关于PLC自动化立体仓库的设计.docx

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关于PLC自动化立体仓库的设计

2008届毕业生

毕业论文

题    目:

  用PLC实现对立体仓库的控制

  2008年   06月   06 日 

摘  要

随着我国经济的发展，物品储备问题越来越突出，通过大力发展立体仓库，可以有效地改善这一问题。

本仓库模型控制系统是根据自动化立体仓库运行的基本原理而设计的。

在整个控制系统中以三菱FX1s-30MT系列PLC作为核心控制元件，专用键盘作为人机接口部件，控制步进电机来驱动一个有三自由度的仓库模型在高强度导轨上做三维运动。

以步进电机每转输出的脉冲数为基础，通过键盘对每个仓位予以地址编码，通过PLC对命令键盘进行扫描并得到相应的仓位号，当PLC接收到来自键盘的输入命令后，便输出对应仓位的脉冲数，经过驱动器驱动步进电机按设定的方向转动一定的角度，进而控制传动部件丝杠旋转进行准确的定位，以完成货物的存取功能。

另外，为了保证整个控制系统运行的稳定性和可靠性，我们还采用了限位开关对其进行限位保护。

通过系统的调试，仓库模型控制系统能够通过手动和自动控制方式较为准确地完成货物的存取功能。

此系统不仅适合自动化类教学仪器的演示，也可以为自动化立体仓库的具体实施作一个技术参考。

关键词：

  自动化立体仓库  可编程控制器（PLC）  机械手   模块  步进电机  

驱动器

           目   次  （4号黑体，居中）

1  引言…………………………………………………………………………………… 1

1.1  自动化立体仓库的发展……………………………………………………………………………… 1

1.2  自动化立体仓库模型研究的意义 ………………………………………………………………… 2

1.3  本课题研究的意义和目的…………………………………………………………………………… 2

2   系统方案总体设计……………………………………………………………………… 3

2.1  设计思想………………………………………………………………………………… 3

2.2  课题方案论证………………………………………………………………………… 5

2.3  主要器件简介………………………………………………………………………………5

2. 4  关键问题处理………………………………………………………………………………10

3   系统方案实现………………………………………………………………………11

3.1  硬件电路设计 ……………………………………………………………………………  11

3.2  软件设计  ………………………………………………………………………………… 14

4   系统调试及结果分析…………………………………………………………………16

4.1  具体薄弱环节 ……………………………………………………………………… ……16

4.2 具体应用改进的方向…………………………………………………………………17

结论 …………………………………………………………………………………… 18

致谢 ……………………………………………………………………………………19

参考文献………………………………………………………………………………20

附表A  硬件接线图………………………………………………………………………22

附表B  部分程序……………………………………………………………………… 23

1  引言

自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下, 自动地完成物品仓储和取出的系统, 它以高层立体货架为主体, 以成套搬运设备为基础, 是集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率、大容量存储机构。

PLC 作为一种工业控制计算机, 具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能, 是目前广泛应用的控制装置之一。

自动化立体仓库的出现, 实现了仓库功能从单纯保管型向综合流通型的转变。

机械手是自动化立体仓库的重要组成部分，主要运用于存取设备,例如堆垛机等。

作者：

baixuegood2008 

2008-6-1210:

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用PLC实现对立体仓库的控制

1．1  自动化立体仓库的发展

自动化立体仓库又称立库、自动存取系统AS/RS（Automatic Storage& Retrieval System），是一种用高层立体货架（托盘系统）储存物资，用电子计算机控制管理和用自动控制堆垛运输车进行存取作业的仓库。

使用自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。

它通过高层货架存储，使存储区大幅度地向高空发展，提高了空间利用率；自动化立体仓库采用层积式存放，结合计算机管理，可以很容易实现先入先出，防止货物的自然老化、变质和损坏；通过自动存取系统（AS/RS）,加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度；采用自动化技术后，还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要；计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了货物处理和信息处理过程中的差错；同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。

自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管理的自动化。

同时，由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，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。

自动化立体仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产和技术发展的结果。

1963年美国首先在仓库业务中采用计算机控制，建立了第一座计算机控制的立体仓库。

我国的立体仓库起源于上世纪七十年代末，1980年我国自行研制的第一座自动化立体仓库投入使用。

近几年来立体仓库在我国得到了迅速的发展，大型的自动化程度很高的仓库不断建成，主要应用于汽车（如东风汽车）、家电（海尔）、烟草（红塔集团）、印刷，化工（仪征化纤）等行业。

自动化立体仓库通常有以下几种分类方式，按建筑形式可以分为整体式和分离式；按自动化仓库与生产连接的紧密程度可分为独立型（也称离线型）、半紧密型和紧密型仓库（在线型）；按货物存取形式可以分为单元货架式、拣选货架式；按照在生产流通中的作用可以分为生产性仓库和流通性仓库；按货架的结构形式可以分为单元货格式、贯通式、水平循环式和垂直循环式，其中以单元货格式仓库使用最广。

