柔性包装机的设计

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Qi Jianjia Heilongjiang Institute of Technology 2012-06·Harbin 摘 要 柔性制造系统（FMS）是集成了自动控制技术、人工智能、计算机语言编程组态监控等现代化技术的生产设备。 目前实践教学作为教学过程中的一个环节，是工科院校培养跨世纪创造性人才必不可少的。为配合卓越工程师试点工作中的课程改革，结合教学研究任务，本设计针对学校实验室的柔性制造系统中的立体仓库环节进行实验前期准备工作。 本设计主要由三层12仓位的立体仓库和四自由度码垛机械手两部分组成。其中码垛机械手由机械传动部分和电气控制两部分组成，电气控制是由西门子S7-200 CPU224XP型可编程控制器(PLC)、步进电机驱动器、开关电源、位置传感器等器件组成。 在设计过程中，不断参阅相关电气设计规范的资料，参照现有的码垛机的工作模式及控制方法，最终完成PLC为控制核心的码垛单元的PLC控制系统设计，并应用组态软件制作监控仿真界面。 关键词：柔性制造系统；码垛机；立体仓库；PLC；组态 ABSTRACT A Flexible manufacturing systems (FMS) is the production equipment, which integrates the automatic control technology, artificial intelligence, computer programming language configuration and monitoring modern technology. The current practice of teaching as teaching process of a part is the training of cross century creative talents in Colleges of engineering is essential. As with outstanding engineer pilot work in the curriculum reform, combined with teaching and research tasks, the design for the school laboratory in the flexible manufacturing system of stereoscopic warehouse links in experimental preparations. This system is mainly composed of three layers of 12 positions of the warehouse and four degrees of freedom palletizing manipulator. The palletizing manipulator is composed of a mechanical drive and an electric control. The electrical control is formed by Siemens S7-200 CPU224XP programmable logic controller (PLC), stepper motor drive power modules, switching power supply, sensors and other devices. During the design process, the author refers a lot of the materials concerning the electrical design specification, refer to the existing palletizer work mode and control method, finally completed the PLC as control core Palletizing unit PLC control system design, and the application of configuration software production control simulation interface. Key words: Flexible manufacturing systems; Palletizer; Stereoscopic warehouse; PLC; Configuration II 目 录 摘要 I Abstract II 第1章 绪论 1 1.1 课题背景 1 1.2 柔性包装机的设计的概述 1 1.2.1 柔性包装机的设计在国外的研究现状 1 1.2.2 柔性包装机的设计在国内的研究现状 2 1.2.3 柔性包装机的设计的发展趋势 3 1.3 课题的主要研究内容 3 第2章柔性包装机的设计的总体方案设计 4 2.1 柔性包装机的设计的总体框图 4 2.2 柔性包装机的设计的结构组成 5 2.3 柔性包装机的设计的控制方案 6 2.3.1 柔性包装机的设计的控制功能要求 6 2.3.2 柔性包装机的设计的控制方案确定 6 2.3.3 柔性包装机的设计的定位方案确定 7 2.4 本章小结 9 第3章柔性包装机的设计的硬件设计选型及介绍 10 3.1 电动机的计算选取 10 3.1.1 柔性包装机的设计的已知参数 10 