PLC在仓库码垛机中的设计应用设计说明.docx
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PLC在仓库码垛机中的设计应用设计说明
河南工业职业技术学院
HenanPolytechnicInstitute
毕业设计(论文)
题目:
PLC在仓库码垛机中的设计应用
独创声明
本人重声明:
所呈交的毕业设计(论文),是本人在指导老师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。
尽我所知,除文中已经注明引用的容外,本设计(论文)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
毕业设计(论文)使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版,同意学校保存学位论文的印刷本和电子版,或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计(论文);同意学校在不以营利为目的的前提下,建立目录检索与阅览服务系统,公布设计(论文)的部分或全部容,允许他人依法合理使用。
(论文在解密后遵守此规定)
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
毕业设计任务书
一、设计题目:
PLC在仓库码垛机上的设计应用
二、毕业设计的目的
1.设计一个立体仓库码垛机控制系统;
2.水平移动、垂直移动与伸叉机机构分别由220W的三相交流异步电动机、200W的单相交流异步电动机和二相混合式步进电机驱动;
3.上述电机由西门子S7-226型PLC控制,其中水平移动、垂直移动由PLC通过变频器控制,步进电机由步进驱动模块进行自动控制。
三、主要设计容
1.变频调速系统设计;
2.货叉伸缩控制;
3.PLC控制程序编写与调试;
四、重点研究问题
PLC控制,确定设计方案,完成各功能单元的结构设计,参数计算和元件选择。
五、主要技术指标或主要设计参数
堆垛机运行的速度围:
水平方向:
2m/min-360m/min;
垂直方向:
2m/min-80m/min;
货叉:
2m/min-60m/min
六、设计成果要求
1.毕业设计论文要求字数为10000—15000字,论文格式参照工业职业技术学院关于毕业设计论文格式要求;
2.各部分环节的工作原理与调试故障分析与排除方法;
3.具有必要的保护措施;
4.附有主程序流程图;
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。
而码垛机是立体仓库的关键组成部分,码垛机性能的优劣对整个立体仓库的运行起到至关重要的作用,所以设计与开发自动化程度较高的码垛机控制系统成为当前立体仓库的发展趋势,开展与此有关的研究具有重要的理论和应用价值。
本文基于现代物流技术的应用和发展要求,介绍自动化立体仓库的应用与其功能和作用,结合现代科技的发展,着重研究自动化立体仓库码垛机控制系统的控制技术。
本文详细阐述了本控制系统的设计思想,以与整个系统的硬件实现和软件设计。
本文依据立体仓库的有关设计参数,对码垛机电气控制的硬件系统进行了设计,为了提高码垛机的性能,本文采用了转速、位置反馈的双闭环控制,以满足系统的调速要求。
系统的水平认址采用激光测距传感器定位,垂直认址采用光电开关和认址片组合定位。
变频调速系统由S7-200PLC与其扩展模块EM235通过变频器MM440控制交流电动机,采用光电编码器反馈转速信号,实现转速闭环控制。
货叉伸叉系统由S7-226PLC通过步进电动机驱动器SH-20403控制二相混合式步进电动机。
根据系统的控制要求进行了PLC、变频器、电机和电机驱动器的选型,并给出了系统的硬件接线图,然后利用西门子的编程软件step7设计了码垛机控制程序。
关键词:
自动化仓库,码垛机,PLC,控制系统,变频器
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
第一章绪论………………………………………………………………………1
1.1自动化立体仓库的概述………………………………………………………1
1.2码垛机的概述…………………………………………………………………2
1.3本章小结…………………………………………………………………………3
第二章码垛机控制系统的硬件设计………………………………………4
2.1控制技术要求和系统总体设计…………………………………………………4
2.2码垛机的位置控制………………………………………………………………5
2.3PLC与资源配置………………………………………………………………8
2.4码垛机变频调速系统设计……………………………………………………11
2.5码垛机货叉控制系统设计……………………………………………………14
2.6安全检测传感器的应用………………………………………………………15
2.7通信方案的确定………………………………………………………………16
2.8输入输出点的分配……………………………………………………………16
2.9本章小结………………………………………………………………………18
第三章码垛机程序控制设计………………………………………………19
3.1码垛机自检和复位/归位程序…………………………………………………21
3.2自动方式下的码垛机运行控制………………………………………………22
3.3手动方式下的码垛机运行控制………………………………………………26
