基于CompactLogixPLC的网络货物分拣入库控制系统设计文档格式.docx

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目前自动分拣已逐渐成为主流，因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动分拣装置来完成的。

这种装置是由接受分拣指示情报的控制装置、计算机网络，把到达分拣位置的货物送到别处的的搬送装置。

由于全部采用机械自动作业，因此，分拣处理能力较大，分拣分类数量也较多。

随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，尤其在需要进行材料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，材料的自动分拣已成为企业的唯一选择。

针对上述问题，利用PLC技术设计了一种成本低，效率高的材料自动分拣装置，在材料分拣过程中取得了较好的控制效果。

物料分拣采用可编程控制器PLC进行控制，能连续、大批量地分拣货物，分拣误差率低且劳动强度大大降低，可显著提高劳动生产率。

而且，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。

其设计采用标准化、模块化的组装，具有系统布局灵活，维护、检修方便等特点，受场地原因影响不大。

同时，只要根据不同的分拣对象，对本系统稍加修改即可实现要求。

PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术等内容，是实际工业现场生产设备的微缩模型。

应用PLC技术结合气动、传感器和位置控制等技术，设计不同类型材料的自动分拣控制系统。

该系统的灵活性较强，程序开发简单，可适应进行材料分拣的弹性生产线的需求。

本文主要介绍了PLC控制系统的硬件和软件设计，以及一些调试方法。

仓库系统发展

当今社会“仓储”、“物流”等概念已经逐渐为广大公众所了解，其相应的管理技术也在许多大、中型企业中付诸实施。

PLC控制技术的飞速发展，为现代企业的物流管理提供了重要的技术支持。

自动化立体仓库就是自控技术在物流管理上的一个很好的应用。

自动化立体仓库不仅具有节省用地、减轻劳动强度、提高物流效率、降低储运损耗、减少流动资金积压等功能，而且在沟通物流信息、衔接产需、保证生产均衡、合理利用资源、进行科学储备与生产经营决策等方面发挥着独特的作用，使人们真正享受到现代计算机技术应用于企业物流管理的益处。

自动化立体仓库是自动控制技术、仓库管理技术、机电技术为一体的综合系统，科技含量高，具有一定的复杂性。

堆垛机（或称巷道车）是自动化立体仓库的主要存取设备，直接执行出、入库等任务的操作，因此其控制系统的灵活性、稳定性直接彰响着整个系统的运行状况。

目前，各厂家生产制造的立体库基本上都采用plc作为堆垛机控制系统的核心控制单元，只是采用的品牌、型号有所差异。

本文简要介绍仓库系统的总体构成及堆垛机的主要功能，并深入探讨plc在自动化立体仓库控制系统中的具体应用。

1.3PLC简介

PLC，即可编程逻辑控制器，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置。

它具有可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。

据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。

20世纪70年代初出现了微处理器。

人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。

此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。

20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。

第2章

系统总体设计

模型部件分布简介

分拣入库模型概述：

此模型前半部分为分拣过程，由料仓存储等待分拣的货物，并依次弹送到传送带上。

货物在传送带上分别会经过电感式传感器与电容式传感器来区分货物的种类，由于货物的不同根据程序进行不同的处理。

最后抵达传送带末端。

此模型的后半部分为入库过程。

根据传感器的分辨，按照程序将货物放到相应的位置，对于存放好的货物可以通过按键进行仓位的交换。

具体传感器与器件位置分布如下图2.1与2.2所示：

筛选出去的货物存储区

图2.1分拣模型

图2.2入库模型

系统设计的总体方案

本次设计主要是综合应用所学知识，以ControlNet网络控制为基础，设计货物分拣入库系统，通过不同位置的传感器检测有无物体和识别不同质地的物体，并根据检测量的不同动作，实现对不同货物的分拣，在硬件上组态输入、输出、主控制器模块，在软件上编写梯形图程序，实现模拟的基于ControlNe网络的货物分拣入库系统。

