立体仓库.docx

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立体仓库

2014届毕业设计说明书

PLC在立体仓库电气控制系统的设计及组态监控

院、部：

电气与信息工程学院

学生姓名：

夏昊

指导教师：

陈华容职称高级工程师

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气本1001

学号:

10401220155

完成时间：

2014年5月30日

摘要

随着社会的发展，科技的进步，传统仓库运行成本越来越高，让立体仓库有了飞速的发展。

而本次设计的主要内容就是设计一个具有自动化能力含有15个仓位的立体仓库。

设计所要用到的设备有：

可编程逻辑控制器（简称PLC），三相异步电动机，限位开关，直流电机，以及控制按键等。

此次设计的自动化立体仓库系统主要采用以PLC为控制核心，两台三相异步电动机为X,Y轴的货物移动设备，一台直流电动机则是实现货物Z轴方向的取送，而控制它们的指令则是由按键组成的控制面板发出；通过PLC的程序来实现自动化立体仓库的控制目的。

其PLC中的控制程序主要由手动模块和自动两大模块构成；手动模块是便于对立体仓库的设备的维修；而自动模块则是为了实现货物在立体仓库中的货物的自动存取。

本次设计程序采用PLC的编程软件GXDeveloper进行编写，并对该程序进行了仿真调试，程序调试结果符合设计要求；把修改好的控制程序下载到PLC实验箱中，结合MCGS组态监控软件观察动画模拟效果，从模拟效果中可以看到自动化立体仓库能够对货物进行自动存取；最终实现本次设计的控制要求。

关键词：

自动化立体仓库；可编程控制器PLC；梯形图；MCGS组态监控

Abstract

Withthedevelopmentofthesociety,theprogressofscienceandtechnology,thetraditionalwarehousemanagementcostishigherandhigher,letwarehousehaverapiddevelopment.Andthemaincontentofthisdesignistodesignacapableofautomatedstereoscopicwarehouse.Designforequipmenthas:

contains15positionsofthewarehouse,thecorrespondingPLC,three-phaseasynchronousmotor,limitswitch,dcmotor,andcontrolkeys,etc.

MainlyadoptsthedesignoftheautomaticstereowarehousesystemwithPLCascontrolcore,three-phaseasynchronousmotorfortheX,Yaxisgoodsmobiledevices,dcmotorisimplementedtaketosendthegoods,andcontroltheirinstructionismadebythecontrolpanelofbuttons;ThroughPLCprogramtorealizetheautomaticstereoscopicwarehousecontrolpurposes.ThePLCcontrolprogramismainlycomposedofmanualmoduleandautomatictwomodules;Manualmoduleistofacilitatethestereoscopicwarehouseequipmentmaintenance;Theautomaticmoduleistoachieveaccesstothegoodsinthewarehousethegoods.ThedesignproceduresofPLCprogrammingsoftwareGXDeveloperofsoftwaresimulationdebugging,theproblemsexistinginthedebuggingismodified;ThechangecontrolprogramdownloadedtothePLCexperimentbox;CombinedwiththeMCGSconfigurationmonitoringsoftwaretoobservethetherapeuticeffectsanimationsimulation.Fromsimulationresultscanbeseenintheautomatedstereoscopicwarehousecancarryontheautomaticaccesstothegoods;Finallyrealizesthecontrolofthedesignrequirements.

Keywords:

automatedmulti-layeredstorehouse;ProgrammablecontrollerPLC;Ladderdiagram;TheMCGSconfigurationmonitoring

1绪论

1.1我国立体仓库的历史及其发展趋势

自动化立体仓库又叫做高架仓库或者高架库，一般所指定都是几层，十几层甚至几十层高度的货架储存货物单元，用相对应的货物搬运设备进行货物的出入库作业的仓库。

自动化仓库的出现是对原有的传统仓储方式的一种颠覆，它是由高层货架，堆垛机，输送机构，下位控制系统以及计算机管理系统等部件组成，可以在上位机控制系统和下位机的控制下完成货物的自动存取作业。

