基于PLC的立体仓库堆垛机控制系统设计毕业论文.docx
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基于PLC的立体仓库堆垛机控制系统设计毕业论文
基于PLC的立体仓库堆垛机控制系统设计毕业论文
1绪论
1.1自动化立体仓库的概述
在现代物流系统中，自动化立体仓库是一个重要的组成部分，它是一种新型的仓储技术。
自动化立体仓库又称为自动存储/检索系统（AutomatedStorage&RetrievalSystem，AS/RS）。
它是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工程。
它以高层货架为主要标志，配以成套的先进搬运设备，以先进的计算机控制技术为主要手段，由此组成高频率、大容量的科学存储，以适应现代化生产、物资交流和仓储的需求。
1.2堆垛机概述
堆垛机是自动化立体仓库系统的重要组成部分，它是整个系统的执行部件，存货时将货物从出入货台准确的存放到货位里，取货时将货物从货位中取回到出入货台。
无论何种类型的堆垛机，一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。
它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。
尽管各厂家各有独创，结构形式有些差异，但可以说小异，所有的堆垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成。
1.2.1堆垛机的发展
初期的立体仓库使用的堆垛机以桥式起重机为基础，这种堆垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架，利用门架的上下和旋转来搬运货物。
1960年左右在美国出现了巷道式堆垛机，随后巷道式堆垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式堆垛机。
1967年日本安装了高度10~15米的高层堆垛机，1969年出现了联机全自动化仓库，我国是在上世纪70年代初期开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。
目前的堆垛机技术取得了重大的发展，控制技术、定位精度、运行速度都得到了很大程度的提高。
巷道式堆垛机的起升速度已经可以达到90m/min，运行速度达到240m/min，在有的立体仓库中采用上、下两层分别用巷道堆垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力。
1.2.2堆垛机技术的研究现状
按现行机械行业标准，有轨巷道式堆垛机分类方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。
无论何种类型的堆垛机一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。
体现堆垛机动态性能优劣的指标主要有：
运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、认址精度等。
随着科学技术的不断进步，自动化立体仓库的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断提高。
例如，堆垛机的运行驱动己由20世纪70年代的子母电动机改为变频调速，速度由5-50m/min提升至4-160m/min，国外小载重量的堆垛机最高可达300m/min；提升驱动己由20世纪70年代的双速电动机改进为变频调速，速度由4-16m/min提升至0-25m/min；货叉运行也由单速电动机驱动改进为变频调速，速度由8m/min提升至4~35m/min；在堆垛机自动控制方面还采用闭环控制变频调速系统、Profibus总线控制等先进技术。
尽管如此，目前国产堆垛机的运行速度最高仍保持在160m/min；提升速度在0-80m/min；货叉速度一直保持在0-30m/min；认址采用光电探测，精度不足，认址差错率高。
