最新立体仓库实验设计终稿.docx

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最新立体仓库实验设计终稿

立体仓库实验设计

学院：

船舶工程学院

专业班级：

船电121

姓名：

谢程宁

学号：

201213160126

2013年7月4日

一、设计任务于要求

1.1设计任务

1.2设计要求

1.3系统设计的基本步骤

二、实验器材

2.1PLC要求

2.2立体仓库设备

2.3可编程计算机

三、硬件原理

3.1步进电机驱动系统的基本组成和工作原理及应用

3.2反射式传感器的工作原理

3.3传感器的工作原理和应用

四、控制系统设计

4.1传感器的分布

4.2行程开关的位置与编号

4.3I/O分配表

4.4系统流程：

4.5设计梯形图

4.6MCGS组态王实现立体仓库工程画面

摘要

自动化立体仓库是现代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分,是一种多层存放货物的高架仓库系统，由自动控制与管理系统、高位货架、巷道堆垛机、自动入库、自动出库、计算机管理控制系统以及其他辅助设备组成。

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、提高管理和操作人员素质、降低储运损耗、有效地减少流动资金的积压、提高物流效率等诸多优点。

如今我国国民经济的飞速发展,自动化立体仓库必然会在各行各业中得到越来越广泛的应用。

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分别进行介绍，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进行归纳和总结。

关键字：

立体仓库可编程控制器（PLC）西门子S7-200组态软件

一、设计任务与要求

1.1设计任务

该实验就是采用PLC自动化技术，让给定的机械设备智能地按照试验设定的程序进行实际操作，实现整体的自动化。

本设计利用的立体仓库主体由底盘、三层六仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。

其中电气控制是由西门子S7-200CPU224型可编程序控制器（PLC）、步进电机驱动模块、开关电源、位置传感器等器件组成。

设计的主要任务是：

通过利用行程开关和传感器来实现对设备的行程精确定位，让机械设备在设定的程序的设定位置执行工作任务，让整个机械设备实现自动一体化，这样能够使设备能以更快捷、更方便地方式将成品货物安放到系统指定的仓库中。

1.2设计要求

本设计要求是：

设备能够正确按照程序设定来精确定位和正确执行指定任务，同时也要求尽可能以低成本完成整个实验设计。

在此设计的立体仓库需要满足一下功能：

（1）堆垛机（机械手）要有三个自由度，即：

前进、后退；上、下；左、右；

（2）堆垛机的运动由步进电机驱动；

（3）堆垛机前进（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行；

（4）堆垛机前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护；

（5）每个仓位必须有检测装置（微动开关），当操作有误时发出错误报警信号；

（6）当按完仓位号后，没按入或取前，可以按取消键进行取消该操作。

（7）整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。

1.3系统设计的基本步骤

在立体仓库控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：

（1）深入了解和分析立体仓库的工艺条件和控制要求。

（2）确定I/O设备。

根据立体仓库控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。

（3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。

（4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。

（5）设计立体仓库系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个立体仓库系统设计的核心工作。

（6）将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。

（7）立体仓库整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。

二、实验器材

2.1PLC要求：

西门子S7-200CPU226DC24V，外加一个数字量扩展模块EM223。

根据本次设计的立体仓库的输入、输出信号，其中外部输入元件包括：

检测元件、按钮、取、存、急停、限位开关等；输出有三个电机的正反向、动作指示等。

2.2立体仓库设备：

图

（1）

1-巷道式堆垛机；2-立体库架；3-水平驱动电机；4-手动操作盘；5-直流电源；6-电机驱动板；7-信号转换板8-空气开关

立体式仓储装置由二大部分组成，巷道式堆垛机、立体式货架。

（1）、巷道式堆垛机装置：

从前一单元的输送小车上使用叉子叉取料盘；

（2）、按照控制指令将料盘输送到指定库位。

（3）、巷道式堆垛机装置能够完成在输送小车与库位之间的料盘拿取、放送的操作。

2.3可编程计算机：

应选用安装有STEP7-Micro/WIN编程软件的计算机，在个人计算

机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学。

CPU通过PPI电缆或插在计算机中的CP5511、CP5611通讯卡通讯。

通过PPI电缆，可以在Windows下实现多主站通信方式。

三、硬件原理

3.1步进电机驱动系统的基本组成和工作原理及应用：

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，转子就转一步，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动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。

为了驱动步进电动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该立体仓库控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统。

步进电机驱动器是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：

控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。

所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

3.2反射式传感器的工作原理：

当物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原先的信号相比较，产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号相关的直流信号输出电平。

在该立体仓库中采用反射式传感器作为货物的检测装置。

3.3传感器的工作原理和应用

（1）反射式传感器的工作原理：

当物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原先的信号相比较，产生频

移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号相关的直流信号输出电平。

在该立体仓库中采用反射式传感器作为货物的检测装置。

（2）对射式传感器的工作原理：

当24V电压加到发光二极管LED1时，它将光发射给发光二极管LED2，LED2接收到光导通，三极管导通，输出为ON；当发光二极管LED1发射出的光被物体挡住使发光二极管LED2接收不到时，LED2不导通，三极管也不导通，输出为OFF。

