基于PLC的物流堆垛机控制系统设计毕业论文.docx

1、基于PLC的物流堆垛机控制系统设计毕业论文毕 业 论 文基于PLC的物流堆垛机控制系统设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照

2、学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学

3、位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录

4、（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装

5、订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订摘要随着近年来物流产业的快速发展，自动化立体仓库应运而生，而堆垛机系统是整个立体仓库系统的核心，与之相关的技术逐渐成为研究的重点。设计一种能够有效、快速、实时、稳定自动化立体仓库的堆垛机控制系统成为工业控制领域中一项重要课题。本文给出了轨道堆垛机基于PLC控制系统的总体设计方案，并给出了具体的硬件搭建流程和软件设计方法。本文对堆垛机的国内外发展状况以及发展趋势进行了研究。设计了一种单位立柱巷道堆垛机控制系统。本文采用西门子公司s7-200PLC，了解了轨道堆垛机的特点后，认为其技术指标以及控制方式进行设计

6、非常重要。为了研究堆垛机的定位技术对现有定位技术以及认址方式进行比较，最后决定选用激光测距传感器与绝对认址方式相结合的方案对轨道堆垛机进行实时位置控制，U型传感器的原理和测距方法，参数以及安放方式。给出了单位立柱巷道堆垛机的流程图及程序。实验结果表明本文设计的堆垛机控制系统整体效果良好，满足学校对堆垛机的性能要求。设计的控制系统定位误差明显降低，堆垛机的运行速度也有一定的提高，一方面能够保证货物进仓的精准性，另一方面实现了系统运行的快速性，同时保证了系统的稳定性。关键词自动化立体仓库 堆垛机 PLC 传感器The design of logistics stacker control syst

7、em based on the PLCAbstractWith the rapid development of logistics industry in recent years, automated stereoscopic warehouse arose at the historic moment. Recently, the stacker system became the core of stereoscopic warehouse system, and related technology has gradually became the focus of research

8、. To design a kind of effective, rapid, real-time, stable and automated stereoscopic storehouse stacker control system has became an important topic in an industrial control field. Track piling machine based on PLC control system was given in the overall design of this paper, and the paper also gave

9、 the specific procurement processes of hardware and the design method of the software . This paper studied the development situation and trend of the stacker at home and abroad, and designed a pillar stacker machine control system. This paper adopted Siemens s7-200 PLC, after understood the characte

10、ristics of the track stacker, realized that its technical indicators and the control method to carry on the design is very important. In order to study the stacker positioning technology, the paper made a comparison between existed positioning technologies and methods to recognize address ,finally d

11、ecided to use the way of combining laser range sensor with absolute recognition of position to make real-time position control on track stacker, u-shaped sensor principle and ranging method, parameters and placed. It also gave flow chart of the mast stacker machine unit and program. The experimental

12、 results show that the effect of the design of stacker control system in this article is good. The design also met the stacker performance requirements of the school. The positioning error of designing control system is decreased obviously, and the running speed of stacker increased to a certain ext

13、ent. On the one hand, it can ensure the precision of the warehouse entry, on the other hand, it realized the rapidity of the system operation, and ensure the stability of the system. Keywords automated stereoscopic storehouse; stacker; PLC; sensor摘要Abstract1绪论1.1 课题研究的背景1.1.1 自动化立体仓库的简介自动化立体仓库库的产生和发

14、展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果，是一个典型的高技术密集型机电一体化产品，用一流的集成化物流理念，采用先进的控制、总线、通讯和信息技术，通过以上设备的协调动作进行出入库作业。结合入库出库周边设备来进行作业的一种仓库，它主要有高层的钢构货架、自动导航小车、传输带、堆垛机、自动控制系统、通讯系统、计算机监控系统和计算机管理系统等组成1。1.1.2 自动化立体仓库的国内外发展状况从国内发展情况来看，我国第一座自主研发由计算机控制的自动化立体仓库由机械部起重所于1980年研制成功并交付使用（其总高15m，研发周期为13年，获得了国家的关注与支持），而由国内独立设计和制造的立体仓库则是由仪征化

15、纤工业联合公司于1995年建成的涤纶自动化立体仓库，自动化程度达到国际化水平2。从研究与应用上来看，我国自动化立体库主要经历了四个阶段： 第一阶段为起步阶段。它始于 1973 年，在接下来的 10 多年间，我国完成了系统的研制与应用，但由于经济发展的限制，应用非常有限。 第二阶段为较初级发展阶段。大概开始于1985年，比较明显的特征为：通过引进吸收、自主研发，研制成功了基于可编程逻辑控制器控制的立体库系统，其应用领域也逐步扩展到医药、船舶、矿业、机械存储、烟草存储等行业，市场应用得到大大的提高。第三阶段为高速发展阶段。大概开始于1998年，一家国内公司发明了以传感器激光测距为主要技术的立体仓库

