基于台达PLC的立体库控制系统设计毕业设计说明书.docx
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基于台达PLC的立体库控制系统设计毕业设计说明书
毕业设计说明书（论文）
基于台达PLC的立体库控制系统设计
GraduationDesign（Thesis）
AutomatedLibrarySystemControlBasedondetalPLC
BY
WANGLu
Supervisedby
LecturerCHENGQihua
DepartmemtoftheBASISofEXPERIMENTSandTRAININGCENTER
NanjingInstituteofTechnology
June,2011
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
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作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
摘要
自动化立体库是一种集信息，存储管理于一体的高技术密集型机电一体化产品，是一种多层次存放货物的高架仓库系统。
它是把计算机与信息管理和设备控制集合起来，能按控制指令要求自动完成货物存取的要求。
本文的设计思路是将整个立体库的区域虚拟的分为三个区，区域划分是基于物料属性信息之上的，本课题有三种物料，即高成品件、低黑件、低白件。
根据物料属性信息分别将其放入相应的货位，以提高存取的工作效率。
因PLC强大的控制功能，本控制系统的控制器采用PLC控制，堆垛机由两轴（X/Z）伺服定位轴机构组成，具有三自由度。
堆垛机是自动化立体库中的重要设备，它能够在自动化立体库的货架间来回穿梭运行，将货物放入货架；或者相反取出货架上的货物。
输送带由变频器控制，可以进行变频传输。
采用光电传感器检测有无物料，变频传输物料，分析堆垛机的工作过程，并确定堆垛机的定位方案。
通过计算机系统对PLC的运行监控，并对货架信息进行处理，解决了堆垛机存取货物路径的优化问题。
最终由PLC对堆垛机系统进行控制。
人机界面，是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。
人机界面可以对现场设备进行监控，及时采集系统信息，发现并处理故障，保证系统良好的运行，是自动化生产的必然发展方向。
关键词：
自动化立体库；堆垛机；PLC;人机界面
ABSTRACT
Automatedlibraryisacollectionofinformation,storagemanagementinoneofthehigh-tech-intensivemechanicalandelectricalintegrationproducts,isamulti-levelstorageofgoods,overheadstoragesystem.Itisthecomputerandinformationmanagementandcontrolequipmenttogetherandfollowtheinstructionstoautomaticallycontroltheaccessrequirementsofthegoods.
Thisdesignideaistheareatheentirethree-dimensionalvirtuallibraryisdividedintothreezones,zoningisbaseduponthematerialpropertyinformation,thesubjectofthreematerials,namelyhigh-finishedparts,lowblackpieces,lowwhitepieces.,Respectively,accordingtothematerialattributeinformationintotheappropriatestockofitsposition,inordertoimproveaccessefficiency.PLCcontrolforthepowerful,thecontrollerusesthecontrolsystemPLCcontrol,stackingmachineconsistsoftwoaxes（X/Z）axisservopositioninginstitutions,withthreedegreesoffreedom.Automatedstackingmachineisanimportantequipmentinthelibrary,itcanautomatedlibraryshelvesinthebackandforthbetweenrunningintothecargoshelf;orviceversaoutthegoodsontheshelves.Controlledbythedrivebeltandcanbefrequencytransmission.Photoelectricsensordetectswhetherthematerialsused,frequencytransmissionofmaterials,analysisoftheworkingprocessstackerandstackerpositiontodeterminetheprogram.ThroughthecomputersystemtomonitortheoperationofPLC,andtheshelfinformationprocessingtosolvetheaccessofgoodsstackerpathoptimizationproblem.UltimatelybythePLCcontrolsystemonthestacker.
Man-machineinterface,thesystemanduserinteractionandinformationexchangebetweenthemedia,whichimplementstheinformationwithintheacceptableformsofthehumanformofconversionbetween.Man-machineinterfacefielddevicescanbemonitoredandtimelyinformationcollectionsystemtoidentifyanddealwithfailuretoensurethesystemisrunningwell,istheinevitabledevelopmentofautomatedproduction.
