毕业设计论文自动仓储系统

基于 PROFIBUS 和 S7-300 的立体自动仓库设计摘 要随着计算机技术和自动控制技术的发展和广泛应用，自动化立体仓库得到了迅速的发展，其与传统仓储相比具有占地面积小仓储容量大，出入库速度快等特点。能帮助企业提高企业劳动生产效率和资金周转效率，降低工人劳动强度，进而提高企业的市场竞争力。自动化立体仓库系统是现代物流自动化系统的重要组成部分,随着现代工业生产的发展，要求自动化立体仓库能够实时接受任务信息，在高效率执行任务的同时实时反馈任务完成信息，这就要求自动化立体仓库系统的管理层、监控层以及控制层能够协调高效地工作。本文基于现代物流技术的应用和发展要求，着重研究自动化立体仓库的计算机仓储管理系统的开发。在管理系统中，系统要求实现入库管理，库存管理，出库管理，报表管理以及系统管理等功能 1。本文对自动化立体仓库的国内外发展状况进行研究和分析，然后提出一套自动化立体仓库整体设计方案，采用西门子 S7-300PLC 为控制核心的分布式控制结构，通过 profinet 和 profibus 总线与管理层和监控层连接实现数据的实时传输和监控。软件设计分别采用 STEP7 编程软件实现堆垛机的出入库控制。采用杰控组态软件设计监控系统，其包含设备及货位状态显示、故障报警、入库( 库存)信息的报表等接口。关键词：计算机技术；自动控制技术；自动化立体仓库；发展状态；管理系统；软件开发 ；STEP7 编程软件；profinet 和 profibus 总线；杰控组态软件一 绪 论1.1 自动化立体仓库的定义 在刘安宇，张仰森，李媛丽的 单仓库多用户自动化立体仓库管理信息系统设计中对自动化立体仓库这样定义，自动化立体仓库是指采用高层货架储存货物，用起重、装卸、运输机械设备进行货物出入库作业，由电子计算机进行管理和控制，不需人工搬运作业而实现收发作业的仓库。自动化立体仓库系统就是在无需人工搬运的情况下,运输设备能自动地完成货物出入库任务的仓库存储系统。自动化立体仓库以现代化物流技术、自动化技术与计算机技术为基础，主要由高层货架，堆垛机、出入库输送线、AGV 等设备所构成，广泛应用于汽车、烟草、化工等制造业 3。1.2 自动化立体仓库的背景及研究现状1.2.1 自动化立体仓库的出现环境自动化立体仓库系统是指在无需人工搬运的情况下,运输设备能自动地完成货物出入库任务的仓库存储系统。自动化立体仓库以现代化物流技术，自动化技术与计算机技术为基础,主要由高层货架,堆垛机,出入库输送线,AGV 等设备所构成,广泛应用于汽车,烟草,化工等制造业。在第二次世界大战期间美国为了满足战争供应,将战争物资生产，采购，运输，配给等活动作为一个整体进行统一布置,以求物资补给费用更低，速度更快，服务更好。在这种“物流”的思想的影响下,伴随着经济和科学技术的发展,自动化立体仓库得到了迅速的推广和发展 1。1950 年美国首先产生了手动控制的桥式堆垛起重机,这种起重机的大梁上悬挂一个门架(立柱),利用门架的上下和旋转运动来搬运货物,与此同时也提出了高层货架的新概念,被认为是自动化仓库的雏形;1960 年左右在美国开始出现了没有大梁的由人工操作的巷道式堆垛机,随着立体仓库的发展,巷道式堆垛机逐渐代替了桥式堆垛机;1963 年美国的一个食品厂在仓库工作中采用电子计算机,成为世界上最早的全自动化仓库;从 1963 年开始,在欧洲各国,由于用地紧张,开始计划建造 25 一 30 米的高层自动化仓库;从 1967 年开始,相继完成了一些计算机管理和计算机控制的全自动化仓库;1970 年安装了由货架支承式改变为地面支承式的高度达 40 米的堆垛机;70 年代提出了采用 50 米高堆垛机的可能性;进入 90 年代后,堆垛机在使用范围和性能上有了很大的发展 2。在自动化立体仓库的开发应用方面我国晚于国外,直到 20 世纪 70 年代初期,我国国内才陆续开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。在 1950 年,由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成的我国第一座自动化立体仓库在北京汽车制造厂投产 2。从此以后,自动化立体仓库在我国得到了迅速的发展;1995 年建成的仪征化纤工业联合公司涤纶长丝自动化立体仓库是目前国内独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体仓库 3自动化技术在仓储领域中的发展可分为以下五个阶段:人工仓储阶段,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 45。