本科毕业设计论文--基于plc对立体仓库的控制的.doc
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1、1绪论 1.1本课题设计的背景立体仓库一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物,用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货物,故常形象地将其称为“立体仓库”。 自动化仓库应用范围很广,几乎遍布所有行业。在我国,自动化仓库应用的行业主要有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。1.2 本课题设计的内容课题的主要任务是基于三菱FX2N系列PLC的立体仓库控制系统的设计。仓位的主体框架除包括十二个库位外,还配有一个物品入口位和一个出口位,并在这十二个库位的底部均设置有检测开关,若库内有物品,则压制相应
2、的检测开关使之闭合,若无物品,则相应的检测开关断开。1.3本课题设计的目的和意义传统条件下的库房管理作业,主要依据人工装卸,特别是对于一些大型物资,不仅工作效率低,浪费大量的人力、物力,存在较大的安全隐患,同时还占据大量的库房面积。立体库的投入使用,彻底解决了这一难题.自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。它通过高层货架存储,使存储区大幅度地向高空发展,提高了空间利用率;自动化立体仓库采用层积式存放,结合计算机管理,可以很容易实现先入先出,防止货物的自然老化、变质和损坏;通过自动存取系统(AS/RS),加快了运行和处理速度,提高了劳动生产率,降低操作人员的劳动强度。自动化仓库的信息系
3、统可以与企业的生产信息系统集成,实现企业信息管理的自动化。同时,由于使用自动化仓库,促进企业的科学管理。2 系统控制方案的确定2.1自动化立体仓库的概述自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下,自动地完成物品仓储和取出的系统,它以高层立体货架为主体,以成套搬运设备为基础,是集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率、大容量存储机构。自动化立体仓库的出现,实现了仓库功能从单纯保管型向综合流通型的转变。用PLC控制的自动化立体仓库达到仓储技术的全面自动化。自动化立体库基本由以下部分组成: 高层货架:用于存储货物的钢结构。目前主要有焊接式货架和组合式货架两种基本形式。 托盘(货箱):用于
4、承载货物的器具,亦称工位器具。 巷道堆垛机:用于自动存取货物的设备。按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形式;按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。 输送机系统:立体库的主要外围设备,负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。输送机种类非常多,常见的有辊道输送机,链条输送机,升降台,分配车,提升机机,皮带机等。 AGV系统:即自动导向小车。根据其导向方式分为感应式导向小车和激光导向小车。 自动控制系统:驱动自动化立体库系统各设备的自动控制系统。目前以采用现场总线方式为控制模式为主。 2.2采用PLC控制立体仓库的优点(1)低成本 利用电力线上网,最大的优点就是成本低。由于利用电力线上
5、网,直接使用现有电力网就可以实现通信,而不需要另外铺设电话线、光电缆等,大大地减少了在基础网络上的投资。(2)范围广 无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。电力线是最基础的网络,它的规模之大,是其他任何网络无法比拟的。因为家家都有电力线,由此,运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一个家庭.因此,这一技术一旦进入商业化阶段,将会促进电信市场的变革,并给互联网普及带来极大的发展空间。 (3)高 速 利用电力线上网能够提供高速传输。德国最大的电力设备生产商RWE承诺,运用他们的电力线上网技术,其速度要比ISDN拔号上网快30多倍, 比ADSL更快!足以支持现有网络上的各种应用。更高速率的P
6、LC产品正在研制之中。 (4)便 捷 不管在家里的哪个角落,只要连接到房间内的任何电源插座上,就可立即拥有PLC带来的高速网络享受!(5)永远在线 PLC属于即插即用,不用烦琐的拨号过程,接入电源就等于接入网络!(6)结构灵活 通过PLC技术实现Internet接入,可以灵活扩展接入端口数量,使资源保持较高的利用率。目前还未有效解决电力线信号通过变压器的技术,因此,电力线通信设备都是集中在220V线路变压器的用户端。2.3系统设计的基本步骤立体仓库系统设计与调试的主要步骤:(1)深入了解和分析立体仓库的工艺条件和控制要求。(2)确定I/O设备。根据立体仓库控制系统的功能要求,确定系统所需的用户
7、输入、输出设备。(3)根据I/O点数选择合适的PLC类型。(4)分配I/O点,分配PLC的输入输出点,编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。(5)立体仓库整体调试,在PLC软硬件设计和现场施工完成后,就可以进行整个系统的联机调试,调试中发现的问题要逐一排除,直至调试成功。2.4 系统控制方案德马物流公司需要装一立体仓库十二个仓库位、有物品出入口位与输出口位,各仓位能自检,其动作示意图(2)所示。立体仓库的结构示意图见下图2-2所示:自动堆垛机堆垛机伸叉称重仪供步进机驱动模块行走步进电机驱动模块升降步进电机驱动模块堆垛机电源直流开头电源直流开头电源四层三列立体库紧停按钮 紧停 叉中 联动
8、 单动 手动 复位 功能 伸叉 升降 行走 线位 联动 自动堆垛机动作指示灯堆垛机控制PLC:Fx-2n-80mr反射式传感器图2-2立体仓库结构示意图根据某一物流公司对立体仓库的具体要求,本课题所设计的立体仓库具有以下功能:(1)堆垛机(机械手)要有三个自由度,即:前进、后退;上、下;左、右;(2)堆垛机的运动由步进电机驱动;(3)堆垛机前进(或后退)运动和上(或下)运动可同时进行;(4)堆垛机前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护;(5)每个仓位必须有检测装置(微动开关),当操作有误时发出错误报警信号;(6)当按完仓位号后,没按入或取前,可以按取消键进行取消该操作。(7)整个电气控制系统
9、必须设置急停按钮,以防发生意外。2.5立体仓库技术参数的确定立体仓表2-1立体仓库具体参数出/入货柜台最重物品20Kg每个仓位的高度45CM仓位的上下距离05CM仓位的平行距05CM仓位的体积4M3可编程控制器(PLC)电源24V DC堆垛机电源220V AC,50Hz3.系统硬件设计3.1 控制系统结构设计本设计是运用PLC控制系统来控制立体仓库的运动的方式。能快速的对输入信号做出反应控制立体仓库,便于检修。控制系统结构图如图3-1所示。启 动手动/自动取 出送 进取 消急 停1号 仓 库 键12号仓 库 键检 验0号 仓 库检 验12号仓 库前进限制后退限制后退超过向上限制向下限制向下超过
