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    基于PLC和MCGS的立体仓库控制系统设计

      信息来源:   发布时间:2021-10-16  点击数:

    自动化立体仓库是现代物流系统的重要组成部分, 一般指基于高层货架、采用计算机进行控制管理, 利用自动存取输送设备, 快速完成货物自动化有序的出入库作业的仓储系统[1], 具有占地面积小, 存储容量大等优点, 已普遍应用于大型物流仓库中。自动化立体仓库的主要构成有货架、堆垛机、控制及管理系统以及其他外围设备组成。

    本文以五层六列30个仓位的立体仓库为例, 对立体仓库的组成、控制系统软硬件设计及组态监控画面设计进行详细介绍。系统具有友好的人机交互界面, 能够对立体仓库的使用情况、堆垛机的位置进行实时监控, 有效提高了监控效率。

    1 系统组成

    本仓库由货架、堆垛机模块、传感器模块、计算机、PLC和相关按钮组成。堆垛机模块是整个立体仓库的核心, 用来从流水线上取货并送到货架的相应位置, 由X轴、Y轴行走机构和取货平台组成, X轴、Y轴由步进电机驱动, 取货平台由电动推杆来实现伸缩动作。传感器包括电感式接近开关和光电式开关, 电感式接近开关用来检测堆垛机X和Y轴原点位置。PLC根据按钮命令实现对自动门的控制, MCGS组态监控画面, 通过RS232与PLC进行通信, 实时接收和处理PLC在现场采集的数据和状态, 并对PLC发送控制指令, 驱动PLC控制堆垛机的动作。系统组成框图如图1所示。

    图1 系统组成框图

    图1 系统组成框图   下载原图


    2 硬件设计

    立体仓库的电气控制系统主要包括PLC控制器、传感器、步进电机和其他低压元器件。硬件设计主要有PLC选型、I/O地址分配和步进电机控制电路设计等几个方面。

    2.1 PLC选型及控制系统的I/O地址分配

    根据控制要求和控制功能的分析, 整个系统共有9个开关量输入、9个开关量输出, 同时考虑到经济性和I/O要有一定的预留量, PLC机型选择德国西门子的S7-200系列CPU224 XP CN DC/DC/DC, 该设备具有14个DI和10个DO, 满足本系统I/O设计需要。

    详细I/O分配如表1所示。I/O地址的分配做到使输入点的顺序尽量和输出点的顺序一致, 这样编写程序比较不容易出错。

    表1 系统I/O分配表     下载原表

    表1 系统I/O分配表

    2.2 硬件电路设计

    (1) PLC的I/O接线原理图

    根据上述控制要求分析和I/O地址分配, PLC的I/O接线原理图设计如图2所示。

    图2 PLC的I/O接线原理图

    图2 PLC的I/O接线原理图   下载原图


    (2) 步进电机接线原理图

    堆垛机的X轴和Y轴采用步进电机驱动丝杆来实现, 步进电机驱动器与电机的电气接线原理图如图3所示。将步进电动机相应相的接线端子连接到步进电动机驱动器对应端子上即可。具体连接时, 将步进电动机引出的接线红线、绿线、黄线、蓝线的接线分别对应连接到步进电动机驱动器的A、A负、B、B负连接端子上。图中CP+与CP-为脉冲信号, DIR+和DIR-为方向信号, 它的高低电平决定电动机的旋转方向。另外, 驱动器的CP+、DIR+两端口引出接线上均串上一个2K的电阻, 当驱动器与控制器PLC之间建立电气连接时, 该电阻就会串联在CP+与CP-、DIR+和DIR-两个电气回路中进行回路电流的限流保护作用。

    3 PLC程序设计

    3.1 控制流程分析

    根据系统控制要求, 分为手动模式和自动运行模式。手动模式要求可以让用户在人机界面自由选择仓位, 然后进行存或取的操作。自动模式下, 要求仓库系统能够根据货架上现有的剩余货位信息, 自动选择仓位, 连续自动进行存货或取货。系统具体运行流程如下:

