毕业论文-基于西门子S7一200PLC的立体仓库控制系统的设计.doc

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基于西门子S7一200PLC的立体仓库控制系统的设计

摘要

自动化立体仓库集存储、搬运、输送、分发一体，作为工业物流与计算机集成制造系统（CIMS）的一部分，代表了当今物流发展的趋势。

为了对自动化立体仓库进行更加有效的管理，提高整体作业效率，要求对控制系统进行优化设计，对货位进行优化分配，以减少货物搬运和存储的成本，降低在存储及搬运过程中所损耗的时间，从而降低物流成本，提高收益。

本文构建了一个实验室规模的自动化立体仓库系统，系统是由管理层、监控层和执行层组成的二级系统。

在管理系统中，根据自动化立体仓库中存放货品的特点，提出了采用分类随机存储和定位存储相结合的货品存储策略。

按照货品出入库频度进行货位存储区域划分，提高了货位和存储区域的利用率。

同时针对因同类货品集中进行出入库操作而导致巷道阻塞的问题，在进行货位分配设计时采用一种均匀分配算法，结合电子标签技术，实现了货位的自动均匀分配勺就近出入库，并运用此均匀分配算法实现了批量出入库作业和单件出入库作业。

执行系统由进/出货辊道、机械手、堆垛机三个部分组成。

研究了整个控制系统的组成结构与控制原理，进行了总休功能设计重点设计了PLC控制的程序模块，实现了各个单元的单动控制与联动的顺序控制。

同时通过PROFIBUS—DP现场总线网实现三台PLC的连接以及与监控系统的通信，接收出入库指令，完成相应的出入库操作。

为了确保二级系统之间的协调运行，管理层与监控层的通信实现也是很重要的。

采用OPC技术实现了两者的通信，重点研究了组态软件WinCC中的通信设计以及全局脚本的编写。

本系统经过调试与设备的运行，各部分功能正常;系统=级分层之间实现了相应的通信，灵活的货品存储策略与货位的自动均匀分配克服了传统立体仓库的许多不足，提高了仓库货位利用率和出入库效率，达到了预期的效果，不仅保持了系统的灵活性与可靠性，而且提高了整个仓储系统的自动化水平与工作效率。

1.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，chengwi当今世界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（机械部北京起重运输机械研究所），1973年开始研制我国第一座有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。

到目前为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。

立体仓库由于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。

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）研制出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领域，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作为可编程控制器的缩写。

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的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算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种新型工业控制设备。

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、通用性好4.开发周期短，成功率高5.体积小，重量轻、功率低等特点。

已经广泛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——接触器系统相比更可靠；占位空间比继电——接触器系统小；价格上能与继电——接触器系统竞争；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、接触器与之相当的执行机构；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

本文研究的主要内容包括三个部分：

基于电子标签技术的仓储物流管理系统：

基于西门子S7一200PLC的下位执行机构自动控制系统的实现以及PLC程序的编制：

管理层、监控层、控制层三层之间的通信实现。

在管理系统中，研究内容涉及到：

自动化立体仓库的出入库方式、存储策略及货位分配原则：

根据自动化立体仓库中存放货品的特点，提出了采用分类随机存储和定位存储相结合的货品存储策略。

结合电子标签技术，根据货品出入库频度划分货品的大致存储区域：

在此基础上，使用货位自动均匀分配算法实现货位的均匀分配与货品的就近出入库;最后根据此算法实现了批量出入库作业和单件出入库作业。

在执行系统中，研究内容涉及到：

构建一个实验室规模的自动化立体仓库系统;分析整个控制系统的构成以及电气控制原理，进而对下位执行系统进行总体功能设计，并对各单元PLC的控制功能模块进行了分析;最后迸行PLC程序的编写，局部调通之后再将三个部分整合在一起进行调试，实现三个单元的顺序控制。

在管理层、监控层、控制层的网络结构与通信实现中主要研究OPC通讯实现过程中，组态软件WinCC中的相应设置：

监控层与控制层的基于现场总线PROFIBUS的具体组网通讯实现以及WinCC中全局脚本的编写，最终实现管控一体化。

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。

自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。

它通过高层货架存储，使存储区大幅度地向高空发展，提高空间利用率；自动化立体仓库采用层积式存放，结合计算机管理，可以很容易实现先入先出，防止货物的自然老化、变质和损坏；通过自动存取系统（AS/RS），加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度；采用自动化技术后，还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要；计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了货物处理和信息处理过程中的差错；同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。

