立體倉庫PLC控制系統(tǒng)設計

1、天 津 理 工 大 學自動化學院專業(yè)設計報告題目：立體倉庫plc控制系統(tǒng)設計學生姓名 * 學號 * 屆 2010屆 班級 電氣2班 指導教師 黃孫偉 專業(yè)電氣工程及其自動化 說 明1. 專業(yè)設計文本材料包括設計報告、任務書、指導書三部分，其中任務書、指導書由教師完成。按設計報告、任務書、指導書順序裝訂成冊。2. 學生根據(jù)指導教師下達的任務書、指導書完成專業(yè)設計工作，合作完成的專業(yè)設計，要在設計報告概述中明確說明分工。3. 設計報告內容建議主要包括：設計概述、設計原理、設計方案分析、軟硬件具體設計、調試分析、總結以及參考資料等內容，不同類型的設計可有所區(qū)別。4. 設計報告字數(shù)應在3000-400

2、0字，圖紙設計應采用電子繪圖、且符合相應符合國標，文字規(guī)范借鑒參考畢業(yè)設計要求。5.專業(yè)設計成績由平時表現(xiàn)（50%）、設計報告（30%）和答辯成績（20%）組成。專業(yè)設計應給出適當?shù)脑u語。專業(yè)設計評語及成績匯總表成績平時成績報告成績答辯成績總評成績專業(yè)設計評語目 錄一、立體倉庫plc控制系統(tǒng)1、前言2、立體倉庫plc控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀以及趨勢 (1)、現(xiàn)狀 (2)、趨勢3、自動化立體倉庫的功能4、系統(tǒng)設計的基本步驟5、元器件計算選型(1)、plc 機型的選擇(2)、步進電機的選擇(3)、步進電動機驅動器的選擇(4)、傳感器的選擇(5)、微動開關的選擇(6)、并聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源6、plc輸入輸出分

3、配表二、系統(tǒng)硬件設計1、電氣原理圖的設計2、主電路圖的設計三、系統(tǒng)軟件設計1、系統(tǒng)流程圖2、plc軟件梯形圖一、立體倉庫plc控制系統(tǒng)1、前言隨著企業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，經濟全球化步伐也迅速，我國的工業(yè)也出現(xiàn)了翻天覆地的變化，一方面高科技的加工工藝越來越得到推廣，加工效率也得到了大大的提高。與此同時原有的物流和倉儲系統(tǒng)已不能滿足新形勢的要求,建立一個集物流、信息流和資金流于一身的自動化物流管理中心,從而降低企業(yè)綜合物流成本,提高企業(yè)綜合效益便成為目前亟待解決的問題。自動化立體倉庫是指在不直接進行人工處理的情況下, 自動地完成物品倉儲和取出的系統(tǒng), 它以高層立體貨架為主體, 以成套搬運設備為基礎,

4、是集自動控制技術、通信技術、機電技術于一體的高效率、大容量存儲機構。plc作為一種工業(yè)控制計算機, 具有模塊化結構、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網絡技術和優(yōu)越的性價比等性能, 是目前廣泛應用的控制裝置之一。自動化立體倉庫的出現(xiàn), 實現(xiàn)了倉庫功能從單純保管型向綜合流通型的轉變，而且自動化立體倉庫是現(xiàn)代物流與倉儲系統(tǒng)的重要組成部分，具有貨物存取效率高和自動化程度高、很強的入出庫能力等優(yōu)點。而plc功能強大，可靠性高，抗干擾能力強，維修方便，易于實現(xiàn)機電一體化。完全滿足立體倉庫工作環(huán)境和控制系統(tǒng)的要求。2、立體倉庫plc控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀以及趨勢（1）、現(xiàn)狀立體倉庫的產

5、生和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)之后生產和技術發(fā)展的結果。50年代初，美國出現(xiàn)了采用橋式堆垛起重機的立體倉庫；50年代末60年代初出現(xiàn)了司機操作的巷道式堆垛起重機立體倉庫；1963年美國率先在高架倉庫中采用計算機控制技術，建立了第一座計算機控制的立體倉庫。此后，自動化立體倉庫在美國和歐洲得到迅速發(fā)展，并形成了專門的學科。60年代中期，日本開始興建立體倉庫，并且發(fā)展速度越來越快，成為當今世界上擁有自動化立體倉庫最多的國家之一。 我國對立體倉庫及其物料搬運設備的研制開始并不晚，1963研制成第一臺橋式堆垛起重機（機械部北京起重運輸機械研究所），1973開始研制我國第一座由計算機控制的自動化立體倉庫（高15

