立体仓库PLC控制系统设计资料.docx
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立体仓库PLC控制系统设计资料
立体仓库PLC控制系统设计
一、立体仓库PLC控制系统
1、前言
2、立体仓库PLC控制系统发展现状以及趋势
（1）、现状
（2）、趋势
3、自动化立体仓库的功能
4、系统设计的基本步骤
5、元器件计算选型
（1）、PLC机型的选择
（2）、步进电机的选择
（3）、步进电动机驱动器的选择
（4）、传感器的选择
（5）、微动开关的选择
（6）、并联型开关稳压电源
6、PLC输入输出分配表
二、系统硬件设计
1、电气原理图的设计
2、主电路图的设计
三、系统软件设计
1、系统流程图
2、PLC软件梯形图
一、立体仓库PLC控制系统
1、前言
随着企业的持续稳定发展，经济全球化步伐也迅速，我国的工业也出现了翻天覆地的变化，一方面高科技的加工工艺越来越得到推广，加工效率也得到了大大的提高。
与此同时原有的物流和仓储系统已不能满足新形势的要求,建立一个集物流、信息流和资金流于一身的自动化物流管理中心,从而降低企业综合物流成本,提高企业综合效益便成为目前亟待解决的问题。
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，而且自动化立体仓库是现代物流与仓储系统的重要组成部分，具有货物存取效率高和自动化程度高、很强的入出库能力等优点。
而PLC功能强大，可靠性高，抗干扰能力强，维修方便，易于实现机电一体化。
完全满足立体仓库工作环境和控制系统的要求。
2、立体仓库PLC控制系统发展现状以及趋势
（1）、现状
立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。
50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；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仓库。
此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。
60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。
我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963研制成第一台桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所），1973开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械部起重所负责），该库1980年投入运行。
到2003年为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。
现在，自动化物流技术和成套设备的研发已经发展成了一个庞大的产业。
目前，国外自动化立体仓库采用扫描技术，提高信息的传输速度和准确性：
采用射频数据通信技术，数据的采集、处理和交换能够在搬运工具与中央计算机之间快速进行，使物品的存取和发送信息做到快速、实时、可靠和准确。
另外，近年来迅猛发展的多媒体技术也在自动化立体仓库中得到越来越广泛的应用，普遍应用于人员培训、操作指导、远程现场监视、异地故障分析和诊断及防火防盗等方面。
但是国内的自动化立体仓库系统具有一定的局限性，主要以单机为主，系统整体的集成能力和集成水平低；因为资金不足，许多外围设备如AGV系统、码垛和拆垛等无法应用于物流系统，从根本上限制了这些设备的研制和发展；仓储作业的计算机管理水平较低。
因此不论从自动化物流系统的设备品种及技术水平，还是在应用的广度和深度上与国际水平都还存在着相当大的差距。
（2）、趋势
随着自动化技术和信息技术在自动化立体仓库广泛运用，自动化立体仓库的发展将呈现以下趋势：
a）仓储作业管理自动化水平将会逐步提高
b）智能技术将会获得应用。
c）仓库作业向柔性化方向发展
d）建设自动化立体仓库方面更加注重实用性和安全性
3、自动化立体仓库的功能
1）堆垛机要有三个自由度，即：
水平、垂直、前后
2）堆垛机的运动由步进电机驱动
3）堆垛机水平运动和垂直运动可同时进行
4）堆垛机前进、后退和垂直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。
本课题设计的具体控制功能如下：
（1）将选择开关置于自动位置，通电状态下，各机构复位，即返回零位。
立体仓库坐标定位以零位开始。
（2）当送货的时候，选择欲送货物的仓位号，按动仓位号对应的按钮，再按送货按钮后，货物自动送入指定的仓位号对应的仓库位里。
若被指定的仓位号里有货物，则送货命令不被执行。
送货完成后，小车自动返回原来的位置。
（3）当取货的时候，选择欲取货物的仓位号后，按动取货按钮后，堆垛机可以自动将货物取出。
如果小车里有货物，则取货命令不被执行。
（4）取货和送货指令完成后，机构自动返回原来位置。
（5）整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。
以6号仓库的送货、取货为例说明：
（1）、送货状态：
当启动电源选择送货时，按作用下6号仓库按键（I1.3），微动开关检测0号仓库有货物时（I2.2），微动开关检测6号仓库无货物时（I3.0），小车由提供水平方向动力的步进电机的作用下，和传感器对小车的前进限制（I3.7）作用下小车向右移动2个货位位置；再由提供垂直方向的动力的步进电机的作用下，和传感器对小车的向上限制（I4.2）作用下小车向上移动1个货位，移动到6号仓库。