自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。

它主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统所组成。

货物存储系统由立体货架的货格（托盘或货箱）组成，货架按照排、列、层组合而成立体仓库储存系统；货物存取和传送系统承担货物存取、出入仓库的功能，它由有轨或无轨堆垛机、出入库输送机、装卸机械等组成；自动化立体仓库视情况不同采取不同的控制方式：

有的仓库只采取对存取堆垛机、出入库输送机的单台PLC控制，机与机无联系；有的仓库对各单台机械进行联网控制。

更高级的自动化立体仓库的控制系统采用集中控制、分离式控制和分布式控制，即由管理计算机、中央控制计算机和堆垛机、出入库输送等直接控制的可编程序控制器组成控制系统。

近几年出现的智能自动化仓储技术还处于初级发展阶段，在二十一世纪仓储技术的智能化将具有广阔的应用前景。

1.2  自动化立体仓库模型研究的意义

自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下，自动地完成物品的存放和取出的系统[6]，根据这个原理结构，设计了自动化立体仓库模型控制系统。

本设计的自动化立体仓库模型主要应用于自动化等相关专业教学仪器的演示部分，目的是帮助自动化等相关专业的学生了解自动化立体仓库的基本结构、设计原理以及整个控制系统的工作过程、熟悉电气控制的基本原理，了解电气控制在现代科技应用中的重要性，以及PLC应用在现代控制系统中的作用和一些不可替代性的优点[28]~[30]。

熟悉PLC的外围电路设计、软件设计方法和设计流程等。

 同时本系统在设计方案上结合了正在开发的自动化立体仓库模型，并对其技术方案进行了描述，为日后自动化立体仓库的具体实施作一个技术上的参考。

使未来自动化立体仓库的设计更趋于完美化。

作者：

baixuegood2008 

2008-6-1210:

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用PLC实现对立体仓库的控制

1.3  本课题研究的任务和目的

立体仓库库是现代社会存储系统中迅速发展的一个重要组成部分，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、提高物流效率等诸多优点[7]。

本课题研究的任务：

根据自动化立体仓库运行的基本原理，通过大学阶段所学的知识设计一套基于PLC的自动化立体仓库运动的控制系统，具有根据用户的输入，三个坐标方向电机能够准确移动、定位以实现物品的正确存放功能。

具体完成的任务如下：

（1） 命令键盘的设计。

（2） 熟练掌握PLC程序设计方法。

（3） 应用PLC完成硬件电路的设计。

（4） 设计出相应的程序，并且通过调试。

（5） 在立体仓库模型上进行物品装卸试验。

本课题研究的目的：

通过对仓库模型控制系统的设计研究，能够对自动化立体仓库设计的基本工作原理有一定的认识，并且对大学阶段所学知识能够进一步的深化，对理论知识和实际应用之间的相互转化有更具体的理解，特别是对PLC技术、数字电路、机电一体化技术有了更进一步的认识。

以及PLC的程序设计有了更认真地学习和运用。

另外，通过对此课题的学习研究，还可以培养自己独立解决实际问题的能力，为以后的学习打下基础。

2  系统方案总体设计

2.1  设计思想

本设计是以可编程控制器（Programmable Logic Controller 简称PLC）为核心，控制步进电机驱动一个有三个自由度的仓库模型来模拟现实中立体仓库的存取过程。

在整个立体仓库运行过程中采用开环控制方式，专用键盘为人机接口元件，PLC为控制元件，步进电机为执行元件来驱动工作台在高强度导轨上做三维运动，其传动部件为高精度丝杠传动。

运行时PLC会接收和分析操作人员在命令键盘上的输入指令，做出合理的工作安排。

即读取执行元件的信息，通过软件做出合理的工控安排，反馈到执行元件和操作系统，实现车位的位置移动[8]。

具体原理方框图如图2.1所示。

图 2.1  系统方框图

本设计所应达到的具体功能如下：

（1）  PLC根据键盘的命令实现十六个空位的自动存取。

点击键盘上相应的空位号，系统会自动寻找此空位来实现物品的存放，存放结束后自动返回原点，等待下一个存放命令[9]。

PLC接受键盘存放命令向目标空位靠近的运动默认为有负荷运动，此时为低速运动，以获得较大的电机转矩，回原点的运动默认为空载，此时工作台快速移动，可以节省工作时间，提高效率。

