基于PLC控制的小型自动化立体仓库设计毕业设计论文.docx
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基于PLC控制的小型自动化立体仓库设计毕业设计论文
毕业设计（论文）任务书
课题名称
基于S7-200PLC控制的小型自动化立体仓
库设计
学院
电气信息学院
专业班级
自动化084班
姓名
XX
学号
089064444
毕业设计（论文）的主要内容及要求：
（1）了解自动化立体仓库的组成及基本功能，熟悉PLC控制系统设计的一般步骤。
（2）结合相关资料设计立体仓库的系统结构图；本课题所设计的立体仓库具有以下功能：
1、堆垛机（机械手）要有三个自由度，即：
前进、后退；上、下；左、右
2、堆垛机的运动由步进电机驱动
3、堆垛机前进（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行
4、堆垛机前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护
5、每个仓位必须有检测装置（微动开关），当操作有误时发出错误报警信号
6、当按完仓位号后，没按入或取前，可以按取消键进行取消该操作
7、整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外
起止时间：
2012
年
2
月
21
日至
2012
年
6
月
5
日共
15
周
指导教师
签字
系主任
签字
院长
签字
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
摘要
自动化立体仓库是现代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分,是一种多层存放货物的高架仓库系统，由自动控制与管理系统、高位货架、巷道堆垛机、自动入库、自动出库、计算机管理控制系统以及其他辅助设备组成。
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。
如今我国国民经济的飞速发展,自动化立体仓库必然会在各行各业中得到越来越广泛的应用。
本课题的电气控制主要由西门子公司的PLC、步进电机驱动器、步进电动机、直流电动机等器件组成。
本文首先对本课题进行简要的介绍，包括背景，研究意义，现状等；其次对该系统的硬件组成、结构、原理进行了阐述和分析；再次对本系统用到的器件分别进行介绍，重点对PLC程序进行了编写；最后对设计本课题所学到的知识进行归纳和总结。
关键字：
立体仓库可编程控制器（PLC）西门子S7-200
Abstract
Theautomatedwarehouseisoneoftheimportantpartsinmodernlogistics.It'samulti-layeroverheadwarehousesystemtostoregoods.Bytheautomaticcontrolandmanagementsystem,highshelf,roadwaystacker,automaticstorage,automaticlibrary,computercontrolsystems,andotherauxiliaryequipment,ithasalandconservation,andreducelaborintensityandeliminateerrors,improvethelevelofwarehouseautomationandmanagementlevel,toimprovethequalityofmanagementandoperationsstaff,reduceoutages,andeffectiveinreducingthebacklogofliquidityandimprovelogisticsefficiencyandmanyotheradvantages.Today,withtherapiddevelopmentofChina'snationaleconomy,theautomatedwarehousewillinevitablyapplicationinallwalksoflife.
ThesubjectismainlymadeofSiemensPLC,steppermotordrives,steppermotors,directcurrentmotorotherdevices.First,abriefintroductiontothetopic,includingbackground,significance,status;Second,thesystemhardware,thestructure,principlesaredescribedandanalyzed;Third,thedevicesthatareusedinthissystemwereintroduced,focusingonthepreparationofPLCprogram;Finally,theknowledgelearnedandconclusionsonthetopicaresummarized.
Keywords:
StereoscopicwarehouseProgrammablecontrollerSiemensS7-200
第1章绪论
1.1本课题设计的背景
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。
本论文主要是基于PLC所设计的立体仓库电气控制系统。
下面简单阐述PLC的发展背景。
1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司为了适应汽车型号不断更新，提出把计算机的完备功能、灵活性、通用性好等优点和继电器-接触器控制系统的简单易懂、操作方便、价格低等优点结合到一起，做成了一种能适应工业环境的通用控制装置，并把其编程方法及程序输入方法简化，使不熟悉计算机的人员也能够快速掌握其使用技术。
根据这一设想，美国数字设备公司于1969年率先研制出第一台可编程控制器（简称PLC），并在通用汽车公司的自动装配线上试用获得成功。
由于PLC的可靠性高，操作简单，可以大大减少设备的维修和停产所造成的经济损失。
当前PLC已经成为了电气自动化控制系统中应用最为广泛的核心控制装置。
1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：
“可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程[1]。
”因此，进行立体仓库的PLC控制系统的设计，可以推动机械手行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。
1.2本课题设计内容
本设计用西门子S7-200系列的控制器作为控制核心，实现一个十二仓位的立体仓库的入库出库功能。
立体仓库主体有底盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。
电气控制部分由西门子生产的S7-200型的可编程控制器、步进电机驱动、各种位置电磁传感器和一些低压电器元件组成。
S7-200型可编程控制器作为控制核心，采集输入端口信号后完成各种逻辑控制和数据的运算，然后通过输出端口完成电机的运动和各种信号的现实。
该系统要能够实现手动和自动两种工作模式，通过键盘可以对设备进行控制。
1.3本课题设计的目的和意义
自动化立体仓库在各行各业得到而来广泛的应用，进行PLC立体仓库的设计对于节约土地资源，节省劳动力方面都有着不可代替的作用。
