基于PLC的自动化仓库系统研究.docx

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基于PLC的自动化仓库系统研究

本科毕业论文（设计）

题目基于PLC的自动化仓库系统研究

指导教师职称助教

学生姓名学号

专业自动化班级一班

院（系）电子信息工程学院

完成时间2014年3月30日

目录

摘要Ⅱ

英文摘要Ⅲ

第1章绪论4

1.1本课题设计的背景4

第二章设计的综合分析5

2.1设计控制方案的确定5

2.2本课题设计的主要内容6

2.3本课题设计的意义6

第三章系统具体要求和主要硬件介绍7

3.1系统控制要求的分析7

3.2主要硬件简介10

3.2.1PLC工作原理10

3.2.2功能特点12

3.2.3PLC机型的选择14

3.3系统其他主要硬件15

第四章系统硬件设计18

4.1控制系统结构设计18

4.1.1可编程控制器的基本结构19

4.1.2控制功能的选择19

4.2步进电机的选择19

4.2.1步进电机的介绍19

4.2.2步进电机的结构20

4.3微动开关的选择20

4.4电气原理图的设计20

第五章软件设计的介绍22

5.1编程语言的介绍22

5.2编程软件22

5.3梯形图程序的下载24

5.4主程序梯形图见附录A24

致谢25

参考文献26

附录A27

基于PLC的自动化仓库系统研究

摘要

随着科技的进步，世界各国的经济发展的步伐加快，货物的储存与提取的问题日益突出。

传统的仓库占地面积大，而且仓库工作人员劳动强度大，费时费力，货物的存储与提取的难度大。

此时自动化立体仓库应运而生，自动化立体仓库节约了大量的空间，充分利用了立体空间。

机械化的立体仓库提高了效率，节约了人力成本。

自动化立体仓库的出现为世界工业化进程做出了巨大的贡献。

现如今大多数的自动化立体仓库都是用PLC进行控制的，很好地实现了弱电控制强电，进而实现货物的存取的机械化。

本课题的主要电气控制是西门子s7-200,步进电机，直流电动机等组成。

本文先对该课题简单介绍，再分析国内外的研究背景及意义，然后对自动化立体仓库具体细节进行介绍，最后对阐述工作原理，编写程序并调试，最后写总结。

关键词自动化仓库/西门子/S7-200/PLC

ResearchofautomaticwarehousesystembasedonPLC

ABSTRACT

Withthedevelopmentofscienceandtechnologyinthedevelopmentoftheworldeconomytospeedupthepaceofgoodsstorageandretrievalhasbecomeincreasinglyprominentinthetraditionofthecoveredareaoflargewarehouse,warehousestafflaborintensity,laborandtime,storagegoodsandtheirextractionitisdifficulttorapideconomicandtradedevelopmentgreatlylimitsofautomaticstereoscopicwarehouseoftheautomatedwarehouseandtime,andsavealotofspacetoimprovetheefficiencyofautomatedwarehousetomakefulluseofthree-dimensionalspace,thePLCcontrol.Currentportionoftheautomatedwarehouseandsavelaborcost,inordertoachievestrongandweakcontrol,therealizationoftheautomatedwarehouseaccessmachineofournationaleconomy,playsanimportantroleintheeconomicdevelopmentofChinaisamajorcontributionthisproject'smainelectricalSiemensS7-200control,steppingmotorTheDCmotorisinthebackgroundandsignificanceofthestudyofthisarticlefirstintroducedthetopic,explainstheoperationprinciple,programminganddebugging,pleasewriteasummary