系统总体方框图如下：

图2.3系统总体框图

本设计不仅可以完成其基本运行任务，通过对传感器的合理利用与组合使用，还可以实现其他运行工作模式。

从而可以满足更多的用户需求。

具体方案可分为以下几种：

第一种：

基本模式。

利用两个辨别质地的传感器将除白色塑料质地以外的货物全部弹出，仅留下白色货物，并且按照1-2-3-4的顺序存放到仓库中。

第二种：

中间模式。

利用辨别质地的传感器将银色铁质货物弹出，区分出黑色和白色货物，并将不同颜色的货物存放在不同的区域中。

或者将黑色铝质货物弹出，区分出银色和白色货物，并将不同颜色的货物存放在不同的区域中。

第三种：

特殊模式。

利用辨别质地的传感器，区分出三种不同的质地的货物后置位相应的标志位，并根据不同的标志位将物体放在不同的仓位中。

本设计为了提高使用的灵活度，还特别设计了仓位对调模式，根据键盘电路的输入指示，将不同仓位中的货物进行对调。

本设计使用的模型是模仿真实工业生产系统，简化设计的。

与真实工业功能相仿，因此本研究成果进过调整改进后可以直接应用于实际生产应用之中。

本设计的重点主要体现在理念的创新，利用自动化完成以前耗费人力的分拣工作；

应用的灵活，通过同样的设备，同样的控制器，借助编程时的多样化，可以完成多种不同的工作模式，这样便大大的提高了设备的灵活性；

设备的稳定，由于选用的是罗克韦尔PLC，所以在设备的稳定性上有明显的优势。

第3章系统硬件介绍

Netlinx网络架构

NetLinx是罗克韦尔自动化利用开放式网络技术制定的从顶层到车间层的无缝集成策略，其主要思想是将网络系统与设备有机地结合在一起，用以监控生产，将信息流扩展至整个生产过程，以及利用企业的其他信息，将工厂各个车间连接成网络，实现过程控制数据与信息方便可靠地在PLC（可编程控制器）、HMI（人机界面）、变频器、FCS（现场总线控制系统）、DCS（分布式控制系统）之间进行交换传递，从而建成一个透明的、开放式结构体系的自动化系统。

NetLinx基于三级网络层：

信息层、控制层以及设备层。

其系统结构如图3.1所示，各层网络的功能非常明晰。

（1）信息层。

这一层采用符合标准TCP/IP协议的以太网结构，它提供上层计算机系统通过以太网访问车间级的数据，主要为全厂范围控制系统的数据采集、监控、计算管理、统计、设备维护管理、生产流程以及物流跟踪服务，同时可以使计算机访问使用结构化查询语言（SQL）的开放性数据库。

系统管理员可在这层网络上对系统进行监控，对控制器中的程序进行修改，使计算机系统存取生产现场的数据达到实时监控的目标，并对PLC提供支持。

由于采用了TCP/IP协议，可以方便地将工业控制网络接入企业局域网（Intranet），实现控制系统和ERP系统的集成。

（2）控制层。

它在各个PLC之间及其与各种智能化控制设备之间进行控制数据的交换、控制的协调、网上编程和程序维护、远程设备的组态，编程和故障处理，也可以连接各种人机界面产品进行监控。

这一层上的网络称作控制网，采用CIP（ControlandInformationProtocol）协议和生产者/客户（Producer/Consumer）模式，这种模式允许网络上的所有节点同时从单个的数据源存取相同的数据，并共享数据和信息。

控制网主要完成智能化的高速实时控制和I/O数据网络以及准确的数据传输功能,它满足连接PLC处理器、HMI以及其它智能化设备所需的实时、高信息吞吐量应用的要求。

（3）设备层。

在设备层上采用的设备网，主要把底层的工业设备直接连接到车间控制器上，并对其进行配置和监视。

这种连接无需通过I/O模块，即可用方便而快速的实现与工业现场的大量设备的高速数据的采集，极大地减少了接线。

设备网是一种柔性地、开放性的网络，可与世界上150家以上的厂商提供的产品兼容。

NetLinx与其它工业控制网络相比，具有突出的优点。

它采用由Net（网络）和Linx（开放式接口）组成的结构，能更有效地实现系统组态、数据采集和控制。

其中Net是基于生产者/消费者的通信模型，定义了一系列超级服务协议；

它支持多播式、事件触发、周期性触发等发送机制；

它完全独立于网络介质，可在不同网络介质中组态。

控制层/设备层利用现场总线技术把现场设备的信息作为整个企业信息网的基础，提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性，方便了用户对系统的组态、管理和维护。

