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垂直升降货柜自动控制系统设计论文资料
毕业设计报告（论文）
报告（论文）题目：
垂直升降货柜自动控制系统设计
作者所在系部：
机械工程系
作者所在专业：
测控技术与仪器
作者所在班级：
B08121
作者姓名：
韩琦文
作者学号：
20084012113
指导教师姓名：
刘宝华
完成时间：
2012.6.11
北华航天工业学院教务处制
北华航天工业学院
本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文）《垂直升降货柜自动控制系统设计》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。
对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
因本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。
本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。
本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。
本人同意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。
特此声明
毕业设计（论文）作者：
指导教师：
年月日年月日
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西门子系列PLC作为核心控制元件，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
Abstract
WiththedevelopmentofChina'seconomy,thegoodsreservesareincreasinglyprominent,andthisissuecanbeeffectivelyimprovedbydevelopingthree-dimensionalwarehouse.Thewarehousemodelcontrolsystemisdesignedaccordingtothebasicprincipleoftheautomatedwarehouseoperation.Theentirecontrolsystem,SiemensseriesPLCasacoreelementtocontrolthesteppermotortodriveawarehousemodelhasthreedegreesoffreedomtodothree-dimensionalmotioninthehigh-strengthrail.AddresscodeviathekeyboardforeachpositiontobebasedonthenumberofpulsesperrevolutionsteppermotoroutputcommandkeyboardscanthroughthePLCandthecorrespondingpositionnumber,whenthePLCreceivesinputfromthekeyboardcommand,outputthecorrespondingpositionsofthenumberofpulsestosetthedirection,drive,driveasteppermotortorotateacertainangle,andthencontrolthetransmissionpartsscrewrotationforaccuratepositioninginordertocompletetheaccessfeaturesofthegoods.Inaddition,inordertoensurethestabilityandreliabilityoftheentirecontrolsystemisrunning,wealsoadoptedalimitswitchesitslimitprotection.
