基于PLC的自动化仓储控制系统设计与研究毕业设计 精品文档格式.docx
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仓库业务管理的自动化水平逐步提高。
随着生产水平的进一步发展，对物流技术提出了新的更为严苛的要求。
具体来说，这要求我们能够通过物流技术，能在规定时间内，在确切的位置，使用确切的顺序和方法，提供准确的商品的品种和数量。
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智能技术将被应用。
人工智能技术的进步，促进了自动化技术在仓库的设计中的应用，而在控制处理系统，储存及运输设备选择等方面，专家系统的应用将体现出较高智能化水平，并往更高的阶段发展。
仓库操作柔性化发展。
灵活和通用的自动化立体仓库在存储和运输上体现出得天独厚的优势。
在国外，已经开始出现了一些移动或便携式仓库结构。
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1.3自动化立体仓库的优越性
随着生产力水平的提高，生活水平的提高，现代物流行业也表现出飞速增长的势头，早期相对传统的仓储模式现在已经不能满足巨大的货存需求，因此立体仓库就展现出其巨大的优势。
其中包括：
节约用地、减轻劳动强度、降低差错、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。
1.3.1提高空间利用率
最早，立体仓库的目的是提高空间的实用效率，节约珍贵的空间资源，在西方国家尤其是发达国家对空间利用效率更为重视，土地使用率的提高不仅能够减少能源浪费，对于环境的保护仍然显得尤为重要。
因此，空间利用率毫无疑问成为体现仓库的优越性和先进性的重要指标。
一般情况下，自动化立体仓库对空间的利用率超出一般普通仓库1～4倍。
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1.3.2便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平
早起的仓库只发挥单纯的货物存储的作用，功能相对单一，属于静态储存。
立体仓库在对物料搬运环节使用了先进的自动化技术，使得仓库内的货物不但实现了自存自取，方便快捷，提高了效率。
同时，立体仓库还让仓库外的生产环节与仓库本身实现了无缝连接，以便计算机对其进行监控及管理。
这些特点让自动化立体仓库成为企业物流的重要部分。
1.3.3减少商品的破损率
智能自动化仓库在自动化立体仓库基础上，最大限度地提高物件周转速度和流通效率，加速仓库储备资金的周转，有效利用货物资源，并且最大限度地降低货物的破损率。
1.3.4提高仓储作业效率
建立以立体仓库为中心的物流系统，其优越性还表现在立体仓库具有快速的入出库能力，妥善地将货物存入立体仓库，及时自动地将生产所需零部件和原材料送达生产线。
同时，立体仓库系统减轻了工人综合劳动强度。
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第2章自动化立体仓库系统概述
2.1本课题设计的内容
在本文中，主要内容包括三个部分：
基于RFID技术的仓储和物流管理系统：
基于西门子S7-200PLC执行机构实现全自动控制系统和PLC程序：
管理层、监控层、控制层之间无缝连接，实现相互通讯。
在管理系统，研究的主要内容即货物出入库、存储及货位分配在自动化立体仓库中的实现。
具体而言，根据自动化立体仓库中货物存储特点，提出了采用分类随机存储和定位存储相结合的存储策略。
与RFID技术相结合，对货物的出入库频率进行统计，以此划分出货物的大致存放区域；
与此同时，使用货物空间自动均匀分配算法，实现货物的货物空间分布均匀以及就近入库出库;
该算法实现了单件及批量入库作业。
在执行系统中，首先建立实验室规模的自动化立体仓库系统；
针对整个控制系统和电气控制原理进行合理分析，从而对下位执行系统的整体功能进行开发与设计，然后对每个单元PLC的控制功能模块进行分析；
最终编写PLC程序，局部试调通过之后，集成上述三个单元，并实现其顺序控制。
在三层网络拓扑结构和通信实现中，以设置MCGS组态软件来实现OPC通信为研究核心：
监测层与控制层基于现场总线PROFIBUS的具体组网通讯实现以及MCGS本的编写，并最终管理和控制一体化。
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2.2自动化立体仓库的模块设计
根据各模块的功能，在自动化仓库中排列了每个部件之间的具体方位，如下：
垂直杆
PLC控制器
直流电机
驱动器