自动化立体仓库最早出现在50年代的美国，而现在对它应用最广的是日本。

我国在70年代开始研究由计算机控制的自动化仓库系统，该系统是子啊80年代投入使用的。

经过大致的统计，到2010年底，我国的自动化立体仓库已超过1000座。

自动化仓库在我国应用很广，几乎所有的行业都会用到自动化立体仓库的身影。

主要应用行业有机械，化工，航天医药，食品加工，机场，港口等。

自动化立体仓库的研究和应用在我国经过了4个主要阶段：

（1）20世纪70年代，我过立体仓库的研究处于初级阶段，系统的研究和使用已经完成，但是受迫于当时的经济条件，所以应用十分有限。

（2）20世纪80-90年代，属于中级应用阶段，通过对国外技术的吸收以及和国内技术的融合，完成了第二代的技术研发，主要是基于PLC控制的立体仓库的系统。

（3）20世纪末至21世纪前5年，我国处于高速发展阶段，以联想公司为代表的自动化物流系统为起点，基于第三代检测技术得到全面的应用。

使这一时期的立体仓库得到了更加广泛的应用，使其发展速度有了质飞跃，每年有40左右的增长。

（4）21世纪初页，立体仓库进过了成熟应用阶段，每年有90套左右，到10年底，市场保有量1000套。

我国的自动化仓储技术已经基本成熟了，已经进入应用阶段。

与国外的先进技术的差距主要是速率，工艺和可靠性等方面。

1.2PLC的现状及其发展趋势

现今，随着大规模集成电路技术的发展,PLC由简单的一位机发展到现在的16位和32位机的专用化PC，实现了多CUP多通道处理数据。

PLC技术发展到现在已经非常的成熟了，不但控制能力强，功耗底，体积小，成本低，可靠性强，且编程方便。

使其在工业控制方面得到了广泛的应用，并成为了控制技术中的一大支柱行业。

目前，世界上有200多家PLC厂商，400多种各类型的PLC。

其中，主要分为三大类，分别是美系，日系，欧系。

他们占到了PLC市场份额的8成左右。

而我

国PLC产业经过多年的发展，也有了30多家的生产厂家。

PLC的未来的发展趋势；

（1）体积大小在产品的研发中有着两极分化的趋势。

一方面是向更小，性价比更高的方面发展；另一方面是向大型机，高速化，多CPU处理，大容量发展。

（2）向通讯网络化发展,分布式的协同合作。

PLC网络化控制是现在通讯网络化发展的主流。

PLC与PLC之间的网络通讯，PLC与上位机的联网通信已经得到了广泛的应用。

各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。

PLC已成为集散控制系统不可缺少的组成部分。

编程语言和工具的多样化及其标准化，多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。

1.3基于PLC控制的立体仓库的特点

（1）更低的投入成本，通过电力网进行通信，最大的特点就是便宜。

因为通过现成的电力网通信，不会再有通信设备的投资。

（2）范围广，因为只要有电力线路就会有电力通信网路。

这也是这项技术的优势所在。

而这项技术如果进行商业化，将会对现有的电信技术造成革命性的变革。

（3）高速度，利用现有的电力网上网能够提供高速的传输速度。

例如，德国电力设备供应商RWE，他们运用电力上网技术，是现在ISDN上网速度的30多倍，当然比ADSL更快。

因为有通信网络高速传输，所以对现有的PLC提出了更高更快的网络化通信要求。

（4）便捷，无论在何地，只要有电源插座，就可以进行网络化通信。

且永远在线，不需拨号就可以接入网络。

（5）相比单片机，PLC在整体的稳定性上更加可靠，而且编程更简单易读。

而相比PC，PLC的投入成本更低，在电网通信上比PC更有优势。

1.4组态软件的介绍和特点

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，监视与控制通用系统）是北京昆仑软件科技有限公司基于Windows平台自主研发的一套工控测控软件，主要用于产生上位机监控系统和快速构造的组态软件系统，完成现场数据采集与监测、前端数据的处理与控制。