KEYWORDSAutomatedwarehouse,Siemens,S7-200,PLC

第1章绪论

1.1本课题设计的背景

自动化立体仓库，是一个新概念物流和仓储的新兴。

货架是钢或钢筋混凝土结构的建筑物或构筑物，货架是一个标准大小的存储空间，巷道堆垛起重机通过之间的巷道，书架上全部的存取，挑选工作。

自动化立体仓库的出现是二战之后。

随着世界工业进程的步伐的加快，旧时代的大仓库不能满足快速发展的物流需要，甚至阻碍了近代物流的发展。

于是人们开始对新型仓库研究的探索。

最早出现的自动化仓库是半自动的，是由工人师傅操作堆垛机进行货物的存取。

之后才出现全自动化的立体仓库。

1963美国开创了计算机技术完成对立体仓库的控制使用。

德国马上引进该技术并发展起来，日本也紧跟其后。

自那时以来，仓库已在美国、欧洲得到了迅速的发展，并形成了专门的学科。

我国对自动化立体化仓库的钻研亦然紧跟其他国家。

并且在之后的年代里，我国对自动化仓库的研究也取得了巨大的成就。

例如我国沿海地区已有几百座自动化立体仓库了。

自动化立体仓库的应用领域很广。

主要行业有：

医药，汽车制造，机械制造，电子制造，烟草制造业。

1993广州羊城制药厂建立了第一个国内药品生产系统此后，全国各大医药公司纷纷加入自动化立体仓库应用的行列。

物流领域有：

烟草配送，医药配送，机场货运，地铁。

商品制造领域有：

服装，酒，牛奶，化工,印刷出版图书等。

如图1-1，就是大型的自动化立体仓库的具体例子。

图1-1自动化立体仓库

第二章设计的综合分析

2.1设计控制方案的确定

方案一：

以单片机为控制中心的控制单元。

也就是基于单片机控制的自动化立体仓库。

它的优点就是单片机的价格很便宜，成本会降低很多。

但是缺点也有很多，最主要的就是程序比较复杂，需要专业人员的编写。

还有就是单片机的输入输出点不是很多，而且驱动能力也很有限的，需要另外添加驱动装置。

另外单片机的输入输出点很少，不能应用于复杂的控制系统中，而且扩展后的单片机程序相当复杂。

方案二：

基于PLC的控制中心的控制系统。

它与单片机控制单元的比较就显现出很大的优势，最重要的一点就是PLC的编程很简单，不需要专业的工作人员编写。

梯形图程序很容易上手，不需要很深的编程基础。

众所周知，单片机的编程可以使用汇编和C语言，都不容易被人们所掌握。

在控制能力上也有很大的优势，PLC输出的信号直接可以驱动一些单元，不比附加驱动装置的。

同样的控制系统，选用PLC具有很高的性价比。

PLC内部输入和输出之间才用了有效的电隔离，采用的光耦合的抗干扰措施，所以说可编程控制器抗干扰的能力非常高；另外对于不同的控制系统，有相应的模块可以选择，具有很强适用性，所以应用很广泛的。

使用也方便而且比较灵活：

对于不同的控制系统，可以做出不同的调整。

系统结构的硬件虽然选定以后，但是如果需要对输入输出作出小小的变更的时候，只需要相应的修正程序就可以了。

无需对系统的连接进行大幅度减少或改正。

而且生产现场的工作调试，也灵活使用方便。

大大地节约了维修调整所花的时间，创造了巨大的价值。

综合两个方案的比较以及成本的高低，还有性价比的高低，最后根据学校实验室的条件，选择了基于PLC控制的自动化立体仓库。

2.2本课题设计的主要内容

S7-200型PLC性价比还是挺高的，而且开发的周期比较短，综合考虑所以就选择了S7-200型PLC作为控制中心，进行输入输出端口信号的采集，然后进行采集后数据的逻辑运算，最终通过输出端口输出来完成对步进电机运动控制的实现。

本设计还能要能够实现手动和自动两种不同的工作模式，通过按键可以对设备进行操作。

PLC输出的动作都是有对应的LED表示，分别代表前进、后退、上升、下降、取货、送货，还可以显示仓库号等等。

当小车上有货物的时候，被要求执行取货，或者当仓库里有货物的时候让小车执行送货的指令的时候，对应的表示错误的LED就会亮起。

2.3本课题设计的意义

本课题的研究再现了基于PLC的自动化立体仓库存取货物的全过程。

通过对本课题的研究加深对自动化立体仓库操作的理念。

本课题所设计的自动化立体仓库采用了先进的企业管理。

先进企业管理的使用优化了物流系统。

做到每种货物在仓库已存放的时间，能够做到降低库存货物腐败的量。

减少了不必要的经济损失。

减小了货物的存取时间。

降低了工人劳动强度。

节省了人力成本。

提高了生产效率。

降低了库存资金积累。

利用自动化立体栈房还可以带来很大的社会经济效果。

在现代社会各个角落，尤其是发达地区，更是寸土寸金。

新型自动化立体仓库它运用了高层货架的存放。

使存储区间大大地向上发展，极大地提高了空间的利用率；自动化立体仓库利用层积式的寄存，连接计算机系统，很容易完成先入先出，以防货物的自然老化、败坏；采用自动化技术后，还可以很好地满足光线差、低温度、高污染、有剧毒和易燃易爆等一些特殊场合的物品存储的要求；由于计算机控制已能准确存储各种信息的计算，大大减少了信息处理过程中的错误；并借助计算机的存储容量可以有效地发挥最大的作用，便于检查和合理降低库存，减短资金的运行周期，增加流动性，并提高仓库管理水平。

