立体仓库毕业设计11.docx
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立体仓库毕业设计11
本科毕业设计
立体仓库电气控制系统设计
DesignofWarehouseElectricalControlSystem
学院：
电子工程学院
专业班级：
电气工程及其自动化
学生姓名：
学号：
指导教师：
2011年6月
毕业设计中文摘要
立体仓库电气控制系统设计
摘要：
随着我国国民经济的发展，自动化立体仓库的应用越来越广泛。
利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化。
自动化立体仓库的主体由货架、巷道式堆垛起重机、入（出）库工作台和自动运进（出）及操作控制系统组成。
本课题的电气控制主要由西门子公司的PLC、步进电机驱动器、步进电动机、直流电动机等器件组成。
本文首先对本课题进行简要的介绍，包括背景，研究意义，现状等；其次对该系统的硬件组成、结构、原理进行了阐述和分析；再次对本系统用到的器件进行分别介绍，重点对PLC程序进行了编写；最后对设计本课题所学到的知识和结论进行归纳和总结。
关键词：
立体仓库；电气控制；PLC
毕业设计外文摘要
DesignofWarehouseElectricalControlSystem
Abstract:
Withthedevelopmentofnationaleconomyofourcountry,Theapplicationofautomatedwarehousewillbecomemorewidely.Themainbodyoftheautomatedwarehouseismadeupofshelves,stakingcranesroadway,worktableandoperationcontrolsystem.ElectricalcontrolofthesubjectmainlybySiemensPLC,steppermotordrivepowermodulesandotherdevices.
Firstly,It’sabriefintroductionofthesystem,includingbackground,significance,status,etc.secondly,Thehardwarecomponentsofthesystem,structure,principlearedescribedandanalyzed.Thirdly,thedevicesofthissystemareintroduced,focusingonthePLC—thesoftwareiswritten.Finally,summarizetheknowledgeaboutthispaper.
Keywords:
Warehouse；ElectricalControl；PLC；
1.绪论
1.1本课题研究背景与现状
由于世界经济、现代科技的快速发展，物流产业成为经济发展中的新兴的一个服务部门。
在国际上，物流产业成为了国民经济发展的动脉，其发展的程度成为一个国家的现代化程度以及综合锅里的重要标志之一。
在我们国家，由于市场经济的不断深入，单纯依赖商流而赚取利润的机会将会变少。
因此，企业需要将目标转向物流。
在20世纪六、七十年代，一些发达国家都开始重视仓储管理。
立体仓库一般是指采用几层、十几、几十层的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物的出、入库操作。
因为这类仓库能充分的利用空间存储货物，所以将它称为立体仓库。
[1]
我国立体仓库与物料搬运的研究也并不是很晚，1973年开始研究立体仓库，1980年就有立体仓库应用于实践。
自动化立体仓库有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已经成为了企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术。
自动化立体仓库的主要优点如下：
（1）仓库作业实现机械化和自动化。
（2）采用高层货架、立体储存，能有效地利用空间，减少占地面积，降低土地购置费用。
（3）采用托盘或货箱储存货物，货物的破损率显著降低。
（4）货位集中，便于控制与管理，特别是使用电子计算机，不但能够实现作业过程的自动控制，而且能够进行信息处理。
本论文主要是基于PLC所设计的立体仓库电气控制系统。
下面简单阐述PLC的发展背景。
1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司为了适应汽车型号不断更新，提出把计算机的完备功能、灵活性、通用性好等优点和继电器-接触器控制系统的简单易懂、操作方便、价格低等优点结合到一起，做成了一种能适应工业环境的通用控制装置，并把其编程方法及程序输入方法简化，使不熟悉计算机的人员也能够快速掌握其使用技术。
根据这一设想，美国数字设备公司于1969年率先研制出第一台可编程控制器（简称PLC），并在通用汽车公司的自动装配线上试用获得成功。
由于PLC的可靠性高，操作简单，可以大大减少设备的维修和停产所造成的经济损失。
当前PLC已经成为了电气自动化控制系统中应用最为广泛的核心控制装置。
1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：
“可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
”[2]
因此，进行立体仓库的PLC控制系统的设计，可以推动机械手行业的发展，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的价值。
1.2本课题研究发展趋势
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。
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。
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。
1.3本课题设计内容
自动化立体仓库的主体由货架、巷道式堆垛起重机、入（出）库工作台和自动运进（出）及操作控制系统组成。
堆垛机是立体仓库的关键部件，负责全部货物的入库承运作业，可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，到达指定库位，将指定库位上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，在各个限位处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。
1.4可编程控制器（PLC）简介
1.4.1可编程控制器（PLC）的基本结构
可编程控制器的基本结构由输入/输出模块、中央处理单元、电源部件和编程器等组成。
PLC与计算机的基本组成一致，它实际上就是一种工业控制计算器。
（1）输入/输出模块在PLC中，CPU是通过输入/输出模块与外界连接的。
输入模块用于将控制现场输入信号变换成CPU能接收的信号，并对其进行滤波、电平转换、隔离和放大等；输出模块用于将CPU的决策输出信号变换成驱动控制对象执行机构的控制信号，并对输出信号进行功率放大、隔离PLC内部和外部执行元件等。
