毕业设计论文-基于PLC立体仓库控制系统设计Word文档下载推荐.doc
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Warehouse;
programmablecontroller;
warehousingandlogistics;
S7-200;
stacker
目录
第一章绪论 1
1.1自动化立体仓库的历史及国内外现状 1
1.2自动化立体仓库的简介及优越性 2
1.3立体仓库的概述 2
1.4论文的主要内容 3
第二章自动化立体仓库述系统概述 4
2.1自动化立体仓库的硬件组成 4
2.2立体仓库自动控制系统总体设计 6
2.2.1自动化立体仓库控制原理分析 6
2.2.2自动化立体仓库的系统工艺流程 8
2.2.3功能分析 8
第三章系统控制方案的确定 11
3.1立体仓库系统设计的基本步骤 11
3.2立体仓库的系统控制方案 12
第四章立体仓库控制系统硬件设计 13
4.1控制系统的结构设计 14
4.2PLC的选型 14
4.3PLC的I/O资源配置 15
4.4其他资源配置 16
4.5步进电机的选择 17
4.5.1步进电机的原理 17
4.5.2步进电机的选择 17
4.5.3步进电机驱动器的选择 17
4.6传感器的选择 20
4.6.1反射式传感器的选择 20
4.6.2微动开关的选择 21
第五章立体仓库控制系统软件设计 22
5.1控制系统PLC程序流程 22
5.2程序设计思路 22
5.3梯形图的设计 23
第六章结论与展望 33
谢辞 34
参考文献 35
附录A外文翻译-原文部分 36
附录B外文翻译-译文部分 40
附录C梯形图 44
III
第一章绪论
1.1自动化立体仓库的历史及国内外现状
立体仓库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。
20世纪50年代初美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；
50年代末至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，建立了第一座由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，并形成了专门的科学。
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。
据资料统计，日本目前已建成的自动化立体仓库物流系统已超过8000座。
我国自动化立体仓库起步较晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机，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15m，机械部起重所负责，该库1980年投入运行。
随着社会生产水平的提高，成产规模的扩大，现如今我国的自动化立体仓库犹如雨后春笋般的在各企业建立起来。
2007年，我国自动化立体仓库建设总量与2006年基本持平。
据不完全统计，全国共建成自动化立体仓库50余座，总产值在7亿人民币左右。
用户主要集中在医药生产、医药配送、食品、烟草生产及烟草配送、制造业、服装加工等行业领域。
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”。
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。
自动化立体仓库（AS/RS）是由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库托盘输送机系统、尺寸检测条码阅读系统、通讯系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其他如电线电缆桥架配电柜、托盘、调节平台、钢结构平台等辅助设备组成的复杂的自动化系统。
运用一流的集成化物流理念，采用先进的控制、总线、通讯和信息技术，通过以上设备的协调动作，按照用户的需要完成指定货物的自动有序、快速准确、高效的入库出库作业。
与传统的货物仓库相比,自动化仓库具有许多突出的功能,主要包括以下四个方面:
大大提高空间利用率，应用先进物流系统优化企业生产管理[1]，加快货物存取,减轻劳动强度,提高生产效率，减少库存资金积压。
而且使用自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。
它通过高层货架存储，使存储区大幅度地向高空发展，提高了空间利用率；