（2） 具有急停功能。

当系统在运行的过程中发现其它意外等，可以点击急停按键，此时系统会立即停止运行并保持原位置。

但系统再次运行务必要回原点校正。

因为系统采用开环控制，其速度有步进电机接受的脉冲频率决定，运行位移量有脉冲数目决定。

而各空位对应的脉冲频率、数量数据均由程序设定[10]。

另外 从系统运行时的可靠性和安全性角度考虑，所有的数据均应参考原点而设置。

所以系统每次任务结束后都必须回原点进行校正，避免执行错误命令，发生意外[11]。

（3） 能够快速返回原点。

当出现急停时可以快速回原点校正。

此按键只有在急停之后才有效。

也就是此按键的有效是以急停为条件的，这是从安全角度考虑设计的。

本功能也可以作为原点校正用，长时间运行误差积累导致工作台不能精确定位，借此可以校正，但要先按一下急停键。

（4） 有手动和自动档选择，可以实现手动和自动两种控制方式。

并且在键盘上标明导航键，分别用于控制X轴正向运行，X轴反向运行，Y轴正向运行，Y轴反向运行，Z轴正向运行，Z轴反向运行。

规定远离原点为正向，靠近原点为反向。

2.2  课题方案论证

目前自动化立体仓库已随着经济的发展开始越来越流行起来，其设计也在不断的趋向于完美化，本仓库模型系统的设计也有很多不同的方法。

我们对仓库模型控制作了两种设计方案，并对其进行了研究和讨论。

    方案一：

基于单片机的仓库模型控制系统的设计。

采用单片机作为主控制器来控制步进电机的控制系统，系统所要设计的控制电路较多，较为复杂。

而且整个控制系统的开发周期长。

由于需设计的电路居多，所以系统的软件程序设计复杂，难于实现[12]。

作者：

baixuegood2008 

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用PLC实现对立体仓库的控制

方案二：

基于PLC仓库模型控制系统设计，它具有很多其他设计方法不可比拟的优点：

（1） 可靠性高、环境适应性强：

可编程控制器输入/输出端口均采用继电器和光电耦合器件，采取了隔离和抗干扰措施，所以具有很高的抗干扰能力[13]；

（2） 通用性好：

 由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU 模块、电源模块、PID 模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性[14] 。

（3） 使用方便、灵活：

对于不同的控制系统，当硬件结构选定后，如果输入/输出作很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线做较大的修改，减少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。

（4） 具有顺序、周期性的工作特征。

（5） 体积小；由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化[15]。

综上所述：

我们选择方案二，即PLC作为设计中的主控制系统，能够很好的满足设计要求，达到设计的目的。

2.3  主要器件简介

2.3.1  可编程控制器（PLC）

PLC是近年来发展极为迅速、应用极为广泛的工业控制装置。

它将传统的继电器控制技术、自动化技术、计算机控制技术和通信技术融为一体专门为工业控制而设计，具有可靠性高、功能强、编程简单、使用方便、环境适应性好以及体积小、功耗低等特点；具有基本控制功能、步进控制功能、模拟控制功能、定位控制功能、网络通信功能、自诊断功能、显示监控功能等，可以满足对工业生产进行监视和控制的绝大多数场合的需要。

PLC最常用的语言是面向控制的梯形图语言，它采用了与实际电器原理图非常接近的图形编程方式，易学易用[16]。

具体特点如下：

（1） 所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外部电路与PLC内部电路之间电气上隔离，使其安全工作。

（2） 各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms；

（3） 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

（4） 采用性能优良的开关电源。

（5） 一旦电源或其他硬件等设备发生异常情况，CPU立即采用有效的措施，以防止故障扩大。

（6） PLC可以真对不同的工业现场信号有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备[17]。

PLC的工作原理具体如下：

PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等到扫描到该触点时才会动作[18]。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段[18]。

具体过程如下：

（1） 输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内，输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的数据和状态也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2） 用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按照先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

（3） 输出刷新阶段

当用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，在经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC真正的输出[19]。

作者：

baixuegood2008 

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用PLC实现对立体仓库的控制

    本设计中用的主控制器MITSUBISHI FX1s-30MT-001型PLC为本三菱公司生产的一款小型PLC，FX1S系列PLC把许多其他PLC的优点都融进一个很小的控制器中。

FX1S适用于最小的封装，是希望低成本的用户在有限的I/O范围寻求强大控制功能的首选目标。

内部提供多达30多个I/O点，并且能够通过串行通信传输数据，所以它能用在紧凑型PLC不能应用的地方，而且它具有定位和脉冲输出功能：

FX1S系列PLC单元能够同时输出两点100KHz脉冲，因为有脉冲输出指令（PLSY）、带加减数脉冲输出指令（PLSR）等定位专用命令，编起程来很方便；同时配备有七条特殊的定位指令，包括零返回、绝对位置读出、绝对或相对地址表达方式以及特殊脉冲输出控制。

具有高速计数功能：

1相60KHz：

2点，10KHz：

4点；2相30KHz：

1点，5KHz：

10点；可优先处理中断程序；本身具有持续扫描功能和输入滤波器调节功能，并且能够为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。

