禹福星论文基于PLC立体仓库的系统设计.docx
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禹福星论文基于PLC立体仓库的系统设计
青岛农业大学
毕业论文（设计）
题目：
基于PLC的立体仓库控制系统设计
姓名：
禹福星
学院：
机电工程学院
专业：
农业电气化
班级：
2013.02
学号：
20130926
指导教师：
李新成
2017年06月16日
毕业论文（设计）诚信声明
本人声明：
所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
论文（设计）作者签名：
日期：
年月日
毕业论文（设计）版权使用授权书
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论文（设计）作者签名：
日期：
年月日
指导教师签名：
日期：
年月日
基于PLC的立体仓库控制系统设计
电气工程及其自动化2013.02禹福星
指导教师李新成
摘要
传统的仓库仓储技术不高，储藏的效率低，并且仓库的维护需要耗费较多的劳动力资源，仓储的自动化程度非常低，而现有的自动化立体仓库造价成本较高、控制过程较为繁琐。
本设计以西门子公司的S7-200系列可编程控制器为核心控制元件，针对上述问题设计了一种智能化立体仓库。
其形式为四层三列的堆垛式，上位机采用组态王软件完成工业控制计算机与PLC之间的数据通讯。
系统使用西门子公司的编程软件STEP7进行编程，监控界面则使用监控组态软件进行仓库监控，为了保证整个控制系统运行的稳定性和可靠性，系统还采用了限位开关对其进行限位保护。
仿真运行表明，所设计的自动化立体仓库能达到自动存取的目的，而且仓库的控制系统定位准确、可靠。
关键词：
立体仓库；PLC；组态王；自动化
DesignofwarehousecontrolsystembasedonPLC
StudentmajoringinElectricalEngineeringandAutomationgrade2013class2:
Yufuxing
Tutor:
Lixincheng
Abstract
Traditionalwarehousestoragehasmanyproblems,forexample,itstechnologylevelisnothighandtheefficiencyofstorageislower.Hence,thetraditionalwarehouseofautomationdegreeisverylow,andthemaintenanceofwarehouserequireslotsoflaborresources.Ontheotherhand,thecostofexistingautomatedstereoscopicwarehouseisveryhigh,andthecontrolprocessisrelativelycomplicated.ThissystemisdesignedbySiemenss7-200seriesprogrammablecontrollerasthecorecontrolelement,anintelligentthree-dimensionalwarehouseisdesignedtoresolvetheaboveproblems.Itsformisathree-columnstack,andtheuppermachinetheKingviewsoftwaretocompletethedatacommunicationbetweentheindustrialcontrolcomputerandthePLC.ProgrammingsoftwareofthesystemadoptsSiemensSTEP7program,monitoringinterfaceconfigurationisdesignedtomonitorthewarehouse.Inordertoensuretheoperationstabilityandreliabilityofthecontrolsystem,thesystemalsousesalimitswitchfordetectionandprotection.Thesimulationresultsshowthattheautomaticwarehousecanachieveautomaticaccess,andthecontrolsystemisaccurateandreliable.