图2-1功能模块图
第3章立体仓库的硬件设计
3.1系统结构
本设计的控制对象可分为三个控制区域，即传送带、机械手及立体仓库。
3.1.1传送带输送机控制
本系统中共有二台辊道输送带，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。
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3.1.2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。
3.1.3立体仓库及自动堆垛机控制
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。
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图3-1储存单元图
3.2传感与检测系统设计
传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
3.2.1光电传感器
光电传感器，通常分NPN集电极开路输出与PNP集电极开路输出，传感器本系统只使用了NPN集电极开路输出。
光电传感器的原理图如下：
图3-2光电传感器原理图
3.2.2漫反射式传感器
漫反射式传感器，其工作原理为：
当物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原先的信号相比较，产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号相关的主流信号输出电平。
在自动化仓库中采用EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式传感器用作货物的检测。
第一，采用能抗周围外来刚干扰的变调光式；
第二，采用变调光式与直流光式比不易受外来光干扰的影响。
第三，其电源电压为DC5-24V的大量程电压输出型；
带有容易调整的光轴标识；
带有便于调整，动作确认的光显示。
图3-3漫射型光电传感器接线图
漫反射型光电传感器，其在探测物体挡在传感器正面使传感器接收到足够的光线时输出信号。
其对不同颜色的检测距离不相同，反射性能越好检测的距离越远。
还可以通过调节灵敏度调节VR调节检测的距离。
3.2.3电容传感器
图3-4电容传感器基本原理图及接线图
电容传感器的两种形式分为：
NPN集电极开路输出和PNP集电极开路输出，在本系统中，只使用了PNP集电极开路输出型。
当被测物接近传感器时则输出信号，PNP型在没有检测到物体输出则为悬空状态，检测到物体输出时为高电平状态。
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
传感器位置
型号
说明
编码器
前后参考点
CR18-8D
电容传感器NPN集电极开路输出
升降参考点
BS5-T2M
NPN集电极开路输出
升降上到位
D-C73
舌簧型磁性开关
转移气缸右到位
物料检测
CCD-40N
漫反射型光电传感器NPN集电极开路输出
列一参考点
列二参考点
列三参考点
列四参考点
3.3S7—200系列PLC与通信系统的连接
整个控制系统的下位机含三个主要组成部分：
传送带、机械手、堆垛机，均采用PLC（可编程控制器）S7-200系列实现其自动控制。
这里和别的PLC相同，单元加编程器是其基本组成部分，如遇系统扩展需要，系统组件还应包括：
数字扩展单元模块，模拟量扩展单元模块，网络，通信模块，HMI人机界面等。
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通过PC/PPT电缆建立S7-200CPU与个人计算机连接。
具体实施过程如下：
设置PC/PPI电缆开关（下＝0，上＝1）；
DIP开关上选择计算机支持的波特率9600（123设为010）
选择11位（4设置为0）
选择数据通信设备（DCE）（5设置为0）
PC/PPI电缆的RS-232端子（PC）连接到PC通信口：
COM1或者COM2。
PC/PPI电缆RS-485端子（PPI）连接到CPU的通信口。
图3-5PU的通信口的连接图
图3-6C24V输入/输出点的基本原理图（源型接法）
3.4PLC的选择
该设计采用了可编程控制器是siemensS7-200系列的小型PLC-CPU226。
本机集成24输入/16输出40个数字I/0点。
含PID控制器，可连接7个扩展模块，最大可扩展至248个数字I/0点，或35通道模拟I/0点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz的高速计数器，以及2个独立通道20kHz的高速脉冲输出。