自动化立体仓库采用层积式存放，结合计算机管理，可以很容易实现先入先出，防止货物的自然老化、变质和损坏；
通过自动存取系统（AS/RS）,加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度；
采用自动化技术后，还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要；
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，减少了货物处理和信息处理过程中的差错；
同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力，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。
自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，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，也提高了操作人员素质和管理人员的水平。
1.2自动化立体仓库的简介及优越性
随着生活水平的提高，生产力的提高，现代物流业逐渐显现出快速增长的趋势，传统的仓储模式已经不能满足巨大的货存，所以立体仓库就显示出它的功效。
横移式自动化立体仓库是现代物流发展的重要组成部分，它可以充分的利用原有空间；
它具有节约用地、减轻劳动强度、消除差错、提高仓储自动化水平及管理水平、提高管理和操作人员素质、降低储运损耗、有效地减少流动资金的积压、提高物流效率等诸多优点。
可以更好的为人们所用。
1.3立体仓库的概述
自动化立体仓库，也叫自动化立体仓储，物流仓储中出现的新概念，利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化：
自动化立体仓库，是当前技术水平较高的形式。
自动化立体仓库的主体由货架，巷道式堆垛起重机、入（出）库工作台和自动运进（出）及操作控制系统组成。
货架是钢结构或钢筋混凝土结构的建筑物或结构体，货架内是标准尺寸的货位空间，巷道堆垛起重机穿行于货架之间的巷道中，完成存、取货的工作。
管理上采用计算机及条形码技术
立体仓库的优越性是多方面的，主要在以下几个方面：
1.提高空间利用率
早期立体仓库构想的基本出发点是提高空间利用率，充分节约有限且昂贵的场地，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、保护环境等更多方面联系起来。
有些甚至把空间利用率作为考核仓库系统合理性和先进性的重要指标。
仓库空间利用率与其规划紧密相连，一般来说，立体仓库的空间利用率为普通仓库的2～5倍。
2.先进的物流系统提高企业生产管理水平
传统的仓库只是货物的储存场所，保存货物是其唯一的功能，属于静态储存。
立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库内按需要自动存取，而且还可以与仓库以外的生产环节进行有机地连接，并通过计算机管理系统和自动化物料搬运设备使仓库成为企业物流中的重要环节。
企业外购件和自制件进入立体仓库短时储存是整个生产的一个环节，是为了在指定的时间自动输出到下一道工序进行生产，从而形成自动化的物流系统环节，属于动态储存，是当今立体仓库发展的明显技术趋势。
以上所述的物流系统又是整个企业生产管理系统（从订货、设计和规划、计划编制和生产安排、制造、装配、试验以及发运等）的一个子系统，建立物流系统与企业生产管理系统间的实时连接是目前立体仓库发展的另一个明显技术趋势。
3.加快货物存取，减轻劳动强度，提高生产效率
建立以立体仓库为中心的物流系统，其优越性还表现在立体仓库具有快速的入出库能力，妥善地将货物存入立体仓库，及时自动地将生产所需零部件和原材料送达生产线。
同时，立体仓库系统减轻了工人综合劳动强度。
4.减少库存资金积压
通过对一些大型企业的调查，我们了解到由于历史原因造成管理手段落后，物资管理零散，使生产管理和生产环节的紧密联系难以到位。
为了达到预期的生产能力和满足生产要求，就必须准备充足的原材料和零部件，这样，库存积压就成为较大的问题。
如何降低库存资金积压和充分满足生产需要，已经成为大型企业面对的大问题。
立体仓库系统是解决这一问题的最有效手段之一。
5.现代化企业的标志
现代化企业采用的是集约化大规模生产模式，这就要求生产过程中各环节紧密相连，成为一个有机整体，要求生产管理科学实用，做到决策科学化。
建立立体仓库系统是其有力的措施之一。
