立体仓库模拟装置的设计及控制.docx
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立体仓库模拟装置的设计及控制
陕西国防工业职业技术学院
毕业设计说明书
题目：
立体仓库模拟装置的设计及控制
专业：
自动化生产设备应用
班级：
自动309
姓名：
学号：
指导老师：
2012年5月24日
第一章绪论…………………………………………………………………………..…...…1
1.1自动化立体仓库定义…………………………………………………………..……..…1
1.2本文主要研究内容……………………………………………………………..……......2
第二章立体仓库模拟装置的总体设计………………………………………..………..3
2.1立体仓库概况概况…………………………….………………………….…….…….….3
2.1.1控制系统的功能…………………………….…………………………..……..…3
2.1.2机械结构…………………………….……………………………………………...3
2.2定位自控系统总体设计………………………………………………………..………..4
2.3系统硬件设计方案……………………………………………………………..……..…5
2.3.1控制核心单元的选择……………………….……………………………....…..…5
2.3.2PLC的特点……………………………………………………………….....……….6
2.4MCGS组态软件……………………………………………………………….....……….7
2.4.1MCGS的主要特点和基本功能…………………………………………….....……….7
2.4.2MCGS的构成……………………………………………………………….....……….8
2.4.3MCGS组态软件的工作方式………………………………………….....……………..8
2.5系统软件设计方案……………………………………………………….….…...…......9
第三章定位控制系统的硬件设计…………………………………….……..…….…10
3.1PLC的选型和资源配置………………………………………………….…….……….10
3.1.1S7-200系列PLC概述………………………………………………….…….…….10
3.1.2CPU型号的选择………………………………………………………....…..….11
3.1.3其他功能模块的配置…………………………………………….……......…….13
3.1.4PLC的I/O资源配置……………………………………………………...….….13
3.1.5MCGS与PLC设备的通信………………………………………………...….………14
3.2位置的定位方法……………………………………………………………….…...….15
3.3电气接线图及元器件的选择………………………………………………..…….…..16
3.3.1电气接线图………………………………………………………….…...……....16
3.3.2元器件的选择………………………………………….………..……..….…..19
第四章定位控制系统的软件设计………….…………………………….….….….20
4.1程序流程图…………………………………………………………….…..………….20
4.2编程软件简介……………………………………………………….………..…….....20
4.3程序设计………………………………………………………….……………..……..21
第五章总结与展望………….………………………………………………….…..….…27
第一章绪论
当今社会仓储、物流等概念已经逐渐为广大公众所了解，其相应的管理技术也在许多大、中型企业中付诸实施。
计算机自控技术的飞速发展，为现代企业的物流管理提供了重要的技术支持。
自动化立体仓库就是自控技术在物流管理上的一个很好的应用。
自动化立体仓库不仅具有节省用地、减轻劳动强度、提高物流效率、降低储运损耗、减少流动资金积压等功能，而且在沟通物流信息、衔接产需、保证生产均衡、合理利用资源、进行科学储备与生产经营决策等方面发挥着独特的作用，使人们真正享受到现代计算机技术应用于企业物流管理的益处。
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。
自上世纪60年代以来,美、日、欧等国家和地区设计和投入使用的立体仓库越来越多,立体仓储技术已成为一门新兴的学科。
其目的是将物料存放在正确的位置，以便随时向制造系统供应物料，与搬运设备（如AGV、有轨小车、传送带）衔接，可靠及时供给物料。
可编程控制器（PLC）是实现自动化立体仓库的一种重要方式,并且可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要，可实现立体仓库的出库、进库等任务,是自动化立体仓库的核心部件,对其控制系统的研究具有广阔的应用前景。
本文以西门子公司S7-200系列PLC机型为例，研究了自动化立体仓库模型的控制系统。
1.1立体仓库定义
高层货架仓库简称高架仓库。
一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。
由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓库”。
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。
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。
自动化高架仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。
在我国，自动化高架仓库应用的行业主要有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。
自动化立体库的基本组成:
自动化立体库基本由一下部分组成:
高层货架:
用于存储货物的钢结构。
目前主要有焊接式货架和组合式货架两种基本形式。
托盘（货箱）：
用于承载货物的器具，亦称工位器具。
巷道堆垛机:
