PLC控制自动化立体仓库精.docx

1、PLC控制自动化立体仓库精前言随着企业的持续稳定发展,经济全球化步伐也迅速,我国的工业也出现了 翻天覆地的变化,一方面高科技的加工工艺越来越得到推广,加工效率也得到 了大大的提高。与此同时原有的物流和仓储系统已不能满足新形势的要求 , 建立 一个集物流、信息流和资金流于一身的自动化物流管理中心 , 从而降低企业综合 物流成本 , 提高企业综合效益便成为目前亟待解决的问题。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。 PLC

2、 作为一种工业控制计算机 , 具 有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制 功能、网络技术和优越的性价比等性能 , 是目前广泛应用的控制装置之一。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, 而 且自动化立体仓库是现代物流与仓储系统的重要组成部分,具有货物存取效率 高和自动化程度高、很强的入出库能力等优点。而 PLC 功能强大,可靠性高, 抗干扰能力强,维修方便,易于实现机电一体化。完全满足立体仓库工作环境 和控制系统的要求。但是由于立体仓库前期投入大,需要专业人才从事维护,维持费用高, 只有资 本雄厚的企业才会重视立体仓库,成本成为立

3、体仓库发展的限制因素,因此如 何降低立体仓库的成本或者设计中小型立体仓库自然成为重中之重更利于推广 与普及。本设计就是针对那些中小型企业而设计的采用三菱 FX1N 系列 PLC 作 为核心控制元件的中小型字体仓库,而且结构可以灵活调整,既可以是单排或 者双排货架的自动化立体仓库, 也可以是自动化立体车库, 可以根据需求调整。 采用专用键盘作为人机接口部件,具有手动和自动操作,可根据用户需求人机 之间进行信息交换,作控制步进电机来驱动一个有三自由度的小车在高强度导 轨上做三维运动来完成一系列动。1 绪论1.1 自动化立体仓库的发展情况及发展趋势随 着 现 代 工 业 生 产 的 发 展 , 柔

4、性 制 造 系 统 (FlexibleManufacturing System 、 计算机集成制造系统 (Computer Integrated Manufacturing System和工厂 自动化 (Factory Automation对自动化仓库提出更高的要求。 射频数据通信、 条形 码技术、扫描技术和数据采集越来越多地应用于仓库堆垛机、自动导引车和传 送带等运输设备上,移动式机器人也作为柔性物流工具在柔性生产、仓储和产 品发送中日益发挥重要的作用。实现系统的柔性化,灵活的传输设备是实现物 流和仓储自动化的趋势。美国学者 J . A . White 将自动化立体仓库的发展分为五个阶段:人

5、工 仓储阶段、机械化仓储阶段、自动化仓储阶段、集成化仓储阶段和智能自动化 仓储阶段。目前,智能自动化仓储技术虽然还处于初级发展阶段,但它将是主 要的发展方向。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

6、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开始研制我国第 一座由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 2003年为止,我国自动化立体仓库数量已超过 200座。现在, 自动化物流技术和成套设备的研发已经发展成了一个庞大的产业。目前,国外 自动化立体仓库采用扫描技术, 提高信息的传输速度和准确性:采用射频数据 通信技术,数据的采集、处理和交换能够在搬运工具与中央计算机之间快速进 行,使物品的存取和发送信息做到快速、实时、可靠和准确。另外,近

7、年来迅 猛发展的多媒体技术也在自动化立体仓库中得到越来越广泛的应用,普遍应用 于人员培训、操作指导、远程现场监视、异地故障分析和诊断及防火防盗等方 面。但是国内的自动化立体仓库系统具有一定的局限性,主要以单机为主, 系统整体的集成能力和集成水平低; 因为资金不足, 许多外围设备如 AGV 系统、 码垛和拆垛等无法应用于物流系统,从根本上限制了这些设备的研制和发展; 仓储作业的计算机管理水平较低。因此不论从自动化物流系统的设备品种及技 术水平,还是在应用的广度和深度上与国际水平都还存在着相当大的差距。1.2 自动化立体仓库的发展趋势随着自动化技术和信息技术在自动化立体仓库广泛运用, 自动化立体