    (1) 系统上电, 立体仓库系统初始化, 操作面板上复位灯闪烁指示。

    (2) 按下复位按钮, 复位灯熄灭, 开始灯闪烁指示, 电动推杆处于缩回状态, X、Y轴行走机构回归原点位置。

    (3) 按下启动按钮时, 复位灯熄灭, 开始灯指示, X轴和Y轴的步进电动机共同驱动堆垛机运行, 使取货平台运动到等待货品的工作位置。

    (4) 接收到有工件信息, 根据工件的计数情况自动选择存储仓位, 到达规定的仓位后将工件推进该仓位存储。

    (5) 将工件推进仓位后, 电动推杆缩回完成, X、Y轴方向上的步进电动机驱动堆垛机工作平台返回等待工件位置, 等待下一个。

    图3 步进电机接线原理图

    图3 步进电机接线原理图   下载原图


    3.2 程序设计

    根据对立体仓库的控制要求分析和硬件电路的原理, 按照模块化的程序设计思想, 立体仓库的PLC控制程序主要由以下子程序组成:初始化程序、X轴参数设置、Y轴参数设置、X轴脉冲计算、Y轴脉冲计算、人机界面、电动推杆等子程序。另外, 程序设计过程中要全面考虑各个动作之间的互锁关系。图4为系统的主程序梯形图。以自动模式下的存货过程为例, 介绍PLC软件设计思路, 具体程序流程图如图5所示。

    图4 系统主程序

    图4 系统主程序   下载原图


    图5 立体仓库自动模式下存货程序流程图

    图5 立体仓库自动模式下存货程序流程图   下载原图


    4 上位机软件设计

    立体仓库控制系统的上位机采用MCGS[4,5,6] (Monitor and Control Generated System) 组态软件, 用于完成现场数据、状态的采集与监测, 具有功能完善、操作简单、可视性好和可维护性强等特点。

    4.1 MCGS与PLC通讯

    MCGS与PLC通讯设置过程如下:

    (1) 在MCGS的设备窗口, 添加通用串口父设备和西门子_S7200PPI;

    (2) 设置串口通讯属性, 最小采集周期1 000ms、串口号0-COM1, 波特率9600、8位数据位, 1位停止位, 偶校验等;

    (3) 在西门子_S7200PPI的设备属性设置窗口, 设置设备内部属性增加通道, 选择寄存器类型、地址、数据类型和通道数量等信息。

    4.2 立体仓库监控画面组态

    根据系统设计需求, 完成立体仓库的控制面板界面和货架监控界面, 图6为控制面板画面, 图7为货架监控画面。

    图6 控制面板画面

    图6 控制面板画面   下载原图


    图7 仓库货架监控画面

    图7 仓库货架监控画面   下载原图


    由图6可看出, 控制面板画面可以实现手动模式和自动模式的切换、存取模式的选择, 能实时显示仓库货架已用和未用数量。在手动操作模式下, 用户可以手动输入存或取的仓库货架编号, 然后选择存作业或取作业。由图7可看出, 货架监控画面中可以显示出每个货架当前有无货品, 还可以实时显示堆垛机当前位置, 方便用户直观地看出当前仓库货架的使用情况及堆垛机X轴和Y轴方向的位置。系统运行稳定可靠、操作简单, 监控动画效果良好。

    5 结论

    立体仓库控制系统充分利用了PLC自动控制稳定性高的优点, 有效提高了立体仓库的自动化水平和工作效率。系统还利用MCGS软件设计了操作界面和监控界面, 真实的反映堆垛机的运行情况, 工作人员只需在监控室即可实现了立体仓库的实时监视, 并可根据实际情况将系统切换到手动模式手动存取货品, 使立体仓库的使用更加方便。系统运行结果表明, 系统具有人机界面友好、实时性强, 监控可靠等优点, 减轻了操作人员的劳动强度, 具有很好的工程应用意义。

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