.Keywords:
Warehouse;PLC;Kingview;Automation
1绪论
随着社会经济的快速发展，国与国之间的贸易交往频繁，带来的是物流业的迅速发展，由于物流运输的特点，所以关于仓储的要求也在逐渐提升。
而传统的仓库具有许多缺点，如仓储技术不高，储藏的效率和对仓库的空间率都较低，并且仓库的维护需要耗费较多的劳动力资源，仓储的自动化程度非常低，同时安全方面也有问题，现状不是很好。
现在要求的是自动化存储，以前的设备的已经不能适应现在的要求，现代仓库对自动化的要求更高[1]。
即便如今经济得到了发展，但是，能够适应不同行业发展要求的自动化仓储技术还不成熟，所以说自动化立体仓库的市场前景非常广阔。
自动化立体仓库是一项新的技术，该技术是集货物搬运和存储于一体的综合性工程。
这类集信息、储存、管理于一体的PLC系统，受到的关注越来越多，渐渐的出现在人们的生活中。
我国在PLC的应用方面起步较晚，和世界上很多的发达国家相比还差的多，因此导致国内的立体仓库研究成果以及自动化程度都较低，控制过程较为繁琐，而且控制精度不高，控制误差较大，所以随着国内物流的发展，迫切需要研制出自动化程度更高，控制性能更加优良的自动化立体仓库。
1.1立体仓库发展概况
自动化立体仓库在世界各地的仓储领域得到了广泛的应用。
据不完全统计，截至2010年底，中国已建成近2000个自动化立体仓库，目前我国的自动化立体库技术已经基本达到了成熟的水平，并在近年来进入大量应用阶段，但与世界上的发达国家仍然存在着较大的差距，世界上拥有自动化仓库的国家如美国拥有不同类型的自动化立体仓库两万多座，日本拥有不同类型的自动化立体仓库三万八千多座，德国有不同类型的自动化立体仓库一万多座。
随着工业的发展，立体仓库的使用范围和性能得到了很大的提高，应用范围包括机械、物流运输、交通、机场等。
70年代初期，我国立体仓库的发展开始起步，无论是技术还是水平都与国外存在较大差距，1980年，第一座自动化立体仓库是由北京机械工业自动化研究联合其他单位研制出来，然后将该仓库用于北京汽车制造厂[10]。
在此之后，自动化立体仓库在国内得到了迅速发展。
目前，世界主要工业国家开始注重它的实用性和安全性，尤其是在物流系统的建设和自动化仓库方面体现的较为明显，仓库不在向大规模的方向发展，而在实用方面提出了更高的要求。
为了适应当前国内物流发展和工业生产的要求，市场上有了在规模上较小、而反应速度较高、使用范围较大的自动化立体仓库系统[12]。
它是将先进的控制技术应用于运输和交付的阶段，按照预定的路线，保持高度的灵活性和高生产率，能够满足工业库存和处理的需要。
1.2课题研究的意义
立体仓库的特征主要是把多层的立体货架进行逐一标记，采用先进的运输系统作为基础，以可编程控制器的控制技术为方法，增加存储空间的使用合理性，甚至有的仓库合理性和先进性的重要指标是以空间利用效率作为考核仓库系统的指标的[2]。
这样能更好的节约时间成本和人力资源，能够产生巨大地社会效益和经济效益。
该系统广泛应用于机械制造业、电器制造业、航空工业、军事用品、轻工化工、商业仓储等各个领域，因此自动化立体仓库市场的前景十分广阔。
从建造工程，制造工厂、百货商场，到码头港口、军事部门的地下室冷库，这些方面都离不开立体仓库的应用[11]。
所以，为了保证资源能够得到合理的利用、生产出与市场需求的平衡、提高物流的效率，我们研究自动立体化仓库迫在眉睫。
近年来国内自动化立体仓库的水平得到了迅猛的发展，即便如此，到目前为止在国内已经建成的集成化仓储系统并不多，和其他国外的物流业发达国家相比，我国的立体仓库不管是在数目上还是从建筑水平上看都与国外存在着很大的差距，探其根本，就是自动化程度不够发达。
因此改善这一缺陷的办法可以采用PLC控制器作为控制系统。
PLC的功能强大，能够完全适应仓库环境，而且满足立体仓库的工业生产环境和控制系统要求。
PLC的程序编写只需要应用以梯形图为基础的简单指令形式，编程者应用起来也是简单易懂，容易上手，而且查找错误和调试也很方便。
在当前各个行业中，一般都是很庞大的系统才会应用立体仓库，因此研究立体仓库要付出和投入的人力物力更为多，这让很多关于立体仓库的研究都望而却步。
