立体仓库的监控系统的设计

目录第一章绪论 第一章绪论1.1控制系统的发展概述现代工业的飞速发展，生产规模的不断扩大，生产技术、工艺的日趋完善，导致生产对自动化程度要求愈来愈高，纵观控制系统的发展，控制系统也历经了模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、分散型控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)等发展过程[1]。任何新事物的产生与发展都是旧事物的延伸发展与创新的所以新的控制系统的产生是一次又一次技术的革新与创造，创造的基础就在于从社会需求入手的革新，只有在满足社会生产力的要求的前提下，革新才是具有意义的。从精度低的模拟仪表控制系统到现在的现场总线控制系统，控制系统已经到了数字信号为或全数字信号，并实现了控制的网络化，同时，完全分离管理和控制，从而提高了控制的可靠性、灵活性[2]。1.2国内外研究的现状及其发展的趋势1.2.1国外研究现状在发达国家自动化立体仓库已十分普及，以自动化立体仓库取代传统的房式仓库已成为仓储发展必然趋势。自上世纪60年代各国设计、建造与使用的自动化立体仓库也就愈来愈多，也就说明对于自动化立体仓库的研究越来越深入与多样。据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[3]。在国外已经有CAD设计的具有约束条件的立体仓库设计的参数，并且仓库的功能的设计研究可以商用计算机模拟技术，进而完善立体化仓库的设计。在国外的货架已经经过标准化与产量化，并且货架的承载能力以及抗震能力在经过试验的考核并用计算机程序来计算货架。1.2.2我国研究现状我国1963年研制成功第一台桥式堆垛起重机，1973年我国开始研制第一座由计算机控制的自动化立体仓库，1980年该库投入运行，我国第一座自动化立体仓库由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成，并在北京汽车制造厂投产[4]。自此立体仓库在我国发展迅速，目前我国立体仓库已建成的有两百多个，其中全自动化立体仓库30多个。近年来我国自动化仓库技术发展迅速，已实现与其它信息系统的集成，正在进行智能控制、模糊控制的研究。尽管有了上述研究成果，但是从总体的发展情况来看我国所建成的一些仓储系统种类还不够多，在建造的水平上和建造的数量以及种类上来说较发达国家还是有一定的差距的。1.2.3未来的发展趋势伴随着世界自动化研究的逐步深入，各国对于自动化立体仓库的研究也在如火如荼的进行，更因为自动化的水平也在逐渐提高，伴随着自动化水平的提高自动化立体仓库的建设也正步向正规化与专业化其数量也是在不断的增加中。在技术的不断革新中堆垛机的制造水平、精度、运行搜索能力也在不断的提高中，更加高性能比的堆垛机的建造也会逐渐提高自动化仓库的执行及应用水平。通过各国技术人员的不断努力，自动化立体仓库正向着安全、可靠、多样的方向逐步发展特别是在人工智能领域的发展对于自动化立体仓库的未来发展起到不可磨灭的助推作用。1.3本课题研究的目的及意义一个国家的综合实力和市场竞争力是由这个国家的物流水平所反映出来的，对于企业生产来说物流可以为企业带来无可估量的经济利润。物流之于经济发展就好比血液之于人的生命，而氧气之于血液就好比自动化立体仓库的管理系统之于物流。可见自动化立体仓库对于物流来说是很重要的一环，自动化仓库更是物流系统恰当运行的重要支柱。自我国加入WTO组织，我国经济全球化进程也加快了，从而促进了物资流通，货物储运输量也就越来越大，今后市场对仓储设备的要求也会有大幅的增强，并将会在存取率、自动化程度、信息化程度等方面提出更高的要求[5]。物流流通效率通过自动化仓库监控技术在自动化立体仓库操作提高。国内外其它行业采用自动化仓库的情况己经充分证明，使用自动化立体仓库能够产生巨大的社会效益和经济效益,这些效益主要来自几个方面[6]:首先立体仓库顾名思义是有多层立体式的架构组建的仓库，这种多层立体式的结构可以保证货物存储的规范性，而且这种架构的好处在于其占地面积相较于传统的仓储结构来说占地面积要小的多且空间的利用率也得到了大幅度的提升，这是从结构方面来讨论；在技术层面上来说采用自动化的存货取货与运输货物可以大大减小误差提高工作的效率省时切更加省力，也就是说对于仓库的管理水平、仓库的信息处理能力都有大幅度的提升。