PLC实现自动化立体仓库毕业设计.docx
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PLC实现自动化立体仓库毕业设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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年月日
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作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
第1章绪论
1.1课题研究意义
自动化立体仓库是一种新型仓库，也是一种处于发展中的技术。
国外自动化立体仓库经过几十年的发展与完善，显示出了它的许多优点。
然而，由于国内外的资源状况、经济体制、管理水平都各不相同，自动化立体仓库在国外显示的许多优点，并不一定就能在国内也表现出优势。
所以，我国在采用自动化立体仓库这项技术时，一定要从实际出发，考虑我国近期的情况，特别要立足于本单位的实际情况。
立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。
50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。
此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。
60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。
到目前为止立体仓库已经功能强大并且应用十分广泛。
我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所），1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械部起重所负责），该库1980年投入运行。
到2003年为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。
立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。
我国自动化仓库已经有三十余年的历史，可以相信，随着国民经济的发展，经济体制的日趋完善，生产水平的大大提高，自动化立体仓库将得到更好地应用与发展。
实践已充分证明，使用自动化立体仓库，可带动企业其他部门人员素质的提高，还会产生很大的社会效益和经济效益，如提高装卸速度等。
1.2课题分析与研究计划
关于立体仓库模型触摸屏监控系统设计重点和难点大体分以下三点：
（1）上位机控制关于触摸屏的程序设计包括：
人机界面的美观，操作的简单、可靠性等的设计。
（2）PLC程序的控制设计主要关于脉冲输出PLS指令的应用。
脉冲输出（PLS）指令被用于控制在高速输入（Q0.0和Q0.1）中提供的"脉冲串输出"（PTO）和"脉宽调制"（PWM）功能。
PTO提供方波（50%占空比）输出，配备周期和脉冲数用户控制功能。
PWM提供连续性变量占空比输出，配备周期和脉宽用户控制功能。
脉冲输出范围Q0.0至Q0.1。
（3）步进电动机伺服驱动控制的应用。
自动化立体仓库不是单一设备堆积而成的仓库，它是一个仓库系统。
有了自动化立体仓库，必然少不了自动化仓库管理系统，只有使用强大的仓库管理系统才能使得仓库管理和业务流程上一个台阶，才能将先进的硬件设备发挥作用和产生效益，针对这一仓库管理系统的设计我选择了PLC和触摸屏的结合进行实现，选择PLC是因为它的稳定性比单纯的使用单片机要稳定的多，所能实现的功能也强大的多。
应用触摸屏对PLC进行监测和控制是因为这样可以省去PC机的使用和与现实工业中对各中控制广泛应用触摸屏的一种发展趋势，用触摸屏实现了比PC机运行的更加稳定和操作的简单化，方便操作人员的学习使用，使操作人员更加快速的上手和准确的使用。
在实现立体仓库货物自动堆垛功能，堆垛机是一个重要组件，稳定可靠的堆垛机在货物堆放流程中可以代替繁重的人力搬运，以及已损坏物品的忧虑。
堆垛机的控制系统通常采用PLC为主的控制方式，由于堆垛机的操作位置是随着货物的堆放位置变化而变化的，其通讯控制是移动变化中进行的，对位置的移动精度有较高的要求因此用两个步进电动机来确定所要寻找物料的仓位，这样可以对物料进行的精确存取，至于取物和送物的精度要求就不是很高，对于此采用直流电机实现此功能，节约了成本。
操作面板功能键高度集成，采用人机对话友好界面，操作步骤、作业状况清晰易懂，即使是初次使用也毫无困难。