1.3本设计主要研究容
由于堆垛机PLC控制程序对整个系统自动化程度和各项质量性能有着很重要的影响，因此根据堆剁机的自动控制需考虑其运行特点，并采用不同的编程方法。
本论文分为硬件部分和软件部分，但是由于软件对整个控制的重要性将会主要对软件部分进行阐述。
本论文分为硬件部分和软件部分，但是由于软件对整个控制的重要性将会主要对软件部分进行阐述。
当今社会“仓储”、“物流”等概念已经逐渐为广大公众所了解，其相应的管理技术也在许多大、中型企业中付诸实施。
计算机自控技术的飞速发展，为现代企业的物流管理提供了重要的技术支持。
智能立体仓库就是自控技术在物流管理上的一个很好的应用。
智能立体仓库不仅具有节省用地、减轻劳动强度、提高物流效率、降低储运损耗、减少流动资金积压等功能，而且在沟通物流信息、衔接产需、保证生产均衡、合理利用资源、进行科学储备与生产经营决策等方面发挥着独特的作用，使人们真正享受到现代计算机技术应用于企业物流管理的益处。
智能立体仓库是融计算机网络数据库管理技术、自动控制技术、通讯技术、机电技术为一体的综合系统，科技含量高，具有一定的复杂性。
堆垛机或称巷道车是智能立体仓库的主要存取设备，直接执行出、入库等任务的操作，因此其控制系统的灵活性、稳定性直接彰响着整个系统的运行状况。
PLC即可编程逻辑控制器，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置。
它具有可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。
据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。
1.4堆垛机技术的研究现状
按现行机械行业标准，有轨巷道式堆垛机分类方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。
无论何种类型的堆垛机一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。
体现堆垛机动态性能优劣的指标主要有：
运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、认址精度等。
随着科学技术的不断进步，自动化立体仓库的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断提高。
例如，堆垛机的运行驱动己由20世纪70年代的子母电动机改为变频调速，速度由5-50m/min提升至4-160m/min，国外小载重量的堆垛机最高可达300m/min；提升驱动己由20世纪70年代的双速电动机改进为变频调速，速度由4-16m/min提升至0-25m/min；货叉运行也由单速电动机驱动改进为变频调速，速度由8m/min提升至4-35m/min；在堆垛机自动控制方面还采用闭环控制变频调速系统、Profibus总线控制等先进技术。
尽管如此，目前国产堆垛机的运行速度最高仍保持在160m/min；提升速度在0-80m/min；货叉速度一直保持在0-30m/min；认址采用光电探测，精度不足，认址差错率高。
2系统总体设计
2.1控制技术要求和系统总体设计
本系统中堆垛机运行机构由水平运行的行走机构，垂直运行的起升机构及取送货的伸叉机构三部分组成。
水平部分运动电机和垂直部分运动电机分别采用1000W的三相交流异步电动机和1000W的三相交流异步电动机，由西门子S7-200PLC通过变频器进行控制。
伸叉机构电机采用两相混合式步进电机，由西门子S7-200通过步进电机驱动器进行控制。
根据设计要求将整个定位控制的全过程分成多个阶段：
小车前进到指定货架列的过程，将货物抬升到指定货架行的过程，机械手放置货物或者取得货物的过程，放置或者取得货物之后返回的过程。
在各个阶段，对象的特性相对稳定，并且小车在前进和抬升货物的过程控制方面是基本一致的。
下面对各个阶段进行简单的介绍：
