了提高存取效率和保證堆疊機穩(wěn)定性，必須對堆疊機速度進行合理有效的控制，其中速度位置檢測關(guān)鍵部分。
堆疊機速度位置控制的實現(xiàn)方法如圖3.3所示，控制系統(tǒng)由PLC控制器、調(diào)速系統(tǒng)、編碼器、認址片和認址器組成，實現(xiàn)位置和速度的雙閉環(huán)控制。
圖3.3 堆疊機位置速度控制框圖
定位控制就是確定堆疊機停止在目標貨位的功能。自動倉庫的認址檢測系統(tǒng)有兩項任務：一是實現(xiàn)自動尋址，使堆疊機自動找到被指定到達的位置；二是自動準確停準，即堆疊機停準位置不超出規(guī)定的精度。為此，貨架上的每個貨位必須具有堆疊機能識別的編碼，所以將貨架兩側(cè)編成X1、X2，沿堆疊機運行方向?qū)⒇浖芫帪?~Y列，垂直方向編為0~Z層。這樣每個貨位就有了獨立的三維坐標地址，堆疊機自動檢測目前的坐標地址，使其能到達目標位置。因為貨架兩側(cè)分為X1、X2，只有兩個方向，反應到堆疊機上只是貨叉左伸、右伸運動，此方向不用檢測，所以實際上堆疊機位置的檢測只是對Y、Z位置的檢測。
認址方式：
（1）絕對認址：絕對認址是將每一個貨位賦予唯一的開關(guān)狀態(tài)，給每個貨位制作一個專用的認址片，堆疊機上相應安裝一個識別器，通常是二進制編碼板和一組光電開關(guān)的組合，通過讀取認址片的代碼來判斷堆疊機的當前位置。
（2）相對認址：相對認址時每個貨位的認址片結(jié)構(gòu)相同。每經(jīng)過一個貨位，就對地址編碼進行加1或減1，一直移動到和預定位置號一致時停止運行。
（3）編碼器定位法：編碼器定位方式主要有兩種：從動輪與軌道旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式、鏈輪與鏈條旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式。從動輪與軌道旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式。堆疊機的從動輪上配有同軸旋轉(zhuǎn)編碼器，從動輪與軌道近似純滾動，因此通過對旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換，可以得到堆疊機的相對運行位置。
（4）激光測距定位：激光測距定位是近年來應用于堆疊機準確定位的新技術(shù)，用激光測距儀通過測量堆疊機到基準點的距離和事先存儲的位置數(shù)據(jù)比較來確定堆疊機的當前位置。這種方法的精度很高，但是使用時堆疊機和激光發(fā)射器和反射板之間不允許有物體，否則會遮擋住激光的傳輸路徑，使系統(tǒng)無法準確定位。
為完成對堆疊機的位置控制，必須能檢測出堆疊機的運行位置，本文設計的堆疊機系統(tǒng)認址方式有：
（1）水平認址系統(tǒng)：水平方向采用激光測距傳感器，當前數(shù)據(jù)為位移值，經(jīng)過PLC計算后的數(shù)據(jù)為當前速度值。激光測距傳感器安裝在堆疊機上，目標放射板安裝在巷道末端。在立體倉庫巷道通道中的激光測距范圍(激光發(fā)射器與反射板之間)內(nèi)不得有任何物體遮擋激光光線。激光測距的原理是通過發(fā)射出的激光光線長度來測定距離，其光線就好比一把光尺，如果物體遮擋激光光線，讓它脫離原標準原點的測定位置，將影響實際要求的測定距離，從而使道堆疊機走位偏離所設定的位置，產(chǎn)生貨叉取/存儲錯位或起始點撞擊巷道堆疊機端部緩沖制動器的情況。因此，在巷道堆疊機工作時不允許有任何物體遮擋激光光線，對于激光光線通道應采取隔離保護措施，保證激光測距的準確性和自動化系統(tǒng)的安全性。
（2）縱向認址系統(tǒng)：堆疊機縱向方向的層定位采用光電開關(guān)和認址片組合定位，即在堆疊機的上下安裝兩個光電開關(guān)，在每層的貨位上安裝認址片。低位為取貨開始伸叉或放貨完畢收叉的位置，高位為放貨開始伸叉或取貨完畢收叉的位置。為使貨叉能完成作業(yè)，堆疊機在垂直方向上必須要提供使貨叉能停在高位或低位的檢測裝置。所以在堆疊機的升降臺上安裝三個光電開關(guān)，與升降臺一起上升下降，中間的一個共用，其他兩個分別為上位置和下位置。存貨開始或取貨結(jié)束時，升降臺貨叉停在高位置，下面兩個光電開關(guān)處于認址片內(nèi)；取貨開始或存貨結(jié)束時，貨叉停在低位置，此時上面兩個光電開關(guān)處于認址片內(nèi)。
其認址狀態(tài)如表3.2所示：
表3.2 認址狀態(tài)表