Keywords:
automatedlibrary;stackingmachine;PLC;computer
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字典
第一章绪论
引言
随着国民经济的飞速发展，自动化立体库在各行各业中得到了广泛的应用。
它是现代化工厂的重要组成部分。
它是一种多层的自动存取货物的高架仓库系统。
传统的立体库是用专门的仓库工作设备进行货物出入库工作的仓库。
传统的立体库逻辑控制系统采用继电器逻辑控制线路，这种控制线路存在着易出故障、维护不方便、运行寿命短、占用空间大等缺点。
与传统的相比，自动化立体库采用PLC逻辑控制具有体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、修改程序方便等优点。
从技术上看，PLC将逐渐取代传统的继电器控制系统。
因此，进行立体库的PLC控制系统的设计，可以扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究价值。
1.1本课题的目的和意义
自动化立体库具有操作简单、迅速、使用方便、安全可靠、维护量小等特点，它可以为工厂提供一个安全、简易的使用环境，而传统的立体库主要是靠人工装卸，不仅浪费人力、物力，并且存在着较大的安全隐患，同时还浪费了大量空间。
与传统的立体库相比，自动化立体库在许多方面都显示出优越性，比如：
①提高空间利用率。
因为它是高层货架存储，使存储空间大幅度地向高空发展
②利用计算机的管理系统，使货物先入先出，防止货物堆积、损坏和变质
③自动存取系统加快了工作效率的同时也有效地保证了人身和货物的安全
④实现了特殊场合货物存储的需要，例如，有毒、易爆等
⑤有效地减少了货物处理和信息处理过程中的差错
自动化立体库的信息系统可以与企业的生产信息系统相结合，实现企业管理的自动化。
同时，促进企业科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，也提高了操作人员素质和管理人员的水平。
1.2自动化立体库的概述
1.2.1自动化立体库的组成
自动化立体库又称自动化仓库、现代智能库、高层货架仓库等，是近年来国际上迅速发展起来的一种新型存储设施。
它主要通过高层货架充分利用空间进行存取货物，所以称之为“立体库”或“高架仓库”。
可以做到无人操作，按计划入库和出库的全自动化控制，并且可以实现计算机网络化管理。
自动化立体库基本由以下部分组成：
货架：
用于存放货物的立体结构，本系统采用3*3的钢结构货架。
堆垛机：
用于自动存取货物的设备，是自动化立体库中的重要设备，本系统的电动机由两伺服组成。
传输设备：
主要任务是将货物输送至堆垛机或从堆垛机将货物搬走，本系统选用变频器与感应电机的组合。
货夹：
将货物从输送带上搬移或移至输送带上，本系统采用的是机械气爪。
控制器：
是整个控制系统的核心，采用PLC控制。
人机界面：
监控整个系统。
1.2.2自动化立体库的优点
使用自动化立体库可以产生巨大的经济效益和社会效益，主要来自以下几个方面：
①节省空间。
由于使用高层货架存储货物，存储区间可以大幅度地向高层发展，充分利用立体库的地面和其空间，因此，节省了库存的占地面积，提高了空间利用率。
②自动存取。
通过控制器和设备，使立体库在无需人工直接控制的情况下进行运作，提高了劳动生产率，减轻操作人员的劳动强度。
③计算机控制。
计算机能准确无误的对各种信息进行存储和管理，因此，能减少人为的错误。
④计算机化信息管理。
可以有效地减少货物库存的时间，遵循着先入先出的原则。
减少流动资金的挤积压。
⑤结构灵活。
PLC属于“即插即用”型，使用方便灵活。
可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率。
综上所述，自动化立体库具有节省用地、减轻劳动强度、提高劳动效率、降低储运损耗、减少流动资金的挤积压等优点。
1.2.3自动化立体库的分类
随着生产自动化发展水平的不断提高，自动化立体库得到了越来越广泛的使用，其形式也得到了多样化的发展。
例如：
垂直回转式、垂直升降式、整体水平式（S型）、M型回转式、P型回转式。
本系统采用的是垂直升降式
，如图1-1-2所示，它的货位是固定不动的，采用升降式载货台进行货物存取。
其主要特点是变换灵活、存取速度快、能够充分利用垂直方向的空间，总体高度可以根据立体库的高度来决定，根据存储货物的高度来选择存储间隔高度。
【1】
图1-1-2垂直升降式立体库
1.3国内外研究现状
