基于PLC的自动化仓储控制系统设计与研究

四川理工学院毕业设计基于 PLC 的自动化仓储控制系统设计与研究学 生：陈科良学 号：09021040402专 业：电气工程及其自动化班 级：2009.4指导教师：曾黄麟四川理工学院自动化与电子信息学院二 O 一三年六月陈科良：基于 PLC 的自动化仓储控制系统设计与研究I基于 PLC 的自动化仓储控制系统设计与研究摘要：随着现代化生产技术的飞速发展以及社会物质的不断繁荣，平面化仓库对于货物的存放已经远远不能满足当前的需求，因此立体仓库己成为生产和生活中的一个重要的组成部分，对于立体仓库的研究也在不断的深入。本文主要设计了一个自动化的立体仓库系统。首先对设计方案进行讨论，并对设计中出现的问题进行讨论，提出解决方案。其次对于立体仓库的控制系统也进行了设计，根据设计思想制作了一个 12 仓位的立体仓库模型，其自动化控制系统能够对货物进行准确的送取。关键词：立体化仓库；PLC 控制；组态软件；实时监控四川理工学院本科毕业设计IIAutomation Warehouse Control System based on PLC Design and ResearchCHEN Keliang(Sichuan University of Science and Engineering, Zigong, China, 643000) Abstract : With the rapid development of modern production technology as well as the continuous social and material prosperity, flattened warehouse for the storage of goods has far can not meet the current demand, so warehouse production and life has become an important part of the warehouse in-depth studies are also constantly. In this paper, the design of an automated warehouse system. First, the design options are discussed, and the design problems to discuss and propose solutions. Second, our warehouse control system has been designed, based on the design ideas produced a 12 positions warehouse model, its automated control system can accurately send the goods to take. Key words: Stereoscopic warehouse; PLC control; Configuration Software; Real-time monitoring陈科良：基于 PLC 的自动化仓储控制系统设计与研究III目录摘要 IABSTRACT .II第 1 章 引言 11.1 本设计的目的及意 义 11.2 自动化立体仓库的历史及国内外现状 11.3 自动化立体仓库的优越性 1第 2 章 自动化立体仓库系统概述 32.1 本课题设计的内容 32.2 自动化立体仓库的模块设计 3第 3 章 立体仓库的硬件设计 53.1 系统结构 53.2 传感与检测系统设计 63.3 S7200 系列 PLC 与通信系统的连接 93.4 PLC 的选择 103.5 立体仓库驱动设计 113.6 立体仓库 PLC 控制系统的设计 .14第 4 章 PLC 的软件设计 .18结束语 36致 谢 37参考文献 38四川理工学院本科毕业设计1第 1 章 引言1.1 本设计的目的及意义随着仓储水平的发展，自动化立体仓储技术在仓储业中的应用愈发广泛。