基于PLC的智能仓库控制系统的设计.docx
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基于PLC的智能仓库控制系统的设计
基于PLC的智能仓库控制系统的设计
摘要
随着国民经济的飞速发展，智能仓库必然会在各行各业中得到越来越广泛的应用。
智能仓库系统是现代物流系统的一个重要组成部分，广泛应用于各行各业中。
目前，它已经成为企业生产和管理信息化的标志之一。
该系统采用PLC控制，通过PLC输出的脉冲信号来控制步进电机的运行，两者之间通过步进电机驱动器连接，此外还用到一些传感器，如微动开关和反射式传感器。
此次设计的效果可以改变参数输入，通过模拟生产情况及波动对系统造成的冲击，从而避免了在理想化状态下系统设计所无法预料的各种因素，对系统的堵塞有着形象和直观的解决方案。
总之，智能仓库因其较小的占地面较佳空间利用率，应用正逐渐普及。
为满足现代化生产和流通的需要，就必须采取以计算机控制主要手段的智能仓库。
关键词：
智能仓库；PLC；步进电机；传感器
DesignofIntelligentWarehouseSystemBasedonPLCcontrolled
ABSTRACT
Alongwiththerapiddevelopmentofnationaleconomy,Intelligentwarehouseinallwalksoflifewillgetmoreandmorewidely.Automaticwarehousesystemofmodernlogisticssystemisanimportantpartof,iswidelyusedinindustries.Atpresent,ithasbecometheenterpriseproductionandmanagement,oneofthesymbolsofinformatization.
ThesystemadoptsPLCcontrolledbyPLC,theoutputpulsesignalstocontroltheoperationofthestep-motorbetweenthroughthesteppingmotordriveconnections,alsousedassomesensors,microswitchandreflexsensor.
We can alse see the place where the block and bottle-neck have taken place and state how they develop, reflecting by the system of simulation. By changing the input of the parameters and simulating the process of production and the impulsion of system arosed by flactuation, we can avoid various unforeseen factors of system design in the state of idealization, have visual and intuitionistic solving way for the block of the system..
In conclusion, The application of automatic warehouse with less floor space and better space utilization ratio has been popularizing gradually. To meet the requirement of the modern production and negotiation, it should use the warehouse with the computer control technology
KEYWORDS:
Intelligentwarehouse,PLC,Steppingmotor,Sensors,
目 录
前 言
可编程控制器（简称PLC或PC）是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。
它具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点。
目前，可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。
其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。
应用PLC成为世界的潮流，PLC将在我国得到更全面的推广应用。
随着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且不可缺少的环节。
智能仓库正以它最小的占地面积和最佳的空间利用率，逐步替代面积利用率极低且陈旧落后的平面仓库，这种替代促使仓储物流业的水平提高。
为满足现代化生产与流通的需要，就必须采用的计算机控制技术为主要手段组成的智能仓库。
智能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，在FMS和FAS中占有非常重要的地位
第1章智能仓库
1.1智能仓库的概述
智能仓库简称高架仓库，一般是指采用几层、十几层乃至几十层的货架来储存单元货物，并用相同的搬运设备进行货物入、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“智能仓库”。
根据国际自动化仓库会议的定义，所谓智能仓库就是采用高层货架存放货物，以巷道堆垛起重机为主，结合入库出库周边设备来进行作业的一种仓库。
它把计算机与信息管理和设备控制集成起来，按照控制指令自动完成货物的存取作业，并对库存货物进行管理。
显而易见它是物流系统的核心之一，并在自动化生产系统中占据了非常重要的地位。
20世纪60年代中期，日本开始兴建智能仓库，并且发展速度越来越快，从1965年到1977年短短的12年间，日本全国建立了18833座智能仓库，存货总数达到262万托盘，目前是世界上拥有智能仓库最多的国家之一。
我国智能仓库的起步比较晚，1974年郑州纺织机械厂建成了国内第一个智能仓库。
20世纪80年代到90年代，智能仓库产品的设计与制造有了很大的发展，全国有几十家科研单位和生产单位在进行智能仓库的开发、设计、制造。
近年来，仓储物流行业的学术组织定期在国内交流学术经验，针对目前我国智能仓库的设计制造水平，参照国外标准制定了一系列行业标准、规范，使智能仓库的设计制造进入了规范化发展阶段
不同的智能仓库，高度、货架形式、通道宽度都和现代化仓库是不同的，仓库内设备的配置应与仓库的类型相适应。
1.2智能仓库的的优点及分类
1.2.1智能仓库的优点
智能仓库的优越性是多方面的，主要在以下几个方面。
1.提高空间利用率
早期智能仓库构想的基本出发点是提高空间利用率，充分节约有限且昂贵的场地，在西方有些发达国家提高空间利用率的观点已有更广泛、深刻的含义，节约土地已与节约能源、保护环境等更多方面联系起来。
有些甚至把空间利用率作为考核仓库系统合理性和先进性的重要指标。
仓库空间利用率与其规划紧密相连，一般来说，智能仓库的空间利用率为普通仓库的2～5倍。
2.先进的物流系统提高企业生产管理水平
传统的仓库只是货物的储存场所，保存货物是其唯一的功能，属于静态储存。
智能仓库采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库内按需要自动存取，而且还可以与仓库以外的生产环节进行有机地连接，并通过计算机管理系统和自动化物料搬运设备使仓库成为企业物流中的重要环节。
