PLC仓储系统的设计.docx

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PLC仓储系统的设计

2013届毕业生论文说明书

课题名称：

柔性制造教学实训系统自动化立体仓库设计与实现

学生姓名：

XXX

系别：

电气工程系

摘要

自动化立体仓库集存储、搬运、输送、分发一体，作为工业物流与计算机集成制造系统（CIMS）的一部分，代表了当今物流发展的趋势。

为了对自动化立体仓库进行更加有效的管理，提高整体作业效率，要求对控制系统进行优化设计，对货位进行优化分配，以减少货物搬运和存储的成本，降低在存储及搬运过程中所损耗的时间，从而降低物流成本，提高收益。

本文构建了一个实验室规模的自动化立体仓库系统，系统是由管理层、监控层和执行层组成的二级系统。

在管理系统中，根据自动化立体仓库中存放货品的特点，提出了采用分类随机存储和定位存储相结合的货品存储策略。

按照货品出入库频度进行货位存

储区域划分，提高了货位和存储区域的利用率。

同时针对因同类货品集中进行出

入库操作而导致巷道阻塞的问题，在进行货位分配设计时采用一种均匀分配

算法，结合电子标签技术，实现了货位的自动均匀分配勺就近出入库，并运用此

均匀分配算法实现了批量出入库作业和单件出入库作业。

执行系统由传送带、机械手、堆垛机三个部分组成。

研究了整个控制系统的组成结构与控制原理，进行了总休功能设计重点设计了PLC控制的程序模块，实现了各个单元的单动控制与联动的顺序控制。

同时通过PROFIBUS—DP现场总线网实现三台PLC的连接以及与监控系统的通信，接收出入库指令，完成相应的出入库操作。

为了确保二级系统之间的协调运行，管理层与监控层的通信实现也是很重要的。

采用OPC技术实现了两者的通信，重点研究了组态软件WinCC中的通信设计以及全局脚本的编写。

本系统经过调试与设备的运行，各部分功能正常;系统=级分层之间实现了相应的通信，灵活的货品存储策略与货位的自动均匀分配克服了传统立体仓库的许多不足，提高了仓库货位利用率和出入库效率，达到了预期的效果，不仅保持了系统的灵活性与可靠性，而且提高了整个仓储系统的自动化水平与工作效率。

关键字：

自动化立体仓PLC

Abstract

Automatedwarehousestorage,handling,transport,setdistributedone,asthelogisticsindustryandcomputerintegratedmanufacturingsystem（CIMS）part,representsthecontemporarylogisticsdevelopmenttrend.Inordertoautomaticstereowarehouseformoreeffectivemanagement,improvetheoveralloperationefficiency,requirementsofthecontrolsystemforoptimizationdesignofspace,optimizeddistribution,toreducethecargohandlingandstoragecost,reducethestorageandtransportprocessinthelossoftime,therebyreducingthelogisticscost,increaseprofit.

Inthemanagementsystem,accordingtotheautomaticstereowarehousestorageofgoodscharacteristics,putsforwardtheclassificationandlocalizationofrandomstoragecombinedgoodsstoragestrategy.Accordingtothestorageofgoodsforstoragememoryfrequency

Executivesystemconsistsofinlet/deliveryroller,mechanicalhand,stackingmachineiscomposedofthreeparts.Studyonthecompositionofcontrolsystemstructureandcontrolprinciple,theoverallfunctionaldesignfocusofthedesignofPLCcontrolprogrammodule,toachievethevariousunitsinglepneumaticcontrolandlinkagesequencecontrol.AtthesametimethroughthePROFIBUS-DPfieldbusnetworkofthreePLCconnectionandmonitoringsystemofcommunication,receivingstorageinstructions,completethecorrespondingwarehousingoperation.

Inordertoensurethatthetwolevelsystemofcoordinationbetweentheoperation,managementandmonitoringlevelcommunicationisveryimportant.

Thesystemdebuggingandoperationoftheequipment,thefunctionofeachpartofthenormal;systemlevelhierarchicalachievedbetweencorrespondingcommunication,flexiblegoodsstoragestrategiesandtheirautomaticuniformdistributionovercomesmanyoftheshortcomingsofstereoscopicwarehouse,warehousespaceutilizationrateandimprovethestorageefficiency,hasachievedtheanticipatedeffect,notonlytomaintainthesystem'sflexibilityandreliability,butalsoimprovethewholestoragesystemautomationlevelandworkefficiency.

