立体仓库控制系统设计文档格式.docx
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Transducer;
Transportationsystem;
Logistic
1前言
1.1立体仓库简介
自动化是现代物流技术发展的一个主要趋势，因此作为现代物流系统主要组成部分的立体仓库在整个物流系统中占有非常重要的地位。
立体仓库的出现不仅彻底改变了整个仓储物流行业劳动密集、效率低下的落后状况，而且极大的拓展了仓库的功能，适应了物流现代化的发展要求。
立体仓库是一个将毛坯、半成品、配套件或成品、工具等物料自动存取、自动检索的系统，是物流系统的重要组成部分。
立体仓库主要由库房、堆垛起重机、出入库运输机、控制计算机、状态检测器等部分组成，必要时还配有信息输入设备如条形码扫描器等。
立体仓库是一种设置有高层货架，并配置有仓储机械和自动控制、计算机管理系统，以实现物料搬运、存储机械自动化，存储管理现代化的一种新型仓库。
它充分利用仓库空间，集信息、存储、管理与一体化，利用微电子自动控制技术实现仓储作业的自动化，采用先进的计算机管理系统实现管理现代化。
与普通平库相比，它有无可比拟的优越性：
首先立体仓库节约空间、节省劳动力，可充分提高仓库的空间利用率，降敌仓储成本。
据国际仓储自动化协会提供的资料显示：
以库存11000托盘，月吞吐10000托盘的冷库为例，自动化立体仓库与普通平库比较情况为：
用地面积为13%，工作人员为21.9%，吞吐成本为55.7%，总投资为63.3%，而且立体仓库单位面积存储量是普通平库的4-7倍。
其次、由于采用自动控制技术及计算机管理系统，极大的提高了仓库吞吐效率和管理水平。
其存储作业迅速准确，使作业过程中的货损大大的减少；
通过对仓库物资的优化管理，可减少库存、缩短物资的周转期，提高资金的周转率，从而提高经济效益。
再次、自动化程度高，可实现高速数据通讯、实时图像显示，为可视化监控提供了方便。
１.2.立体仓库的结构
立体仓库也称高架仓库,通常采用几层,十几层,甚至几十层高的货架用于存储单元货物,并用相应的搬运设备进行货物入出仓库作业的仓库。
由于这类仓库能充分利用仓空间存储货物,故常形象地将其称为立体仓库。
（图１-1所示为自动化立体仓库的平面布局图，图１-2所示为自动化立体仓库的物理模型图。
）立体仓库的产生和发展是生产和技术发展的结合。
7
2
8
3
91
4
入口
1货架2有轨巷道堆跺机3链条输送机
4升降机5监控计算机6管理计算机
7输送系统手动操作台8滚道输送机9中央控制室
图１.１立体仓库的平面布局图
1
5
6
1货架2轨道3立柱
4托盘5货叉6小车底盘
图１.２立体仓库的物理模型图
１.３立体仓库控制部分
立体仓库是物流系统中的一个重要组成部分,其自动控制系统不仅是完成库中物料的仓储运输及信息管理的唯一途径,而且是提高劳动生产率和经济效益的重要手段,其在理论和技术上破,对物流系统在企业中的实际运用,具有广泛的价值。
它不仅有利于提高企业对市场的应变能力和经济效益,而且有利于提高我国的物流管理水平,缩小与世界先进水平的差距。
在制造业中,随着车间设备层自动化水平的提高,已将物流与加工过程一体化物流自动化已成为加工自动化过程中的一部分在某些装配作业中（如汽车工业,电子计算机工业,机床工业等）在物流控制的过程中完成大部分工艺工作。
在美国等发达国家甚至正在打破流水线的概念,而在物流控制和加工一体化的新概念中组织生产。
不同的仓库有不同的控制系统,选择不同的货架形式也有不同的控制系统。
一般采用普通固定式货架,堆跺机和一端用输送机另一端用移动台车的方案。
具体的数据传送过程是:
用户先在用户端（货物入库,出库端）输入所要进行的操作代码,由用户端计算机（Client）通过网络向总服务器（Server）提出动作申请,服务器同意操作并指定货位架后,用户通过由VisualBasic开发的用户界面输入操作的各项具体指令,并向服务器报告。
随后进行输送动作,在输送开始时由条码阅读器对要进行操作的货物上的条码进行扫描,同向服务器时发出确认信息,服务器确认无误后,继续输送动作。
由传感器对货物进行监督,同时把监督信号输送至控制箱,控制箱控制货物的输送过程,只到输送机末尾。
当货物快到达输送机末尾时,传感器向控制箱发出信号,控制箱紧接着向堆跺机发出动作指令。