（2）中央处理单元中央处理器单元包括微处理器、系统程序存储器和用户程序存储器。
微处理器CPU是PLC的核心部件。
（3）电源部件电源部件是把交流电转换成直流电源的装置，它向PLC提供所需的高质量直流电源。
[2]
基本结构如下图所示：
图1.1PLC的基本结构
1.4.2可编程控制器（PLC）的特点
（1）．可靠性高，抗干扰强。
（2）．功能强大，性价比高。
（3）．编程简易，现场可修改。
（4）．配套齐全，使用方便。
（5）．寿命长，体积小，能耗低。
（6）．系统的设计、安装、调试、维修工作量少，维修方便。
[.2]
2.
系统控制方案
2.1立体仓库系统的功能
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、交通分流信号灯控制、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。
按PLC编程功能可分为4大类：
开关量顺序控制、通信功能、模拟量控制、运动控制。
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。
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的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。
3.
系统的硬件配置
3.1立体仓库系统控制
立体仓库系统的控制图如下图3.1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3.1立体仓库系统控制框图
3.2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：
图3.2PLC外部接线图
3.3立体仓库电气硬件的介绍与选择
3.3.1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]
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。
[17]
（4）机型的选择
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。
3.3.2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。
（2）步进电机的特点
a）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。
b）速度可以在相当宽的范围内平滑调节。
c）易于起动、停止、正反转及变速，快速响应性能好。
d）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。
e）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。
f）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。
（3）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。
图3.3步进电动机驱动控制器的构成
（4）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，要求步进电动机的电压低、电流小、有定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，所以确定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。
3.3.3步进电动机驱动器
（1）步进电动机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3.1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3.4输入输出接口电路
（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。
3.3.4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。
图3.5变调光式传感器的结构
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3.6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3.7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3.7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。
[16]
3.3.5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。
3.3.6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。
3.3.7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电源，综合考虑系统的用电量、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。
3.4PLC输入输出分配
根据系统的要求，系统的I/O分配见下表所示。
表3.1系统的I/O分配
输入接口
输出接口
PLC端
单元板端口
注释
PLC端
单元板接口
注释
I0.0
D0
矩阵扫描第1列
Q0.0
X轴-cp
平移电动机脉冲信号
I0.1
D1
矩阵扫描第2列
Q0.1
Y轴-cp
升降电动机脉冲信号
I0.2
D2
矩阵扫描第3列
Q0.2
X轴-DIR
平移电动机方向信号
I0.3
D3
矩阵扫描第4列
Q0.3
Y轴-DIR
升降电动机方向信号
I0.4
D4
矩阵扫描第5列
Q0.4
H0
矩阵扫描第1行
I0.5
D5
矩阵扫描第6列
Q0.5
H1
矩阵扫描第2行
I0.6
D6
矩阵扫描第7列
Q0.6
H2
矩阵扫描第3行
I0.7
D7
矩阵扫描第8列
Q0.7
H3
矩阵扫描第4行
I1.0
SQ5（ZLMT-）
Z轴原点
Q1.0
I1.1
SQ6（ZLMT+）
Z轴限位
Q1.1
Z轴-F
货物前伸
I1.2
SN
检测货台上是否有货物
Q1.2
Z轴-R
货物回缩
I1.3
SW0
手动控制开关
Q1.3
I1.4
SQ2（XLMT+）
X轴限位
Q1.4
B00
数码显示区第0位
I1.5
SQ1（XLMT-）
X轴原点
Q1.5
B01
数码显示区第1位
I1.6
SQ4（YLMT+）
Y轴限位
Q1.6
B02
数码显示区第2位
I1.7
SQ3（YLMT-）
Y轴原点
Q1.7
B03
数码显示区第3位
4.
系统的软件设计
4.1系统流程图
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
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