6、米，機械部起重所負責），該庫1980年投入運行。到2003年為止，我國自動化立體倉庫數(shù)量已超過200座?，F(xiàn)在，自動化物流技術和成套設備的研發(fā)已經發(fā)展成了一個龐大的產業(yè)。目前，國外自動化立體倉庫采用掃描技術， 提高信息的傳輸速度和準確性：采用射頻數(shù)據(jù)通信技術，數(shù)據(jù)的采集、處理和交換能夠在搬運工具與中央計算機之間快速進行，使物品的存取和發(fā)送信息做到快速、實時、可靠和準確。另外，近年來迅猛發(fā)展的多媒體技術也在自動化立體倉庫中得到越來越廣泛的應用，普遍應用于人員培訓、操作指導、遠程現(xiàn)場監(jiān)視、異地故障分析和診斷及防火防盜等方面。 但是國內的自動化立體倉庫系統(tǒng)具有一定的局限性，主要以單機為主，系統(tǒng)整體的集

7、成能力和集成水平低；因為資金不足，許多外圍設備如agv系統(tǒng)、碼垛和拆垛等無法應用于物流系統(tǒng)，從根本上限制了這些設備的研制和發(fā)展；倉儲作業(yè)的計算機管理水平較低。因此不論從自動化物流系統(tǒng)的設備品種及技術水平，還是在應用的廣度和深度上與國際水平都還存在著相當大的差距。 （2）、趨勢隨著自動化技術和信息技術在自動化立體倉庫廣泛運用，自動化立體倉庫的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢：a) 倉儲作業(yè)管理自動化水平將會逐步提高b) 智能技術將會獲得應用。 c) 倉庫作業(yè)向柔性化方向發(fā)展d) 建設自動化立體倉庫方面更加注重實用性和安全性3、自動化立體倉庫的功能1) 堆垛機要有三個自由度，即：水平、垂直、前后2) 堆垛機的運

8、動由步進電機驅動3) 堆垛機水平運動和垂直運動可同時進行4) 堆垛機前進、后退和垂直運動時必須有超限位保護5) 每個倉位必須有檢測裝置（微動開關），當操作有誤時發(fā)出錯誤報警信號6) 當按完倉位號后，沒按入或取前，可以按取消鍵進行取消該操作。7) 整個電氣控制系統(tǒng)必須設置急停按鈕，以防發(fā)生意外。本課題設計的具體控制功能如下：（1）將選擇開關置于自動位置，通電狀態(tài)下，各機構復位，即返回零位。立體倉庫坐標定位以零位開始。 （2）當送貨的時候，選擇欲送貨物的倉位號，按動倉位號對應的按鈕，再按送貨按鈕后，貨物自動送入指定的倉位號對應的倉庫位里。若被指定的倉位號里有貨物，則送貨命令不被執(zhí)行。送貨完成后，小

9、車自動返回原來的位置。 （3）當取貨的時候，選擇欲取貨物的倉位號后，按動取貨按鈕后，堆垛機可以自動將貨物取出。如果小車里有貨物，則取貨命令不被執(zhí)行。（4）取貨和送貨指令完成后，機構自動返回原來位置。 （5） 整個電氣控制系統(tǒng)必須設置急停按鈕，以防發(fā)生意外。以6號倉庫的送貨、取貨為例說明：（1）、送貨狀態(tài)：當啟動電源選擇送貨時，按作用下6號倉庫按鍵（i1.3），微動開關檢測0號倉庫有貨物時（i2.2），微動開關檢測6號倉庫無貨物時（i3.0），小車由提供水平方向動力的步進電機的作用下，和傳感器對小車的前進限制（i3.7）作用下小車向右移動2個貨位位置；再由提供垂直方向的動力的步進電機的作用下，和

