柔性制造教学实训系统自动化立体仓库设计与实现自动仓储组态毕业论文.docx

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柔性制造教学实训系统自动化立体仓库设计与实现自动仓储组态毕业论文

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毕业设计（论文）

题目:

柔性制造教学实训系统自动化立体仓库设计与实现

摘要

随着仓储业的发展，诸多问题随之而来，仓库占地面积太大、空间利用率不高、存取货物的不便。

在问题出现之后，人们发明了立体仓库，并逐渐形成演变为自动化立体仓库。

随着仓储水平的提高，自动仓储在仓储业中应用越来越广泛。

自动仓储的发展，在仓储业中迅速得到广泛应用，自动仓储有着很广阔的前景。

本设计主要利用组态王组态软件来模拟和实现自动仓储的工作原理以及工作流程，介绍西门子S7-200可编程控制器在自动仓储当中的应用。

实现PLC对自动化立体仓库进、出货的手动、自动控制，利用组态王组态软件制作人机界面，监控自动仓储控制系统的运行情况，从而实现监视与控制一体化。

自动仓储是物料搬运、仓储科学的一门综合科学技术工程。

它以高层立体货架为主要标志，以先进的计算机控制技术为主要手段，实现搬运、存取机械化、自动化。

它具有占地面积小、储存量大、周转快的优点，是集信息、存储、管理于一体的高技术密集型机电一体化产物。

自动仓储系统是在不直接进行人工处理的情况下能自动存储和取出物料的系统。

这个定义覆盖了不同复杂程度及规格的极为广泛的多样的系统。

自动仓储系统是由PLC进行管理和控制，不需人工搬运作业而实现收发作业的仓库。

本设计利用配备西门子S7-200PLC的自动立体仓库模拟装置，它是一个模拟在自动化生产过程中的仓储环节的微缩模型，使用S7-200可编程控制器、传感器、位置控制和电气传动等技术，实现货物的存取功能；同时利用组态王组态软件进行上位机监控。

它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。

它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。

组态软件也为仓库管理提供了可视化监控画面，有利于仓库管理人员实时现场监控。

它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

更好的完成系统的各项设计要求，为生产中的仓储环节提供有力保障，进而促进生产.

Abstract

Asthestorageindustry'sdevelopment,manyproblemsarise,thewarehouseareaistoolarge,Thespaceutilizationratioisnothigh,accesstogoodsinconvenience.Afteraproblemoccurs,peopleinventedthewarehouse,andgraduallyevolvedforautomaticstereoscopicwarehouse.Withthestoragelevel,automaticstorageinthestorageindustrymoreandmorewidelyapplied.

Thedevelopmentofautomaticwarehouse,inthestorageindustryrapidlyobtainsthewidespreadapplication,automatedstoragehasaverybroadprospects.Thisdesignmainlyusingconfigurationsoftwaretosimulateandrealizetheautomaticstorageoftheworkingprincipleandworkingprocess,introducesSiemensS7-200programmablecontrollerinautomaticstorageoftheapplication.Automaticwarehousingmaterialhandling,warehousingscienceisanintegratedscienceandtechnologyproject.Itmainlymarkedbyhigh-levelthree-dimensionalshelf,withadvancedcomputercontroltechnologyasthemainmeansoftransportation,realizethemechanization,automation,access.Ithassmallarea,largestoragecapacity,theadvantagesoftheturnoverisquick,isinformationstorage,management,Thisdefinitioncoversofdifferentcomplexityandvarietyofwidelyvariedsystem.

ThedesignusewithSiemensS7-200PLCautomaticstereoscopicwarehousesimulationdevice,whichisasimulatedintheautomationoftheproductionprocessinthestoragelinkminiaturemodels,usingtheS7-200programmablecontroller,sensor,positioncontrolandelectricaldrivetechnology,realizetheaccessofgoodsfunction;.Ithasstrongadaptability,goodopenness,easytoexpand,economy,theadvantagesofshortdevelopmentcycle.

第一章绪论

1.1本课题的目的及意义

随着仓储水平的提高，自动化立体仓库在仓储业中应用越来越广泛。

随着自动化立体仓库的出现，人们对仓储空间的利用率逐渐提高，改变了传统的仓储模式。

本次设计是用组态软件来模拟一个小型自动化立体仓库，来体现自动化立体仓库的便捷性、控制性。

它可以充分的利用原有空间；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.

