基于PLC的立体仓库堆垛机监控系统设计论文.docx

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基于PLC的立体仓库堆垛机监控系统设计论文

摘要

在现代的物流仓储系统中，自动化立体仓库应用日益广泛。

而堆垛机性能的优劣，对整个立体库的正常运行起着重要的作用。

在自动化立体仓库中设计出造价低廉、工作可靠的堆垛机替代原有仓库的控制和管理，能更加适应某些中小企业要求投资少见效快的目标。

本论文就实现这一目标的堆垛机控制系统进行了设计。

本文详细阐述了本控制系统的设计思想，以及整个系统的硬件实现和软件设计。

本文所述系统采用先进的PLC控制器控制，变频器驱动的闭环交流伺服系统。

采用光电传感器检测堆垛机位置，分析了堆垛机的工作过程，并研究了堆垛机运动制、认址检测方式，实现了堆垛机的定位方案。

采用S7-200PLC对堆垛机系统进行控制，并给出关键部分的程序。

为了监控和管理立体仓库的运行状态，利用组态王软件对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。

关键字：

自动化立体仓库；堆垛机；PLC；组态

Abstract

Inmodemlogisticswarehousingsystems，automatedstorageisincreasinglywidespread．Performanceofthestackerplaysanimportantrole．Newstackerwhichislowcostandreliablereplacetheoriginalcontrolandmanagementoftheautomatedstorage．Thenewstackercanbebetteradaptedtotherequirementsoflowinvestmentandsomesmallormedium-sizedquickgoals．Thispaperelaboratedonthedesignofthesystemofcontrol,aswellastheimplementationofthesystem,shardwareandthedesignofthesoftware.

Inthispaperitisusedthatthemodemclosed-loopACservo-systemcontrolledbyPLCandtransducer.Light-electricitysensorsareusedtomeasuredisplacementofthehaystacker．Theyareanalyzed，whichincludeworkprocess，thewayofrecognizingthesiteandtherunningcontrolinthehaystackersystem.theS7-200PLCisusedtothemicro-controllerintheautomatedstorage,andgivesakeypartoftheprogram.Inordertomonitorandmanagetheoperationoftridimensionalwarehousestatus，withtheinputofconfigurationsoftwarefortheoperationoftridimensionalwarehousehasareal．timemonitoringsystem．Thesystemiscapableofon-sitedatacollectionandprocessing，theoperatorcouldlaunchthemonitoringsystemtogetareal-timeupdatesoftheworkingstatusofthewarehouse，toensureasafeoperationandimmediateerrorshootingandcorrectiontreatment．

KeyWords:

theautomationstereoscopicwarehouse;stacker;PLC;Kingview

第1章绪论

1.1研究背景

随着经济和现代科技的不断发展，物流已由最初概念的形成，发展和不断完善；在全球迅速成长为具有无限潜力和发展的新型服务行业。

现代物流业发展水平是衡量一个国家综合国力的重要标志，正日益受到各国的重视。

因此，加快发展现代物流业，对拓展新的经济增长空间，提高城市经济国际化、信息化、市场水平具有十分重要的意义[1]。

企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得仓库成为生产物流系统中的重要且不可缺少的环节。

自动化立体仓库因为它的六大优点：

（1）储存量大，占地面积小；

（2）可迅速方便的进行货物的入、出库作业；（3）便于实现仓库的机械化、自动化，已而可以节约劳动力，减轻劳动强度，提高入、出库的作业效率和仓库周转能力；（4）提高了仓库管理的准确性和快速性，从而相对减少了货物库存量，减少了库存占有资金；（5）缩短了交货时间，增加了操作的安全性，减少了货物的损坏率，提高了服务质量；（6）提高了整个工厂管理和生产效率，正在逐步替代面积利用率极低且陈旧落后的平面仓库，这种替代促使仓库物流业的水平提高[2]。