由于自动化立体仓库的使用，形成了比较科学的企业管理，很大程度地减少大量的浪费，很好地保证生产的均衡。

第三章系统具体要求和主要硬件介绍

3.1系统控制要求的分析

本系统的传动结构主要运用丝杠滚珠和滑杠。

而电机则选取直流电机和步进电机。

最关键的部分就是堆垛机，它可以是水平运动，垂直运动和叉取。

其水平运动和垂直运动用两台步进电机带动滚珠丝杠实现，伸叉实现则是由一台直流电机控制的。

它分为上层和下层，上层是货台，可以向前向后伸缩，下层有丝杠等传动的机构。

当0位置时，平台移动到指定的货架堆垛机货叉机构，电机驱动平台可以放进或取出的货物时，取货物时，或采取了货叉向后退缩。

自动化立体仓库是一种集电气和机械，电子和电气控制相结合的新产品。

它主要包括货物的存储，访问，传输，控制和管理系统。

货物搁架由货物仓储，货物的访问，访问的功能的产品的储存和传送系统假定存储，货物存取和传送系统包括一个小车或轨堆垛机，存储输送，装卸机械。

为了保证小车不会超出运动轨迹的界限，还要在每个方向设置限位的开关.

（1）仓库的设计必须满足以下功能：

1.垛机能够向上、向下、向左、向右；

2.堆垛机的运动由步进电机驱动；

3.堆垛机向前、向后和向上、向下移动时必须有限位的保护；

4.每个位置都必须有一个检测装置（开关）检测信号；

5.根据位置数，而不是按或从顶部，可以按下取消按钮，取消此操作。

6.为了防止事故的发生，整个电气系统必须有紧急停止按钮，

图3-1立体仓库模型图a

图3-1立体仓库模型框图b

因此本设计的具体的控制功能应如下：

1.仓库的坐标最初位置要从零开始的。

通电状态下，在自动位置选择开关，此时各机构都复位。

2.如果在指定的位置有货物时，然后交付的指令将不会执行。

交货完成后，返回到原来的位置。

3.当取货时候，把要取货物的位置选择，然后按下运行控制面板上的按钮，数码管显示，堆垛机就可以自动选取商品。

如果小车上有货物的，然后以命令将不会执行，错误显示。

4.当需要提取货物时，只需在操作台上按下对应仓库号，小车就会通过电动机的牵引到达指定的位置，伸出叉车将货物抬起再收回，这样就完成了相应的取货动作。

如果小车上此时有货物时，指令将不会被执行，错误指示的LED就会亮起。

提取货物的指令后，自动返回到最初的机构平台位置。

实验室实物连接示意图图3-2.