这种开放的现场总线网络，集成了多种网络服务，采用通用的网络协议和开放的软件接口，保证了无缝的信息和控制数据流传输。

图3.1NetLinx架构的三层网络模式

本系统采用的是罗克韦尔公司的CompactLogixPLC，使用罗克韦尔三大总线中的ControlNet作为现场总线。

其网络架构图如下：

图中上位机通过Ethernet/IP网络与PLC-L43通信，在通过ControlNet网络实现上位机与PLC-L32C之间的通信，可以进行程序下载与运行监控。

I/O模块与实际模型中的传感器、控制器、电机、键盘等，相连接，实现PLC对工业模型的控制。

I/O模块与CPU之间的通信是通过虚拟背板进行的。

图3.2网络架构图

PLC选型

本模型为罗克韦尔工控网实验室中的模型，所以控制器从罗克韦尔的PLC中选择，不考虑其他厂家。

第一，从PLC的适用场合比较。

CompactLogix系统主要用于为小型和中型应用提供Logix解决方案。

ControlLogix系统主要用于大型系统的应用。

本系统为分拣入库系统，在实际工业中规模并不固定，可能会很大，需要用ControlLogixPLC来控制。

但是现在使用的是模型，总共I/O点数不过50个点，在工业中属于极小系统，所以选用CompactLogix系类PLC。

第二，从PLC的价格方面考虑。

CompactLogix的价格低于ControlLogix，价格较低的原因在于控制器的硬件资源多少不同，质量并无差别。

因此从经济角度看来，在同样可以满足系统要求的情况下，推荐使用CompactLogix系列的PLC。

鉴于本系统的控制要求两个系类的PLC多可以满足要求，所以选用CompactLogix系类PLC。

综上所述，本系统的控制器选择L32C型号控制器。

该控制器具有750KB的可用用户存储器；

拥有一个ControlNet端口；

拥有一个RS-232串行通讯端口；

可以扩展16个1769模块。

I/O模块选择

现场总线组件与工业现场中通常遇到的各种现场信号相匹配，分为模拟和数字二种信号类型。

本系统中全部为点控制，所以都是数字量。

根据系统的要求和特点，采用两个数字量输入模块1769-IQ16A，一个数字量输出模块1769-OB16，各个模块外观如图3.3所示。

DIDO

图3.3模块外观图

数字量输入输出模块特点如下：

（1）RIUP

（2）Producer/Consumer通讯-无需轮询，智能的数据交换

（3）模板级故障报告和现场侧诊断检测

（4）与处理器同一框架的模板，基于系统时钟，数据的时间粘贴

（5）基于时间粘贴输入,预定输出（16秒内）

（6）全部用软件组态，包括禁止/允许模板动作

（7）电子键

（8）认证:

ClassI/Division2,UL,CSA,CE,FM

可编程逻辑控制器与数字量输入/输出模块的连接如图3.4所示

图3.4控制器与I/O模块连接图

模型介绍

自动分拣传送仓储系统是以材料分拣装置、机械手模型和自动立体仓库模型为基本单元,增加了连接部件和PC-LINK网络技术,使之成为了一套模拟实际工业生产中连续复杂过程的装置。

图3.5自动分拣传送仓储系统

该系统具有以下特点：

1.系统各单元可独立、可组合，灵活选用。

2.可选择台式或架式结构，能适应大多数实验室条件。

3.采用了先进的PC-LING网络技术。

4.增加少量投资，即可获得大系统的效果。

材料分拣装置使用说明

材料分拣装置是一个模拟自动化工业生产过程的微缩模型，它使用了皮带输送、传感器、位置控制、气动控制、电气传动等技术，可以实现不同材料的自动分拣和归类功能，可以做为传感器的应用装置。

该装置采用架式结构，配有传感器（光电式、电感式、电容式、磁开关）、气缸、电磁阀、电动机、输送带、直流电源等，配合PLC、单片机等控制器既可构成典型的机电一体化模拟仿真装置。