Throughthedebuggingofthesystem,thewarehousemodelcontrolsystemthroughthemanualandautomaticcontrolmodeismoreaccurateaccessofgoods.Thissystemnotonlyforthedemonstrationoftheautomatedteachinginstrument,youcanalsomakeatechnicalreferencefortheconcreteimplementationoftheautomatedwarehouse.
Keywords:
automatedwarehouseprogrammablecontroller（PLC）robotmodulessteppermotordriver
第1章绪论
当今社会仓储、物流等概念已经逐渐为广大公众所了解，其相应的管理技术也在许多大、中型企业中付诸实施。
计算机自控技术的飞速发展，为现代企业的物流管理提供了重要的技术支持。
自动化立体仓库就是自控技术在物流管理上的一个很好的应用。
自动化立体仓库不仅具有节省用地、减轻劳动强度、提高物流效率、降低储运损耗、减少流动资金积压等功能，而且在沟通物流信息、衔接产需、保证生产均衡、合理利用资源、进行科学储备与生产经营决策等方面发挥着独特的作用，使人们真正享受到现代计算机技术应用于企业物流管理的益处。
自动化立体仓库是融计算机网络数据库管理技术、自动控制技术、通讯技术、机电技术为一体的综合系统，科技含量高，并具有一定的复杂性。
本文的研究对象垂直升降货柜堆垛机，或称巷道车是自动化立体仓库的主要存取设备，直接执行出、入库等任务的操作，因此其控制系统的灵活性、稳定性直接彰响着整个系统的运行状况。
1.1自动化立体仓库定义
在现代物流系统中，自动化立体仓库是一个重要的组成部分，它是一种新型的仓储技术，自动化立体仓库又称为自动存储/检索系统（AutomatedStorage/RetrievalSystem，即AS/RS），它是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工程。
它以高层货架为主要标志，以成套先进搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术为主要手段，由此组成高效率的物流、大容量的科学的存储，以适应现代化生产的需求。
1.2立体仓库的历史沿革
高层货架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。
在生产发展的实际需要和科学技术发展的现实可能情况下，上世纪五十年代初开始出现了自动化立体仓库，并在实践中显示出了其优越性，随即得到迅速的推广和发展。
1950年美国首先产生了手动控制的桥式堆垛起重机，这种起重机的大梁上悬挂一个门架（立柱），利用门架的上下和旋转运动来搬运货物，与此同时也提出了高层货架的新概念，被认为是自动化仓库的雏形。
1960年左右在美国开始出现了没有大梁的由人工操作的巷道式垂直升降货柜堆垛机。
随着立体仓库的发展，巷道式垂直升降货柜堆垛机逐渐代替了桥式货柜堆垛机。
1963年美国的一个食品厂在仓库工作中采用电子计算机，成为世界上最早的全自动化仓库。
此后，从1963年开始，在欧洲各国，由于用地紧张，开始计划建造2530米的高层自动化仓库。
从1967年开始，相继完成了一些计算机管理和计算机控制的全自动化仓库。
1970年安装了由货架支承式改变为地面支承式的高度达40米的垂直升降货柜堆垛机。
上世纪70年代还提出了采用50米高垂直升降货柜堆垛机的可能性，进入90年代后，垂直升降货柜堆垛机在使用范围和性能上有了很大的发展。
在日本，从1967年开始安装了高度为2025米的高层垂直升降货柜堆垛机，1969年出现了联机全自动化仓库。
此后，日本的自动化仓库技术和设备的台数都有了突飞猛进的发展，在各个部门都安装了各种各样的垂直升降货柜堆垛机。
特别是1973年建成了一座贮藏生鲜食品的自动化冷藏库。
这是世界上第一座温度在零下40摄氏度的极低温仓库，解决了低温条件下垂直升降货柜堆垛机工作的可靠性和技术方面的问题，取得了引人注目的成果。
日本的自动化仓库技术和自动化仓库的拥有量位居世界前茅。
美国学者J.A.White将自动化技术在仓储领域（包括立体仓库）中的发展分为五个阶段：
人工仓储阶段，机械化仓储阶段，自动化仓储阶段，集成化仓储阶段和智能化仓储阶段五个阶段：
第一阶段是人工仓储技术阶段，在这一阶段物资的输送、存储、管理和控制主要依靠人工实现，至今国内外生产和服务行业中的许多环节都是这一技术的实例，它具有直观、便于联系、减少了过程衔接之间问题等优点。
