李勇超 09机电大专七班 自动化立体仓库和管理系统研究Word文档格式.docx

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第二章系统控制方案的确定5

2.1自动化立体仓库的概述5

2.2采用PLC控制的优点5

2.3系统设计步骤7

2.4立体仓库控制系统的总体结构图8

2.5立体仓库系统的功能9

2.6各部分的控制流程图10

2.6.1辊道控制流程图10

2.6.2机械手控制流程图11

2.6.3仓库总流程图11

第三章立体仓库控制系统硬件设计13

3.1辊道的选择13

3.2机械手部分的控制13

3.2.1四自由度机械手的结构及运动13

3.3堆垛机的设计14

3.3.1堆垛机的概况14

3.3.2堆垛机控制系统的功能15

3.4传感器的选择15

3.5微动开关的选择18

3.6步进电机选择18

3.7直流电动机20

3.8变频器的选择20

3.9PLC的选型22

第四章立体仓库系统软件设计25

4.1辊道I/O分配表及外部接线图25

4.2机械手的I/O分配表及外部接线图27

4.3堆垛机的I/O分配表及外部接线图29

4.4梯形图设计31

4.4.1机械手梯形图控制32

4.4.2仓库梯形图控制35

4.5故障处理37

第五章系统调试38

第六章结论与展望39

致谢40

参考文献41

附录实物图42

前言

立体仓库是一种集信息、储存、管理于一体的高技术机电一体化产品，随着现代化生产规模的不断扩大和深化,它将为工业、企业带来巨大的经济效益。

本文中所设计的系统利用工业控制计算机作调度、管理、完成了工业控制计算机与PLC之间以及PLC与PLC之间的监视和控制参数的传递，提高了立体仓库的自动化管理水平。

经过在现场的实际应用证明,这种管理和控制系统结构具有很高的可靠性和稳定性。

近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多地采用PLC控制系统取代传统的继电-接触器控制系统。

与继电—接触器系统相比系统更加可靠；

占位空间比继电—接触器控制系统小；

价格上能与继电—接触器控制系统竞争；

易于在现场变更程序；

便于使用、维护、维修；

能直接推动电磁阀、接触器与于之相当的执行机构；

能向中央执行机构；

能向中央数据处理系统直接传输数据等。

李勇超

2012.5.12

第一章绪论

1.1课题背景

立体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。

到目前为止，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、自动控制系统，计算机监控系统，计算机管理以及其他如无线电缆桥架配电柜，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运作，按照用户的需要完成制动货物的自动有序，快速精准，高效的入库出库作业。

1.2课题研究的目的和意义

传统条件下的库房管理作业，主要依据人工装卸，特别是对于一些大型物资，不仅工作效率低，浪费大量的人力、物力，存在较大的安全隐患，同时还占据大量的库房面积。

立体库的投入使用，彻底解决了这一难题.

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。

1.3课题的内容

仓位的主体框架包括两排货架有四个库位外，还配有三条辊道传输带﹑三个出入货站台﹑一个四自由度机械手﹑一个全自动堆垛机组成。

堆垛机是立体仓库的关键部件，负责全部货物的入库承运作业，可实现三个自由度的运动。

并在这四个库位的底部均设置有检测开关，若库内有物品，则压制相应的检测开关使之闭合，若无物品，则相应的检测开关断开。

在入库作业时，当检测传感器检测到辊道上有货物，辊道正转，那么起动机械手，将辊道上的货物放到载货台上，再启动堆垛机将货物运行到指定库位。

在出库操作时，启动堆垛机将指定库位货物放到载货台，启动机械手到达载货台将货物放到辊道上，当检测传感器检测到辊道上有货物，辊道反转将货物带出仓库，机械手每次的去放任务，都会自动回到零位，等待下一条指令。

论文中机械手可以进行四自由度的变化，即进行前进、后退，上、下，左、右及底盘旋转的变化。

为了系统的安全，在各个限位处都装有超限位保护开关，每个库位都有检测装置，判断库位是否已有货物，禁止双重入库和空的取操作。

1.4国内外立体仓库的发展

目前，自动化立体仓库在发达国家已相当普遍，日本是自动化仓库发展最快，建造数量最多的国家。

此外美国、德国、瑞士、意大利、英国和法国等国家也建造了许多自动化仓库。

发展至今，自动化仓库在设计、制造、自动化控制和计算机管理方面的技术也日趋成熟。

在总体设计方面，国外己有采用计算机辅助设计的（CAD），即根据约束条件来确定最佳的货架高度、巷道数量、货架尺寸和堆垛机数量以及出入库运行系统的参数，并用计算机模拟技术来考核仓库的功能。