在该立体仓库控制系统中，采用8个对射式传感器作为限位控制。

3.3.1PLCI/O点的选择

根据控制要求，将各输入设备和被控设备详细列表，准确的统计出被控设备对数需求量，然后在实际统计的I/O点数的基础上增加15%～20%的备用量，以便以后调整和扩充。

同时要充分利用好输入和输出扩展单元，提高主机的利用率，例如S7-200CPU224分为14输入、10输出，S7-200CPU226分为24输入、16输出，还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加I/O点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入。

在确定好I/O点数后，还要注意它的性质，类型和参数。

根据本次设计的立体仓库系统的输入、输出信号，其中外部输入元件包括：

检测元件、按钮、取、存、限位开关等；输出有三个电机的正反向、动作指示等。

具体I/O分布表，请看第四节控制系统设计4.3

四、控制系统设计

4.1传感器的分布

左右

水平传感器分布图

（2）

上

下

垂直方向传感器分布

图（3）

4.2行程开关的位置与编号上

前

左：

QS1右：

QS2左右

前：

QS3后：

QS4后

上：

QS5下：

QS6下

图（4）

4.3I/O分配表

输入

输出

启动

I0.0

入叉

Q0.0

过载

I0.1

出叉

Q0.2

下限位

I0.7

上升

Q0.1

后限位

I0.6

下降

Q0.4

左限位

I0.3

前进

Q0.6

前限位

I0.5

后退

Q0.3

下传感器

I0.4

上传感器

I0.2

还有中间继电器M0.0,M0.1,M0.2,M0.3,

4.4系统流程：

开始运行

图

（2）

4.6.2控制系统的设计思路

存货工作流程：

接通电源，通电状态下，各机构复位，X轴、Y轴、Z轴回复零位，堆垛机停在初始位置（入库口），按下启动按钮，系统开始工作。

存货：

按下启动按钮I0.0,执行存货指令，然后选择库位号{按货仓号进行存货}，X、Y轴电机运行至装/卸货台，Z轴电机正转伸入装货台内，Y轴电机上升将物体抬起，Z轴电机反转伸出装/卸货台并将物体带出，X轴、Y轴电机运行至所选库位号，Z轴电机正转送入物体,Y轴电机下降将物体放入库内，Z轴电机反转出库。

X、Y轴电机复位，堆垛机运行至入库口。

以此类推，进行循环存货。

以下是电机进行存货的程序图，以立体仓库的第一层一号和第二的二号货仓为例。

网络1到网络8为存货到货仓一，网络9到网络22为存货到货仓二。

4.5设计梯形图

4.6MCGS实现立体仓库工程画面

MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库窗口和运行策略五部分构成，每一部分分别进行不同的组态设计，完成不同的工作，具有不同的特性。

组成MCGS各要素间的关系如下图所示：

画面建立后的效果如图:

4.7立体仓库控制系统数据库的构造

总结

本文进行了基于PLC的立体仓库控制系统的设计与用组态软件MCGS实现监控系统仿真的设计，作了以下工作：

（1）查阅有关资料，收集和整理了国内外立体仓库的设计方案及监控管理的研究资料。

从而了解立体仓库的结构、存取工作要求以及工作流程。

（2）通过对立体仓库运行原理的分析，探讨了用可编程控制器PLC实现立体仓库控制系统的基本方法，实现了对2*3模型的控制，用可编程控制器PLC编写立体仓库控制系统，实现存取功能。

（3）学习了工控组态软件MCGS,探讨了MCGS实现仿真的方法和制作过程。

根据编写的PLC控制程序，通过计算机与PLC之间的串行通信交换信息，用PLC来控制“模拟”的立体仓库。

通过建立动画连接、设备连接与设置变量、构造实时数据库（设置变量与PLC的I/O分配一一对应）等实现画面模拟。

自动化立体仓库技术仍旧处于不断发展之中，今后将向两个方向发展：

一是开发存储大型物体，如整台汽车、大型模具之类的自动化仓库;另一个是开发对录音带、录像带或半导体器件之类的轻型或超轻量物体的小型自动化立体仓库。

随着科学技术的发展，自动化立体车库将逐渐向完整、人工智能化控制系统发展。

我国的自动化立体仓库监控系统结构模式,从20世纪80年代初期的集中控制式,发展到功能分布式,分层分布式,再发展到全开放的分层分布式,现场总线控制系统（FCS）,既提高了性价比,又提高了可靠性,实现了产品升级换代。

今后,随着中国企业规模的扩大和数量的增加,以及重视与合理利用土地这一稀缺资源的意识不断增强,具有节约土地资源优势、提企业管理水平的自动化立体库必将得到更广泛使用。

应用领域的进一步扩大,将对相应设备和技术提出新的、更高的要求,中国企业必须进行全面技术创新和产品升级,才能抓住时代的赋予。

对本人来说参加这个项目拓宽了本人的知识面，拓展了视野和思维。

在学习做事方面也更加认真、细心加大胆，也让我明白了自己动脑自己研究的乐趣。

总的来说，在这次PLC综合实训中，我收获到了许多，这其中不仅仅是对PLC系列软件的熟悉，还更多的学到了PLC在各种方面的用途，也加强了自己的动手能力，让我对PLC有了更近一步的了解。

同时也感谢白老师和王老师精彩的讲课，没有你们的辛勤付出，恐怕我是难以完成这份报告的。

但是由于是第一次制作，也有许多不足之处，还请老师指出。