最后由提供前后方向动力的步进电机的作用下，和传感器对小车的送进限制（I4.5）作用下小车将货物送进到6号货仓。
小车从原路返回，与上述步骤相反，小车复位。
（2）、取货状态：
当启动电源选择取货时，按作用下6号仓库按键（I1.3），微动开关检测0号仓库无货物时（I2.2），微动开关检测6号仓库有货物时（I1.3），小车由提供水平方向动力的步进电机的作用下，和传感器对小车的前进限制（I3.7）作用下小车向右移动2个货位位置；再由提供垂直方向的动力的步进电机的作用下，和传感器对小车的向上限制（I4.2）作用下小车向上移动1个货位，移动到6号仓库。
然后由提供前后方向动力的步进电机的作用下，和传感器对小车的取出限制（I4.6）作用下小车将货物从6号货仓取出。
小车从原路返回，与上述步骤相反，小车复位。
4、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。
立体仓库系统设计与调试的主要步骤，如图所示：
5、元器件计算选型
（1）、PLC机型的选择
PLC的选型
1，输入输出点数：
所谓的输入输出点数指的是整个控制系统需要用到的PLC的输入点个数和输出点个数。
一般来说，当然是预先设计好整套系统方案，然后算出所有的输入输出点个数，如果是第一次设计的方案，建议预留点数。
经过估算本设计中需要输入端口40个，输出端口9个。
2，输出触点类型：
是继电器输出类型还是晶体管输出类型。
根据所控制的执行机构电源电压及功率来决定输出触点类型，如果系统里有需要用到高速脉冲输出控制步进电机或伺服系统时，一定要选择晶体管输出类型。
本设计因为有步进电机的控制所以选择晶体管输出类型。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。
S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
S7系PLC有专门的高速脉冲输出端，可以方便的完成步进电机的控制。
根据控制功能要求选择微型PLC。
微型PLCS7-200系列可编程控制器主机分为10、14、24、40点四档，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。
本课题设计的立体仓库控制系统有输入信号40个，输出信号9个。
所选I/O点不得低于49点，结合实际情况，考虑到经济实惠所选本系统所采用的PLC是西门子S7-200CPU226DC24V，外加一个数字量扩展模块EM223。
（2）、步进电机的选择
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。
当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。
因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。
在该立体仓库控制系统中的步进电动机采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的2相8拍混合式步进电机，它的主要特点：
体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。
型号：
42BYGHl01。
（3）、步进电动机驱动器的选择
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3-10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。
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。
（4）、传感器的选择
在该立体仓库中采用欧姆龙EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式传感器作货物检测，它是日本欧姆龙公司的产品，采用能抗周围外来光干扰的变调光式；采用变调光式，与直流光式比，不易受外来光干扰的影响；电源电压为DC5-24V的大量程电压输出型；带有容易调整的光轴标识；带有便于调整，动作确认的入光显示灯；反射式传感器的时间图和输出回路图如图所示。
反射式传感器的时间图和输出回路图
它有三根连接线（红、蓝、黑），红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。
（5）、微动开关的选择
在该立体仓库控制系统中共有13个仓位（四层十二个仓位加0号仓位）分别采用13只微动开关作为货物检测，当有货物时相应开关动作，其信号对应PLC的输入点是I22-I36；另外为保险起见，在X轴的左限位和Y轴的下限位处还分别加装了1只微动开关作限位保护，以确保立体仓库在程序出错时不损坏；微动开关原理图如图所示。
微动开关原理图
（6）、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。
6、PLC输入输出分配表
根据系统的要求，系统的I/O分配见下表所示
PLC输入输出分配表
I0.0
启动
I2.1
12号仓库的键
I4.2
小车向上限制
I0.1
手动/自动
I2.2
微动开关反映0号仓库
I4.3
小车向下限制
I0.2
取出
I2.3
微动开关反映1号仓库
I4.4
小车向下超过
I0.3
送进
I2.4
微动开关反映2号仓库
I4.5
小车送进限制
I0.4
取消
I2.5
微动开关反映3号仓库
I4.6
小车取出限制
I0.5
急停
I2.6
微动开关反映4号仓库
I4.7
小车取出超过
I0.6
1号仓库的键
I2.7
微动开关反映5号仓库
Q0.0
前进
I0.7
2号仓库的键
I3.0
微动开关反映6号仓库
