2021年度基于PLC的自动化仓储控制系统设计与研究设计

基于PLC自动化仓储控制系统设计和研究

基于PLC自动化仓储控制系统设计和研究

摘要:伴随现代化生产技术飞速发展和社会物质不停繁荣,
平面化仓库对于货物存放已经远远不能满足目前需求,
所以立体仓库己成为生产和生活中一个关键组成部分,
对于立体仓库研究也在不停深入。本文关键设计了一个自动化立体仓库系统。

首先对设计方案进行讨论,并对设计中出现问题进行讨论,提出处理方案。

其次对于立体仓库控制系统也进行了设计,依据设计思想制作了一个12仓位立体仓库模型,其自动化控制系统能够对货物进行正确送取。

关键词:立体化仓库;PLC控制;组态软件;实时监控

AutomationWarehouse Control System based on PLC Design andResearch
CHENKeliang
(SichuanUniversity of Science and Engineering, Zigong, China, 3000)

Abstract:Withthe rapid development of modern production technology as well as thecontinuous social and material prosperity, flattened warehouse forthe storage of goods has far can not meet the current demand, sowarehouse production and life has become an important part of thewarehouse in-depth studies are also constantly. In this paper, thedesign of an automated warehouse system. First, the design optionsare discussed, and the design problems to discuss and proposesolutions. Second, our warehouse control system has been designed,based on the design ideas produced a 12 positions warehouse model,its automated control system can accurately send the goods to take.

Keywords: Stereoscopicwarehouse; PLC control; Configuration Software; Real-time monitoring

目录

摘要................................................................................................................................IABSTRACT.................................................................................................................II第1章引言..................................................................................................................11.1本设计目标及意义...............................................................................................11.2自动化立体仓库历史及中国外现实状况...........................................................11.3自动化立体仓库优越性.......................................................................................1第2章自动化立体仓库系统概述..............................................................................32.1本课题设计内容...................................................................................................32.2自动化立体仓库模块设计..................................................................................3第3章立体仓库硬件设计..........................................................................................53.1系统结构...............................................................................................................53.2传感和检测系统设计...........................................................................................63.3S7—200系列PLC和通信系统连接.....................................................................93.4PLC选择.............................................................................................................103.5立体仓库驱动设计.............................................................................................113.6立体仓库PLC控制系统设计..............................................................................14第4章PLC软件设计...................................................................................................18结束语..........................................................................................................................36致谢............................................................................................................................37参考文件......................................................................................................................38

第1章引言
1.1本设计目标及意义
伴随仓储水平发展,自动化立体仓储技术在仓储业中应用愈发广泛。同时,伴随自动化立体仓库诞生,大家对仓储空间利用率逐步提升,
使传统仓储模式得以优化。

此次设计是以组态软件来模拟一个小型自动化立体仓库,
表现自动化立体仓库便捷性、可靠性、控制性及实用性。[1][2]
1.2自动化立体仓库历史及中国外现实状况
在第二次世界大战后生产技术开发促进了自动化立体仓库诞生和发展。

在,中国自动化立体仓库总建筑数目和相比基础持平。据不完全统计,中国已建成50余座自动化立体仓库,共约70000万人民币。

关键表现在药品生产和药品配送,食品,制造,服装加工,
烟草生产和烟草配送等行业领域。中国自动化仓库和发达国家相比,
在建设水平及数量上看,还是有一个比较大差距,
因为自动化仓库在现代制造及物流行业中应用越来越广,同时,
计算机技术和网络技术飞速发展也使得自动化立体仓库发展突飞猛进,
使其已经成为当下仓储技术关键发展趋势:[3][4]
仓库业务管理自动化水平逐步提升。伴随生产水平深入发展,
对物流技术提出了新更为严苛要求。具体来说,这要求我们能够经过物流技术,能在要求时间内,在确切位置,使用确切次序和方法,
提供正确商品品种和数量。[5][6]
智能技术将被应用。人工智能技术进步,
促进了自动化技术在仓库设计中应用,而在控制处理系统,
储存及运输设备选择等方面,教授系统应用将表现出较高智能化水平,
并往更高阶段发展。

仓库操作柔性化发展。

灵活和通用自动化立体仓库在存放和运输上表现出得天独厚优势。在国外,已经开始出现了部分移动或便携式仓库结构。[7][8]
1.3自动化立体仓库优越性
伴随生产力水平提升,生活水平提升,现代物流行业也表现出飞速增加势头,早期相对传统仓储模式现在已经不能满足巨大货存需求,
所以立体仓库就展现出其巨大优势。其中包含:节省用地、减轻劳动强度、降低差错、提升仓储自动化水平及管理水平、提升管理和操作人员素质、降低储运损耗、有效地降低流动资金积压、提升物流效率等很多优点。

