论文总字数：13952字

摘 要

本设计采用工业控制计算机作为调度、管理、监控主机，采用可编程控制器PLC作为控制器，设计了四层三列的堆垛式烟草成品仓库，上位机采用组态王软件完成工业控制计算机与PLC之间的数据通讯。根据烟草入库时应实现的功能和安全性要求，选择了电机的型号，还画出了所需设备的接线图和系统供电原理图。然后利用STEP 7的编程软件和组态王设计了烟草成品仓库控制程序和上位机监控界面。

经过模拟实验，该智能立体仓库控制系统定位精准，既安全又可靠，还能实现自动存取功能。大大减少了人力资源的调配，也提高了烟草存储的效率。

关键词：烟草，入库，仿真，PLC，组态王

Abstract: As we all know, China is a big tobacco consumer, so its output is bound to be in the forefront of the world, and the increase of production also raises the requirements for storage technology.

In this design, the industrial control computer is used as the main dispatching, management and monitoring machine, and the programmable controller PLC is used as the controller. The stacked tobacco warehouse with four layers and three rows is designed. The host computer uses Kingview software to complete the data communication between the industrial control computer and the PLC. According to the function and safety requirements of tobacco storage, the type of motor is selected, and the wiring diagram of the required equipment and the power supply schematic diagram of the system are also drawn. Then using STEP 7 programming software and Kingview, the control program of tobacco product warehouse and the monitoring interface of PC are designed

The simulation experiment shows that the intelligent warehouse control system is accurate in positioning, safe and reliable, and can also realize automatic access function. It greatly reduces the allocation of human resources and improves the efficiency of tobacco storage.

Keywords: tobacco; warehouse; simulation; PLC; Kingview

1 前言

本文着重介绍烟草在入库时的自动控制过程和监控过程。在本文的设计中，采用的是4行3列的仓库货架，人通过集成化的操作界面控制仓库的取货和送货。设计中的堆垛机采用电机控制，并且按指令在指定位置取货。机械手采用电机精确控制，按指令取出或送入货物到指定仓位。这两部分是下位机的核心部分，采用的西门子S7-200系列的PLC进行控制，使得立体仓库的自动化程度大为提高。下位机核心部分是组态监控技术的应用，本设计中采用的是组态王组态软件，监控立体仓库在运行中的各种情况，并且通过和PLC的通信，实现现场信息的收集，实现仓库资源优化、数据统计、实时报警等功能。

1.1课题研究的意义

近几十年我国的自动化仓库存储技术飞速发展，但是与诸多发达国家相比，在数量和水平还有着不小的差距，其中自动化程度不足是一个很大的劣势。针对此问题的解决办法就是在控制系统中采用PLC控制器，PLC拥有强大的功能，这都在以下设计中详细介绍，此处不做过多说明。另一方面在各行各业仓储系统往往是庞大的，研制这种系统需要投入巨大的人力、物力和财力，这就使得众多科研机构望尘莫及，对于这个问题，我们可以通过软件设计出小型的仓库系统，并在其中加入控制系统，然后使用PC进行模拟调试，最后将其用于仓储系统的生产与研制，如此一来不仅节约成本，也提高了效率。事实证明，大型的仓储系统已经不是大势所趋了。反而小规模，反应速度快，用途广的仓储系统成为了以后的发展方向。

1.2课题研究的主要内容

本课题主要对烟草仓库存储的主体结构进行电气控制系统的软件和硬件设计。对堆垛式立体仓库通过采用PLC自动完成对烟草成品的存放与储存，用组态王6.55实时模拟工作现场对烟草的存取过程。

第一章指出研究仓储系统的意义以及国内外的研究背景

第二章介绍了堆垛式智能立体仓库进行结构分析，指出其工作流程及原理并提出设计方案。

第三章根据设计要求确定所需使用的硬件，并确定各个所需硬件的型号。

第四章给该设计编写程序，并对上位机和下位机进行设计，利用组态王软件实行监控。

第五章对所设计的系统进行仿真与调试。

2烟草入库仿真系统的总体设计

在烟草入库的仿真中，电控系统有着极其重要的作用，电控系统的控制技术在仿真中是不可缺少的核心部分。在本章中根据仿真系统的运行特点依次对烟草入库的工作流程、设计要求、电气控制方案以及电气控制系统的框架进行介绍。