立体仓库的监控系统具有以下六点优点：①高效率。②功能强。③省力、节约能源。④高水平、高可靠性。⑤节省费用。因此自动化的立体仓库应该是有更广阔的未来，特别是在当今人们生活水平逐渐提高的前提下，停车场停车位数的缺少与我国机动车数量的迅速之间的矛盾，致使应用立体仓库理念和技术的立体停车库的设计，就能够满足这一矛盾，并且能逐渐解决停车困难、甚至无地停车的问题。随着经济的迅猛发展，立体库智能监控系统的研究逐渐受到人们的关注，这一关注就促进了观念的转变以及研究方向的多样化发展。但是由于各种原因致使我国自动化立体库的发展速度远小于我国物流仓储发展的速度，结合仓库存储的特点将自动化仓库监控系统技术应用到物品流通领域中，从而制造出适合一般工业、民用及物品流通的立体仓库很有发展前景。1.4本论文所做的主要工作自动化立体仓库系统是本文主要设计目标，设计的自动化立体仓库包含手动以及自动两种方式用以实现自动化立体仓库货物出入库作业，并且为了保证立体仓库的安全可靠运行采用了监控系统的设计。本文的主要分为以下四个章节：（1）第一章探讨了自动化立体仓库在国内外研究的现状及其发展的趋势展以及立体化仓库相较于其它仓储模式的优势，同时提出了本文主要研究的内容及自动化立体化仓库。（2）第二章的主要内容是说明了立体仓库的设计方法，包括立体仓库系统的构成以及系统实现的功能和立体仓库硬件系统的实现。（3）第三章对立体仓库系统的作出硬件设计以及软件设计，其中包括PLC控制程序的设计及程序流程图。（4）第四章采用MCGS工控组态软件设计了一个立体仓库的实时监控系统并用以实现监控立体仓库的功能。第二章立体仓库设计方案2.1立体仓库系统的构成2.1.1系统模块组成立体仓库系统由如图2-1部件及其部件之间的关系所构成。人机接口界面人机接口界面控制装置驱动模块电机制动装置机械部件仓位模块图2-1立体仓库系统模块命令由操作人员通过人机接口界面进行输入，通过人机接口界面将命令传送至控制装置，控制装置根据所发出的命令作出判断，根据接收信息调用执行所发命令的程序，同时控制和它相连的驱动模块驱动电机制动装置，电机制动装置动作带动相应的机械部件根据命令动作，实现操作人员的具体目的。控制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[7]。在PLC之中写入控制程序，控制器根据PLC中命令，对于命令做出相应的逻辑判断并根据逻辑判断调用程序执行命令。控制装置向驱动模块的输入指令信号用以驱动电机制动装置，这个环节的作用是对电路起到保护作用。机械部件中的平台由电机制动装置带动就可以将货物运送到指定的位置，要将货物送入仓库中或从仓库中取出货物的过程中有三个动作即:取—移—放，这三个动作的工作方式分别为：取出货物；移动货；放下货物。框架结构的设计是仓位模块中最好的，仓位的设计应选用坚固的材料，如钢、铁，每个仓位状态也应该考虑在内。2.2.2系统实现的功能货物的出库以及入库的操作是立体仓库中重要的操作，通过出入库的操作也体现了自动化仓库的功能，本文设计的立体仓库可实现下列功能：将位处于指定方位的货物取出来；将库中的货物送达到指定位置；找到在任意位置的货物并放回；能够实现低速的启动然后变速的运行最后慢速停止；实现各个仓库位置状态的检查。本论文以12个仓位为例进行设计实现自动化立体仓库，并对这一设计进行进一步的验证。2.2立体仓库系统的设计2.2.1立体仓库结构设计立体仓库控制面板的控制由人机界面进行提供；松下电工生产的FPO控制器为本装置提供控制器；电机制动装置采用一个直流电机和两个步进电机；驱动装置采用与步进电机相应的驱动电路，并采用3X4的仓位模块。通过参考立体仓库的一般结构形态，根据各模块的功能，合理排列各个部件的位置，设计出了一个立体仓库的结构[8]，如图2-2所示。2.2.2主要结构部件介绍(1)仓位库体：仓位库体是由3X4的共有12个仓位所组成的如图2-3编号的立体仓库，停车位为1-12号，零为起始位置。每个仓位有一限位开关其作用是检测此仓位是否已满的状况，如果该仓位货物已满则PLC不予响应。1011127894560123图2-3仓位编号图图2-3仓位编号图(2)PLC控制器：PLC控制器采用的是松下电工生产的FP0系列的可编程序控制器(PLC)[9]。