堆跺机通过传感器和确认地址芯片的共同作用,把货物送达指定的货位。
在堆跺机开始搬运货物的同时,传感器向服务器发出到达信息,服务器立即把此操作的名称,操作日期,客户端序列号等信息记录数据库,并对数据库进行修改和保存。
立体仓库的网络布局图如图所示。
Server2Server1
（副服务器）（主服务器）
服务端
ethernet
传感器
条形码阅读器
用户端
信号控制器
Client1Client2ClientnClient1Client2Clientn
入库端出库端
图2.8立体仓库网络图
1.４立体仓库分类：
按操作对象分：
立体仓库系统类型包括托盘单元式自动仓库（PalletUnitAS/RS）、
盒单元式自动仓库（FineStocker）、拣选式高层货架仓库（PickStocker）
单元/拣选式自动仓库（Unit-PickStocker）、高架叉车仓库（RackForkStocker）
等。
按高度划分：
低层（货架高度5M以下）/中层（货架高度5-12M）/高层（货架高度12M以上）；
按规模划分：
小型（库容量2000个托盘以下）/中型（库容量2000-5000个托盘）/大型（容量5000个托盘以上）；
按形式划分：
自动化有轨仓库/无轨仓库（窄通道三向堆垛叉车）。
1.5设备自动控制系统构成
立体仓库有两种最基本设备：
巷道堆垛机与出入库输送机系统。
它们都有彼此独立的自动控制系统。
巷道堆垛机自动控制系统由控制器（一般多为PLC可编程序控制器）、通讯接口、操作器（拖动机构）、传感检测系统、速度位置控制系统、控制软件等构成。
入库输送机系统自动控制系统由主控制器（一般为PLC可编程序控制器）、通讯接口、输入及显示操作系统、传感检测系统、货物运动控制系统、控制软件等构成。
出入库输送机系统多采用链式输送机和托辊式输送机两种类型，为货物的出入库提供辅助作业。
速度、位置检测与控制系统是堆垛机自动控制系统中关键部分，其中传感检测系统可采用传统的光电开关检测，也可采用先进的高精度检测设备，如旋转编码器、激光测距仪等。
而位置、速度控制采用先进的变频调速控制技术，可实现有级或无级调速。
在控制方式上，根据控制要求，对各机构可采用开环控制系统或闭环控制系统，实现对堆垛机高速、高精度定位控制。
货物运动控制系统是出入库输送及设备自动控制系统的关键，可采用仓库路由调度系统，实现货物运动链路路由的动态生成、实时跟踪管理和动态调度、避免并发任务的路由冲突等功能，从而简化货物运动控制系统。
1.6本次设计的任务
在此次设计中,通过对立体仓库的输送系统的具体分析,从中设计其总体布局,确定其自动控制系统的方案；
选定具体输送部分的结构,设备,及其之间的通信协议设计.设计系统的电气线路并选择所用的元器件，画出其电气原理图；
根据系统方案，编制控制软件。
在输送系统的设计中,根据需要对电动机,输送系统,光电开关选型;
对于所选的设备,进行比较分析;
选型完毕后,根据选择的具体设备,进行设备之间的控制要求,通过运用软件编制监测信号的传输,通信接口之间的数据输送及其控制功能.（电动机的控制,输送系统的控制,升降机的升降控制）
2总体方案设计
2.1传送链布置
图1
C
B
A
图2
本次任务的设计主要是出入库输送机系统，它有两部分组成：
1入库检测系统：
检测产品是否合格，不合格的话分流进入巷道整理，整理完毕后再次合流进入主干道。
（图1）
2分流系统：
根据上位机发出的信息，货物进入不同的巷道和库位，最后由堆垛机整理。
（图2）
a）传送链的选择
根据传送链的布置，货物的走向主要是纵向和横向，所以必然要用两种不同的传送链才能区分不同的走向。
根据货箱的形状（图3），纵向选择链式传送链，横向选择滚筒式传送链。
理由如下：
1由于堆垛机货叉的需要，所以货箱底部需要有空隙，又由于货叉回升时不宜碰到障碍物，故A方向满足货叉伸缩需要。
2对于滚筒式传送链来说，如滚筒运动方向与B方向同向，则滚筒会陷入货箱底部，所以滚筒运动方向只能与A方向平行。
基于上述两点考虑决定纵向运动采用链式传送链，横向采用滚筒式传送链。
图3
b）升降机和传送链的布置
由于采用两种不同的传送链，在巷道口处货物面临是纵向前进还是横向前进的问题，设计中我使两种传送链的高度有所不同，通过升降机的升降将货物送到不同的传送链。
纵向运动链式传送链较低，横向的滚筒式传送链较高。
在巷道口布置升降机。