2个RS485通讯/编程端口，并具备PPI通讯协议以及自由方式通讯能力，还有功能强大、体积精小、性价比较高等优势，而且还具有高速脉冲输出（PTO）功能，能驱动步进电机。
同时，步进电机和步进驱动器共同组成步进驱动模块。
CPU226外设接线图如下：
图3-7CPU226外围典型接线图
3.5立体仓库驱动设计
3.5.1步进电动机
步进电动机是用专门的步进驱动器驱动，而非直接通过PLC驱动，连接步进电机和步进驱动器，PLC只需向步进驱动器提供方向信号与脉冲信号。
“方向控制信号+”连接Q0.1，经Q0.1的置“1”和置“0”的状态以控制步进电动机的方向；
将步进驱动器“脉冲信号+”接到PLC的输出Q0.1点，PLC输出的高速脉冲信号通过Q0.0发出驱动步进电动机；
而“方向控制信号—”和“脉冲信号—”直接接到了PLC开关电源的负极1M上。
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该程序可以分为主程序，子程序与中断程序三大部分，分工明确，相互配合。
主程序负责确定步进电动机的方向以及子程序调用。
而子程序负责设定高速脉冲指令PLC的控制字节，输出的脉冲个数和脉冲周期，然后连接开放和中断，最终Q0.0输出高速脉冲，驱动步进电机电动机运行。
Q0.0输出脉冲来完成执行中断：
一方面，在步进电动机未运行到原点时，继续调用子程序，机械手后限位10.4不动作，Q0.0继续发脉冲让步进电动机继续运行；
相对的，在步进电动机已运行到原点时，机械手后限位10.4立刻动作，执行中断返回指令RET1，此时复位指示灯Q1.7亮，步进电动机复位结束。
步进电动机的定位程序。
高速脉冲输出一定数量的脉冲就带动机械运行一定的距离，进行机械设备的定位控制称为步进电动机的定位控制。
定位程序的PLC编号、PLC接线以及驱动器、电动机驱动器与复位程序均保持不变。
因此，步进电动机是用专业的步进驱动器驱动，而非直接通过PLC驱动，用PLC只需给步进驱动器提供方向以及脉冲信号，PLC和步进驱动器接线示意图如下：
图3-8PLC与步进驱动器的连接
3.5.2I/O分配
表3-2I/O分配表
SB1（复位）
I0.1
SB2（复位）
I0.2
右限位
I0.0
步进运行结束逻辑
M0.0
电机脉冲
Q0.0
电机方向
Q0.1
3.5.3步进驱动器图及功能描述
设计中的步进电机驱动器包括两个部分：
环路放大器以及功率放大器。
脉冲分配器不可以直接驱动步进电机，须通过由功率放大器放大，才能向步进电机的绕组提供足够的电流。
其原因在于：
环形分配器是根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到步进电机中的各个绕组，让步进电机按一定的方式运行，并实现定位控制和正反转控制，其输出功率过小。
图3-9驱动器接线示意图
3.5.4变频器
通常情况下，“变频器”是指把频率和电压固定不变的交流电变转换为频率或电压可变的交流电的装置。
首先，单相或者三相交流电流转换为直流电（DirectCurrent），随即返回到直流电（DirectCurrent）转换为一个单相和三相的交流电流（alternatingcurrent）。
在逆变器的电压变化和输出频率来改变电机的运行曲线时，即改变曲线上的n0，电动机运行曲线下移。
所以，变频器能够让电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。
变频器连接到PLC：
变频器的输入信号包括：
运行、正转、反转、停止信号，变频器通过继电器接点与上机位相互连接，利用脉冲序列作为频率指令以得出运行信号。
图3-10变频器与PLC的连接
3.6立体仓库PLC控制系统的设计
I/O符号分配表：
表3-2I/O分配表
控制元件
变成地址
编码器a
编码器b
堆垛机前后参考点
I0.3
I0.4
I0.5
小车检测传感器
I0.6
I0.7
I1.0
I1.1
I1.2
启动
I1.3
停止
I1.4
复位
I1.5
运行标志
上机位启动
M0.1
上机位复位
M0.2
上机位停止
M0.3
步进脉冲
步进电动机方向
变频器的启停
Q0.2
变频器的方向
Q0.3
转移皮带线信号
Q0.4
堆垛机皮带线启停
Q0.5
升降气缸
Q0.6
转移气缸
Q0.7
机械手
Q1.0
小车定位气缸
Q1.1
报警灯（绿）
Q1.2
报警灯（黄）
Q1.3
报警灯（红）
Q1.4
循环开始
V1.2
停止标志
V1.3
启动标志
V1.4
步进复位标志
V1.5
传感器与执行元件的连接图：
图3-11传感器与执行元件的连接图（a）
