立体仓库系统硬件与软件的设计

摘要 随着现代生产技术的飞速发展以及社会物质的不断繁荣,平面仓库对于货物的存放已经远远不能满足当前的需求,因此立体仓库已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不断的深入。 本文主要设计了一个12个仓位的自动化立体仓库系统，全文对立体仓库各部分进行分部设计，首先提出了立体化仓库的总体结构设计方案，介绍系统的组成模块、功能及各模块之间的联系，并提出一些设计中出现的问题的解决方案。其次是对立体仓库系统设计和硬件设计，主要采用可编程控制器来对其进行控制，通过PLC编程软件对立体仓库的整个运作进行了PLC程序的设计，主要以手动和自动两种不同的方式控制，并对意外情况的发生也作了意外处理程序的设计。 为了监控和管理立体仓库监控和管理体力仓库的运行状态，利用组态王软件按对于立体仓库的运行情况设计了一个实时监控系统。该系统能对现场数据进行采集处理，管理人员只要通过运行监控系统就可以实时监控立体仓库库的工作状态，保证了正常运作，对出现的问题作出及时的判断和处理。最后通过该系统的仿真模拟运行，验证了此立体仓库运行平稳，送送取货物定位准确，安全可靠。关键词： 立体仓库，PLC控制器，组态王软件，实时监控，仿真目 录摘要ABSTRACT第1章 前言11.1立体仓库概述1 1.1.1 立体仓库发展历史1 1.1.2 立体仓库的组成21.2 国内外研究现状3 1.2.1 国外研究现状1.3 立体仓库的研究意义 1.3.1社会意义 1.3.2科技意义1.3.3教学意义第2章 立体仓库设计方案92.1 立体仓库系统的构成9 2.1.1 系统模块组成10 2.1.2系统模块的功能102.2 系统实现的功能92.3设计中的问题及解决方案 2.3.1 设计中的问题10 2.3.2 解决方案10第3章 立体仓库系统硬件的设计3.1 立体仓库的基本结构3.2 硬件部分 3.2.1步进电机 3.2.2步进电机驱动系统的基本组成和工作原理 3.2.3传感器 3.2.4 PLC控制器 3.2.4.1 PLC I/O点的选择 3.2.4.2 PLC型号的选择 3.2.4.3 PLC S7-200的介绍 3.2.5 控制台第7章 结论527.1 XXX52参考文献（宋体，小四号，加粗）54致谢（宋体，小四号，加粗）59附录A：XXX（宋体，小四号，加粗）60附录B：XXX66第1章 前言自动化立体仓库也称自动存取系统，它是一种用高层立体货架（托盘 系统）存储物资，用自动控制堆垛机进行存取作业，用计算机控制管理的仓库。自动化立体仓库除了具有传统仓库的基本功能外，还具有分拣、理货的功能，以及在不直接进行人工处理的情况下，自动存储和取出物料的功能110。1.1立体仓库概述1.1.1立体仓库发展历史立体仓库一词起源于“高层货架”，一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，随着科技的发展，人们逐渐采用起重、装卸、运输机械设备等相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓库”1。早在20世纪50年代初期，美国就出现了使用桥式堆垛起重机的仓库。这种起重机是在通用桥式起重机的小车上装设堆取货物的装置，从地面上用按钮进行操纵，其结果是使货架间的通道大大减小，单位面积的储存量平均增加了50%多。此后立体仓库在美国和西欧得到迅速发展。1963年美国某公司首先在仓库业务中采用计算机控制，仓库高度已达12米。20世纪60年代中期，日本开始兴建立体仓库，而且发展的速度越来越快，据日本“产业机工”的统计，到1982年，日本已拥有各种立体仓库3257座，几乎相当于欧美国建拥有量得总和11。立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理又利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。1.1.2立体仓库的组成立体仓库一般由高层货架、仓储机械设备、建筑物及控制和管理设施等部分组成9。货架的形式有很多，材料一般用钢材或钢筋混凝土制作。钢货架的优点是构件尺寸小，仓库空间利用率高，制作方便，安装建设周期短。而且随着高度的增加，钢货架比混凝土货架的优越性更加明显。为了提高货物装卸、存取效率，自动化立体仓库一般使用货箱或托盘盛放货物。货箱与托盘的基本功能是盛放小件物料，同时还应便于运输车和堆跺机的插取和存放。搬运设备是自动化仓库中的重要设备，它们一般由电力驱动，通过手动或自动控制，实现把货物从一处搬运到另一处。输送系统必须具有高度的可靠性。在立体仓库内，一般只有一套输送系统，一旦发生故障，就会使整个仓库工作受到影响。所以，要求输送系统的各个环节上的设备可靠、耐用、维修方便。对输送系统设置手动控制做后备。1.2国内外研究现状自上世纪60年代以来，美日欧等国家和地区设计和投入使用的立体仓库越来越多，立体仓储技术已成为一门新兴的学科。据不完全统计，美国有各种类型的自动化立体仓库20000多座，日本有38000多座，德国有10000多座，英国有4000多座，前苏联有1500多座。堆跺机是自动化立体仓库的主要作业机械，担负着出库、进库、盘库等任务，是自动化立体仓库的核心部件，自动化立体仓库的发展就是以堆跺机的发展为主要标志的，目前巷道式堆跺机为主要发展方向1。在我国，立体仓库的发展是从70年代初期开始的，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机，1973年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，由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成我国第一座自动化立体仓库，并在北京汽车制造厂投产9。从此以后，立体仓库在我国得到了迅速的发展。据不完全统计，目前我国己建成的立体仓库近300个，其中全自动化的立体仓库有30多个。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，是目前我国独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体仓库。近些年我国自动化仓库技术发展很快，己实现了与其它信息决策系统的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。