松下FP0系列PLC晶体管输出的主机：有两路脉冲输出，其脉冲输出最高达10kHz。有高速度运行计算、同时输出两路脉冲的功能。(3)控制台：继电器电路和控制面板电路组成控制台，其中控制面板上设有按钮、功能表、功能选择开关、仓位号显示、状态指示和键盘[10]，如图2-4所示。图2-4控制面板图图2-4控制面板图用户可根据按钮功能表，操作功能选择开关与控制台上的键盘，将信号送给PLC，继电器电路收到到的PLC传送的如何响应与是否响应的信号反馈至直流电机，同时仓位号在面板上对应的显示出，三个状态指示灯显示送、取、就绪的状态。(4)步进电机及驱动电路：步进电机为水平、垂直两个，同时含有两个驱动器，本设计执行元件为步进电机。脉冲信号发出以后由驱动器接收，后电机传动，转动的角度与方向由事先设定且为定值。本系统所用步进电机为表2-1所示的混合式步进电机。表2-142BYGH010技术数据型号电压（V）电流（A）电阻（Ω）电感（mH）最大静转矩（N.cm）定位转矩（N.cm）转动惯量（g.cm2）重量（kg）引线规格42BYGH103.242<2.2320.24AWG26UL1007两个步进电机的电气原理图如图2-5所示，两个步进电机其作用就是控制小车的定位。图2-5步进电机原理图图2-5步进电机原理图传送杆：由水平杆和垂直杆组成了传送杆，其采用了滑杠、滚珠丝杠、普通丝杠等元件，步进电机驱动杆子的转动与杆子的水平位置，用光电传感器感应杆上金属片控制取送货物的位置。直流电机：直流电机的主要作用是带动传送杆来控制货物的取送（输入电压：12V～24V）。电源模块：电源模块的参数：最大功率为156W；输出直流电压为24V、6.5A；输入交流电压为110V～220V／50HZ、60HZ。2.3立体仓库硬件系统的实现2.3.1控制系统及其连接底盘的右后侧装设松下电工生产的FP0型PLC电气控制装置，并且通过PLC程序对整个立体仓库的运行控制。PLC各插件各脚的功能及连接设置如下：(1)DC3-40与PLC的连接，如表2-2所示。表2-2与PLC连接端口脚号功能（I/O）1X0FP0-16T主机输入2X13X24X35X46X57X68X79COM10COM11Y0FP0-16T主机输出12Y113Y214Y315Y416Y517Y618Y719COM20COM21X20FPO-16RS输入22X2123X2224X2325X2426X2527X2628X2729COM30COM31Y20FP0-16RS输出32Y2133Y2234Y2335Y2436Y2537Y2638Y2739COM40COM(2)DC3-34与按键面板的连接，如表2-3所示表2-3与按键面板连接端口脚号功能1VCC+5V5V电源2VCC+5V3A1010号按键信号4a低位数码管七段-a5A1111号按键信号6b低位数码管七段-b7A1212号按键信号8c低位数码管七段-c9A00号按键信号10d低位数码管七段-d11A77号按键信号12e低位数码管七段-e13A88号按键信号14f低位数码管七段-f15A99号按键信号16g低位数码管七段-g17A44号按键信号18Y21取指示19A1313号按键信号20Y22送指示21A55号按键信号22Y20就绪信号23A66号按键信号24Y23数码管高位25A1414号按键信号26NC27A11号按键信号28NC29A22号按键信号30NC31A33号按键信号32GND地33A1515号按键信号34GND地用户通过底盘的右前侧设有的控制台控制货物。选取了立体车库更形象的模拟实现自动化立体仓库，通过对控制面板的操作可实现小汽车的出入库停放等功能。第三章立体仓库控制系统的软件设计3.1立体仓库PLC控制系统3.1.1电气框图PLC软件编程控制的立体仓库应首先设定PLC的I／O端口。PLC各I／O端口的电气框图，如图3-1所示。步进电机步进电机X轴Y轴信号Z轴X轴、Y轴CP，DIRPLCX40～4DX4～X7X24～27X20～23Y20～23Y0～3Y6、Y7仓位信号BCD码驱动电路Z轴直流电机图3-1电气框图3.1.2PLC信号接口三轴信号接口如表3-2所示。表3-2三轴信号接口X轴Y轴Z轴脚号定义脚号定义脚号定义1GND1GND1GND2NC2NC2X43X轴位置正确信号3X轴位置正确信号3X54X轴零位信号4Y轴零位信号4有无货物信号5+24V5+24V5+24V三轴动作信号接口如表3-3所示。