1、长春理工大学本科毕业设计1摘要随着我国国民经济的发展，自动化立体仓库的应用越来越广泛。利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化。自动化立体仓库的主体由货架、巷道式堆垛起重机、入(出)库工作台和自动运进(出)及操作控制系统组成。本课题的电气控制主要由西门子公司的 PLC、步进电机驱动器、步进电动机、直流电动机等器件组成。对本课题进行简要的介绍，包括背景，研究意义，现状等；其次对该系统的硬件组成、结构、原理进行了阐述和分析；再次对本系统用到的器件进行分别介绍，重点对 PLC 程序进行了编写；最后对设计本课题所学到的知识和结论进行归纳和总结。关键词：立体仓库 电气控 PLC长春理
2、工大学本科毕业设计2AbstractWith the development of computer information technology, modern enterprise production scale expanding and competition intensifies day by day, market of enterprise logistics system proposed new requirements, automated warehouse more and more by concern and has been widely used. This
3、 paper introduces the structure and features of the double column stacking machine with the rail roadway, and analyzes and discusses the main design points of the double column stacking machine with the rail roadwayKeywords: automated warehouse; stacking machine; design长春理工大学本科毕业设计3目录摘要 .1Abstract.2
4、第 1 章 绪论 .41.1 本课题研究的背景和现状 .41.2 本课题的发展趋势 .41.3 本课题研究的目的和意义 .51.4 课题的设计内容 .5第 2 章 系统的的硬件 .62.1 立体仓库系统作业单元的功能 .62.2 可编程控制器（PLC）的简介 .62.2.1 可编程控制器的结构 .62.2.2 可编程控制器的特点 .72.3 采用 PLC 控制立体仓库的优点 .72.4 立体仓库系统作业单元控制 .82.5 电气原理图的设计 .82.6 立体仓库电气硬件的介绍与选择 .92.6.1 可编程控制器（PLC） .92.6.2 步进电动机 .112.6.3 步进电动机驱动器 .122
5、.6.4 传感器 .132.6.5 微动开关 .142.6.6 直流电动机 .142.6.7 并联型开关稳压电源 .153.7 PLC 输入输出分配 .15第 3 章 系统的软件设计 .163.2 系统程序的设计 .183.2.1 系统的控制要求 .183.2.2 梯形图的主程序 .184.3.3 各部分程序分析 .23总结 .39致谢 .40参考文献 .40长春理工大学本科毕业设计4第 1 章 绪论1.1 本课题研究的背景和现状随着企业的持续稳定发展,经济全球化步伐也迅速，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。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
6、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极待解决的问题。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,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，具有货物存效率高和自动化程度高力等优点。自动化立体仓库的主要优点如下：(1)仓 库 作 业 实 现 机 械 化 和 自 动 化 。(2)采用高层货架、立体储存，能有效地利
7、用空间，减少占地面积，降低土地购置费用。(3)采用托盘或货箱储存货物，货物的破损率显著降低。(4)货位集中，便于控制与管理，特别是使用电子计算机，不但能够实现作业过程的自动控制，而且能够进行信息处理。1.2 本课题的发展趋势由于自动化立体仓库的广泛应用、计算机技术和网络技术的发展，使得立体仓库的发展十分迅速，其发展的趋势主要有 3 点：1 立体仓库向柔性化发展。随着柔性化的普及，自动化立体仓库的储运作业也将向柔性化发展。国外已经开始出现一批可拆卸的和移动式的仓库结构2 立体仓库作业管理自动化水平逐步提高。随着社会的发展，各个行业对物流的速度和物流的准确度要求越来越高，具体来说，就是在要求的时间
8、内、在准确的地点、按准确的顺序与方法、提供准确的品种及数量的货物更加的多。3 立体仓库中智能技术将会取得应用。人工智能技术的发展，推动了自动化技术向其高级阶段- -智 能 化 方 向 发 展 ， 让 自 动 化 立 体 仓 库 的 作 业 越 来 越 简 单 ， 对人 力 的 要 求 越 来 越 少 ， 维 护 的 时 间 越 来 越 少 ， 变 的 越 来 月 安 全 。长春理工大学本科毕业设计51.3 本课题研究的目的和意义它以高层立体货架为主要标志，使用成套先进的搬运设备，以先进的计算机控制技术为主要手段，实现搬运、存取的机械化和自动储存管理，并可与上级计算机联网组成内部局域网，从而实现