8、仓库的发展将呈现以下趋势:(1仓储作业管理自动化水平将会逐步提高。(2智能技术将会获得应用。(3仓库作业向柔性化方向发展。(4建设自动化立体仓库方面更加注重实用性和安全性1.3 本课题的研究意义及研究目的自 动 化 立 体 仓 库 又 称 立 库 、 自 动 存 取 系 统 AS/RS(Automatic Storage& Retrieval System, 是一种用高层立体货架 (托盘 系统 储存物资, 用电子计算机控制管理和用自动控制堆垛运输车进行存取作业 的仓库。使用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,提高了空间利用率;自动化

9、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,

10、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水平。自动化物流控制系统具有信息处理、系统控制、系统监视、系统管理等多 种功能,集信息流和物流于一体,是现代化企业物流和信息流管理的重要组成 部分。自动化控制系统在现代物流系统中起着承上启下的重要作用, 根据上位调 度管理计算机下达作业任务,控制系统自动完成对设备的运行、停机、故障、 报警等各项过程的控制。同时将作业完成情况和设备状况实时上报上位调度管 理层,使上位系统实现对设备运行状况、物流位置和物流数据的管理与监控。 自动化控制系统作为自动化物流系统中的一个重要组成部分,对于提高物流系 统的物

11、流控制功能和作业效率,具有关键的作用。自动化立体仓库是一个复杂的综合自动化系统是现代物流技术领域中出现的一 种新型仓储方式。自动化立体仓库自诞生以来就受到了极大关注,对其相关技 术和管理的研究从未停止过。 在现代社会, 随着生产方式和技术革命性的变革, 自动化立体仓库已经成长为支持企业和社会经济活动的重要因素,其经济和社 会效益逐渐被人接受,自动化立体仓库也成为企业和社会投资的重点。而且自 动化立体仓库其优越性是多方面的, 对于企业来说 , 可从以下几个方面得到体现:1 提高空间利用率 ,早期立体仓库的构想,其基本出发点是提高空间利用 率,充分节约有限且宝贵的土地。在西方有些发达国家,提高空间

12、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、环境保护等更多的方面 联系起来。有些甚至把空间的利用率作为系统合理性和先进性考核的重要指标 来对待。 立体库的空间利用率与其规划紧密相连。一般来说,自动化高架仓库 其空间利用率为普通平库的 2-5倍。这是相当可观的。2 便于形成先进的物流系统,提高企业生产管理水平传统仓库只是货物储存的场所,保存货物是其唯一的功能,是一种“静态 储存” 。 自动化立体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,而且可以与仓库以外的生产环节进行有机的连接,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生产物流中的一

13、个重要 环节。企业外购件和自制生产件进入自动化仓库储存是整个生产的一个环节, 短时储存是为了在指定的时间自动输出到下一道工序进行生产,从而形成一个 自动化的物流系统,这是一种“动态储存” ,也是当今自动化仓库发展的一个明 显的技术趋势。本课题研究的目的在于, 随着自动化立体仓库系统控制技术的蓬勃发展, 探索自动化立体仓库新的控制技术,结合现代科技的发展水平,用技术创新的 思想,在实现自动化立体仓库的 Integrated(集成化 、 Intelligent(智能化 、 Information(信息化 方面进行研究。为提高自动化立体仓库先进性、可靠性, 提高其经济效益和社会效益,提高我国的物流技

14、术水平做出我们应有的贡献。 堆垛机控制系统和货位的优化分配研究已经取得了较大的进展,但随着现代物 流的发展,问题的复杂程度和求解精度要求的不断提高,现有的研究方法还不 能满足现代物流的控制要求,需要发展更为高效的优化方案。1.4 本课题的研究内容本课题主要研究中小型自动化立体仓库的自动控制系统, 具有专用的人机信 息交流界面控制面板,可以实现手动和自动货物存取功能。存取货物还可以实 现全自动,为节省 PLC 成本,采用三菱的矩阵输入指令等高级宏指令,扩展了 PLC 的输入和输出点数。而且利用 PLC 软件实现货架上有无货物的检测,节省 了货物检测传感器的成本投入,步进电机也是通过 PLC 软件