既可手自动切换，实现高效运行；又可点动操作，以便于检修。
根据需要和运行的状态，系统有以下操作方法及特点：
手动操作；自动操作；点动操作；设计模块化；维修极为方便、快捷。
立体仓库模型触摸屏监控系统设计的框架思想如图1.1所示实现触摸屏与PLC结合对立体仓库模型的控制和监测及信息管理功能，尽可能的仿真出实际环境中立体仓库的功能及应用。
图1.1系统设计框架
1.3社会经济效益分析
（1）高层货架存储，由于使用高层货架存储货物，存储区可以大幅度地向高空发展，充分利用仓库地面和空间，因此节省了库存占地面积，提高了空间利用率。
目前世界上最高的立体仓库已达50M。
立体仓库单位面积的存储量是普通仓库的5～10倍。
采用高层货架储存可以防止货物的自然老化、变质、生锈或发霉。
立体仓库也便于防止货物的丢失及损坏，对于防火防潮等大有好处。
集装箱化的存储也有利于防止货物搬运过程中的破损。
（2）自动存取，使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度。
同时，能方便地纳入企业的物流系统，使企业物流更趋合理化。
（3）计算机控制，计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，能减少货物处理和信息处理过程中的差错，而人工管理做不到这一点。
同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库储存能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。
如某汽车厂的仓库，在采用自动化仓库后，库存物资金额比过去降低了50%，节约资金数百万元。
自动化立体仓库的信息系统可以与企业生产信息系统联网，实现企业信息管理的自动化。
同时，由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，提高了操作人员素质和管理人员的水平。
第2章立体仓库模型硬件构造
2.1模型控制需求及硬件清单
系统采用滚珠丝杠、滑杠和普通丝杠作为主要传动机构，电机采用步进电机和直流电机，其关键部分是堆垛机，它由水平移动、垂直移动及伸叉机构三部分组成，其水平和垂直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成，伸叉机构由一台直流电机来控制。
它分为上下两层，上层为货台，可前后伸缩，低层装有丝杠等传动机构。
当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，伸叉电机驱动货台向前伸出可将货物取出或送入，当取到货物或货已送入，则铲叉向后缩回。
硬件清单如下表2.1所示
表2.1硬件清单
机械
部件
一个有13个方格组成的货架、滚珠丝杠两根、滑杠六根、普通丝杠一根、货叉一个、支架台一个、I/O面板两块、货物托架四块
电气
部件
一个继电器输出PLC和EM235扩展模块、一个220V交流转5V和24V直流的电源盒、步进电机及驱动模块两对、直流电机一个、双相24V继电器两个、行程开关15个
2.2主要模块工作原理图
如图2.1所示为整个立体仓库硬件控制的连接图，控制器为可编程序控制器PLC，通过PLC给驱动器的信号来控制步进电机的运行实现立体仓库叉车的定位。
图2.1硬件控制原理图
2.3驱动模块
（1）电气规格见表2.2
表2.2电气规格
说明
最小值
典型值
最大值
单位
供电电压
18
24
40
V
均值输出电流
0.21
1
1.50
A
逻辑输入电流
6
15
30
mA
步进脉冲响应频率
—
—
100
kHz
脉冲低电平时间
5
—
1
μs
（2）表2.3为电流设定，其中SW1,SW2,SW3为驱动模块上用来设定电流值的三个开关。
表2.3电流设定
电流值
SW1
SW2
SW3
0.21A
OFF
ON
ON
0.42A
ON
OFF
ON
0.63A
OFF
OFF
ON
0.84A
ON
ON
OFF
1.05A
0FF
ON
OFF
1.26A
ON
OFF
OFF
1.50A
OFF
OFF
OFF
（3）细分设定见表2.4
表2.4细分设定
细分倍数
步数/圈（1.8Ｏ整步）
SW4
SW5
SW6
1
200
ON
ON
ON
2
400
OFF
ON
ON
4
800
ON
OFF
ON
8
1600
OFF
OFF
ON
16
3200
ON
ON
OFF
32
6400
OFF
ON
OFF
64
12800
OFF
ON
OFF
由外部确定
动态改细分/禁止工作
OFF
OFF
OFF