3.1.2 根据已知参数对电动机的选型计算 10 3.2 步进电机驱动器的介绍 11 3.3 可编程控制器的选型及I/O分配 13 3.3.1 可编程控制器的选型 13 3.3.2 可编程控制器的I/O分配 13 3.4 导轨的形式介绍 14 3.5 滚珠丝杠的介绍 15 3.6 本章小结 15 第4章柔性包装机的设计的软件设计 16 4.1 编程软件介绍及使用 16 4.2 柔性包装机的设计的PLC程序设计 18 4.2.1 柔性包装机的设计的工作流程 18 4.2.2 柔性包装机的设计的软件设计 20 4.3 本章小结 37 第5章 组态王仿真画面的设计 38 5.1 组态王监控软件介绍 38 5.2 组态王监控软件仿真设计 38 5.2.1 建立组态软件与PLC之间的通讯连接 39 5.2.2 组态画面及监控元素的设计 40 5.3 本章小结 45 结论 46 参考文献 47 致谢 49 附录 50 第1章 绪 论 1.1 课题背景 柔性包装机的设计是自动化仓库的主要搬运码垛设备，而立体仓库的产生和发展是现代物流体系的要求和信息技术进步的结果，它是在不直接进行人工干预的情况下自动地存储和取出物流的系统，替代了人工搬运，只需定位抓起点和摆放点，两点之间的轨道全由电脑控制，两点直线运动，定位十分准确。自动化立体仓库码垛机是现代工业社会发展的高科技产物，可全天候作业，配备机械手可替代不少工人的工作量，由此每年能节省几十万的人力资源成本，达到减员增效的目的。生产上能迅速提高公司的生产效率和产量，同时还能减少人工搬运造成的出错。对提高生产率、降低成本有着重要意义。 柔性包装机的设计是目前占地最小、效率最高、适应能力最强的码垛机。码垛机械手适应于化工、饮料、食品、啤酒、塑料、空调行业等生产企业，对各种纸箱、袋装、罐装、啤酒箱、瓶装等各种形状的包装成品都适应。 目前实践教学作为教学过程中的一个环节，是工科院校培养跨世纪创造性人才必不可少的。为配合卓越工程师试点工作中的课程改革，结合教学研究任务，本设计针对学校实验室的柔性制造系统中的立体仓库环节进行实验前期准备工作。以PLC为控制核心设计码垛单元的PLC控制系统，并应用组态软件制作监控仿真界面。 1.2 柔性包装机的设计的概述 1.2.1 柔性包装机的设计在国外的研究现状 柔性包装机的设计是随着大型物流配送中心和自动化立体仓库的发展起来的，物流这一概念是在20世纪50年代首先在美国形成的，立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。 初期的立体仓库使用的码垛机以桥式起重机为基础，这种码垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架（立柱），利用门架的上下和旋转来搬运货物。1960年左右在美国出现了巷道式码垛机，这种堆垛机是在地面的导轨上行走，利用货架上部的导轨防止倾倒，或者是在上部导轨上行走，利用地面导轨防止倾倒。在立体仓库码垛机的研发和使用方面，日本始终走在前列，1967年安装了10～15米的高层码垛机，1969年出现的联机全自动化仓库，特别是1973年建成了一座储藏生鲜食物的冷藏库，这是世界上第一座-40℃的极低温仓库，解决条件下码垛机的可靠性和技术方面的问题，取得了引人瞩目的成就。巷道式码垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式码垛机。 据不完全统计，美国拥有各种类型的自动化立体仓库20000多座，日本有38000多座，德国有10000多座，英国有4000多座，前苏联有1500多座。 1.2.2 柔性包装机的设计在国内的研究现状 我国第一台桥式柔性包装机的设计于1963年由北京起重运输机械研究所研制，在20世纪70年代初期开始，我国石油化工企业先后从日本、西德和意大利等国家引进了几十台码垛机。其中除了从西德缪勒斯（MOLLERS）公司和意大利OCME公司引进几台外，其余大部分码垛机均是从日本OKURA公司和不二公司进口的。到80年代初期，我国一些企业和科研单位，在消化、吸收引进技术的基础上，相继设计、研制出几种不同类型的码垛机，并用于聚乙烯、聚丙烯、化肥等粉粒产品包装码垛生产线上，为码垛机的国产化开创了良好的开端。当时主要生产厂家有宜昌地区机械厂、常州化工机械厂、哈尔滨工业大学机器人研究所和沈阳运输机械厂等单位。从80年代初期开始，我国一些科研生产单位即着手设计研制辊道式码垛机。当时主要以仿型为主，即按国外同类型码垛机的型式，并结合国内的制造水平进行设计研究的，为国产码垛机奠定了雏形。到80年代中期，我国一些科研、设计和生产单位，开始设计研制气垫式码垛机。这种机型仍以仿型为主。该机型具有结构较紧凑、自动化水平高，运行动作灵活、成垛性能好、外形比较美观等特点。但这种机型与国外同类先进水平相比，仍有一定的差距。80年代后期，我国一些科研单位设计研制出一种机器人全自动码垛机。该机是在辊道式码垛机的基础上，通过高架机械手进行码垛作业的一种机型。其处理能力为600~800袋/时。 哈工大机械人研究所于1988年研制的包装码垛生产线，从1992年6月安装在大庆石化总公司投产运行后，经过二年半的生产使用，证明运行情况良好，深得用户好评。该所在此基础上，又以国外最新产品性能为目标，开发生产了一套第二代自动包装码垛生产线，并且于94年10月安装在齐鲁石化总公司投产运行；还计划再上二套码垛生产线。同年11月又在天津联合化学有限公司安装了二套自动化包装码垛生产线。此后，自动化物流的开发与应用得到了很大发展。据不完全统计，截止到2006年底，全国自动化立体库的保有量已超过500座。