基于PLC的立体仓库堆垛机控制系统设计[83页].docx

最新资料推荐自动化专业毕业设计任务书 一一一一、设计题目设计题目设计题目设计题目：基于基于基于基于PLC的立体仓库堆垛机控制系统设计的立体仓库堆垛机控制系统设计的立体仓库堆垛机控制系统设计的立体仓库堆垛机控制系统设计二、毕业设计的目的毕业设计的目的毕业设计的目的毕业设计的目的 1设计一个立体仓库堆垛机控制系统； 2水平移动、垂直移动及伸叉机机构分别由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、主要设计内容主要设计内容主要设计内容主要设计内容 1变频调速系统设计；2货叉伸缩控制；3PLC控制程序编写与调试；四、重点研究问题重点研究问题重点研究问题重点研究问题 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主要技术指标或主要设计参数主要技术指标或主要设计参数主要技术指标或主要设计参数 堆垛机运行的速度范围：水平方向：2mmin-360mmin；垂直方向：2mmin-80mmin；货叉： 2mmin-60mmin 六、设计成果要求设计成果要求设计成果要求设计成果要求 1毕业设计论文要求字数为1000015000字，论文格式参照华北水利水电学院关于本科毕业设计论文格式要求；2系统电气原理图，要求用0#图纸（按国标要求绘制）；3各部分环节的工作原理及调试故障分析及排除方法；4毕业设计论文内插图必须用电脑制作；I华北水利水电学院毕业设计说明书I 基于基于基于基于PLC的立体仓库堆垛机控制系统设计的立体仓库堆垛机控制系统设计的立体仓库堆垛机控制系统设计的立体仓库堆垛机控制系统设计 摘摘摘摘 要要要要 在现代的物流仓储系统中，自动化立体仓库应用日益广泛。而堆垛机是立体仓库的关键组成部分，堆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堆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及其功能和作用，结合现代科技的发展，着重研究自动化立体仓库堆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，以及整个系统的硬件实现和软件设计。论文依据立体仓库的有关设计参数，对堆垛机电气控制的硬件系统进行了设计，为了提高堆垛机的性能，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S7-226PLC及其扩展模块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设计了堆垛机控制程序。关键词关键词关键词关键词 自动化立体仓库，堆垛机， PLCII华北水利水电学院毕业设计说明书II Abstract In modern logistics warehousing systems, automated storage is increasinglywidespread. Hay stackers are the key equipments, Performance of the stacker playsan important role. Design and Development of a higher degree of automationStacker Control System become Warehouse trend of development, Thereforerelated research has important theory and application value. This paper introducesapplication and performance of automated High-rise Warehouse basing onapplication and development requirement of modern logistics techniques. And putsemphasis on the researching of control techniques in automated High-riseWarehouse stacker combining modern science and techniques. This paperelaborated on the design of the system of control, as well as the implementation ofthe system's hardware and the design of the software.Based on the parameter related to the automated storage, this paper presentedthe hardware system of stacker electrical control. Speed of the stacker was thebasic. In order to improve the performance of the stacker, the system adopts thespeed, position, double feedback control. The horizontal recognize addresses ofsystem using laser rangefinder sensor positioning, and vertical recognition usingphotoelectric switches and address piece combination addressing. Speed-adjustedsystem by S7-226PLC and its extension module EM235 through transducerMM440 control ac motor. Goods fork system is by S7-226PLC binary systemthrough stepping motor driver SH - 20403 control two-phase hybrid steppingmotor. According to the requirements of the control system, this paper completedthe selection of PLC，frequency converter, the motor and its controller. Andpresents the system hardware hookup. Then use the software of Siemens step7designs the stacker control procedures.Key Words: Automated Storage and Retrieval System， Stacker， PLC1华北水利水电学院毕业设计说明书目目目目 录录录录 摘 要 . I Abstract . II 第一章 绪论 . 11.1 自动化立体仓库的概述 . 11.1.1 自动化立体仓库的组成 . 11.1.2 自动化立体仓库的优点 . 21.1.3 自动化立体仓库的发展 . 21.2 堆垛机概述 . 31.2.1 堆垛机的发展 . 31.2.2 堆垛机技术的研究现状 . 31.3 本文研究的主要内容 . 4 第二章堆垛机控制系统的硬件设计 . 52.1 控制技术要求和系统总体设计 . 52.2 堆垛机位置控制 . 72.2.1 定位控制 . 72.2.2 认址检测方式 . 82.2.3 认址方式确认 . 92.2.4 堆垛机速度曲线分析 . 102.3 PLC及资源配置 .112.3.1 S7-200系列PLC概述 .112.3.2 CPU型号选择 . 122.3.3 PLC模块选型 . 132.4 堆垛机变频调速系统设计 . 142.4.1 变频器的选型 . 142.4.2 水平方向变频调速系统设计 . 152.4.3 垂直方向变频调速系统设计 . 172.5 堆垛机货叉控制系统设计 . 