PLC作为工业自动化三大支柱的重要一部分，因为其可靠性高、抗干扰能力强、设计安装容易等特点而被广泛的应用于自动化控制的各个领域。
PLC控制系统可以很好的完成立体仓库的控制有助于其实现自动化。
因此，进行立体仓库的PLC控制系统的设计，可以推动机械手行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。
1.4小结
本章以课题设计为中心，分别介绍了课题设计的背景、内容、目的和意义。
立体仓库发展速度越来越快，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。
PLC凭借着其可靠性高、抗干扰能力强、使用方便、设计安装容易等特点能很好的完成立体仓库控制系统的设计。
第2章.系统控制方案的确定
2.1自动化立体仓库的简介
自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。
它主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统所组成。
货物存储系统由立体货架的货格（托盘或货箱）组成，货架按照排、列、层组合而成立体仓库储存系统；货物存取和传送系统承担货物存取、出入仓库的功能，它由有轨或无轨堆垛机、出入库输送机、装卸机械等组成；自动化立体仓库视情况不同采取不同的控制方式：
有的仓库只采取对存取堆垛机、出入库输送机的单台PLC控制，机与机无联系；有的仓库对各单台机械进行联网控制。
更高级的自动化立体仓库的控制系统采用集中控制、分离式控制和分布式控制，即由管理计算机、中央控制计算机和堆垛机、出入库输送等直接控制的可编程序控制器组成控制系统。
2.2立体仓库系统的功能
图2-1立体仓库模型图
在此设计的立体仓库需要满足一下功能：
（1）堆垛机（机械手）要有三个自由度，即：
前进、后退；上、下；左、右；
（2）堆垛机的运动由步进电机驱动；
（3）堆垛机前进（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行；
（4）堆垛机前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护；
（5）每个仓位必须有检测装置（微动开关），当操作有误时发出错误报警信号；
（6）当按完仓位号后，没按入或取前，可以按取消键进行取消该操作。
（7）整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。
系统控制面板如下图2-2所示：
图2-2控制面板
因此本课题设计的具体控制功能如下：
（1）将选择开关置于自动位置，通电状态下，各机构复位，即返回零位。
立体仓库坐标定位以零位开始。
（2）当送货的时候，选择欲送货物的仓位号，按动仓位号对应的按钮，控制面板数码管显示仓位号。
按送货按钮后，货物自动送入指定的仓位号对应的仓库位里。
若被指定的仓位号里有货物，则送货命令不被执行。
送货完成后，小车自动返回原来的位置。
（3）当取货的时候，选择欲取货物的仓位号后，按动取货按钮后，在控制面板的数码管里显示出来，堆垛机可以自动将货物取出。
如果小车里有货物，则取货命令不被执行。
（4）取货和送货指令完成后，机构自动返回原来位置。
（5）整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。
2.3采用PLC控制立体仓库的优点
PLC的应用非常广泛，按PLC编程功能可分为4大类[2]：
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：
低成本、范围广、高速、便捷、永远在线、结构灵活、数字化等。
2.4立体仓库技术参数的确定
表2-3立体仓库具体参数：
出/入货柜台最重物品
20Kg
每个仓位的高度
4．5CM
仓位的上下距离
0．5CM
仓位的平行距
0．5CM
仓位的体积
4M3
可编程控制器（PLC）电源
24VDC
堆垛机电源
220VAC,50Hz
2.5系统设计的基本步骤
在立体仓库控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：
（1）深入了解和分析立体仓库的工艺条件和控制要求。
（2）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。
（3）根据I/O点数选择合适的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者输入输出端子的接线图。
（5）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。
立体仓库系统设计与调试的主要步骤，如图2-4所示：
图2-4课题设计步骤
2.6小结
本章围绕系统方案的确定，首先对自动化立体仓库进行了简单的介绍。
自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。
主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统所组成。
其次阐述了本课题设计的自动化立体仓库实现的功能与总体的控制步骤。
第三节讲述了PLC的优点和选择PLC进行控制的原因。
最后确定了立体仓库的具体参数，并详细介绍了本课题设计的基本步骤。
第3章系统硬件设计
3.1控制系统结构设计
本课题设计采用的是运用PLC控制系统来控制立体仓库的运动.这种设计的优点是能快速的对输入信号做出反应控制立体仓库,而且检修起来较为方便。
控制系统结构图如下图3-1所示。
图3-1控制系统结构图
3.2可编程控制器的选型
3.2.1可编程控制器的基本结构
可编程控制器的基本结构由输入/输出模块、中央处理单元、电源部件和编程器等组成。
PLC与计算机的基本组成一致，它实际上就是一种工业控制计算器[3]。
（1）输入/输出模块在PLC中，CPU是通过输入/输出模块与外界连接的。
输入模块用于将控制现场输入信号变换成CPU能接收的信号，并对其进行滤波、电平转换、隔离和放大等；输出模块用于将CPU的决策输出信号变换成驱动控制对象执行机构的控制信号，并对输出信号进行功率放大、隔离PLC内部和外部执行元件等。
（2）中央处理单元
（3）电源部件中央处理器单元包括微处理器、系统程序存储器和用户程序存储器。
微处理器CPU是PLC的核心部件。
电源部件是把交流电转换成直流电源的装置，它向PLC提供所需的高质量直流电源。
3.2.2可编程控制器（PLC）的特点
（1）可靠性高，抗干扰强。
（2）功能强大，性价比高。
（3）编程简易，现场可修改。
（4）配套齐全，使用方便。
（5）寿命长，体积小，能耗低。
（6）系统的设计、安装、调试、维修工作量少，维修方便。
3.2.3控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择[4]。
（1）控制功能
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
（2）编程功能
离线编程方式：
PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。
完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。
离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。
在线编程方式：
CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。
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