15、进行控制其正转、 翻转和加减速。根据自动化立体仓库运行的基本原理, 通过大学阶段所学的知识设计一套基 于 PLC 的自动化立体仓库运动的控制系统,具有根据用户的输入,三个坐标方 向电机能够准确移动、 定位以实现物品的正确存放功能。 具体完成的任务如下:(1 命令键盘的设计。(2 熟练掌握 PLC 程序设计方法。(3 应用 PLC 完成硬件电路的设计。(4 设计出相应的程序,并且通过调试。(5 在立体仓库模型上进行物品装卸试验。通过对仓库模型控制系统的设计研究,能够对自动化立体仓库设计的基本工 作原理有一定的认识,并且对大学阶段所学知识能够进一步的深化,对理论知 识和实际应用之间的相互转化有更具

16、体的理解, 特别是对 PLC 技术、数字电路、 机电一体化技术有了更进一步的认识。以及 PLC 的程序设计有了更认真地学习 和运用。另外,通过对此课题的学习研究,还可以培养自己独立解决实际问题的能力, 为以后学习打下基础1.5 方案论证目前自动化立体仓库已随着经济的发展开始越来越流行起来, 其设计也在不 断的趋向于完美化,本仓库模型系统的设计也有很多不同的方法。我们对仓库 模型控制作了两种设计方案,并对其进行了研究和讨论方案一:基于单片机的仓库模型控制系统的设计。采用单片机作为主控制 器来控制步进电机的控制系统,系统所要设计的控制电路较多,较为复杂。而 且整个控制系统的开发周期长。由于需设计的

17、电路居多,所以系统的软件程序 设计复杂,难于实现 12。方案二:基于 PLC 仓库模型控制系统设计, 它具有很多其他设计方法不可比 拟的优点:(1 可靠性高、环境适应性强:可编程控制器输入 /输出端口均采用继电器和 光电耦合器件,采取了隔离和抗干扰措施,所以具有很高的抗干扰能力; (2 通用性好:由于可编程控制器采用模块化结构, 一般有 CPU 模块、 电源 模块、 PID 模块、模拟输入和输出模块等,可以用这些模块灵活的组成各种不 同的控制系统,对不同的控制系统,只需选取不同的模块即可,因而具有很好 的适用性 14 。(3 使用方便、灵活:对于不同的控制系统,当硬件结构选定后,如果输入 /输

18、出作很小的变动时, 只需修改相应程序即可, 无需对系统连线做较大的修改, 减少了现场调试的工作量,使用起来灵活方便。(4 具有顺序、周期性的工作特征。(5 体积小;由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器,用软件编程 代替了硬连线,便于安装,实现了小型化。综上所述:我们选择方案二,即 PLC 作为设计中的主控制系统,能够很好的满 足设计要求,达到设计的目的。1.5本章小结本章首先从国内和国外两个方面简要介绍了自动化立体仓库的发展状况, 并指出了自动化立体仓库的未来发展方向; 其次简要介绍了本课题的研究背景、 意义及目的;最后给出了本次设计的自动化立体仓库的研究内容即本设计系统 所能完成的功能

19、;还有我们为什么会选择使用 PLC 完成对本系统的控制,及其 优点。2 可编程控制器的介绍2.1 PLC的定义及功能简介可编程序控制器,英文称 ProgrammableController ,简称 PC 。但由于 PC 容易和 个人计算机(Personal Computer 混淆,故人们仍习惯地用 PLC 作为可编程序 控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置, 专为在工业现场应用而设计,它采用可编程序的存储器,用以在其内部存储执 行逻辑运算、顺序控制、定时 /计数和算术运算等操作指令,并通过数字式或模 拟式的输入、输出接口,控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 是

