堆垛机控制系统的研究基于PLC的自动化立体仓库巷道最终.docx
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堆垛机控制系统的研究基于PLC的自动化立体仓库巷道最终
基于PLC的自动化立体仓库巷道
堆垛机控制系统的研究
基于PLC的自动化立体仓库巷道堆垛机
控制系统的研究
摘要
自动化立体仓库堆垛机控制方案设计是自动化立体仓库设计的主要部分。
该课题详细探讨了堆垛机控制方案设计过程。
其控制系统主要包括货叉控制、定位控制与速度控制等部分。
该课题以广西中烟工业有限责任公司中的自动化立体仓库为基础，阐述了自动化立体仓库的概念与特点，堆垛机的分类与功能，构成与原理、CraneBOX应用的意义等。
本课题主要分析的是自动化立体仓库堆垛机部分，通过堆垛机的电气控制，来实现堆垛机的功能要求。
该控制方案结合了变频器和PLC控制技术，还采用了认址片的组合、激光测距器、光电传感器以及旋转编码器等技术。
广西中烟工业有限责任公司的自动化立体仓库中已经投入运行近1年。
该控制系统运行稳定，可靠性高，实现了预期的功能。
关键词：
自动化立体仓库堆垛机PLC
THECONTROLSYSTEMSTUDYINROADWAYSTACKER
OFAUTOMATEDSTORAGEBASEDONPLC
ABSTRACT
ThestackerofAutomatedStorage&RetrievalcontrolschemedesignisAutomatedStorage&Retrievaldesignofthemainparts.Thistopicdiscussedindetailthestack-cranecontrolschemedesignprocess.Mainlydiscussedthedesignandstackercontroldesignofunloading,studiedthethreeagenciesstack-cranespeedandpositionoftestandcontrolsystemdesign.
InthissubjectChinaTobaccoGuangxiIndustrialCo.LtdbasedtheAutomatedStorage&Retrieval,expoundstheconceptoftheAutomatedStorage&Retrievalwithcharacteristics,stackersclassificationandfunction,structureandprinciple,thesignificanceofCraneBOXapplicationetc.Thissubjectmainlyanalyzedisautomatedmulti-layeredstorehousestackerpart,passstackerelectricalcomponent,tostudystackerfunctionalrequirements.Instackerpositioncontrol,accordingtothePLCandtransducer,usingphotoelectricsensorsencoderunitingchipandrotarylaserrangefindertoidentifythesitedesignStackerpositioncontrolprogram.
ChinaTobaccoGuangxiIndustrialCo.LtdfortheAutomatedStorage&Retrievalputintooperationinrecentyears.Practiceshowsthatthesystemcontrolsafeandreliable,datatransmissionofreal-timeaccurate,thesystemrunsstably,monitorreal-timeeffective,faultjudgingandaccuratepositioningandfriendlyinterface,improveworkefficiencyandachievetheexpectedfunctionrequirement,hastheverygooduseandpopularizevalue.
KEYWORDS:
theAutomatedStorage；Stacker；PLC
目录
第一章绪论1
