基于PLC的自動化立體倉庫控制系統(tǒng)設計

PAGEPAGEIII福建廣播電視大學畢業(yè)論文 題目： 專業(yè)________________ 年級________________ 學號________________ 學生姓名________________ 指導教師________________論文完成日期年月

基于PLC的自動化立體倉庫控制系統(tǒng)設計【內(nèi)容摘要】自動化立體倉庫在現(xiàn)在的物流系統(tǒng)中是不可或缺的一部分。通過自動化的立體倉庫能夠進行過層次的高貨架的安排，同時通過自動控制的方式來使得管理的系統(tǒng)和一些貨架等合作，進一步實現(xiàn)自動圖庫的功能。在這個系統(tǒng)當中，還存在很多的輔助系統(tǒng)。這篇文章當中的課題主要研究的就是電氣的控制形式，簡單來講就是西門子公司的PLC和一些簡單的電機組成的整體結構。這篇文章進行了課題的簡要介紹，不僅僅包含有背景，還對分析研究的意義做出了研究。除此之外，文章還進行了系統(tǒng)的硬件組成和結構的研究。在文章的最后也進行了系統(tǒng)的PLC和器件的了解，同時也將全部的知識實現(xiàn)了歸納?！娟P鍵詞】PLC；自動化立體倉庫；設計

目錄一、緒論 1（一）本課題設計的背景 1（二）本課題設計的目的和意義 1二、系統(tǒng)控制方案的確定 1（一）自動化立體倉庫的簡介 1（二）立體倉庫系統(tǒng)的功能 2（三）立體倉庫技術參數(shù)的確定 3（四）系統(tǒng)設計的基本步驟 4三、系統(tǒng)硬件設計 5（一）控制系統(tǒng)結構設計 5（二）可編程控制器的選型 51.可編程控制器的基本結構 52.可編程控制器（PLC）的特點 63.控制功能的選擇 64.PLC機型的選擇 7（三）步進電機的選擇 71.步進電機的結構 72.步進電機的工作原理 83.步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成 9（四）PLC輸入輸出分配表 10（五）電氣原理圖的設計 11四、系統(tǒng)軟件設計 11（一）編程語言的介紹 11（二）系統(tǒng)流程圖 12結論 14參考文獻 15致謝 16附錄A梯形圖設計 17PAGE1一、緒論（一）本課題設計的背景實際上中國從上個世紀六十年代的時候，就開始了立體倉庫的整體設備的研究。在一九六三年的時候，中國成功研制出了第一臺橋式堆垛起重機。在一九七三年的時候，自動化的立體倉庫也在研制之后并投入使用。到了二零零三年的時候，中國的自動化立體倉庫的整體數(shù)量超過了兩百之多。研究這種形式的倉庫的目的在于能夠進行高效率的空間的利用。通過計算機控制管理的形式使得現(xiàn)在的企業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化的管理。這種形式的儲物技術已經(jīng)成為了生產(chǎn)和管理中的一個重要組成部分，很多公司都開始研究并使用。（二）本課題設計的目的和意義在現(xiàn)在的很多公司中都開始了自動化立體倉庫的使用，通過整體的流水線形式的操作能夠更好的節(jié)約資源和成本。而PLC的工作模式也較為先進可靠，通在現(xiàn)在的自動化的工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)了重要的位置。PLC本身的安全和抗干擾的能力都比較高，在安裝的時候，也非常簡單。同時這種形式的控制系統(tǒng)本身能夠做到對于立體倉庫的合理控制，不會出現(xiàn)太大的問題。所以，實現(xiàn)立體倉庫的設計能夠使得機械手行業(yè)的發(fā)展也跟隨推進，具有較高的研究價值。二、系統(tǒng)控制方案的確定（一）自動化立體倉庫的簡介現(xiàn)代化的自動立體倉庫多是運用機械和電氣以及控制等很多形式共同組成的。整體的流水線能夠從貨物的存儲到傳遞以及管理等很多方面進行工作的完成。進行貨物存儲的時候能夠在立體貨架上進行貨格的分類，在這個倉庫當中，貨架多是通過橫豎的排列形式。而貨物的存取和傳送多是通過傳送帶的模式，以及一些機械手來完成。