主要技术参数

1．电源：

AC220V±

10%（带保护地三芯插座）。

2．内部电源：

DC24V2A。

3．气源：

〈0.8Mpa洁净压缩空气。

4．分拣内容：

不同金属料块。

建议分拣材料为：

铁、铝。

5．外形尺寸：

500X560X1060

组成及原理

材料分拣装置的结构如图3.6所示

图3.6材料分拣装置结构示意图

1-料仓；

2-料仓传感器；

3-电感式传感器；

4-电容式传感器；

5-料仓料块推出气缸；

6-分选推出气缸；

7-输送带；

8-减压阀；

9-储料滑道；

10-电源开关；

11-直流电源；

12-直流电机；

13-继电器；

14-传感器信号端子；

15-执行器信号端子；

16-电磁阀。

材料分拣装置由料块仓库、电动输送带、自动分拣部件、信号端子等组成。

料块仓库是一个手工入库自动出库的部件。

使用时由人工将料块放入仓库中，当光电传感器感测到料块时系统开始运行，即启动输送带并由出库推杆将库内最底层料块推入输送带。

电动输送带是由直流减速电机驱动的皮带式水平输送装置。

它将料块匀速平稳的送至自动分拣部件。

自动分拣部件由传感器、气动推杆及分类储存滑道组成。

当传感器检测到相应料块时，对应的气动推杆将其推入应去的储存滑道；

当料块的材料为非分拣要求时，输送到输送带的末端等候处理。

以上功能是在配备了控制器并编制好控制程序后实现的，控制器接受料仓传感器、各料块传感器、推杆位置传感器的信号，根据要求分别控制输送带电机和驱动各气缸的电磁阀。

信号端子分为传感器信号端子和执行器信号端子两部分，在接入控制器时选择相应的输入和输出模块与之匹配。

机械手模型使用说明书

机械手模型装置是一个模拟工业生产过程中自动化设备周边常见机械手的微缩模型，它使用了气动驱动、传感器、位置控制、电气传动等技术，具有零组件的自动输送、取拿和移送功能，可以做为四维运动控制装置。

该装置采用架式结构，由气动组合机械手、输送带、供电部件、驱动部件和信号端子等组成，并配有电磁阀、传感器、直流电机等，配合PLC、单片机等控制器既可构成典型的机电一体化模拟仿真模型。

主要技术参数：

10%（带保护地三芯插座）

DC24V2A

4．外形尺寸：

500X560X1170

组成及原理：

机械手模型的结构如图3.7所示

装置由气动组合机械手、电磁阀、输送带和信号端子等组成。

气动组合机械手分别由四套运动机构构成：

1．旋转机构

旋转机构是由旋转气缸和传感器组成，旋转机构的旋转角度为0-180度，并可在这个范围内微调；

在两个极限位置分别由磁性开关类型的传感器进行位置检出。

2．水平移动机构

水平移动机构是由双杆直线气缸和传感器组成，水平移动机构的伸缩行程为0-100毫米，在两个极限位置分别由磁性开关类型的传感器进行位置检出。

图3.7机械手模型结构示意图

1-旋转机构；

2-水平移动机构；

3-垂直移动机构；

4-手指机构；

5-电磁阀；

6-减压阀；

8-输送带驱动电机；

9-定位传感器；

12-继电器；

13-传感器信号端子；

14-执行器信号端子。

3．垂直移动机构

垂直移动机构是由双杆直线气缸和传感器组成，垂直移动机构的伸缩行程为0-50毫米，在两个极限位置分别由磁性开关类型的传感器进行位置检出。

4．手指机构

手指机构是由气动Y型机械夹和传感器组成，手指开合角度为0-60度；

在配备了控制器并编制好控制程序后，机械手可以完成物体的抓放、传送等功能。

电磁阀用来对各气缸的动作进行控制切换，以实现用电信号控制气缸的作用。

输送带是由直流减速电机驱动的皮带式水平输送装置。

它将料块匀速平稳的送至所需位置。

自动立体仓库模型使用说明书

自动立体仓库装置是一个模拟自动化生产过程中仓储环节的微缩模型，它使用了线性运动驱动、传感器、位置控制和电气传动等技术，具有货物的自动提取和存放功能，可以做为三维运动控制装置。

该装置采用台式结构，由立体库位框架、巷道式高叉车、操作盘等组成，并配有直线导轨及轴承、同步带传动装置、传感器（光电式、触点式）、直流电机、键盘及电气驱动系统等，配合PLC、单片机等控制器既可构成典型的机电一体化模拟仿真模型。

DC24V2ADC5V1.5A

:

自动立体仓库教学装置的结构如图3.8所示。

图3.8立体仓库结构示意图

1-立体库位框架；

2-巷道式高叉车；

3-水平移动驱动电机；

4-垂直移动驱动电机；

5-货叉进出移动装置；

6-位置设定键盘；

7-电源开关；

8-直流电源；

9-直流电机驱动板；

10-传感器信号端子。

1.立体框架式库位

立体框架式库位采用4+1个位置空间，如图3.9所示。

用于存放货物盘，并设有进出货缓冲区。

图3.9立体框架式库位示意图

2.三维运动巷道式叉车

三维叉车由三套独立的驱动系统构成，水平（X轴）移动系统由直线轴承及导轨支撑，用直流电机加同步带传动完成水平拖动；

垂直（Y轴）移动系统由直线轴承及导轨支撑，用直流电机加链条传动完成垂直拖动