自动化立体仓库无论在运转，还是在管理上都显示出高效性、计划性和便利性，库容库貌也得到改善，因此，自动化立体仓库目前正被越来越多的企业所重视。

自动化立体仓库自从五十年代首次出现以来，由于它所具有的无比优越性，因此得到了迅速的推广、应用与发展，现在自动化立体仓库已经成为现代物资存取技术与自动化技术相结合的高新技术产物，是物流自动化的显著标志之一；是现代化生产的必然产物。

自动化技术与计算机技术的迅速发展为仓库的自动化提供了可能和有利条件。

目前，美国、日本、德国和英国是世界上拥有自动仓库最多的国家。

我国自动化仓库起步比较晚，于七十年代后期开始建立自动化仓库；但在当时的发展却相当缓慢。

自八十年代我国进行改革开放过渡为市场经济以来，国民经济迅速增长，科学技术也得到了突飞猛进的发展。

与工业增长相应的自动化仓库的应用也取得了长足的发展，但在数量和技术上同发达国家相比仍然有较大的差距。

因此大力发展我国的自动化仓库是提高企业生产能力，发展国民经济的一个重要方面。

为满足现代生产与物流的需要，就必须采用计算机控制技术为主要手段组成的自动化立体仓库。

自动化立体仓库制造业在国外已经发展成为一个新兴的高科技产业；取得了可观的经济效益。

而我国对该课题的研究起步比较晚，尤其缺少对物流信息论和仓库堆垛机监控系统的设计理论研究；使目前的自动化仓库不能实现物流信息化，大大降低了操作效率，产品高投入、低运行速度和低效率的状态。

1.2国内外研究现状和发展趋势

1.2.1自动化立体仓库的发展

自上世纪六十年代以来，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。

堆垛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垛机的发展为主要标志的。

目前巷道式堆垛机为主要发展方向[3]。

我国对自动化立体仓库及其物资搬运设备的研制开始并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛机起重机。

1973年开始研制我国第一座有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成我国第一座自动化立体仓库，并在北京汽车制造厂投产[4]。

从此以后，立体仓库在我国得到了迅速的发展。

拒不完全统计，目前我国已建成的立体仓库近300个，其中全自动化的立体仓库有30多个。

目前我国建设的自动化立体仓库规模越来越大，平均货位数在一万个左右，高度均在20米以上,系统更加复杂，设备数量越来越多应用领域越来越广。

近些年我国自动化立体仓库技术发展很快，已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所工作。

尽管如此，我国自动化立体仓库的仓储系统还需要进一步发展，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从数量还是从建设水平上都有着比较大的差距。

1.2.2堆垛机的发展

初期的立体仓库使用的堆垛机以桥式起重机为基础，这种堆垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架，利用门架的上下和旋转来搬运货物。

1960年左右在美国出现了巷道式堆垛机，随后巷道式堆垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式堆垛机。

1967年日本安装了高度20～25米的高层堆垛机，1969年出现了联机全自动化仓库，1973年建成了世界上第一座40℃的极低温用于贮藏生鲜食品的自动化冷藏库，解决了低温条件下堆垛机的可靠性和技术方面的问题，巷道式堆垛机随之逐渐的取代了桥式起重机[5,6]。

我国是在上世纪70年代初期开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。

目前的堆垛机技术取得了重大的发展，控制技术、定位精度、运行速度都得到了很大程度的提高。

巷道式堆垛机的起升速度已经可以达到90m/min，运行速度达到240m/min，在有的立体仓库中采用上、下两层分别用巷道堆垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力。

1.3课题研究的意义

随着我国加入WTO，加快了经济全球化的进程，近一步促进了物资流通；货物储运发送量越来越大。

可以预测，今后市场对仓储物流设备的需求量将有更大幅度的增长，而且将在存取率、自动化程度、信息化程度等方面提出更高的要求[7]。

在立体仓库中，堆垛机是自动化立体仓库中最主要的作业机械设备，是输送系统的核心设备，决定着整个出入库是否能流畅运行的关键，它的合理的速度控制、精确的定位设计以及优良的故障诊断系统是实现堆垛机高效率、高准确度、高安全性运行的重要因素。