在這個立體倉庫當中運用不同的形式選擇不一樣的控制方式，有些情況下，倉庫能夠進行單臺機械的聯(lián)網(wǎng)控制。而有些條件較高的倉庫則是運用集中控制的形式，或者還能夠運用一些組合形式的控制。通過計算機管理的方式，以及中央控制，進而實現(xiàn)整體的PLC控制器的系統(tǒng)控制。（二）立體倉庫系統(tǒng)的功能圖2-1立體倉庫模型圖在此設計的立體倉庫需要滿足一下功能：（1）堆垛機（機械手）要有三個自由度，即：前進、后退；上、下；左、右；（2）堆垛機的運動由步進電機驅(qū)動；（3）堆垛機前進（或后退）運動和上（或下）運動可同時進行；（4）堆垛機前進、后退和上、下運動時必須有超限位保護；（5）每個倉位必須有檢測裝置（微動開關），當操作有誤時發(fā)出錯誤報警信號；（6）當按完倉位號后，沒按入或取前，可以按取消鍵進行取消該操作。（7）整個電氣控制系統(tǒng)必須設置急停按鈕，以防發(fā)生意外。系統(tǒng)控制面板如下圖2-2所示：圖2-2控制面板因此本課題設計的具體控制功能如下：（1）把開關放在自動的方向上，當通電的時候，所有的機構恢復到原來的位置，也就是零點的位置。立體倉庫的定位就是從零進行的。（2）在進行貨物傳送的時候，要先進行倉位號碼的選擇。按下相應的按鈕，在控制面板中就能夠看到倉庫的號碼。再次按下送貨的按鈕之后，貨物就能夠進行傳送并進入到相應的位置上。假設說在這個倉位中有貨物，全部的工作就會停止。（3）在取貨的時候，想要使得貨物能夠在合理的倉位中，按下取貨的按鈕，就能夠在面板上顯示出相應的信息。堆垛機在收到信號之后，就能夠及時的將貨物拿出來。假設說在小車上有很多貨物，就不能夠得到相應的貨物。（4）當所有的指令在完成的時候，所有的機構就會回到自己的原本位置上。（5）全部的電器控制系統(tǒng)一定要進行急停按鈕的設置，這樣才能夠保證安全，不會出現(xiàn)意外。（三）立體倉庫技術參數(shù)的確定表2-3立體倉庫具體參數(shù)出/入貨柜臺最重物品20Kg每個倉位的高度4．5CM倉位的上下距離0．5CM倉位的平行距0．5CM倉位的體積4M3可編程控制器（PLC）電源24VDC堆垛機電源220VAC,50Hz（四）系統(tǒng)設計的基本步驟在立體倉庫控制系統(tǒng)的設計過程中主要要考慮以下幾點：（1）深入了解和分析立體倉庫的工藝條件和控制要求。（2）確定I/O設備。根據(jù)立體倉庫控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設備。（3）根據(jù)I/O點數(shù)選擇合適的PLC類型。（4）分配I/O點，分配PLC的輸入輸出點，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。（5）設計立體倉庫系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設計出周密完整的梯形圖程序，這是整個立體倉庫系統(tǒng)設計的核心工作。（6）將程序輸入PLC進行軟件測試，查找錯誤，使系統(tǒng)程序更加完善。（7）立體倉庫整體調(diào)試，在PLC軟硬件設計和現(xiàn)場施工完成后，就可以進行整個系統(tǒng)的聯(lián)機調(diào)試，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題要逐一排除，直至調(diào)試成功。立體倉庫系統(tǒng)設計與調(diào)試的主要步驟，如圖2-4所示：圖2-4課題設計步驟三、系統(tǒng)硬件設計（一）控制系統(tǒng)結構設計在這個課題當中，主要運用的是PLC來進行實際性質(zhì)的控制。PLC的主要功能在于能夠作為輸入信號進行倉庫的各種反應，在使用的時候，整體的維修也較為簡單方便?？刂葡到y(tǒng)結構圖如下圖3-1所示。圖3-1控制系統(tǒng)結構圖（二）可編程控制器的選型1.可編程控制器的基本結構通?？删幊炭刂破鬟€被稱作是PLC，是在機械控制中常見的一種控制方式。PLC的基本機構有輸入和輸出的模塊，以及CPU和電源燈。PLC還有一個名稱就是工業(yè)控制計算器，所以他的作用和計算機也是類似的[3]。（1）在可編程控制器當中，輸入和輸出模塊是連接中央處理器和外界的主要方式。