Keywords:

automaticstereowarehouse.PLC

第一章绪论

1.1本文研究的目的和意义

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。

我国在自动化立体仓库的研究和应用方面起步较早。

1963年，北京起重运输机研究所设计了第一台1.25t桥式堆垛机，并由大连起重机厂完成试制。

1974年，郑州纺织机械厂建成了我国第一座立体仓库，这座仓库是利用原有锯齿形厂房改建而成的，用于存放模具。

1977年，北京起重运输机研究所等单位研究制造出北京汽车制造厂自动化仓库，这座自动化仓库属于整体式结构，采用计算机进行控制和数据处理。

从此以后，自动化立体仓库在我国得到迅速发展。

我国目前己经建成数百座各种类型的自动化仓库，多数是中小型自动仓库。

目前，自动化立体仓库在发达国家己相当普遍，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。

近些年我国自动化仓库技术发展很快，与其它信息决策系统的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。

尽管如此，至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距.由于自动化立体仓库在当今物流和制造业中的广泛应用、计算机技术和网络技术的推波助澜，使得立体仓库的发展十分迅速，其发展趋势主要有：

1仓储作业管理自动化水平逐步提高。

随着生产的进一步发展，对物流的

要求将更加严格。

具体来说，就是在要求的时间内、在准确的地点、按准确的顺

序与方法、提供准确的品种和数量的货物。

2.智能技术将会获得应用。

人工智能技术的发展，推动了自动化技术向其

高级阶段一智能化方向发展，已经在仓库的设计、搬运系统的控制和储运设备的

选用等方面应用了专家系统。

3.仓库作业向柔性化发展。

随着柔性化的普及，自动化仓库的储运作业也

将向柔性化发展。

国外已经开始出现一批可拆卸的或移动式的仓库结构。

1.3采用PLC控制立体仓库的优越性

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、光缆线等，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，是其它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拨号上网快30多倍，比ADSL更快！

足以支持现在网络上各种应用。

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”不用繁琐的拨号过程，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。

第二章自动化立体仓库系统的总体设计

2.1本课题设计的内容

本文研究的主要内容包括三个部分：

基于电子标签技术的仓储物流管理系统：

基于西门子S7一200PLC的下位执行机构自动控制系统的实现以及PLC程序的编制：

管理层、监控层、控制层三层之间的通信实现。

在管理系统中，研究内容涉及到：

自动化立体仓库的出入库方式、存储策略及货位分配原则：

根据自动化立体仓库中存放货品的特点，提出了采用分类随机存储和定位存储相结合的货品存储策略。

结合电子标签技术，根据货品出入库频度划分货品的大致存储区域：

在此基础上，使用货位自动均匀分配算法实现货位的均匀分配与货品的就近出入库;最后根据此算法实现了批量出入库作业和单件出入库作业。

在执行系统中，研究内容涉及到：

构建一个实验室规模的自动化立体仓库系统;分析整个控制系统的构成以及电气控制原理，进而对下位执行系统进行总体功能设计，并对各单元PLC的控制功能模块进行了分析;最后迸行PLC程序的编写，局部调通之后再将三个部分整合在一起进行调试，实现三个单元的顺序控制。

在管理层、监控层、控制层的网络结构与通信实现中主要研究OPC通讯实现过程中，组态软件WinCC中的相应设置：

监控层与控制层的基于现场总线PROFIBUS的具体组网通讯实现以及WinCC中全局脚本的编写，最终实现管控一体化。

2.2系统的总体方案

在立体仓库控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：

1.深入了解和分析立体仓库的工艺条件和控制要求

确定I/O设备。

根据立体仓库控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。

根据I/O点数选择合适的PLC类型。

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者输入输出端子的接线图。

设计立体仓库系统的梯形图，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。

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。

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。

以下是设计步骤框图：

第三章立体仓库的硬件设计

3.1系统结构

本文设定仓库类型为单元货格式自动化立体仓库;仓库规模设定为4巷道3排4列3层共计12个货位:

仓库中相关设备主要有巷道式堆垛机、出入库台（位于货架同侧）、传送带输送系统等设备，以上设备均通过S7—200PLC进行控制;工作方式为单元出入库作业和拣选出入库作业。

同时设定管理级与监控级位于同一台计算机上，此不需要进行远程访问，现场PC一PLC之间通信距离较短时，采用简单的PC用PI电缆来进行点对点的连结，PLC采用现场总线PROFIBUS一DP网组成网络，实现数据交换与实时控制。

图3-1存储单元示意图

在现如今传统的立体仓库在控制方式上主要有联机自动控制（即上位机控制）、自动控制（即本机自动）、半自动控制及手动控制四种。

　本设计中自动化立体仓库主要采用手动控制方式，此方法是由控制按钮和限位开关控制堆垛机、升降台、传送带运行至指定库位，执行预定任务,通过手动控制按钮可以方便的查询库位是否已存货物,大大的节省了立体仓库的成本,手动控制立体仓库适用于小型的自动化立体仓库,适于发展型地区广泛使用

实验平台上的控制对象可分为三个控制区域，即传送带、机械手及对堆垛机的控制。

三个部分的自动控制采用的可编程控制器均为西门子57一20系列PLC。

三个部分可独立作为一个课题来进行实验开发研究，也可以将三个部分综合起来作为一个完整控制系统进行实验开发。

1.传送带输送机控制

本系统中共有二条传送带，其传动采用交流变频调速系统控制，可进行速度调节设定及正、反转控制。

每台输送机可由安装在其上面的光电开关根据程序设计自动控制启/停及正/反转，完成货物送入、取出动作。

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。

2.机械手的控制

机械手的动作由气缸驱动，而气缸由对应的电磁阀控制，当下降电磁阀通电时，机械手下降，当下降电磁阀断电时机械手停止，只有当上升电磁通电时，机械手才上升，断电时才停止。

机械手的放松和夹紧由一个线圈两位置电磁阀控制。

3.堆垛机的控制

在立体货库中配有一台全自动堆垛机，由二台步进电机和一台直流电机控制，可进行行走、升降及叉货控制。

主要根据设计程序，进行立体仓库进货的自动存储及出货的自动提取。

堆垛机在行走方向共有三个限位开关：

左/右极限限位开关和行走认址限位开关，行走的位置靠碰到限位开关计数来完成。

堆垛机在升降方向共有四个限位开关：

上/下极限限位开关、一个入库认址限位开关和一个出库认址限位开关，升降的位置靠碰到限位开关计数来完成。

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，用以切断步进电机控制模块的电源。

3.2传感与检测系统的设计

什么叫传感器？

从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。

所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。

敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

②化学类，基于化学反应的原理。

③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将传感器分46类）。

下面对常用的光电传感器及电感传感器介绍如下。

a.光电传感器

图3-2光电传感器

在探测物体挡在发射器与接收器之间是接受其不能接受到足够的光线时输出信号

b.电感传感器接线图

图3-3电感传感器接线图

1.在本单元所使用的传感器的位置及型号如下表所示：

表3-1传感器的位置及型号

3.传感器与PLC的连接

将气缸移动到相应磁性传感器位置，观察PLC相应输入点的指示灯以及传感器自身的指示灯将相应机械行程开关按下，观察PLC相应输入点的指示灯；用手、弓箭活其他物体放在传感器检测为止，观察PLC相应输入点的指示灯以及传感器自身的指示灯。

图3-4传感器与PLC的接线

3.3S7—200系列PLC与通信系统的连接

本自动化立体仓库模型整个整个下位控制系统三大组成部分：

辊道、机械手、堆垛机的自动控制实现用到的可编程控制器均是S7－200系列PLC。

同其它的PLC一样基本组成也是由单元加编程器，在需要进行系统扩展时，系统组成中还包括：

数字扩展单元模块、模拟量扩展单元模块、通信模块、网络、人机界面HMI等。

采用PC/PPT电缆建立个人计算机与S7－200CPU的连接。

具体实现过程如下：

设置PC/PPI电缆开关（下＝0，上＝1）；

在DIP开关上：

选择计算机所支持的波特率：

9600（123设置为010）

选择11位（4设置为0）

选择DCE（5设置为0）

PC/PPI电缆的RS－232端（标有PC）连接到PC的通信口：

COM１或COM2。

PC/PPI电缆的RS－485端（标有PPI）连接到CPU的通信口。

图3-5CPU的通信口的连接图

3.4自动化立体仓库通信系统

.自动化立体仓库系统分为3个层次:

管理层、监控层、执行层。

1.管理层的主要功能。

管理层是自动化仓储系统的中枢，与普通的计算机管理系统类似，要负责接受上级生产系统发布的生产任务，完成出入库操作、库存数据管理与统计分析等常规作业，而且具有仓储管理的操作流程。

在出入库货品单下达后，操作人员要根据此单进行相应的出入库操作，管理层自动或由操作人员手动选择相应的货位进行出入库操作，同时生成相应的报表统计结果，来完成一个完整的仓储出入库操作。

同时，还要求管理系统能根据入库、出库的生产任务，发出命令来触发监控系统，实现与监控系统的通信，发布入库、出库操作任务单，并接收监控系统返回的入库、出库任务的完成报告情况。

2监控层的主要功能。

它的主要功能有:

提供仓储物流系统中的自动化设备运行的动画形式的彩色模拟显示画面:

实时监视整个立体仓库中各部分的运行情况;动态显示堆垛机和出入库传输设备以及各货物的运行位置:

查看高层货架的货位占用情况:

显示所有任务的当前运行状态、出错报警情况:

根据上位管理层发来的命令自动执行出入库操作并实时监控动作执行情况，并把动作执行结果反馈给管理层:

它还能独立地控制仓库中所有设备的运行。

3，执行层的主要功能。

它的主要功能是接受监控层的出入库指令，控制设备执行相应的出入库任务。

目前用PLC来实现动作控制。

系统正常运行需要保证三层系统之间通信的顺畅和可靠。

管理层与监控层通过数据库进行数据共享和信息交换，管理层把任务命令信息传达给监控系统，监控系统把任务完成情况再反馈回来:

监控层与执行层通过组态软件和特定的网络实现通信，监控层监视并控制执行层设备的运行;执行层接收监控层的指令，触发相应的寄存器，完成出入库操作，并将完成标志位传送回监控层。

到此才算完成一次完整地出入库操作。

3.5堆垛机开环控制系统

1）变频器的控制

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

变频器是将工频电源（50HZ或60HZ）变成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电变成交流电，对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器

来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

图3-7变频器与电机的连接

变频器LED的状态显示：

表3-2LED的状态显示

变频器与PLC连接的方式:

变频器的输入信号包括:

运行、停止、正转、反转等数字量输出信号变频器利用继电器接点形成与上机位连接，通过脉冲序列作为频率指令。

并得到这些运行信号。

图3-8变频器与PLC的连接

2）步进电机的控制原理

步进电动机不是直接通过PLC驱动，而是用专门的步进驱动器驱动，经步进电机和不仅驱动器俺要亲连接好，PLC只要给步进驱动器提供脉冲信号和方向信号就可以了。

将步进驱动器“脉冲信号+”接到PLC的输出Q0.0点，PLC输出地高速脉冲信号通过Q0.0发出驱动步进电动机；“方向控制信号+”接到Q0.1，通过Q0.1的置“1”和置“0”的状态来控制步进电动机的方向；而“脉冲信号—”和“方向控制信号—”直接接到了PLC开关电源的负极1M上。

程序分为主程序、子程序和中断程序3部分。

主程序完成子程序调用和确定步进电动机方向。

子程序完成高速脉冲指令PLC的控制字节设定，脉冲周期的设定以及输出的脉冲个数，接着连接和开放中断，最后Q0.0输出高速脉冲，驱动步进电动机运行。

Q0.0输出脉冲完成执行中断：

当步进电动机没有运行到原点时，机械手后限位10.4不动作，继续调用子程序，Q0.0继续发脉冲，步进电动机继续运行；当运行到原点时，机械手后限位10.4动作，

执行中断返回指令RET1，同时复位指示灯Q1.7亮，步进电动机完成复位。

所以步进电动机不是直接通过PLC驱动，而是用专业的步进驱动器驱动，用PLC只要给步进驱动器提供脉冲信号和方向就可以了，下面是驱动器与PLC的接线示意图：

图3-9PLC与驱动器的连接

I/O分配表

表3-3