1.3.1提升空间利用率

最早,立体仓库目标是提升空间实用效率,节省珍贵空间资源,
在西方国家尤其是发达国家对空间利用效率更为重视,
土地使用率提升不仅能够降低能源浪费,对于环境保护仍然显得尤为关键。

所以,空间利用率毫无疑问成为表现仓库优越性和优异性关键指标。通常情况下,自动化立体仓库对空间利用率超出通常一般仓库1～4倍。[9][10]

1.3.2便于形成优异物流系统,提升企业生产管理水平

早起仓库只发挥单纯货物存放作用,功效相对单一,属于静态储存。

立体仓库在对物料搬运步骤使用了优异自动化技术,
使得仓库内货物不仅实现了自存自取,方便快捷,提升了效率。同时,立体仓库还让仓库外生产步骤和仓库本身实现了无缝连接,
方便计算机对其进行监控及管理。

这些特点让自动化立体仓库成为企业物流关键部分。

1.3.3降低商品破损率

智能自动化仓库在自动化立体仓库基础上,
最大程度地提升物件周转速度和流通效率,加速仓库贮备资金周转,有效利用货物资源,而且最大程度地降低货物破损率。

1.3.4提升仓储作业效率

建立以立体仓库为中心物流系统,
其优越性还表现在立体仓库含有快速入出库能力,妥善地将货物存入立体仓库,立即自动地将生产所需零部件和原材料送达生产线。同时,
立体仓库系统减轻了工人综合劳动强度。[11]
第2章自动化立体仓库系统概述
2.1本课题设计内容
在本文中,关键内容包含三个部分:基于RFID技术仓储和物流管理系统:基于西门子S7-200PLC实施机构实现全自动控制系统和PLC程序:管理层、监控层、 控制层之间无缝连接,实现相互通讯。

在管理系统,研究关键内容即货物出入库、
存放及货位分配在自动化立体仓库中实现。具体而言,
依据自动化立体仓库中货物存放特点,
提出了采取分类随机存放和定位存放相结合存放策略。和RFID技术相结合,对货物出入库频率进行统计,以此划分出货物大致存放区域;和此同时,使用货物空间自动均匀分配算法,
实现货物货物空间分布均匀和就近入库出库;该算法实现了单件及批量入库作业。

在实施系统中,首先建立试验室规模自动化立体仓库系统;针对整个控制系统和电气控制原理进行合理分析,
从而对下位实施系统整体功效进行开发和设计,

然后对每个单元PLC控制功效模块进行分析;最终编写PLC程序,局部试调经过以后,集成上述三个单元,并实现其次序控制。

在三层网络拓扑结构和通信实现中,
以设置MCGS组态软件来实现OPC通信为研究关键:
监测层和控制层基于现场总线PROFIBUS具体组网通讯实现和MCGS本编写,并最终管理和控制一体化。[12]
2.2自动化立体仓库模块设计
依据各模块功效,在自动化仓库中排列了每个部件之间具体方位,以下:

步进 仓位模型

垂直杆 电机

限位开关

PLC控制器

直流	驱动器	步进	继	控制版面
电机			电
		电机
水平杆			器

图2-1功效模块图

第3章立体仓库硬件设计
3.1系统结构
本设计控制对象可分为三个控制区域,即传送带、机械手及立体仓库。

3.1.1传送带输送机控制

本系统有二台辊道输送带,其传动采取交流变频调速系统控制,可进行速度调整设定及正、反转控制。

每台输送机可由安装在其上面光电开关依据程序设计自动控制启/停及正/反转,完成货物送入、取出动作。 在试验台按钮板上有部分转换开关和按钮,用于手动控制操作。[13]

3.1.2机械手控制

机械手动作由气缸驱动,而气缸由对应电磁阀控制,当下降电磁阀通电时,机械手下降,当下降电磁阀断电时机械手停止,只有当上升电磁通电时,机械手才上升,断电时才停止。

机械手放松和夹紧由一个线圈两位置电磁阀控制。

3.1.3立体仓库及自动堆垛机控制

在立体货库中配有一台全自动堆垛机,
由二台步进电机和一台直流电机控制,可进行行走、升降及叉货控制。 关键依据设计程序,进行立体仓库进货自动存放及出货自动提取。

堆垛机在行走方向共有三个限位开关:左/右极限限位开关和行走认址限位开关,行走位置靠碰到限位开关计数来完成。堆垛机在升降方向共有四个限位开关:上/下极限限位开关、一个入库认址限位开关和一个出库认址限位开关,升降位置靠碰到限位开关计数来完成。

在试验台按钮板上有部分转换开关和按钮,用于手动控制操作。

在发生紧急情况时,可按下紧停按钮,用以切断步进电机控制模块电源。[14]