货架在国外己系列化、标准化，对货架的承载能力（包括抗震）进行了很多实验研究（包括破坏性实验），货架计算采用计算机程序。

堆垛机产品己经走入系列化，运行噪声低，备有各种安全保护装置，调速性能好。

一般都具有完善的货物位置检测和货物尺寸检测。

国外立体仓库普遍采用抗干扰能力强、工作可靠的可编程控制器来控制巷道堆垛机和出入库系统，并且用计算机进行货位管理和库存管理，仓库管理计算机与上级管理机联网并能与控制系统相接，实现在线控制。

例如，日本名古屋附近的三菱汽车装配总厂的自动化立体仓库，其自动化程度就非常高。

这座装配厂每天（16小时）生产11520辆汽车，在长达两公里的巨大输送带上，能同时装配5种完全不同车型的汽车，半成品装配件（除车体在生产线上进行焊接外）完全来自于立体仓库，仓库的库存量只能维持两天的生产，需要不断的进库补充，这样大的进、出库量及名目繁多的部件是人工无法胜任的。

在采用了计算机控制的进出库情报资料和库存情报处理技术和先进的智能控制技术后，这一切得到了很好的解决。

现在国外各发达国家在自动化仓库技术中投入大量资金，在仓库自动化过程各个环节即输入、储运、输出上采用新技术。

这些新技术集中有,自动导向小车系统、磁性导轨装置、激光扫描仪、条形码识别、命令拣选系统、储运机器人、机械手、智能卡车。

第二章系统控制方案的确定

2.1自动化立体仓库的概述

自动化立体仓库也称立库，是在不直接进行人工参与的情况下自动地存储和取出物料的系统。

它是采用高层货架存储货物，用专门的仓储作业设备进行货物出入库作业的仓库。

与传统继电器接触装置相比，PLC具有体积小、抗干扰能力强和可靠性高等优点。

现代意义上的立体仓库，是物流机械和计算机技术地完美结合，仓库作业全部实现自动化.

自动化立体仓库的组成

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

2.2采用PLC控制的优点

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、喷水池自动控制、消防系统自动控、供电系统自动控制及各种生产流水线的自动控制等。

按PLC编程功能可分为4大类：

开关量顺序控制、通信功能、模拟量控制、运动控制。

PLC的应用大大提高了控制系统的稳定性、适用性、并且降低了系统成本。

其控制系统简单，更改容易，施工周期短；

系统维护容易。

自动化立体仓库，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、产生效益，针对这一仓库管理系统，我选择了PLC。

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。

总的来看，基于PLC的自动化立体仓库可以总结为如下几点优点：

1、低成本利用电力线上网，最大的优点就是成本低。

由于利用电力线上网，直接使用现有电力网就可以实现通信，而不需要另外铺设电话线、光电缆等，大大地减少了在基础网络上的投资。

2、范围广无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。

电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。

因为家家都有电力线，由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一个家庭.因此，这一技术一旦进入商业化阶段，将会促进电信市场的变革，并给互联网普及带来极大的发展空间。

3、高速利用电力线上网能够提供高速传输。

德国最大的电力设备生产商RWE承诺，运用他们的电力线上网技术，其速度要比ISDN拔号上网快30多倍,比ADSL更快！

足以支持现有网络上的各种应用。

更高速率的PLC产品正在研制之中。

4、便捷不管在家里的哪个角落,只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受!

5、永远在线PLC属于"

即插即用"

，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络！

6、结构灵活通过PLC技术实现Internet接入，可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率。

目前还未有效解决电力线信号通过变压器的技术，因此，电力线通信设备都是集中在220V线路变压器的用户端。

7、家庭数字化PLC技术能够通过电力线将整个家庭的电器与网络联为一体，在室内的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网，使人们能够通过网络来控制自己家里的电器设备。