1.1自动化立体仓库概述1
1.1.1自动化立体仓库系统的构成1
1.1.2自动化立体仓库的优点2
1.1.3自动化立体仓库的发展3
1.2堆垛机概述3
1.2.1堆垛机的分类3
1.2.2堆垛机的结构3
1.3堆垛机技术的发展5
1.3.1有轨巷道堆垛机5
1.3.2堆垛机的技术现状5
1.4本课题的来源5
1.5课题主要研究内容6
第二章堆垛机系统控制总体方案7
2.1堆垛机控制系统7
2.2堆垛机控制系统的功能要求7
2.3堆垛机的电气控制方案8
2.4系统主控制器的选择方案设计8
2.4.1PLC概述9
2.4.2PLC的主要特点9
2.4.3PLC控制系统的类型选择10
2.4.4本课题PLC系统配置10
2.4.5输入输出点分配11
2.4.6输入输出点间的逻辑关系12
第三章堆垛机控制系统设计14
3.1输送系统14
3.2堆垛机的速度控制15
3.2.1变频器15
3.2.2堆垛机调速原理16
3.3堆垛机的定位控制方案17
3.3.1限位开关定位方法17
3.3.2位置的定位方法18
3.3.3认址方式的选择20
3.3.4货叉的定位控制20
3.4货架状态检测21
3.5载货台的安全检测与报警22
3.5.1载货台的安全检测设计22
3.5.2载货台系统的报警23
3.6堆垛机的通信24
3.6.1通讯方式选择24
3.6.2红外通讯基本协议24
3.7安全保护装置25
3.8本章小结26
第四章货位管理与出入库调度优化27
4.1货位管理27
4.1.1货物存储模式27
4.1.2货位分配原则28
4.2货位分配的数学模型28
4.3出入库作业调度优化30
4.3.1作业调度方式31
4.3.2作业调度的原则31
4.3.3作业调度周期32
4.4本章小结34
第五章堆垛机PLC程序的设计35
5.1堆垛机主程序流程图35
5.2堆垛机自检和复位/归位程序流程图36
5.2.1堆垛机自检程序流程图37
5.2.2堆垛机复位/归位程序流程图37
5.3堆垛机工作方式38
5.4自动方式下的堆垛机运行控制40
5.4.1自动取货PLC程序流程图40
5.4.2自动送货PLC程序流程图40
5.5手动方式下堆跺机运行控制41
5.6本章小结43
第六章堆垛机控制系统软件44
6.1控制系统网络结构44
6.2系统软件44
6.3用户界面45
6.4View信息46
6.4.1Status-状态47
6.4.2CraneBOX--Host的状态47
6.4.3堆垛机状态48
6.4.4Mimic--堆垛机视图48
6.4.5输入信号49
6.4.6输出信号49
6.5通讯设置50
6.6日志文件对话框50
6.7任务记录51
6.8出错记录51
6.9主机记录52
6.10堆垛机记录52
6.11数据库清单53
6.12本章小结54
第七章总结与展望55
7.1总结55
7.2展望55
致谢56
参考文献57
在学期间发表的学术论文与研究成果59
第一章绪论
1.1自动化立体仓库概述
图1-1立体仓库示意图
Fig.1-1theSchematicofthree-dimensionalwarehouse
自动化立体仓库（AutomatedStorageandRetrievalSystem）简称AS/RS（如图1-1），是物流仓储系统的一种重要形式。
它利用具有一定高度的立体货架来存储货物，使用PC机来监管控制。
这种多层立体仓库存储系统，能够在不直接进行人工处理的情况下实现物料的自动检索和自动存取。
自动化立体仓库空间利用率高、出入库能力强，是先进的物流系统和仓储技术的基础。
它已经越来越受到企业的重视，并广泛运用在各个行业中。
因此，建立自动化立体仓库系统已成为现代化企业的重要标志之一。
1.1.1自动化立体仓库系统的构成
自动化立体仓库是机械和电气相结合的产物，其中电气控制部分又分强电控制和弱电控制。
自动化立体仓库系统主要由控制和管理系统、仓储系统、存取系统和输送系统等部分组成。
1.仓储系统
仓储系统主要由仓库的货位组成，货位按照排、列、层组合构成立体仓库的存储系统。
立体仓库的货架的机械结构主要有整体式、分离式和柜式三种。
其中货架的形式又有重力货架、拣选货架、单元货架和活动货架四种。
按高度形式可以分成高层货架（12米以上）、中层货架（5-12米）、底层货架（5米以下）。
国外的自动化立体仓库的货物存储系统的自动化水平已经非常先进。