1.2自动化立体仓库的历史及国内外现状

立体仓库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。

20世纪50年代初美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末至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，建立了第一座由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，并形成了专门的科学。

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。

据资料统计，日本目前已建成的自动化立体仓库物流系统已超过8000座.

   我国自动化立体仓库起步较晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机，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15m，机械部起重所负责，该库1980年投入运行。

随着社会生产水平的提高，成产规模的扩大，现如今我国的自动化立体仓库犹如雨后春笋般的在各企业建立起来。

2007年，我国自动化立体仓库建设总量与2006年基本持平。

据不完全统计，全国共建成自动化立体仓库50余座，总产值在7亿人民币左右。

用户主要集中在医药生产、医药配送、食品、烟草生产及烟草配送、制造业、服装加工等行业领域。

1.3自动化立体仓库的优越性

随着生活水平的提高，生产力的提高，现代物流业逐渐显现出快速增长的趋势，传统的仓储模式已经不能满足巨大的货存，所以立体仓库就显示出它的功效。

横移式自动化立体仓库是现代物流发展的重要组成部分，它可以充分的利用原有空间；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。

可以更好的为人们所用。

1.4论文的主要内容

本次设计主要综合了大学三年所学的专业知识灵活运用在组态软件中，来监控升降横移式自动化立体仓库的运动方式和工作原理。

对自动化立体仓库做一个全面的介绍。

此次设计主要以组态软件仿真为主，并理论介绍自动化立体仓库的工作原理和工作流程，用组态软件来监控升降横移式自动化立体仓库的运动方式。

该立体仓库主体由底盘，四层十二仓库库体，运动机械及电气控制等四部分组成。

机械部分采用滚珠丝杠，滑缸，普通丝杠等机械元件组成，采用步进电机作为拖动元件。

该控制系统主要有西门子公司生产的S7-200型可编程序控制器（PLC），步进电动机驱动电源块，开关电源，位置传感器等器件组成。

小型立体仓库的电气控制系统由PLC来实现，控制系统分手动和自动两种方式。

此系统实现的功能主要有：

取（由零位出发到指定仓位号取货并送到入货台）在执行完任务后自动返回到零位等待下一指令。

立体仓库应具备的功能主要有几下几点：

1.开机时首先要回零位操作，这样的目的就是给堆垛机有个工作参考点；

2.堆垛机（机械手）要有三个自由度：

前进，后退，上，下，左，右；

3.堆垛机的运动由步进电机驱动，伸缩由直流电机控制；

4.堆垛机前进（后退）运动和上（下）运动可同时进行；

5.仓位共有12个，4行3列；

本设计的主要思路是:

1.查阅PLC以及步进电动机相关资料，对设计中所用的西门子S7-200系列PLC和步进电动机进行熟悉和掌握；

2.从立体仓库的基本结构和所实现的功能入手，通过分析I/O地址分配和利用PLC进行较复杂的位置控制及时掌握时序逻辑控制要求，再根据实际应用的情形进行PLC程序的编制和调试，以达到对自动化立体仓库所要求实现的功能。

3.通过组态王软件实现对仓库信息的实时监控。

第二章自动化立体仓库系统概述

2.1自动化立体仓库的硬件组成

自动化立体仓库由多部分组成

图2-1自动化立体仓库

 1）高层货架

   它是自动化立体仓库系统实现货物立体存放的主要支撑结构，作为仓库不可或缺的组成部分，其性能直接影响仓库及其设备的使用。

目前高层货架主要有焊接式和组合式两种形式。

2）堆垛机

  它是用于自动搬运、存取货物的设备。

有轨堆垛机通过安全滑触线供电，在巷道内进行水平往复直线、垂直升降、货叉左右伸缩叉取等一系列协调动作，实现存储单元货物指定货位间的出、入库作业。

按结构形式它可分为支柱和双立柱两种基本形式；按服务方式可分为直道、弯道和转移车3种基本形式。

　它是立体库的主要外围设备，负责将货物运送到巷道端口或从巷道端口将货物移走。

常见的有辊道输送机、链条输送机、升降台、分配车提升机、皮带机等。

3）自动控制系统

  驱动自动化立体仓库各个设备的自动控制系统。

该系统作为完整的系统独立运行外还预留和上级管理系统及仓库内部其他管理系统的接口。

目前，立体仓库自动控制系统方式有集中控制、分离式控制和分布式控制3种。

2.2自动化立体仓库的工作原理

自动化立体仓库是一种比较典型的跨学科机电一体化产品，集机械、电子、信息技术于一体。

其中，电子技术、信息技术和传感技术的合理运用与组合构成了仓库的控制系统。

自动化立体仓库的控制系统是整个自动化仓库系统的重要组成部分，也是仓库系统的核心。

执行机构是“四肢”，框架是“区体”，那么控制系统就是“大脑”。

它指挥着仓库的每个运作过程，并对整个系统的状态过程进行监控。

图2-1自动化仓库系统控制原理框图

自动化仓库的系统控制原理:

操作者（人）要通过控制系统信息交流的平台（界面）把操作信息传送给控制系统，经系统处理后，系统把可识别的控制信息通过辅助设备驱动执行结构，来完成仓库现场的运作。

其系统控制原理框图，如图2.2所示。

接口在仓库的控制系统中是必不可少。

接口是驱动单元与控制核心单元以及执行部件与驱动单元间的连接点。

接口电路大致有三种：

开关量接口电路、数字量接口电路和模拟量输入/输出接口电路。

自动化仓库控制系统应用的接口电路为开关量接口电路。

界面是操作人员与车库控制核心单元交流信心的平台。

操作人员可以通过界面向仓库系统发送动作意图，仓库系统可以向操作人员反馈系统运作状况。

简单的界面可以是一个操作盒，而复杂的界面可以为利用微机通过运用专用的应用软件建立的人机界面。

自动化仓库系统的具体组成，要根据具体的控制形式而定，其组成形式也很灵活多样。

2.3自动化立体仓库的主要控制方式

自动化立体仓库在控制方式上主要有联机自动控制（即上位机控制）、自动控制（即本机自动）、半自动控制及手动控制四种。

本设计中自动化立体仓库主要采用手动控制方式，此方法是由控制按钮和限位开关控制堆垛机、升降台、传送带运行至指定库位，执行预定任务,通过手动控制按钮可以方便的查询库位是否已存货物,大大的节省了立体仓库的成本,手动控制立体仓库适用于小型的自动化立体仓库,适于发展型地区广泛使.

第三章PLC控制系统

3.1系统组成

PLC系统由CPU板，I/O板，显示面板，内存块，电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

1.CPU的模块：

CPU是PLC的核心，其神经中枢的作用，它按PLC的系统程序赋予的功能接受并存贮用户程序和数据，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

2.I/0模块：

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分完成的。

其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器的状态。

输入模块将电信号换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

3.电源模块：

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220V或110V）,直流电源（常用的为24v）

3.2PLC可编程控制器的输入输出接口

本设计中主要包含17个输入口，6个输出口。

输入口分别为上位机中的按钮A、B、C、D、1、2、3、限位开关1、2、3、4、11、12、13，启动、停止、复位。

输出口为电动机1、2、3。

图3-1PLC的接线图

第四章MCGS5.5组态软件系统概述

4.1组态软件的主要特点

　组态软件，又称组态监控软件系统软件。

译自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition（数据采集与监视控制）。

它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。

它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

　　组态（Configuration）为模块化任意组合。

组态软件主要特点：

（1）延续性和可扩充性。

用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；

（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；

　　（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。

MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分。

用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。

用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。

运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。

运行环境本身没有任何意义，必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。

一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。

组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如图所示：

图4-1MCGS组态环境与运行环境的关系

由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，如图所示：

图4-2MCGS的构成

窗口是屏幕中的一块空间，是一个“容器”，直接提供给用户使用。

在窗口内，用户可以放置不同的构件，创建图形对象并调整画面的布局，组态配置不同的参数以完成不同的功能。

在MCGS的单机版中，每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口，但可以有多个用户窗口和多个运行策略，实时数据库中也可以有多个数据对象。

MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形面，组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据进行可视化处理。

一个应用系统由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分组成。

组态工作开始时，系统只为用户搭建了一个能够独立运行的空框架提供了丰富的动画部件与功能部件。

如果要完成一个实际的应用系统，则要完成以下工作:

首先，像搭积木一样，在组态环境中用系统提供的或用户扩展的构件构造应用系统，配置各种参数，形成一个有丰富功能可实际应用的工程。

其次，用户对构件的系统进行脚本的设置，使其达到用户要求的功能。

最后，把组态环境中的组态结果提交给运行环境。

运行环境和组态结果一起就构成了用户自己的应用系统。

在工程控制中使用MCGS组态软件的仿真使技术人员避开了复杂的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身。

另一方面，从管理的角度来看，用组态软件开发的系统具有与Windows一致的图形化操作界面，非常便于生产的组织与管理。

4.2组态软件的主要功能

组态软件主要用于显示静态图像，位图构建不仅可以显示标准的Windows位图文件，还增加了允许装载其他各种格式图片的功能。

组态软件有强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，是用户能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。