10、前时限制取出限制取出超过前 进后 退向 上向 下送 进取 出显 示 取 出显 示 送 进显 示 操 作 错 误显 示1号仓 库显 示12号仓 库PLC图3-1 控制系统结构图3.2可编程控制器(PLC)的选型3.2.1 PLC概述可编程控制器,英文称Programmable Controller,简称PLC,本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术,但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序,把经输入电路的物理过程得到的输入信息,变换为所要求的输出信息,进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC基于电子计算机,但并不等同于普通计算机。
11、普通计算机进行入出信息变换时,大多只考虑信息本身,信息入出的物理过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性,以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环境,如便于安装,便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现,可以说是PLC实现控制的两个基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控制装置多的多、强的多。PLC有丰富的指令系统,有各种各样的I/O接口、通信接口,有大容量的内存,有可靠的自身监控系统,因而具有以下基本的功能:(1)逻辑处理功能;(2)数据运算功能;(3)准确定时功能;(4)高速计数功能;(5)中断处理(可以实现各种内外中断
12、)功能;可以说,凡普通小型计算机能实现的功能,PLC几乎也都可以做到。像PLC这样。集丰富功能于一身,是别的电控器所没有的,更是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能,同时,也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。3.2.2 PLC的选型在PLC系统设计时,首先应确定控制方案,下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此,工程设计选型和估算时,应详细分析工艺过程的特点、控制要求,明确控制任务和范围确定所需的操作和动作,然后根据控制要求,估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等,最后选择有
13、较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。(1)输入输出(I/O)点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量,通常根据统计的输入输出点数,再增加10%20%的可扩展。余量后,作为输入输出点数估算数据。实际订货时,还需根据制造厂商PLC的产品特点,对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入40点,输出21点。(2)存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小,程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小,因此程序容量小于存储器容量。设计阶段,由于用户应用程序还未编制,因此,程序容量在设计阶段是未知的,需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能
14、对程序容量有一定估算,通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式,许多文献资料中给出了不同公式,大体上都是按数字量I/O点数的1015倍,加上模拟I/O点数的100倍,以此数为内存的总字数(16位为一个字),另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储5000条梯形图,这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。(3)控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。3.3步进电机的选择3.3.1 步进电机的原理步进电机是数字控制系统中的执行电动机,当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时,转子就转一
15、步,当电脉冲按某一相序加到电动机时,转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此,改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小;改变输入脉冲的通电相序,就能控制步进电动机转子机械位移的方向,实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时,转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此,改变电脉冲的频率大小和通电相序,就能控制步进电动机的转速和转向,实现宽广范围内速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制功能,是其它电动机无法替代的。步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式,步进电动机的相数可分为:单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电动机的性能,但
16、电动机的结构和驱动电源就会复杂,成本就会增加,应按需要合理选用。3.3.2 步进电机的选择(1)步进电动机的特点(a)步进电动机是一种作为控制用的特种电机,它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的,其特点是没有积累误差(精度为100),所以广泛应用于各种开环控制。(b)步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比(c)步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变,使用开环控制(或半闭环控制)就能进行良好的定位控制。(d)起制动、正反转、变速等控制方便。(e)价格便宜,可靠性高。(f)步进电动机的主要缺点是效率较低,并且需要配上适当的驱动电源。(2)步进电机驱动系统的基本组成与交直流电
17、动机不同,仅仅接上供电电源,步进电机不会运行的。为了驱动步进电动机,必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器(在该立体仓库控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制)、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器,以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统,如图3-2所示。图3-2 步进电机驱动系统的组成3.4步进电机驱动器的选择 (1) 步进电机驱动器的选择步进电机的运行要有一电子装置进行驱动,这种装置就是步进电机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移,或者说:控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进
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