3.4步进电机驱动程序……………………………………………………………28
3.5本章小结………………………………………………………………………28
第四章总结…………………………………………………………………29
致………………………………………………………………………………30
附录………………………………………………………………………………31
参考资料…………………………………………………………………………33
第一章绪论
1.1自动化立体仓库的概述
在现代物流系统中,自动化立体仓库是一个重要的组成部分,它是一种新型的仓储技术。
自动化立体仓库又称为自动存储/检索系统(AutomatedStorage&RetrievalSystem,AS/RS)。
它是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工程。
它以高层货架为主要标志,配以成套的先进搬运设备,以先进的计算机控制技术为主要手段,由此组成高频率、大容量的科学存储,以适应现代化生产、物资交流和仓储的需求。
1.1.1自动化立体仓库的组成
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库和入库作业的仓库。
这类仓库主要通过高层货架充分利用空间进行存取货物,所以被成为立体仓库。
目前,立体仓库最大高度能达到40多米,最大库存数可达数万个货物单位,可以实现按计划入库和出库的全自动化控制,以与无人操作的计算机网络化管理。
其主要的组成部分有高层货架、仓储机械设备、控制与管理设施。
(1)货架
仓储技术的发展由平面转向高层立体化以后,高层货架为仓库的主体和标志,货架越高,存储量越大。
货架在物流与仓储中占有非常重要的地位,目前的货架具有多种功能,以满足机械化和自动化的要求。
主要的货架类型有单元式货架、贯通式货架与旋转式货架。
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。
货箱和托盘的基本功能是盛放小件物料,同时还应便于运输车和码垛机的插取和存放。
(2)仓储机械设备
自动化立体仓库的主要搬运设备是巷道式码(堆)垛机,其主要用途是在高层货架的巷道来回穿梭运行,将位于巷道口的货物存放入货格中,或者将货物取出运送到巷道口。
输送系统必须是具有高度的可靠性,在立体仓库中一般只有一套输送系统,所以应保证输送系统各个环节上的设备可靠、耐用、维修方便,并且还应该对输送系统设置手动控制做后备。
自动化立体仓库中的货物输送装置主要有传送带、各种流动小车等,短距离的传送还可以采用机器人。
(3)控制与管理设施
控制管理系统采用分布式控制,即由管理计算机、中央控制计算机和直接控制码垛机、入/出库输送机等现场设备的控制器组成控制系统。
管理计算机是立体仓库的管理中心,承担着入/出库管理、盘库管理、查询、打印与显示、经济技术指标的计算分析等功能,包括在线管理和离线管理;中央控制计算机是立体仓库的控制中心,它沟通并协调管理计算机、码垛机、入/出输送机等设备之间的联系,控制和监视着整个立体仓库系统的运行。
1.1.2自动化立体仓库的优点
(1)层货架:
立体仓库由于使用了高层货架存储货物,存储区可以大幅度的向空间发展,充分利用了仓库的空间,提高了空间利用率。
(2)自动存取:
自动化立体仓库使用机械和自动化设备,运行和处理速度快,提高了作业效率。
(3)计算机控制与管理:
计算机能够准确无误的对仓库的各种信息进行存储和管理,不仅降低了操作人员的劳动强度,还减少了货单处理和信息处理过程中的差错,从而提高了仓库的管理水平。
(4)节约成本:
作业效率的提高势必会降低货物储存的成本费用,由此也提高了企业的现代化物流意识。
1.1.3自动化立体仓库的发展
高层货架仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产技术发展的结果。
在生产发展的实际需要和科技水平发展的现实可能下,五十年代初开始出现了自动化立体仓库。
1950年美国首先产生手动控制的桥式码垛机起重机,与此同时提出了高层货架的概念,被认为是自动化仓库的雏形。
1960年以后巷道式码垛机逐渐代替了桥式码垛机,此后码垛机的使用围和性能有了很大的发展,尤其是在日本,自动化立体仓库发展迅速,目前日本的自动化仓库技术和自动化仓库的拥有量都位居世界前列。
自动化技术在仓储领域中的发展分为五个阶段:
人工仓储阶段、自动化仓储阶段、集成化仓储阶段、智能化阶段和智能自动化阶段。
其中智能自动化仓储在九十年代后期以与二十一世纪的若干年,是仓储自动化技术的主要发展方向。
我国对自动化立体仓库与其物料搬运设备的研制并不晚,1963年研制成第一台桥式码垛起重机(机械部起重运输机械研究所),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(高巧米,机械部起重所负责),该库1980年投入运行。
1.2码垛机的概述
码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。
无论何种类型的码垛机,一般都由水平行走机构、起升机构、载货台与货叉机构、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,但可以说小异,所有的码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。
1.2.1码垛机的发展