尽管如此，至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距。1.3立体仓库的研究意义1.3.1社会意义立体仓库的特点在于以高层立体货架为标志，以成套先进搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术为主要手段，高效率地利用仓储空间，节约时间和人力进行各种作业，具有巨大地社会效益和经济效益，因此被普遍应用于机器制造业、电器制造业、航空港、轻工和化工企业、商储业、军需部门等各行各业。其中自动化的立体仓库更是具有广阔市场前景。它集机械、电子、控制、计算机技术于一体，具有科技含量高，货物存取效率高和自动化程度高等优点，在物流监控技术、计算机应用技术、通信技术、货位优化管理等技术领域都有很好的应用。从制造工厂、商场、机场，到港口、军需部地下室冷库到都少不了立体仓库的身影，特别是随着人们生活水平的提高，自我国的机动车数量日益猛增，传统的停车场已经不能满足人们的需求，于是人们将立体仓库这一理念和技术应用于停车库，很多城市都相继出现了立体停车库，使停车难的问题逐渐得以缓解，所以为了更好的合理利用资源、保证产需均衡、提高物流效率，我们对于自动化立体仓库的研究迫在眉睫。1.3.2科技意义近些年我国自动化仓库技术发展很快，尽管如此，至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距，究其原因，自动化程度不够是一个很大的缺陷。对此能较有效的改善这一缺陷的方法就是在控制系统中采用PLC控制器，因为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，可以完全满足立体仓库工作环境和控制系统的要求。通过PLC控制的立体仓库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。所以近几年采用可编程控制器（PLC）与微机控制搬运设备的仓库以及采用计算机管理与PLC联网控制的全自动化仓库在全部立体仓库中的比重不断增加。另外，当前各领域中使用的立体仓库往往是很庞大的系统，研制立体仓库往往需要投入很大的人力和财力，这给立体仓库的研究带来很大难度，令很多科技研发和教学研究机构望而却步，针对这一难题，可以通过设计制作小型的立体仓库模型，对其加入控制系统，并通过对其进行模拟调试，再将其研究成果应用于立体仓库的生产研制，这样一来既节约成本，提高效率，也可以更为广泛的开展对于立体仓库的研究。事实证明，大型自动化仓库系统己不再是发展方向。为了适应工业发展的新形势，出现了规模更小，反应速度更快，用途更广的自动化仓库系统，如德国Veltins啤酒厂制酒仓库，还有Metzler optik partner AG公司的小件仓库，通过提高运送速度和加快工作循环，达到了惊人的仓库利用率。1.3.3教学意义目前，很多高等院校以及职业院校的电子、机械等专业都把PLC列为一项必修课程，因此可以将此立体仓库制作成教学模型，则既可以在教学过程中增加教学的应用性，又可以通过让学生设计不同的PLC程序来达到不同的运行效果，适用于学生毕业设计、课程设计、实习实验等，也适合于研究机构的科研使用，具有一定的教学意义。1.4本文研究的主要内容本文主要设计了一个自动化立体仓库系统，通过手动或自动两种方式来实现自动化立体仓库货物出入库作业，并且采用监控系统的设计来有效的保证立体仓库的安全可靠运行。本文的主要研究内容和结构可分为六个章节，分别如下：1)第一章研究了自动化立体仓库的发展历史和基本组成，以及国内外立体化仓库的现状和国内立体化仓库的不足之处，分析立体化仓库的发展方向。同时，提出本文所要研究的主要内容。2)第二章论证了自动化立体仓库的设计方案，包括模块组成，以及各个模块在系统中的功能，还提出了在设计中出现的问题并给出解决方案。3）第三章对立体仓库系统的作了硬件设计，并通过立体仓库模型的来设计实现，分析了组成各模块的元器件，包括步进电机、直流电机、传送杆、电源模块等，并对这些硬件的工作原理和功能进行说明。4)第四章进行了对自动化立体仓库控制系统的软件设计，包括所采用的PLC控制器、PLC编程软件、PLC与各模块间的连接、程序流程图以及PLC程序的详细阐述，其中包括手动控制和自动控制、取货物、送货物、状态显示等程序。5)第五章设计了一个立体仓库的实时监控系统，采用组态王软件，实现了此监控系统的功能，并提出优化和完善措施。6)第六章通过立体仓库模型以及监控系统的操作运行进行结果分析，验证了设计的可行性。第2章 立体仓库设计方案2.1立体仓库系统的构成2.1.1系统模块组成本文所设计的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所构成，它们之间的关系如图1所示。图1 立体仓库系统模块操作人员通过人机接口界面，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。2.1.2系统模块的功能人机接口界面主要指的是由人来进行机械或设备操作的平台，在立体仓库中，人机接口界面承担了操作人员控制立体仓库正常运行的作用。操作人员通过人机接口界面可以向立体仓库发出操作命令，这其中包括：货物的出入库方式以及存放的仓库位置编号。另外为了让操作人员能更清楚地看到所选仓位编号，在人机界面上还可加入仓位编号以及当前状态显示。在对控制装置的设计中，可以利用可编程控制器（PLC），因为PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，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8。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2.3.1设计中的问题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。2.3.2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，通过控制这两9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，经过驱动器驱动步进电机旋转一定的角度，要想实现步进电机的精确控制，则需要对它的具体运行步数进行计数，步进电机以10cm长为单位长度计算为例，即坐标轴上的每个单位代表现实中的10cm。