20、微机技术与 传统的继电接触控制技术相结合的产物,它克服了继电接触控制系统中的机械 触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点,充分利用了 微处理器的优点,又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯,特别是 PLC 的程序编制,不需要专门的计算机编程语言知识,而是采用了一套以继电器梯 形图为基础的简单指令形式,使用户程序编制形象、直观、方便易学;调试与 查错也都很方便。用户在购到所需的 PLC 后,只需按说明书的提示,做少量的 接线和简易的用户程序编制工作,就可灵活方便地将 PLC 应用于生产实践。 可编程序控制器一直在发展中,所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学 会(IEC 曾

21、先后于 1982.11; 1985.1和 1987.2发布了可编程序控制器标准草案 的第一,二,三稿。在第三稿中,对 PLC 作了如下定义:可编程序控制器是一种数字运算操作电子 系统,专为在工业环境下应用而设计。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 通过数字的,模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序 控制器及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于 扩充其功能的原则设计。PLC 是近年来发展极为迅速、 应用极为广泛的工业控制装置。 它将传统的继电器 控制技术、自动化技术、计算机控制技术和通

22、信技术融为一体专门为工业控制 而设计,具有可靠性高、功能强、编程简单、使用方便、环境适应性好以及体 积小、功耗低等特点;具有基本控制功能、步进控制功能、模拟控制功能、定 位控制功能、网络通信功能、自诊断功能、显示监控功能等,可以满足对工业 生产进行监视和控制的绝大多数场合的需要。 PLC 最常用的语言是面向控制的梯 形图语言,它采用了与实际电器原理图非常接近的图形编程方式,易学易用 16。具体特点如下:(1 所有的 I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外部电路与 PLC 内 部电路之间电气上隔离,使其安全工作。(2 各输入端均采用 RC 滤波器,其滤波时间常数一般为 1020ms ;(3

23、 各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。(4 采用性能优良的开关电源。(5 一旦电源或其他硬件等设备发生异常情况, CPU 立即采用有效的措施, 以 防止故障扩大。(6 PLC可以真对不同的工业现场信号有相应的 I/O模块与工业现场的器件或 设备 17。2.2 PLC的分类自动化立体仓库通常有以下几种分类方式,按建筑形式可以分为整体式和分离 式;按自动化仓库与生产连接的紧密程度可分为独立型 (也称离线型 、半紧密 型和紧密型仓库 (在线型 ; 按货物存取形式可以分为单元货架式、拣选货架式; 按照在生产流通中的作用可以分为生产性仓库和流通性仓库;按货架的结构形 式可以分为单元货格式、贯通式、水平

24、循环式和垂直循环式,其中以单元货格 式仓库使用最广。按容量和功能分为小型机、中型机、大型机。小型 PLC 一般以开关量控制为主, 它的输入 /输出点数适合于接触器、 继电器控 制的场合,还能直接驱动电磁阀等执行元件。这类 PLC 价格低廉、体积小巧, 适合于控制单台设备,开发机电一体化产品。中型 PLC 不仅有开关量和模拟量的控制功能,还具有数值计算能力。为了将温 度、压力、流量等模拟量转化为数字量,一般都带有 A/D转化器,中型机指令 也比小型机丰富。还有微分、积分、比例、整数、浮点运算等模块功能。适用 于有温度控制和开关动作复杂的机械及连续生产过程。大型机已经于工业控制计算机相近,它具有计

25、算、控制和调节的功能,还具有 网络结构和通讯联网能力。 这类机型点数都在 100点以上, 内存容量 64K 以上。 大型机适用于设备自动化控制,过程自动化控制和过程监控系统中。2.3 PLC的选型2.5 PLC的各个组成部件及工作原理PLC 的工作原理具体如下:PLC 的 CPU 采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式, 即如果一个输出线圈或逻辑 线圈被接通或断开,该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点不会立即动 作,必须等到扫描到该触点时才会动作 18。当 PLC 投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执 行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期