19 2华北水利水电学院毕业设计说明书2.6安全检测传感器的应用 . 202.7 元器件的选型 . 212.8 通信方案的确定 . 222.9 输入输出点分配 . 232.10 本章小节 . 24 第三章堆垛机控制程序设计 . 253.1 堆垛机自检和复位/归位程序 . 273.1.1 堆垛机自检程序 . 273.1.2 堆垛机复位/归位程序 . 283.2 自动方式下的堆垛机运行控制 . 293.2.1 列向运行PLC程序实现 . 293.2.2 行向运行PLC程序实现 . 313.2.3 货叉伸缩控制PLC程序实现 . 323.3 手动方式下的堆垛机运行控制 . 343.4 本章小节 . 35 总结. 36 参考文献 . 37 致 谢 . 38 附录一 外文翻译 . 39附录二 堆垛机入库作业流程图 . 481华北水利水电学院毕业设计说明书第1页 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 1.1 自动化立体仓库的概述自动化立体仓库的概述自动化立体仓库的概述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（Automated Storage &Retrieval System，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自动化立体仓库的组成自动化立体仓库的组成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，以及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、控制及管理设施。（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。货架在物流及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堆垛机的插取和存放。（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堆垛机，其主要用途是在高层货架的巷道内来回穿梭运行，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、各种流动小车及AGV等，短距离的传送还可以采用机器人。2华北水利水电学院毕业设计说明书第2页 （3）控制及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堆垛机、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、打印及显示、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，他沟通并协调管理计算机、堆垛机、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自动化立体自动化立体自动化立体自动化立体仓库的优点仓库的优点仓库的优点仓库的优点 事实证明采用自动化立体仓库能够产生巨大的经济效益和社会效益，主要表现在以下几个方面：（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自动化立体仓库的发展自动化立体仓库的发展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。在生产发张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堆垛机起重机，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年以后巷道式堆垛机逐渐代替了桥式堆垛机，此后堆垛机的使用范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、集成化仓储阶段和智能化阶段。其中智能自动化仓储在九十年代后期以及二十一世纪的若干年内，是仓储自动化技术的主要发展方向。 3华北水利水电学院毕业设计说明书第3页 我国对自动化立体仓库及其物料搬运设备的研制并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机(机械部北京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堆垛机概述堆垛机概述堆垛机概述堆垛机概述 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。 1.2.1堆垛机的发展堆垛机的发展堆垛机的发展堆垛机的发展 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1015米的高层堆垛机，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。 1.2.2堆垛机技术的研究现状堆垛机技术的研究现状堆垛机技术的研究现状堆垛机技术的研究现状 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。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550m/min提升至4160m/min，国外小载重量的堆垛机最高可达300m/min；4华北水利水电学院毕业设计说明书第4页 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416m/min提升至025m/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435m/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080m/min；货叉速度一直保持在030m/min；认址采用光电探测，精度不足，认址差错率高。 1.3本文研究的主要内容本文研究的主要内容本文研究的主要内容本文研究的主要内容 课题的研究目标是设计安全可靠，具有经济性能和操作性能良好的堆垛机控制系统。主要内容如下：(1) 介绍自动化立体仓库和堆垛机的一般概念和基本组，以及国内外立体仓库和堆垛机的发展现状，简单介绍了立体仓库的发展方向。(2) 对堆垛机在水平方向和垂直方向运行进行速度控制，根据运行的目的地址和当前地址之间的比较，选择合适的变频器，对电机的运行速度进行控制。并在应用新的定位方式的基础上，对变频调速系统进行位置速度双闭环控制，并解决新方案中的硬件设置问题。由PLC输出高速脉冲和货叉方向改变信号控制步进电动机左伸和右伸，以及货叉的伸缩速度。(3) 设计了堆垛机运行系统的控制程序，包括堆垛机各种工作方式下的控制程序。 5华北水利水电学院毕业设计说明书第5页 第二章第二章第二章第二章 堆垛机控制系统的硬件设计堆垛机控制系统的硬件设计堆垛机控制系统的硬件设计堆垛机控制系统的硬件设计 2.1 控制技术要求和系统总体设计控制技术要求和系统总体设计控制技术要求和系统总体设计控制技术要求和系统总体设计 （1）本系统中堆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及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。由堆垛机运行机构特点及工作要求可知，能否保证堆垛机的稳定工作，关键在堆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堆垛机运行的速度范围：水平方向：2m/min360m/min；垂直方向：2m/min80/min；货叉：2m/min60/min（2）本文堆垛机的控制方式有自动和手动控制。 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。 单机自动用人机界面对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行工况，故障及历史故障查询等功能。（3）在本文设计的堆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。