2.3系统设计步骤

立体仓库系统的设计与调试的主要步骤，如下图2-1所示：

1.深入了解和分析立体仓库的工艺条件和控制要求。

2.确定I/O设备。

根据立体仓库系统的功能要求，确定输入、输出设备。

3.根据I/O点选择合适的PLC类型。

4.分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或输入输出端子的接线图。

5.在设计立体仓库系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个立体仓库系统设计的核心工作。

6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。

7.立体仓库整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。

图2-1系统设计步骤

2.4立体仓库控制系统的总体结构图

物流中有三条辊道传输带，三个出入货站台，一个四自由度机械手，一个全自动堆垛机以及两排货架组成，将系统中的传感器，执行器和空编程控制器链接，通过编制相应的程序，就可以用可编程控制器来控制物流工序。

立体控制系统分为三个部分:

辊道控制，机械手控制，堆垛机控制。

在设计该控制系统时，采用两台PLC作为立体仓库的控制装置，其中#1PLC主要用来控制辊道部分和堆垛机部分，#2PLC主要用来控制四自由度机械手，2台PLC通过CC-LINK网络连通，通过在两台PLC间的数据交换实现三个被控部分之间的协调动作，实现综合控制。

在控制系统中配置了一台上位机，通过RS-232与PLC相连，上位机一方面用于两台PLC控制程序的编辑，下载及调试，另一方面，上位机用来监视，管理自动化立体仓库体统。

在此系统中使用三个变频器分别来控制三个辊道传送带的运转。

辊道可以在正、反两个方向运转，可以根据进货和出货的需要来使用辊道，经行自由组态，变频器有很高的运行可靠性和功能多样性，减低了电动机运行的噪声，全面而完善的保护功能为电动机提供了良好的保护性能。

对四自由度机械手的控制时，执行部件使用的是2相8拍混合式步进电机，X轴伸缩，Z轴升降，地盘回转和机械手腕回转分别使用四个步进电动机，使用两个步进电动机分别控制堆垛机的升降和行走，而货叉控制使用直流电动机为执行元件。

对这六个步进电动机的控制实际上是对它们对用驱动器的控制。

2.5立体仓库系统的功能

系统采用滚珠丝杠、滑杠以及普通丝杠作为主要传动机构、点击采用步进电机和直流电机，其关键部分是机械手，它由水平移动、垂直移动、货台机构三部分组成，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。

当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，直流电机驱动货台向前伸出可将货物取出或者送入，当取到货物货已送入，则货台向后缩回。

在此设计的立体仓库需要满足一下功能：

1、机械手要有四个自由度，即：

前进、后退；

上、下；

左、右、底盘旋转；

2、机械手的运动由步进电机驱动；

3、机械手前进（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行；

4、机械手前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护；

5、每个库位必须有检测装置（微动开关）。

6、当按完库位号后，没按入或没取前，可以按手动取消该操作。

2.6各部分的控制流程图

2.6.1辊道控制流程图

辊道控制流程图（如图2-2）。

子程序0图2-2进出货辊道流程图

2.6.2机械手控制流程图

机械手控制流程图（如图2-3）。

子程序1图2-3机械手流程图

2.6.3仓库总流程图

仓库总流程图（如图2-4）。

图2-4仓库总流程图

第三章立体仓库控制系统硬件设计

3.1辊道的选择

3.2机械手部分的控制

其输送型式可以分为单链轮传动辊筒输送机、双链轮传动辊筒输送机、O带传动辊筒输送机、摩擦带传动辊道输送机、电动辊筒传动输送机等。

按其结构形式可分为水平、爬坡、转弯、螺旋等输送形式。

按其材质可分为碳钢、不锈钢、铝合金等材质辊道输送机。

同时辊道（滚筒）输送机具有输送能力强，输送距离远，拆装方便，结构简单易于维护，能方便地实行程序化控制。

3.2.1四自由度机械手的结构及运动

四自由度机械手可以实现X轴伸缩、Z轴升降和底盘回转功能。

其中X轴伸缩、Z轴升降采用步进电动机驱动，底盘回转采用直流电动机控制，抓手采用气动控制方式。

图3-1为四自由度机械手配置图，四自由度机械手实现货物从辊道货台到堆垛机货台之间的转移和输送，进而完成物块的入库以及出库等功能。

在实验台的按钮板上有一些转换开关和按钮，用于手动控制操作。

在发生紧急情况时，可按下紧停按钮，用以切断步进电其主要性能指标如下：

（1）X轴最大移动距离420mm

（2）Z轴最大移动距离420mm

（3）底盘最小回转控制角0.09°

，最大回转角小于等于300°

图3-1四自由度机械手

1.3号辊道货台　2.2号辊道货台　3.抓手步进电机4.1号辊道货台　5.升降步进电机　6、8.堆垛机货台　7.转盘直流电动机

3.3堆垛机的设计

3.3.1堆垛机的概况

堆垛机是立体仓库中重要的运输设备，是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，它的重要用途是在高层货架的巷道内来回穿梭运动，将位于巷道口的货物存入货格，或取出货格内的货物送至巷道口。