1.小车前进的过程：
在这个过程中，处于自动或者手动控制状态的小车由起始点出发，经过位置的校对，到达预先指定的货架的列。
2.抬升货物的过程：
在这个过程中，货物被抬升到预先指定的货架的行。
3.存取货物的过程：
在这个过程中，通过控制机械手臂的运动，使机械手到达预先指定的位置。
然后根据实际的需要完成存放或者取得货物的操作。
4.返回过程：
在完成指定的操作之后，小车应该返回起始位置。
2.2位置定位
堆垛机要正确、可靠地存取货箱，准确地定位是其关键。
认址方法如图2.1：
在巷道地基上相对于每列货格安装一个固定的认址片（挡板），在堆垛机底部安装两个光电开关（GD1和GD2）随堆垛机一起前后运动，每经过一列货格，光电开关通过认址片发出一脉冲信号到PC，从而达到列认址的目的。
图2.2光电开关
同样在堆垛机立柱上相对于每一层安装一认址片可以达到层认址的目的。
当堆垛机达到目的货格时，既计数器的计数值为零时，发出停车信号使其停止运行。
由于堆垛机对其定位要求精度很高，为此把认址结构片做成右图所示的形式，用1号光电开关作为认址计数开关，计数到零时发出停车信号，然后再利用1号与2号开关作精确定位。
如果1、2号开关同时有信号，说明已停准；如果只2号开关有信号说明已超过，点动堆垛机回退，再检测比较；如果只1号开关有信号，说明还未到中心点，点动堆垛机前进，再检测比较。
这样就达到了准确定位的目的。
图2.1仓库整体布局平面示意图
1货架2弯道3堆垛机4出入库台
整个仓库设有四条巷道（带弯道）,每一巷道口均有一入库台和一出库台,八排货架,其中第1、4、5、8排有35列,而第2、3、6、7排有36列,两台堆剁机，具有入库、出库、拣选（库外拣选）、盘库四种作业方式。
2.3堆垛机的控制方式
本文堆垛机的控制方式有自动和手动控制。
1.手动方式通过堆垛机的转换开关及按钮控制堆垛机水平和提升运动及货叉伸缩。
同时运动速度也可以手动选择。
手动操作时，系统应给予相应的警示信号。
同时系统将解除大部分的保护控制。
手动操作主要用于安装、调试和排除故障。
2.单机自动用人机界面对堆垛机进行全自动的控制，控制系统根据用户输入的参数进行全自动的取送货动作。
界面操作时，应具备对货物的单送、单取操作。
人机界面应具备实时显示设备运行工况，故障及历史故障查询等功能。
堆垛机采用西门子公司的S7-200型PLC控制，与变频器结合对堆垛机进行变频调速。
3硬件设计
3.1硬件设计控制原理分析
堆垛机的信息显示、作业地址及指令的输入方法有很多种，一种方法是采用发光二极管来显示各种信息（如故障诊断代码等），采用拨码开关来输入作业地址。
此种方法原理简单，但是一旦原器件有损坏，如某个发光二极管损坏，显示的信息就不准；又由于采用拨码开关输入的地址值无法校验，拨码开关使用2-3年后，触点氧化，使电阻增加，工作电压较低（24V），导通电流小（7mA），这样触点电阻的变化，会直接影响拨码开关的可靠性，造成拨码开关拨的数值与PLC输入的数值不一致，堆垛机无法运行到目的地址。
此种方法直接影响了堆垛机的可靠运行，增大了堆垛机的后期保养、维修工作，因此目前此种方法已经很少有人采用。
另一种方法是采用键盘来输入作业地址、作业指令，用数字和符号来显示各种信息，输入的数值及指令马上可以显示出来，校对容易，对错一目了然。
编程器的显示器有二行共32位5X7的液晶点阵，可以显示数字、符号和字母；键盘按键有0-9、A-F等键可以使用，可以向小车输入作业地址（排、列和层）、作业指令（存、取最多二个作业）、操作方式（自动、手动）。
将键盘的0-9键定义为数字键，A-F定义为功能键，在输入作业指令、作业地址时显示器能马上显示出来，实现了简单的人—机对话，保证了输入的作业地址和作业指令的准确性，提高了堆垛机运行的可靠性。
这个方法使堆垛机的小车每通过一个位置就记录一个数，一直移动到和预定位置号一致时停止移动。
这个方法的特点是电路简单。
另外随着电子技术的发展，出现了众多优秀的PLC，用PLC来控制堆垛机是相当灵活方便的，可以在PLC的软件中加保护，即堆垛机每走过一个货格的时间超过或少于正常的时间围就报警。