从 96 年起,昆明船舶设备集团有限公司通过技术引进和集成创新,在自动化物流系统方面进行了系统的开发和研制工作。建成了如青岛颐中集团、青岛海尔集团、玉溪及红河卷烟厂等大型自动化物流系统,这些都是我国高新技术含量最多自动化物流系统。这些技术成果均达到了国内领先水平,并处于世界先进水平,同时填补了我国自动化技术某些领域的空白。虽然通过对此项目的不断开发研制,己取得了喜人的成绩,但现在我国不论从自动化物流系统的设备品种及技术水平上,还是在应用广度及深度上与国际水平的还存在着相当大的差距。1.2.2 自动化立体仓库的发展过程自动化技术在仓储领域(包括主体仓库) 中的发展可分为 5 个阶段：人工仓储阶段、机械仓储阶段、自动化仓储阶段、集成化仓储阶段和智能自动化仓储阶段。在 20 世纪 90 年代后期的若干年内，智能自动化仓储将是自动化技术的主要发展方向。 (l) 第一代物流是人工物流人类自有文明以来，物流一直是世界的一个重要组成部分。初始的物流是从人们的举、拉、推和记数等人工操作开始的，虽然第一代物流是人工的，但即使在今天，人工物流仍存在于几乎所有的系统中。(2) 第二代物流是机械物流由于机械结构和机构的引入，人类的能力和活动范围都扩大了。现代化设备能让人们举起、移动和放下更重的物体，速度也更快，机器延伸了人们的活动范围。从 19 世纪中叶到 20 世纪中叶的一个世纪里，这种机械系统一直起主导作用，同时它在今天的许多物流系统中也仍然是主要组成部分。(3) 第三代物流是自动化物流20 世纪 50 年代末和 60 年代，人们相继研制和采用了自动导引小车(AVG ) 、自动货架、自动存取机器人、自动识别和自动分拣等系统。20 世纪 70 年代和 80 年代,旋转体式货架、移动式货架、巷道式堆垛机和其他搬运设备都加入了自动控制的行列(但这时只是各个设备的部自动化并各自独立应用,被称为“自动化孤岛 ”) 。自动存储系统 (AS/RS)、自动导引车(AGV)、电子扫描器和条形码是自动化系统的主要组成部分。同时，自动化物流也普遍采用机器人堆垛物料和包装、监视物流过程及执行某些过程。自动输送机系统提供物料和工具的搬运，加快了运输的速度，使物流的效率大大提高了。(4) 第四代物流是集成物流它强调在中央控制下各个自动化物流设备的协同性，中央控制通常由主计算机实现。这种物流系统是在自动化物流的基础上进一步将物流系统的信息集成起来，使得从物流计划、物流调度直到将物料运输到达生产的各个过程的信息，通过计算机网络相互沟通。它不仅使物流系统各单元间达到协调，而且使生产与物流之间达到协调。20 世纪 70 年代初,我国开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库；1980 年，由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成的我国第 1 座自动化立体仓库在北京汽车制造厂投产；从此以后，自动化立体仓库在我国得到了迅速的发展。现在，我国的自动化仓库技术已实现了与其他信息决策系统的集成,正在做智能控制和模糊控制的研究工作。 (5) 第五代物流是智能型物流人工智能技术的发展正推动自动化库房向智能自动化方向发展。射频数据通信、条形码技术、扫描技术和数据采集技术将更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。在生产计划作出后,自动生成物料和人力需求：查看存货单和购货单，规划并完成物流。这种物流系统将人工智能集成到了物流系统中 8910。1.2.3 国内的研究现状我国自动化立体仓库起步较晚，直到 1974 年才由郑州纺织机械厂建成了国内的第一个自动化立体仓库。80 年代初，随着我国改革开放，西方国家的自动化立体仓库开始进入我国，上海石化总厂涤纶厂从日本引进的自动化立体仓库投入使用，宝山钢铁公司从日本引进了散料搬运系统，熔炼系统及北仑港的散料码头控制系统和沈阳电缆厂从芬兰引进的高架立体仓库，这些系统的使用使我国的自动化生产走上了一个新台阶，展现出很好的前景 78。在自动化立体仓库的开发应用方面我国晚于国外,直到 20 世纪 70 年代初期,我国国内才陆续开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。在 1950 年,由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成的我国第一座自动化立体仓库在北京汽车制造厂投产 2。