同时，伴随自动化立体仓库的诞生，人们对仓储空间的利用率逐渐提高，使传统的仓储模式得以优化。本次设计是以组态软件来模拟一个小型自动化立体仓库，体现自动化立体仓库的便捷性、可靠性、控制性及实用性。 121.2 自动化立体仓库的历史及国内外现状在第二次世界大战后的生产技术开发促进了的自动化立体仓库的诞生和发展。在 2007 年，中国的自动化立体仓库总建筑数目与 2006 年相比基本持平。据不完全统计，我国已建成 50 余座自动化立体仓库，共约 70000 万人民币。主要表现在药品生产和药品配送，食品，制造，服装加工，烟草生产和烟草配送等行业领域。中国自动化仓库与发达国家相比，在建设水平及数量上看，还是有一个比较大的差距，因为自动化仓库在现代制造及物流行业中的应用越来越广，同时，计算机技术和网络技术的飞速发展也使得自动化立体仓库的发展突飞猛进，使其已经成为当下仓储技术主要发展趋势： 34仓库业务管理的自动化水平逐步提高。随着生产水平的进一步发展，对物流技术提出了新的更为严苛的要求。具体来说，这要求我们能够通过物流技术，能在规定时间内，在确切的位置，使用确切的顺序和方法，提供准确的商品的品种和数量。 56智能技术将被应用。人工智能技术的进步，促进了自动化技术在仓库的设计中的应用，而在控制处理系统，储存及运输设备选择等方面，专家系统的应用将体现出较高智能化水平，并往更高的阶段发展。 仓库操作柔性化发展。灵活和通用的自动化立体仓库在存储和运输上体现出得天独厚的优势。在国外，已经开始出现了一些移动或便携式仓库结构。 781.3 自动化立体仓库的优越性随着生产力水平的提高，生活水平的提高，现代物流行业也表现出飞速增长的势头，早期相对传统的仓储模式现在已经不能满足巨大的货存需求，因此立四川理工学院本科毕业设计2体仓库就展现出其巨大的优势。其中包括：节约用地、减轻劳动强度、降低差错、提高仓储自动化水平及管理水平、提高管理和操作人员素质、降低储运损耗、有效地减少流动资金的积压、提高物流效率等诸多优点。1.3.1 提高空间利用率最早，立体仓库的目的是提高空间的实用效率，节约珍贵的空间资源，在西方国家尤其是发达国家对空间利用效率更为重视，土地使用率的提高不仅能够减少能源浪费，对于环境的保护仍然显得尤为重要。因此，空间利用率毫无疑问成为体现仓库的优越性和先进性的重要指标。一般情况下，自动化立体仓库对空间的利用率超出一般普通仓库 14 倍。 9101.3.2 便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平早起的仓库只发挥单纯的货物存储的作用，功能相对单一，属于静态储存。立体仓库在对物料搬运环节使用了先进的自动化技术，使得仓库内的货物不但实现了自存自取，方便快捷，提高了效率。同时，立体仓库还让仓库外的生产环节与仓库本身实现了无缝连接，以便计算机对其进行监控及管理。这些特点让自动化立体仓库成为企业物流的重要部分。1.3.3 减少商品的破损率智能自动化仓库在自动化立体仓库基础上，最大限度地提高物件周转速度和流通效率，加速仓库储备资金的周转，有效利用货物资源，并且最大限度地降低货物的破损率。 1.3.4 提高仓储作业效率建立以立体仓库为中心的物流系统，其优越性还表现在立体仓库具有快速的入出库能力，妥善地将货物存入立体仓库，及时自动地将生产所需零部件和原材料送达生产线。同时，立体仓库系统减轻了工人综合劳动强度。 11四川理工学院本科毕业设计3第 2 章 自动化立体仓库系统概述2.1 本课题设计的内容在本文中，主要内容包括三个部分：基于 RFID 技术的仓储和物流管理系统：基于西门子 S7-200PLC 执行机构实现全自动控制系统和 PLC 程序：管理层、监控层、控制层之间无缝连接，实现相互通讯。在管理系统，研究的主要内容即货物出入库、存储及货位分配在自动化立体仓库中的实现。具体而言，根据自动化立体仓库中货物存储特点，提出了采用分类随机存储和定位存储相结合的存储策略。