在這個模塊當中，能夠?qū)⑿盘栟D(zhuǎn)換成為中央處理器能夠懂得的信號，同時在信號傳輸?shù)臅r候?qū)崿F(xiàn)濾波或者電平轉(zhuǎn)換等形式。在輸出模塊中，還能夠?qū)⒅醒胩幚砥鞯男盘栟D(zhuǎn)化成為執(zhí)行機構的控制信號。（2）中央處理單元（3）電源部件中央處理器單元包括微處理器、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。微處理器CPU是PLC的核心部件。電源部件是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電源的裝置，它向PLC提供所需的高質(zhì)量直流電源。2.可編程控制器（PLC）的特點（1）可靠性高，抗干擾強。（2）功能強大，性價比高。（3）編程簡易，現(xiàn)場可修改。（4）配套齊全，使用方便。（5）壽命長，體積小，能耗低。（6）系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試、維修工作量少，維修方便。3.控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。根據(jù)本課題所設計的自動門控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇[4]。（1）控制功能PLC多是運用順序邏輯的形式，所以，很多的PLC本身的歐式運用多種回路的模擬量進行控制。有些時候也運用智能輸入單元的形式實現(xiàn)控制，進而使得PLC的整體輸入速度有所提升，在工作的時候的效率也能提升很多。（2）編程功能離線編程方式：PLC和編程器共同使用一個中央處理器的時候，編程器編程，而中央處理器可以提供合理的服務。當編程在全部完成之后，編程器能夠進行工作。而中央處理器可以實現(xiàn)現(xiàn)場的控制，不會實現(xiàn)編程。離線編程的形式能夠使得系統(tǒng)的成本降低，使得使用時候更加方便。在線編程方式：中央處理器和編程器夠存在不同的CPU。主機CPU是能夠進行現(xiàn)場控制的，同時還能夠在一個周期中和編程器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的溝通。編程器能夠?qū)⒃诰€編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機上。下一掃描周期，主機就根據(jù)新收到的程序運行。五種標準化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和語句表（IL）、結構文本（ST）兩種文本語言。（3）診斷功能PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷是運用硬件的邏輯判斷來得到出現(xiàn)問題的地方。通常診斷能夠看作是內(nèi)外診斷兩種方式，運用軟件能夠?qū)崿F(xiàn)PLC的內(nèi)部的診斷，而在和外部信號進行溝通的時候，就能夠得到外部診斷中出現(xiàn)的問題。PLC的診斷的功能是不是合理，會使得整體的操作出現(xiàn)很大的變化。當診斷是存在問題的時候，維修也會出現(xiàn)障礙。4.PLC機型的選擇（1）輸入電源電壓：24VDC還是220VAC，根據(jù)供電系統(tǒng)電壓來選擇，一般來說，不建議直接從動力電源直接取電，最好用隔離變壓器把動力電源和控制電源隔離開來，同時做好濾波等抗干擾措施。本設計采用24V直流電。（2）輸入輸出點數(shù)：所謂的輸入輸出點數(shù)指的是整個控制系統(tǒng)需要用到的PLC的輸入點個數(shù)和輸出點個數(shù)。一般來說，當然是預先設計好整套系統(tǒng)方案，然后算出所有的輸入輸出點個數(shù)，如果是第一次設計的方案，建議預留點數(shù)。經(jīng)過估算本設計中需要輸入端口40個，輸出端口21個。（三）步進電機的選擇1.步進電機的結構在圖3-2當中，能夠看到整體式三相反應式步進電動機的形式。這個方向是徑向的截面圖。我們能夠看到，定轉(zhuǎn)子鐵芯是通過硅鋼片的方式組合成的。