图3-11传感器与执行元件的连接图（b）
第4章PLC的软件设计
S7-200CPU的控制程序有几个分支，主要包含主程序、中断程序、堆垛机向上运行和堆垛机向上运行的子程序。
程序运行的步骤：
首先，按复位按钮，使堆垛机复位，机械手下降以抓取货物，随后向上移动到合适的位置后，开始右移，气缸右移到正确的位置，机械手下降，在合适的位置放下其所托运的货物。
此时，传送带线开始运行，货物被运送至堆垛机的传送带线，之后由堆垛机把货物运送到仓库。
在堆垛机运行过程中，步进电机控制其水平运行，变频器控制其垂直运行。
具体而言，通过调用向左或者向右运行子程序，能精确设定高速脉冲的数目，以控制堆垛机向左或向右运行的距离。
同样，经过调用向上或向下运行子程序，并准确设定脉冲数目，以此使堆垛机在向上或向下运行时，能达到所需的高度。
这样水平方向和垂直方向的精确定位，可以使堆垛机把货物准确无误的送达仓库某个位置。
而一旦遇见出现发生错误的情况，可以立即摁下紧急停止按钮，使堆垛机的动作停止。
上述整个过程依次循环，直至完成目标任务。
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注：
编写子程序，一次就可，其余程序如遇到需要，方可调用。
但必须明白调用子程序必须包含一定的条件，在子程序未被调用时，其下的指令将不能被执行，所以使用子程序可以有效减少扫描时间。
中断程序被设置为不由程序调用，而是在中断事件发生时，由操作系统调用，中断程序中能够调用一级子程序。
指令说明：
图4-1指令图
将16#85传送到控制字节SMB67中，同时，把16进制换成2进制，即85→10000101。
图4-2指令图
将输入信号传送到控制字中的SMW68，以它来指示周期为30ms。
图4-3指令图
调用堆垛机向下运行子程序。
主程序：
1.将步进电动机，步进电动机驱动器，输入输出器件与PLC按要求连接好，将设计好的梯形图下载到PLC，PLC运行，SM0.1导通一个扫描周期，将16#85送到SMB67，30送到SMW68，设置高速脉冲输出控制字节，PTO高速脉冲输出周期为30ms：
图4-4初始化指令图
2.复位按钮，进行复位：
图4-5复位指令图
3.步进复位开始，进行步进方向，堆垛机向下运行子程序被调用：
图4-6步进复位指令图
4.地轨复位标志，地轨到达参考点，复位完成：
图4-7地轨复位指令图
5.运行标志：
图4-8运行指令图
6.停止：
图4-9停止指令图
7.运行指示，运行状态下，小车运送工件到达，小车定位气缸：
图4-10运送工件指令图
8.小车定位气缸，库位满，清零：
图4-11定位气缸指令图
9.循环开始：
图4-12循环开始指令图
10.小车到位后延时：
图4-13后延时指令图
11.延时到，置标志位：
图4-14置标志位指令图
12.升降气缸，抓小车工件：
图4-15升降气缸指令图
13.工件已到转移皮带上：
图4-16工件转移指令图
14.工件已到堆垛机皮带线上：
图4-17转移至皮带指令图
15.启动变频器向库位方向运行：
图4-18启动变频器指令图
16.变频器启停，步进复位开始：
图4-19变频器启停指令图
17.堆垛机向下运行的程序：
Q0.1发送脉冲使堆垛机向下运行，使用SMD72作为高速脉冲输出的控制字节，当堆垛机到达某个升降参考点时，立即发送脉冲数目为200的，向下运行的脉冲。
在19号事件发生时，调用步进中断程序。
图4-20堆垛机向下运行指令图
18.堆垛机向上运行：
Q0.0发送脉冲使堆垛机向上运行，使用SMD72作为高速脉冲输出的控制字节，计数器为4时，发送向上的70000个脉冲，当计时器是5或8时，发送向上的420000个脉冲，当计数器是9或12时，发送脉冲770000个，当19号事件发生时，则调用步进中断程序。
运行到第二，三层库存位。
图4-21堆垛机向上运行指令图
19.中断程序：
当步进复位标志复位，到达堆垛机升降参考点时，调用向下运行子程序。
图4-22中断程序指令图
结束语
基于PLC控制的自动化立体仓库合理的利用了PLC的硬件和软件资源，编程简单，故障少，维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。
在保证立体仓库安全,可靠的运行条件下，减少PLC的输入输出端口，充分利用各种指令简化控制程序。
PLC的控制程序程序应具有最优化的逻辑判断能力，使立体车库最合理地运行。
其组态监控系统能够让用户实时监视立体仓库的运行状态，及时发现故障和异常情况，保障了立体仓库的安全，稳定和可靠性，具有良好的生产应用前景及教学价值
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