自动化立体库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术的发展结果。
自上世纪60年代以来，美日欧等国家和地区设计和投入使用的立体库越来越多。
50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机的立体库；1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体库。
60年代中期，日本开始兴建立体库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体库最多的国家之一。
据不完全统计，美国拥有各种类型的自动化立体库20000多座，日本有38000多座，德国有10000多座，英国有4000多座，前苏联有1500多座。
【14】
我国对立体库及堆垛机的研制开始并不晚，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库，该库1980年投入使用。
据不完全统计，目前我国已建成的立体库有近300个，其中全自动的有30多个。
1995年建成的仪征化纤工业联合公司涤纶长丝自动化立体库，是目前我国独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体库。
下面列举几家典型的自动化立体库，从中可以看出我国自动化立体库的发展概况。
（1）北京汽车制造厂：
这是我国第一座自动化立体库。
1982年实现全部货位和出入库货址查询由微机管理。
1982年实现了立体库库存管理，物品流向统计，财务结算及物资计划调配管理。
（2）河北省科学院自动化所：
应用于立体库堆垛机的微机控制系统应用，Z80微机对立体库巷道堆垛机进行控制。
检测元件选用非接触式红外线光电探测元件和接触式开关。
（3）十堰第二汽车制造厂：
这是国内较先进的AS/RS物流管理系统，由五台不同规模的微型计算机组成了分层分布式系统，实现了仓库信息管理自动化和仓库入库及出库作业的自动化。
（4）仪征化纤工业联合公司涤纶长丝自动化立体库：
自1995年初系统使用运行以来，运行一直比较稳定，可靠性方面已达到较高的水平。
（5）宝钢自动化立体库：
是国内比较先进的立体库，具有80年代中期水平。
性能：
10排*15层*60列，存储容量4500吨，货架高15.36米，有堆垛机2台、堆垛机转轨车2台、链式分配小车1台，每日进、出库量：
进25-30吨，出库22吨，即出入频率约74次/日（每日按6小时计算）。
【11】
近年来随着科技的不断发展，我国的自动化立体库得到了很大程度的发展。
但与发达国家相比，无论是数量还是自动化程度上都存在着较大的差距。
这些差距体现在：
（1）发展速度慢。
我国自动化立体库现有的数量和技术多不能满足我国今后的发展需求。
（2）立体库的形式、规格较少。
（3）堆垛机的控制技术和驱动技术不多。
如果堆垛机的运行速度得不到提高，工作效率也不会得带提高，经济效益就得不到提高。
（4）研究开发和创新能力不够强。
未来自动化立体库的发展趋势主要表现为：
（1）自动化程度会不断提高。
近年来随着PLC技术的不断发展，今后的立体库会采用PLC进行控制。
（2）大型自动化立体库系统已不再是发展方向。
为了适应工业发展的新形势，出现了规模更小，反应速度更快，用途更广的自动化立体库系统。
它结合先进的技术，应用到分段输送和按预定线路输送方面，保持了高度的柔性和高生产率，满足了工业库存搬运的需要。
（3）在堆垛机方面不断推出具有新的物理外形和更高性能的设备。
（4）应用领域越来越广泛。
（5）随着计算机技术的不断发展，今后的自动化立体库将具有模仿人类的功能。
1.4本课题的研究内容
课题的主要任务是基于台达DVP系列PLC的立体库控制系统的设计。
它的工艺过程是接收到来物料信号及属性信息后，变频传输机构启动（模拟量驱动，模拟信号来源于PLC，并且速度可调），将成品件输送至抓取位置。
堆垛机上的抓取机构检测到有料信号后，首先伸缩气缸伸出并抓取成品件，然后Z向伺服电机上升一小段，离开接料位，然后堆垛机X/Z向伺服移动机构移动至对应库位，伸缩气缸伸出并释放成品件，最后堆垛机回退到初始的原点位置。
全文共分为五章，各章的主要内容如下：
第一章扼要地介绍了自动化立体库的概念、特点与相关研究背景；
第二章介绍立体库的入库流程设计的一般性原则，包括均布原则、效率原则、分区原则、先入先出原则和重力原则。
并根据入库设计的基本原则，总结出立体库最具有一般性的最优入库流程并提出了系统的控制方案；
第三章介绍了组成系统的主要器件和选型，例如PLC、伺服等选型及特性的介绍，并对部分硬件的接线进行了详解并绘制电气原理图（用AUTOCAD软件）；