用户可以通过搭建组态软件来和现场情况实现对接，从而通过计算机了解现场的一切情况，也可以通过组态软件来模拟理想的现场状况，用户可以通过组态软件实现很多不能模拟的变量。

图4-3组态静态图像

4.3组态软件的应用

随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用.在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同新手进行源程序的修改相当困难。

通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

第五章用组态软件模拟升降横移式自动化立体仓库

5.1组态软件中的主要组成部分

本设计中,组态软件为重要组成部分,在本设计中主要通过组态软件来实现自动化仓储单元的工作原理及作业流程,其中组态软件中的主要组成元件为

5.1.1按钮

1）按钮A、B、C、D代表每个库位的行走路线,从而达到堆垛机的X轴位置控制。

2）按钮1、2、3代表层货架的层次数,来控制堆垛机上升降台上下行走位置,使之可以准确地行驶到预定的货位前。

3）启动/停止按钮来控制整个系统的开启与关闭,当启动时,各个部件待命,准备执行预定任务.当系统关闭时,堆垛机复位,系统停止运动。

4）按钮的动画连接（以按钮A为例）

a.双击按钮A，弹出“单元属性设置”窗口。

b.单击“动画连接”选项卡，进入该项，如图所示

图5-1按钮的动画连接

c.单击“组合图符”，出现“？

”和“>”按钮。

d.单击“>”按钮，弹出“动画组态属性设置”窗口。

单击“属性设置”选项卡，

进入该页，如图所示

图5-2动态属性设置

e.选中“填充颜色”然后单击“填充颜色”，进入该页。

f.在“表达式”一栏，单击“？

”按钮，弹出当前用户定义的所有数据对象列表，双击“按钮A”最后单击“确认”按钮，退出“填充颜色”设置页。

g.选中“按钮动作”按钮，单击进入该页面，选中“数据对象操作”选择“取反”单击“？

”弹出当前用户定义的所有数据对象列表，双击“按钮A”如图所示；

图5-3按钮基本属性设置图5-4基本属性设置

h.单击“保存”按钮

5.1.2工作指示灯

当按下启动按钮，工作指示灯就会变成绿色，如图所示

图5-5按下“启动按钮”前图5-6按下“启动按钮”后

1）工作指示灯的动画连接

a.双击“工作指示灯”，弹出“单元属性设置”窗口。

b.单击“动画连接”选项卡，进入该项

图5-7工作指示灯的动画连接

c.选择“填充颜色”和“可见度”在“表达式”一栏里输入“工作指示灯”最后单击“确认”按钮。

图5-8基本属性设置图5-9基本属性设置

d.单击“保存”按钮，完成设置。

5.1.3堆垛机，托盘，电动机

1）托盘：

用来存放货物的工具，通过传送带将其移至指定的库位内。

2）堆垛机：

由堆垛机、升降台、传送带、两个电动机组成，用来将货物放至指定的货位内。

3）电动机：

画面中有三个电动机，分别控制堆垛机、升降台、传送带的运行，通过按钮控制三个电动机正反转使堆垛机、升降台、传动带运动达到指定的库位。

当水平移至货位时电动机正转使堆垛机达到指定库位，当复位时电动机反转，通过堆垛机的丝杠使堆垛机反向移动至初始位置。

4）堆垛机的动画连接

a.双击“堆垛机”，弹出“单元属性设置”窗口。

b.单击“动画连接”选项卡，进入该项如图所示：

图5-10单元设置属性

c.单击“>”按钮，弹出“动画组态属性设置”窗口。

单击“属性设置”选项卡，

进入该页，选中“水平移动”

d.选择“水平移动”在“表达式”一栏里输入“水平移动量”最后单击“确认”按钮。

图5-11静态属性图5-12水平移动量的设置

e.单击“保存”按钮，完成设置。

5.1.4工件，装载工件，货架

1）工件：

放在货架上一共12个，分别为A1,B1,C1,;A2,B2,C2,;

A3，B3，C3，;A4,B4,C4,

2）货架：

用来存放货物的平台，仓库货架为框架式，通过托盘将货物放入指定库位。

3）装载工件：

放在托盘上的工件，在堆垛机启动运行，托盘把物件送到货架，充当于工件。

4）装载工件的动画连接

a.双击“装载工件”，弹出“单元属性设置”窗口。

b.单击“动