在减小输送系统的“瓶颈”效应提高自动化立体仓库的整体运行效率有重要的意义[8]。

根据市场预测，传统技术制造的20世纪70年代水平的堆垛机逐步将被淘汰，而高速度、高科技含量的新型堆垛机将迅速占据市场。

我国堆垛机综合性能亟待改善。

根据物流设备发展趋势，针对近几年用户的反映，结合国内外现状及发展情况等有关情报资料分析，找出我们存在的主要差距主要体现在运行速度、提升速度、叉货速速、平稳性及认址精度。

国内堆垛机的运行速速要求达160～200m/min以上，运行平稳可靠、认址准确、起动制动灵敏等综合性能的提高，需要多项技术的创新和改进，更需要新技术的支

持[9]。

相信通过我们的不懈努力，在使用堆垛机具有更高定位精度的同时，提高运行速度，以获得很短的操作和更大的生产能力。

更加高速、安全、可靠的堆垛机将不断从国外引进消化到国内，使有轨巷道堆垛机发展到一个新阶段。

基于上述情况，对堆垛机的控制方式研究具有一定的实际意义。

1.4研究的主要内容

将基于未来立体仓库发展的要求，立足于工作循环周期短、换速平稳、停准精确，结合现代计算机技术、通信技术、自动控制等技术，着重研究立体仓库堆垛机行走系统的自动寻址、精确定位、速度调节及控制。

基于组态软件的监控系统开发，包括以下主要内容：

配合使用较为成熟的中低档型PLC－S7200，使整个堆垛机的控制即在性能上满足设计要求，又符合企业低造价的要求：

⑴根据立体自动仓库的控制要求与相关参数，从可靠性、停准精度、系统成本等方面出发，得出适应立体仓库的电控系统的结构。

⑵对堆垛机在水平与垂直方向上运行时进行速度控制，改善了堆垛机的动态性能。

并在应用新定位方式的基础上，采用闭环速度控制方案，并解决新方案中的硬件配置问题。

⑶编制PLC程序并调试。

⑷在监控系统中，研究的内容包括：

组态软件监控界面的建立；实时反映执行机构的运行情况及货位的储存情况；对执行机构实时控制。

第2章自动化立体仓库总体方案

整个立体仓库的设计方案包括监控层现场控制层部分。

本章主要阐述的系统的整体结构及相应的硬件设计方案。

2.1立体仓库的概况

本设计系统为立体仓库取送货系统。

该系统有3个巷道，每巷道分左右两排架，每架30列，10层。

叉车与堆垛机的区别：

叉车可以满地跑，进行垂直和水平运输作业，一般人工操作。

堆垛机只能固定在巷道里运行，进行水平和垂直运输作业，一般自动控制。

而本次设计的自动化立体仓库使用高层货架存储货物，货物被分成若干排，每排货架为一组，其间留有一条巷道供堆垛机或其他存取货物装备作业。

每排货架又分若干列，若干层，形成大量货格，用以存储货物。

在控制上由计算机系统集中控制，具有方便存储，任意取货的优点，起关键技术就是堆垛机自动行走的定位技术。

因此对一个自动化立体仓库进行取货送货作业，小车在固定巷道里运行进行垂直和水平作业，于是仓库内选用堆垛机。

图2-1为堆垛机的主要结构图，展现了仓库的情况。

图2-1仓库实物图

堆垛机是自动化立体仓库系统的重要组成部分，它是整个系统的执行部件，存货时将货物从出入货台准确的存放到货位里，取货时将货物从货位中取回到出入货台。

无论何种类型的堆垛机，一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。

它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。

尽管各厂家各有独创，结构形式有些差异，但可以说大同小异，所有的堆垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成。

按现行机械行业标准，有轨巷道式堆垛机分类方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。

无论何种类型的堆垛机一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成，如图2-2堆垛机的主要结构图所示。

