自动化立体仓库大学学位论文文档格式.docx
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1.2本课题的发展趋势
由于自动化立体仓库的广泛应用、计算机技术和网络技术的发展，使得立体仓库的发展十分迅速，其发展的趋势主要有3点：
1立体仓库向柔性化发展。
随着柔性化的普及，自动化立体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和移动式的仓库结构
2立体仓库作业管理自动化水平逐步提高。
随着社会的发展，各个行业对物流的速度和物流的准确度要求越来越高，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、提供准确的品种及数量的货物更加的多。
3立体仓库中智能技术将会取得应用。
人工智能技术的发展，推动了自动化技术向其高级阶段--智能化方向发展，让自动化立体仓库的作业越来越简单，对人力的要求越来越少，维护的时间越来越少，变的越来月安全。
1.3本课题研究的目的和意义
它以高层立体货架为主要标志，使用成套先进的搬运设备，以先进的计算机控制技术为主要手段，实现搬运、存取的机械化和自动储存管理，并可与上级计算机联网组成内部局域网，从而实现管理、监控、执行的功能。
由于自动化立体仓库这一新技术的出现和发展，使传统的仓储观念发生了根本性的变化。
从原来的固定货位、人工搬运和码放、人工管理、以储存为主的传统仓储作业，转变为自由选择货位、可按需要实现先进先出的机械化与自动化仓储作业，同时可以对货物进行必要的拣选、组配，并根据整个企业生产的需要，有计划的将库存物按指定的数量和时间要求送到恰当地点，满足均衡生产的需要，可以说自动化立体仓库的出现使“静态仓库”变成了“动态仓库”。
自动化立体仓库的功能主要是存储和保管、调节供需和调节货物运输能力。
和普通仓库相比，自动化立体仓库具有显著的优越性。
首先，它可充分利用仓库面积和空间，扩大仓储系统的综合利用率和作业规范，节约劳力。
其次，增加了分拣、转运、配送、包装、流通加工、信息处理等设施，能够全面为生产和商业流通服务，从而提高仓库管理水平，减少货损，优化、降低库存，缩短周转期，节约资金。
同时，其机械化和自动化提高了劳动效率，并能方便地纳入企业的物流系统。
AS/RS的计算机管理与控制也可以减少货物和信息处理过程中的差错。
1.4课题的设计内容
堆垛机是立体仓库的关键部件，责全部货物的入库承运作业，实现三个自由度的运动。
该系统通过传感器采集信号，PLC控制程序，可以实现对步进电机和直流电机较复杂的速度与位置控制规模。
在入库作业时，当检测传感器检测到零位平台上有货物，那么起动机械手，将零位平台上的货物放到指定的库位上。
在出库操作时，启动机械手，到达指定位置，将指定位置的货物取出放到零位平台。
机械手在执行每次的去放任务，都会自动回到零位，等待下一条指令。
论文中机械手可以进行三个维度的变化，就是可以进行前进、后退、上、下、左右的变化。
为了系统的安全在每个限位都装有超限位保护开关，每个库位都有检测装置，判断库位是否已有货物，禁止双重入库和空的取操作。
第2章系统的的硬件
2.1立体仓库系统作业单元的功能
系统采用滚珠丝杠、滑杠以及普通丝杠作为主要传动机构、点击采用步进电机和直流电机，其关键部分是机械手，它由水平移动、垂直移动、货台机构三部分组成，其水平和垂直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成，伸叉机构由一台直流电机来控制。
当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，直流电机驱动货台向前伸出可将货物取出或者送入，当取到货物货已送入，则货台向后缩回。
在此设计的立体仓库需要满足一下功能：
1机械手要有三个自由度，即：
前进、后退；
上、下；
左、右；
2机械手的运动由步进电机驱动；
3机械手前进（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行；
4机械手前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护；
5每个库位必须有检测装置（微动开关）。
6当按完库位号后，没按入或没取前，可以按手动取消该操作。
2.2可编程控制器（PLC）的简介
2.2.1可编程控制器的结构
各种PLC的组成结构基本相同，主要有CPU,电源，储存器和输入输出接口电路等组成。
1处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。
CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。
CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。
2PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。
系统存储器用于存放PLC的系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。
现在的PLC一般均采用可电擦除的E2PROM存储器来作为系统存储器和用户存储器
3PLC的输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU；