由于采用计算机管理和网络技术使企业领导宏观快速地掌握各种物资信息，且使工程技术人员、生产管理人员和生产技术人员及时了解库存信息，以便合理安排生产工艺，提高生产效率。
国际互联网和企业内部网络更为企业取得与外界在线连接，突破信息瓶颈，开阔视野及外引内联提供了广阔的空间和坚实强大的技术支持。
以上所述的物流系统又是整个企业生产管理大系统（从订货、必要的设计和规划、计划编制和生产安排、制造、装配、试验、发运等）的一个子系统，建立物流系统与企业大系统间的实时连接，是目前自动化高架仓库发展的另一个明显的技术趋势。
现代化企业对管理提出了更高的要求，“管理出效益”的思维方式已成为大多数的现代企业管理者的共识。
1.4论文的主要内容
可编程控制器（programmablelogiccontroller.PLC）是近年来发展迅速应用广泛的工业控制装置，是一种专为工业应用而设计的数字电子控制系统。
它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术融为一体。
它采用灵活、方便、快捷的可编程序控制形式和结构，通过数字量或模拟量的输入与输出过程中的信号转换，完成确定的逻辑运算、顺序控制、定时、计数、数值计算和一些特定的功能，应用于工业控制中的各类生产过程。
本设计是采用西门子S7-200系列实现对推垛机小车的控制，实现立体仓库在现实生活中的应用。
第二章自动化立体仓库系统概述
2.1自动化立体仓库的硬件组成
自动化立体仓库由多部分组成，实际图片如图2-1所示。
图2-1自动化立体仓库实图
（1）高层货架
它是自动化立体仓库系统实现货物立体存放的主要支撑结构，作为仓库不可或缺的组成部分，其性能直接影响仓库及其设备的使用。
目前高层货架主要有焊接式和组合式两种形式。
（2）巷道堆垛起重机
它是用于自动搬运、存取货物的设备。
有轨巷道堆垛机通过安全滑触线供电，在巷道内进行水平往复直线、垂直升降、货叉左右伸缩叉取等一系列协调动作，实现存储单元货物在巷道端口和指定货位间的出、入库作业。
按结构形式它可分为支柱和双立柱两种基本形式；
按服务方式可分为直道、弯道和转移车3种基本形式。
（3）输送系统
它是立体库的主要外围设备，负责将货物运送到巷道端口或从巷道端口将货物移走。
常见的有辊道输送机、链条输送机、升降台、分配车、提升机、皮带机等。
（4）托盘
用于承载货物的器具，有钢、塑料、木制托盘，其中木托盘具有较高的性能价格比
（5）自动控制系统
驱动自动化立体仓库各个设备的自动控制系统。
该系统作为完整的系统独立运行外还预留和上级管理系统及仓库内部其他管理系统的接口。
目前，立体仓库自动控制系统方式有集中控制、分离式控制和分布式控制3种。
（6）库存管理系统
也称中央计算机管理系统，是全自动化立体仓库的核心。
目前，典型的自动化立体仓库均采用大型的数据库系统（如SQL、ORA-CLE、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。
（7）PLC
PLC是近年来发展极为迅速、应用极为广泛的工业控制装置。
它将传统的继电器控制技术、自动化技术、计算机控制技术和通信技术融为一体专门为工业控制而设计，具有可靠性高、功能强、编程简单、使用方便、环境适应性好以及体积小、功耗低等特点；
具有基本控制功能、步进控制功能、模拟控制功能、定位控制功能、网络通信功能、自诊断功能、显示监控功能等，可以满足对工业生产进行监视和控制的绝大多数场合的需要[5]。
PLC最常用的语言是面向控制的梯形图语言，它采用了与实际电器原理图非常接近的图形编程方式，易学易用.
（8）传感器
信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。
微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。
随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。
传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。
（9）堆垛机
堆垛机是整个自动化立体仓库的核心设备，通过手动操作、半自动操作或全自动操作实现把货物从一处搬运到另一处。
它由机架（上横梁、下横梁、立柱）、水平行走机构、提升机构、载货台、货叉及电气控制系统构成。
[6]
①堆垛机形式的确定：
堆垛机形式多种多样，包括单轨巷道式堆垛机、双轨巷道式堆垛机、转巷道式堆株机、单立柱型堆垛机、双立柱型堆垛机等等。
②堆垛机速度的确定：