利用自动识别技术对货物进行存储，在货架的货位上贴上各种条形码的标签，在对货物进行存储时通过扫描器扫描，提高货物存储系统的精度。
2.存取系统
自动化立体仓库的存取，在一定程度上对货物的周转存在一定的影响。
存取装置应能高空作业，可以手动与自动运行。
自动化立体仓库中通常使用堆垛机存取货物，它分有轨和无轨两种。
现在用得最多的是有轨的巷道堆垛机，它能实现三维的运动功能，既能在货位上取出货物也能把货物准确放进货位中。
3.输送系统
自动化立体仓库中的货物输送装置一般有自动导引小车和传送带等装置。
一般用得最多的是自动导引小车。
自动导引小车是装有电磁或者光学导引装置的运输车辆，能根据设定好的路线运行，将货物运送到指定位置。
现在的自动导引小车不仅能将货物运送到指定的位置，还可以自动识别、自动寻找路径和自动排除故障。
4.控制和管理系统
自动化立体仓库有很多种控制方式，可以根据不同的要求采取不同的方式。
有单机控制，也可以各台联网控制，还有分布式控制方式。
其控制系统主要都由PLC组成。
管理计算机负责立体仓库管理功能，它的功能主要包括盘货管理、出入库管理。
另外，可以查询及打印立体仓库的经济指标、技术分析以及分析计算等多种功能，能实现在线和离线两种管理方式。
中央控制计算机是立体仓库的核心，是立体仓库的中枢。
它能协调管理输送机、堆垛机和计算机之间的联系。
它控制整个立体仓库的运行，并能监视现场设备的状态和运行情况，实时掌握货物流向，提示收发货的状态。
他不仅能够保持与各设备之间的通信联系，还有故障自检和故障查询显示的功能。
1.1.2自动化立体仓库的优点
自动化立体仓库与普通仓库相比有以下三个优点：
1.高层货架存储
立体仓库货架有向高层的发展趋势。
这样可以节省面积，而且有防腐作用。
2.自动存储货物
自动存取能提高生产率，而且使物流更方便。
3.计算机控制与监管
自动化立体仓库通过对各种信息的存储与管理，减少存储货物和存取货物时的差错。
可以与企业的生产信息相结合，促进企业的科学管理，减少浪费，保证企业能有效地进行生产[2]。
1.1.3自动化立体仓库的发展
20世纪50年代末60年代初，出现了带司机室的巷道式立体仓库。
随后，美国首次开发出了用计算机控制的立体仓库。
60年代后期，日本的自动化仓库技术发展迅猛。
1963年，首台桥式堆垛机开发成功。
由计算机技术实现的立体仓库1973年后在我国也开始出现。
1.2堆垛机概述
1.2.1堆垛机的分类
堆垛机有多种分类方式[2]。
按高度：
高层、中层与低层。
低层型起升高度为5米以下。
中层型起升高度为5-12米。
高层型起升高度为12米以上。
按有无导轨：
有轨机、无轨机。
按驱动方式：
上部驱动、下部驱动及上下部相结合。
按用途：
桥式、巷道式。
按自动化程度：
手动、半自动、自动。
主要是以有无司机室来区分。
1.2.2堆垛机的结构
其结构主要包含货叉、载货台、机架和机载控制柜等部分。
还有其他电气设备和联锁保护机构辅助构成，其结构如图1-2所示。
1-起升机构2-机载控制柜3-运行机构4-货叉5-载货台6-机架
图1-2堆垛机结构
Fig.1-2Structureofstacker
1．起升机构
堆垛机的起升机构的作用是使载货台能够上、下运行，主要包括减速机、卷筒、钢丝等。
采用变频器为速度控制器，以编码器和光电开关来认址。
2．运行机构
运行机构包括三部分：
减速机、下横梁和车轮。
其主要采用三相交流电机，以变频器控制速度，用激光测距仪和光电开关作为认址方式。
3．货叉
货叉是堆垛机的主要工作机构。
它能够双向伸出，而且能与堆垛机一起运行。
这要求货叉完全伸出的长度为其两倍以上，而收回后的长度应尽量小。
其认址方式为接近开关。
4．机架及载货台
机架由横梁及立柱组成。
它们之间用法兰盘联结。
机架的作用是承受和传递堆垛机所负担的机构和货物的重量。
机架的结构应该满足堆垛机启停、制动等要求。
载货台是货物的承载装置。
它配备有导向装置，可以在货叉存取货物时防止倾斜。
另外还能够防止载货台摆动。
1.3堆垛机技术的发展
早期的堆垛机主要是桥式起重机。
它主要是通过起重机横梁上的门架搬放货物。
上个世纪六十年代，美国发明了无梁的巷道堆垛机。
它有两个导轨：
地面导轨和货架导轨。
一个用来行走，另一个用以防止倾倒。
60年代末日本又有了高层堆垛机和自动化仓库。
几年后又建成了全球第一座可以达到零下40℃自动化冷藏库。
由此，巷道堆垛机开始逐步取代以前的桥式机[17]。
1.3.1有轨巷道堆垛机
有轨的巷道式堆垛机目前的应用最为广泛[2]。