在這當中，定子磁極是凸極的方式。而磁極的極面上存在小齒的形式。在定子當中，存在了三套控制繞組。不管是哪一個組上都存在兩個兩個串聯(lián)的集中控制繞組。這些繞組都在徑向的磁極上。每套繞組叫一相，三相繞組接成星形，所以定子磁極數(shù)通常為相數(shù)的兩倍。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，沿圓周也有均勻的小齒，其齒距和定子磁極上小齒的齒距必須相等。這種結構形式的優(yōu)點是制造簡便，步距角可以做得較小。圖3-2步進電動機的結構2.步進電機的工作原理圖3-3是一臺三相反應式步進電動機的原理圖。定子鐵芯為凸極式，共有三對（六個）磁極，每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組。轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成，也是凸極結構，只有四個齒，齒寬等于定子的極靴寬。下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理。圖3-3步進電動機原理圖（1）三相單三拍通電方式當A相控制繞組通電，其余兩相均不通電，電機內(nèi)建立以定子A相極為軸線的磁場。由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線與定子A相極軸線對齊，如圖3-3(a)所示。若A相控制繞組斷電，B相控制繞組通電時，轉(zhuǎn)子在反應轉(zhuǎn)矩的作用下，逆時針方向轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒2、4的軸線與定子B相極軸線對齊，即轉(zhuǎn)子走了一步，如圖3-3(b)所示。若再斷開B相使C相控制繞組通電轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線與定子C相極軸線對齊，如圖3-3(c)所示。如此按A-B-C-A的順序輪流通電，轉(zhuǎn)子就會一步一步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序。若按A-C-B-A的順序通電，則電機按順時針反方向轉(zhuǎn)動。（2）三相雙三拍通電方式控制繞組的通電方式為AB-BC-CA-AB或AB-CA-BC-AB。每拍同時有兩相繞組通電，三拍為一個循環(huán)。當A、B兩相控制繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子齒的位置應同時考慮到兩對定子極的作用，只有A相極和B相極對轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力相平衡，才是轉(zhuǎn)子的平衡位置，如圖3-4(a)所示。若下一拍為B、C兩相同時通電時，則轉(zhuǎn)子按逆時針轉(zhuǎn)過30°到達新的平衡位置，如圖3-4(b)所示?？梢?，雙三拍運行時的步距角仍是30°。但雙三拍運行時，每一拍總有一相繞組持續(xù)通電，例如由A、B兩相通電變?yōu)锽、C兩相通電時，B相保持持續(xù)通電狀態(tài)，C相磁拉力力圖使轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動，而B相磁拉力卻起有阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以電機工作比較平穩(wěn)。(a)(b)圖3-4三相雙三拍運行方式3.步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成和交直流的電機的形式是不一樣的。當電機在供電的時候，并不能夠直接啟動。想要能夠使得步進電機合理的動作，就要依靠決定電動機速度和旋轉(zhuǎn)角度的脈沖發(fā)生器和使電動機繞組電流按規(guī)定次序通斷的脈沖分配器以及保證電動機正常運行的功率放大器共同進行工作，通過這樣的方式和直流功率電源一起工作，繼而實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能的完成。