26、 间, PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段 18。具体过程如下: (1 输入采样阶段在输入采样阶段, PLC 以扫描方式依次地读入所有状态和数据,并将它们存入 I/O映象区中的相应单元内, 输入采样结束后, 转入用户程序执行和输出刷新阶 段。 在这两个阶段中, 即使输入状态和数据发生变化, I/O映象区中的相应单元 的数据和状态也不会改变。因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲的宽度必须 大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。(2 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段, PLC 总是由上而下的顺序依次地扫描用户程序 (梯形图 。 在扫描每一条梯形图时, 又总

27、是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路, 并按照先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然 后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态; 或者刷新该输出线圈在 I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。(3 输出刷新阶段当用户程序结束后, PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间, CPU 按照 I/O映象区 内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路, 在经输出电路驱动相应的外设。 这时,才是 PLC 真正的输出 19。1.CPU 是 PLC 的核心部分。与通用微机 CPU 一样, CPU 在 PC 系统中 的

28、作用类似于人体的神经中枢。其功能: (1用扫描方式(后面介绍接收现场输入装置的状态或数据,并存入输 入映象寄存器或数据寄存器;(2接收并存储从编程器输入的用户程序和数据;(3诊断电源和 PC 内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误;(4在 PC 进入运行状态后:a 执行用户程序产生相应的控制信号(从用户程序存储器中逐条读取指 令,经命令解释后,按指令规定的任务产生相应的控制信号,去启闭有关的控 制电路b 进行数据处理分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、 变换等动作,完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务c 更新输出状态输出实施控制(根据运算结果,更新有关标志位的状态 和输出映象寄存

29、器的内容,再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容,实现输 出控制、制表、打印、数据通讯等2. 存储器系统程序存储器存放系统工作程序 (监控程序 、 模块化应用功能子程 序、命令解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数*不能由用户直接存取用户存储器用户程序存储器存放用户程序。即用户通过编程器输入的 用户程序。功能存储器(数据区存放用户数据PC 的用户存储器通常以字(16位 /字为单位来表示存储容量。注意:系统程序直接关系到 PC 的性能, 不能由用户直接存取,所以,通常 PC 产品资料中所指的存储器形式或存储方式及容量,是指用户程序存储器而 言。3. 接口输入输出接口是 PLC 与工业现场控制或检

30、测元件和执行元件连接的接口电 路。 PLC 的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型;输出接口有 晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点 输出型电路,晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功 率负载;继电器输出为有触点输出型电路,用于低频负载。现场控制或检测元件输入给 PLC 各种控制信号,如限位开关、操作按钮、 选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等,通过输入接口电路将 这些信号转换成 CPU 能够接收和处理的信号。输出接口电路将 CPU 送出的弱 电控制信号转换成现场需要的强电信号输出,以驱动电磁阀、接触器等被控设 备的执行元

31、件。1 输入接口输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号, 一类是由按钮、 转换开关、 行程开关、继电器触头等开关量输入信号;另一类是由电位器、测速发电机和 各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。以图 2所示的直流输入接口电路为例, R1是限流与分压电阻, R2与 C 构 成滤波电路,滤波后的输入信号经光耦合器 T 与内部电路耦合。当输入端的按 钮 SB 接通时,光耦合器 T 导通,直流输入信号被转换成 PLC 能处理的 5V 标 准信号电平 (简称 TTL ,同时 LED 输入指示灯亮,表示信号接通。微电脑输入 接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成,这些电路集成在 一个芯

32、片上。交流输入与交直流输入接口电路与直流输入接口电路类似。 图 2直流输入接口电路滤波电路用以消除输入触头的抖动,光电耦合电路可防止现场的强电干扰 进入 PLC 。由于输入电信号与 PLC 内部电路之间采用光信号耦合,所以两者在 电气上完全隔离,使输入接口具有抗干扰能力。现场的输入信号通过光电耦合 后转换为 5V 的 TTL 送入输入数据寄存器,再经数据总线传送给 CPU 。2 输出接口输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀 (模拟量 、调速装置 (模拟量 、指示灯、数字显示装置 和报警装置等。 输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成, 与输入接口电路类似,内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干 扰电隔离。微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电 路集成在芯片上, CPU 通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中,功率 放大电路是为了适应工业控制要求,将微电脑的输出信号放大。3 其它接口若主机单元的