用于自动存取货物的设备。
按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形式；按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。
输送机系统:
立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。
输送机种类非常多，常见的有辊道输送机，链条输送机，升降台，分配车，提升机机，皮带机等。
AGV系统:
即自动导向小车。
根据其导向方式分为感应式导向小车和激光导向小车。
自动控制系统:
驱动自动化立体库系统各设备的自动控制系统。
目前以采用现场总线方式为控制模式为主。
库存信息管理系统:
亦称中央计算机管理系统。
是全自动化立体库系统的核心。
目前典型的自动化立体库系统均采用大型的数据库系统（如ORACLE，SYBASE等）构筑典型的客户机/服务器体系，可以与其他系统（如ERP系统等）联网或集成。
自动化立体仓库其优越性是多方面的，对于企业来说,可从以下几个方面得到体现：
提高空间利用率早期立体仓库的构想，其基本出发点就是提高空间利用率，充分节约有限且宝贵的土地。
在西方有些发达国家，提高空间利用率的观点已有更广泛深刻的含义，节约土地，已与节约能源、环境保护等更多的方面联系起来。
有些甚至把空间的利用率作为系统合理性和先进性考核的重要指标来对待。
立体库的空间利用率与其规划紧密相连。
一般来说，自动化高架仓库其空间利用率为普通平库的2-5倍。
这是相当可观的。
1.2本文主要研究内容
本文主要研究的是PLC在立体仓库模拟装置的控制系统中的应用。
其中控制系统设计成3自由度的系统,货物放在升降台的货叉（机械手）上能实现上下、左右及前后的运动。
输入对应的仓库号，就可以自动存/取货物。
第二章立体仓库模拟装置的总体设计
2.1立体仓库机械结构的设计
2.1.1控制系统的功能
在自动化立体仓库的物流输送过程中，为实现货物在各出入库端到货格的搬运，其基本功能包括以下几个部分：
（1）三维动作控制在水平、垂直、左右方向的运行；
（2）位置控制以适合的速度运行并精确的定位在货格或入出库口处；
2.1.2机械结构的设计
如图2-1所示，目前所用的堆垛机基本结构主要由机架、运行机构、起升机构、载货台、货叉、电器设备及各种安全保护装置等组成。
框架：
堆垛机的框架是由立柱、上横梁及下横梁组成的长方形框架结构。
框架沿天地轨运行，为防止框架倾倒，在横梁上都装有导向轮。
运行机构：
运行机构由电机变速箱、行走轮、导向轮.滚动轴承.滑动轴承.滚珠丝杠等组成。
在下横梁下有行走轮，其侧面有导向轮，保证堆垛机能正常行驶。
起升机构：
起升机构主要由驱动链轮，升降链轮，升降链条等组成。
升降链条与载货台相连接，与升降链轮，上下横梁的链轮及载货台组成封闭结构。
载货台:
载货台为装载平台，在侧面有导向轮以保证其能正常行驶在升降轨道上.
图2-1立体仓库的结构
1.上横梁2.松绳及过载保护装置3.立柱4.起升结构
5.运行机构6.伸缩货叉7.载货台8.电气柜9.下横梁
2.2定位自控系统总体设计
企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得仓库成为生产物流系统中的一个重要不可缺少的环节。
立体仓库正以它最小的占地面积和最佳的空间利用率，逐渐代替面积利用极低且陈旧落后的平面仓库，这种替代逐渐促使仓储物流业水平的提高。
为满足现代化生产和流通的需要，而本文设计的立体仓库远没有那么复杂，主要有货架、堆垛机、自动控制装置等部分组成，有自动和手动两种操作方式。
由固定在小车上的门式框架、沿门式框架上的垂直导轨作上下运动的升降台和在升降台上作伸缩运动的货叉（机械手）等三部分组成。
货物放在升降台的货叉上能实现上下、左右及前后的运动。
根据设计要求将整个定位控制的全过程分成多个阶段：
小车前进到指定的货架列的过程，将货物抬升到指定的行的过程，机械手放置或取回货物的过程，放置或取回货物之后返回的过程。
在各个阶段，对象的特性相对稳定，并且在前进和抬升货物的过程中控制方面是基本一致的。
下面对各个阶段进行简单的介绍。
1.前进的过程：
在这个过程中，无论是自动或是手动状态，小车都是有起始点出发，经过位置的校对，到达预先制定的货架的列。
2.抬升货物的过程：
在这个过程中，货物被抬升到指定的行。
3.存取货物的过程：
在这个过程中，通过控制机械手臂的运动，是机械手到达预先指定的位置，然后根据实际的需要完成存放或者取得货物的操作。
4.返回的过程：
在完成制定的操作之后，应该返回到起始的位置。
2.3系统硬件设计方案
2.3.1控制核心单元的选择
控制核心单元是整个控制系统的“大脑”，随控制形式的不同而不同，可以是继电器组成的逻辑电路，可以是可编程控制器，也可以是单片机系统。
继电器控制最早出现于1863年电磁继电器发明以后，在早期的立体仓库中继电器控制形式比较常用。
继电器控制系统就是把各种继电器、接触器、开关及其触点，按照一定的逻辑关系连接在一起构成具有简单控制功能的逻辑电路。
它具有价格低廉、维护技术要求不高的优点，但功能不易扩展、布线连接不易更新、可靠性不高，该控制方式只适用于工作模式固定、控制要求简单的场合。
随着电子技术的飞速发展，诞生了许多其它形式的控制元器件，很快的取代了这种早期的控制形式。
单片机就是在一块硅片上集成了中央处理器，随机存储器，程序存储器，定时器和各种I/O接口的计算机。
单片机具有体积小、价格低、性能强、速度快、用途广、灵活性强等优点。
最值得一提的是单片机具有强大的存储扩展能力，有能力满足不同的存储需要。
理论上也可用于堆剁机控制系统，但由于其开发周期较长、调试耗时较多、抗干扰能力较弱等原因，在立体仓库的实际控制系统中没有得到广泛的推广应用。
PLC是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器以及存储指令，完成逻辑、定时、计数、算术运算等功能，并通过数字或模拟的输入、输出接口控制各种机械和生产过程。
PLC的功能齐全，与其他控制器相比具有自诊断、报警、监控等特有功能。
具有应用灵活、操作方便、容易维修、稳定可靠的优点，其技术成熟，性价比高在工业控制领域以基本取代了传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制[6]。