上升
下降
傳感器
存貨高位
取貨低位
存貨高位
取貨低位
A1
……
計數(shù)、減速、定位
……
定位、停止
A2
計數(shù)、減速、定位
定位、停止
定位、停止
計數(shù)、減速、定位
A3
……
計數(shù)、減速、定位
……
4 桶裝水堆疊機控制系統(tǒng)軟件設計
S7-200可編程控制器主要使用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進行編程和其它一些相關(guān)處理。STEP7-Micro/WIN 32編程軟件是基于Windows的應用軟件，由西門子公司專為SIMATIC S7-200系列可編程控制器設計開發(fā)，功能強大，主要由用戶用來開發(fā)控制程序，同時也可以實時監(jiān)控用戶程序執(zhí)行狀態(tài)。
它提供三種編輯器來創(chuàng)建你的程序：梯形圖、語句表和功能塊圖。用任何一種程序編寫程序，都可以用另外一種程序編輯器來瀏覽和編輯，但要遵守一些輸入規(guī)則。語句表編輯器按照文本語言的形式顯示程序，此編輯器允許你輸入指令助記條款來創(chuàng)建你的控制程序。
本文設計的堆疊機控制系統(tǒng)采用手動和自動兩種操作方式，其中自動又有自動入庫和自動出庫兩種工作狀態(tài)。
（1）自動：由操作員在下層控制臺輸入貨單，發(fā)出運行命令，碼跺機根據(jù)貨單和命令自動運行完成任務，實現(xiàn)甩手操作。
（2）手動：由操作員親自駕駛碼跺機進行取貨和放貨操作，其中可以操作貨叉的升降、伸縮，碼跺機的上升下降，前進，后退操作，來完成貨單任務。
程序采用模塊化的方式進行編寫，最后再將程序的各個部分集成為能完成完整功能的完整的程序。系統(tǒng)采用中間信號來實現(xiàn)對具體運行動作的控制，從而更準確更安全的完成作業(yè);并采用指示燈在現(xiàn)場指示系統(tǒng)具體的工作狀態(tài)，并將工作信息寫入到內(nèi)存中，方便上位機對碼跺機系統(tǒng)的運行進行實時的監(jiān)視。圖4.1是系統(tǒng)主程序流程圖。
圖4.1 主程序流程圖
4.1堆疊機自檢和復位/歸位程序
堆疊機自檢程序：
堆疊機每次開機上電時，PLC系統(tǒng)通電，然后執(zhí)行用戶編寫的功能模塊程序。PLC系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行圖4.2堆疊機自檢程序。堆疊機自檢子程序主要是判斷上次系統(tǒng)是否正常關(guān)機，如果屬于非正常關(guān)機，堆疊機有無不安全因素（貨叉是否在收叉位置，載貨臺上有無貨物，貨位位置是否正常等），如果存在不安全因素，堆疊機開始報警，等待故障處理。如果正常關(guān)機，則判斷堆疊機工作模式。在手動操作模式下，執(zhí)行手動操作子程序。在自動模式下，則由堆疊機機載控制柜上的觸摸屏操作下發(fā)作業(yè)任務。
圖4.2 堆疊機自檢子程序流程圖
堆疊機復位/歸位程序：
當碼跺機在運行過程中出現(xiàn)錯誤時(如認址認數(shù)器計數(shù)錯誤等)，若不及時糾正，就會使倉庫管理出現(xiàn)混亂，所以就需要系統(tǒng)能通過控制按鈕方便的恢復系統(tǒng)的部分數(shù)據(jù)或設置，及時恢復系統(tǒng)的正常運行。根據(jù)不同錯誤的嚴重情況，設立系統(tǒng)歸位和系統(tǒng)復位兩種方式。
碼跺機復位程序流程圖如圖4.3所示。當按下歸位按鈕超過3s碼跺機開始在水平與垂直兩個方向同時以中速返回原位。當碼跺機經(jīng)過強制限速點時，強制為低速，直到運動到原位停止。到達原位后，復位計數(shù)器；當水平與垂直兩個方向均到達原位后，歸位動作完成。若重新啟動被按下超過3s，系統(tǒng)會執(zhí)行初始化程序，對系統(tǒng)的各個內(nèi)存區(qū)及自由端口進行重新定義，同時，系統(tǒng)會啟動返回原位程序，以重新設定計數(shù)器的當前值；若不需要碼跺機歸位，則可以再松開重新啟動按鈕后，再短按一次重新啟動按鈕(小于3s)，就可停止系統(tǒng)回歸原位。
圖4.3 復位程序流程圖
4.2 自動方式下的堆疊機運行控制
