基于PLC的自动化立体仓库设计.docx
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基于PLC的自动化立体仓库设计
毕业设计（论文）
题目
基于PLC的自动化
立体仓库设计
系（院）
自动化系
专业
电气自动化技术
班级
2010级5班
学生姓名
学号
指导教师
职称
助教
基于PLC的自动化立体仓库设计
摘要
随着国民经济的飞速发展,自动化立体仓库会在各行各业中得到越来越广泛的应用。
自动化立体仓库是现代物流系统的重要组成部分，是一种多层存放货物的高架仓库系统，由自动控制、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。
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三菱FX2N系列PLC作为核心控制元件，专用键盘作为人机接口部件，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。
本文首先对该课题的可行性及课题实现的现实意义和价值进行了介绍；其次对该系统的硬件组成、结构、原理进行了阐述和分析；再次对本控制系统的核心软件进行了编写，论文中既有梯形图又有相应的语句表；最后对设计本课题所学到的知识和结论进行归纳和总结，并对本论文有待完善的地方进行扼要的说明。
关键字：
立体仓库，可编程控制器（PLC），步进电机，物流管理
BasedonPLCautomaticstereoscopicwarehousedesign
Abstract
Withtherapiddevelopmentofnationaleconomy,theautomationstereoscopicwarehousewillgetmoreandmoreextensiveapplicationinalltradesandprofessions.Theautomatedwarehouseisanimportantpartofmodernlogisticssystem,elevatedwarehousesystemforamulti-layerstorageofgoods,whichconsistsofautomaticcontrolandmanagementsystem,highshelves,stackingmachine,automaticstorage,automaticwarehouse,computercontrolsystemandotherauxiliaryequipment.Thewarehousemodelofthecontrolsystemisdesignedaccordingtothebasicprincipleofautomatedwarehouseoperation.InthewholecontrolsysteminordertoMitsubishiFX2NseriesPLCasthecorecontrolelement,aspecialkeyboardastheman-machineinterfaceunit,controlthesteppermotortodriveawarehousemodelofthreedegreesoffreedommovementinthreedimensionalhighstrengthrail.Thispaperfirstintroducesthefeasibilityandthesubjectoftheimplementationofpracticalsignificanceandvalue;secondly,thesystemhardwarecomposition,structure,principlearedescribedandanalyzed;thecoreofthecontrolsystemagain--softwarehasbeenwritten,thepaperisaladderdiagramandthecorrespondingstatementattheendofthetable;thesubjectofthedesignknowledgeandconclusionsaresummarized,andtheperfectplacetobemakingabriefexplanation.
Keywords:
stereoscopic，warehouseprogrammablecontroller（PLC），steppingmotor,logisticsmanagement
引言
自动化立体仓库也称立库，是在不直接进行人工参与的情况下自动地存储和取出物料的系统。
它是采用高层货架存储货物，用专门的仓储作业设备进行货物出入库作业的仓库。
立体仓库是一种集信息、储存、管理于一体的高技术机电一体化产品，随着现代工业的生产规模的不断扩大和深化，它将为工业、企业带来巨大的经济效益。
以往的自动化仓库，大都采用PLC加计算机或计算机加控制板卡的方式进行控制。
计算机技术的飞速发展，计算机的性能以及稳定性的大幅度提高以及现场总线技术的日益成熟，一种新的控制方式——软PLC控制方式正在逐渐形成并被应用于各种控制领域，其中就包括自动化立体仓库。
本文中PLC对立体仓库的控制系统是利用计算机控制调度、管理，完成了计算机与PLC之间或PLC与PLC之间的监视和控制参数的传递，应用了PLC通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等优点，提高了立体仓库的自动化管理水平。
并且与继电、接触器系统相比更加可靠，占位空间比继电、接触器控制系统小。
经过实践证明，这种管理和控制结构具有很高的可靠性和稳定性。
第一章绪论
1.1本课题设计的背景
立体仓库一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。
由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓库”。
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年研制成第一台桥式堆垛起重机，1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库，该库1980年投入运行。
到目前为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。
由于其具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。
青岛海尔集团国际物流中心立体库就是个很好的例子,目前经过第三次技术革新，跃升为技术水平世界领先的物流中心。
该立体库高22米，全部操作采用世界上最先进的激光导引无人运输车系统，实现了物流的自动化和智能化，使海尔集团库存资金占用从每年15亿元降至6亿元，杜绝了呆滞物资的产生。
这是激光导引无人运输车向自动巷道堆垛机运送产品。
高度智能化使立体仓库仅需要28名工人就能全部控制。