表3-3三轴动作信号接口X轴Y轴Z轴脚号定义脚号定义脚号定义1CP步进脉冲1CP步进脉冲1直流电机引线2DIR方向电平2DIR方向电平2直流电机引线3公共阳端3公共阳端3.2PLC控制程序的设计立体仓库PLC程序的设计为软件设计的主体部分，控制程序是该系统工作的一个重要核心，系统的工作方式和性能由程序的处理方法决定，所以在此系统中程序的设计十分的重要[11～16]。3.3设计流程图根据系统取货与送货的功能，立体仓库系统的总流程图如图3-2所示。图3-2系统总流程图图3-2系统总流程图初始化初始化初始化初始化初始化初始化X、Y、Z轴置0位读键盘信息数码管输出显示取货取货程序送货程序开始定时10秒，有按键吗？NNYY系统自动进入初始化状态在上电过后，X轴、Y轴、Z轴置零位进入定时，若在定时时间内按键按下就先读键盘信息再判断键盘信息：送货进入送货程序、取货进入取货程序，当取货或送货程序执行完后，则进入时间判断；如果在规定时间内没有按键被相应的按下则自动返回。取货流程图如图3-3所示。取货程序开始取货程序开始传送平台缩回？到达指定仓位平台前伸（Z轴移动）抬起货物（Y轴移动）返回起始位置平台前伸（Z轴移动）放下货物（Y轴移动）缩回平台（Z轴移动）结束缩回平台（Z轴移动）NY图3-3取货流程图进入取货程序先判断传送平台有没有缩回来，在货物出入库作业中传送平台会伸缩，若没有缩回则Z轴控制其缩回，若已缩回准备就绪，通过在X、Y轴移动控制使平台伸缩到指定的仓位中，取出仓位中的货物。出库作业就是首先控制平台使用平台抬起货物后运送货物至系统制定位置，控制平台在仓位中再放下货物就运送货物送至最终位置则取货程序结束。送货流程图如图3-4所示。送货程序开始送货程序开始传送平台缩回？返回起始位置平台前伸（Z轴移动）抬起货物（Y轴移动）到达制定仓位平台前伸（Z轴移动）放下货物（Y轴移动）缩回平台（Z轴移动）结束缩回平台（Z轴移动）NY图3-4送货程序流程图进入送货程序先判断传送平台缩有没有回来，传送平台通过在X、Y轴的方向的移动返回起始位，控制平台在X、Y轴的方向的移动抬起货物再缩回平台；控制平台伸至仓位中目的是放下货物然后就可以将货物送至指定仓位放下后缩回，送货程序结束。在进行软件设计的时应考虑到立体仓库在运行过程中意外情况。意外情况处理控制流程图如图3-5所示。意外处理程序开始意外处理程序开始选择1-6号最小号码空仓位NY返回正常运行定时5秒，意外存在？送货程序返回零位结果图3-5意外情况处理流程图定时5秒判断意外是否存在，如果意外情况已经解除，则返回取货或送货状态，如果意外情况未解则将货物送至1～6号最小的空仓位，意外情况处理程序就结束。第四章立体仓库组态监控系统设计4.1MCGS工控组态软件简介MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem，监视与控制通用系统)是基于Windows操作系统开发的由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研究开发，MCGS操作系统构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。MCGS包含组态和运行环境，其中在运行环境中是按照用户的方式处理组态数据，而且单独的运行环境是不能够独立工作的是没有意义的，而在组态环境中进行用户所有的组态配置都是在组态环境中进行的，包括帮助用户构造和设计系统，只有在运行环境与组态结果同时作用于用户应用系统时才能够正常工作，如图4-1所示：组态环境：组态环境：组态市场应用系统组态结果数据库运行环境：解释执行组态结果图4-1MCGS组态环境与运行环境的关系由用户窗口、实时数据库、主控窗口、运行策略和设备窗口组成了MCGS生成的用户应用系统，如图所示：MCGS主控窗口系统菜单系统参数启动参数设备窗口设备构件属性设置图4-2MCGS用户应用系统结构图用户窗口图元图形动画构建实时数据库数据对象MCGS主控窗口系统菜单系统参数启动参数设备窗口设备构件属性设置图4-2MCGS用户应用系统结构图用户窗口图元图形动画构建实时数据库数据对象报表处理存盘处理运行策略启动策略循环策略推出策略自定义策略组态开始工作时，系统只建立一个空的架框，在这个空的架框下要完成以下工作才能完成一个实际的用户应用系统:第一步是要在组态环境中对构件进行堆叠组合，这些部件可以是用户自己设计拓展的也可以选取系统中现有的，并且对设置好的各部件配置相应的参数，这就组成了一个可以实际操作的工程；第二步是用户在为了达到其设计要求的前提下对已经设置好了的构件进行脚本参数的设置；第三步是将组态环境与运行环境相结合，从上文我们可以知道单独的运行环境是没有作用的，所以最后一步就是将两个环境结合创造出用户需要的运行系统。