10、傳感器對小車的向上限制（i4.2）作用下小車向上移動1個貨位，移動到6號倉庫。最后由提供前后方向動力的步進電機的作用下，和傳感器對小車的送進限制（i4.5）作用下小車將貨物送進到6號貨倉。小車從原路返回，與上述步驟相反，小車復位。（2）、取貨狀態(tài)：當啟動電源選擇取貨時，按作用下6號倉庫按鍵（i1.3），微動開關檢測0號倉庫無貨物時（i2.2），微動開關檢測6號倉庫有貨物時（i1.3），小車由提供水平方向動力的步進電機的作用下，和傳感器對小車的前進限制（i3.7）作用下小車向右移動2個貨位位置；再由提供垂直方向的動力的步進電機的作用下，和傳感器對小車的向上限制（i4.2）作用下小車向上移動1個貨

11、位，移動到6號倉庫。然后由提供前后方向動力的步進電機的作用下，和傳感器對小車的取出限制（i4.6）作用下小車將貨物從6號貨倉取出。小車從原路返回，與上述步驟相反，小車復位。4、系統(tǒng)設計的基本步驟在立體倉庫控制系統(tǒng)的設計過程中主要要考慮以下幾點：（1）深入了解和分析立體倉庫的工藝條件和控制要求。（2）確定i/o設備。根據(jù)立體倉庫控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設備。（3）根據(jù)i/o點數(shù)選擇合適的plc類型。（4）分配i/o點，分配plc的輸入輸出點，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。（5）設計立體倉庫系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設計出周密完整的梯形圖程序，這是整個立

12、體倉庫系統(tǒng)設計的核心工作。（6）將程序輸入plc進行軟件測試，查找錯誤，使系統(tǒng)程序更加完善。（7）立體倉庫整體調試，在plc軟硬件設計和現(xiàn)場施工完成后，就可以進行整個系統(tǒng)的聯(lián)機調試，調試中發(fā)現(xiàn)的問題要逐一排除，直至調試成功。立體倉庫系統(tǒng)設計與調試的主要步驟，如圖所示：5、元器件計算選型（1）、plc 機型的選擇plc的選型1，輸入輸出點數(shù)：所謂的輸入輸出點數(shù)指的是整個控制系統(tǒng)需要用到的 plc的輸入點個數(shù)和輸出點個數(shù)。一般來說，當然是預先設計好整套系統(tǒng)方案， 然后算出所有的輸入輸出點個數(shù)，如果是第一次設計的方案，建議預留點數(shù)。經 過估算本設計中需要輸入端口40個，輸出端口 9個。2，輸出觸點類

13、型：是繼電器輸出類型還是晶體管輸出類型。根據(jù)所控制的 執(zhí)行機構電源電壓及功率來決定輸出觸點類型，如果系統(tǒng)里有需要用到高速脈沖 輸出控制步進電機或伺服系統(tǒng)時，一定要選擇晶體管輸出類型。本設計因為有步 進電機的控制所以選擇晶體管輸出類型。西門子s7系列plc體積小、速度快、 標準化，具有網絡通信能力，功能更強，可靠性更高。s7 系列 plc 產品可分為微型 plc（如 s7-200），小規(guī)模性能要求的 plc（如 s7-300）和中、高性能要求的 plc（如 s7-400）等。s7系plc有專門的高速脈沖輸出端，可以方便的完成步進電機的控制。根據(jù)控制功能要求選擇微型plc。微型plc s7-200

14、系列可編程控制器主機分為 10、14、24、40 點四檔，還有各種輸入和輸出擴展單元，這樣在增加 i/o 點數(shù)時，不必改變機型，可以通過擴展模塊實現(xiàn)，降低了經濟投入。本課題設計的立體倉庫控制系統(tǒng)有輸入信號40個，輸出信號9個。所選 i/o 點不得低于49點，結合實際情況，考慮到經濟實惠所選本系統(tǒng)所采用的plc是西門子s7-200 cpu226 dc24v，外加一個數(shù)字量擴展模塊em223。（2）、步進電機的選擇步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電動機，當系統(tǒng)將一個電脈沖信號加到步進電機定子繞組時，轉子就轉一步，當電脈沖按某一相序加到電動機時，轉子沿某一方向轉動的步數(shù)等于電脈沖個數(shù)。因此，改變輸入脈