2.2货物跟踪与分流
对于本次设计的总体方案来说主要需要解决两大问题：
a）如何对货物进行跟踪。
货物入库之后，上位机会给传送链一个信号，告诉传送链应该把此货物送到哪一个巷道。
对于一个货物来说，当然不需要跟踪，但在现实中，一条传送链要运送很多货物，如果不对货物跟踪就不知道货物前进到何种位置，也就无法进行合理的操作。
并且在实际运送中可能出现货物堵塞的情况，如果不给上位机反馈的话，就会使传送链无法继续工作，所以对货物的跟踪能使每条传送链针对进入不同库位的货物合理的操作，并能避免货物的堵塞。
b）到达巷道口之后如何根据不同的库位对货物进行分流。
由于货物要到达的库位不同，必须在巷道口对货物分流，以完成上位机的分配任务。
以下就如何解决这两大问题进行论述
对于货物跟踪的控制方案有条码技术和传感器技术，以下作一个简单的论述。
2.2.1条码技术
a）简介
条码技术是一种在计算机应用实践中产生和发展起来的实用的自动识别技术，它具有数据输入速度快，准确度高，成本低，可靠性高，操作简单，制作容易，保密性好等特点。
条码自动识别技术具有快速，准确，应用领域广泛等特点，已成为当今世界主要的识别技术。
它是一种高科技，高效率时代的产物。
在国外尤其是发达的资本主义国家，条码技术的应用已十分普遍，在我国条码技术还只能说是一个起步，它的具体应用仅仅还只是一个探索过程。
b）构成
1）条码是由一组按一定编码规则排列的条、空符号，用以表示一定的字符、数字及符号组成的信息。
条码系统是由条码符号设计、制作及扫描阅读组成的自动识别系统。
2）扫描器和条码译码器构成
当扫描条码时，光电扫描器根据光的反射原理及光电转换原理，获得与条码中条和空的宽度相对应的电信号，经过放大整形后由译码器进行译码，然后条码符号所代表的信息就通过计算机的RS232串口进入计算机成为可读数据。
c）条码技术的优点:
条码是迄今为止最经济、实用的一种自动识别技术。
条码技术具有以下几个方面的优点：
1）输入速度快：
与键盘输入相比，条码输入的速度是键盘输入的5倍，并且能实现"
即时数据输入"
。
2）可靠性高：
键盘输入数据出错率为三百分之一，利用光学字符识别技术出错率为万分之一，而采用条码技术误码率低于百万分之一。
3）采集信息量大：
利用传统的一维条码一次可采集几十位字符的信息，二维条码更可以携带数千个字符的信息，并有一定的自动纠错能力。
4）灵活实用：
条码标识既可以作为一种识别手段单独使用，也可以和有关识别设备组成一个系统实现自动化识别，还可以和其他控制设备联接起来实现自动化管理。
另外，条码标签易于制作，对设备和材料没有特殊要求，识别设备操作容易，不需要特殊培训，且设备也相对便宜。
2.2.2光电传感器
光电传感器是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。
一般要求为可靠性；
静态精度；
动态性能；
量程；
抗干扰能力；
通用性；
轮廓尺寸；
成本；
能耗；
对被测对象的影响等
结合本次设计来说要完成货物的跟踪，也就是说要知道当前传动链上有无货物
方法主要有：
1可以在传送链上装一对“对射型”光电开关，当传动链上有货物时，激光束被车辆挡住，光电开关获得信号。
2可以在传送链上装漫反射式光电开关，当传动链上有货物时，激光束被货物反射回来，光电开关获得信号。
3可以在传送链上装镜反射式光电开关当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。
现在对这两种技术进行比较，以确定最终方案。
对于条码技术来说一般用于自动分拣系统，该系统的作业过程可以简单描述如下：
物流中心每天接收成百上千家供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种商品，在最短的时间内将这些商品卸下并按商品品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，将这些商品运送到指定地点（如指定的货架、加工区域、出货站台等），也就是说对于种类很多的货物，条码技术可以发挥其效率高，准确率高的特点，但考虑到本次设计只需根据上位机的信息，对货箱的运动方向进行控制，所以条码方式a）一次性投资巨大
b）对商品外包装要求高的缺点就体现出来了。