PLC的输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。
PLC的输入输出接口电路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路。
基本结构如图2.1
图2.1PLC结构
2.2.2可编程控制器的特点
1可靠性高，抗干扰能力强
2配套齐全，功能完善，适用性强
3易学易用，深受工程技术人员欢迎
4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
5体积小，重量轻，能耗低
6系统的设计安装和维修工作少，而且维修方便。
2.3采用PLC控制立体仓库的优点
PLC的应用非常广泛，例如电梯控制、防盗系统的控制、交通信号的控制、楼宇供水自动控制、喷水池自动控制、消防系统自动控、供电系统自动控制及各种生产流水线的自动控制等。
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。
按PLC编程功能可分为4大类开关顺序控制、通信功能、模拟量控制、运动控制。
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立体仓库系统作业单元控制
立体仓库库系统作业单元的控制图如图2.2所示。
构成PLC控制系统的主要电气硬件有控制立体仓库的Z轴的直流电动机，控制XY轴的步进电动机以及供给系统能源的直流开关电源，还有各种传感器，如系统中采用的反射式和对射式传感器以及微动开关（用来完成货物的检测以及限位保护）。
图2.2立体仓库库系统作业单元的控制图
2.5电气原理图的设计
根据以上的控制要求，得到如下电气原理图：
2.6立体仓库电气硬件的介绍与选择
2.6.1可编程控制器（PLC）
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
所以，权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的。
因此，工程设计选型和估算时，应当是要分析控制过程的特点、要求、范围。
然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，选择有较高性价比的PLC、设计相应的控制系统。
1.输入输出（I/O）点数的估算
在我们设计时，我们先对I/O点数估算，并且考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展，以此来确定我们所需要的PLC输入输出点数。
根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入40点，输出21点。
2．存储器容量的估算
存储器容量是指可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段,为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟量I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
因此本课题PLC内存容量选择应能存储5000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间
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控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。
（1）控制功能
PLC主要用于顺序逻辑控制，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，一方面要提高PLC的处理速度，另一方面节省存储器容量。
（2）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。
通过过软件对PLC内部的性能和功能进行的诊断是内诊断，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的诊断就是外诊断。
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）编程功能
离线编程方式：
PLC和编程器共用一个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。
完成编程之后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，就不能进行编程。
离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。
在本设计中选用的是此方式。
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中经常被采用。
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。
（4）机型选择
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥着强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