9、管理、监控、执行的功能。由于自动化立体仓库这一新技术的出现和发展，使传统的仓储观念发生了根本性的变化。从原来的固定货位、人工搬运和码放、人工管理、以储存为主的传统仓储作业，转变为自由选择货位、可按需要实现先进先出的机械化与自动化仓储作业，同时可以对货物进行必要的拣选、组配，并根据整个企业生产的需要，有计划的将库存物按指定的数量和时间要求送到恰当地点，满足均衡生产的需要，可以说自动化立体仓库的出现使“静态仓库”变成了“动态仓库”。自动化立体仓库的功能主要是存储和保管、调节供需和调节货物运输能力。和普通仓库相比，自动化立体仓库具有显著的优越性。首先，它可充分利用仓库面积和空间，扩大仓储系统的综合利
10、用率和作业规范，节约劳力。其次，增加了分拣、转运、配送、包装、流通加工、信息处理等设施，能够全面为生产和商业流通服务，从而提高仓库管理水平，减少货损，优化、降低库存，缩短周转期，节约资金。同时，其机械化和自动化提高了劳动效率，并能方便地纳入企业的物流系统。AS/RS 的计算机管理与控制也可以减少货物和信息处理过程中的差错。1.4 课题的设计内容自动化立体仓库的主体由货架、巷道式堆垛起重机、入(出)库 工 作 台 和 自动 运进 (出)及 操 作 控 制 系 统 组 成 。 堆 垛 机 是 立 体 仓 库 的 关 键 部 件 ， 责 全 部 货 物 的入库承运作业，实现三个自由度的运动。该系统通
11、过传感器采集信号，PLC 控制程序，可以实现对步进电机和直流电机较复杂的速度与位置控制规模。在入库作业时，当检测传感器检测到零位平台上有货物，那么起动机械手，将零位平台上的货物放到指定的库位上。在出库操作时，启动机械手，到达指定位置，将指定位置的货物取出放到零位平台。机械手在执行每次的去放任务，都会自动回到零位，等待下一条指令。论 文 中 机 械 手 可 以 进 行 三 个 维 度 的 变 化 ， 就 是 可 以 进 行 前 进 、 后 退 、 上 、下 、 左 右 的 变 化 。 为 了 系 统 的 安 全 在 每 个 限 位 都 装 有 超 限 位 保 护 开 关 ， 每 个库 位 都 有
12、 检 测 装 置 ， 判断库位是否已有货物，禁止双重入库和空的取操作。长春理工大学本科毕业设计6第 2 章 系统的的硬件2.1 立体仓库系统作业单元的功能系统采用滚珠丝杠、滑杠以及普通丝杠作为主要传动机构、点击采用步进电机和直流电机，其关键部分是机械手，它由水平移动、垂直移动、货台机构三部分组成，其水平和垂直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成，伸叉机构由一台直流电机来控制。当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，直流电机驱动货台向前伸出可将货物取出或者送入，当取到货物货已送入，则货台向后缩回。在此设计的立体仓库需要满足一下功能：1 机械手要有三个自由度，即：前进、后退；上、下；左、右；2 机
13、械手的运动由步进电机驱动；3 机械手前进（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行；4 机械手前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护；5 每个库位必须有检测装置（微动开关）。6 当按完库位号后，没按入或没取前，可以按手动取消该操作。2.2 可编程控制器（PLC）的简介2.2.1 可编程控制器的结构各种 PLC 的组成结构基本相同，主要有 CPU,电源，储存器和输入输出接口电路等组成。1 处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU 通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。CPU是 PLC 的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。2
14、 PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。系统存储器用于存放PLC 的系统程序，用户存储器用于存放 PLC 的用户程序。现在的 PLC 一般均采用可电擦除的 E2PROM 存储器来作为系统存储器和用户存储器3 PLC 的输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入 CPU；PLC 的输出接口电路的作用是将 CPU 向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。PLC 的输入输出接口电路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路。基本结构如图 2.1长春理工大学本科毕业设计7图 2.1 PLC 结构2.2.2 可编程控制器的特点1