从此以后,自动化立体仓库在我国得到了迅速的发展;1995 年建成的仪征化纤工业联合公司涤纶长丝自动化立体仓库是目前国内独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体仓库 16自动化技术在仓储领域中的发展可分为以下五个阶段:人工仓储阶段,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 818。从 96 年起,昆明船舶设备集团有限公司通过技术引进和集成创新,在自动化物流系统方面进行了系统的开发和研制工作。建成了如青岛颐中集团、青岛海尔集团、玉溪及红河卷烟厂等大型自动化物流系统,这些都是我国高新技术含量最多自动化物流系统。这些技术成果均达到了国内领先水平,并处于世界先进水平,同时填补了我国自动化技术某些领域的空白。虽然通过对此项目的不断开发研制,己取得了喜人的成绩,但现在我国不论从自动化物流系统的设备品种及技术水平上,还是在应用广度及深度上与国际水平的还存在着相当大的差距。1.2.4 自动化立体仓库的发展趋势我国自动化立体仓库的发展，只有十几年的历史。由于时间短，经验不足，技术水平不高，尚处于初期发展阶段。适宜我国国情的自动化立体仓库应用方式为：适当发展不同类型的立体仓库 21。随着我国流通体制改革的不断深化，对外贸易的不断发展，要求仓库的建设与管理要适应新形势的需要，还需进一步快速发展：（1） 加强仓储理论研究和宣传，提高有关人士对仓库建设在物流，在国民经济中重要性的认识。（2） 加快完善仓库功能多元化。随着我国制造业的崛起和物流业的迅猛发展，仓储业也越来越受到厂商与社会的广泛关注。我国的仓储业已经面临压力和竞争。随着国民经济的发展，经济体制的日趋完善，生产水平的大大提高，自动化立体仓库将得到更好的应用与发展。因此，仓储自动化的普及是我国仓储业的未来趋势 22。二 立体仓库设计方案2.1 自动化立体仓库系统的组成2.1.1 仓库结构组成自动化立体仓库一般由三部分组成：输送缓冲区，出入库区，货架这三个主要组成部分。 而连接这三部分的设备主要有传送机，巷道式堆垛机，穿梭车。下面介绍这几个主要组成部分的作用和组成。（1） 货架：是整个系统的核心部件，仓库就是用来存储物品的，在自动化立体仓库中就是用货架来存储物品。货架是空间分布的，为了提高存储能力，可以适当的提高货架的高度，这样就可以提高仓库的利用率和物品存储能力。货架又可以分为这几种，悬臂式货架，货格式货架，流动货架，水平或垂直旋转式货架。为了提高存储物品的安全性，货架一般用钢铁或钢筋混凝土建造。（2） 输送机：根据工艺要求和生产需求把从开始位置或是指定位置的物品运送到出口位置或指定位置。输送机一般有这几种：皮带输送机、链式输送机、辊式输送机。（3） 穿梭车：是位于输送机和货架出入库台之间的运输设备,负责将输送机上的货物传送到货架出入库台。（4） 堆垛机：是穿梭于货架之间的出入库装置，把物品放入到指定的货架上或是把指定的物品从货架上取出来。堆垛机由机架、升降机、货叉等组成。堆垛机的认址方式、运行、货位的分配等都直接影响自动化立体仓库的工作效率。2.1.2 系统模块组成和功能自动化立体仓储系统主要由机械设备、控制系统、计算机管理系统三部分组成,就是立体仓库系统主要由人机接口界面、控制装置、驱动模块、电机制动装置、机械部件和仓位模块构成，通过这些装置的设计达到控制自动化立体仓库。它们之间的关系如图 1 所示操作人员控制人机接口界面，对立体仓库输入命令，比如将货物送到某一仓位，人机接口界面将这一命令传送给控制装置，控制装置会根据这一命令作出简单判断，即执行还是不执行，比如该仓位已满，那么将不予执行，所以控制装置会首先去接受来自仓位模块的反馈信息，如果该仓位未被占据，则控制装置接收到这一信息后将会调用执行该命令的相应程序并执行，以此来控制和它相连的驱动模块，驱动模块的作用是去驱动电机制动装置，通过电机制动装置的运作会带动相应的机械部件，机械部件将会把货物运送到合适的仓位，或是从合适的仓位中取出货物，以此来实现操作人员取送货物的目的。利用西门子可编程控制器（PLC）对系统进行控制，PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的装置，采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。因此可以在PLC 控制器写入用以控制立体仓库工作的程序，包括初始化程序、货物出入库程序、状态显示程序等等。