（4）信号接线描述见表2.5
表2.5信号接线
信号
功能
PUL
脉冲信号：
上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步
DIR
方向信号：
用于改变电机转向，TTL平驱动
OPTO
光耦驱动电源
ENA
使能信号：
禁止或允许驱动器工作，低电平禁止
GND
直流电源地
+V
直流电源正极，典型值+24V
A+
电机A相
A-
电机A相
B+
电机B相
B-
电机B相
（5）PLC控制器与步进电机驱动器工作原理如图2.2所示：
图2.2步进电机驱动器工作原理图
2.4步进电机
采用二相八拍混合式步进电机，主要特点：
体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。
本模型中采用串联型接法，其电气图如下图2.3所示：
图2.3步进电机电气图
第3章PLC程序设计
3.1PLC社会发展
随着人类进步、社会发展、科学技术的应用，工业产品的品种就要不断更新换代，从而要求产品的生产线级附属的控制系统不断地修改甚至更换。
在20世纪60年代，生产线的控制主要采用继电器控制。
修改一条生产线，要更换许多硬件设备，进行复杂的接线，既浪费了许多硬件又大大拖延了施工周期，增加了产品的成本。
于是人们寻找研制一种新型的通用控制设备，逐渐就产生了可编程控制器。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械动作过程。
可编程控制器及其相关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。
可编程控制器的出现，立即引起了各国的注意。
日本于1971年引进可编程控制器技术；德国于1973年引进可编程控制器技术。
中国于1973年开始研制可编程控制器，1977年应用到生产线上。
3.2PLC的应用领域及特点
PLC的应用非常广泛，例如：
电梯控制、防盗系统的控制、交通分流信号灯控制、楼宇供水自动控制、消防系统自动控制、供电系统自动控制、喷水池自动控制及各种生产流水线的自动控制等。
按PLC编程功能来分可分为4大类：
开关量顺序控制；模拟量控制；运动控制；通信功能。
PLC的应用大大的提高了控制系统的稳定性、适用性、并且降低了系统成本其主要在于它具有的特点：
学习PLC编程容易；控制系统简单，更改容易，施工周期短；系统维护容易。
3.3设计思想及流程图
PLC在立体仓库系统中起到了主要的控制作用，通过对PLC的编程设计使立体仓库的自动化更加完善和强大，操作起来更加的方便稳定，根据实际情况对立体仓库应该具有的基本功能进行实现，从时间、经济、可操作性进行分析设计，实现了自动和手动及故障检修功能。
自动功能方便快捷的对货物进行存储，具体工作流程：
货物放到中转仓等待人员操作，如果在一定时间内无任何操作则自动存储货物到最小号的空仓位，在等待的过程中，操作人员可以根据自身意愿指定存取的仓位。
手动功能更加快速的实现了货物在仓位之间的调整，大大缩短了操作时间。
故障检修功能完全的实现了点动功能，方便了操作人员对设备的检修和维护。
具体的程序流程图如图3.1所示
图3.1程序流程图
3.4PLS指令
3.4.1PLS指令定义
脉冲输出（PLS）（见图3.2）指令被用于控制在高速输入（Q0.0和Q0.1）中提供的"脉冲串输出"（PTO）和"脉宽调制"（PWM）功能。
PTO提供方波（50%占空比）输出，配备周期和脉冲数用户控制功能。
PWM提供连续性变量占空比输出，配备周期和脉宽用户控制功能。
脉冲输出范围Q0.0至Q0.1特殊内存PTO/PWM高速输出寄存器
图3.2PLS指令
3.4.2识别S7-200高速输出指令
S7-200有两台PTO/PWM发生器，建立高速脉冲串或脉宽调节信号信号波形。
一台发生器指定给数字输出点Q0.0，另一台发生器指定给数字输出点Q0.1。
一个指定的特殊内存（SM）位置为每台发生器存储以下数据：
一个控制字节（8位值）、一个脉冲计数值（一个不带符号的32位值）和一个周期和脉宽值（一个不带符号的16位值）。
PTO/PWM发生器和过程映像寄存器共用Q0.0和Q0.1。
PTO或PWM功能在Q0.0或Q0.1位置使用时，PTO/PWM发生器控制输出，并禁止输出点的正常使用。
输出信号波形不受过程映像寄存器状态、点强迫数值、执行立即输出指令的影响。
PTO/PWM发生器非现用时，输出控制转交给过程映像寄存器。
过程映像寄存器决定输出信号波形的初始和最终状态，使信号波形在高位或低位开始和结束。
注释：
（1）在启用PTO或PWM操作之前，将用于Q0.0和Q0.1的过程映像寄存器设为0。