第四章介绍本系统WPLSoft2.11软件和PLC程序的设计；
第五章讲解了ScrEdit2.00PLC软件HMI画面的设计；
第六章总结了设计中遇到的一些问题和解决方法；
第二章系统控制方案的设计
系统方案的设计主要来源于课题的要求和当今社会的现状，随着现代化工业生产的发展，气动技术、液压技术、传感器技术、PLC技术、网络及通讯技术等技术的紧密结合而形成的机电液、机电气、机电光一体化的自动化控制技术的应用在工业生产中正起着越来越重要的作用，自动化生产系统已成为当今工业生产的重要组成部分。
2.1出入库原则概述
出入库原则设计是设计初期应当满足的基本的入库要求作为设计原则。
在设计过程中，应根据其不同的特点和其他诸多因素设计的出入库流程。
出入库原则，顾名思义，即货物的入库操作和出库操作。
货物的入库流程为：
检测到输送带上有货物时，PLC发送指令给输送设备准备进行入库操作，等到货物到达指定位置时，堆垛机上的货夹夹取货物，堆垛机在水平和垂直方向上运动，直到到达指定的货位，然后堆垛机上的货夹将货物放入立体库中指定的货位上，从而完成一次基本的入库操作。
货物入库后，堆垛机将停留在初始位置等待下一次的操作。
出库流程与入库相反，其流程为：
根据输入的指定货物找到其在自动化立体库中的货位，与此同时，控制器发送指令给堆垛机进行出库操作，堆垛机接收到指令后运行到指定的货位夹取货物，然后在水平和垂直方向上运动到输送带端口，将货物放入输送带，输送带检测到有货物后，启动输送设备，将货物运出自动化立体库，从而完成一次出库操作。
由上面的入库概述得其基本原则如下：
2.1.1先入先出原则
先入先出原则，是基于为企业减少流动资金的损耗提出的，也是货物在出库时最先考虑的原则。
最先入库的货物最先出库，从而避免了旧货物的积压，出现货物过期、失效等现象。
本系统无需考虑此原则，因为本立体库中货物由塑料制成。
2.1.2分区原则
分区原则，是根据货物的属性信息，将一个整体的立体库分成几个不同的区域，从而满足货物的存储要求，同时也提高货物出库的效率。
自动化立体库是否需要分区，主要取决于立体库的形式和出入库频率的高低。
只有较长的立体库和生产量大、出入库频率高的立体库才有必要分区。
为的是节省操作时间，提高工作效率。
但要进行强调的是，不是所有的分区多是为了提高出入库的效率，如药品，它的属性要求就是不能混合放置。
因此，在考虑分区时应根据实际情况决定。
本系统中的货物分为三种，即高成品件、低白件、低黑件。
基于要提高货物出库效率，故需将立体库进行分区
2.1.3均布原则
均布原则是立体库管理中最基本地货位选择原则，其目的是使每一台堆垛机得到充分的利用的同时提高出入库的效率，从而避免货物集中于其中的某一巷道。
均布原则基本分为货物均布、货位均布、设备负荷均布三种。
货物均布适用于单种入库物料较多的场合，是在原本立体库中有空货位的情况下，使物料均匀分布给每个堆垛机，充分利用每台堆垛机，减少资源的浪费。
货位均布适用于单种入库物料较少的场合，是在原本立体库中空货位较少的情况下，确保每个货架都有等量的空货位，减少堆垛机作业周期的时间。
设备负荷均布使每台堆垛机的工作量尽量相等，避免部分堆垛机因负载过大导致其使用寿命的缩短。
2.1.4重力原则
顾名思义，与其相关的因素是货物的重量和货架的承重能力。
当立体库中货物的重量相差较大时，较重货物放置在底层货架，不仅可以方便存取，还可以保证人生和货物的安全。
随着钢结构货架的采用和货架结构的力学结构设计，现代化的立体库货架具有很强的承重能力，较重物品的存取不会存在安全隐患。
但从堆垛机存取方便性和经济性考虑，较重的货物放置在底层，可以节省堆垛机的取货时间和提高工作效率。
本系统中高成品件比其他两种工件中，故将高成品件置于立体库的底层。
2.1.5效率原则
效率原则是立体库优化的主要原则，通过提高出入库的效率，可以降低成本和损耗，从而为企业带来可观的经济性效益。
其主要方式有两种，一种是货位优化原则，及出入库时优先选择效率最低的货位，从而保证出入库的路径最短化，即堆垛机的运动路线最短化，进而提高工作效率和堆垛机的使用寿命；另一种是优化出入库任务次序原则，这种方法使用与出入库任务比较频繁的情况，即出入库混搭的情况。
比如，堆垛机在完成入库后不返回原点位置，而是进行距离最近货物的出库操作，从而减少路程的重复，提高工作效率。
2.1.6出入库流程的设计
在设计过程中优先考虑的部分，因与其相关的因素繁多，所以主要考虑其入库方面的因素。
入库主要从货物入库的角度考虑，在满足入库的同时
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