它提升了作业高度，还能提高仓库利用率。
其货叉可以自由伸缩，在窄巷道中能够继续工作。
它采用自动控制系统，运行快，效率高。
巷道堆垛机可以远程监控，自动化管理程度高。
其工作原理是由行走电机通过驱动轴实现沿导轨的水平运动，由提升电机带动载货台做垂直的升降运动，载货台的货叉作伸缩运动。
通过三维的动作对货物进行存储。
堆垛机上安装的认址器和传感器可以对货架精确定位。
1.3.2堆垛机的技术现状
由于技术的进步，立体仓库的动态性能越来越好[17]。
堆垛机的行进驱动、提升驱动和货叉驱动都已经采用了变频调速技术，速度大幅提升。
另外还大量使用了闭环控制与Profibus总线等先进方式[17]。
目前我国国产的堆垛机普遍采用光电探测认址，差错率很高，而且精度不足。
过长堆垛机运行最高的速度约为160m/min；提升速度范围在0-80m/min；货叉速度保持为0-30m/min的范围。
随堆垛机技术的进步，其实用性和安全性日益受到重视。
更高定位精度、更加安全可靠、更高运行速度的堆垛机将会不断出现。
不仅我国堆垛机的生产能力会大幅提高，而且生产周期会大大缩短，使我国的有轨巷道堆垛机技术发展到一个全新的阶段。
1.4本课题的来源
本课题来源是广西中烟工业有限责任公司自动化立体仓库的建设项目。
1．广西中烟工业有限责任公司南宁卷烟分厂之前的原料配方物流现状主要有以下几方面的问题：
（1）占地面积大；
（2）出库困难；
（3）效率低、工作量大；
（4）出错率高。
2．广西中烟工业有限责任公司启动自动化立体仓库项目的意义：
（1）自动堆垛机代替人工作业，快捷好省。
降低了工人的工作强度，改善了工人的工作环境。
（2）计算机信息化管理更加科学、可靠，出错少。
（3）分拣与出入库操作更加便捷。
（4）节省了人力和资金，提高了效率。
1.5课题主要研究内容
本文通过出入库的基本原则，基于PLC对堆垛机的多种工作方式进行控制，运用计算机技术、自动控制技术、通讯技术等对自动化立体仓库进行设计。
本文主要内容结构主要有以下几个方面：
（1）介绍自动化立体仓库的基本概念和组成，简要描述国内发自动化立体仓库的历史和发展方向。
（2）介绍堆垛机的构成，并对堆垛机的电气控制作为本课题的主要研究内容。
（3）介绍堆垛机控制系统的硬件组成，包括西门子PLC、SEW变频器和各种光电传感器、旋转编码器、激光测距器的介绍，以及这些设备的选型及性能介绍，并详细说明硬件的设置位置。
（4）介绍堆垛机PLC程序的设计，写出流程图，阐述PLC主要输入输出点的逻辑关系。
（5）介绍堆垛机控制系统CraneBOX软件，阐述明白CraneBOX软件对堆垛机的重要性。
第二章堆垛机系统控制总体方案
本章主要对堆垛机的系统控制方案进行总体设计。
2.1堆垛机控制系统
广西中烟工业有限责任公司的自动化立体仓库中有两台堆垛机，在控制系统方面，可分图2-1中的四级。
自动化立体仓库由一台PLC进行控制管理，由PLC控制货物的存取操作，并对货物的位置进行管理调度，使货物存储有序进行。
图2-1为堆垛机控制系统。
图2-1堆垛机控制系统
Fig.2-1Controlsystemofstacker
该控制系统正常运行时为自动控制方式，当通讯故障时，则采用半自动控制。
1.手动控制方式
在此工作模式下，将行走、升降和伸缩动作的开关置于要求的位置，堆垛机将一步一步进行相应操作。
也可以通过按钮对运动速度进行调整。
手动操作一般用于调整、安装和紧急情况下进行。
2.半自动控制方式
在此工作模式下，操作员会根据控制的要求，在控制界面上输入参数，从而控制系统动作。
3.自动控制方式
此种模式下，上位监控系统发出作业命令到输送机系统上，再由网络传输到输送机系统，由PLC进行数据分析，进而控制堆垛机自动完成操作。
同时堆垛机上的PLC及时将堆垛机的运行状态返回监控机，监控机通过监视器显示堆垛机的工作状态。
2.2堆垛机控制系统的功能要求
本方案自动化立体仓库主要有以下功能[17]：
1.速度控制：
可以根据需要控制运行速度。
2.定位控制：
有一定的停准精度要求。
3.货叉控制：
能准确取货且可以调速。
4.控制信息的接收：
要求传感器的可靠性高，方便监控作业。
5.故障报警：
及时对堆垛机进行故障诊断并告警。
2.3堆垛机的电气控制方案
堆垛机的电气设备主要包括检测控制与保护装置等。
该方案中堆垛机主要采用PLCS7-300控制。
其外围模块主要包括无线通信设备、变频器、保护控制电路、手/自动控制台、报警控制电路等。