堆疊機執(zhí)行自動入庫作業(yè)的初始條件為堆疊機位于入庫口，升降臺位于最下位置，入庫臺車在堆疊機前進方向的右邊，車上有貨物，堆疊機貨叉上無貨物。操作開始先在上位機的監(jiān)控界面上輸入待入庫目標貨位的列、層數(shù)，選擇入庫動作，然后按下運行鍵，系統(tǒng)開始執(zhí)行入庫作業(yè)。于是堆疊機向入庫口的貨位伸叉,伸叉到位后貨叉向上托起，托到貨物后堆疊機收叉，然后貨叉托著貨物回到貨叉中位，貨叉停止，載著貨物的堆疊機向目的貨位移動，到達目的貨位之后檢測目標貨位是否有貨，如無貨堆疊機向入庫目標貨位伸叉，伸叉到位后貨叉下降，將貨物放到貨位上后堆疊機收叉，然后貨叉回到貨叉中位，貨叉停止，堆疊機返回到入庫口位置待命，準備下一次作業(yè)。出庫的作業(yè)順序與入庫的作業(yè)順序類似。
初始化程序設計：
這段程序主要是對所需的計數(shù)器、寄存器進行初始化復位。
網(wǎng)絡1和2是對兩個計數(shù)器進行復位，其中計數(shù)器C2是對輸入的倉庫號的列數(shù)進行計數(shù)，C3是對輸入倉庫號的層數(shù)進行計數(shù)。如圖4.4所示。
網(wǎng)絡3中VW100,VW102分別放置輸入的列數(shù)和層數(shù)，VB100中放置鍵盤的十六進制輸入值。如圖4.5所示。
圖4.4 網(wǎng)絡1，網(wǎng)絡2
圖4.5 網(wǎng)絡3
運行方式選擇程序：
圖4.6 網(wǎng)絡4，網(wǎng)絡6
如圖4.6所示，當I0.7得電時，選擇自動方式，然后調(diào)用自動子程序（SBR_0），I0.7失電時，即選擇了手動運行方式，然后調(diào)用手動子程序（SBR_1）。
自動控制中的尋址定位：
自動控制子程序中的網(wǎng)絡，采用兩對光電開關(guān)來定位，當兩對同時閉合時，說明已經(jīng)到達所到的列或?qū)印?
如圖4.7，4.8所示，網(wǎng)絡11，C2中的計數(shù)脈沖數(shù)和VW100中輸入的倉庫的列數(shù)進行比較，相等時說明已經(jīng)到達列，小車停止前進，到達列標志M30.0。
圖4.7 網(wǎng)絡11
網(wǎng)絡13中，當列和層都到位時，調(diào)用步進電機子程序，機械手前伸取/放貨物。
圖4.8 網(wǎng)絡12
M30.2是取/放完成標志，當取放完成時，手臂縮回如圖4.9所示，并置動作完成標志M30.3。
圖4.9 網(wǎng)絡13，網(wǎng)絡14
4.3 手動方式下的堆疊機運行控制
手動控制中的尋址定位：
手動控制子程序中，手動運動時經(jīng)過每一列或?qū)訒r指示燈都會亮如圖4.10所示（網(wǎng)絡1中Q2.0\Q2.1分別接層/列顯示燈），燈亮后才可以伸縮機械手臂如圖4.11所示（見網(wǎng)絡2中）。
圖4.10 網(wǎng)絡1
圖4.11 網(wǎng)絡2
手動方式下的貨叉運行控制：
手動方式下貨叉的運行控制是分步進行的，貨叉的任何兩個動作均不聯(lián)動。程序流程圖如4.12所示。
圖4.12 手動方式貨叉運行程序圖
4.4步進電機驅(qū)動程序
圖4.13 網(wǎng)絡1
如圖4.13所示，將16#85送給SMB67是設置PTO的控制字節(jié)，選擇PTO方式，時基為1us。然后設置周期為50us,脈沖數(shù)為70000個。
當動作完成時，完成標志M30.3置1，然后返回起點。
5系統(tǒng)抗干擾措施
PLC系統(tǒng)中混入輸入、輸出的干擾，或感應電壓，容易引起錯誤的輸入信號，從而引起錯誤的控制信號。為了使控制器穩(wěn)定地工作，提高整體控制系統(tǒng)的可靠性，在控制系統(tǒng)采取一些有效的抗干擾措施是非常必要的。
5.1抗電源干擾
（1）使用隔離變壓器 使用隔離變壓器將屏蔽層良好地接地，對抑制電網(wǎng)中的干擾信號有良好的效果。為了改善隔離變壓器的抗干擾效果，必須注意兩點:一是屏蔽層要良好接地，二是次級連接線要使用雙絞線。雙絞線能減少電源線間干擾。
（2） 使用濾波器 使用濾波器代替隔離變壓器，在一定的頻率范圍內(nèi)有一定的抗電網(wǎng)干擾作用，慣用的方法是既使用濾波器，同時使用隔離變壓器。連接方法如圖5.1所示。
圖5.1 濾波器和隔離變壓器同時用的系統(tǒng)
（3） 分離供電系統(tǒng) 將控制器、I/O通道和其他設備的供電分離開來，也有助于抗電網(wǎng)干擾。
本系統(tǒng)采用分離供電系統(tǒng)措施，PLC控制器遠離供電系統(tǒng)。
5.2 控制系統(tǒng)接地
控制系統(tǒng)的接地一般有如圖5.2所示的三種方法:圖(a)為控制器和其他設備分別接地方式，這種接地方式最好;如果做不到每個設備專用接地，也可以使用圖
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