自动化仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。
在我国，自动化仓库应用的行业主要有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。
1969年美国数字设备公司（DEC）研制书世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上。
但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（programmablelogiccontroller）。
70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编
程控制器，简称PC（programmablecontroller）。
但由于PC容易与个人计算机（programmablecomputer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。
1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：
可编程控制器是一种进行数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。
继电器在控制系统中主要起两种作用：
（1）逻辑运算
（2）弱电控制强电。
PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。
可编程控制器，简称PLC。
它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一中新型工业控制设备。
具有：
（1）可靠性高、抗干扰能力强
（2）设计、安装容易，维护工作量少（3）功能强、通用性（4）开发周期短，成功率高（5）体积小，重量轻、功耗底等特点。
已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。
与继电—接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电—接触器控制系统小；价格上能与继电—接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。
因此，进行立体仓库的PLC控制系统的设计，可以推动机械手行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。
1.2本课题设计的内容
课题的主要任务是基于三菱FX2N系列PLC的自动化立体仓库控制系统的设计。
仓位的主体框架除包括十二个库位外，还配有一个物品入口位和一个出口位，并在这十二个库位的底部均设置有检测开关，若库内有物品，则压制相应的检测开关使之闭合，若无物品，则相应的检测开关断开。
1.3本课题设计的目的和意义
传统条件下的库房管理作业，主要依据人工装卸，特别是对于一些大型物资，不仅工作效率低，浪费大量的人力、物力，存在较大的安全隐患，同时还占据大量的库房面积。
立体库的投入使用，彻底解决了这一难题。
（1）由于能充分利用仓库的垂直空间，其单位面积存储量远远大于普通的单层仓库（一般是单层仓库的4-7倍）。
目前，世界上最高的立体仓库可达40多米，容量多达30万个货位。
（2）仓库作业全部实现机械化和自动化，一方面能大大节省人力，减少劳动力费用的支出，另一方面能大大提高作业效率。
（3）采用计算机进行仓储管理，可以方便地做到"先进先出"，并可防止货物自然老化、变质、生锈，也能避免货物的丢失。
（4）货位集中，便于控制与管理，特别是使用电子计算机，不但能够实现作业的自动控制，而且能够进行信息处理。
（5）能更好地适应黑暗、低温、有毒等特殊环境的要求。
例如，胶片厂把胶片卷轴存放在自动化立体仓库里，在完全黑暗的条件下，通过计算机控制可以实现胶片卷轴的自动出入库。
（6）采用托盘或货箱存储货物，货物的破损率显着降低。
第二章系统控制方案的确定
2.1自动化立体仓库的概述
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。
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。
用PLC控制的自动化立体仓库达到仓储技术的全面自动化。
自动化立体库基本由以下部分组成:
（1）土建及公用工程设施
①库房。
库存容量和货架规格是库房设计的主要依据。
②消防系统。
对于自动化立体仓库而言，由于库房规模大，存储的货物和设备较多且密度大，而仓库的管理和操作人员较少，所以仓库内一般都采用自动消防系统。
③照明系统。
④动力系统。
⑤通风及采暖系统。
⑥其他设施。
如排水设施、避雷接地设施和环境保护设施等。
（2）机械设备
①货架。
②货箱与托盘。
③巷道机。
④周边搬运设备。
（3）电气与电子设备
①检测装置。
②信息识别设备。
③控制装置。
④监控及调度设备。
⑤计算机管理系统。
⑥数据通信设备。
⑦大屏幕显示器。
2.2采用PLC控制立体仓库的优点
（1）结构灵活，使用方便。
（2）传输质量高、速度快、带宽稳定，
（3）范围广，无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。
（4）低成本
（5）适用面广
（6）可靠性强
（7）抗干扰能力强
2.3系统设计的基本步骤
立体仓库系统设计与调试的主要步骤：
（1）收集、研究用户的原始资料
（2）确定自动化立体仓库的主要形式及相关参数
（3）合理布置自动化立休仓库的总体布局及物流图
（4）选择机械设备类型及相关参数
（5）初步设计控制系统及仓库管理系统（WMS）的各功能模块
（6）仿真模拟整套系统
2.4系统控制方案
立体仓库的结构示意图见下图2-1所示:
图2-1立体仓库结构示意图
本课题所设计的立体仓库具有以下功能：
（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。
2.5立体仓库技术参数的确定
表2-1立体仓库具体参数
出/入货柜台最重物品
20Kg
每个仓位的高度
4．5M
仓位的上下距离
1．5M
仓位的平行距
1．5M
仓位的体积
4M3
可编程控制器（PLC）电源
24VDC
堆垛机电源
220VAC,50Hz
第三章系统硬件设计
3.1控制系统结构设计
本设计是运用PLC控制系统来控制立体仓库的运动的方式。
能快速的对输入信号做出反应控制立体仓库，便于检修。
控制系统结构图如图3-1所示。
图3-1控制系统结构图
3.2可编程控制器（PLC）的选型
3.2.1PLC概述
可编程控制器，英文称ProgrammableController，简称PLC，PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统它源于继电器控制技术。