（2）所有的控制位、周期、脉宽和脉冲计数值的默认值均为0。
（3）PTO/PWM输出必须至少有10%的额定负载，才能完成从关闭至打开以及从打开至关闭的顺利转换。
脉冲串（PTO）功能提供方波（50%占空比）输出或指定的脉冲数和指定的周期。
脉宽调制（PWM）功能提供带变量占空比的固定周期输出。
每台PTO/PWM发生器有一个控制字节（8位），一个周期值和脉宽值（不带符号的16位值）和一个脉冲计值（不带符号的32位值）。
这些值全部存储在特殊内存（SM）区域的指定位置。
一旦设置这些特殊内存位的位置，选择所需的操作后，执行脉冲输出指令（PLS）即启动操作。
该指令使S7-200读取SM位置，并为PTO/PWM发生器编程。
通过修改SM区域中（包括控制字节）要求的位置，您可以更改PTO或PWM的信号波形特征，然后执行PLS指令。
您可以在任意时间向控制字节（SM67.7或SM77.7）的PTO/PWM启用位写入零，禁用PTO或PWM信号波形的生成，然后执行PLS指令。
注释：
所有控制位、周期、脉宽和脉冲计值的默认值均为零。
注释：
PTO/PWM输出必须至少有10%的额定负载，才能完成从关闭至打开以及从打开至关闭的顺利转换。
3.4.3PTO操作
PTO为指定的脉冲数和指定的周期提供方波（50%占空比）输出。
PTO可提供单脉冲串或多脉冲串（使用脉冲轮廓）。
指定脉冲数和周期（以微秒或毫秒递增）。
图3.3脉冲串
周期范围从10微秒至65,535微秒或从2毫秒至65,535毫秒。
脉冲计数范围从1至4,294,967,295次脉冲。
周期指定基数为微秒或毫秒（例如75毫秒），否则会引起占空比的失真。
脉冲计数和周期限制如表3.1
表3.1脉冲计数和周期限制
脉冲计数／周期
反应
周期<2个时间单位
周期的默认值为2个时间单位
脉冲计数=0
脉冲计数的默认值为1次脉冲
状态字节（SM66.7或SM76.7）中的PTO空闲位表示编程脉冲串已完成。
另外，也可在脉冲串完成时激活中断例行程序。
如果您使用多段操作，则在轮廓表完成时立即激活中断例行程序。
请参阅以下多段管线连接。
PTO功能允许脉冲串链接或管线作业。
现用脉冲串完成时，新的脉冲串输出立即开始。
这样就保证了随后的输出脉冲串的连续性。
该管线作业可以两种方式中的一种完成：
单段管线作业或多段管线作业。
3.4.4单段管线作业
在单段管线作业中，您负责更新下一个脉冲串的SM位置。
初始PTO段一旦开始，您必须按照对第二个信号波形的要求立即修改SM位置，并再次执行PLS指令。
第二个脉冲串特征被保留在管线中，直至第一个脉冲串完成。
管线中每次只能存储一个条目。
第一个脉冲串一旦完成，第二个信号波形输出即开始，管线可用于新的脉冲串规格。
您可以重复此一步骤，设置下一个脉冲串的特征。
可在脉冲串之间平稳转换，下列情况除外：
（1）如果执行改动
（2）如果现用脉冲串在执行PLS指令捕获到新脉冲串设置之前完成
如果您在管线已满时尝试载入，状态寄存器（SM66.6或SM76.6）中的PTO溢出位被设置。
进入RUN（运行）模式时，该位被初始化为0。
如果您希望探测随后出现的溢出，则必须在探测到溢出之后以手动方式清除该位。
3.4.5多段管线作业
在多段管线作业中，S7-200从V内存中的轮廓表自动读取每个脉冲串段的特征。
该模式中的SM位置是轮廓表的控制字节、状态字节和起始V内存偏移量（SMW168或SMW178）。
可以为微秒或毫秒，但该选项适用于轮廓表中的所有周期值，但在轮廓运行时不得变更。
然后可由执行PLS指令开始多段操作。
每段输入的长度均为8个字节，由一个16位周期值、一个16位周期△值和一个32位脉冲计值组成。
下表说明轮廓表的格式。
多段PTO操作的另一个特征是能够通过指定每个脉冲的数量自动增加或减少周期。
在周期
域编程正值会增加周期，在周期
域编程负值会减少周期。
若值为零，则周期不变。
如果您指定的周期
数值在一定数量的脉冲后导致非法周期，则会出现数学溢出条件。
PTO功能被终止，输出转换成映象寄存器控制。
此外，状态字节（SM66.4或SM76.4）中的
计算错误位被设为1。
如果以手动方式异常中止正在运行的PTO轮廓，状态字节（SM66.5或SM76.5）中的用户异常中止位则被设为1。
运行PTO轮廓时，SMB166（或SMB176）中提供当前现用段数。
1.多段PTO操作的轮廓表格式
表3.2多段PTO操作轮廓
距离轮廓表起始位置的字节偏移量
轮廓段数目
表格条目说明
0
段数（1至255）；数值0生成非严重错误，
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