15、 可靠性高，抗干扰能力强2 配套齐全，功能完善，适用性强3 易学易用，深受工程技术人员欢迎4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造5 体积小，重量轻，能耗低6 系统的设计安装和维修工作少，而且维修方便。2.3 采用 PLC 控制立体仓库的优点PLC 的应用非常广泛，例如电梯控制、防盗系统的控制、交通信号的控制、楼宇供水自动控制、喷水池自动控制、消防系统自动控、供电系统自动控制及各种生产流水线的自动控制等。PLC 的应用大大提高了控制系统的稳定性、适用性、并且降低了系统成本。其控制系统简单，更改容易，施工周期短；系统维护容易。长春理工大学本科毕业设计8按 PLC 编程功能可分为 4 大类
16、开关顺序控制、通信功能、模拟量控制、 运动控制。PLC 的应用大大提高了控制系统的稳定性、适用性、并且降低了系统成本。其控制系统简单，更改容易，施工周期短；系统维护容易。自动化立体仓库，少不了自动化仓库管理系统，只有使用强大的仓库管理系统才能使得仓库管理和业务流程上一个台阶，才能将先进的硬件设备发挥作用、产生效益，针对这一仓库管理系统，我选择了 PLC。选择 PLC 是 因 为 它 的 稳 定性比单纯的使用单片机要稳定的多，所能实现的功能也强大的多。总的来看，基于 PLC 自动化 立 体 仓 库 可 以 总 结 为 如 下 几 点 优 点 ： 低 成 本 、范围广、高速、便捷、永远在线、结构灵
17、活、数字化等。2.4 立体仓库系统作业单元控制立体仓库库系统作业单元的控制图如图 2.2 所示。构成 PLC 控 制 系 统 的 主要 电 气 硬 件 有控制立体仓库的 Z 轴的直流电动机，控制 XY 轴的步进电动机以及供给系统能源的直流开关电源，还有各种传感器，如系统中采用的反射式和对射式传感器以及微动开关（用来完成货物的检测以及限位保护）。图 2.2 立体仓库库系统作业单元的控制图2.5 电气原理图的设计根据以上的控制要求，得到如下电气原理图：由 PC 机或手持编程器编制的程序S7-200CPU 226SH 系列步进电动机驱动器两相八拍混合式步进电动机X 轴 Y 轴运动机械机构直流电动 机
18、Z 轴运动机械机构长春理工大学本科毕业设计92.6 立体仓库电气硬件的介绍与选择2.6.1 可编程控制器（PLC）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。所以，权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的。因此，工程设计选型和估算时，应当是要分析控制过程的特点、要求、范围。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，选择有较高性价比的 PLC、设计相应的控制系统。1.输入输出（I/O）点数的估算长春理工大学本科毕业设
19、计10在我们设计时，我们先对 I/O 点数估算，并且考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%20%的可扩展，以此来确定我们所需要的PLC 输入输出点数。根据估算的方法故本课题的 I/O 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指可编程序控制器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器容量。设计阶段,为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算，大体上都是按数字量 I/O 点数的 1015 倍，加上模拟量 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存
20、的总字数（16 位为一个字），另外再按此数的 25%考虑余量。因此本课题 PLC 内存容量选择应能存储 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。根据本课题所设计的自动控制的需要，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，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的控制功能，一方面要提高 PLC 的处理速度，另一方面节省存储器容量。(2)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
21、的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过过软件对 PLC 内部的性能和功能进行的诊断是内诊断，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的诊断就是外诊断。PLC 的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。(3)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。完成编程之后，编程器切换到运行模式，CPU 对现场设备进行控制，就不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在本设计中选用的是此方式。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