它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。
PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：
（1）逻辑处理功能；
（2）数据运算功能；
（3）准确定时功能；
（4）高速计数功能；
（5）中断处理（可以实现各种内外中断）功能；
（6）程序与数据存储功能；
（7）联网通信功能；
（8）自检测、自诊断功能。
3.2.2PLC的选型
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
（1）输入输出（I/O）点数的估算
（2）存储器容量的估算
（3）控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。
①控制功能
②编程功能
五种标准化编程语言：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。
选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
③诊断功能
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
3.2.3机型的选择
结合实际情况，所选I/O点为80点。
因此我所选型号为FX2N-80MR。
3.3步进电机
步进电机是数字控制系统中的执行电机，当系统讲一个电脉冲信号到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲安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光个数。
因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电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极平滑控制。
步进电机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电机的相数可分为：
单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。
增加相数能提高步进电机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。
本系统用步进电机为42BYG250C型步进电机，其电气技术数据为：
表3-1步进电机电气技术数据
3.3.1步进电机驱动系统的基本组成和工作原理
为了驱动步进电机，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。
所以设计中采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的SH系列步进电机驱动器，SH-2H057。
主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分组成。
SH-2H057步进电机驱动器采用铸铝结构，此种结构主要用于小功率驱动器，这种结构为封闭的超小型结构，本身不带风机，其外壳即为散热体，所以使用时要将其固定在较厚、较大的金属板上或较厚的机柜内，接触面之间要涂上导热硅脂，在棋盘边加一个风机也是一种较好的散热办法。
此步进电机驱动器的电气技术数据为：
表3-2步进电机驱动器电气技术数据
3.4传感器
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，动作确认入光显示灯；反射式传感器的时间图和输出回路图如图3-2所示。
图3-2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。
需要注意检测距离不要离传感器太近，否则传感器不能动作；连接是采用接插件方式，千万不要对端子（读出头）进行焊接。
3.5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X22-X36；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3-3所示。
图3-3微动开关原理图
3.6PLC输入输出分配表
根据本课题PLC输入输出的控制要求，得出PLC输入输出I/O分配，如表3-4所示。
表3-4PLC输入输出I/O分配
X0
启动
X24
检验2号仓库
Y0
前进
X1
手动/自动
X25
检验3号仓库
Y1
后退
X2
取出
X26
检验4号仓库
Y2
向上
X3
送进
X27
检验5号仓库
Y3
向下
X4
取消
X30
检验6号仓库
Y4
送进
X5
急停
X31
检验7号仓库
Y5
取出
X6
1号仓库的键
X32
检验8号仓库
Y6
显示取出
X7
2号仓库的键
X33
检验9号仓库
Y7
显示送进
X10
3号仓库的键
X34
检验10号仓库
Y10
显示操作错误
X11
4号仓库的键
X35
检验11号仓库
Y11
显示1号仓库
X12
5号仓库的键
X36
检验12号仓库
Y12
显示2号仓库
X13
6号仓库的键
X37
前进限制
Y13
显示3号仓库
X14
7号仓库的键
X40
后退限制
Y14
显示4号仓库
X15
8号仓库的键
X41
后退超过
Y15
显示5号仓库
X16
9号仓库的键
X42
向上限制
Y16
显示6号仓库
X17
10号仓库的键
X43
向下限制
Y17
显示7号仓库
X20
11号仓库的键
X44
向下超过
Y20
显示8号仓库
X21
12号仓库的键
X45
前时限制
Y21
显示9号仓库
X22
检验0号仓库
X46
取出限制
Y22
显示10号仓库
X23
检验1号仓库
X47
取出超过
Y23
显示11号仓库
Y24
显示12号仓库
3.7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3-4电气原理图。
图3-4电气原理图
第四章系统控制软件设计
4.1PLC梯形图概述
梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图和相似。
它的连线有两种：
一为母线，另一为内部横竖线。
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按其精度可分为12bit、14bit、16bit等；按信号类型可分为电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等。
除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
梯形图两侧的垂直公共线称为母线（Busbar）。
根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，
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