自动化立体仓库控制系统设计Word下载.docx
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课题的研究目的是随着社会生产力的迅速提高，仓库存储技术经历了从手动存储、半自动存储、自动存储、智能化存储的改进与完善，是立体仓库仓储技术迅速成为当红产业。
所以课题研究自动化立体仓库控制系统设计，采用西门子PLC程序操纵系统、WinCC组态实时监控仿真，使立体仓库的信息化、控制一体化、操作便捷化得以体现。
1.2国内外研究状况
自动化立体仓库是二战后引出的产物，至今已经历了人工作业、半自动作业、自动作业、智能化作业的过程。
20世纪60年代中期，以计算机为核心控制的立体仓库在美国投入使用并成立了研究所研究开发。
随后在日本、德国、英国等也引进并成为了主导产业。
据数据显示，迄今为止美国拥有规模不一的自动化立体仓库40000多个、日本35000多个、德国16000多个、英国10000多个等。
我国由于社会生产力的原因发展比较晚，20世纪60年代研究开发；
70年代中期，由计算机控制的立体仓库问世。
据统计当前我国拥有立体仓库约3000多个，运用于各行各业配合完成企业操作流程，适应了社会潮流、促进了经济发展。
自动化立体仓库是以计算机为主要操作方式的运行系统化、管理一体化的现代存储系统。
随着立体仓库在企业产生的经济效益，使人类投入了更多的精力去研究开发。
在国外，Linn和Wysk在立体仓库控制操作中引进专家系统模拟实验得到成功验证；
Randhawa和Shroff通过对货物出入仓库的影响因素的研究，得出立体仓库的模拟仿真；
Egbule通过研究堆垛机待命点的选择来减少作业响应时间【】。
在国内，山东大学的田园会等提出了影响仓库运行效益的若干调试问题。
在货位分配方面，Hausman等做出对周转率货位分配、随机货位分配等不同方式货位分配的对比研究；
Hackett提出了COI（Cube-per-orderIndex）货位分配策略。
在国内常发亮等在货位分配中涉及优化算法改进系统【】。
现代仓库储藏技术的发展趋势：
（1）仓储系统集成计算机网络技术实现智能化。
结合物流处理的基本理论和复杂的仓库储藏技术，实现现代智能化产业。
（2）仓储物的多样化，使的仓储技术的不断提高、仓储设备的不断更新。
为使仓库有较大的柔性，研究开发高效、柔性的出入库输送设备和库内作业机械。
（3）现代化物流仓储系统是一套集信息与价值的物流服务系统。
（4）仓储系统是一个复杂的、快速的物流系统，只有系统的完善及设备的齐全才能发挥高效、经济的系统。
PLC凭借其适应性强、应用灵活、易于编程、安装和调试等成为整个立体仓库控制领域的核心系统设备。
随着立体仓库被企业广泛应用，普及存储PLC控制的自动化立体仓库是现代化发展的趋势【】。
1.3此课题的研究内容
自动化立体仓库是高维立体货架式储存系统，通过立体货架、PLC控制系统、WinCC组态实现对货物存取流程的人机界面监控。
采用西门子梯形输入指令等，扩展了PLC的输入和输出点数。
运用监控系统对货物实时监控，提高了工作效率、降低了运营成本，所有设备都通过PLC程序控制运行，减少了损耗、方便了操作。
根据以PLC为核心的自动化立体仓库的运行原理及控制系统决定运行的三个坐标方向，根据用户的输入实现物体准确定位移动。
具体完成的任务如下：
（1）
命令键盘的设计。
（2）
掌握PLC编程步骤及方法。
（3）
完成硬件电路的设计和应用。
（4）
设计要求程序，并通过修改调试。
（5）
在模拟仿真上进行存取试验。
2总体设计方案
2.1自动化立体仓库的构成、特点及分类
自动化立体仓库（AS/RS,AutomaticStorage&
RetrievalSystem）是以高层立体货架为主体、成套搬运设备为基础，集计算机控制技术、自动控制技术、自动化于一体的高容量、高效率的贮藏机构。
自动化立体库的基本构成为:
1.高层货架
它是自动化立体仓库系统实现货物存取的主框架，直接确定仓库的体积及货物存取要求。
货架形式：
自动化立体仓库的货架形式一般有贯通式货架、单元式货架、组合式货架等。
设计时，可根据货物的形状、大小及要求合理选取。
2.堆垛起重机
堆垛起重机作为自动化立体仓库的源动力，承担货物的搬运及存取。
主要由主架、运行轨道、载货台、提升支架及控制系统构成。
3.输送系统
它是将货物运送到巷道端口或仓库的设备。