为应对这一技术难题，可以通过模型来研究其实物，然后再应用控制系统，并对其进行联机仿真，调试等工作，最后将研究的成果应用于真正的立体仓库中。
1.3课题研究的主要内容
本文对立体仓库的主体电气控制系统的软硬件进行了设计。
对该立体仓库采用一种可编程控制器进行控制，依此来完成物流货物或者所生产货物的自动存取功能，在进行仿真分析时应用组态软件达到仿真的效果。
本文主要介绍了立体仓库的分类及不同类别的主要优缺点，针对本设计选用的立体仓库的组成和仓库物品的存放，调取等原理开展分析，并对该系统流程进行梳理，提出了一个方案解决立体仓库控制系统问题。
考察不同的结构要达到的效果，对不同硬件的型号进行选择确定，再针对立体仓库进行编写程序，并设计了相关的上位机、下位机等部分，监控系统应用软件组态王（KingView）6.5.5软件实现系统状态的监控，保证了立体仓库系统的顺利进行。
仓库所采用的是4行3列的仓库货架，系统可以通过集成化的操作界面对仓库的取货和送货等流程进行控制。
设计中的堆垛机采用电机控制，并且按指令在指定位置取货。
该立体仓库的控制系统采用的是西门子S7-200系列的PLC进行控制，这种PLC可以使得立体仓库的自动化程度极大的得到提高。
上位机核心部分是组态监控技术的应用，监控立体仓库在运行中的各种情况，并且通过和PLC的通信，实现现场信息的收集，实现仓库资源优化、数据统计等功能。
2立体仓库的总体设计
在立体仓库控制系统中，首先设计了立体仓库的基本结构，然后对立体仓库的存取货物的步骤开展分析，而后依据系统的运行特点分别对立体仓库的设计要求进行概括，并对电气控制系统的框架进行分析，确定合适的电气控制方案[3]。
2.1立体仓库的工作过程
在智能立体仓库每个仓位都配置有载货托盘，存取货物的载货托盘的升降是通过叉车的升降来实现的，叉车先将货物升起后，叉车再向前运动进入仓库，将货物放下，依此来完成一个货物的存取流程[13]。
在电机的控制下，上层仓位或下层仓位需通过叉车将载货托盘升或降到地面层。
立体仓库的存取货物图如下图2-1所示。
图2-1立体仓库的存取货物图
2.2立体仓库的设计要求
立体仓库在设计中要突出三点：
即智能化，是立体仓库首先要实现的。
其次还要符合人性化的设计要求，适合人的使用。
最后是便利化，即能使系统操作起来更加方便合理。
具体的系统控制要求为：
（1）采用计算机进行控制，在计算机上要能够显示当前仓位所处状态和位置，以及存取后货物的存放位置。
（2）当立体仓库的取货人员想要存取货时，仅需键盘上输入货物所在的仓位序号，系统就会自动的按照程序和轨道的设定自动进去仓库的相应仓位号，完成存取货物。
（3）控制系统发生电气故障或系统出现问题时，系统能够及时的进行紧急停止和制动。
2.3立体仓库控制系统方案的确定
控制系统设计的可靠与否直接关系到设备的安全使用，同时控制系统的确定还应考虑到立体仓库的智能化水平的高低。
为此，在进行系统的设计时，要求要把系统的安全性，可靠性，以及操作方便性都进行考虑，不能忽视其中任何一个方面[4]。
虽然单片机具有在精度和使用性方面较好，速度较快等特点，但当面对外部电路和工业环境下的干扰时，其程序是否会出现错误，系统是否会出现问题等，这些问题都应加在系统方案确定的考虑范围内。
PLC作为一种专门为工业环境生产而设计出来的产品，它充分利用了计算机的原理和技术，保留计算机控制的优点，而克服了它的缺点，可靠性能比单片机更强。
从工程技术的角度来看，采用PLC同时也考虑到了该控制方式稳定性好、操作方便、灵活等优点[9]。
对许多大型系统以及稳定性要求较高的控制，采用PLC控制都是比较合适的[6]。
因此，在本次设计的立体仓库中控制方式选择PLC作为控制系统核心对立体仓库进行控制。
立体仓库的形式多种多样，本设计根据库容量大小情况，选取3*4立体仓库，该立体仓库的最大存仓数为12，根据控制设备的控制要求，控制系统可以选择德国西门子公司的S7-200系列PLC作为控制单元口，其最大限度的控制点可以达到二百五十六点。
该立体仓库的控制系统的逻辑图如图2-2所示。
光电传感器
行程开关
用户程序存储器
输入电路
可编程序存储器PLC
输出电路
驱动电路
显示电路
报警电路
图2-2智能立体仓库控制系统逻辑框图
3立体仓库控制系统的硬件组成
3.1PLC选型
控制系统硬件有许多的组成部分，主要由电磁换向阀、PLC、直流和交流电源以及不同的按钮等其他辅助部件组成。