图3-2硬件连接示意图

3.2主要硬件简介

3.2.1PLC工作原理

可编程逻辑控制器实物如图所示

图3-3西门子s7-200

PLC的内部结构如下图3-4所示

图3-4PLC的内部结构

可编程逻辑控制器运行以后，工作的过程一般分为六个阶段，如图3-5

图3-5PLC扫描周期

一般的过程有，共同处理过程，通信服务过程，服务的过程，外部输入信号刷新过程，程序执行和输出刷新六个阶段。

一个扫描周期包括这六个阶段。

整个操作过程中，可编程逻辑控制器一定的重复上述六个阶段，CPU不停地扫描着。

（1）共同处理过程

在启动处理过程通过以后，要进行共同处理过程。

共同处理的主要任务是检查复位看门狗定时器，I/O总线是否正常，检查扫描周期太长和检查程序，是否有异常，如有异常，根据错误情况的警告，输出或者停止PLC的运行。

该过程所占的时间为t1

（2）通信服务过程

当PLC与计算机通信网络组成的分散体系，需要在过程中有通信服务的。

可以选择一个计算机和PLC作为一个主机，其他的机器可以作为被控制的机器。

通信方式可以选择主从通信和自由通信两种，具体的通信方式可以根据具体的情况而定。

（3）外设服务过程

当需要时可以连接。

比如像打印机一类的设备。

（4）输入信号刷新服务过程

输入信号为更新过程，输入过程。

输入过程将PLC的输入映像寄存器的输入端读取开关状态。

当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。

一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

一个信号输入的时间不合适将不会被读取，信号输入保持时间一般要约等于一个扫描周期。

太短的话不会被读入。

（5）程序执行过程

执行用户程序的过程，这个过程开始于输入映像的输入信息，并根据用户程序再进行操作，和控制信息的输出映像输出。

执行指令的用户程序存储器的过程，从图像寄存器的输入映像寄存器和其他组件的阅读的开关状态，第零步程序从开始运行秩序，每次结果都写入对应的映像寄存器。

（6）输出信号刷新过程

输出信号刷新过程为信号处理过程。

在输出设备的外部输出触点PLC行为具有响应时间，推迟行动。

3.2.2功能特点

（1）使用方便编程简单

简单和易于使用的梯形图逻辑图，语句表编程方法，没必要有计算机专业知识的需要。

工作人员只需很短的时间就能掌握。

因此，梯形图程序开发周期短，生产现场调试方便。

而且还可以在线修改程序。

最重要的是，如果需要改变控制方案时却无需拆卸硬件设备。

（2）功能比较强性能价格高

PLC有很多用户可以调用的编程元素。

用户可以根据生产要求选择相应的编程元素。

这样就可以实现复杂的控制功能。

硬件的配套设施齐全，适应性比较强。

PLC有丰富的扩展模块，比如模拟量的输入输出模块，满足了模拟量对数字量的转换。

由于不同规模、不同功能的系统，用户可以灵活方便的调整系统配置。

PLC内部使用的是DC24v电源，输出具有较强的驱动能力，它直接可以驱动小型交流电机和普通电磁阀。

（3）抗干扰能力强可靠性高

由于采取了滤波法和隔离法等抗干扰的措施，所以PLC的抗干扰能力很强。

能在不同的场合下正常工作，比如高粉尘，高污染，强磁场的的生产条件。

（4）系统的设计安装和调试等工作量少

PLC部件的高度集成化，安装起来很方便。

只需连接对应的接线就可以了，无需麻烦的电路焊接。

计算机和PLC的连接只需要一根电缆。

当安装完毕后就可以开始进行梯形图的编写，编写之后就可以通过计算机下载到PLC存储器。

PLC的程序用户还可以在实验中进行模拟调试。

程序运行后用户可以选择调试状态，可以通过梯形图程序节点处状态变化来观察程序的运行情况。

蓝色的状态代表正在运行，白色的状态代表停止状态。

一直是停止状态的就很大可能是错误。

用一个小的切换到模拟输入信号。

通过PLC所连接的LED就可以观察输出信号状态的变化。

完成了系统的安装和布线之后，在解决修改程序时，可以通过在调整的过程中发现问题，系统的调试时间比传统继电器系统也要少得多。

（5）维修工作量小，维修方便

PLC是利用软件代替了继电器系统的开关。

众所周知传统的开关的闭合不仅产生能耗，而且还会有电火花的出现，这都缩短了继电器系统的寿命。

PLC利用软件同样达到控制的目的而且不会产生这些问题。

这都大大降低了控制系统的出问题出现的几率。

而且传统的继电器系统由于接触不良的问题，很容易出现各种各样的故障。

当PLC控制系统出现问题时，用户可以根据PLC两侧LED亮灭的情况进行判断故障。

而传统的继电器系统故障的检测很麻烦。

3.2.3PLC机型的选择

PLC的构成分为模块型和整体机两个风格。

它的特点是结构紧凑，体积比较小。

由于它还具有强大的通信功能，在大型控制网络系统中也能充分发挥巨大的作用。

可以通过主从通信和自由通信方式组建强大的控制网络。

根据控制要求，确定输入设备和控制设备的清单，统计准确的被控设备需求量的点数，然后再根据实际统计的I/O点再留出15%~20%作为预备，为以后的调整扩展。

在确定I/O点数，但也要注意其性能、参数和类型。

（一）PLC的类型

选择s7--200,该机型性价比高几乎都能满足要求的。

（二）输入输出模块的选择