16、。这一时期立体库得到了广泛应用，每年大约有60套的增长，除去拆除的技术落后的到 2005 年超过600套。 第四阶段为成熟应用阶段。其始于 2006 年，每年市场需求平均达到 90 套左右，到 2010 年底，全国自动化立体仓库数量能达到 2000 座左右。目前我国的自动化立体库技术已经基本成熟，并进入大量应用阶段。其技术水平与先进国家的差异主要在于高速性、工艺性和可靠性等方面。 而从国外情况来看，自动化立体仓库是在物流和自动控制技术快速发展背景下产生的一个高科技产品，它发源于北美洲。于1950年美国研制成功的手动控制的桥式堆垛起重机被认为是自动化立体仓库的雏形；经过大约10年的时间，其又研制

17、出了人工操作的巷道式堆垛机，并于1963研制成功了世界上最早的全自动化仓库：它运用电子计算机控制仓库的运作，实现了仓库的自动化控制。 自动化发展最快的当属我们的邻国日本，在1965开始有了第一座自动化仓库后，平均每年以300座的速度大规模兴建。到1986年它已拥有大小立体仓库5800座，占世界总数一半以上。后来美国学者JAWhite把自动化立体仓库的发展划分为五个阶段：人工仓储阶段、机械化仓储阶段、自动化仓段、集成化仓储阶段和智能化阶段3。现代自动化立体仓库的概念图如图1-1 图1-11.1.3 自动化立体仓库的优越性自动化立体仓库在现代物流、贮存、管理中占有极重要的地位。其优越性主要体现在以

18、下几个方面： 1) 实现密集存储、提高空间利用率：立体仓库通常采用725米高的巷道式高架货架存储，巷道堆垛机进行存取货物的操作空间只需一个货位的宽度即可，空间利用率能达到常规仓库的510倍；2 ) 实 现 仓 储 物 流 的 全 自 动 化 ： 立 体 仓 库 的 货 物 存 取 采 用 全 自 动 巷 道 堆 垛 机 ， 出 入 库 系 统 采 用 各 种 输 送 设 备 ， 这 些 设 备 通 过 统 一 的 控 制 系 统 调 度 、 监 控 、 管 理 ， 实 现 整 个 仓 储 系 统 的 全 无 人 自 动 化 运 行 。 3 ) 大 大 提 高 管 理 效 率 ： 由 于 立 仓

19、 库 系 统 的 出 库 、 入 库 、 盘 存 等 仓 储 程 序 均 实 现 了 全 自 动 管 理 并 跟 生 产 系 统 及 销 售 、 采 购 、 财 务 等 系 统 无 缝 对 接 ， 不 但 提 高 了 存 储 及 生 产 效 率 ， 并 能 极 大 程 度 地 提 高 整 体 管 理 效 率 和 仓 储 的 合 理 化 。 4) 协调各生产工序的不平衡。 5) 节 省 能 源 及 人 力 消 耗：自 动 化 仓 库 采 用的 是380V交 流电 的 洁净 能 源，并 且 自 动堆 垛机取 代了传 统仓储 里的叉 车 等存 取装 备，减 少了 人的 参与。1.2 堆垛机的简介起重

20、和搬运是堆垛机在立体仓库中最常见的两个作用，在系统的控制下堆垛机能够在自动化立体仓库的巷道中往返运行并存取货物。 按现行机械行业标准，堆垛机可分为：有轨巷道堆垛机、无轨堆垛机和桥式堆垛机。而有轨巷道堆垛机的分类有各式各样的方式，大体上都是通过支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等来划分。 不过在立体仓库应用中，堆垛机最常见的分类方式是按运行方式和结构来分类4。 1）按结构形式，堆垛机可分为双立柱有轨巷道堆垛机和单立柱有轨巷道堆垛机 。 双立柱结构堆垛机的机架由上横梁、下横梁和两根立柱组成，整体呈方框形。这种结构刚度高并且平稳性好，在要求取货高度高、货物质量大和行走速度高的场合应用比较广泛。

21、 单立柱堆垛机有上、下横梁组成。这种结构使用材料相对较少，这样就减轻了整机的重量，同时降低了产品投入成本。不过这种结构的堆垛机由于整体重心偏，并且在水平行走启动和停车过程中容易产生巨大冲击而使机架产生大的变形和局部应力集中，极大的限制了它的使用范围，仅仅适合应用在载重轻、低速的场合。2) 按运行轨迹形式不同，堆垛机可分为直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机 。 直线运行型堆垛机，其轨道是直线的，堆垛机只能在其直线轨道上行走，不能自行的从一个巷道换到另外一个巷道。不过因为其轨道为直线，该类型的堆垛机可以在高速情况下运行，能够实现立体库的高频率作业，在物流行业得到广泛应用。 曲线运行型堆垛机又叫转轨