这样就可以有效地避免计数出错，本例即采用此方法。
立体仓库能实现货物的自动存取功能，这就要小车在作水平、升降台做垂直运动时，能准确记忆堆垛的位置，即堆垛机的小车和升降台所在的列和层数，以实现货物的定位存取，本系统采取了非接触式反射型光电型传感器，自动检测货位的列和层数。
例如，随小车移动，反射式光电传感器每经过一列货架立柱时接收到一个反射信号，列值增加1，升降台每升高一层，层光电传感器使层值增1。
光电传感器的有效反射距离为30cm。
在自动存取货物时，货位的输入方法有微机键盘和BCD码拨盘开关两种形式输入，PLC在收到外部输入的货位层和列数层后，将此值作业层列计数器的预置值，用于实现货位的自动搜索控制。
3.2硬件设计PLC选型及其资源配置
计算机控制系统机型的选择：
根据实际的控制点数和系统需要实现的控制要求，在本例中选用了西门子S7-200系列的PLC作为控制系统。
按照控制点数来计算，可以选用CPU-224这个型号的CPU。
3.2.1PLC选型
S7-200系列的PLC，由于其具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的命令，使得S7-200系列可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决工业自动化问题时，具有很强的适应性。
S7-200CPU-224（扩展）系统分别对小车电机用变频器、机械手电机步进驱动模块进行自动控制，并对检测信号及外部输入数据和控制信号进行处理，实现了小车、机械手驱动、升降台提升及保护等控制的基本要求。
表3.1所示是CPU226的技术参数。
表3.1CPU224的技术参数
技术参数
说明
本机数字输入
14路数字量输入
本机数字输出
10路数字量输出
高速计数器（32位值）
6个高速计算器
脉冲输出
2个，20kHz脉冲速率
模拟电位器
1个，8位分辨率
时间中断
2个，1ms分辨率
边沿中断
4个上升沿和/或4个下降沿
3.3元器件的选型
3.3.1电动机的选择
堆垛机共用了三台电动机，有关技术参数如下表3.2。
表3.2电机的技术参数
符号
电机名称
规格
数量
M1
水平机构电动机
1100W
1
M2
垂直机构电动机
1100W
1
M3
伸叉机构电动机
1100W
1
电动机（Motors）的原理就是把电能转换成机械能的一种机械设备。
它是利用通电线圈即定子绕组，产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。
按使用的电源不同，电动机分为交流和直流两种形式，不过交流电机是电力系统中运用的最广泛的一种电动机，可以是同步电机或者是异步电机。
电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。
一般电动机的旋转运动为主要的作功部分，因此称其为转子电动机。
而作直线运动的直线电动机用的相对较少。
电动机能提供从毫瓦到万千瓦级的功率围，因此它能够满足于诸多不同的使用条件。
电动机的控制使用非常方便：
具有自起动、加速和反转等能力，各种运行要求都能够满足。
电动机效率高，即无尘无味，又不污染环境，所以由于它的这些优点，在工农业生产、交通、商业家电等各方面得到广泛应用。
（1）电动机的选用要求它的机械特性应满足生产机械提出的要求，要具有与它相符合的负载特性，因为这样可以保证电动机在生产过程之中工作的稳定，这种情况下电动机不但具有合理的调节转速的围，更是对电动机自身的起动和制动能力有着非常优良的作用。
（2）在设计的过程当中一般会对电动机的结构形式提出各种各样的要求，使得电动机能够更加对不同的工作环境的适应能力大为增加。
（3）根据电动机的不同的负载和不同的工作方式，以此来的正确选择电动机的容量。
电动机在工作的过程当中应当使它自身的容量得到充分的发挥，并且电动机的其温升与温升值相比，应该尽可能的接近或者是达到规定的温升值。
（4）电动机电压的选择应根据使用地点的电源电压来决定，常用的有380V、220V。