4.2基于MCGS仿真实现的意义用户可以通过MCGS可视化仿真技术可以实现仿真界面，根据需要在计算机上进行工程的模拟、仿真，从而修改仿真参数的实现仿真模拟，系统人员可以不用将精力浪费在非语言的编程上而是在最优方案上，因此可以用短的开发周期和较少的代价进行方案的完结。其基本步骤可以进行概括为:对建立系统所需要的材料进行收集真理，根据所收集到的材料设计、组织窗口及系统工程，在准备工作完成以后就可以开始构进行时数据库与脚本流程的构造与编写并相互结合，在完成仿真系统的设计以后进行运行调试以达到最佳的状态。4.3MCGS软件研究分析及工程画面的实现MCGS组态软件中的组态设计有其独特性，他们之间的关系如图4-3所示。用户窗口用户窗口以图形动画曲线等形式可视化数据主控窗口管理用户窗口管理运行策略维护数据库运行策略以不同的形式和方式和方法操作实时数据库实时数据库数据对象的集合构成实时数据库设备窗口从外部设备读取数据或控制设备输出数据图4-3MCGS工程各要素间关系用户在用户窗口中进行工程画面的制作的步骤是:(1)在“用户窗口”单击“新建窗口”就可以建立“窗口0"，如图4-4。图4-4新建窗口图面(2)选择“窗口0”再单击“窗口属性”就可以打开“用户窗口属性设置”。图4-4新建窗口图面(3)将窗口名改为“立体车库”，设置如图4-5：图4-5用户窗口属性设置画面(4)右击“用户窗口”中新设立的窗口“立体车库”，单击“设置启动窗口”选项，如图4-6所示：图4-5用户窗口属性设置画面图4-6画面的建立图4-6画面的建立(5)双击“立体车库”就可以对静态画面进行设计，设计的静态画面如图4-7所示:图4-7最后生成的静态画面图4-7最后生成的静态画面4.4MCGS车库控制系统数据库的研究MCGS当中的数据内容不仅是数值特征，并将这些数据内容与其它属性和数据的操作方法当作整体，MCGS中的数据用作为对象的形式提供服务。通过对3×4式立体车库分析，若取12号托盘上车的仿真状态，图4-8为实时数据及数据对象:图4-8实时数据及数据对象4.5MCGS与PLC的通信(1)双击“设备窗口”添加“松下FP0系列PLC”。单击组态工作台界面“设备窗口”进入设备组态窗口设置设备组态，如图4-9；设置设备的相关参数完成通，如图4-10所示。图4-9设备组态图4-9设备组态图4-10设备组态图4-10设备组态(2)返回设备组态窗口后双击“设备0-松下FP系列通讯口”进入设备属性设置窗口，设置如图4-11。若“通讯状态标志”提示信息为“0”通讯正常；提示信息为“-1”则通讯不正常。图4-11串口设备属性编辑图4-11串口设备属性编辑结束语利用了PLC的硬件资源和软件资源控制的自动化立体仓库具有许多优点。为使立体仓库更便捷，PLC的控制程序应具有最优化的逻辑功能，相应的组态监控系统可以实时监视立体仓库的运行状态，使得系统开发变得简单直观，通过计算机的监控画面，可以直观、全方位地了解仓库内机械的运行情况、货架的存储状况及故障报警情况，从而保障了立体仓库的安全、稳定和可靠性。本系统仍然存在许多需要改进的地方，如本系统在出入库作业优化调度方面需要做进一步的研究。自动化立体仓库正向专业化、小型化方向发展，立体仓库的设计在今后的发展过程中要时刻把握社会需求方向，了解社会对于立体仓库改进的具体需求，跟上时代的脚步不能只抱着现有的只是成果而不切合实际满足群众在生产生活中的要求。只有在合理调查，加快发展的前提下才能购实现更大的经济效益与资金收入。自动化立体仓库系统是未来仓储发展的必然趋势，我国应加强对于自动化仓库的研究投资进而转化成为生产力。致谢经过不断的修改论文终于完成，我的大学生活也在论文的结束后将会画上一个句号。首先，我要衷心感谢我的导师，王开全副教授。在导师教授精心指导下完成了本文的选题，课题研究及撰写工作，并且在学习期间时刻关注我的各科学习情况，在做课题