当控制器接收到来自人机接口界面的命令之后，就可以做出逻辑判断是否相应，然后调用事先设定好的程序执行。驱动模块的信号主要由控制模块输入，作用是驱动相应的电机制动装置工作，并起到电路保护的作用，即过压、过流保护。电机制动装置主要用于带动后续的机械部件运动，机械部件的运动目的就是为了将货物移动到适当的位置，而机械部件本身没有动力，因此需要依靠电机制动装置来带动它的运动。要将货物从起始位置运送到仓库中或是从仓库中取出到起始位置，这个过程中对于动作方面主要考虑三个问题：取移放。取，即从某一个地点取下货物的动作，可以是在起始位置取货物准备存放，也可以在某一个仓位取货物。移，即是将货物转移到指定的位置，可以是移动到起始平台，也可以是各个仓位中，所以在这个过程中能够做到准确的定位是非常重要的。放，即是将转移到指定地点的货物放下的动作，可以是放在起始位置，也可以是放在某一个仓位中。仓位模块一般可以设计成框架结构，在材料的选取上应选用比较坚固的材质，比如钢质或铁质材料，在外形的设计上最好是比较整齐的排列，比如最常用的是阵列式结构，如 NM 型仓位，即横向 N 排仓位和纵向 M 列仓位整齐排列，这样比较有利于对货物移送定位的控制。同时在每一个仓位的设计上应考虑到仓位当前状态信息的传递，比如仓位是否已经存有货物，否则如果向已满的仓位再送入货物会导致仓库的运行发生错误或损坏货物以及仓库的硬件设备。2.2 系统要求实现的功能立体仓库系统的主要功能是实现货物的出入库操作，本文设计的立体仓库可以实现下面一系列功能：1）将仓位中的货物送到指定位置2）将某一指定位置的货物取出3）自动将某一位置的货物送到另一位置4）将起始位置的货物送到任意位置5）从任意位置取回货物放至起始位6）能够实现低速启动变速运行低速停止的功能，即 X、Y 、Z 方向上的极限保护7）各仓位状态的扫描检测2.3 设计中的问题及解决方案（1）立体仓库的功能比较多，因此结构也相对比较复杂，在考虑对立体仓库的设计中有以下几个问题需要解决。1）在货物的传送过程中如何做到精确而快速定位。2）在 PLC 控制器接受到操作命令时如何判断是否应该响应。3）在传送平台到达货物仓位后应如何进行货物出入库作业。4）对于传送平台在各个方向的移动如何实施保护措施。（2）解决方案1）在货物的传送过程中要实现精准定位的最好方法就是采用坐标定位法。可以把货物的移动分解为水平（X 轴）和垂直（Y 轴）两个方向，通过控制这两个方向上的位移多少，即可以将货物送到准确位置。因此在硬件设计的时候，可以将传送货物的机械装置设计成水平杆和垂直杆，在动力控制上可以采用两个电机，分别给水平移动和垂直移动提供动力，然后通过电机控制送货平台在水平杆和垂直杆上的滑动将平台移到指定位置。为了提高送货平台移送的速度，缩短其到达指定位置的时间，在控制时可将水平和垂直的移动设定为同时进行。当 PLC 发出一定脉冲，经过驱动器驱动电机旋转一定的角度，要想实现电机的精确控制，则必须使用电机的 PID 控制，使电机转过的圈数和预想的一样。2）对于 PLC 控制器是否应响应操作命令的问题，可以通过在每个仓位上安装限位开关来实现。限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。当仓位中货物已满时，限位开关可以将此信号传送给 PLC 控制器，控制器即可根据接收到的信号作出是否响应的判断了。3）传送平台在到达指定仓位后，可通过平台上的伸叉控制平台的前后和上下移动来进行出入库作业。如果将水平杆和垂直杆的移动方向设为 X 方向和 Y 方向，把出入库的前后移动设为 Z 方向。取货的时候，传送平台先向前伸入至货物底部（Z 方向） ，然后往上抬起货物（Y 方向） ，最后缩回（Z 方向） 。送货的时候，传送平台先向前伸入至仓位中（Z 方向） ，然后往下放下货物（ Y 方向） ，最后缩回（Z 方向） ，以此来实现货物的出入库作业。4）对于保护传送平台在各个方向的移动，可以在立体仓库中通过硬件在移动的三个方向上实施保护措施，即 X 轴极限位保护、Y 轴极限位保护、Z 轴极限位保护以及 X 轴、 Y 轴、Z 轴协调保护（硬件联锁） ，通过以上各种保护开关，可以确保操作人员在编程实验中或是立体仓库在程序出错时，不会损坏该装置。2.4 立体仓库系统的设计和硬件选择本次设计以设计一个 12 个仓位的自动化立体仓库来来模拟整个立体仓库。因为如果真正的设计一个大型的自动化立体仓库以我现在的能力和资源也是不可能实现的。所以以点带面，用一个模型来模拟演示自动化立体