MCGS组态软件包括三个版本，分别是通用版6.2嵌入版7.2、、网络版。

此次设计用到的是嵌入版7.2。

其中包括了MCGS组态环境和MCGS运行环境。

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

这种软件大多应用于工程上，像沥青仓库自动控制系统、天然气CIMS系统。

虽然软件中有图库，库里面都是工程专用的设备，比如电机，阀、储藏罐。

因此自动化立体仓库将要采用的图片都要自己做好，加载进去。

MCGS的主要特点：

（1）简单化操作窗口

MCGS组态监控软件主要采用了中文化、可视化、窗口化的工程界面，通过工程视窗，构建用户所需的动态界面，让MCGS的组态编辑工作变得既简单直观，又灵活多变。

用户可以使用MCGS的自省构架，也能够根据相关需要来配置图形界面，生成不同类型的图形界面。

包括LINUX风格和WINDOWS的经典图形界面，并且带有不同动画效果的工具栏和状态栏。

（2）实时性强和快速的并行处理能力

MCGS组态软件采用了Windows32位操作平台上的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程作为基本单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时分段的并行处理，使得PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。

（3）生成各种不同的多媒体动画

MCGS以图像、图符报表和曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息；通过对图形大小的变化、颜色的改变、明暗的闪烁、图形的移动反转等多种手段，增强画面的动态显示效果；在图元、图符对象上定义相应的状态属性，实现动画效果。

MCGS还为客户提供了丰富的动画构件，每个动画构件都应一个特定的动画功能。

MCGS还支持多媒体功能，使能够开发出集图像、声音、动画为一体的漂亮、生动的工程画面。

（4）开放式操作结构，强大的数据获取和处理功能

MCGS操作系统采用开放式结构，系统可以与广泛的数据源交换数据，MCGS提供多种高性能的I/O驱动；支持Microsoft开放数据库互连（ODBC）接，有强大的数据库连接能力；全面支持OPC（OLEforProcessControl）标准，即可作为OPL客户端，也可以作为OPC服务器，可以与更多的自动化设备相连接；MCGS通过DDE（DynamicDataExchange,动态数据交换）与其他应用程序交换数据，充分利用计算机丰富的软件资源；MCGS全面支持ActiveX控制，提供极其灵活的面向对象的动态图形功能，并且包含丰富的图形库。

（5）有效的安全机制

MCGS提供了良好的安全机制，为多个不同级别的用户设定了不同的权限。

此外MCGS还提供了工程密码，锁定软件狗、工程运行期限等功能，大大加强了保护组态开发者劳动成果的力度。

（6）网络功能的强大

MCGS支持TCP/IP、MODEN、RS-458/RS-422/RS-232等多种网络体系结构；使用MCGS网络版组态软件，可以在整个企业范围内，用IE浏览器方便的浏览到实时和历史的监控信息，实现设备管理和企业管理的集成。

（7）多类型化的报警功能

MCGS提供多种不同的警报方式，具有丰富的警报类型和灵活多样的警报处理函数。

不仅方便用户进行警报设置，并且实现了系统实时显示、打印警报信息的功能。

警报信息的存储与应答功能，为工业现场安全可靠地生产运行提供了有力的保障。

（8）完备的实时数据库

MCGS是由主窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，其中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的功用数据区，是整个系统的核心。

各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。

在生成用户应用系统时，每个部分均可分别进行组态配置，独立创建，互不干扰；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换，形成互相关连的整体。

（9）支持各种类型的硬件设备

MCGS针对外部设备的特征，设备工具箱，定义多种设备构件，建立系统与外部设备的连接关系，赋予相关的属性，实现对外部设备的驱动和控制。

用户在设备工具箱中可方便选择各种设备。

不同的设备构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系；而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其他构件和整个系统。

（10）方便控制复杂的运行流程

MCGS开辟“运行策略窗”口，用户可以选用系统提供的各种功能的策略构件，运用图形化的方法和类Basic语言构造多分支的应用程序，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据交换，实现自由，准确地控制运行流程，同时也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。

（11）良好的可维护性和可扩充性

MCGS软件系统由五大功能模块组成，主要的模块以及构件的形式来构造，不同的构件有着不同的功能，且各自的独立。

三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画构件和流程控制）的所有工作。

除此之外，MCGS还提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的用VB、VC等高等高级开发语言，编制特定的构件来扩充系统的功能。