15、沖的數(shù)目就能控制步進電動機轉子機械位移的大??；改變輸入脈沖的通電相序，就能控制步進電動機轉子機械位移的方向，實現(xiàn)位置的控制。當電脈沖按某一相序連續(xù)加到步進電動機時，轉子以正比于電脈沖頻率的轉速沿某一方向旋轉。因此，改變電脈沖的頻率大小和通電相序，就能控制步進電動機的轉速和轉向，實現(xiàn)寬廣范圍內速度的無級平滑控制。在該立體倉庫控制系統(tǒng)中的步進電動機采用北京斯達特機電科技發(fā)展有限公司生產的2相8拍混合式步進電機，它的主要特點：體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉矩等優(yōu)點。型號：42byghl01。 （3）、步進電動機驅動器的選擇步進電動機的運行需要有電子裝置進行驅動，這種裝置就是步進電動機驅動

16、器。控制系統(tǒng)每發(fā)出一個脈沖信號，通過驅動器就使得步進電動機旋轉一個步距角，也就是說，它把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉化為步進電動機的角位移。因此，步進電動機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。所有型號驅動器的輸入信號都相同，它們是步進脈沖信號cp、方向電平信號dir、脫機信號free（此端為低電平有效時，電動機處于無轉矩狀態(tài)；此端為高電平或懸空不接時，此功能無效，電動機可以正常運行）。它們在驅動器內部的接口電路都相同如圖3-10所示。該立體倉庫中，由于提供的電平為24v，而輸入部分的電平為5v，所以需要外部另加1.8k的限流電阻。我們這里采用sh系列的步進電機驅動器，它主要由電源輸入部分、信號輸入部分、

17、信號輸出部分組成。（4）、傳感器的選擇在該立體倉庫中采用歐姆龍ee-spy402凹槽型、反射型接插件式傳感器作貨物檢測，它是日本歐姆龍公司的產品，采用能抗周圍外來光干擾的變調光式；采用變調光式，與直流光式比，不易受外來光干擾的影響；電源電壓為dc5-24v的大量程電壓輸出型；帶有容易調整的光軸標識；帶有便于調整，動作確認的入光顯示燈；反射式傳感器的時間圖和輸出回路圖如圖所示。反射式傳感器的時間圖和輸出回路圖它有三根連接線(紅、藍、黑)，紅色接電源的正極、黑色接電源的負極、藍色為輸出信號，當與擋塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。（5）、微動開關的選擇在該立體倉庫控制系統(tǒng)中共有13個倉位（四

18、層十二個倉位加0號倉位）分別采用13只微動開關作為貨物檢測，當有貨物時相應開關動作，其信號對應plc的輸入點是i22-i36；另外為保險起見，在x軸的左限位和y軸的下限位處還分別加裝了1只微動開關作限位保護，以確保立體倉庫在程序出錯時不損壞；微動開關原理圖如圖所示。微動開關原理圖（6）、并聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源并聯(lián)式開關穩(wěn)壓電源的輸出功率大、體積小、重量輕、可靠性高、適應變動寬范圍的輸入電壓，具有完備的過電壓過電流保護功能，內置輸入emi濾波器，具有較高的抗干擾能力。在該立體倉庫控制系統(tǒng)中，考慮到plc和步進電動機驅動器都要求dc24v電源，綜合考慮系統(tǒng)的用電量、系統(tǒng)運行的可靠性和系統(tǒng)設計的規(guī)整性，

19、我們選用并聯(lián)式開關穩(wěn)壓電源。6、 plc輸入輸出分配表根據(jù)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)的i/o分配見下表所示plc輸入輸出分配表i0.0啟 動i2.112號倉庫的鍵i4.2小車向上限制i0.1手動/自動i2.2微動開關反映0號倉庫i4.3小車向下限制i0.2取 出i2.3微動開關反映1號倉庫i4.4小車向下超過i0.3送 進i2.4微動開關反映2號倉庫i4.5小車送進限制i0.4取 消i2.5微動開關反映3號倉庫i4.6小車取出限制i0.5急 停i2.6微動開關反映4號倉庫i4.7小車取出超過i0.61號倉庫的鍵i2.7微動開關反映5號倉庫q0.0前 進i0.72號倉庫的鍵i3.0微動開關反映6號倉庫q0