对以上三种主控制单元进行比较和分析，PLC操作、维护简单，程序直观，设计周期短，电路简单的特点很适合堆剁机控制系统。
它对环境要求不高，抗干扰性强，对操作人员以及维护人员的要求也不高，安装、调试相对简单且设备数量少，因此PLC是定位控制单元的首选。
只是在采用的品牌、型号上有些差异。
2.3.2PLC的特点
立体仓库位置控制系统主要由PLC组成。
可编程序控制器（PLC）是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。
因而对于使用者来说，变成完全可以不考虑微处理器内部的复杂结构，不必使用各种计算机使用的语言，而把PLC内部看做是有许多“软继电器”等逻辑部件组成。
可编程控制器的主要特点有：
1.可靠性高，抗干扰能力强。
这往往是用户选择控制装置的首要条件。
PLC生产厂家在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使它直接安装于工业现场而稳定可靠的工作。
目前各厂家生产的PLC，其平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时。
而且为了适应特殊场合的需要，有的PLC生产商还采用了冗余设计和差异设计（如德国Pilz公司的PLC），进一步提高了可靠性。
2.适应性强，应用灵活。
由于PLC产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求。
3.编程方便，易于使用。
PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。
近年来又发展了面向对象的顺序流程图语言（SequentialFunctionChart），也称功能图，使编程更简单方便。
4.控制系统设计、安装、调试方便。
PLC中含有大量的相当于中间继电器、时间继电器、计数器等的“软元件”。
又用程序（软接线）代替硬接线，安装接线工作量少。
设计人员只要有PLC就可以进行控制系统的设计并可在实验室进行模拟调试。
5.维修方便，维修工作量小。
PLC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。
PLC对其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。
工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。
6.功能完善。
除了基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。
由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂，有控制要求，就会有PLC的应用[7]。
同样，可编程控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制,其开发潜力要差于单片机，通用性不好，不同厂家的可编程控制器以及其附属单元都是固定专用等等。
2.4MCGS组态软件
MCGS全中文工业自动化控制组态软件（以下简称MCGS工控组态软件或MCGS）为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案。
MCGS工控组态软件是一套32位工控组态软件，它基于Windows平台，可稳定运行window95/98/NT操作系统。
通过对现场数据的采集处理，以动画显示.报警处理.流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了windows图形功能完备,界面一致性好,易学易用的特点,比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。
2.4.1MCGS的主要特点和基本功能
（1）简单灵活的可视操作界面。
（2）实时性强,良好的并行处理性能。
（3）丰富,生动的多媒体画面。
（4）开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理能力。
（5）完善的安全机制。
（6）强大的网络功能。
（7）多样化的报警功能。
（8）实时数据库为用户分部组态提供极大方便。
（9）支持多种硬件设备，实现“设备无关”。
（10）方便控制复杂的运算流程。
（11）良好的可维护性和可扩充性。
（12）用数据库来管理数据存储，系统可靠性高。
（13）设立对象元件库，组态工作简单方便。
（14）实现对工控系统的分布式控制和管理。
总之，MCGS组态软件功能强大，操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。
同时使用MCGS组态软件能够避开复杂的计算机软,硬件问题，集中精力去解决工程问题的本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能,高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。
2.4.2MCGS的构成
MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成，如图2-4-1所示。
两部分相互独立，又紧密相关。
多任务多线程
图2-4-1MCGS组态软件系统构成
用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。
用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。
2.4.3MCGS组态软件的工作方式
如何对工程运行流程实施有效控制，MCGS开辟了专用的MCGS如何与设备进行通讯：
MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。
包括数据采集和发送设备指令。
设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL（动态链接）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。
MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。
每个驱动程序独占一个线程，达到互补干扰的目的。
MCGS如何产生动画效果：
MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：
一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等。
每一种动画属性都会产生一定的动画效果。
所谓动画属性，实际上是反映图形大小,颜色,位置,可见度,闪烁性等状态的特征参数。
我们在组态环境中生成的画面都是静止的，在工程运行中产生动画效果的方法是：
图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量，链接到实时数据库中，一次建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接。
MCGS如何实施远程多机监控：
MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网，Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络测控系统，实现网络间的实时数据同步，历史数据同步和网络事件的快速传递。
同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。
分布式网络测控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。
MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态，端口号，工作站地址等属性参数的设置。
“运行策略”的窗口，建立用户运行策略。
MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用。
通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为用户策略），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。
所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了繁琐的编程工作。
2.5系统软件设计方案
可编程控制器是扫描工作方式，能同时对多个模块进行控制，在整个程序扫描时间里加上不同的输入检测信号，就可使程序按所检测信号判断进入不同的分支程序。
主程序包含有多个分支程序，这样既提高了编程的灵活性又减少了不必要的代码重复，同时也方便以后系统扩展对软件的修改。
系统控制有手动和自动两种工作方式，因此程序中采用子程序设计，初始化复位，手/自动的选择主要有主程序完成。
主要设计有如下子程序：
自动子程序、手动子程序、步进电机驱动子程序等。
堆垛机的初始位置位于入库的口，升降台位于“下位置”，入库台车上有货物，小车上无物。
按下控制面板上相应的键，向入库口伸叉，伸叉到位即取得货物，然后小车向前运动，到达相应的列时停止，升降台开始上升，同理到达相应的层时停止，即到达货架的指定位置了，这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，然后返回准备下一次作业。
自动过程主要是这样的。
而手动有些差别，手动的前后上下运动主要是通过按动控制面板上按钮来控制小车、升降台运动的方向和到达位置的。
第三章定位控制系统的硬件设计
定位控制方式分为自动控制操作和手动控制操作。
其中自动和手动之间互锁。
当有存取操作时，PLC会接收和分析操作人员在控制面板按钮或上位机输入的指令，做出合理的工控安排：
判断检测元件的状态，读取仓库机械驱动部分的信息；然后，将信息反馈到执行元件，实现其位置移动，完成货物的存取操作。
该系统中PLC主要完成对货叉位置及运行状态的检测和存取的操作。
用各种光电开关、行程开关检测位置状态，用接触器、继电器执行对拖动电机的起停控制。
对货叉（机械手）的操作就是控制横移电机（小车电机）和升降电机，使它们在不同时间实现正反转，然后再通过伸缩手臂来抓取货物。
而且升降、横移动作和机械手的伸缩动作必须是互锁的，即当前进或者升降动作时，机械手不能进行伸缩动作，反之亦然。
为了保证安全各控制按钮之间必须有精确的逻辑互锁和自锁。
水平方向的前后运动，有小车电机进行驱动，小车电机为220W的三相交流异步电动机。
堆垛机的垂直方向，有提升电机驱动升降台做升降运动，提升速度小于3米/分，提升功率也是220W的三相交流异步电动机。
固定在升降台上的机械手可带动货物一起做伸缩运动，用于货物的存取操作。
同时，采用键盘来输入作业地址、作业指令，键盘按键又0-9、A-F等键可以使用，可以输入作业地址（某个仓库号）、作业指令（存、取），在输入作业地址、作业指令时操作面板可以马上显示出来，实现了简单的人机对话，保证了输入的作业地址和作业指令的准确性，提高了堆垛机运行的可靠性。
用数字和指示灯来显示各种信息，输入的数值和指令马上可以显示出来，校对容易，对错一目了然。
另外，为了更好地进行自动或手动操作，在每个仓库上加一个检测开关，这些开关均接个显示灯，用以检测某个仓库是否有物。
3.1PLC的选型和资源配置
根据实际的控制点数和系统需要实现的控制要求，在本设计中选用西门子的S7-200系列的PLC作为控制系统。
3.1.1S7-200系列PLC概述
S7-200系列PLC是德国西门子公司生产的一种超小型PLC,超小型是指其功能具有大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的价格一样。
可以单机运行，也可以输入/输出扩展。
它结构小巧，可靠性高，运行速度快，继承和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势，又极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能
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