模型由一台全自动堆垛机、一条巷道两排货架以及两个出货台组成。

全自动堆垛机的升降和行走均采用步进电动机控制，而货叉采用直流电动机控制。

图3-3为全自动堆垛机配置图，全自动堆垛机的主要性能指标：

（1）最大升降距离400mm。

（2）最大行走距离700mm。

（3）货叉最大伸缩距离100mm。

图3-3全自动堆垛机

1.升降电动机　2.货叉　3、6.传动丝杠4.货品　5.货格　7.行走电动机

3.3.2堆垛机控制系统的功能

在自动化立体仓库的物流输送过程中，堆垛机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）三维动作控制控制堆垛机在水平、垂直、左右方向的运行；

（2）位置控制控制堆垛机以适合的速度运行并精确的定位在货格或入出库口处；

（3）通讯功能堆垛机与上位机和其它仓库设备的通讯；

（4）保护功能提供各种电气和机械保护，保证堆垛机在高速、频繁的运行和取送货过程中不会发生事故；

（5）人机界面通过HMI或其它输入和显示设备，提供本机或遥控操作及向操作人员提供堆垛机。

3.4传感器的选择

在该立体仓库中采用反射式传感器作为货物检测装置，并采用能抗周围外来光干扰的变调光式。

采用变调光式，与直流光式相比，不易受外来光干扰的影响，其电源电压为DC5-24V的大量程电压输入型，带有容易调整的光轴标识，还带有动作确认的入光显示灯。

反射式传感器的时间图和输出回路图如图3-4所示。

图3-4反射式传感器的时间图和输出回路图

它有三根连接线（红、蓝、黑），红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。

需要注意检测距离不要离传感器太近，否则传感器不能动作；

连接是采用接插件方式，千万不要对端子（读出头）进行焊接。

本设计机械手控制部分采用对射式传感器，对射式传感器的输出状态一般为NPN输出，输出晶体管的动作状态可分为入光是NO和遮光时ON两种。

当24V电压加到发光二极管LED1时，它将发光射给发光二极管LED2，LED2接受到光导通，三极管导通，输出为ON;

当发光二极管LED1发射出的光被物体挡住使发光二极管LED2接收不到时，LED2不导通，三极管也不导通，输出为OFF.

堆垛机的定位主要有认址装置组成，认址装置由认址片和认址器组成。

认址器目前多为红外传感器或者光电开关，发射和接收红外光在同侧时用反射式认址片，否则用透射式的，认址原理如下图3-5所示。

1.认址片2.光电接收管3.认址器4.光电发射管

图3-5认址原理图

光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

红外线光电开关是利用人眼不可见（波长为780nm--lmm）的近红外线和红外线来检测、判别物体。

通过光电装置瞬间发射的微弱光束能被安全可靠的准确的发射和接收。

光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化:

利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；

利用光束来反射物体，使光束发射经过长距离后瞬间返回。

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为:

发送器，接收器和检测电路如图3-6。

图3-6光电传感器原理

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）和激光二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器由光电二极管或光电三极管组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的反射装置，它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。

它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

光导纤维（LWL），它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。

它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。

为了定位精确，水平和垂直方向均装有两台认址器（GD1和GD2与GD3和GD4）。

水平方向的认址器安装在堆垛机底部的横梁上，认址片对应各列货格的地面位置，GD1和GD2随堆垛机一起前后运动，每经过一列货格，光电开关通过认址档板发出一脉冲信号写到PLC，内部计数器相应的计数，从而达到列认址目的。

垂直方向的认址片安装在对应货格的堆垛机的立柱侧面。

GD3和GD4随升降台一起上下运动，达到层认址的目的，光电开关的脉冲输入信写作为PLC内部计数器的计数信号。

3.5微动开关的选择

在该立体仓库控制系统中共有四个仓位分别采用四只微动开关作为货物检测，当有货物时相应开关动作，其信号对应PLC的输入点是X14-X18；

另外为保险起见，在X轴的左限位和Y轴的下限位处还分别加装了1只微动开关作限位保护，以确保立体仓库在程序出错时不损坏；

微动开关原理图如图3-7所示。

图3-7