20、.1后 退i1.03號倉庫的鍵i3.1微動開關反映7號倉庫q0.2向 上i1.14號倉庫的鍵i3.2微動開關反映8號倉庫q0.3向 下i1.25號倉庫的鍵i3.3微動開關反映9號倉庫q0.4送 進i1.36號倉庫的鍵i3.4微動開關反映10號倉q0.5取 出i1.47號倉庫的鍵i3.5微動開關反映11號倉q0.6顯示取出i1.58號倉庫的鍵i3.6微動開關反映12號倉q0.7顯示送進i1.69號倉庫的鍵i3.7小車前進限制q1.0顯示操作錯誤i1.710號倉庫的鍵i4.0小車后退限制i2.011號倉庫的鍵i4.1小車后退超過二、 系統(tǒng)硬件設計1、 電氣原理圖的設計根據(jù)立體倉庫的課題設計要求，得

21、出如下圖電氣原理圖。電氣原理圖2、 主電路圖的設計 主電路圖三、 系統(tǒng)軟件設計1、系統(tǒng)流程圖根據(jù)系統(tǒng)工作過程的分析得出，示意圖所示。 系統(tǒng)軟件流程圖取操作：送操作：2、 plc的軟件設計 -備注：軟件梯形圖以6號貨位的存取為例，簡化軟件圖見附錄1 結論本系統(tǒng)通過最終調試表明本控制系統(tǒng)能夠較為準確地完成對貨物的存取功能，而且運行比較靈敏、可靠、。但同時也暴露出了一系列問題，在具體應用中可以采用半閉環(huán)控制，傳感器采用旋轉編碼器，旋轉編碼器安裝在傳動絲杠軸端，既能判定速度，又能確定位置，比較精確可靠。驅動采用步進電機驅動，轉速可以提高，力矩也較大，靈敏度也高，更接近與實用。 另外在工作臺上安裝機械自

22、鎖，以提高安全。在智能化上可以提高，在工作臺上安裝接近傳感器，防止工作臺與倉庫、存放貨物等相撞。增加記憶、邏輯判定、自動存放、自動提取、采用條形碼識別自動執(zhí)行等方式。利用上位機編程組態(tài)軟件，來提高控制方式增加數(shù)據(jù)分析等工作能力。 附錄1：專業(yè)設計任務書、指導書專業(yè)設計題目：立體倉庫plc控制系統(tǒng)設計.專業(yè)設計任務書（學生姓名：陳帥，楊亞松，朱植建）一、專業(yè)設計的內容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作量）1專業(yè)設計的內容實現(xiàn)基于s7-200立體倉庫系統(tǒng)控制設計。進行立體倉庫控制系統(tǒng)研究和分析；進行plc應用研究和分析；進行立體倉庫plc系統(tǒng)硬件設計，plc軟件編程設計，對程序進行調試。交流異步

23、電機參數(shù)：兩臺20kw電機, 額定電壓為380v，額定電流為30a。另一臺10 kw電機, 額定電壓為380v，額定電流為15a。2專業(yè)設計的要求立體倉庫主體由庫體運動機械及電氣控制等三部分組成。貨架為4列3層，共計12個貨位，堆垛機的主要工作過程如下：（1） 送貨：接受送貨到相應貨位的命令，堆垛機進入巷道，到相應列，升降臺沿立柱作升降運動，運動到目的貨位后，送料裝置開始運動，執(zhí)行送貨操作。執(zhí)行完送貨操作后，送料裝置回原位，升降臺回原位，堆垛機回原位，（2） 取貨：接受從相應貨位取貨的命令，堆垛機進入巷道，到相應列，升降臺沿立柱作升降運動，運動到目的貨位后，取貨裝置開始運動，執(zhí)行取貨操作。送料裝置回原位，升降臺回原位，堆垛機回原位，完成取貨操作?？刂品绞椒质謩雍妥詣觾煞N。二、專業(yè)設計參考資料1 張佩勤、王連容等.自動裝配與柔性裝配技術.機械工業(yè)出版社,19982 龔炳錚等.機電一體化技術應用實例.機械工業(yè)出版社,19953 陳立定，吳玉香等.電氣控制與可編程控制器.華南理工大學出版社，20014 胡昌思.全新概念的自動化立體倉庫.制造業(yè)自動化,2002(7) 5 王霄、段智敏.自動化立體倉庫的設計.沈陽工業(yè)學院學報,2004 (2)6 張維君，索世文等. plc在自動化立體倉庫控制系統(tǒng)中的應用.