一般有辊道输送机、链条输送机、皮带输送机等。
同时，根据平均流量仓库需合理确定运输系统的速度。
4.托盘
用于承载货物的机构，常见的有钢材、塑料、木质等。
其中木质托盘具有较高的性价比。
5.其它辅助设备
根据立体仓库设计的要求，需依靠外部辅助设备完善货物存储流程。
6.自动控制系统
它控制整个立体仓库系统设备的运行，可以使设备单独、组合运行，还可预留与外接设备的接口。
自动化立体仓库控制系统可分为组合式、单一式、排列式控制。
自动化立体仓库的优点：
1.货物存储的集中化、立体化，合理利用空间，提高利用率。
2.便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平。
3.仓库设备的现代化使货物存取节奏变快，节省劳动率、提高生产率。
4.减少库存资金积压。
5.现代化企业的标志。
自动化立体仓库大致可以分为：
1.按货架高度可以分为高层仓库、中层仓库、低层仓库。
2.按货架构造可以分为贯通式、阁楼式、组合式等。
3.按建筑物构造可以分为一体式、分离式立体仓库。
4.按操作方式可以分为人工寻址，人工存取方式；
自动寻址，人工存取方式；
自动寻址，自动存取方式。
5.按功能方式可以分为存储仓库、专用仓库、转换仓库等。
2.2堆垛机控制系统
堆垛机作为立体仓库运行流程的主要组成设备，配合系统完成货物的存取。
堆垛机具有操作简单便捷、存储效率高及运输成本低等优点。
与PC机联网控制，形成一体式自动化物流系统。
堆垛机按运行方式分为有轨式和无轨式堆垛机；
按操作方式分为手动、半自动、自动堆垛机；
按升降高度分为低层、中层和高层堆垛机等。
2.2.1主要结构与工作原理
图2.1堆垛机结构示意图
如图2.1所示堆垛机结构示意图
a）立柱：
升降台的主要支撑结构，可设置导轨牵引升降台运送货物
b）电源配置系统：
包括外部电源系统、电动机驱动系统、实时监测系统等
c）升降台：
由钢板焊接组成，是货物存取的主要承载平台
d）货叉：
货物存取的主要运输元件，由电动机驱动、导轨牵引运行
e）底架：
支撑整个堆垛机的重要组成部分
f）升降驱动系统：
升降驱动电机牵引导索使货叉竖直运行
g）行走驱动系统：
行走驱动电机牵引货叉水平运行
h）上横梁：
连接两端立柱使堆垛机结构稳定并限制升降台的高度
2.2.2堆垛机工作原理
在下横梁和立柱上分别安装一组导轨，升降电机驱动货叉竖直运行，行走电机驱动货叉水平运行。
通过操作控制面板可以使货叉加减速灵活变换及故障急停等功能。
货叉的上、中、下位分别设有定位装置，同仓库的光电传感器配合使货叉准确定位实现货物存取。
2.3可编程控制器定义及组成
2.3.1PLC的定义
PLC（可编程控制器）是一种数学运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数学或模拟式的输入与输出，控制各类型的机械或生产过程【】。
2.3.2PLC的工作原理
1.PLC的扫描工作方式
一般来说，PLC有两种工作状态，即系统的运行和停止。
运行状态指系统执行指令及数据采样过程；
停止状态程序的设计、下载及数据的分析过程。
为了输入信号发生变化时输出端及时响应，在PLC运行状态下程序执行过程需一直循环直至PLC切换到停止状态，通过周期循环扫描方式实现循环。
一个循环周期包括系统检测阶段、通信服务阶段、输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。
1）系统检测阶段。
CPU对系统内部的硬件作故障扫描、以及定时器、采样器的复位等。
2）通信服务阶段。
是指PLC与编程器、计算机进行通信链接，CPU分析采样输出的信息。
3）输入采样阶段。
每次执行扫描周期时，先将输入端点的初始值存入输入映像寄存器区。
在程序执行阶段，CPU会扫描输入映像寄存器区。
4）程序执行阶段。
PLC根据梯形图的指令分时扫描执行，并将程序过程采集数据存储于输入映像寄存器区。
CPU逐条解释并执行程序。
5）输出刷新阶段。
每个扫描周期结束时，CPU把过程存储数据经数字量输出端点输出，更新输出初始状态，然后自动返回输入采样阶段循环执行。
2.输入/输出滞后时间
输入/输出滞后时间指从输入信号发生变化开始经系统使输出信号发生变化止之间的响应时间，其中包括电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和扫描工作方式产生的滞后时间三部分。
扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期。
PLC总的响应延迟时间一般只有数十毫秒，对于一般系统没有影响。
要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选择扫描速度快的PLC或在软件及硬件上采取措施。
3.PLC与继电器工作原理的差别
1）内部器件的差别。
继电器一般由硬件组成；
而PLC一般由“软件”组成。
2）触点个数的差别。
继电器一般只有8~16个触点；
PLC的触点理论上有无限对，可重复使用。
3）逻辑关系上的区别。
继电器电路图是用低压电器的接线表达逻辑控制关系的；
PLC主要使用梯形图表达逻辑关系。
4）运行时序上的差别。
继电器可以忽略电磁及机械滞后，同一继电器的所有触电的动作和线圈通电或断电可以认为是一致的；
PLC由于系统分段扫描指令，故同一设备的线圈和触点的动作不一致。
2.3.3PLC的特点
1.抗干扰能力强、适应性强
2.应用灵活、可靠性高
3.易于编程及使用
4.功能及拓展能力广泛
5.控制系统设计、安装、调试、操作方便
2.3.4PLC的基本组成
S7-300系列PLC是模块化结构设计，各种模块之间可以进行组合和扩展。
它的主要组成部分有机架、电源（PS）模块、中央处理单元（CPU）模块、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）和通信处理器（CP）模块【】。
2.3.5PLC模块的选择
仓库控制系统运用西门子PLCS7300系列，它抗干扰能力强、编程及操作简单方便、易于实现分布和功能完善等成为中等性能要求用户的首选方案。
用户可以根据设计要求对S7300系列PLC多种不同性能的CPU模块进行选择，及时添加或减少CPU模块以达到任务完善的需求。
本设计采用的中央处理器是CPU314，能通过MPI经电缆或通讯模块与PC机进行通讯连接，自身的诊断功能和修复技术，使其实用性及可靠性大大提高，完全符合设计要求。
此外，它自带的Step7编程软件功能强大、操作便捷，使的程序系统编程简单化。
模块配置具体如下：
中央处理器：
CPU314
能准确执行二进制代码指令，设置I/O配置，便于功能程序和执行程序的安装。
最大可扩充1024字符的I/O或256个模拟通道，内置256个计时器。
程序深度有8层嵌套配置，内置存储器的基本容量为48K字节，可用外置存储卡（MMC卡）扩展内置存储器，最大内存可达8MB。
计数功能模块：
FM350-1
它是单通道智能计数模板。
可与BEN（增量编码器）、光电式脉冲传感器连接；
具有比较功能，能够自动比较输入值和预设值并及时输出响应；
具有连续计数、单向计数、周期计数三种工作模式。
定位功能模块：
FM353
用来定位步进电机轴的实际状态，由脉冲功率驱动步进电机、脉冲数量决定移动长度、脉冲频率控制移动速度，从而达到定位任务。
准确快速的复杂运动模式，是机械设备定位任务的理想要求。
数字量输入模块：
SM321
可将现场各开关触点的状态由光电隔离和滤波转换为S7300内部信号，经CPU扫描采样。
为了方便系统调试，各输出端经发光二极管分段显示（灯亮为正常，反之异常）。
数字量输出模块：
SM322
系统选择带直流负载的晶体管输出端子把S7300的物理信号转化为电平信号。
模拟量输出模块：
SM332
可将从S7300采集的数字量信号转换为模拟量信号。
供电参数可调，用初始化参数可提前为通道单独设置范围，输出端与背板总线间有光藕隔离。
电源模块：
PS3O7
输入为120V/230V单相交流电，输出为24V/5A直流电，输入和输出之间隔离可靠。
电源操作指示灯用一个LED显示（灯亮为输出电压正常，反之异常）。
由于本项目所用模块较少，此电源模块可稳定供电。
上述模块在STEP7软件中的组态画面如图2.2所示。
图2.2PLC硬件组态
2.3.6PLC控制系统的设计步骤
PLC控制系统的基本设计步骤如下：
（1）分析被控对象控制条件要求。
（2）根据性能与系统要求选择PLC适合类型。
（3）PLC中I/O点数和用户存储器容量的粗略估算，画出状态流程图表。