2006年建设的自动化立体库在80座以上，主要集中在机械制造、汽车、烟草、食品加工、服装生产、医药生产及流通等行业，与2005年相比，整个市场有了很大发展。 1.2.3 柔性包装机的发展趋势 纵观世界各国码垛机的发展的现状，对今后的动向，可归纳如下： (1) 重视“三化”，逐步采用国际标准。所谓“三化”，是指码垛机的标准化、系列化和通用化。贯彻“三化”可以缩短设计周期，保证产品制造质量，便于管理和提高经济效益。世界上许多国家，不仅重视产品的“三化”工作，而且非常注意采用国际标准（ISO）。有的国家甚至废除本国标准而直接采用国际标准，其目的是为了促进商品的国际交流。 (2) 实现产品的机电一体化。机械产品需要更新换代。在当今计算机技术、自控技术和数显技术大发展的年代里，更新换代的重要标志是实现产品的机电一体化。在码垛机上应用计算机技术，可以提高作业性能，增加安全性，以至实现无人自动操作。 (3) 人机工程学的应用。码垛机一般应用在沉重、忙碌、环境比较差的场合。为了减少人员的作业强度，保证持久旺盛的体力和注意力，应该根据人机工程学的理论，设计导动装置和人员辅助装置，改善振动与噪声的影响，以使最少、最合理的投资，获得最佳的使用效果，使设备发挥最大的效率。 1.3 课题的主要研究内容 本课题研究的主要内容是教学用仓储机械手码垛机的自动控制及组态软件的监控仿真，主要包括以下几个方面： (1) 深入研究实际工作过程中码垛机的工作情况，理解其工作原理； (2) 根据参数选择电机，确定控制方案。进行控制系统的总体设计； (3) 根据总体方案的设计，设计电器控制的原理框图； (4) 进行PLC的选型，进行硬件系统的设计并对I/O分配； (5) 针对每一部分的硬件设计，进行软件部分设计，PLC控制程序的编写及调试； (6) 应用组态软件制做监控仿真操作界面。 第2章柔性包装机的总体方案设计 2.1 柔性包装机的设计的总体框图 图3.1 总体框图 图3.1为采用西门子S7-200 PLC作为主控制器的码垛机总体框图。一台PC作为上位监控机通过RS232/485通信端口与PLC相连，可以对整个系统进行全面的监控管理。 本设计只针对PLC的控制设计，其输入都有启动按钮、停止按钮、单机联机切换开关、急停等操作面板上的操作开关，还有码垛机的行程限位开关和立体仓库上12个仓格有无货物的检测开关。 其输出包括4个步进电机驱动器的脉冲和方向输出，以及码垛机上气动机械手夹取松开的电磁阀和一些辅助的设备（例如启动停止的指示灯）。4个步进电机驱动器分别驱动4个步进电机，这4个步进电机分别用于控制码垛机的X轴、Y轴、Z轴的移动和1个机械手的转动。 2.2 柔性包装机的结构组成 本课题是针对学校实验室的柔性制造系统中的立体仓库环节进行实验前期准备工作而设计的。实验装置由机械部分、电气部分和操作台组成，模拟了码垛机在一个有12仓位的立体仓库的工作情况。 码垛机是由三个直线电控工作台以及一个旋转工作台外加一个气动手爪组成。然后整体放置在桌面上，用螺钉固定在桌面铝合金槽内的螺母中。 码垛机的构成表2.1。其中I轴和II轴除行程不一致外，本身结构形式完全相同，均采用了光轴导轨支撑，滚珠丝杠传动的结构。这种结构的特点是承载能力高，安装方便。III轴是垂直的升降轴，因为相对承载低，故采用光轴支撑，滚珠丝杠传动的结构。三个轴互成直角组合搭建而成。也就是典型的直角坐标机器人。工业上经常用到这种结构。IV轴为旋转轴，通过支架与III轴活动平台连接。结构为蜗轮蜗杆形式。所有直线工作台在此系统中都采用步进电机驱动，通过联轴器与丝杠端连接。 表2.1 柔性包装机的设计构成介绍 轴 构成 动作范围 I 步进电机 280mm 联轴器 滚珠丝杠 光轴导轨 II 步进电机 300mm 联轴器 滚珠丝杠 光轴导轨 III 步进电机 350mm 联轴器 滚珠丝杠 光轴导轨 IV 步进电机 ±100° 蜗轮蜗杆 2.3 柔性包装机的控制方案 2.3.1 柔性包装机的控制功能要求 码垛机是立体仓库货物存取任务的最终执行者，其主要动作包括： (1) 码垛机沿货架（I轴方向）的左右运动； (2) 码垛机接近和远离货架（II轴方向）的前后运动； (3) 码垛机沿立柱（III轴方向）的上下升降运动； (4) 安装在码垛机上机械手的转动（IV轴）； (5) 安装在码垛机上机械手的加紧和放松。 因此，码垛机单元的自动控制主要应包含以下几方面的内容： (1) 手动控制功能：仅能通过控制面板的按钮进行启动、停止、急停等控制操作； (2) 自动控制功能：当手动按下启动按钮时，要求码垛机应能完成复位动作以及货物的自动入库任务。码垛机运动的情况下，码垛机要运动到码垛位和抓取位，其中的坐标点必须有一个参考系，并且，在系统断电的时候，为防止系统丢掉原点信息，以及当系统以外停机或发生故障的时候需要系统具有原点复位功能。 (3) 安全保护功能：实时监测各关键器件的使用情况及系统的运行情况，出现故障时及时报警。 2.3.2 柔性包装机的控制方案确定 在当今的工业控制领域，有相当多的控制手段和设备，比如：继电器控制、PC控制、单片机控制、集散控制系统（DCS）以及可编程控制器（PLC）控制等等。 目前，比较有代表性的码垛机控制方式主要有： (1) 基于PLC的控制系统 基于PLC的控制系统，其主要构成是以PLC控制器为核心，运用其强大的I/O功能，完成其与HMI（人机接口）的通信，其主要优点是编程比较简单，对使用者的要求不高，且其抗干扰能力比较强大，运行非常稳定，主要缺点是不能实现通用化，其灵活程度不高。 (2) 基于PC控制系统 基于PC的控制系统是主要由计算机（一般是工控机）完成主要的算法和码垛机器人运动路径规划以及结合运动控制器来控制电机运动，由于基于PC机，故可以可使用高级语言编程，其灵活性比较高，可完成比较复杂的控制功能，其缺点是开发周期比较长，且对开发者要求比较高。 综上所述，PLC作为一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，具有其独特的优点。本设计针对学校实验室的柔性制造系统中的立体仓库环节进行设计的，规模相对于工业中要小，所以选择第一种方案：基于PLC的控制系统。 2.3.3 柔性包装机的定位方案确定 柔性包装机定位控制方法很多，现就几种典型方法介绍如下： (1) 常规的限位开关定位方法 柔性包装机在运行过程中，要先确定目前的位置，然后才能根据目标信号决定控制状态。例如：码垛机到某一层需要停下来时，首先在接近这一层时，要先从高速状态减速，到达平层位置时，再停车准备存取货物。因此，我们通常在每一层井道上安装三个限位开关，即上、下平层限位开关和平层限位开关。 如图2.1所示，当码垛机在上升时，首先碰到下平层限位开关，此信号送到PLC输入端，PLC向变频器发出减速信号，变频器按照预先设定的减速曲线，控制码垛机开始减速，当停下时，进入货物存取状态。 图2.1 平层开关示意图 (2) 认址片的定位方法 采用认址片的定位方法时，准确地认址定位是正确存取货物的关键。 认址片结构如图2.2所示，认址方法如下：在巷道地基上相对于每列货格安装固定的认址片（挡板），在码垛机底部安装4个光电开关（GDl和GD2）与（GD3和GD4）随码垛机一起前后运动，每经过列货格，光电开关通过认址档板发出脉冲信号到PLC从而达到列认址目的。同样，在码垛机立柱上相对于每层安装认址片，在其升降台安装光电开关（GD5和GD6）随升降台一起上下运动，达到层认址的目的。光电开关的脉冲输入信号作为PLC内部认址计数器的计数信号，计数器的当前值作为速度控制的依据。当码垛机到达目标货格即计数器的计数值计到零时，发出停车信号使其停止运行。 图2.2 认址片结构 升降台上的光电开关又用PLC内部的计数器接收光电脉冲，升降台每经过一层，计数器减1计数，从而达到层方向认址的目的。码垛机对其定位精度要求是比较高的，一般误差不超过2mm。否则，由于误差的积累，在货叉存取货物时易碰到货架或发生其他事故。但当发出停车信号后，码垛机由于惯性还会滑行一点，这样，光靠计数认址很难达到精确定位的目的。为此我们把认址片结构做成如图2.2所示的形式。用1号光电开关作为认址计数开关，计数到零时发出停车信号，然后再利用1号和2号开关作精确定位。如果1号与2号开关同时有信号，说明已停准；如果只2号开关有信号，说明己超过，点动码垛机回退，再检测比较；如果只1号开关有信号，说明还未到中心点，点动码垛机前进，再检测比较。这样达到准确定位的目的。 (3) 采用PLC脉冲串输出与步进驱动结合的定位方法 图2.3 PLC脉冲串输出与步进驱动器结合 PLC脉冲串输出与步进驱动结合使用的控制系统，具有可靠性高、可实现精确定位等优点，适合于小功率驱动系统。 西门子PLC提供有开环运动控制的三种方式：脉宽调制（PWM）——内置于PLC里，用于速度、位置或占空比控制；脉冲串输出（PTO）——内置于PLC里，用于速度和位置控制；EM253位控模块——用于速度和位置控制的附加模块。 内置于西门子PLC的PTO和EM253位控模块都使用一个脉冲串输出用于步进电机或伺服电机的速度和位置控制，如图2.3。 西门子PLC对步进电机转动方向控制有四种方式，分别如图2.4所示。 图2.4 PLC的输出极性和方向控制方式 由以上的介绍，我们可以看出，安装限位开关或认址片的定位方法，不仅废工废料，而且每个开关或认址片的实际安装距离，均不可避免地存在一定量的误差，使得系统的安装调试变得复杂，而且定位质量难以保证。一旦系统要求改造，又要重新进行安装工作。而采用PLC脉冲串输出与步进驱动器结合的定位方法，通过PLC其发出的脉冲数可以很容易地确定码垛机的当前位置，这种码垛机的位移定位方法具有定位精度高、适应性强的优点，因此，采用此方案对码垛机进行定位。 2.4 本章小结 本章针对立体仓库中柔性包装机的控制系统进行了方案设计。系统主控制器选择了在工业环境中广受欢迎的可编程控制器（PLC）。最后，在综合比较了多种码垛机的定位方法后，并结合本设计的实际要求，选择了定位精度更高，控制方法更加灵活的定位方案——通过PLC其发出的脉冲数和步进电机驱动器结合定位的方法。 第3章柔性包装机的硬件设计选型及介绍 本章将详细分析系统中各个组成硬件的原理与特点，并根据货物存储系统的实际工作环境，选择适合本系统的设备型号以及参数，完成码垛机单元的硬件设计。 3.1 电动机的计算选取 3.1.1 柔性包装机的已知参数 作为整个堆垛机系统的运动速度驱动者，电动机的合适选取十分重要。针对该立体仓库的实际工作情况，设计的堆垛机系统应当满足以下参数要求： 工作台的质量：kg； 工件质量：kg； 最高速度：m/s； 加速时间：s； 减速时间：s； 丝杆导程：mm； 阻力：N； 摩擦系数：； 3.1.2 根据已知参数对电动机的选型计算 先求加速度：m/s 垂直方向轴向力计算： 上升加速时 N 上升匀速时 N 上升减速时 N 下降加速时 N 下降匀速时 N 下降减速时 N 水平运动时 N 通过计算分析可以清楚地发现，码垛机垂直方向的力较水平方向的力要大，因此只要按照垂直方向的上升加速时的力计算转矩选取电动机，就可以满足其它运动对于电动机转矩的要求。 