企业外购件和自制件进入智能仓库短时储存是整个生产的一个环节，是为了在指定的时间自动输出到下一道工序进行生产，从而形成自动化的物流系统环节，属于动态储存，是当今智能仓库发展的明显技术趋势。
以上所述的物流系统又是整个企业生产管理系统（从订货、设计和规划、计划编制和生产安排、制造、装配、试验以及发运等）的一个子系统，建立物流系统与企业生产管理系统间的实时连接是目前智能仓库发展的另一个明显技术趋势。
3.加快货物存取，减轻劳动强度，提高生产效率
建立以智能仓库为中心的物流系统，其优越性还表现在智能仓库具有快速的入出库能力，妥善地将货物存入智能仓库，及时自动地将生产所需零部件和原材料送达生产线。
同时，智能仓库系统减轻了工人综合劳动强度。
4.减少库存资金积压
通过对一些大型企业的调查，我们了解到由于历史原因造成管理手段落后，物资管理零散，使生产管理和生产环节的紧密联系难以到位。
为了达到预期的生产能力和满足生产要求，就必须准备充足的原材料和零部件，这样，库存积压就成为较大的问题。
如何降低库存资金积压和充分满足生产需要，已经成为大型企业面对的大问题。
智能仓库系统是解决这一问题的最有效手段之一。
5.现代化企业的标志
现代化企业采用的是集约化大规模生产模式，这就要求生产过程中各环节紧密相连，成为一个有机整体，要求生产管理科学实用，做到决策科学化。
建立智能仓库系统是其有力的措施之一。
由于采用计算机管理和网络技术使企业领导宏观快速地掌握各种物资信息，且使工程技术人员、生产管理人员和生产技术人员及时了解库存信息，以便合理安排生产工艺，提高生产效率。
国际互联网和企业内部网络更为企业取得与外界在线连接，突破信息瓶颈，开阔视野及外引内联提供了广阔的空间和坚实强大的技术支持。
以上所述的物流系统又是整个企业生产管理大系统（从订货、必要的设计和规划、计划编制和生产安排、制造、装配、试验、发运等）的一个子系统，建立物流系统与企业大系统间的实时连接，是目前自动化高架仓库发展的另一个明显的技术趋势。
现代化企业对管理提出了更高的要求， “管理出效益”的思维方式已成为大多数的现代企业管理者的共识。
1.2.2智能仓库的分类
1.按照智能仓库的高度分类
（1）低层智能仓库。
低层智能仓库高度在5米以下，主要是在原来老仓库的基础上进行改建的，是提高原有仓库技术水平的手段。
（2）中层智能仓库。
中层智能仓库的高度在5～15米之间，由于中层智能仓库对建筑以及仓储机械设备的要求不高，造价合理，是目前应用最多的一种仓库。
（3）高层智能仓库。
高层智能仓库的高度在15米以上，由于对建筑以及仓储机械设备的要求太高，安装难度大，应用较少。
2.按照货架结构进行分类
（1）货格式智能仓库。
货格式智能仓库是应用较普遍的智能仓库，它的特点是每一层货架都由同一尺寸的货格组成，货格开口面向货架之间的通道，堆垛机械在货架之间的通道内行驶，以完成货物的存取。
（2）贯通式智能仓库。
它又称为流动式货架仓库，这种仓库的货架之间没有间隔，不设通道，货架组合成一个整体。
货架纵向贯通，贯通的通道具有一定的坡度，在每一层货架底部安装滑道、锟道等装置，使货物在自重的作用下，沿着滑道或锟道从高处向低处运动。
（3）自动化柜式智能仓库。
自动化柜式智能仓库是小型的可以移动的封闭智能仓库，有柜外壳、控制装置、操作盘、储物箱和传动装置组成，主要特点是封闭性强、小型化和智能化、有很强的保密性。
（4）条形货架智能仓库。
是专门用于存放条形和筒形货物的智能仓库
第2章系统控制方案的确定
2.1智能仓库系统设计的基本步骤
智能仓库系统设计与调试的主要步骤，如图2—1所示：
图2-1智能仓库控制系统结设计步骤
在深入了解和分析智能仓库控制系统的设计过程中主要考虑到以下几点：
1、深入了解和分析智能仓库的工艺条件和控制要求。
2、确定I/O设备，根据智能仓库控制系统的功能要求确定系统所需要的用户输入、输出设备。
3、根据I/O口的点数选择合适的PLC类型。
4、分配I/O点以及PLC的输入输出点，编制输入输出分配表及输入输出端子的接线图。
5、设计智能仓库控制系统的梯形图程序，根据工作要求设计出完整的梯形图程序，这是整个智能仓库系统设计的核心工作。
6、将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，是系统程序更加完善。
7、智能仓库整体调试，在PLC软硬件设施和现场施工完成后，就可以进行整个系统的练级调试，调试中发现的问题可以逐一排除，直到调试成功。
2.2智能仓库的系统控制方案
该智能仓库有十二个仓库位、有物品出入口与输出口位，个仓位能自检，其结构示意图如图2—2和图2-3所示：
图2-2智能仓库系统结构
图2-3智能仓库结构示意图
本课题设计的智能仓库具有一下的功能：
1、堆垛机要有三个自由度，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（后退）运动和上（下）运动可以同时进行；
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），当操作有误时会发出错误报警信号；
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，以防止发生意外情况。
2.3智能仓库技术参数的确定
智能仓库的具体参数如表2—1所示：
表2-1智能仓库技术参数
出入货柜台最重物品
20Kg
每个仓位的高度
4.5CM
仓位的上下距离
0.5CM
仓位的平行距
0.5CM
仓位的体积
4
PLC电源
24VDC
堆垛机电源
220VAC，50Hz
第3章硬件设计
3.1控制系统的结构设计
本设计是运用PLC控制系统来控制智能仓库的运动的方式。
能快速的对输入信号做出反应控制智能仓库，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
3.2PLC的选型
3.2.1PLC概述
1、PLC概述
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。
同时，PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。
随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。
但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。
综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。
近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。
随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。
通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。
实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。
2、PLC的特点
（1）可靠性高，适用于工业现场环境
原因：
PLC在软件和硬件上采取了提高可靠性的一些措施：
硬件措施：
屏蔽、滤波、电源调整与保护、联锁、模块化结构、环境检测与诊断电路；软件措施：
自诊断程序、故障检测、信息保护与恢复
（2）编程简单，使用方便
（3）控制程序可变，具有很好的柔性
（4）直接带负载能力强
（5）接口简单、维护方便
（6）功能完善、便于实现机电一体化
（7）通信、网络技术趋于标准化，便于实现计算机网络控制