S7-200CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可以很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
本系统所采用的PLC是西门子S7-200CPU226DC24V,继电器输出。
2.6.2步进电动机
步进电机是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机，它的作用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或者线位移。
因此，步进电动机又称为脉冲电动机。
它可以实现信号变换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。
下面简单介绍步进电机的工作原理及其特点与选择。
（1）步进电机的工作原理
步进电机是数字控制系统中的执行电动机。
当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就会转动一步。
当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。
因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电机转子机械位移的大小；
改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电机电动机转子机械位移的方向，实现对位置的控制。
（1）步进电机的特点
位移与输入脉冲信号的信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单且具有一定精度的开环控制系统，也可以在需要更高精度时组成闭环控制系统速度可以在相当宽的范围内平滑调节。
易于起动、停止、正反转及变速，快速响应性能好。
具有自锁的能力。
当控制脉冲停止输入且让最后一个脉冲控制的绕组继续通电时，电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个控制脉冲所控制的角位移的终点位置上。
所以步进电机具有带电自锁能力。
步距角选择的范围大，可以在几十角分至180°
范围内进行选择。
在小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，可以不经减速器直接驱动负载。
电动机本身没有电刷、转子上没有绕组，也不需要位置传感器，可靠性高。
（2）步进电动机驱动系统的基本组成介绍
步进电动机是应用较早的一种机电一体化的产品，电机的本体与驱动器构成一个不可分割的有机整体，步进电动机的运行性能很大程度上取决于所使用的驱动控制器的类型。
指令
图2.3步进电机驱动控制器的构成
（3）步进电动机的选择
在选择步进电动机时，首先要考虑的是步进电动机的类型，其次才是具体的品种。
在该立体仓库控制系统中，、电流小、有定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，所以确定要求步进电动机的电压低步进电动机采用二相八拍混合式步进电动机。
八拍混合式步进电动机的主要特点是体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。
2.6.3步进电动机驱动器
（1）步进电动机的驱动器输入输出信号介绍
步进电动机的运行需要有电子装置进行驱动，这种装置就是步进电动机驱动器。
控制系统每发出一个脉冲信号，通过驱动器就使得步进电动机旋转一个步距角，也就是说，它把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电动机的角位移。
因此，步进电动机的转速与脉冲信号的频率成正比。
所有型号驱动器的输入信号都相同，它们是步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE（此端为低电平有效时，电动机处于无转矩状态；
此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电动机可以正常运行）。
它们在驱动器内部的接口电路都相同如图2-5所示。
该立体仓库中，由于提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，所以需要外部另加1.8KΩ的限流电阻R。
图2.4步电机内部的接口电路
（2）步进电动机驱动器选择
我们这里采用SH系列的步进电机驱动器，它主要由电源输入部分、信号输入部分、信号输出部分组成。
（3）步进电动机驱动器细分数和电动机电流设定
SH系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定细分数的，只需根据面板上的提示进行设定即可。
对于两相步进电动机，细分后电动机的步距角等于电动机整步步距角除以细分数。
细分后完全消除了电动机的低频振荡，而且提高了电动机的输出转矩和电动机的分辨率。
所以，采用细分驱动器只要改变细分数，就能改变步距角。
（4）步进电动机驱动器电源接口
对于超小型驱动器，采用一组DC24~40V供电。
因为PLC需要采用开关式稳压电源供电，所以该立体仓库中应该选用开关式稳压电源。
2.6.4传感器
（1）反射式传感器
工作原理：