（12）数据系统可靠性强

MCGS中数据不是普通文件的存储，而是用数据库来管理。

当组态工作时，系统会自动生成一个数据库，用来保存和处理数据对象和报警信息的数据。

利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率；同时，也使其他应用软件系统能直接数据库中存盘数据。

（13）设立对象元件库，组态工作简单方便

MCGS对象元件库，实际上是分类储存着的各种不同类型的组态图库。

当工程完成后，可以把制作好的数据对象以元件的形式存入图库中，以丰富自己的原件库，当需要使用时则直接调用。

经过大量的积累，对象元件库会变的越来越庞大，这样就会使的组态工作将会变得越发的简单实用。

（14）实现对工控系统的分布式控制和管理

考虑到工控系统今后的发展趋势，MCGS充分利用通信技术的DCCW（DistributedComputerCooperatorWork，分布式计算机协通工作方式）技术，使分布在不同现场的采集设备和工作站之间进行数据交换协同工作，不同的工作站间通过MCGS实时数据的传输，从而实现分布式控制管理。

如图1所示。

图1MCGS工控组态软件

2立体仓库的系统的总体设计方案

（1）首先明确本次设计的具体功能要求，然后根据要求去选择所需要的元器件。

而具体的实施过程是；确定I/O端子，通过I/O端子选择外部的输入输出设备。

根据功能要求，编写PLC控制程序；并对控制程序进行检测。

立体仓库的控制过程如图2所示，首先在控制面板上按下相应的仓位号，按键发出信号传递给控制器件PLC，PLC根据按键的输入，启动相关执行程序，传动原件在响应后开始动作，最终实现立体仓库的出入货。

图2整体控制系统框图

（2）本次设计中共需要十六个立体仓库，每个仓库位都有检测位置的位置传感器，仓库内有检测货物的微动开关。

0号仓库是整个立体仓库货物的输入输出口，立体仓库的结构体如图3所示。

图3立体仓库结构图

3系统硬件设计

3.1控制系统的设计

因为本次设计是基于PLC对立体仓库相关动作机构的控制，所以就得先给出仓库的整体控制系统结构图。

如图4所示。

图4控制系统结构图

3.2主要元器件的选择

通过对上图的了解，可以从中分析出自动化立体仓库系统所需的外部设备：

（1）立体仓库库体

立体仓库是由16个仓位组成，共分为5层，0号位的仓库是货物进出仓口且是堆垛机的初始位置，1至15号的仓库位都有各自的停车位。

每个仓库分别有相应限位开关和仓内货物检测开关，他们的作用则是停车位和货物检测。

立体仓库编号图如图5所示。

图5仓库编号图

（2）PLC控制器的选择

本设计是采用三菱公司的所生产的FX2N系列的PLC做为控制模块。

1、PLC选型的基本原则是:

在设计功能满足要求的前提下，尽量选择最可靠、便于维护使用及性价比最高的型号。

2、如果是在工作环境较好的工作现场，最好采用整体式的PLC；因为它在满足工作要求的前提下，相对与模块式的PLC要更便宜一些。

3、根据每个工程的安装方式的不同（分为集中式，远程I/O式和联网的模式三种），来选择所需的PLC。

4、在控制功能要求相对较低的工程中，简单的开关量控制就可满足，则尽量选用低档次的PLC。

FX2N系列共有6个不同档次的PLC，他们得到I/O端子分别为16点，32点，48点，64点，80点以及128点。

此外还有各类型的输入和输出扩展模块，这样在拓展项目功能的同时，不必改变PLC机型，就能实现相关拓展功能，降低了项目投入。

根据外部控制设备的要求，将工程所需的输出输入设备详细列表，准确的统计出PLC将要使用的I/O端子，其后在满足基本要求的前提下增加10%～15%的裕量，便于以后的功能拓展和维护。

拓展外部输入输出点的同时，要尽可能的提高主机的利用率。

确定好了I/O点数后，还得注意它的输入输出类型和参数。

到底是开关量还是模拟量，是交流还是直流以及电压大小的等级，同时还要注意输出端的负载的特点。

本次的立体仓库电气I/O输入输出信号分别是67个和21个。

其中的有货物检测元件、按钮、急停、限位开关、超限位保护等等输入元件；输出有三个电机的正反向、动作指示灯。

就位指示灯等等。

综上所述，I/O点选择不得低于88点。

根据实际情况，I/O点最终为110点。

本设计根据I/O的信号数量，类型及控制要求，同时考虑到维护和保养，改造和经济等诸多因素，PLC拟选FX2N-128MR外加拓展输入模块FX2N-16EX,就能满足设计要求。