为了增大转矩提高控制精度，本控制系统所有数据（脉冲频率、数量等）均是以步距角为0.9度为参考制定的。立体仓库模拟装置丝杠上螺纹的螺距为1.8mm，也就是说电机每接400个脉冲所运行的距离为1.8mm。要实现通过输入不同数字使机械到达不同的位置，需要作到的就是控制步进电机走多少个单位长度。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。1第3章 立体仓库系统硬件的设计3.1 立体仓库的基本结构 立体仓库主体由地盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。图3.1 仓位编号机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成，采用步进电机、直流电机作为拖动元件。 电气控制是由德国西门子S7-200 CPU226程序控制器（PLC）、步进电机驱动电源模块、开关电源、位置传感器等器件组成。 3.2 硬件部分3.2.1步进电机步进电机是数字控制系统中的执行电机，当系统讲一个电脉冲信号到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲安某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲光个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电机转子机械位移的方向，实现位置的控制，实现宽广范围内速度的无极平滑控制。步进电机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电机的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。本系统用步进电机为42BYG250C型步进电机，其电气技术数据为：表3. 1 2BYG250C 型步进电机电气技术数据3.2.2 步进电机驱动系统的基本组成和工作原理 为了驱动步进电机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该立体仓库控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统。 步进电机驱动器是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。 所以设计中采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的SH系列步进电机驱动器，SH-2H057。主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分组成。SH-2H057步进电机驱动器采用铸铝结构，此种结构主要用于小功率驱动器，这种结构为封闭的超小型结构，本身不带风机，其外壳即为散热体，所以使用时要将其固定在较厚、较大的金属板上或较厚的机柜内，接触面之间要涂上导热硅脂，在棋盘边加一个风机也是一种较好的散热办法。 此步进电机驱动器的电气技术数据为：表3.2 SH-2H057 型步进电机驱动器电气技术数据3.2.3 传感器（1）反射式传感器的工作原理： 在该立体仓库中采用欧姆龙 EE-SPY402 凹槽型、反射型接插件式传感器作货物检测。采用能抗周围外来刚干扰的变调光式；采用变调光式，与直流光式比，不易受外来光干扰的影响；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，动作确认的入光显示灯；其结构图如图3.3所示。图3.3 反射式传感器结构图工作原理：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。 （2）对射式传感器的工作原理： 对射式传感器的输出状态一般为NPN输出，输出晶体管的动作状态可分为入光时ON和遮光时ON两种。入光时为ON的对射式传感器的结构图如图3.4所示，图3.4 对射式传感器的结构图 当24V电压加到发光二极管LED1时，它将光发射给发光二极管LED2，LED2接受到光导通，三极管导通，输出为ON；当发光二极管LED1发射出的光被物体挡住使发光二极管LED2接收不到时，LED2不导通，三极管也不导通，输出为OFF。3.2.4 PLC控制器3.2.4.1 PLC I/O点的选择根据控制要求，将个输入设备和被控设备详细列表，准确的统计出被控设备对数需求量，然后在实际统计的I/O点数的基础上增加15%20%的备用量，以便以后调整和扩充。同时要充分利用好输入和输出扩展单元，提高主机的利用率，例如S7-200系列可编程控制器主机分为16个输出、24个个输入，还有各种输入和输出扩展单元，这样的增加I/O点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入，在确定好I/O点数后，还要注意它的性质，类型和参数。例如是开关量还是模拟量，是交流还是直流以及电压大小的等级，同时还要注意输出端的负载的特点，一次选择和培植相应机型和模块。小型仓库电气控制系统和输入信号24个，输出信号14个。其中，外部输入元件包括：检测元件、按钮、取、送、急停、限位开关、超限位保护等等；输出有三个电机的正反向、动作动作指示、错误显示等等。按照配置，所选S7-200CPU226系列PLC。3.2.4.2 PLC型号的选择PLC选择的一般原则为：1、择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。2、在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。3、对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无需考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。4、而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中，可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模