2.2 烟草入库的工作流程

烟草成品仓库每个仓位都有载货用的托盘，载货托盘通过使用叉车完成存取过程。当叉车停在仓库内的地面时只作前后动作，不进行升降动作，高仓位或底仓位通过叉车将托盘升或降到特定位置，利用电机即可驱动叉车的升降。4*3烟草仓库的存取车如下图2.5所示。

图2.5 4*3烟草仓库的存取车

2.3 烟草入库的设计要求

烟草入库在设计中要体现出电气控制的优点和特点。因此，系统要求如下：

1.采用工控机控制，在工控机上显示当前所有仓位的状态和烟草的存放位置。

2.工作人员在机器上输入仓库所在坐标之后，该系统在选定的路径下自动到达地面，当工作人员进入仓库取烟时，全部系统全部处于暂停运行的状态。

3.设置急停旋钮，防止意外事故发生而对工作人员造成伤害。

2.4 烟草入库的控制系统方案的确定

控制系统是整个烟草仓储系统的核心，控制系统的优劣将会决定烟草仓库的安全性以及存储效率。所以在设计系统的时候必须兼有可靠性和方便性。单片机适用于精度和速度要求较高的地方，但是对外围电路的干扰较差。PLC是建立在单片机之上的产品，由于PLC具有可靠性强、操作便捷等特点，因此在实际烟草仓储系统中选择PLC作为控制系统的核心。

图2.6 烟草仓库系统逻辑框图

此处选择西门子S7—200为主控单元口。烟草仓库系统逻辑框图如图2.6所示[1]。

控制系统首先通过控制电机的正反转，从而实现取货器的升降；其次才是仓库内的各种辅助装置^[1]。

3烟草仓库控制系统的硬件组成

3.1 PLC的工作原理

3.1.1 PLC的特点

（1）特别可靠，适用于生产及操作的复杂环境

（2）编程简单，使用便捷

（3）控制程序多样化，具有良好的韧性

（4）直接带负载能力强

（5）接口简单、方便维护

（6）功能较为完善、有利于实现机电一体化

（7）具有标准的通信、网络技术，可实现计算机网络控制

3.1.2 PLC结构

可编程控制器核心模块如下图3.1所示。

图3.1 PLC控制系统

I/O模块的输入电路如3.2所示，输出电路如3.3所示。

图3.2 PLC的输入电路

图3.3 PLC的输出电路

3.2 工控计算机

工控计算机简称工控机是用于工业测量控制的计算机，其已被广泛应用于生活的各个方面。工控机能够适应工业生产的需要，具有较强抗干扰能力与可靠性，以保证生产系统安全、稳定运行。根据烟草仓库的设计要求，该设计采用了配置高、可靠性高、处理速度快的工控机——“研华”（见下图3.4）。

图3.4研华IPC-610MB

3.3 电机

烟草仓库采用三相异步电动机。用来控制横向移动的控制电机的额定功率为0.6kw，满载转速为1400r/min，用来控制上下移动的电机额定功率为2.2kw，满载转速为1500r/min。

3.4 位置检测装置

该设计中，当有成品烟草放入仓库时，应采用相应的传感器来检测烟草是否已经放到恰当的位置。在该设计中采用直线接触式磁感应开关检测烟草是否到达指定的位置，烟草到达特定位置后会触发行程开关，终止上一个动作并执行下一个动作

3.5 安全措施与可靠性

烟草成品仓库在工作时首先要考虑工作人员以及仓库设备的安全问题。首先在主电路中设置断电保护装置，以保证在主电路电源发生缺相故障时，相应的继电器能够发生动作，切断主电源，从而保障工作人员和仓库设备的安全。