N·m 通过表3.1可选BS57HB41-02型步进电动机 表3.1 步进电机型号具体参数 型号 步距角 （°） 保持转矩（N·m） 额定电流（A） 相电阻 （Ω） 相电感（mH） 转子惯量（g·mm2） BS42HB33-01 1.8 0.16 0.95 4.2 2.5 38 BS42HB38-01 1.8 0.26 1.2 3.3 3.2 54 BS42HB47-01 1.8 0.317 1.2 3.3 2.8 68 BS57HB41-02 1.8 0.39 2.2 1.4 1.4 131 BS57HB51-03 1.8 0.72 3.0 0.74 0.9 275 3.2 步进电机驱动器的介绍 图3.1 YKA2404MA(B)步进电机驱动器 YKA2404MA(B)步进电机驱动器如图3.1，是一款经济、小巧的等角度恒力矩细分型高性能步进驱动器，驱动电压DC12-40V，采用单电源供电。适配电流在4.0A以下，外径42-86mm的各种型号的二相混合式步进电机。 该驱动器内部采用双极恒流斩波方式，使电机噪音减小，电机运行更平稳；驱动电源电压的增加使得电机的高速性能和驱动能力大为提高；而步进脉冲停止超过100ms时，线圈电流自动减半，使驱动器的发热可减少50%，也使得电机的发热减少。用户在脉冲频率不高的时候使用低速高细分，使步进电机运转精度提高，最高可达200细分，振动减小，噪声降低。 YKA2404MA(B)步进电机驱动器的引脚功能说明如表3.2.。 表3.2 YKA2404MA(B)步进电机驱动器的引脚功能说明 标记符号 功 能 注 释 + 输入信号光电隔离正端 接+5V供电电源+5V~+24V均可驱动，高于+5V需接限流电阻。 PU D2=OFF时为步进脉冲信号 下降沿有效，每当脉冲由高变低时电机走一步。输入电阻220Ω，要求：低电平0~0.5V，高电平4~5V，脉冲宽度>2.5us。 D2=ON时为正向步进脉冲信号 DR D2=OFF时为方向控制信号 用于改变电机转向。输入电阻220Ω，要求：低电平0~0.5V，高电平4~5V，脉冲宽度>2.5us。 D2=ON时为反向步进脉冲信号 MF 电机释放信号 有效（低电平）时关断电机线圈电流，驱动器停止工作，电机处于自由状态。 TM 原点输出信号 电机线圈通电位于原点置为有效（B，-A通电）；光电隔离输出（高电平）。 - 输出信号公共地 TM信号光电隔离公共地端，TM端接输出信号限流电阻，最大驱动电流50mA，最高电压50V。 +V 电源正极 DC12～40V -V 电源负极 AC、BC 电机接线 +A、-A +B、-B 3.3 可编程控制器的选型及I/O分配 3.3.1 可编程控制器的选型 在码垛机码垛过程中，需要完成对砌块的夹紧、升降及水平搬运、旋转等多个动作，动作频繁且过程复杂。并且，在码垛工作现场往往环境较为恶劣，所以为了保证生产过程平稳有效地进行，就要求控制系统具有很好的可靠性以及很强的故障诊断能力。目前，市场上的主流控制系统是PLC，它的特点是结构小巧、通用性好、运行速度快、可靠性高，非常适合于在高温、振动、粉尘等环境恶劣的工业现场实现各种开关控制，所以选用PLC作为控制系统的核心部件。 目前，市场上存在着种类繁多的大、中、小型PLC，小到作为少量的继电器装置的替代品，大到作为分布式系统中的上位机，几乎可以满足工业控制的各种需要。 西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-300、S7-400、工业网络、HMI人机界面、工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。 根据实际情况，初步计算，共有26个输入、11个输出，根据控制要求以及所需的端子，因为数目较多，需要对PLC进行I/O扩展。在该码垛机设备中选择直流型S7-200 CPU224XP DC/DC/DC，以及一个EM223（16输入/16输出）扩展模块。总共有30个输入和26个输出，可以满足控制需求。 3.3.2 可编程控制器的I/O分配 码垛机自动控制过程，包含了多个环节，生产过程的各个环节之间都是紧密联系，并非独立存在，因此为了保证生产过程的顺利进行，必须确保各环节适时配合和安全转换。 输入信号能够将码垛机的工作状态、操作及转换信息等信号传递给PLC。包含了启动、停止、急停、单机联机切换开关等操作的按钮，还有12个仓位有无货物的检测开关。 输出信号主要是用来控制码垛机设备的升降、进退、夹紧、旋转等动作。 根据码垛机的实际情况，分析其功能，可将编程控制器的输入/输出分配如表3.3。 表3.3 I/O分配表 输入端 说 明 输出端 说 明 I0.0 单机状态下启动信号 Q0.0 码垛机X轴驱动器脉冲信号 I0.1 单机状态下停止信号 Q0.1 码垛机Y轴驱动器脉冲信号 I0.2 急停 Q0.2 码垛机X轴驱动器方向信号 I0.3 单机/联机切换开关 Q0.3 码垛机Y轴驱动器方向信号 I0.4 电控柜上电（接触器吸合） Q0.4 码垛机升降轴驱动器脉冲信号 I0.5 底座X轴正向限位信号 Q0.5 联机状态下启动信号 I0.6 底座X轴负向限位信号 Q0.6 报警指示灯 I0.7 底座Y轴原点信号 Q0.7 码垛机升降轴驱动器方向信号 I1.0 底座Y轴正向限位信号 Q1.0 码垛机旋转轴驱动器脉冲信号 I1.1 底座Y轴负向限位信号 Q1.1 码垛机旋转轴驱动器方向信号 I1.2 升降轴Z正向限位信号 Q2.0 气爪电磁阀 I1.3 升降轴Z负向限位信号 I1.4 旋转轴4正向限位信号 I1.5 旋转轴4负向限位信号 I2.0 成品仓格1工件检测开关 I2.1 成品仓格2工件检测开关 I2.2 成品仓格3工件检测开关 I2.3 成品仓格4工件检测开关 I2.4 成品仓格5工件检测开关 I2.5 成品仓格6工件检测开关 I2.6 成品仓格7工件检测开关 I2.7 成品仓格8工件检测开关 I3.0 成品仓格9工件检测开关 I3.1 成品仓格10工件检测开关 I3.2 成品仓格11工件检测开关 I3.3 成品仓格12工件检测开关 3.4 导轨的形式介绍 一般负载较重或者带有径向扭矩的时候，都需要选择导轨支撑的结构形式，导轨也有很多种类，一般和载重、价格、精度有关系，下面列举几种常用的典型滚珠导轨标准结构，说明一下各自特点和区别。 