初期的立体仓库使用的码垛机以桥式起重机为基础,这种码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码垛机,随后巷道式码垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式码垛机。
1967年日本安装了高度10~15米的高层码垛机,1969年出现了联机全自动化仓库,我国是在上世纪70年代初期开始研究采用巷道式码垛机的立体仓库。
目前的码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。
巷道式码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、下两层分别用巷道码垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力。
1.2.2码垛机技术的研究现状
按现行机械行业标准,有轨巷道式码垛机分类方式很多,如按支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。
无论何种类型的码垛机一般都由水平行走机构、起升机构、载货台与货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。
体现码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,码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,国外小载重量的码垛机最高可达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;在码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,目前国产码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,认址出错率高。
1.3本章小结:
本章主要介绍了自动化仓库的组成、应用优点和发展,并初步介绍了码垛机的发展和研究现状。
表明了自动化仓库和码垛机在工业生产中发展的必然性,改进码垛机精度和提高其应用效率的必要性。
第二章码垛机控制技术的硬件设计
2.1控制技术要求和系统总体设计
(1)本系统中码垛机运行机构由水平运行的行走机构,垂直运行的起升机构与取送货的伸叉机构三部分组成。
水平部分运动电机和垂直部分运动电机分别采用220W的三相交流异步电动机和200W的单相交流异步电动机,由西门子S7-200PLC通过变频器进行控制。
伸叉机构电机采用两相混合式步进电机,由西门子S7-200通过步进电机驱动器进行控制。
由码垛机运行机构特点与工作要求可知,能否保证码垛机的稳定工作,关键在码垛机的三维位置移动定位的精确性。
主要技术指标和和主要设计参数
码垛机运行的速度围:
水平方向:
2m/min~360m/min;
垂直方向:
2m/min~80/min;
货叉:
2m/min~60/min
(2)本文码垛机的控制方式有自动和手动控制。
①手动方式通过码垛机的转换开关与按钮控制码垛机水平和提升运动与货叉伸缩。
同时运动速度也可以手动选择。
手动操作时,系统应给予相应的警示信号,同时系统将解除大部分的保护控制。
手动操作主要用于安装、调试和排除故障。
②单机自动用人机界面对码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行工况,故障与历史故障查询等功能。
(3)在本文设计的码垛机控制系统中上位机完成的只是数据输入和传送,主要的控制任务是由PLC来完成。
①作业命令处理:
确定作业状态时自动还是手动;确定作业指令是存货入库还是取货出库;确定作业地址包括列地址和层地址。
②位置技术与判断:
沿着码垛机的行进方向和载货台的升降方向设置认址片,PLC通过检测认址片来判断码垛机位置和载货台的位置,每经过一个认址片,PLC的高速计数器就自动计数一次,前进加一,后退减一,上升加一,下降减一。
到达预定位置后,码垛机停车。
③速度调整和准确停车:
根据码垛机和目标位置的距离,PLC输出速度调整的控制信号给变频器,通过变频器控制电机的转速,在停车之前先把码垛机的运行速度降低到低速档,使码垛机以低速接近目标位置,保证码垛机的稳定性。
④作业任务的顺序逻辑控制:
按照入库、出库的作业顺序,确定各输出点的得电状态,完成作业顺序的逻辑控制。
⑤安全保护:
水平行走、载货台升降与货叉的伸缩等都有限位保护。
⑥PLC还有工作故障报警功能。
本系统由上位监控级与直接控制级组成。
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。
采用组态系统建立监控界面,同时将运行系统的状态反馈到监控计算机。
码垛机采用西门子公司的S7-200型PLC控制,与变频器结合对码垛机进行变频调速。
系统结构拓扑图如图2.1所示。
图2.1系统结构图
2.2码垛机位置控制
由码垛机的作业流程分析,码垛机是由水平运行机构、纵向起升机构和货叉伸缩机构三部分组成的,水平运行机构和垂直起升机构使码垛机到达目标位置,货叉伸缩机构完成存取货任务。
要完成对码垛机自动控制系统的设计,首先要保证码垛机能够准确到达目标位置,所以在设计码垛机自动控制系统时,关键在于准确可靠的认址和定位保证码垛机准确无误的定位在目标货位。
另外为了提高存取效率和保证码垛机的稳定性,必须对码垛机三个机构的速度进行合理有效的控制,其中速度位置检测是码垛机自动控制系统的关键部分。
码垛机速度位置控制的实现方法如图2.2所示,控制系统由PLC控制器、调速系统、编码器、认址片和认址器组成,实现位置和速度的双闭环控制。