同样由于输出都是由LED表示的，也不必选择复杂的输出模块。

由于都是数字量，所以不必A/D和D/A装换模块的。

（三）电源的选择

PLC主机所用的电源是24V的直流电源。

而实际所用电机和堆垛机所用的电源就是220v的交流电。

这样的结构具有很高的抗干扰能力。

在这个仓库控制系统的PLC和步进电机驱动器。

考虑到所有的要求，综合考虑系统的DC24V电源、电力消耗、系统工作的可靠性和系统的设计规律，我们选择了并联式开关电源

（四）存储器的选择

设计阶段时用户可以多考虑一点，以便以后的调试时候可以增加输入输出。

（5）输入输出点的分配

由于输出点有限，本设计中没有显示2号仓库的对应点。

如下表所示I/O分配

I0.0

启动

I1.4

后退限制

I0.1

手动/自动

I1.5

向上限制

I0.2

取出

Q0.0

前进

I0.3

送进

Q0.1

后退

I0.4

取消

Q0.2

向上

I0.5

急停

Q0.3

向下

I0.6

1号仓库键

Q0.4

送

I0.7

2号仓库键

Q0.5

取

I1.0

检验0号仓库键

Q0.6

显示送

I1.1

检验1号仓库键

Q0.7

显示取

I1.2

检验2号仓库键

Q1.0

显示错误

I1.3

前进限制

Q1.1

显示1号仓库

3.3系统其他主要硬件

本系统设计的主要部分

（1）传感器

随着信息处理技术的快速发展，计算机技术和微处理器也取得了长足的进步，这都需要传感器在相应方面的发展取得进步。

如今在测控系统中微处理器已经得到了广泛的应用。

传感器的应用已成为机器人和自动化控制系统的一个重要组成部分。

它单独作为一个结构体系，并形成了相应的学科，其重要性显得越来越大。

在仓库中使用欧姆龙ee-spy402槽式货物检测，反射型连接器型传感器，它是欧姆龙公司的产品，可用于反在外光的干涉光音；调光型，光型比直流，由外部光的干扰不易受影响；调整方便，动作进入光的显示灯的确认；反射传感器的实时图和输出电路如图3-6所示。

图3-6反射式传感器的时间图和输出回路

输出电平和低水平或接近水平高需要注意的检测距离不可太接近传感器，传感器不能移动是固定在仓库的货架里；这种传感器的电气数据如下：

（2）堆垛机

它是由框架，水平移动机构，升降机构，叉车和电动控制系统。

图3-7堆垛机结构

（3）输送系统

合理输选择各种运送机的类型。

传动装置都是有直流电机和步进电机牵引的。

（4）其它辅助的设备

一般包含：

叉车、终端手持、平衡吊等等。

第四章系统硬件设计

4.1控制系统结构设计

控制系统结构图如下图

图4-1PLC控制系统结构图

4.1.1可编程控制器的基本结构

（1）输入/输出模块在PLC之中，CPU主要是通过输入/输出端口与外界相连接的。

（2）微处理CPU是PLC的核心部件。

（3）电源部件中央处理器单元包括系统程序存储器、微处理器和用户程序存储器。

电源单元装置将交流电转换为直流电源，提供了高质量的电源。

4.1.2控制功能的选择

根据自动控制需要的设计，主要介绍了下列功能的选择。

（1）控制功能

PLC主要是顺序逻辑控制。

常常采用单电路和多回路的控制器解决模拟量的控制。

（2）编程功能

编程完成以后，程序员切将模式换到运行模式下，此时CPU控制生产现场的设备，并且程序员不能再对PLC编程。

在线编程：

主机CPU担当现场控制，工作人员可以在线进行编程或者修改程序。

离线编程：

编程工作人员使用计算机编程软件进行梯形图的编写，然后下载到PLC存储器中。

（3）诊断功能

根据PLC的工作原理再结合输出状态的变化判断故障的出处。

4.2步进电机的选择

4.2.1步进电机的介绍

步进电机将对发动机输入的电脉冲信号转变转速的一角，它的运动方式就是一步。

之所以这被称为步进电机因为它是如此的运动，故也被称为脉冲电流的脉冲电动机。

步进电机的驱动信号不需要进行控制信号的转换。

直接可以把数字脉冲信号转换成线位移或角位移。

故它非常适合作为数字控制系统的伺服单元。

另外在其能承受的负荷范围内，这些关系与电压高低、负载大小、环境等外部环境的各种干扰因素无关的。

由于步进电机每走一周都有一个不变的步数。

不需要机械制动装置的添加，就可以代表一个封闭的控制系统。

现代科学技术的发展，都给步进电动机的应用开辟了广阔的远景。

如数控机，拉丝机，自动记录仪表，远程控制装置和空气系统等，都使用了大量的步进电机。

4.2.2步进电机的结构.其内部结构如下图4-2

图4-2步进电机内部绕组结构

有三套控制定子绕组，每组两个系列的集中控制绕组分别绕在两个磁极径向相对。

这种方式结构简单制造容易，精度确保角能够做的最小，易于实现启动和运行频率高。

4.3微动开关的选择

这个仓库控制系统的3个仓库（二层再加一个0号的仓库的位置），分别采用三只微动开关进行货物的检测，当相应的开关检测到货物时，错误时仓库不会被损坏。

如图4-3

图4-3微动开关

4.4电气原理图的设计

图4-4电气原理图的设计

第五章软件设计的介绍

5.1编程语言的介绍

面向图形的语言有LAD和FBD。

通过连接每个联系人创建一个串联或并联结构的小伙子的控制方案，并在FBD是通过和，或块互连在一起。

梯形图由于其更直观和易于接受的普通程序员