且要检查拓展模块与基本单元之间电缆是否插好，在软件左侧工程数据列表里点参数PLC参数I/O分配，看看里面输入输出口分配是否正确。

（3）控制台

控制面板上设有按钮功能表、功能选择开关、仓位号显示、状态指示灯和操作键盘.如图6所示。

图6控制面板图

用户可以参考按钮功能表，拨动功能选择开关，并通过操作控制台上的键盘，将信号传送给PLC控制器，PLC控制将是否响应、如何响应的反馈信息传送给控制台的继电器电路，继电器电路将信号传送给直流电机，从而控制物品的取或送。

同时面板上的两个数码管可以对当前的仓位号显示出来，三个状态指示灯可以显示出此时处于“就绪”、“取”或是“送”的状态。

（4）三相异步电动机

三相异步电动机共有两个，分别为水平和垂直两个异步电机。

异步电机主要为本设计执行元件，至所以选择它是因为它的控制简单，在此立体仓库系统中，通过仓库位限位开关来对电机进行准确的定位。

此处所选用的电机型号是：

YLJW71-1.它的技术特点，额定功率:

10KW，额定电压:

380V,额定频率：

50HZ，额定转速是1440r/min。

（5）传送杆

传送杆主要是由水平和垂直的两部分组成，其采用的传动方式主要是丝杆传动（伸叉机构）和滚珠丝杠传动（XY轴移动）的方式。

（6）直流电机

主要采用的12V-24V为输入电压的直流电机，它的传动方式主要是丝杆传动，控制货台上货物的取出和送入，它的型号：

5D120-24GN-18S，额定功率：

2KW额定电压：

24V额定电流：

2A额定转速：

1800r/MIN。

（7）立体仓库的参数

表1立体仓库具体参数

出/入货柜台最重物品

500KG

每个仓位的高度

100CM

仓位的上下距离

30CM

仓位的平行距

30CM

仓位的体积

3M3

可编程控制器（PLC）电源

24VDC

堆垛机电源

220VAC,50Hz

3.3传感器和微动开关的选用

本次设计中主要采用了两种不同工作方式的传感器，分别是反射型的和对射式的传感器。

（1）反射式传感器的选择

在该立体仓库中采用欧姆龙EE-SPY402对射型、反射型接插件式传感器作货物检测，采用能抗外来光干扰的变光式；采用变调光式，和直流光式相比，它的抗干扰能力更强；所需电压为DC5-24V；带有易变光轴标识；带有便于调整，动作确认的入光显示灯；它的时光图和传感器的原理图如图7所示。

图7反射传感器时光图和传感器的原理图

它主要有三根连接线，红色线为电源的正极、黑色线则为负极、蓝色线作为输出信号，当挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。

表2反射式传感器的技术数据

（2）对射式传感器的使用

在本次设计中共采用8对射式传感器作限位控制及其超限保护，其中8个传感器分别作为X、Y轴的限位控制以及两轴的超限保护，当有光线输入时相应输出晶体管则为OFF；2只对射式光电传感器分别作为货架在X轴和Y轴的限位检测，当光线被挡住时晶体管则为ON，如果货架未能到达正确位置；或者X.Y的的限位开关出现故障，则是由超限保护来进行保护；Z轴电机将不能运转；确保不会损坏设备；4只对射式光电传感器作为Z轴的限位控制及其超限保护，当遮光时输出晶体管ON，其信号对应PLC的输入点是X4（后限位）和X5（前限位），当Z的的限位开关出现故障，则通过相应的超限保护来进行保护。

（3）微动开关的选择

在该立体仓库控制系统中共有16个仓位（五层十五个仓位加0号仓位）分别采用15只微动开关作为货物检测，当检测到货物时则会动作并发出信号，对应PLC的I/O输入点是X43-X47；