与 RFID 技术相结合，对货物的出入库频率进行统计，以此划分出货物的大致存放区域；与此同时，使用货物空间自动均匀分配算法，实现货物的货物空间分布均匀以及就近入库出库;该算法实现了单件及批量入库作业。在执行系统中，首先建立实验室规模的自动化立体仓库系统；针对整个控制系统和电气控制原理进行合理分析，从而对下位执行系统的整体功能进行开发与设计，然后对每个单元 PLC 的控制功能模块进行分析；最终编写 PLC 程序，局部试调通过之后，集成上述三个单元，并实现其顺序控制。在三层网络拓扑结构和通信实现中，以设置 MCGS 组态软件来实现 OPC 通信为研究核心：监测层与控制层基于现场总线 PROFIBUS 的具体组网通讯实现以及MCGS 本的编写，并最终管理和控制一体化。 122.2 自动化立体仓库的模块设计根据各模块的功能，在自动化仓库中排列了每个部件之间的具体方位，如下：四川理工学院本科毕业设计4图 2-1 功能模块图步进电机直流电机垂直杆驱动器PLC 控制器步进电机 控制版面继电器水平杆仓位模型限位开关四川理工学院本科毕业设计5第 3 章 立体仓库的硬件设计3.1 系统结构本设计的控制对象可分为三个控制区域，即传送带、机械手及立体仓库。3.1.1 传送带输送机控制本系统中共有二台辊道输送带，其传动采用交流变频调速系统控制，可进行速度调节设定及正、反转控制。每台输送机可由安装在其上面的光电开关根据程序设计自动控制启/停及正/反转，完成货物送入、取出动作。在实验台的按钮板上有一些转换开关和按钮，用于手动控制操作。 133.1.2 机械手的控制机械手的动作由气缸驱动，而气缸由对应的电磁阀控制，当下降电磁阀通电时，机械手下降，当下降电磁阀断电时机械手停止，只有当上升电磁通电时，机械手才上升，断电时才停止。机械手的放松和夹紧由一个线圈两位置电磁阀控制。3.1.3 立体仓库及自动堆垛机控制在立体货库中配有一台全自动堆垛机，由二台步进电机和一台直流电机控制，可进行行走、升降及叉货控制。主要根据设计程序，进行立体仓库进货的自动存储及出货的自动提取。堆垛机在行走方向共有三个限位开关：左/右极限限位开关和行走认址限位开关，行走的位置靠碰到限位开关计数来完成。堆垛机在升降方向共有四个限位开关：上/下极限限位开关、一个入库认址限位开关和一个出库认址限位开关，升降的位置靠碰到限位开关计数来完成。在实验台的按钮板上有一些转换开关和按钮，用于手动控制操作。在发生紧急情况时，可按下紧停按钮，用以切断步进电机控制模块的电源。 14四川理工学院本科毕业设计6图 3-1 储存单元图3.2 传感与检测系统设计传感器（transducer/sensor ）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。3.2.1 光电传感器光电传感器，通常分 NPN 集电极开路输出与 PNP 集电极开路输出，传感器本系统只使用了 NPN 集电极开路输出。光电传感器的原理图如下：四川理工学院本科毕业设计7图 3-2 光电传感器原理图3.2.2 漫反射式传感器漫反射式传感器，其工作原理为：当物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原先的信号相比较，产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号相关的主流信号输出电平。在自动化仓库中采用 EE-SPY402 凹槽型、反射型接插件式传感器用作货物的检测。第一，采用能抗周围外来刚干扰的变调光式；第二，采用变调光式与直流光式比不易受外来光干扰的影响。第三，其电源电压为 DC5-24V 的大量程电压输出型；带有容易调整的光轴标识；带有便于调整，动作确认的光显示。四川理工学院本科毕业设计8图 3-3 漫射型光电传感器接线图漫反射型光电传感器，其在探测物体挡在传感器正面使传感器接收到足够的光线时输出信号。其对不同颜色的检测距离不相同，反射性能越好检测的距离越远。还可以通过调节灵敏度调节 VR 调节检测的距离。3.2.3 电容传感器图 3-4 电容传感器基本原理图及接线图电容传感器的两种形式分为：NPN 集电极开路输出和 PNP 集电极开路输出，在本系统中，只使用了 PNP 集电极开路输出型。