第二阶段是机械化仓储阶段，它包括通过各种各样的传送带工业输送车机械手吊车垂直升降货柜堆垛机和升降机来移动和搬运物料，用货架托盘和可移动式货架存储物料，通过人工操作机械来存取设备，用限位开关、螺旋机械制动和机械监控器等来控制设备的运行。
这一阶段经历的时间比较长。
第三阶段是自动化仓储技术阶段，上世纪五十年代末、六十年代初，相继研制和采用了自动导引小车（AGV）、自动货架、自动识别和自动分拣系统。
到了七、八十年代，寻砖石货架、移动式货架、巷道式垂直升降货柜堆垛机和其他搬运设备都加入了自动控制的行列，但这时只是各个设备的局部自动化并各自独立应用，被称为“自动化孤岛”。
随着计算机技术的发展，工作的重点专线物资的控制和管理要求实时、协调和一体化。
信息自动化技术逐渐成为仓储自动化技术的核心。
计算机之间，数据采集点之间，机械设备的控制器之间以及它们与计算机之间的通信可以及时地汇总信息，仓库计算机及时地记录到货和出货时间，先是库存量，管路人员随时掌握货物信息和库存信息。
信息技术的应用已经成为仓储技术的重要支柱。
第四阶段是集成自动化阶段，在七十年代末和八十年代，自动化即被越来越多地应用到生产和分配领域，“自动化孤岛”被集成，在集成化系统中，整个系统的有机协作，使总体效益和生产的应变能力大大超过了个部分独立效益的总和。
上个世纪70年代初期，我国开始研究巷道式垂直升降货柜堆垛机的立体仓库，1980年由北京机械工业自动化研究所等单位研制成的我国第一座自动化立体仓库在北京汽车制造厂投产。
从此以后，立体仓库在我国得到迅速发展。
据不完全统计，目前我国已建成的立体仓库近三百座，其中全自动的立体仓库有三十多个。
我国自动化仓库技术已实现了与其他信息决策系统的集成，正在做智能控制和模糊控制的研究工作。
第五阶段是智能自动化仓储技术阶段，人工智能技术的发展推动了自动化向更高级的方向-智能自动化方向发展。
现在，智能自动化仓储技术还处于初级阶段，随着仓储技术的发展，仓储技术的智能化将有更广阔的前景。
1.3国内外自动化立体仓库的发展现状
目前，自动化立体仓库在发达国家已相当普遍，日本是自动化仓库发展最快，建造数量最多的国家。
此外美国、德国、瑞士、意大利、英国和法国等国家也建造了许多自动化仓库。
发展至今，自动化仓库在设计、制造、自动化控制和计算机管理方面的技术也日趋成熟。
在总体设计方面，国外己有采用计算机辅助设计的（CAD），即根据约束条件来确定最佳的货架高度、巷道数量、货架尺寸和货柜堆垛机数量以及出入库运行系统的参数，并用计算机模拟技术来考核仓库的功能。
货架在国外己系列化、标准化，对货架的承载能力（包括抗震）进行了很多实验研究（包括破坏性实验），货架计算采用计算机程序。
堆垛机产品己经走入系列化，运行噪声低，备有各种安全保护装置，调速性能好。
一般都具有完善的货物位置检测和货物尺寸检测。
国外立体仓库普遍采用抗干扰能力强、工作可靠的可编程控制器来控制货柜堆垛机和出入库系统，并且用计算机进行货位管理和库存管理，仓库管理计算机与上级管理机联网并能与控制系统相接，实现在线控制。
例如，日本名古屋附近的三菱汽车装配总厂的自动化立体仓库，其自动化程度就非常高。
这座装配厂每天（16小时）生产11520辆汽车，在长达两公里的巨大输送带上，能同时装配5种完全不同车型的汽车，半成品装配件（除车体在生产线上进行焊接外）完全来自于立体仓库，仓库的库存量只能维持两天的生产，需要不断的进库补充，这样大的进、出库量及名目繁多的部件是人工无法胜任的。
在采用了计算机控制的进出库情报资料和库存情报处理技术和先进的智能控制技术后，这一切得到了很好的解决。
现在国外各发达国家在自动化仓库技术中投入大量资金，在仓库自动化过程各个环节即输入、储运、输出上采用新技术。
这些新技术集中有以下几种:
.自动导向小车系统（AutomatedGuidedVehicle）
.磁性导轨装置
.激光扫描仪（LaserScanner）
.条形码识别（Bar-codeLabels）
.命令拣选系统（Order-PickingSystem）
.储运机器人
.机械手
.智能卡车
1.4本文主要研究内容
本文主要研究的是PLC在货柜堆剁机定位控制系统中的应用。
其中堆剁机设计成3自由度的系统,货物放在升降台的货叉（机械手）上能实现上下、左右及前后的运动。
输入对应的仓库号，就可以自动存/取货物。
第2章垂直升降货柜定位控制的总体设计
2.1垂直升降货柜堆垛机概况
垂直升降货柜堆垛机是自动化立体仓库中的主要设备,仓库中所有货物的入库、出库等作业都必须通过垂直升降货柜堆垛机完成。