自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管理的自动化。

同时，由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，也提高了操作人员素质和管理人员的水平。

2．自动化立体仓库的概述

2.1.自动化立体仓库的定义和分类

自动化立体仓库系统（AutoamtedSotrageAndRetirevalSystem,AS/RS）是在

不直接进行人工处理的情况下能自动存储和取出物料的系统，它的主体是自动化立体仓库。

自动化立体仓库是指采用高层立体货架（托盘系统）储存货物，利用计算机系统进行控制管理，利用自动控制堆垛机及运输车进行存取作业的仓库。

自动化立体仓库能自动、严密、准确、迅速地对物料进行搬运、存取和拣选。

自动化立体仓库由以下部分组成：

高层货架：

用于存储货物的钢结构。

目前主要有焊接式和组合式货架两种基本形式。

托盘（货箱）：

用于承载货物的器具，亦称工位器具。

巷道堆垛机：

用于自动存取货物的设备，按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形式。

按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。

输送机系统：

立体仓库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。

输送机种类非常多，常见的有辊道输送机，链条输送机，升降台，分配车，提升机，皮带机等。

AGV系统：

即自动导向小车。

根据其导向方式分为感应式导向小车和激光导向小车。

自动控制系统：

驱动自动化立体仓库系统各设备的自动控制系统。

目前以采用现场总线方式为控制模式为主。

库存信息管理系统：

亦称中央计算机管理系统。

是自动化立体仓库系统的核心。

目前典型的自动化立体仓库系统均采用大型的数据库系统（如ORACLE，SYBASE等）构筑典型的客户机/服务器体系，可以与其他系统（如ERP系统等）联网或集成。

自动化立体仓库按照不同的分类原则可以有如下几种不同的分类：

1按建筑形式分类

按建筑形式可以分为整体式和分离式。

整体式指货架除了存储货物之外，还可以作为建筑物的支撑结构，即库房与货架形成一体化结构。

分离式是指储存货物的货架独立存在，建在建筑物内部，主要用于高度不大或者己经有建筑物的情况。

2.按货架形式分类

（1）单元货格式货架仓库。

这种形式的仓库使用最广，

通用性也较强。

其特点是货架沿仓库的宽度方向分为若干排，每两排货架为一组，其间有一条巷道，供堆垛机或其它仓储机械作业。

每排货架沿仓库纵长方向分为若干列，沿垂直方向又分为若干层，从而形成大量货格，用以储存货物单元。

在大多数情况下，每个货格存放一个货物单元（一个托盘或一个货箱）。

在某些情况下，例如，货物单元比较小，则一个货格往往存放二、三个货物单元以便充分利用货格空间，减少货架投资。

本论文研究的对象就是单元货格式自动化立体仓库。

（2）贯通式货架仓库。

在单元式货架仓库中，巷道占去了1/3左右的仓库面积，为了进一步提高仓库面积利用率，可以取消位于各排货架之间的巷道，将货架合并在一起，使同一层、同一列的货物互相贯通，形成能依次存放许多货物单元的通道。

在通道的一端，由一台入库起重机将货物单元装入通道，而在另一端由出库起重机取货。

（3）水平旋转货架式仓库。

水平旋转货架式仓库中，货架本身可以在水平面内沿环形路线来回运行。

需要提取货物时，操作人员只需要在操作台上发出出库指令，相应的一组货架便开始运转，当有该货物的货柜来到拣选口时，货架便停止运转，操作人员就可以从货柜中拣选货物。

水平旋转货架式仓库适合于小件货品的拣选作业。

（4）垂直旋转货架式仓库。

垂直旋转货架式仓库与水平旋转货架式仓库相似，只是把水平面内的旋转改为垂直面内旋转.垂直旋转货架式仓库特别适用于存放长的卷状货物，如地毯、胶片卷等，也可用于小件货品存储。

3.按照作业方式分类

按作业方式可以分为单元货架式、移动货架式和拣选货架式三