（5）在没有特殊要求的场合，一般采用交流电动机,仅在起动、制动和调速不满足要求时才选择直流电动机。
随着电力电子及控制技术的发展，交流调速装置的性能和成本已能与直流调速装置媲美，交流调速的应用围越来越广泛。
另外，在需要补偿电网功率因数及稳定工作时，应优先考虑采用同步电动机；在要求大的起动转矩和恒定功率调速时，常采用直流串级电动机。
（6）根据生产机械的功率负载和转矩负载选择电动机的额定功率。
本设计我选用Y系列电机，Y系列电机为笼型转子异步电动机。
该电动机的防护等级为IP44，冷却方法为IC411。
Y系列电动机具有高效、节能、噪声低、振动小、重量轻、性能可靠、安装维修方便等优点。
根据两台电动机的功率我选择合适的Y系列电动机型号如下表3.3。
表3.3电机的型号
符号
电机名称
规格
型号
额定电流
M1
水平机构电动机
1.1KW
Y90S-4
2.7A
M2
垂直机构电动机
1.1KW
Y90S-4
2.7A
M3
伸叉机构电动机
1.1KW
Y90S-4
2.7A
3.3.2接触器选择
交流接触器是一种自动控制电器可频繁接通和切断电路。
它的结构主要由触头系统、电磁机构、灭弧装置和其他部分等组成。
灭弧装置是用陶瓷制成的，盖在三个主触头上，使产生的电弧迅速熄灭，不外溅。
当线圈通电后，线圈中因有电流流过而产生磁场，静铁心在电磁力的作用下，克服弹簧的反作用力，将动铁心吸合，从而使动、静触头接触，主电路接通；而当线圈断电时，静铁心的电磁吸力消失，动铁心在弹簧的反作用力下复位，从而使动触头与静触头分离，切断主电路[9]。
交流接触器的型号选择
（1）选择接触器主触头的额定电压。
接触器的额定工作电流应不小于被控电路的最大工作电压。
（2）接触器的额定通断能力应大于通断时电路中的实际电流值；耐受过载电流能力应大于电路中最大工作过载电流值。
（3）应根据系统控制要求确定主触头和辅助触头的数量和类型，同时要注意其通断能力和其他额定参数。
（4）如果接触器用来控制电动机的频繁起动、正反转或反接制动时，应将接触器的主触头额定电流降低使用，通常可降低一个电流等级。
（5）选择接触器主触头的额定电流。
接触器的额定工作电流应不小于被控电路的最大工作电流。
对于电动机负载可按下列经验公式计算：
式中
→流过接触器主触点的电流（A）；
→电动机的额定功率（KW）；
→电动机的额定电压（V）；K→经验系数，一般取1~1.4。
（取k=1.2）
根据这公式算出各个电机负载列表3.4如下：
表3.4电机负载表
符号
电机名称
电动机负载电流
M1
水平机构电动机
2.4A
M2
垂直机构电动机
2.4A
M3
伸叉机构电动机
2.4A
选择的接触器的额定电流应该大于等于
。
我这里选择CJ20J系列永磁式交流接触器,常用于电机，保护过载等电路。
由于各个电机负载电流最大为
=2.4A。
因此我选择型号CJ20J10A交流接触器，它的额定电流为10A足可以满足控制要求。
3.3.3熔断器选择
熔断器串联在被保护电路中，负载电流流经熔体。
当电路正常工作时，熔断器允许通过熔体的额定电流，其熔体长期不化；当电路发生严重过载或短路时，将有很大的故障电流通过熔断器使熔断器的熔体发生熔断，从而切断电路，达到保护的目的。
当电路发生严重过载时，熔体在较短的时间熔化；当电路发生短路时，熔体能在瞬间熔化。
熔断器对过载保护不灵敏，主要作短路保护[7]。
熔断器主要由熔体、安装熔体的熔管和熔座三个部分组成。
熔断器主要有以下几种形式的分类：
按结构形式分类可分为半封闭插入式熔断器、无填料密闭管式熔断器、有填料封闭管式熔断器、快速熔断器和自复熔断器五类。
按使用对象分类可分为专职人员使用和非熟练人员使用两大类。
按工作类型分类可分为g和a两类。
g类即全围分段熔断器，a类即部分围分段熔断器。
按使用类别分类可分为G和M两类。
G类即一般用途熔断器，M类即电动机电路用熔断器[9]。
熔断器的型号选用
1.选择熔体的额定电流：
（1）对于日常生活及各种生产中的变压器和照明等不同类型的负载，额定电流的选择应该略微大于或者是等于负载中通过的电流，一边熔体能够正常工作；