传感器技术是比较传统的方法，实现方法简单，成本低，本次设计中只需在传送链关键位置中布置传感器，当货物经过时，传感器置1，离开后置0，以此为信号告诉上位机货物运行情况。
以次为依据选择光电传感器，它对于货物跟踪，启停控制，减速控制的要求都可以满足，传感器与条码比较见下表。
光电传感器与条码的比较
光电开关
简介
由光电开关产生亮通或暗通的计数脉冲进行累加（累减）的技术方法实现的。
在自动化仓库中，通过安装在传送链上的传感器，红外光电开关的输出状态发生变化．经过PLC的计数或者编码来确定货物的运行位置。
优点
系统十分简单，扩展性好，软件设计也很简单，因而系统成本较低。
缺点
光电开关收发光面不能被异物、尘埃所覆盖，因而对库区环境有一定的要求。
、可靠性都较差，一般只用于中低速（速度小于60m/min）。
其次光电开关的维护工作要求较高。
条形码
在立体仓库中所采用的条形码，不是传统的宽窄条文条形码，而是简化的宽窄条文完全相同的双排条形码。
上排条形码固定不变，用于校验；
下排条形码是立体仓库的地址编码，而且下排条形码bar出现处只可能在上排条形码有bar的地方出现。
当条形码读入计算机后，首先对上排码进行处理，其次根据校验位合并地址码，最后将两排条形码求逻辑积。
对双排条形码的扫描只需两个普通红外传感器同步扫描即可。
可靠性高、使用方便。
扫描受到普通红外传感器响应时间的影响，一般只适用于低速
最终选择传感器技术。
2.３传感器和电动机的布置
2.3.1传感器的布置。
根据本次设计要求，传感器的分类如下：
1）对货物进行跟踪：
与计数器相连，探测到货物之后，计数器计数。
2）减速控制：
由于传送链速度较快，为避免货物由于惯性来不及制动，设计三级调速，经过传感器之后电动机自动调速
3）启停控制：
根据货物运行情况和位置对电动机进行启停控制，避免货物堵塞以及传送链在没有货物的情况下空转
4）升降控制：
检测到货物之后对升降机的运行状态进行控制。
具体布置：
（见下图）
1）1#，5#，9#，13#，14#为货物跟踪传感器
2）2#，3#，6#，7#，10#，11#，15#，16#，18#，19#,22#,23#为减速控制传感器
3）4#，8#，12#，17#，20#24#为启停控制传感器
4）5#，13#,21#为升降控制传感器
布置主要基于以下考虑
a）传送链运行速度较快，立即制动较难，所以设置三级调速，故在每段传送链的尾段布置三个传感器。
b）为便于对升降机上的货物跟踪，单独在升降机上布置传感器。
2.3.2电机的布置
根据本次设计要求，电机的分类如下
1）控制水平传送链的电机M1M3M4M6M7M9
2）控制上下运行的升降台的电机M2M5M8为能够控制升降台的高度，一般有下述方法
a）在升降台的两侧安装“光电传感器”
b）行程开关
比较下来觉得行程开关较简便，故在升降台处装行程开关
3）控制升降台上水平运行滚筒的电机。
如果此段不布置电机，使升降台上的水平运动与水平传送链上的运动相一致，理论上来说也是可以的，但这种方法使升降台的运动必须与水平传送链的运动一致，效率太低，故在此布置电机。
M11M22M33
（电机布置见下图）
2.４控制方式选用
2.４.1控制方式简介
在此先介绍一下立体仓库的控制方式，一般有三种：
DCS，PLC和FCS。
A）DCS或TDCS
1、`分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C（Comunication，Computer，Control，CRT）技术于一身的监控技术。
2、从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Comunication）是关键。
3、PID在中继站中，中继站连接计算机与现场仪器仪表与控制装置。
4、是树状拓扑和并行连线的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。
5、模拟信号、A/D-D/A、带微处理器的混合。
6、一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。
7、DCS是控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。
8、用于大规模的连续过程控制，如石化等。
B）PLC