交叉滚柱导轨为水平相对滑动，两根导轨之间放置保持架与滚柱，这种导轨略显粗糙，要求安装精度较高，运动时易产生噪音。 光轴导轨实际上是一根光轴通过螺钉连接安装到相应弧度的支架上，上部装有滑块。这种结构简便、经济。应用到长度及负载不大的场合。安装方便。 直线导轨是最普遍使用的，但造价较高，滑块安装时带有预压，消除间隙。要求为高精度高负载的场合使用。 圆弧导轨实际是直线导轨的扩展，应用到特殊场合。这里注意的是，直线导轨的滑块一般不能与导轨体脱离，否则滑块内滚珠将散落，难以恢复，造成损失。 3.5 滚珠丝杠的介绍 工作台除导轨外，最重要的核心部件应该是滚珠丝杠。滚珠丝杆是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成，同直线导轨一样，滚珠丝杠上的螺母与螺杆同样不可分离，必须有专用的工具方可分离，否则滚珠散落。其特点：与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3；高精度的保证；微进给可能；无侧隙、刚性高；高速进给可能。 3.6 本章小结 本章针对码垛机的实际工作环境，选择了适合的相关设备，并进行了相应参数的计算，对码垛机的控制系统进行了硬件方面的设计。分别从电动机、驱动器及其附属设备、PLC、导轨、滚珠丝杠等方面，并简单的做了一些介绍。 第4章柔性包装机的软件设计 一个完整的码垛机是由硬件与软件两大部分组成的。要实现所要求的功能，除了完成硬件部分的设计，还要配备完善的软件，系统才能正常工作。 4.1 编程软件介绍及使用 西门子S7-200PLC的编程工具有编程器和编程软件，其中编程软件是最主要的编程工具，功能强大。不但可以开发程序和组态，也可以监控程序的运行情况，设置工作方式等。 STEP7-Micro/WIN编程软件是专为西门子公司S7-200系列小型机而设计的编程工具软件，使用该软件支持指令表、梯形图、逻辑功能块图3种编程语言，可以根据控制系统的要求编制控制程序，并完成与PLC的实时通信，也可以实现计算机与PLC之间进行程序的下载、上传以及在线监控。 STEP7-Micro/WIN的主界面如图4-1所示。 图4.1 STEP7-Micro/WIN的主界面 (1) PLC选型和参数设置。 编程之前需要确定PLC的型号，当PLC和计算机建立联机，可以直接执行“PLC”——“类型”——“读取PLC”，计算机可以自行读出PLC的类型；如果没有联机，则可以执行“PLC”——“类型”，选择相应的PLC类型，如图4-2所示。 图4.2 PLC类型选择 PLC的参数设置一般使用系统块进行设置，可以执行“查看”——“组件”——“系统快”，对各项参数的进行设置。 (2) 程序编写（梯形图） 符号表（Symbol Table）允许定义和编辑符号名，能在程序中用符号地址访问变量，可以创建多个符号表。也可以在程序中使用系统定义的符号表。符号表还可以作为全局变量表进行参考。如图4-3所示。还可以使用程序编辑器中的局部变量表来为子程序和中断服务程序分别指定变量。 图4.3 符号表 单击指令树中的“程序块”，选择相应的程序（主程序或者子程序）选项，在状态图框中输入用户的控制指令，如图4-4所示。 图4.4 程序块编程区 (3) 程序的编译 执行菜单“PLC”——“编译”或“PLC”——“全部编译”命令，对所编程序执行编译功能。编译完成后在信息窗口会显示相关的结果，以便于修改。 (4) 程序传送 当编程计算机和PLC之间建立通连接，便可以将程序下载至该PLC。下载至PLC 之前，必须确定PLC位于“停止”模式。点击工具条中的“下载”按钮，或者选择“文件”——“下载”，出现“下载”对话框。 4.2 码垛机的PLC程序设计 4.2.1 柔性包装机的工作流程 经过分析设计码垛机的工作过程，整理如下： (1) 上电后初始化数据； (2) 按下“启动”按钮，四自由度码垛机械手开始动作； (3) 首先码垛机械手开始复位动作； (4) 第一轴退到限位开关处寻找原点信号； (5) 第二轴左移到限位点后直接寻找原点，或者直接找到2轴原点信号； (6) 第三轴退到限位开关处寻找原点信号； (7) 第四轴退到限位开关处寻找原点信号； (8) 当所有轴信号都找到原点信号后，系统停止等待“运行”开始； (9) 按下“启动”按钮，码垛机开始运行，首先码垛机各轴运动到工件夹取位置处，然后码垛机械手夹取工件，再将工件提升起来； (10) 判断是否有空仓格，然后计算运动都指定仓格的脉冲数； (11) 各轴运动到仓格上方，放下货物，松开机械手； (12) 码垛机退回，复位。 根据以上分析码垛机的工作过程，制定流程图如图4.5所示。 图4.5 码垛机工作流程图 4.2.2 柔性包装机的软件设计 (1) 通过脉冲输出向导的创建PTO指令子程序 S7-200PLC提供两个脉冲发生器。一个被分配给数字量输出点Q0.0，另一个被分配给数字量输出点Q0.1。这里先以Q0.0为例进行配置，如图4.6 (a~h)所示。 (a) 指定脉冲发生器 (b) 选择线性脉冲串输出PTO (c) 电机速度设置 (d) 加速减速时间设置 (e) 运动包络定义 (f) 新包络 (g) 分配存储区 (h) 完成PTO配置 图4.6 脉冲输出向导 (2) 通过EM253位控向导创建POS指令子程序 S7-200PLC只提供两个脉冲发生器，即Q0.0和Q0.1，而码垛机共有4个步进电机，需要4组脉冲输出，因此扩展2个EM253位控模块，其配置如图4.7 (a~m)所示。 (a) 配置EM253位控向导 (b) 设置模块位置 (c) 使用相对脉冲数 (d) 模块输入响应 (e) 电机速度设置 (f) 电机点动速度设置 (g) 加速减速时间设置 (h) 补偿时间设置 (i) 参考点 ( j) 运动包络定义 (k) 新包络 (l) 分配存储区 (m) 完成EM253位控模块配置 图4.7 EM253位控模块向导 根据脉冲输出向导和EM253位控模块配置向导建立好的指令子程序如图4.8所示，使用时只需选取调用则可。 图4.8 脉冲输出指令子程序块 (3) 编制PLC梯形图 根据图4.5流程图编制PLC梯形图，码垛机的启动信号梯形图如图4.9所示，当上一环节完成时，变量V32.0闭合得电；如果单联机切换开关I0.3闭合得电时处于单机状态，此时按下单机启动按钮I0.0使其闭合得电，使其V32.1置位，V600.4和V600.5复位，V32.1置位闭合后，定时器T203开始计时，0.2s后T203动作闭合，码垛机开始运行，Q0.2复位等操作。 图4.9 码垛机启动梯形图 图4.10为码垛机到达工件夹取位置时机械夹取货物的梯形图。当上一环节完成时，变量V32.7闭合得电；如果单联机切换开关I0.3闭合得电时处于单机状态，此时按下单机启动按钮I0.0使其闭合得电，使其V33.0置位，V33.0闭合得电后， Q2.0置位，使其气动电磁阀得电，机械手夹紧货物。同时定时器T204开始计时，1.5s后T204动作闭合，进行下一环节。 图4.10 机械手夹紧货物梯形图 图4.11为步进电机的PTO输出控制使能和初始化梯形图，该指令是通过脉冲输出向导建立的子程序。其各引脚的功能如下： I_STOP（立即STOP）输入量为一个布尔量输入。当输入为低电平时，PTO功能正常操作。当输入变为高电平时，PTO立即终止脉冲输出。 D_STOP（减速STOP）输入量为一个布尔量输入。当输入为低电平时，PTO功能正常操作。当输入变为高电平时，PTO产生一个脉冲串将电机减速到停止。 Done输出是一个布尔量输出。当Done位为高电平时，表明CPU已经执行完子程序。 当Done位为高电平时，Error字节以一个无错误代码或错误代码来报告是否正常完成。 若在向导中已使能HSC，C_Pos参数包含以脉冲数表示的模块当前位置。否则，当前位置将一直为0。 图4.11 PTO输出控制使能和初始化 图4.12为PTO输出置为手动模式梯形图。该指令允许电机以不同速度启动、停止和运转，速度范围在启动/停止速度到向导指定的最大速度范围内。其各引脚的功能如下： 使能RUN（Run/Stop）参数，命令PTO加速到指定速度（速度参数）。即使在电机运行时，您也可以改变速度参数的值。禁止参数RUN则命令PTO减速，直至电机停止。 参数Speed决定RUN启用时的速度。速度限制为启动/停止速度或本范围以外的Speed参数的最大值。速度是一个每秒多少个脉冲的双整型（DINT）值。电机运行时可以修改该速度参数。 图4.12 将PTO输出置为手动模式 图4.13为PTO输出执行运动操作梯形图。接通EN位，使能该子程序。确保EN位保持接通，直至Done位指示该子程序已完成。其各引脚的功能如下： 接通参数Abort，命令位控模块停止当前的包络并减速直至电机停下。模块完成该指令时，参数Done接通。参数Error包含指令的执行结果。参数C_Profile包含位控模块当前正在执行的包络。参数C_Step包含当前正在执行的包络的步。 图4.13 对PTO输出执行运动操作 图4.14为EM253位控模块的使能和初始化梯形图，该指令在S7--200每次转换为RUN模式时自动向位控模块发出命令，装载组态/包络表。 MOD_EN参数必须为接通状态以确保其它位控指令发送命令给位控模块。如果MOD_EN参数为断开状态。位控模块放弃所有正在进行当中的命令。 图4.14 对EM253位控模块的使能和初始化 图4.15是将EM253位控模块置于手动模式。这种模式下，电机可以以不同的速度运转或者沿正向或反向点动。 使能RUN（Run/Stop）参数则命令位控模块按指定方向（参数Dir）加速到指定速度（参数Speed）。您可以在电机运行时改变速度值，但参数Dir必须保持恒定。禁止参数RUN则命令位控模块减速至电机停止。 使能参数JOG_P（点动正转）或JOG_N（点动反转）命令位控模块沿正向或反向点动。如果JOG_P或JOG_N有效的时间短于0.5秒，位控模块则输出脉冲运动到JOG_INCREMENT所指定的距离。如果JOG_P或JOG_N的有效时间等于或长于0.5秒，位控模块则开始加速到JOG_SPEED所指定的速度。 图4.15 将EM253位控模块置于手动模式 图4.16为利用EM253位控模块指令走到指定位置。接通EN位使能该指令。确保EN位始终保持接通直到Done位指示指令完成。 接通参数START发送一个RUN命令给位控模块。每一循环周期，只要START参数接通且位控模块不忙，该指令发送一个RUN命令给位控模块，要保证该命令只发一次，使用边沿检测指令以脉冲触发START参数接通。 