当物体相对于传感器移动时，反射回来的信号和原来的信号进行对比，产生频移，然后集成电路放大微弱的频移信号。
经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后得到的是和物品移动信号相关的直流信号输出电平。
变调光试传感器内部结构2-5
在该立体仓库中采用反射式传感器作为货物检测装置，并采用能抗周围外来光干扰的变调光式。
采用变调光式，与直流光式相比，不易受外来光干扰的影响，其电源电压为DC5-24V的大量程电压输入型，带有容易调整的光轴标识，还带有动作确认的入光显示灯。
下面是反射式传感器的输出电路图：
图2.6反射式传感器的输出电路
（2）对射式传感器
对射式传感器的工作原理：
对射式传感器的输出状态一般是NPN输出，输出晶体管的动作状态可以分为：
入光时ON和遮光时ON两种。
入光时ON的对射式传感器的电路如图2-7所示。
当24V电压加到发光二级管VL时，它将光发射给光敏二级管VD，VD接收到光导通，于是晶体管导通，输出为ON。
当发光二极管VL发射出的光被物体挡住，使得光敏二级管接收不到时，VD不导通，则晶体管不导通，输出为OFF。
图2.7对射式传感器的电路
在该立体仓库控制系统中，采用8个对射式传感器作限位控制。
其中4个对射式光电传感器分别作为X轴Y轴的限位控制；
2个对射式光电传感器分别作为X轴Y轴的到位检测；
如果货架未到达正确位置，Z轴电动机将不能运行，以确保当PLC程序出错时也不会损坏设备；
2个对射式光电传感器作为Z轴的限位控制，此时遮光时输出晶体管ON。
2.6.5微动开关
该立体仓库控制系统中共有13个库位（四层十二个库位加0号库位）分别采用13个微动开关作为货物的检测装置，当有货物时相应开关动作；
为了保险起见，在X轴的左限位和Y轴的下限位处还安装了1个微动开关作限位保护，以确保立体仓库的安全。
2.6.6直流电动机
立体仓库采用直流电机作为Z轴的拖动元件。
直流电动机具有良好的起动性能，且能在宽广的范围内平滑、均匀地调速。
在自动控制系统中，小功率直流电动机的应用也很广泛。
本系统采用的直流电动机的输入电压为12-24V。
输入信号由PLC提供，输入电源由电源模块提供，输出信号驱动直流电动机。
2.6.7并联型开关稳压电源
并联式开关稳压电源的输出功率大、体积小、重量轻、可靠性高、适应变动宽范围的输入电压，具有完备的过电压过电流保护功能，内置输入EMI滤波器，具有较高的抗干扰能力。
在该立体仓库控制系统中，考虑到PLC和步进电动机驱动器都要求DC24V系统运行的可靠性和系统设计的规整性，我们选用并联式开关稳压电源。
3.7PLC输入输出分配
根据系统的要求，自动化立体仓库系统作业单元PLC的I/O分配如下表：
第3章系统的软件设计
3.1系统控制流程图
系统的电气设计中，电动机主要采用步进电动机和直流电动机，分别控制水平移动、垂直移动及货台的动作（即X轴Y轴Z轴）。
传感器采用对射式和反射式传感器以及微动开关，用于完成货物的检测和限
位保护等。
系统在机构设计上采用滚珠丝杠、滑轨和普通丝杠作为传动机构。
当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，货台向前伸出可将货物取出或取入，当取到货物或货已经送入时，铲叉缩回。
整个系统流程如图4.1所示
1）接通电源。
2）系统自检。
3）将功能开关置于自动位置。
4）执行送货指令。
a）选择欲送库位号，按动库位好对应按钮，控制面板上的数码管显示库位号。
b）按动送指令按钮，若被选择的库位已有货物，则该指令不被执行。
c）指令完成后，系统自动返回。
d）如果执行送入指令前，载货台上没有货物，则送指令也不被执行。
5）执行取货指令。
a）选择欲取的库位，按动库位号对应的按钮，控制面板上的数码管显示库位号。
b）按动“取”按钮，执行取操作。
如果载货台上有货物，则取指令不被执行。
d）如执行取出指令前，被选库位无货物，则取指令不被执行。
因此，该立体仓库系统的运行情况可归纳为：
当按下起动按钮后,许进行立体仓库允许的控制。
在正常的情况下，按下某一库位的按钮以及“取”或“送”按钮,统将进行相应的动作,时控制面板上的数码管显示相应的库位号。
而在紧急情况下，按下紧急按钮，货物送回原来的位置，只有当故障排除之后，才能重新运行。
工作流程如图3.1：
N
N
NYYN
YY
YY
NN
NN
YY
图3.1系统控制流程图
3.2系统程序的设计
3.2.1系统的控制要求
1）当选择开关置于自动位置时，系统复位到初始位置，各个轴回到原点。
2）执行入库指令。
①选择欲入库的库位号，按动库位号对应按钮，控制面板上的数码管显示库位号。
②按动K8按钮，起动入库操作，当载货台有货物时，起重机自动将货物送到指定的库位。
③若被选择库位内已有货物时，则该入库操作不被执行。
④完成入库操作之后，机械自动返回初始位置。
⑤载货台若无货物，则下一个入库操作将不被执行。
3）执行出库指令
①选择要出库的库位号，按动库位号对应按钮，控制面板上的数码管显示库位号。
②按动K8按钮，当载货台上有货物时，起重机不执行任何操作。
③如果被选择的库位内无货物时，则该出库操作不被执行。
④当按下K8按钮时，载物台上没有货物，且该库位内有货物时，起重机自动将货物从指定的库位转移到载货台上。
⑤完成出库操作后，机械手自动返回到初始位置。
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