（4）I/O模块的选择，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入输出模块的选择。
（5）根据程序流程图表设计程序，或梯形图程序。
然后根据设计图列制程序清单。
（6）将程序输入PLC的用户程序存储器中，或通过微机输入PLC存储器，然后进行模拟仿真调试。
控制系统结构图如图2.3所示：
图2.3控制系统结构图
2.4微动开关的选择
该立体仓库控制系统共有30个货格，30个微动开关分别为仓库货物的检测。
微动开关原理图如图2.4所示。
图2.4微动开关原理图
2.5仓库管理及监控结构
立体仓库控制系统由管理系统、监控系统、执行系统组成。
如图2.5所示。
图2.5立体仓库功能结构示意图
2.6供电设计
系统供电设计如图2.6所示：
图2.6系统供电原理图
如上图所示，01、02、03连外接电源的火线；
04连接零线；
05连接地线。
为了使系统运行更加灵活、故障排除方便，采用双电机分别驱动供电，一台给予图“电机供电”部分，另一台给予“柜内及PLC”供电。
2.7认址的定义
2.7.1认址方式的比较
通过对国内外立体仓库采用的认址方式的比较，其中包括光电开关、编码器和激光传感器，得下表2.1所示：
表2.1认址方式比较
认址器件
光电开关
增量编码器
光电传感器
认址方式
相对认址
绝对认址
安全性
低
高
较高
认址精度
mm
系统成本
外置接口
无
多个
定位方式
反射式
接触式
使用期限
短
长
2.7.2认址方式确认
（1）水平方向采用光电传感器。
安装在堆垛机上的光电传感器通过光及物体反射来测量物体的速度及距离，其原理是通过发射出的激光光线及物体反射的长度来测定距离【】。
所以为了保证实验的准确性，在堆垛机运行时不允许存在物体遮挡激光光线的现象，对激光光线通道采取相对隔离措施，确保激光测距的准确性和自动化系统的安全性。
（2）竖直方向采用绝对光电认址片认址。
在堆垛机的主框架上安装绝对认址片、在升降台上、中、下位各安装一个光电开关分别确定对应层数及上下、层数的反射距离。
如图2.7所示。
图2.7传感器认址定位分布图
第三章系统软件设计
系统的软件设计分为两部分：
（1）用Step7编程软件设计系统程序；
（2）用WinCC组态实现人机界面监控。
3.1Step7软件简介
STEP7是西门子SIMATIC工控软件的组成部分，是对可编程逻辑控制器PLC进行配置和软件编程的程序包。
通过配置MPI通信设备并经专用数据线与PLC及计算机连接实现系统的程序下载以及数据的采集和调试。
硬件接线图如图3.1所示。
图3.1Step7外部硬件接线图
STEP7程序的设计、编程步骤分为：
（1）根据系统要求设计程序方案
（2）启动Step7编程软件，创建一个新的项目
（3）完成程序的编写和组态的链接
（4）将程序下载到硬件设备并存储
（5）进行程序调试和设备运行
Step7软件运行流程图如图3.2所示。
图3.2SETP7的使用步骤
3.1.1Step7的编程语言
由程序员在Windows环境下的系统设置，编程Step7并调试和监控程序，功能强大、界面友好。
STEP7编程软件集成的编程语言有梯形图（LAD）、语句表（STL）、和功能块图（FBD），描述如下表3.1所示。
表3.1STEP7编程语言分类
编程语言
说明
LAD
LAD是STEP7编程语言的图表形式。
梯形图可以实时显示跟踪电信号的输入、输出路线及整体流程。
STL
STL是STEP7编程语言的文本形式。
能够让CPU识别并逐步执行的系统程序，包括一些常用指令、语句表及高级语言结构。
FBD
FBD是STEP7编程语言的图形形式。
用图形框之间的逻辑组合来显示系统的逻辑结构。
3.1.2Step7的程序结构
系统块由组织块（OB）、系统功能（SFC）和系统功能块（SFB）组成。
用户无权限修改系统功能和系统功能块但可以调用。
用户块分为功能块（FB）、编程功能块（FC）和共享数据块（D）。
1）功能块（FB）
功能块是能够存储用户编程的块，内存数据块存储从功能块采集的数据和系统初始值，本地数据块存储临时数据。
2）编程功能块（FC）
编程功能块是一种“不携带存储器”的逻辑块。
执行功能时，数据堆栈暂存的临时变量将被删除。
编程功能块内部无存储器，数据存储需借助共享数据块。
3）共享数据块（DB）
共享数据块是专门存储其它块用户访问的数据，在创建是可以根据用户自定义数据块。
3.2Wi
升级会员 