自动化立体仓库在机场码头、造纸、设备维修、轮胎制造、制药、啤酒厂等几乎所有行业（只要需要仓储）,有着十分广泛的应用。
自动化立体仓库具有占地面积小、自动化程度高、可以由上位机管理系统对整座仓库进行统一调度及控制。
垂直升降货柜堆垛机控制系统的工作效率、可靠性及稳定性等的优劣在自动化立体仓库系统中起着至关重要的作用。
2.1.1垂直升降货柜堆垛机的研究现状
垂直升降货柜堆垛机的机械部分由运行机构、起升机构、伸叉机构及载货台和机架组成。
它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。
尽管各厂家各有独创，结构形式有些差异，但可以说大同小异，所有的垂直升降货柜堆垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成。
随着微电子技术的应用和发展，计算机控制的垂直升降货柜堆垛机日益增加，最新的开发包括提高电子和控制技术，在使垂直升降货柜堆垛机具有更高定位精度的同时，提高搜索能力和运行速度。
而且，垂直升降货柜堆垛机的结构也有了较大的改变，不断推出具有新的物理外形和更高性能的设备。
随着大、中、小型立体仓库不断的建立，垂直升降货柜堆垛机也由货架支撑式改变为地面支撑式，从而出现了形态各异的垂直升降货柜堆垛机。
单立柱垂直升降货柜堆垛机应用日益广泛，不断体现出优越性。
初期的立体仓库使用的垂直升降货柜堆垛机以桥式起重机为基础，这种垂直升降货柜堆垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架（立柱），利用门架的上下和旋转运动来搬运货物。
1960年左右，美国出现了没有大梁的巷道式垂直升降货柜堆垛机，这种垂直升降货柜堆垛机是在地面上的导轨上行走，利用货架上边的导轨防止倾倒，或者相反，在上边的导轨上行走，利用地面的导轨防止倾倒。
随着立体仓库的发展，巷道式垂直升降货柜堆垛机逐渐代替了受重量和跨度限制的桥式垂直升降货柜堆垛机。
目前在垂直升降货柜堆垛机方面也不断推出具有新的物理外形和更高性能的设备。
最新的开发包括提高电子和控制技术，在使垂直升降货柜堆垛机具有更高定位精度的同时，提高搜索能力和运行速度，以期获得更短的操作周期和更大的生产能力。
目前，巷道式垂直升降货柜堆垛机的起升速度己经可以达到90m/min，运行速度达到240m/min,货叉伸缩速度达到30m/min。
在有的高度较大的立体仓库中，采用上、下两层分别用巷道垂直升降货柜堆垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力。
现在运用比较成熟的控制方式是用PLC（可编程控制器）作执行机的控制器，或单机控制，或由PLC配置通讯模块联机控制。
由于PLC专为工业环境下应用设计，具有可靠性高、通用性强、维护工作量小等优点。
监控机对货柜堆垛机的控制通过与PLC通信实现。
PLC由于体积小，可读性好，可靠性高，抗干扰能力强，编程简单而在工程实际中大量应用。
PLC控制中货柜堆垛机的认址方式一般采用绝对认址与相对认址混合方式，位置定位通过两对光电开关实现。
2.1.2垂直升降货柜控制系统的功能
在自动化立体仓库的物流输送过程中，垂直升降货柜堆垛机实现货物在各出入库端到货格的搬运，其基本功能包括以下几个部分：
（1）三维动作控制控制垂直升降货柜堆垛机在水平、垂直、左右方向的运行；
（2）位置控制控制垂直升降货柜堆垛机以适合的速度运行并精确的定位在货格或入出库口处；
（3）通讯功能垂直升降货柜堆垛机与上位机和其它仓库设备的通讯；
（4）保护功能提供各种电气和机械保护，保证垂直升降货柜堆垛机在高速、频繁的运行和取送货过程中不会发生事故；
（5）人机界面通过HMI或其它输入和显示设备，提供本机或遥控操作及向操作人员提供垂直升降货柜堆垛机。
2.1.3垂直升降货柜堆垛机机械结构
如图2-1所示，目前所用的垂直升降货柜堆垛机基本结构主要由机架、运行机构、起升机构、载货台、货叉、电器设备及各种安全保护装置等组成。
框架：
垂直升降货柜堆垛机的框架是由立柱、上横梁及底座组成的长方形框架结构。
框架沿天地轨运行，为防止框架倾倒，在横梁上都装有导向轮。
运行机构：
运行机构由电机变速箱、行走轮、导向轮等组成。
在底座下有行走轮，其侧面有导向轮，保证垂直升降货柜堆垛机能正常行驶。
起升机构：
起升机构主要由步进电机，丝杠和光杠等组成。
载货台:
载货台为装载平台。
.