根据仓库的流量要求，计算出堆垛机的水平速度、提升速度及货叉速度。
③其它参数及配置：
据仓库现场情况及用户的要求选定堆垛机的定位方式、通讯方式等。
堆垛机的配置可高可低，视具体情况而定。
图2-2堆垛机结构
（10）输送系统
根据物流图，合理选择输送机的类型，包括：
辊道输送机、链条输送机、皮带输送机、升降移载机、提升机等。
同时，还要根据仓库的瞬时流量合理确定输送系统的速度。
（11）其它辅助设备
根据仓库的工艺流程及用户的一些特殊要求，可适当增加一些辅助设备，包括：
手持终端、叉车、平衡吊等。
2.2立体仓库自动控制系统总体设计
作为一个定位控制系统，必须实现的目标如下：
（1）能满足一般控制系统要求的自动、手动的控制功能；
（2）能根据使用者发出的指令做出相应的动作；
（3）能够根据实际的情况进行自动的校正。
2.2.1自动化立体仓库控制原理分析
堆垛机的信息显示、作业地址及指令的输入方法有很多种。
一种方法是采用发光二极管来显示各种信息（如故障诊断代码等），采用拨码开关来输入作业地址。
此种方法原理简单，但是一旦元器件有损坏，如某个发光二级管损坏，显示信息就不准；
又由于采用拨码开关输入的地址值无法校验，拨码开关使用2~3年后，触点氧化，使电阻增加，工作电压较低（24V），导通电流小（7mA），这样触点电阻的变化会直接影响拨码开关的可靠性，造成拨码开关拨的数值与PLC输入的数值不一致，堆垛机无法运行到目的地址。
此种方法直接影响了堆垛机的可靠运行，增大了堆垛机的后期保养、维修工作，因此目前此种方法已经很少有人采用。
另一种方法是采用键盘来输入作业地址、作业指令，用数字和符号来显示各种信息，输入的数值及指令马上可以显示出来，校对容易，对错一目了然。
编程器的显示器有二行共32位5×
7的液晶点阵，可以显示数字、符号和字母；
键盘按键有0~9、A~F等键可以使用，可以向小车输入作业地址（排、列和层）、作业指令（存、取最多二个作业）、操作方式（自动、手动）。
将键盘的0~9键定义为数字键，A~F定义为功能键，在输入作业指令、作业地址时，显示器能马上显示出来，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。
这个方法使堆垛机的小车每通过一个位置就记录一个数，一直移动到和预定位置号一致时停止移动，此方法的特点是电路简单。
另外随着电子技术的发展出现了众多优秀的PLC，用PLC来控制堆垛机是相当灵活方便，可以在PLC的软件中加以保护，即堆垛机每走过一个货格的时间超过或少于正常的时间范围就报警。
这样就可以有效地避免计数出错。
本课题即采用此种方法。
立体智能仓库能实现货物的自动存取功能，这就要小车在作水平、升降台做垂直运动时，能准确记忆堆垛机的位置，即堆垛机的小车和升降台所在的列和层数，以实现货物的定位存取，本系统采取了非接触式反射型光电传感器，自动检测货位的列和层数。
例如，随小车移动，列光电传感器每经过一个货架立柱时，接收到一个反射信号，列值增加1；
升降台每升高一层，层光电传感器使层值增１。
光电传感器的有效反射距离为30cm。
在自动存取货物时，货位的输入方法有微机键盘和BCD码拨盘开关两种形式输入，PLC在接收到外部输入的货位层和列数值后，将此值作为层、列计数器的预置值，用于实现货位的自动搜索控制。
图2-2示所示是典型连接示意图。
图2-3连接示意图
根据设计要求将整个定位控制的全过程分为多个阶段；
小车前进到指定货列架的过程；
将货物抬升到指定货架行的过程；
机械手放置货物或者取得货物的过程；
放置或取得货物之后返回的过程。
在各个阶段，对象的特征相对稳定，并且小车在前进和抬升货物的过程控制方面是基本一致的。
下面对各个阶段进行简单地介绍。
（1）小车前进过程：
在这个过程中，处于自动或者手动控制状态的小车由起始点出发，经过位置的校对，到达预先指定列值的货架位置。
（2）抬升货物过程：
在这个过程中，货物被抬升到预先指定行值的货架位置。
（3）存取货物过程：
在这个过程中，通过控制机械手臂的运动，使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）返回过程：
在完成指定的操作之后，小车应该返回起始位置。
2.2.2自动化立体仓库的系统工艺流程。
图2-4自动化立体仓库工作流程图
2.2.3功能分析
智能立体仓库有货架、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。
立体仓库中间为巷道，两侧为双行货架，堆垛机在巷道上
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