用输入滤波器输入平整输入信号，涉及所用元件所有注解可以记录到程序寄存器中。

它的应用范围：

16点输入，

表2.1  输入规格表

      输出规格如表2.2所示。

表2.2  输出规格表

2.3.2  步进电机及驱动器

步进电机主要为本设计执行元件，之所以选择步进电机就是因为其适用于开环控制，而且其控制精度较高，在供电电源切断时，混合式步进电机具有自定位转矩，因此仍能保持原来的位置，同时也是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），因此，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

本系统所用步进电机为常州双杰产的42BY5403×4型步进电机，它分为两相四拍和两相八拍，在此我们运 用的是两相四拍，它的时序为 …                 按照时序图循环输入就可以通过软件控制来实现。

当将时序输入按照与正转时序相反的顺序输入时（ …），就可以实现步进电机的反转。

额定电压和电流分别为24V和1.5A[20]。

它的具体接口如图2.2所示。

图2.2  电机接口图

其时序图如表2.3所示。

表2.3  步进电机时序图

基本技术数据如表2.4所示。

表2.4  步进电机技术数据

    不管是那一种类型的步进电机，其运动控制系统都是相似的。

均属于开环控制系统，一般主要由步进电机运动控制器（本设计中步进电机运动控制器为PLC）、步进电机驱动器和步进电机三部分组成。

本设计步进电机驱动器同为常州双杰产SJ220型，该驱动器主要包括环形分配器和功率放大器两部分。

其中环形分配器又称脉冲分配器，它根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到步进电机的各相绕组，使步进电机按一定的方式运行；并实现正、反转控制和定位控制。

由于输出的功率极小，所以脉冲分配器不能直接驱动步进电机工作，必须通过功率放大器进行放大，才能给步进电机各相绕组提供足够的电流。

步进电机运动控制器则是控制系统的核心部分，它根据控制要求提供给步进电机驱动控制信号，该控制信号包括脉冲信号、脉冲方向信号、控制方式信号。

运动控制器提供给步进电机的驱动信号是标准的信号，不论哪种驱动器都接受这样的标准信号，从而为开放式的控制提供了标准接口。

这样为步进电机设计的运动控制器就可根据不同的需要与不同的驱动器连接使用[21]。

为了控制的方便，步进电机一般可以有两种不同的控制模式可供选择。

控制模式就是由控制方式信号来设置的。

一种是方向/脉冲模式，在这种控制模式下，脉冲信号控制的是步进电机的运动，脉冲方向信号控制的是步进电机的运动方向（即正、反转）；另一种是脉冲模式，此时这两路信号分别控制步进电机的正转和反转运动，这样对于某些只需要一个方向运动的应用场合，可以省去一路信号，简化设计。

作者：

baixuegood2008 

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用PLC实现对立体仓库的控制

2.3.3驱动支架

驱动支架是此模拟机的重要机械部分，要求有高的强度和传动精度用于保证运行的精度和可靠性。

其最大轮廓尺寸为X×Y×Z=460×510×230mm，其有效坐标行程（可运动最大坐标值）为X×Y×Z=325×365×70mm。

其各坐标方向上各有三根轴，中间是传动丝杠，两边是导轨。

其实物如图2.4所示：

图2.4  驱动支架实物图                  图2.5  仓库模型

2.3.4 仓库模型

仓库模型采用玻璃结构，为4×4行列式，共16个空位。

其轮廓尺寸为：

X×Y×Z=460×510×100mm，玻璃的厚度为5mm，其具体结构尺寸如图2.5所示：

2.4  关键问题处理 

在本模拟自动化立体仓库设计中，主要根据可编程控制器PLC对步进电机的控制，即采用脉冲开环控制方式设计，由MITSUBISHI FX1s-30MT-001型PLC、开关电源（DC24V/DC5V双通道）、步进电机驱动器、继电器等组成一个基本的控制柜，起控制和驱动作用。

  继电器为四对常开和四对常闭触点，用于切换X/Z轴电机的运行。

由于本模拟机最多实现XY两轴联动，因此只须两个驱动器即可，Z轴不可能与其它轴联动，因此可以通过继电器切换Z轴电机与其它轴电机共用驱动器。

之所以选Z轴与X轴共用是从继电器动作次数最少考虑的，而实际表明效果理想。

当PLC发出一定脉冲，经过驱动器驱动步进电机旋转一定的角度，要想实现步进电机的精确控制，则需要对它的具体运行步数进行计数[22]，步进电机以10cm长为单位长度计算为例，即坐标轴上的每个单位代表现实中的10cm。

为了增大转矩提高控制精度，本控制系统所有数据（脉冲频率、数量等）均是以步距角为0.9度为参考制定的。

则步进