其中编码器和测距器用来认址。
该控制系统电气控制原理图如图2-2所示。
图2-2电气控制原理图
Fig.2-2Electricalcontrolschematics
2.4系统主控制器的选择方案设计
现在市面上有各种各样的控制手段和设备供工业控制领域运用，主要有：
继电器控制、可编程控制器（PLC）控制、个人计算机控制、集散控制系统（DCS）、单板机控制等。
而各种控制器之间又有各自的优点与缺陷。
以下做一下比较：
1．PLC与继电器相比，控制原理基本是相同的，信号的传输与其功能的实现也是一样的。
但是，这两种方法又有许多的不同之处。
相比较继电器而言，PLC的逻辑控制性能更加优异，尤其是可靠性高。
另外PLC还有调试、维护更加方便、设计周期更短等有点，但是其价格会高于继电器很多。
2．相比于个人计算机（PC），PLC价格较低，结构简单，能够用于用于工业自动化控制，也可以作为专用的微机控制系统。
3．单板机也具有价格低廉、结构简单等优点，而且在数据采集与处理上比PLC更好。
但是单板机操作不如PLC方便，抗干扰性能更差。
4．集散控制系统能够很好的控制模拟量和调节回路，但PLC在控制开关量等方面的性能优于前者。
由以上比较可知，PLC比较适合在工业环境下工作的数字运算操作的电子装置，具有其独特的优点，同时也弥补了其它控制系统和装置的一些不足，因此堆垛机系统的控制器选择了PLC。
2.4.1PLC概述
PLC是一种可编程的逻辑器件，可取代继电器控制。
它通过各种操作指令，实现计数定时、顺序控制和逻辑运算等功能。
其输入和输出有数字式和模拟式两种信号，能够控制生产和运输的过程。
PLC适用于工业控制环境，可靠性高，稳定性好。
2.4.2PLC的主要特点
PLC之所以在工业控制方面很受欢迎，它有自己独到的特点：
1.编程方法简单易学。
目前PLC大多采用梯形图编程方式来控制继电器，很容易接受和理解。
PLC还能够根据设计了步进等梯形操作指令，这可以进一步简化编程。
2.功能强大，性价比高。
3.外围硬件齐全，使用方便。
4.抗扰能力强，可靠性高。
其处理器和I/O电路间使用光电隔离，这可以减少外部干扰源的影响。
PLC还对供电系统和输入的线路进行多种方法的滤波，大大减少了高频干扰。
另外，有些模块还有连锁保护和电路自诊断等功能。
5.便于安装与调试。
6.维修方便。
7.体积小，能耗低。
与继电器相比，PLC少了很多的中间继电器和时间继电器，其体积与能耗都小很多[4]。
2.4.3PLC控制系统的类型选择
本系统采用西门子的S7系列PLC,该系列产品特点：
（1）CPU处理速度快。
（2）模块化设计，扩展方便。
（3）网络功能强大。
（4）编译环境开放,人机界面友好。
本课题选择的PLC：
广西中烟工业有限责任公司的堆垛机中的PLC选择了德国西门子模块化中型PLC系统S7-300。
选择S7-300原因主要有几点[2]：
1.它不仅满足工业的性能要求，而且其模块化结构的特点使学习方便、简单。
2.S7-300系列易于I/0模块扩展，方便用户选型。
3.它的电磁兼容性好，可靠性高，适应性强。
4.计算能力强、指令集丰富，便于高速处理。
5.编程软件强大，开发简单。
6.性价比高，装卸方便。
2.4.4本课题PLC系统配置
本课题堆垛机系统的PLC模块配置如下：
核心处理器：
CPU314
该处理器处理速度快，内置256个计时器。
它能扩展1024位数字量和256路模拟量。
其内置48KB的存储器，可扩充到8MB。
数字量输出：
SM322
该模块只能接直流负载。
其输出电流为0.5A，共有16个输出点。
另外它还具有输出短路保护功能。
数字量输入：
SM321
该模块可以将现场信号经电平转换供CPU采样。
其采样过程需要光藕隔离。
模拟量输入：
SM331
该模块主要将告警与保护信号通过中断传至CPU中。
模拟量输出：
SM332
该模块主要把数字量转为模拟信号。
其输出端有光电隔离，信号分辨率为12位。
各模块的输入输出位数如表2-1所示：
表2-1SP-300数字、模拟量的输入/输出[4]
Tab.2-1SP-300digital,analoginput/output[4]
类型
型号
输入/输出点数
功能
数字量模块
SM321
8-32入
直流或交流输入
SM322
8-16出
直流、交流或继电器输出
SM323
8入/8出或16入/16出
直流输入/直流输出
SM3
升级会员 