基于PLC控制的小型自动化立体仓库设计文档格式.docx
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起止时间：
2012
年
2
月
21
日至
6
5
日共
15
周
指导教师
签字
系主任
院长
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：
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
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。
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。
这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
五种标准化编程语言：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。
（3）诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。
硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。
通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
3.2.4PLC机型的选择
（1）输入电源电压：
24VDC还是220VAC，根据供电系统电压来选择，一般来说，不建议直接从动力电源直接取电，最好用隔离变压器把动力电源和控制电源隔离开来，同时做好滤波等抗干扰措施。
本设计采用24V直流电。
（2）输入输出点数：
所谓的输入输出点数指的是整个控制系统需要用到的PLC的输入点个数和输出点个数。
一般来说，当然是预先设计好整套系统方案，然后算出所有的输入输出点个数，如果是第一次设计的方案，建议预留点数。
经过估算本设计中需要输入端口40个，输出端口21个。
（3）输出触点类型：
是继电器输出类型还是晶体管输出类型。
根据所控制的执行机构电源电压及功率来决定输出触点类型，如果系统里有需要用到高速脉冲输出控制步进电机或伺服系统时，一定要选择晶体管输出类型。
本设计因为有步进电机的控制所以选择晶体管输出类型。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。
S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
S7系列PLC有专门的高速脉冲输出端，可以方便的完成步进电机的控制。
根据控制功能要求选择微型PLC。
微型PLCS7-200系列可编程控制器主机分为10、14、24、40点四档，还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加I/O点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入。
本课题设计的立体仓库控制系统有输入信号40个，输出信号21个。
所选I/O点不得低于61点，结合实际情况，考虑到经济实惠所选本系统所采用的PLC是西门子S7-200CPU226DC24V，外加一个数字量扩展模块EM223[1]。
3.3步进电机的选择
3.3.1步进电机的介绍
步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊电机。
每输入一个电脉冲信号电机就转动一个角度，它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机。
又由于它输入的是脉冲电流所以也叫脉冲电动机[14]。
步进电动机在不需要变换的情况下，能直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位移，因此它很适合作为数字控制系统的伺服元件。
此外，它还具有一系列的优点，一是输出角位移量或线位移量与其输入的脉冲数成正比，而转速或线速度与脉冲的频率成正比，在负载能力范围内，这些关系不受电压的大小、负载的大小、环境条件等外界各种因素的干扰。
二是它每转一周都有固定的步数，所以步进电动机在不失步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。
三是控制性能好，它可以在开环系统中在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速，并且能够快速启动制动和反转。
四是有些型式的步进电动机在停止供电的状态下，还有定位转矩，有些型式在停机后某些相绕组仍保持通电状态，具有自锁能力，不需要机械制动装置等。
当采用速度和位置检测装置后，它可构成闭环控制系统。
计算机技术、电力电子技术和微电子技术的发展，给步进电动机的应用开辟了广阔的前景，应用非常广泛。
如数控机床、绘图机、自动记录仪表、遥控装置和航空系统等等，都大量使用步进电动机。
3.3.2步进电机的结构
图3-2为三相反应式步进电动机的径向截面图。
定转子铁芯由硅钢片叠压而成，定子磁极为凸极式，磁极的极面上开有小齿。
定子上有三套控制绕组，每一套有两个串联的集中控制绕组分别绕在径向相对的两个磁极上。
每套绕组叫一相，三相绕组接成星形，所以定子磁极数通常为相数的两倍，即2p=2m（p为极对数，m为相数）。
转子上没有绕组，沿圆周也有均匀的小齿，其齿距和定子磁极上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制。
这种结构形式的优点是制造简便，精度易于保证，步距角可以做得较小，容易得到较高的启动和运行频率。
图3-2步进电动机的结构
3.3.3步进电机的工作原理
图3-3是一台三相反应式步进电动机的原理图。
定子铁芯为凸极式，共有三对（六个）磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组。
转子用软磁性材料制成，也是凸极结构，只有四个齿，齿宽等于定子的极靴宽。
下面通过几种基本的控制方式来说明其工作原理。
图3-3步进电动机原理图
（1）三相单三拍通电方式
当A相控制绕组通电，其余两相均不通电，电机内建立以定子A相极为轴线的磁场。
由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，使转子齿1、3的轴线与定子A相极轴线对齐，如图3-3（a）所示。
若A相控制绕组断电，B相控制绕组通电时，转子在反应转矩的作用下，逆时针方向转过30°
，使转子齿2、4的轴线与定子B相极轴线对齐，即转子走了一步，如图3-3（b）所示。
若再断开B相使C相控制绕组通电转子又转过30°
，使转子齿1、3的轴线与定子C相极轴线对齐，如图3-3（c）所示。
如此按A-B-C-A的顺序轮流通电，转子就会一步一步地按逆时针方向转动。
其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。
若按A-C-B-A的顺序通电，则电机按顺时针反方向转动。
上述通电方式称为三相单三拍运行。
“三相”是指三相步进电动机每次只有一相控制绕组通电；
控制绕组每改变一次通电方式称为一拍，“三拍”是指经过三次改变通电方式为一个循环。
我们称每一拍转子转过的角度为步距角常用θs来表示，三相单三拍运行时θs=30°
。
（2）三相双三拍通电方式
控制绕组的通电方式为AB-BC-CA-AB或AB-CA-BC-AB。
每拍同时有两相绕组通电，三拍为一个循环。
当A、B两相控制绕组同时通电时，转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡，才是转子的平衡位置，如图3-4（a）所示。
若下一拍为B、C两相同时通电时，则转子按逆时针转过30°
到达新的平衡位置，如图3-4（b）所示。
可见，双三拍运行时的步距角仍是30°
但双三拍运行时，每一拍总有一相绕组持续通电，例如由A、B两相通电变为B、C两相通电时，B相保持持续通电状态，C相磁拉力力图使转子逆时针方向转动，而B相磁拉力却起有阻止转子继续向前转动的作用，即起到一定的电磁阻尼作用，所以电机
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