3.6 PLC及其他器件选型

按照设计要求，得出PLC使用过程中输入量和输出量情况，开关量输入信号：37个；开关量输出信号：22个。

PLC在选择容量时不仅要满足控制要求还要留有相应的裕量。I/0点数也要留有相应裕量。但由于目前I/0点数多的PLC价格昂贵，所以只需选择比所需点数高10%~15%即可。

按照该设计的要求，经过各种可靠性，经济实惠程度的考量，选择西门子S7-200作为烟草仓库控制系统的主控制器。对烟草仓库控制系统分析后，确定了系统的具体输入输出点数，采用西门子CPU226作为控制器，并扩展了两片EM223。

4 烟草仓库控制系统软件设计

4.1 I/O分配及接线图设计

4.1.1 PLC编程的原则

设计PLC的基本原则是：首先得保证烟草仓库的控制要求。其次，保证工控机系统的可靠性。然后，设计控制系统时尽量简单、合理、实用。最后，为了升级设备时有可能用到多余接口，因此在接口和通信上留有余地。

4.1.2 程序设计流程及I/O点分配

该烟草仓库为四行三列，共计12个仓位，共计4种工作模式，其中I0.0,I0.1为启停模式，I0.2,I0.3为存取模式，I0.4~I2.5为仓库的选择模式，Q0.0~Q0.3为载车板的移动模式。此外I3.0~I6.6为感应传感器，Q0.4~Q3.1为指示灯。共计I/O输入点数37个，I/O输出点数22个。由此列出烟草成品仓库I/O分配表如表4.1所示。

表4.1 烟草成品仓库存车I/O分配表

4.1.3 控制电路和主电路设计

根据设计烟草成品仓库要求，利用绘图软件画出PLC外部接线图如下图4.1所示。

图4.2外部接线图

图4.3 主电路图

4.2 PLC程序设计

根据烟草仓库的工作流程设计程序流程图如图4.4所示，由于具体程序见附录A。

图4.4 程序流程图

5 组态监控设计

5.1 组态软件仿真实现的意义

上位机对于一个完整的监控系统来说是尤为重要的，这决定着系统操作的复杂程度，因此一个良好的人机交互界面可以让工作人员更简便的操作，从而提高工作效率。

工控组态软件是实际生产中用于采集数据，控制系统的专用上位机软件，组态软件可以用来监控自动控制系统。其使用的通信协议与常用的外部设备相兼容，还能够实现联网控制。在组态控制软件被开发之前，人机交互界面通常是由程序员编写或者是项目外包出去，这样设计出来的人机交互界面，耗费时间久，效率低下，通常很难与实际生产相匹配。在组态软件被开发之后，充分利用其功能，就可以制作出适合生产现场工作的人机交互界面。

本设计采用的上位机软件是组态王（King View）6.55。

组态王有着中文开发界面、友好的人机交互体验、具体操作简单、易于编写命令语言等优点。这些优点能在自动化控制系统的检验中发挥出不错的效果。

5.2 组态软件的设计步骤

在使用组态软件进行仿真时需要先建立工程，之后在工程当中进行具体的设计。建立组态工程的一般步骤是：先定义设备、其次绘制图形界面、然后建立变量、最后将图像进行关联、调试和运行。通常有以下三个过程：

图形画面：用工艺流程图仿真工作现场的相关设备，设置各个环节所需要的参数，设计监控画面，查看设备的工作状态。

数据库：建立一个仿真工作现场设备工作状态的变量表，该变量表要能够实时反映存储时设备的参数，如坐标、温度、湿度等 。

动画连接：模拟设备运行状态，能够让工作人员对设备进行参数调节。

以下介绍具体操作步骤：

1.新建一个工程：

在菜单栏电机“新建”按钮，弹出“新建工程向导”窗口，然后点击“下一步”，在弹出的“新建工程向导”窗口中对工程进行描述，然后确定保存该工程的地址。

2.定义设备：

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