当被测物接近传感器时则输出信号，PNP 型在没有检测到物体输出则为悬空状态，检测到物体输出时为高电平状态。在本单元所使用的传感器的位置及型号如下表所示：四川理工学院本科毕业设计9表 3-1 传感器的位置及型号传感器位置 型号 说明编码器前后参考点 CR18-8D 电容传感器 NPN 集电极开路输出升降参考点 BS5-T2M NPN 集电极开路输出升降上到位 D-C73 舌簧型磁性开关转移气缸右到位 D-C73 舌簧型磁性开关物料检测 CCD-40N 漫反射型光电传感器 NPN 集电极开路输出列一参考点 BS5-T2M NPN 集电极开路输出列二参考点 BS5-T2M NPN 集电极开路输出列三参考点 BS5-T2M NPN 集电极开路输出列四参考点 BS5-T2M NPN 集电极开路输出3.3 S7200 系列 PLC 与通信系统的连接整个控制系统的下位机含三个主要组成部分：传送带、机械手、堆垛机，均采用 PLC（可编程控制器）S7-200 系列实现其自动控制。这里和别的 PLC 相同，单元加编程器是其基本组成部分，如遇系统扩展需要，系统组件还应包括：数字扩展单元模块，模拟量扩展单元模块，网络，通信模块， HMI 人机界面等。 15通过 PC/ PPT 电缆建立 S7-200 CPU 与个人计算机连接。具体实施过程如下：设置 PC/PPI 电缆开关（下0，上1） ；DIP 开关上选择计算机支持的波特率 9600（123 设为 010）选择 11 位（4 设置为 0）选择数据通信设备（DCE） （5 设置为 0）PC/ PPI 电缆的 RS-232 端子（PC）连接到 PC 通信口：COM1 或者 COM2。PC/ PPI 电缆 RS-485 端子（PPI）连接到 CPU 的通信口。四川理工学院本科毕业设计10图 3-5 PU 的通信口的连接图图 3-6 C24V 输入/输出点的基本原理图（源型接法）3.4 PLC 的选择该设计采用了可编程控制器是 siemensS7-200 系列的小型 PLC-CPU226。本机集成 24 输入/ 16 输出 40 个数字 I/ 0 点。含 PID 控制器，可连接 7 个扩展模块，最大可扩展至 248 个数字 I /0 点，或 35 通道模拟 I/ 0 点。 13K 字节程序和数据存储空间。 6 个独立的 30kHz 的高速计数器，以及 2 个独立通道 20kHz 的高速脉冲输出。 2 个 RS485 通讯/编程端口，并具备 PPI 通讯协议以及自由方式通讯四川理工学院本科毕业设计11能力，还有功能强大、体积精小、性价比较高等优势，而且还具有高速脉冲输出（PTO）功能，能驱动步进电机。同时，步进电机和步进驱动器共同组成步进驱动模块。CPU226 外设接线图如下：图 3-7 CPU226 外围典型接线图3.5 立体仓库驱动设计3.5.1 步进电动机步进电动机是用专门的步进驱动器驱动，而非直接通过 PLC 驱动，连接步进电机和步进驱动器，PLC 只需向步进驱动器提供方向信号与脉冲信号。 “方向控制信号+ ”连接 Q0.1，经 Q0.1 的置“1”和置“0”的状态以控制步进电动机的方向；将步进驱动器“脉冲信号+”接到 PLC 的输出 Q0.1 点，PLC 输出的高速脉冲信号通过 Q0.0 发出驱动步进电动机；而“方向控制信号”和 “脉冲信号”直接接到了 PLC 开关电源的负极 1M 上。 16该程序可以分为主程序，子程序与中断程序三大部分，分工明确，相互配合。主程序负责确定步进电动机的方向以及子程序调用。而子程序负责设定高速脉冲指令 PLC 的控制字节，输出的脉冲个数和脉冲周期，然后连接开放和中断，最终Q0.0 输出高速脉冲，驱动步进电机电动机运行。 Q0.0 输出脉冲来完成执行中断：一方面，在步进电动机未运行到原点时，继续调用子程序，机械手后限位 10.4不动作， Q0.0 继续发脉冲让步进电动机继续运行；相对的，在步进电动机已运四川理工学院本科毕业设计12行到原点时，机械手后限位 10.4 立刻动作，执行中断返回指令 RET1，此时复位指示灯 Q1.7 亮，步进电动机复位结束。