参数Pos包含一个表示运动位置（对于绝对运动）或运动距离（对于相对运动）的值。基于所选的测量单位，该值可以是一个脉冲数（双整数）或工程单位数（实数）。 参数Speed决定了运动的最大速度。基于测量单位，该值可以是一个每秒脉冲数（双整数）或是每秒工程单位（实数）。 参数Mode可选择运动类型：0为绝对位置；1为相对位置；2为单速连续正向转动；3为单速连续负向转动。 图4.16 用EM253位控模块指令走到指定位置 图4.17为仓位的选择，立体仓库共有三层12仓位，V22.5控制第一层仓格的选择，V22.6控制第二层仓格的选择，V22.7控制第三层仓格的选择。当第一层被选中了，第二、三层将不能选择，同样当第二层被选中了，第一、三层将不能选择，当第三层被选中了，第一、二层将不能选择。 当第一层被选中时，V22.5闭合得电，此时根据梯形图由上到下的顺序进行判断仓位，当第一层1仓位无货物时，V23.0闭合得电，第一层1仓位将被选中，此时梯形图继续往下进行时，其他仓位将不能再被选取；当第一层1仓位有货物时，梯形图将继续往下判断第一层2仓位，其他仓位同理。 图4.17 仓位的选择 图4.18为报警梯形图，当码垛机开始运行使V32.0得电后报警0.5s；当立体仓库仓满、急停按钮按下和码垛机运行结束后时报警会出现报警。 图4.18 报警梯形图 4.3 本章小结 在这一章节中，首先简单介绍了西门子S系列PLC软件的使用；根据第二章、第三章中确定的码垛机控制方案和PLC控制系统的硬件设计以及I/O合理的分配，制定码垛机的工作流程图，完成整个码垛机的软件程序的设计。 第5章 组态王仿真画面的设计 5.1 组态王监控软件介绍 工业组态软件是一种集数据采集与过程控制为一体的专用软件，它能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。目前国内广泛使用的工业组态软件有以INTOUCH、WinCC为代表的进口高端产品和以北京亚控组态王KingView为代表的在国内工控界比较有影响的民族品牌，国产组态软件同样提供了资源管理器式的操作主界面，具有丰富的图形、图表功能和很强的网络功能，由于这些卓越的性能，甚至也被国外的厂商所采用。 组态王组态软件的网络结构通常是一种柔性结构，用户可以根据系统需要设立专门的I/O服务器、历史数据服务器、报警服务器、登录服务器和WEB服务器等。它完全基于网络的概念，是一种真正的客户\服务器模式，支持分布式历史数据库和分布式报警系统，可运行在基于TCP/IP网络协议的网上，使用户能够实现上、下位机互连以及更高层次的厂级连网。 在工业自动化领域，它主要与PLC直接连接或通过网络成为网络中的一个控制节点，可以直接读写PLC内部的寄存器状态。利用触摸屏组态设计软件（不同的品牌具有不同的设计软件），制作对应的组态画面。当系统运行时，即可通过PLC采集现场数据，通过网络（如PROFIBUS、MODBUS等）传递至触摸屏。通过它我们可以及时查看现场信息；同时，各类状态信息、报警信息、控制信号等都能以文字、图像、音乐、解说、动画、录像等多种形式，直观、形象地展示在用户面前。 5.2 组态王监控软件仿真设计 组态监控的设计是为了方便我们能够实时监控现场的生产状态，了解设备状况和生产进度。 工程浏览器是组态王的集成开发环境，使用和Windows的资源管理器类似，如图5.1所示。在这里您可以看到工程的各个组成部分包括Web、文件、数据库、设备、系统配置、SQL访问管理器，它们以树形结构显示在工程浏览器窗口的左侧。 工程浏览器由菜单栏、工具条、工程目录显示区、目录内容显示区、状态条组成。“工程目录显示区”以树形结构图显示大纲项节点，用户可以扩展或收缩工程浏览器中所列的大纲项。 图5.1 北京亚控组态王工程浏览器 本设计的组态开发软件选择了北京亚控的组态王软件，设计该软件主要解决以下两个问题： 5.2.1 建立组态软件与PLC之间的通讯连接 图5.2 设置串口参数 组态软件与PLC之间建立通讯连接需要按如下步骤进行： (1) 在组态软件中设置串口参数，具体设置如图5.2所示。 (2) 选择连接的 PLC 及通讯电缆，在这里选择使用MPI电缆连接PC与PLC，参考图5.3： 图5.3 设备设置向导 再按下一步继续完成相关设置，根据提示输入设备的逻辑名称（自定义一个名称，方便我们知道连接的是哪一站）、选择COM口（如上所使用的为COM1口，则选择COM1即可，这里需要根据实际情况设置，如COM1已被其他设备占用，需选择其他COM口）、填写PLC的地址、连续按下一步选择默认属性即可。通过以上几个步骤的设置，就能顺利建立起组态软件与PLC之间的通讯连接，为我们后续的监控和管理作好铺垫。 5.2.2 组态画面及监控元素的设计 组态监控画面的设计主要明确监控对象是什么。在FMS柔性制造系统中，很多环节需要我们能够实时掌握其运行状态，了解生产需求。所以在设计画面上，需要先了解哪些要素是需要我们能随时掌控的，包括设备动作流程、报警信息采集、数据接收显示、历史数据处理等。 本设计针对自动化立体仓库的码垛机，主要设计了以下监控仿真画面： 图5.4 立体仓库码垛机组态监控仿真画面 具体实现过程参照如下步骤： (1) 定义外部设备变量； 数据词典中存放的是应用工程中定义的变量以及系统变量。变量可以分为基本类型和特殊类型两大类，基本类型的变量又分为内存变量和I/O变量两种。 “I/O变量”指的是组态王与外部设备或其它应用程序交换的变量。这种数据交换是双向的、动态的，就是说在组态王系统运行过程中，每当I/O变量的值改变时，该值就会自动写入外部设备或远程应用程序；每当外部设备或远程应用程序中的值改变时，组态王系统中的