依据设计要求，将PLC的I/O接口进行了排列，在PLC上，输入37个信号，而PLC输出22个信号。
PLC容量由两个部分组成：
一个是位于接线端的输入输出点数，二是使用PLC的用户的计算机所能存纳容量。
在进行系统设计时，设计人员就要考虑为PLC留有一定的剩余量，以备不时之需。
同样的，I/0点数也应留有一定的余量，一般来说I/O点数的余量按实际需要5%至15%即可[8]。
本次设计的控制器是选择西门子S7-200系列的PLC。
对输出/输入点数进行了确定，然后扩展了2片EM223[14]。
3.2PLC的特点
（1）可靠性比一般的控制系统较高，而且使用范围也较广泛。
（2）软件编写容易，使用操作过程也比其他的控制系统更加的方便和好用。
（3）灵活性能较好，可以实现控制系统的随时改变和更换。
（4）能力较强，直接带负载，是其他系统不能相比的。
（5）接口少，使用非常简单，出现问题时，维护也比较容易。
（6）功能较多，较完善，实现机电一体化也较容易。
（7）标准化了网络技术和通信手段，使用方便，能够达到计算机的网络控制要求。
3.3PLC的工作原理
3.3.1PLC的工作原理
随着计算机技术的与科技的高速发展，越来越多的系统都采用计算机作为控制系统已成为一种趋势。
如今，计算机控制已经拓展到许许多多的领域中[6]。
当前在工业自动化控制中所运用的设备可分为许多不同的种类，一般有如下几种：
单片机控制系统，基于模拟量的智能仪表仪器控制系统、集散点控制系统和现场总线控制系统等不同的分类。
在各种不同控制系统中PLC控制系统是控制性能最强大、使用率最高的一种工业控制装置，是现代工业生产中的重要支柱之一[5]。
硬件部分主要由输入、输出模块，CPU模块与可编程控制器等部分组成，控制系统如下图3-1所示。
图3-1PLC控制系统
CPU模块主要由微处理器和存储器组成。
存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器两种不同的存储器，ROM被称为系统程序存储器[7]。
I/O模块包括输入端模块和输出端模块，与PLC控制系统相对应的输入输出电路原理图，如下图3-2、3-3所示。
图3-2PLC的输入电路
图3-3PLC的输出电路
3.3.2PLC的功能与应用
由于PLC软件主要是为工业制造和生产所设计的控制系统，可以直接在工作中利用该程序，无需采用其他的处理。
但工作条件恶劣、强电磁干扰或安装利用不正确等都将使PLC不能正常可靠运行。
因此，在自动化控制方面，传统的继电器类型逐渐退出了历史的舞台，淡出了人们的视野，自动化的控制正在被PLC控制系统所逐渐取代，同时，随着其迅速地发展和蔓延，PLC流行的趋势越来越显著，正在成为三大支柱之一[15]。
主要功能以及表现在一下几个方面：
（1）逻辑顺序控制系统
（2）同时对几个数据开展处理的系统
（3）同时对几个模拟量开展控制的系统
（4）计数和定时控制系统
（5）控制运动部分系统
（6）互联网和通讯系统
3.4电机
在该立体仓库中采用的是三相异步电动机。
采用额定功率为0.75kw的水平横向移动控制电机，当其额定转速大小是1390r/min，纵向移动时，控制电机额定功率为2.2kw，满载时转速大小是1420r/min。
具体参数如下。
（1）水平横向移动电机：
品牌：
玉豹型号：
YE2-80M2-4
额定转矩：
2.3（Tmax/Tn）额定电流：
6.4A
效率：
79.6%功率因数：
0.76
（2）上升下降电机：
品牌：
玉豹型号：
YE2-100L1-4
额定转矩：
2.3（Tmax/Tn）额定电流：
7.3A
效率：
84.3%功率因数：
0.80
3.5位置检测装置
在该立体仓库的设计中，当有货物进入仓库时，应在相应的位置安装行程开关查看货物是否到达了指定位置的区域。
当移动到了指定位置时，触碰到了行程开关，系统结束上一动作，准备执行下一动作。
该系统采用滚轮式行程开关。
当运动机械的触头接触到行程开关的滚轮时，行程开关动作，当滚轮上的挡铁移开后，复位弹簧就使行程开关复位。
该型号的行程开关的具体参数如下：
品牌：
正泰型号：
YBLX-ME/8108
额定控制电流：
0.8A（AC）0.16A（DC）额定电压：
380V（AC）220V（DC）
机械寿命：
40*10⁴电气寿命：
25*10⁴
3.6货物检测装置