步进电动机的定位程序。高速脉冲输出一定数量的脉冲就带动机械运行一定的距离，进行机械设备的定位控制称为步进电动机的定位控制。定位程序的 PLC编号、PLC 接线以及驱动器、电动机驱动器与复位程序均保持不变。因此，步进电动机是用专业的步进驱动器驱动，而非直接通过 PLC 驱动，用PLC 只需给步进驱动器提供方向以及脉冲信号，PLC 和步进驱动器接线示意图如下：图 3-8 PLC 与步进驱动器的连接3.5.2 I/O 分配表 3-2 I/O 分配表SB1(复位) I0.1SB2(复位) I0.2右限位 I0.0步进运行结束逻辑 M0.0电机脉冲 Q0.0电机方向 Q0.1四川理工学院本科毕业设计133.5.3 步进驱动器图及功能描述设计中的步进电机驱动器包括两个部分：环路放大器以及功率放大器。脉冲分配器不可以直接驱动步进电机，须通过由功率放大器放大，才能向步进电机的绕组提供足够的电流。其原因在于：环形分配器是根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到步进电机中的各个绕组，让步进电机按一定的方式运行，并实现定位控制和正反转控制，其输出功率过小。 图 3-9 驱动器接线示意图3.5.4 变频器通常情况下， “变频器”是指把频率和电压固定不变的交流电变转换为频率或电压可变的交流电的装置。首先，单相或者三相交流电流转换为直流电（Direct Current） ，随即返回到直流电（Direct Current）转换为一个单相和四川理工学院本科毕业设计14三相的交流电流（alternating current） 。在逆变器的电压变化和输出频率来改变电机的运行曲线时，即改变曲线上的 n0，电动机运行曲线下移。所以，变频器能够让电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。变频器连接到 PLC：变频器的输入信号包括：运行、正转、反转、停止信号，变频器通过继电器接点与上机位相互连接，利用脉冲序列作为频率指令以得出运行信号。图 3-10 变频器与 PLC 的连接3.6 立体仓库 PLC 控制系统的设计I/O 符号分配表：表 3-2 I/O 分配表控制元件 变成地址编码器 a I0.0编码器 b I0.1堆垛机前后参考点 I0.2升降参考点 I0.3升降上到位 I0.4转移气缸右到位 I0.5小车检测传感器 I0.6列一参考点 I0.7列二参考点 I1.0四川理工学院本科毕业设计15列三参考点 I1.1列四参考点 I1.2启动 I1.3停止 I1.4复位 I1.5运行标志 M0.0上机位启动 M0.1上机位复位 M0.2上机位停止 M0.3步进脉冲 Q0.0步进电动机方向 Q0.1变频器的启停 Q0.2变频器的方向 Q0.3转移皮带线信号 Q0.4堆垛机皮带线启停 Q0.5升降气缸 Q0.6转移气缸 Q0.7机械手 Q1.0小车定位气缸 Q1.1报警灯（绿） Q1.2报警灯（黄） Q1.3报警灯（红） Q1.4循环开始 V1.2停止标志 V1.3启动标志 V1.4步进复位标志 V1.5传感器与执行元件的连接图：四川理工学院本科毕业设计16图 3-11 传感器与执行元件的连接图(a)四川理工学院本科毕业设计17图 3-11 传感器与执行元件的连接图(b)四川理工学院本科毕业设计18第 4 章 PLC 的软件设计S7-200 CPU 的控制程序有几个分支，主要包含主程序、中断程序、堆垛机向上运行和堆垛机向上运行的子程序。程序运行的步骤：首先，按复位按钮，使堆垛机复位，机械手下降以抓取货物，随后向上移动到合适的位置后，开始右移，气缸右移到正确的位置，机械手下降，在合适的位置放下其所托运的货物。此时，传送带线开始运行，货物被运送至堆垛机的传送带线，之后由堆垛机把货物运送到仓库。在堆垛机运行过程中，步进电机控制其水平运行，变频器控制其垂直运行。具体而言，通过调用向左或者向右运行子程序，能精确设定高速脉冲的数目，以控