Q0.1
后退
I1.0
3号仓库的键
I3.1
微动开关反映7号仓库
Q0.2
向上
I1.1
4号仓库的键
I3.2
微动开关反映8号仓库
Q0.3
向下
I1.2
5号仓库的键
I3.3
微动开关反映9号仓库
Q0.4
送进
I1.3
6号仓库的键
I3.4
微动开关反映10号仓
Q0.5
取出
I1.4
7号仓库的键
I3.5
微动开关反映11号仓
Q0.6
显示取出
I1.5
8号仓库的键
I3.6
微动开关反映12号仓
Q0.7
显示送进
I1.6
9号仓库的键
I3.7
小车前进限制
Q1.0
显示操作错误
I1.7
10号仓库的键
I4.0
小车后退限制
I2.0
11号仓库的键
I4.1
小车后退超过
二、系统硬件设计
1、电气原理图的设计
根据立体仓库的课题设计要求，得出如下图电气原理图。
电气原理图
2、主电路图的设计
主电路图
三、系统软件设计
1、系统流程图
根据系统工作过程的分析得出，示意图所示。
系统软件流程图
取操作：
送操作：
2、PLC的软件设计
------备注：
软件梯形图以6号货位的存取为例，简化软件图
见附录1
结论
本系统通过最终调试表明本控制系统能够较为准确地完成对货物的存取功能，而且运行比较灵敏、可靠、。
但同时也暴露出了一系列问题，在具体应用中可以采用半闭环控制，传感器采用旋转编码器，旋转编码器安装在传动丝杠轴端，既能判定速度，又能确定位置，比较精确可靠。
驱动采用步进电机驱动，转速可以提高，力矩也较大，灵敏度也高，更接近与实用。
另外在工作台上安装机械自锁，以提高安全。
在智能化上可以提高，在工作台上安装接近传感器，防止工作台与仓库、存放货物等相撞。
增加记忆、逻辑判定、自动存放、自动提取、采用条形码识别自动执行等方式。
利用上位机编程组态软件，来提高控制方式增加数据分析等工作能力。
附录1：
专业设计任务书、指导书
专业设计题目：
立体仓库PLC控制系统设计
Ⅰ.专业设计任务书（学生姓名：
陈帅，杨亚松，朱植建）
一、专业设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作量）
1．专业设计的内容
实现基于S7-200立体仓库系统控制设计。
进行立体仓库控制系统研究和分析；进行PLC应用研究和分析；进行立体仓库PLC系统硬件设计，PLC软件编程设计，对程序进行调试。
交流异步电机参数：
两台20kw电机,额定电压为380V，额定电流为30A。
另一台10kw电机,额定电压为380V，额定电流为15A。
2．专业设计的要求
立体仓库主体由库体运动机械及电气控制等三部分组成。
货架为4列3层，共计12个货位，堆垛机的主要工作过程如下：
（1）送货：
接受送货到相应货位的命令，堆垛机进入巷道，到相应列，升降台沿立柱作升降运动，运动到目的货位后，送料装置开始运动，执行送货操作。
执行完送货操作后，送料装置回原位，升降台回原位，堆垛机回原位，
（2）取货：
接受从相应货位取货的命令，堆垛机进入巷道，到相应列，升降台沿立柱作升降运动，运动到目的货位后，取货装置开始运动，执行取货操作。
送料装置回原位，升降台回原位，堆垛机回原位，完成取货操作。
控制方式分手动和自动两种。
二、专业设计参考资料
[1]张佩勤、王连容等.自动装配与柔性装配技术.机械工业出版社,1998
[2]龚炳铮等.机电一体化技术应用实例.机械工业出版社,1995
[3]陈立定，吴玉香等.电气控制与可编程控制器.华南理工大学出版社，2001
[4]胡昌思.全新概念的自动化立体仓库.制造业自动化,2002（7）
[5]王霄、段智敏.自动化立体仓库的设计.沈阳工业学院学报,2004
（2）
[6]张维君，索世文等.PLC在自动化立体仓库控制系统中的应用.机械设计与制造，2004.2
[7]周兴万.自动化立体仓库中堆垛机的位置定位和速度控制.基础自动化，1998（6）
[8]郭润夏.PLC在立体仓库自动控制系统中的应用.广东自动化与信息工程,2005（4）
Ⅱ.专业设计指导书
一、专业设计要点、设计步骤
1.专业设计要点
（1）根据立体仓库工艺特点写出其控制要求；
（2）元器件计算选型；
（3）硬件电路设计；
（4）软件流程图；
（5）PLC软件程序设计。
2.专业设计步骤
（1）了解立体仓库控制系统发展现状；
（2）根据立体仓库工艺特点写出其控制要求；
（3）元器件计算选型；
（4）写出PLC的I/O定义表，
（5）主电路设计，PLC硬件电路设计；
（6）画出其软件流程图；
（7）熟悉Micro/Win32PLC编程软件；
（8）编写PLC控制程序及调试。
二、主要技术关键的分析、解决思路
1．主要技术关键的分析
根据立体仓库工艺特点进行分析，得到其对控制的控制要求，根据堆垛机能够运送货物的重量来进行相应的元器件计算选型，根据所选元器件进行硬件主电路设计和PLC硬件电路设计,根据控制要求画出软件流程图，进行软件程序设计和调试。
2.解决思路
通过查阅相关资料（包括立体仓库工作原理、元器件计算选择示例、PLC硬件电路设计实例和PLC软件例程），进行立体仓库系统分析，学习如何进行相关内容的设计。
三、专业设计进度安排
起迄日期
工作内容
2013年11月9日～2013年11月23日
熟悉题目，查阅文献资料
2013年11月24日～
2013年12月15日
总体设计，写出控制要求，元器件计算及选型，列出系统使用元器件表，PLC的I/O定义表
硬件电路设计、画出硬件原理图（主电路图，PLC实际接线图）
画出软件流程图、软件设计及调试
2013年12月16日～2013年12月19日
完善所设计部分内容，编写设计报告
2013年12月20日
提交设计报告，设计答辩
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