（2）在日常生活及各种生产中的输电、配电线之中路，额定电流的选择应该略微地大于或者是等于线路中通过的安全电流；
（3）当作线路短路保护的情况下，电动机回路应该要考虑到电动机的不同地启动条件，此时熔体额定电流的选择应该按照电动机启动所需要的时间长短来进行判断。
并且应该选用a型熔断器来作为电动机的末端回路的保护熔断器，此时的额定电流In必须要略大于电动机所标示的额定电流才能使其在工作中不发生故障；
（4）一般情况下应该选用g型熔断器来作为电容补偿柜回路的保护熔断器，这种情况下熔断体的额定电流In应该在约等于1.8-2.5倍的线路计算电流。
但是熔断体的额定电流In可以约等于1-2.5倍的线路电流如果此时选用a型熔断器的话。
（5）通电线路中上、下级之间的电流选择性保护，上级熔断器的额定电流In应该等于或者是大于下级熔断器额定电流In的1.6倍，就能够避免扩大故障以及停电围当因不恰当操作或是其他意外情况时发生越级动作的时候。
（6）降容使用
如果在20℃的室温环境下，熔断体此时的实际工作电流最好不应超过自身的额定电流值。
并且在选用熔断体的时后要求人们该应考虑到熔断体的工作条件和工作环境，比如周围的封闭程度等等一些因素的影响。
熔断体实际生产工作时的使用会受到环境温度变化的影响因为熔断器熔体的电流承载能力的实验是在20℃的环境温度下进行的，所以在选用时这一因素应考虑在。
并且熔断器所在的环境温度越高，它工作时的温度就会越高，这就导致熔断器的寿命大为减短；当然相反的是，熔断体的寿命将会在较低的温度环境下运行而得到延长。
（7）在生活生产的配电线路当中，为了避免因为发生越级动作而导致扩大故障停电的围，一般情况下要求前一级熔体的额定电流要比后一级熔体的额定电流大2-3倍。
2.熔断器的选择：
（1）熔断器的额定电压：
应大于或等于实际电路的工作电压，即UN熔断器≥UN线路。
（2）熔断器的额定电流：
应大于熔体的额定电流，即IN熔断器≥IN线路。
（3）熔断器的额定分析分析能力：
指在规定的额定电压和功率因素（时间常数）的条件下，能分析的最大电流值它必须大于电路中可能出现的最大故障电流[7]。
3.类型的选择：
根据线路要求、使用场合、安装条件、和各类熔断器的使用围来选择。
电网配电一般选用刀型触头熔断器（如HDLRT0RT36系列）就可满足；电动机一般选用螺旋式熔断器进行保护；照明电路一般选用圆筒帽形熔断器则可；保护可控硅元件用半导体保护用快速式熔断器保护。
常用的熔断器有：
（a）RS3系列有填料快速熔断器；（b）RT10有填料管式熔断器；（c）变压器保护用高压限流熔断器；（d）电动机保护用高压限流熔断器；（e）RL1螺旋式熔断器；（f）RT14系列有填料封闭管式圆筒帽形熔断器；（g）RT16刀型触点熔断器。
本设计选用RL1系列螺旋式熔断器：
RL1系列螺旋式熔断器的主要技术参数如表3.5下：
表3.5RL1系列螺旋式熔断器的主要技术参数
熔断器型号
熔断器额定电流（A）
熔断体额定电流（A）
极限分段能力
RL1-15
15
2,4，5，6，10，15
KA
COSφ
RL1-60
60
20，25，30，35，40，50，60
25
0.35
RL1-100
100
60，80，100
50
0.25
RL1-
100，120，150，
50
0.25
熔断器在保护一台电机时考虑到启动电流的影响，按下式选择
式中
→电机额定电流（A）
熔断器在保护多台电机时，可按下公式选择
公式中
→容量最大的一台电机额定电流
→其余电动机额定电流的总和
FU1作为线路总的短路保护，熔断器
2*2.7+2.7=8.1（A）
则FU1选择型号RL1-15/10。
3.3.4热继电器选择
热继电器常用来对电动机进行过载保护、断相及电流不平衡运动的保护及其他电气设备发热状态的控制。
电动机在继电器可以根据过载电流的大小自动调整动作时间，具有反时限保护特性。
即过载电流大，动作时间短；过载电流小，动作时间长；当电动机的工
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