22、堆垛机，其行走轮与下横梁是通过垂直轴铰接的，可以自行地从一个巷道转移到另外一个巷道，因此能够在环形或其它曲线轨道上行走，完成存取货物的功能5。不过考虑场地的利用率问题，轨道的转弯半径不宜过大，这样堆垛机在转弯时就不能高速运行，因此此种堆垛机应用在巷道比较多而堆垛机比较少且出入库频率不高的工作场合。1.3 堆垛机的发展随着自动化立体仓库的应用范围和技术手段不断发展和完善，其在现代物流体系中起着越来越重要的作用。立体仓亏最重要的部分是轨道堆垛机，轨道堆垛机因为作用广泛而得到推广使用。在1970年左右巷道是堆垛机在我国得到了迅猛发展，在这之前我国早就开始研究采用巷道式轨道堆垛机在立体仓库中的应用。在

23、堆垛机的在机架机械中，机架上安装有伸缩货叉，用来取货和送货，通过机架上的丝杠来控制货叉的长度。在二十世纪七十年代到八十年代间，巷道式堆垛机以及各种移动式货架开始运用于自动化立体仓库中，这使得物流运输的机动性大大提高，因此堆垛机的发展也越来越快6。 在19世纪初堆垛机的雏形出现在美国。伴随着工业革命的逐步发展，各工业国家都开始研究与生产堆垛机，多用于起重和运送货物。这个时候的巷道堆垛机一般由以下几个部分组成，升降电机、运行电机、固定轨道、底盘、机身、机架、伸缩货叉，并且搭配必要的电气设备。巷道式堆垛机它的运行轨道一般铺设在地面上（这样可以大大减少承重的来料），堆垛机的承重和行走则依靠的是下部的机

24、械滑轮，其运行轨迹是直线型巷道堆垛机。这种堆垛机的驱动装置安装在底盘的两侧，有利于平时的保养、维修和拆运。从1967年开始，工业刚起步的日本就掌握了安装高度为25米高度堆垛机的技术。随着各国技术交流逐渐增多，计算机控制技术和物流仓储技术也得到了很快的发展，技术越来越好，所以应用越来越广泛，同时为了满足大型立体库的技术要求，堆垛机的整机高度也在不停的提高。在1970年运货高度可达40米的堆垛机（其由货架支承，轨道固定）问世。堆垛机是立体仓库的重要部分，技术是伴随着自动化仓储技术慢慢发展起来的。最近几年国内的自动仓储技术中的堆垛机技术也与时俱进，堆垛机也在结构、减噪技术、安全运行、速度和精度指标上

25、有了很大的提高，并在机械制造、食品生产、铁路、船舶、航空、矿业、烟草等行业得到了广泛应用。跟国外比较，我国堆垛机存在最低存取货物高度比较低（世界一流水平），高速运行的安全性和精确度都显著提高，而且稳定性等问题也越来越好，所以我国堆垛机在综合性能方面步入世界发达国家行列。 目前堆垛机技术发达国家都把着力点放在开发性能可靠的新产品和采用新技术的稳定性上。随着物流仓储技术的快速发展，物流仓储的高效率性对堆垛机的存取速度提出了更高的要求，研制运行平稳可靠、认址准确、起动制动灵敏、运行振动小、噪音小等综合性能高的运行速度达到 160200m/min 以上的高速堆垛机成为今后的主要发展方向7。堆垛机实物图

26、如图1-2 图1-21.4 课题研究的目的和意义仓储技术是现代物流发展的重要指标，仓储在物流系统中起着非常重要的作用。高效的、合理的仓储能加快物资流动、降低成本并可以对资源进行有效的控制和管理。随着现代物流的快速发展，一方面，物流自动化和信息化程度不断提高；另一方面，土地成本和人工成本的提高也使企业产生了让仓库向自动化方向发展的十分迫切的需要。在这种情况下，能代表现代企业先进水平的自动化仓库也就应运而生。自动化立体仓库是近年国际上快速发展起来的一种新型物流仓储设施，具有准确高、自动化程度高、安全可靠、功能齐全等优势，并成为工业发达国家仓储建设的发展潮流。我国在 1973 年自主研制出第一座计算