在该立体仓库中采用日本欧姆龙公司的EE－SY672式光电传感器用于货物的检测。
在该系统中，用到12个光电传感器分别放置于每个仓位的底部，通过反射式的方式用来做该系统的货物检测，当有货物进出仓库相应的仓位时，光电传感器会发出相应的信号传递到系统中。
以下为日本欧姆龙OMRON公司型号EE-SY672式光电传感器的基本技术参数：
（1）检测距离：
5mm（凹槽深度）
（2）标准检测物：
2*0.8mm以上的不透明物体
（3）应差距离：
0.025mm以下
（4）光源（最大发光波长）：
红外发光二极管（940mm）
（5）电源电压：
DC5-24V
（6）保护电路：
负载短路保护
3.7安全措施与可靠性
在系统的运行过程中首先要保证的是工作人员的人身安全，这也是任何系统设计要考虑的因素之一。
应在系统中的电路设计合理的断电保护装置。
本系统装有缺相保护器，保证在工作时，当电路主电源发生缺相故障时，与其相对应的保护器件能够迅速工作，自行将设备电源断开，以达到保障工作人员人身安全、所用设备安全的重要目的。
4立体仓库控制系统软件设计及组态监控设计
4.1PLCI/O分配及接线图设计
4.1.1程序设计流程及I/O点分配
设计PLC应用程序的基本原则是：
第一，最大限度满足系统的控制要求，即PLC编程设计的完整性。
第二，保证系统能够正常运行的同时，能够具有更高的可靠性。
第三，I/O接口点数必须留有适当的剩余量，以便后期程序扩展需要[5]。
该立体仓库I/O分配表如表4-1。
输入
作用
输入
作用
输出
作用
输出
作用
I0.0
启动
I3.0
传感器41号库
Q0.0
载货板水平左移
Q1.1
42号库指示灯
I0.1
停止
I3.1
传感器42号库
Q0.2
载货板垂直上升
Q1.5
31号库指示灯
I0.2
取按钮
I3.2
传感器43号库
Q0.4
系统运行指示灯
Q1.7
33号库指示灯
I0.3
存按钮
I3.5
传感器31号库
Q0.6
取货过程指示
灯
Q2.3
22号库指示灯
I0.4
选择41号库
I3.6
传感器32号库
Q1.0
41号库指示灯
Q2.7
11号库指示灯
I0.5
选择42号库
I3.7
传感器33号库
Q1.2
43号库指示灯
Q3.1
13号库指示灯
I0.6
选择43号库
I4.2
传感器21号库
Q1.6
32号库指示灯
Q3.4
伸板
I1.1
选择31号库
I4.3
传感器22号库
Q2.2
21号库指示灯
Q3.5
缩板
I1.2
选择32号库
I4.4
传感器23号库
Q2.4
23号库指示灯
I1.3
选择33号库
I4.7
传感器11号库
Q3.0
12号库指示灯
I1.6
选择21号库
I5.0
传感器12号库
Q0.1
载货板水平右移
I1.7
选择22号库
I5.1
传感器13号库
Q0.3
载货板垂直下降
I2.0
选择23号库
I5.4
层1传感器
Q0.5
存货过程指示灯
I2.3
选择11号库
I5.6
层3传感器
Q0.7
错误报警指示灯
I2.4
选择12号库
I6.0
列1传感器
I5.5
层2传感器
I2.5
选择13号库
I6.2
列3传感器
I5.7
层4传感器
I6.6
原点位置
I6.5
模拟系统出错
I6.1
列2传感器
表4-1I/O分配表
4.1.2控制电路和主电路设计
依照智能化立体仓库的控制系统需要满足的要求，再结合PLC的结构对外部接线图进行绘制，绘制的结果如下图4-2所示。
电机主电路图绘制结果如下图4-3所示。
图4-2外部接线图
图4-3主电路图
依据智能立体仓库的工作流程，对取送货物的设计程序流程图进行绘制，结果如下图4-4所示，详细的程序参见附录1。
4-4程序流程图
4.2组态软件仿真的实现
对于一个监控系统来说，不可缺少核心部件为上位机，它是一个非常关键的部位，因为它（人机界面）能起到桥梁的作用，它能够将系统和操作人员进行有机的联系，提高了控制的准确性，良好的人机界面还具有其他的许多优点，比如可以节约调整系统的时间，显著提高控制系统的效率，让立体仓库更加自动化和智能化，提高劳动生产率。
组态软件作为一种新型的软件，它是一种上位机软件，该软件用处较为广泛，主要用在生产化的工业当中，在其中扮演者重要的角色，而且组态软件的组态方式不同于一般的软件，它是十分灵活的，能够对系统展开有效的监督和控
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