图2-2堆垛机的主要结构图

体现堆垛机动态性能优劣的指标主要有：

运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、认址精度等。

随着科学技术的不断进步，自动化立体仓库的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断提高。

例如，堆垛机的运行驱动己由20世纪70年代的子母电动机改为变频调速，速度由5～50m/min提升至4～160m/min，国外小载重量的堆垛机最高可达300m/min；提升驱动己由20世纪70年代的双速电动机改进为变频调速，速度由4～16m/min提升至0～25m/min；货叉运行也由单速电动机驱动改进为变频调速，速度由8m/min提升至4～35m/min；在堆垛机自动控制方面还采用闭环控制变频调速系统、Profibus总线控制等先进技术。

尽管如此，目前国产堆垛机的运行速度最高仍保持在160m/min；提升速度在0～80m/min；货叉速度一直保持在0～30m/min；认址采用光电探测，精度不足，认址差错率高。

2.1.1电控系统设计依据

2.1.1.1控制方式要求

本文中的堆垛机采用手动货自动控制方式。

（1）手动方式：

通过堆垛机的转换开关及按钮控制堆垛机水平和提升运动及货叉伸缩。

同时运动速度也可以手动选择。

手动操作主要用于安装、调试和排除故障。

（2）自动方式：

用人机界面堆垛机进行全自动的控制，控制系统根据用户输入的参数进行全自动的取送货动作。

界面操作时，应具备对货物的单送、单取操作。

人机界面应具备实时显示设备运送工况、故障及历史故障查询等功能。

2.1.1.2自动化立体仓库控制系统设计要求

自动化立体仓库中的计算机通过网络数据传输命令，使堆垛机自动运行，必须具备以下功能。

（1）定位控制:

为了存取货物，堆垛机必须准确地停止在指定货位处，定位偏差控制在允许的误差范围内。

（2）速度控制:

为了提高工作效率，防止货物倾倒和堆垛机的冲击，确保停止精度，必须进行速度控制。

按照自动化立体仓库的实际形式、行走方向的地址数和高度方向的货位数，选择恰当的行走速度和升降速度极其重要的。

（3）货叉控制:

使货叉能准确无误地从货位中取出货物以及把货物放入货位中。

货叉速度有高速和低速两档。

当货物较轻且不易倾倒是采用高速。

（4）控制信息的接收:

计算机对堆垛机和输送机等搬运机械发送出入库指令的同时，控制和监视出入库作业是否正确进行。

因为堆垛机是高速移动，在搬运物品是必须监控货物和机械的状态。

检测这种状态的传感器和堆垛机上的信息接收系统，必须具备高的可靠性，否则计算机不能充分发作用。

（5）故障报警系统:

巷道堆垛机是自动化立体仓库中最重要的设备，是系统进行作业的主要设备。

对堆垛机的故障分析和诊断十分重要。

2.1.1.3堆垛机控制系统主要技术参数

主要设计要求及参数如下：

（1）控制方式PLC控制

（2）操作方式手动、上位监控软件自动

（3）电机功率及速度

①行走：

5.5kw25～200m/min；

②提升：

11kw6.3～80m/min；

③货叉：

0.5kw5～40m/min。

（4）堆垛机的定位精度

①行走：

3mm；

②起升：

3mm；

③货叉：

2mm。

2.1.2立体仓库的电控系统结构图

自动化立体仓库主要有由货架、巷道堆垛机、周边出入库配套机械设施和仓储管理控制系统等几部分组成。

货架长度大、排列数多、巷道窄，因此仓库密度高。

巷道堆垛机上装有各种定位的检测器和安全装置，保证巷道堆垛机和货叉能高速、精确、安全地在货架中取放货物。

本系统有上位监控级直接控制级组成。

监控级对通讯流程进行控制，并进行实时图像显示，直接控制级是由PLC（可编程序逻辑控制器）组成的控制系统对各设备进行单机自动操作。

采用组态王6.53建立监控界面，同时将运行系统的状态反馈到监控计算机。

堆垛机采用西门子公司的S7-200型PLC控制，与变频器结合对堆垛机进行变频调速。

系统结构拓扑图如图2-3所示。

图2-3系统拓扑结构图

2.2系统结构形式的选择

2.2.1PLC的选择

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

长期以来，可编程控制器PLC始终是工业自动化控制领域的核心控制系统，为工业自动化生产提供了非常可靠的应用控制，广泛应用于冶金、轻工业、机械制造等各个领域，极大的推进机电一体化的进程，提高了生产效率。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位是无法取代的。

SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列PLC的强大功能使其无论在独立运行中，或是相连成网路皆能实现复杂控制功能。

因此，S7-200系列具有极高的性价比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的拓展模块[10]。

2.2.2S7-200系列PLC概述

S7-200系列PLC是德国西门子公司生产的一种超小型PLC,超小型是指其功能具有大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的价格一样。

可以单机运行，也可以输入/输出扩展。

它结构小巧，可靠性高，运行速度快，继承和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势，又极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩展模块，性能价格比非常高。

因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。

特别是S7-200CPU22*系列PLC（它是21*系列的替代产品），由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，可以很容易的组成PLC网络。

同时具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得S7-200系列PLC来完成控制系统的设计时更加简单，系统的集成非常方便，几乎可以完成任何功能的控制任务。

S7-200硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量的I/O输入输出，同时还可以扩展各种功能模块。

⑴基本单元：

基本单元有时又称作CPU模块，也有的称之为主机或本机。

特包括CPU、存储器、基本输入输出点和电源等，是PLC的主要部分。

它实际上就是一个完整的控制系统，可以单独的完成一定的控制任务。

⑵扩展单元：

主机I/O数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是多种因素共同决定的。

⑶特殊功能模块：

当需要完成某些特殊功能的控制任务时，可与SIMATICS7-200主机相连，已完成某种特殊的控制任务而特制的一种装置。

⑷相关设备：

相关设备是为了充分和方便的利用SIMATICS7-200系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人际操作界面和网络设备等。

⑸工业软件：

工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要有标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。

2.2.3CPU型号选择

2.2.3.1西门子CPU的介绍

SIMATICS7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。

CPU负责执行程序，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。

输入部分则输出控制信号，控制工业过程中的设备。

西门子第二代产品的CPU模块位CPU22*，是在本世纪初投放市场的。

其速度快，具有极强的通讯能力。

它具有四种不同结构配置的CPU单元。

（1）CPU221：

CPU221具有6输入/4输出，共计10个点的I/O，无扩展能力，有6KB程序和数据存储空间。

还具有4个独立的30kHz高数计数器，2路独立的20kHz高数脉冲输出端，一个RS-485通讯/编程端口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯方式。

非常适合小点数的控制系统。

（2）CPU222：

CPU222除了具有CPU221的功能外，其不同在于：

它有8输入/6输出，共计14点I/O，可以扩展8路模拟量和最多64个I/O,因此使更广泛的全功能控制器。

（3）CPU224：

它在CPU222的基础上使主机的输入输出点数增为24点，最大可扩展为168点数字量或者35点模拟量的输入和输出；存储量也进一步增加，还增加了一些数学指令和高数计数器的数量，具有较强的控制能力。

（4）CPU226：

这种模块在CPU224的基础上功能又进一步增强，主机输入和输出点增加到40点，最大可扩展为248点数字量和35点模拟量；增加了通讯口的数量，通讯能力大大增强；它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。

2.2.3.2CPU型号的选择

根据控制点数来计算，可以选用CPU-226这个型号的CPU，CPU226有24输入/16输出，最大可以扩展为248点数字量或35点模拟量。

其特点如下：

（1）集成的24V电源：

可直接连接到传感器和变送器、执行器，可用作负载电源。

（2）高速脉冲输出：

具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHZ，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。

（3）通信口：

CPU226具有2个RS-485通信口，支持PPI、MPI协议，有自由口通信能力。

（4）模拟电位器：

CPU226有两个模拟电位器，用来改变特殊寄存器中的数值，以改变程序运行的参数，如定时器、计数器的预设值，过程量的控制参数。

（5）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。

（6）数字量输入/输出点：

CPU226具有24输入/16输出，输出点为24V直流双向偶看光电耦合输入电路，输出有继电器和直流两种类型，可扩展模块为7个。

（7）CPU226有6个30KHZ的高速计数器，用于捕捉