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的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要的操作和动作，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、外部设备的特性等，最后选择有较高性价比的PLC和设计相应的控制系统。
1、输入输出I/O点数的估算
I/O点数估算适应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，在增加10%~20%的扩展。
最终换需要根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
根据估算该智能仓库的I/O口的点数为输入40点，输出21点。
2、存储器容量的估算
存储器容量是PLC本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此程序容量在设计阶段还是未知的，须在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定的估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器的估算没有固定的公式，许多文献资料上给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10~15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
因此该课题的PLC内存容量选择应为能存储5000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。
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。
根据该课题设计的需要，主要介绍以下几种功能的选择：
（1）控制功能
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需要的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
（2）编程功能
离线编程方式：
PLC和编程器共用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。
完成编成后编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。
离线编程方式可以降低系统的成本，但使用和调试不方便。
在线编程方式：
CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机上，下一扫描周期主机就根据新收到的程序运行。
这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
（3）诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。
硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分为内诊断和外诊断。
通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员的技术能力的要求，并影响平均维修时间。
4、PLC机型的选择
（1）PLC的类型
FX2系列可编程控制器主机分为16、24、32、64、80/128点六档，还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加I/O点数时不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入。
该智能仓库的控制系统有输入信号40个，输出信号21个。
其中，外部输入元件包括：
检测元件、按钮、取、送、急停、限位开关、超限位保护等等;输出有三个步进电机的正反向、动作指示、错误显示等等。
按照上述配置，所选I/O点应不得低于61点，结合实际情况，所选I/O点为80点。
因此选择FX2N-80MR型号的PLC。
（2）经济性考虑
选择PLC时，应考虑性价比。
考虑经济性的同时应考虑其可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，来进行比较和兼顾，最终选出比较满意的产品。
输入输出点书对价格有直接的影响。
当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。
在估算和选用时应充分考虑，以便使整个控制系统有较合理的性价比。
该智能仓库属于小型控制系统，结合经济性的考虑选择整体型PLC。
根据其输入点数为40点，输出点数为21点，所以选择FX2N-80MR型号的PLC。
3.3步进电机的选择
3.3.1步进电机的原理
步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按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个数。
因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。
当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。
因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。
步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。
步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数可分为：
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动机的性能，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。
3.3.2步进电机的选择
1、步进电动机的特点
（1）步进电动机时一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（步距角）一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为100%），所以广泛应用于各种开环控制。
（2）步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。
（3）步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变，使用开环控制（或半闭环控制）就能进行良好的定位控制。
（4）起制动、正反转、变速等控制方便。
（5）价格便宜，可靠性高。
（6）步进电动机的主要缺点是效率较低，并且需要配上适当的驱动电源。
（7）步进电机带负载惯性的能力不强，在使用时既要注意负载转矩的大小，又要注意负载转动惯量的大小，只有当两者选取在合适的范围时，电机才能获得满意的运行性能。
（8）由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速的方法根据利用状态的不同而复杂多变。
2、步进电动机的选择计算
在选择步进电动机时首先应考虑的是步进电动机的类型的选择，其次才是具体的品
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