1——底座2——载货台3——上横梁4——控制垂直运动的步进电机
5——丝杠6——货叉
图2-1垂直升降货柜堆垛机的结构
而本文设计的智能立体仓库比较简单，相同堆剁机的结构也没有这么复杂，后面有具体的介绍。
2.2定位自控系统总体设计
企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得仓库成为生产物流系统中的一个重要不可缺少的环节。
立体仓库正以它最小的占地面积和最佳的空间利用率，逐渐代替面积利用极低且陈旧落后的平面仓库，这种替代逐渐促使仓储物流业水平的提高。
为满足现代化生产和流通的需要，就必须采用以计算机控制技术为主要手段组成的自动化立体仓库。
自动化立体仓库为现代物流系统的主要设备，是一种多层存放货物的高层仓库系统。
也是CIMS的集成环节之一，再FMS和FAS中占有非常重要的地位。
作为一个定位控制系统，必须实现的目标如下：
（1）能满足一般控制系统要求的自动、手动的控制功能；
（2）能根据使用者发出的指令做出相应的动作；
（3）能够根据实际的情况进行自动的校正。
而本文设计的智能立体仓库远没有那么复杂，主要有货架、货柜堆垛机、自动控制装置等部分组成，有自动和手动两种操作方式。
货柜堆垛机是可以三维运动的垂直升降货柜堆垛机，它由固定在小车上的作上下运动的升降台和在升降台上作伸缩运动的货叉（机械手）等三部分组成。
货物放在升降台的货叉上能实现上下、左右及前后的运动。
根据设计要求将整个定位控制的全过程分成多个阶段：
小车前进到指定的货架列的过程，将货物抬升到指定的行的过程，机械手放置或取回货物的过程，放置或取回货物之后返回的过程。
在各个阶段，对象的特性相对稳定，并且在前进和抬升货物的过程中控制方面是基本一致的。
下面对各个阶段进行简单的介绍。
1.前进的过程：
在这个过程中，无论是自动或是手动状态，小车都是有起始点出发，经过位置的校对，到达预先制定的货架的列。
2.抬升货物的过程：
在这个过程中，货物被抬升到指定的行。
3.存取货物的过程：
在这个过程中，通过控制机械手臂的运动，是机械手到达预先指定的位置，然后根据实际的需要完成存放或者取得货物的操作。
4.返回的过程：
在完成制定的操作之后，应该返回到起始的位置。
2.3系统硬件设计方案
2.3.1控制核心单元的选择
控制核心单元是整个控制系统的“大脑”，随控制形式的不同而不同，可以是继电器组成的逻辑电路，可以是可编程控制器，也可以是单片机系统。
继电器控制最早出现于1863年电磁继电器发明以后，在早期的立体仓库中继电器控制形式比较常用。
继电器控制系统就是把各种继电器、接触器、开关及其触点，按照一定的逻辑关系连接在一起构成具有简单控制功能的逻辑电路。
它具有价格低廉、维护技术要求不高的优点，但功能不易扩展、布线连接不易更新、可靠性不高，该控制方式只适用于工作模式固定、控制要求简单的场合。
随着电子技术的飞速发展，诞生了许多其它形式的控制元器件，很快的取代了这种早期的控制形式。
单片机就是在一块硅片上集成了中央处理器，随机存储器，程序存储器，定时器和各种I/O接口的计算机。
单片机具有体积小、价格低、性能强、速度快、用途广、灵活性强等优点。
最值得一提的是单片机具有强大的存储扩展能力，有能力满足不同的存储需要。
理论上也可用于堆剁机控制系统，但由于其开发周期较长、调试耗时较多、抗干扰能力较弱等原因，在立体仓库的实际控制系统中没有得到广泛的推广应用。
PLC是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器以及存储指令，完成逻辑、定时、计数、算术运算等功能，并通过数字或模拟的输入、输出接口控制各种机械和生产过程。
PLC的功能齐全，与其他控制器相比具有自诊断、报警、监控等特有功能。
具有应用灵活、操作方便、容易维修、稳定可靠的优点，其技术成熟，性价比高在工业控制领域以基本取代了传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。
对以上三种主控制单元进行比较和分析，PLC操作、维护简单，程序直观，设计周期短，电路简单的特点很适合堆剁机控制系统。
它对环境要求不高，抗干扰性强，对操作人员以及维护人员的要求也不高，安装、调试相对简单且设备数量少，因此PLC是定位控制单元的首选。
目前各厂家生产的立体仓库基本上都采用PLC来作为垂直升降货柜堆垛机控制系统的核心单元，只是在采用的品牌、型号上有些差异。
2.3.2PLC的特点
垂直升降货柜位置控制系统主要由PLC组成。
可编程序控制器（PLC）是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。
因而对于使用者来说，变成完全可以不考虑微处理器内部的复杂结构，不必使用各种计算机使用的语言，而把PLC内部看做是有许多“软继
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