在圖3-8中。圖3-5驅(qū)動系統(tǒng)示意圖（四）PLC輸入輸出分配表根據(jù)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)的I/O分配見下表所示表3-4PLC輸入輸出分配表I0啟動I24檢驗2號倉庫Q0前進I1手動/自動I25檢驗3號倉庫Q1后退I2取出I26檢驗4號倉庫Q2向上I3送進I27檢驗5號倉庫Q3向下I4取消I30檢驗6號倉庫Q4送進I5急停I31檢驗7號倉庫Q5取出I61號倉庫的鍵I32檢驗8號倉庫Q6顯示取出I72號倉庫的鍵I33檢驗9號倉庫Q7顯示送進I103號倉庫的鍵I34檢驗10號倉庫Q10顯示操作錯誤I114號倉庫的鍵I35檢驗11號倉庫Q11顯示1號倉庫I125號倉庫的鍵I36檢驗12號倉庫Q12顯示2號倉庫I136號倉庫的鍵I37前進限制Q13顯示3號倉庫I147號倉庫的鍵I40后退限制Q14顯示4號倉庫I158號倉庫的鍵I41后退超過Q15顯示5號倉庫I169號倉庫的鍵I42向上限制Q16顯示6號倉庫I1710號倉庫的鍵I43向下限制Q17顯示7號倉庫I2011號倉庫的鍵I44向下超過Q20顯示8號倉庫I2112號倉庫的鍵I45前進限制Q21顯示9號倉庫I22檢驗0號倉庫I46取出限制Q22顯示10號倉庫I23檢驗1號倉庫I47取出超過Q23顯示11號倉庫Q24顯示12號倉庫（五）電氣原理圖的設計根據(jù)立體倉庫的課題設計要求，得出如下圖3-14電氣原理圖。圖3-6電氣原理圖四、系統(tǒng)軟件設計（一）編程語言的介紹基本的編程語言有：梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）和語句表（STL）。LAD和FBD是面向圖形的語言。在LAD中進行觸電的連接能夠?qū)崿F(xiàn)控制方案的整體進行，通常連接的形式也分為串聯(lián)或者是并聯(lián)的形式。在FBD當中，多是運用接地和OR連接的形式。STL本身是面向文本的，所以通過列表的形式進行任務的布置。在梯形圖當中，整體的結構是非常直觀簡單的，所以處理起來比較容易，在觀看的時候，也非常的易懂。PLC梯形圖中存在很多的繼電器，例如輸出或者是輸入繼電器等。然而這些本身并不是真正繼電器的模式，僅僅是一些用來存儲的單元。所有的繼電器本身都和PLC里的存儲的映像寄存器相互對應。在存儲單元是一的時候，就能夠使得軟繼電器進行工作，常開觸點接通，常閉觸點斷開。假設說存儲單元里是零的時候，軟繼電器的線圈和觸點的狀態(tài)是不同的。（二）系統(tǒng)流程圖根據(jù)系統(tǒng)工作過程的分析得出，示意圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)軟件流程圖控制流程介紹：（1）把開關放在自動的位置上。當通電的時候，每個機構都能夠回到自己的位置上，也就是在零點的位置上。立體倉庫本身就是從零點開始的。（2）在進行貨物傳送的時候，要先進行倉位號碼的選擇。按下相應的按鈕，在控制面板中就能夠看到倉庫的號碼。再次按下送貨的按鈕之后，貨物就能夠進行傳送并進入到相應的位置上。假設說在這個倉位中有貨物，全部的工作就會停止。（3）在取貨的時候，想要使得貨物能夠在合理的倉位中，按下取貨的按鈕，就能夠在面板上顯示出相應的信息。堆垛機在收到信號之后，就能夠及時的將貨物拿出來。假設說在小車上有很多貨物，就不能夠得到相應的貨物。（4）當所有的指令在完成的時候，所有的機構就會回到自己的原本位置上。（5）全部的電器控制系統(tǒng)一定要進行急停按鈕的設置，這樣才能夠保證安全，不會出現(xiàn)意外。

結論這個課題的研究重點在于PLC的功能的強大，將PLC中的很多功能都有所體現(xiàn)。實際上在現(xiàn)在運用PLC的方式實現(xiàn)立體倉庫的功能，整體的結構等都非常的簡單方便。在后期工程出現(xiàn)拓展的時候，也是非常容易的。同時，如果系統(tǒng)出現(xiàn)較大改動的時候，僅僅進行軟件程序的更改就能夠完成全部的工作。

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