1、从开关量控制发展到顺序控制、运送处理，是从下往上的。
2、连续PID控制等功能，PID在中继站中。
3、可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。
4、也可以一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。
与用PC机作主站相比，方便之处是：
在用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。
5、PLC网络既可作为独立的DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。
6、大系统同DCS/TDCS，如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD3000。
7、PLC网络如sienmens公司的SINEC-L1、SINEC-H1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSEC-NET、MELSEC-NET/MINI。
8、主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。
c）FCS
1、基本任务是：
本质（本征）安全，危险区域，易变过程，难于对付的非常环境。
2、全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。
3、用两根线联接分散的现场仪器仪表、控制装置、PID与控制中心，取代每台仪器两根线。
4、在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的。
5、多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。
6、是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的。
7、用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。
8、由现场电脑操纵，还可挂上位机，接同总线的上一级计算机。
9、局域网，再可与internet相同。
10、改变传统的信号标准、通信标准和系统标准入企业管理网。
2.４.２控制方案的最终确定
对于本次设计来说对于链条机的控制为顺序控制，需要与货物检测系统连网。
通信协议不想复杂化，兼容性要好，DCS虽然控制器功能强，数据通讯能力强、具有灵活性和安全性，但是成本高，兼容性差各公司产品成不能互换，不能互操作，所以不选用。
FCS是全数字化，智能、多功能性控制、特别适合危险区域、易变过程和非常环境。
核心是总线协议，基础是数字智能现场装置，本质是信息处理现场化。
FCS的优点是进行闭环控制，但是总线协议、相关的关键技术及设备是相互关联的比较复杂。
PLC是模块化结构、开关量顺序控制、10ms巡检周期、拥有多种通讯模式。
具有高可靠性、拥有很高的电磁兼容性和抗冲击、耐振动性能，是理想的现场控制器,通过和上位机通讯可以实现多种控制功能。
同时对PLC进行编程可以使用“梯形图”，这是一种图形化了的编程语言。
它使用各种图形表示条件以及命令，这样可以使用户的编程界面更加友好；
由于采用了按功能分段,既压缩了程序长度,又便于根据用户不同要求进行编写,这样也使得程序的编制更加方便。
用PLC做从站，与出入库系统的PLC够成PLC网络较为容易：
编程的时候不需知道通信协议只要按照说明书格式写就可以了。
由于传感器布置的点较多，用PLC的I/O可以满足。
而且由于PLC技术较为成熟，编程也较为简单直观，介绍PLC的书籍较多，最终决定选用PLC控制。
根据前文传感器的布置，本次设计PLC要满足的要求见下图
2.5调速方式选用
２.5.１调速方式选用
本次设计由于需要调速，电动机为三相交流异步电动机，而异步电动机调速的方法主要有变极调速，变阻调速和变频调速。
变频调速使通过平滑改变异步电动机的供电频率来调节同步转速，从而实现无级调速，这种方法由于调节同步转速，效率高，调速范围大，精度高，使交流电动机比较理想的调速方法。
使用专用变频器可以实现异步电动机的变频调速控制。
２.5.２变频器的简介
变频器是利用电力半导体器件
升级会员 