输入
编码器
速度检测
位置检测
图2.2码垛机位置速度控制框图
2.2.1定位控制
定位控制就是确定码垛机停止在目标货位的功能。
自动仓库的认址检测系统有两项任务:
一是实现自动寻址,使码垛机自动找到被指定到达的位置;二是自动准确停准,即码垛机停准位置不超出规定的精度。
为此,货架上的每个货位必须具有码垛机能识别的编码,所以将货架两侧编成X1、X2,沿码垛机运行方向将货架编为0~Y列,垂直方向编为0~Z层。
这样每个货位就有了独立的三维坐标地址,码垛机自动检测目前的坐标地址,使其能到达目标位置。
因为货架两侧分为X1、X2,只有两个方向,反应到码垛机上只是货叉左伸、右伸运动,此方向不用检测,所以实际上码垛机位置的检测只是对Y、Z位置的检测。
2.2.2认址检测方式
1)绝对认址:
绝对认址是将每一个货位赋予唯一的开关状态,给每个货位制作一个专用的认址片,码垛机上相应安装一个识别器,通常是二进制编码板和一组光电开关的组合,通过读取认址片的代码来判断码垛机的当前位置。
(2)相对认址:
相对认址时每个货位的认址片结构一样。
每经过一个货位,就对地址编码进行加1或减1,一直移动到和预定位置号一致时停止运行。
(3)编码器定位法:
编码器定位方式主要有两种:
从动轮与轨道旋转计数测定方式、链轮与链条旋转计数测定方式。
从动轮与轨道旋转计数测定方式。
码垛机的从动轮上配有同轴旋转编码器,从动轮与轨道近似纯滚动,因此通过对旋转编码器的转角的转换,可以得到码垛机的相对运行位置。
(4)激光测距定位:
激光测距定位是近年来应用于码垛机准确定位的新技术,用激光测距仪通过测量码垛机到基准点的距离和事先存储的位置数据比较来确定码垛机的当前位置。
这种方法的精度很高,但是使用时码垛机和激光发射器和反射板之间不允许有物体,否则会遮挡住激光的传输路径,使系统无法准确定位。
2.2.3认址方式确认
为完成对码垛机的位置控制,必须能检测出码垛机的运行位置,本文设计的码垛机系统认址方式有:
(1)水平认址系统
水平方向采用激光测距传感器,当前数据为位移值,经过PLC计算后的数据为当前速度值。
激光测距传感器安装在码垛机上,目标放射板安装在巷道末端。
在立体仓库巷道通道中的激光测距围(激光发射器与反射板之间)不得有任何物体遮挡激光光线。
激光测距的原理是通过发射出的激光光线长度来测定距离,其光线就好比一把光尺,如果物体遮挡激光光线,让它脱离原标准原点的测定位置,将影响实际要求的测定距离,从而使道码垛机走位偏离所设定的位置,产生货叉取/存储错位或起始点撞击巷道码垛机端部缓冲制动器的情况。
因此,在巷道码垛机工作时不允许有任何物体遮挡激光光线,对于激光光线通道应采取隔离保护措施,保证激光测距的准确性和自动化系统的安全性。
(2)纵向认址系统
码垛机纵向方向的层定位采用光电开关和认址片组合定位,即在码垛机的上下安装两个光电开关,在每层的货位上安装认址片。
低位为取货开始伸叉或放货完毕收叉的位置,高位为放货开始伸叉或取货完毕收叉的位置。
为使货叉能完成作业,码垛机在垂直方向上必须要提供使货叉能停在高位或低位的检测装置。
所以在码垛机的升降台上安装三个光电开关,与升降台一起上升下降,中间的一个共用,其他两个分别为上位置和下位置。
存货开始或取货结束时,升降台货叉停在高位置,下面两个光电开关处于认址片;取货开始或存货结束时,货叉停在低位置,此时上面两个光电开关处于认址片,如图2.3所示。
图2.3码垛机垂直方向认址传感器分布图
其认址状态如表2-1所示:
表2-1认址状态表
上升
下降
传感器
存货高位
取货低位
存货高位
取货低位
A1
……
计数、减速、定位
……
定位、停止
A2
计数、减速、定位
定位、停止
定位、停止
计数、减速、定位
A3
……
计数、减速、定位
……
2.2.4码垛机速度曲线分析
常见的速度运行曲线有三种,分别为三角形与梯形速度曲线、抛物线与直线形速度曲线、正弦形速度曲线。
本文采用最常用的梯形速度曲线。
如图2.4所示,梯形速度曲线码垛机以加速度
启动加速,当匀加速到最大运行速度
时,保持该速度运行一段时间,再以
匀减速运行,直到零速停靠。
V
AB
C
S1S2S3S
图2.4梯形速度曲线
2.3PLC与资源配置
根据实际的控制点数和系统需要实现的控制要求,在本设计中选用西门子的S7-200系列的PLC作为控制中心。
2.3.1S7-200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。
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。
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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。
(5)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。
2.3.2CPU型号选择
SIMATICS7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以与数字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。
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
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