27、机控制的自动化立体仓库，深受国家的关注与支持。接下来的几十年科学家和工程师们不断努力创新，我国2015 年底拥有的数量已经超过 3000 座，自动化立体仓库也从高速发展阶逐渐段步入了成熟应用阶段。据可靠调研，我国很多行业都用到自动化立体仓库，主要应用于机械制造、矿业、船舶、航空航天、食品加工、烟草等行业。与此同时，随着经济全球化步伐日益加快和信息技术的飞速发展，物流在经济活动中的重要性已经日益凸现，物流人才的需求也在日益增长。据教育部高校物流专业教学指导委员会公布的统计数据，到 2014年，我国大专以上物流人才需求量为 30 万至 40 万，而国内物流教育起步较晚，于是各高校纷纷投资兴建物流实

28、验中心，为培养高素质物流人才搭建理论与实践的平台8。 2 堆垛机的机械结构2.1 堆垛机的结构设计方案堆垛机是自动化立体仓库中的重要的物流运输设备，它受控于上位机，穿梭于立体货架之间，主要承担货物的出库、入库和移库等任务。良好的堆垛机应该满足以下几点设计标准；(1)拥有多个方向运动的控制，即水平方向的来回行走，实现堆垛机的列定位；载货台的上下运动，实现堆垛机的层定位；货叉的双向伸缩运动，实现货物的存取。(2) 具 有 安全 防护 装置，例 如：断绳 保护 装置、冲 顶保护 装 置、过载 保 护 装置 等。(3)在机械结 构满足 强度、刚度及 可靠性的 原则下，各 部分 的质 量尽 量 减少，减

29、 小堆 垛机在 加速和 制动时的 惯性冲 击，同 时还 能节省 制 造 成 本。（4）减少堆垛机工作过程中的噪音，为工作人员提供一个好的工作环境。堆垛机机械结构大致如图2-1。 图2-12.2 水平行走机构堆垛机的行走机构，主要由驱动电机、电气控制柜、减速机、主、从动轮、导向轮及下横梁等部分组成。其主要功能是由水平行走电机经过减速机驱动主动轮在地轨上运动，完成巷道堆垛机的巷道水平方向的行走运动，实现货格列方向的定位。下横梁两侧靠近端面位置分别安装有两个导向轮，对堆垛机水平行走起到很好的方向导正作用9。 本机构的下横梁运用 10mm 后的钢板经过加工焊接而成，主动轮和从动轮两端的轴承安装孔，在加

30、工的过程中应用加工中心旋转工作台经过一次装夹，镗削而成，有效的保证了主动轮和从动轮轴线的平行性，对堆垛机的水平行走的平稳性起到了很好的作用。两边的导向轮采用金属轮外裹 PPVC 材料的方式制作，即保证了导向轮的刚度也有效的减小行走过程中的噪音。2.3 货叉部分堆垛机的存取货装置主要有机械抓取式存取装置、电磁或真空吸盘存取装置、旋转抓取装置和伸缩货叉存取装置，本项目选用最为常用的伸缩货叉存取装置10。 货叉的传动方式有很多种，常见的有：齿轮齿条传动及链轮传动和齿轮齿条传动相结合的方式等11。本文选用齿轮齿条传动方式，其主要由上叉、中叉、下叉、齿轮齿条传动机构、导向轮和货叉电机等组成。其工作原理如

31、下：下叉固定在载货台上，货叉电机带动动力输入轴驱动下边大齿轮，经过齿轮齿条传动机构，最终实现中叉相对于下叉水平行走 400mm，上叉相对于下叉行走 800mm，以达到货叉行程倍增的目标。 为了保证货叉机构设计完成后能实现在货架上边正常存取货物。货叉合拢时尺寸 800mm 小于巷道宽度 1000mm，货架上货物顶部距上位货位之间有 60mm 间隙满足微抬和微降间隙要求，货物顶部距上位货物托盘底部距离为 220mm 满足货叉的存货物间隙，所以本次设计的货叉能够满足堆垛机在巷道中行走并且自动存取货物的功能。2.4 载货台载货台是货物的承载单元，其主要由导向轮、导轮架、载货台体、导向座、及滑轮组等组成

32、，其上安装有货叉装置、断绳保护装置、升降认址装置、货物位置异常检测装置等。 它的结构设计主要考虑在满足对货叉和货物的支撑刚度的前提下，尽可能的减轻其重量，按照载货台的承载参数和货物托盘的尺寸，载货台体选用 100 100mm的方钢，采取焊接的方式制成。在载货台上与立柱导轨接触的三个面上都安装有导向轮，以保证载货台沿着立柱导轨平稳的升降。 为了减小载货台在升降过程中同立柱导轨之间的震动和产生的噪音，主要采取如下措施：(1)选用 PPVC 材料制作导向轮；(2)固定导向轮的导轮架要做成可调的，在安装时根据现场实际情况，调整导向轮同立柱导轨之间的间隙。2.5 提升机构提升机构是实现载货台垂直提升的动力及传动机构，堆垛机常用的三种提升方式有：链条提升、钢丝绳卷筒提升以