图3-1储存单元图

3.2传感和检测系统设计
传感器（transducer/sensor）是一个检测装置,能感受到被测量信息,并能将检测感受到信息,按一定规律变换成为电信号或其它所需形式信息输出,以满足信息传输、处理、存放、显示、统计和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制首要步骤。

3.2.1光电传感器

光电传感器,通常分NPN集电极开路输出和PNP集电极开路输出,传感器本系统只使用了NPN集电极开路输出。光电传感器原理图以下:

图3-2光电传感器原理图

3.2.2漫反射式传感器

漫反射式传感器,其工作原理为:当物体相对于传感器移动时,
反射回来信号和原先信号相比较,产生频移,
集成电路再把微弱频移信号进行放大,再经多普勒检测、放大、 限幅等方法,最终取得和物体移动信号相关主流信号输出电平。

在自动化仓库中采取EE-SPY402凹槽型、
反射型接插件式传感器用作货物检测。第一,
采取能抗周围外来刚干扰变调光式;第二,
采取变调光式和直流光式比不易受外来光干扰影响。第三,其电源电压为DC5-24V大量程电压输出型;带有轻易调整光轴标识;带有便于调整,
动作确定光显示。

图3-3漫射型光电传感器接线图

漫反射型光电传感器,
其在探测物体挡在传感器正面使传感器接收到足够光线时输出信号。

其对不一样颜色检测距离不相同,反射性能越好检测距离越远。还能够经过调整灵敏度调整VR调整检测距离。

3.2.3电容传感器

图3-4电容传感器基础原理图及接线图

电容传感器两种形式分为:NPN集电极开路输出和PNP集电极开路输出,在本系统中,只使用了PNP集电极开路输出型。

当被测物靠近传感器时则输出信号,PNP型在没有检测到物体输出则为悬空状态,检测到物体输出时为高电平状态。

在本单元所使用传感器位置及型号以下表所表示:

表3-1传感器位置及型号

传感器位置	型号	说明
编码器
前后参考点	CR18-8D	电容传感器 NPN集电极开路输出
升降参考点	BS5-T2M	NPN集电极开路输出
升降上到位	D-C73	舌簧型磁性开关
转移气缸右到位	D-C73	舌簧型磁性开关
物料检测	CCD-40N	漫反射型光电传感器NPN集电极开路输出
列一参考点	BS5-T2M	NPN集电极开路输出
列二参考点	BS5-T2M	NPN集电极开路输出
列三参考点	BS5-T2M	NPN集电极开路输出
列四参考点	BS5-T2M	NPN集电极开路输出

3.3S7—200系列PLC和通信系统连接
整个控制系统下位机含三个关键组成部分:传送带、机械手、 堆垛机,均采取PLC（可编程控制器）S7-200系列实现其自动控制。这里和别PLC相同,单元加编程器是其基础组成部分,如遇系统扩展需要,系统组件还应包含:数字扩展单元模块,模拟量扩展单元模块,网络,通信模块, HMI人机界面等。

[15]

经过PC/PPT电缆建立S7-200CPU和个人计算机连接。具体实施过程以下:设置PC/PPI电缆开关（下＝0,上＝1）;
DIP开关上选择计算机支持波特率9600（123设为010）
选择11位（4设置为0）
选择数据通信设备（DCE）（5设置为0）
PC/PPI电缆RS-232端子（PC）连接到PC通信口:COM1或COM2。

PC/PPI电缆RS-485端子（PPI）连接到CPU通信口。

图3-5PU通信口连接图

图3-6C24V输入/输出点基础原理图（源型接法）

3.4PLC选择
该设计采取了可编程控制器是siemensS7-200系列小型PLC-CPU226。

本机集成24输入/16输出40个数字I/0点。含PID控制器,可连接7个扩展模块,最大可扩展至248个数字I/0点,或35通道模拟I/0点。

13K字节程序和数据存放空间。 6个30kHz高速计数器,
和2个通道20kHz高速脉冲输出。 2个RS485通讯/编程端口,
并含有PPI通讯协议和自由方法通讯能力,还有功效强大、体积精小、
性价比较高等优势,而且还含有高速脉冲输出（PTO）功效,能驱动步进电机。同时,步进电机和步进驱动器共同组成步进驱动模块。CPU226外设接线图以下:

图3-7CPU226外围经典接线图

3.5立体仓库驱动设计

3.5.1步进电动机

步进电动机是用专门步进驱动器驱动,而非直接经过PLC驱动,
连接步进电机和步进驱动器,PLC只需向步进驱动器提供方向信号和脉冲信号。

“方向控制信号+”连接Q0.1,
经Q0.1置“1”和置“0”状态以控制步进电动机方向;
将步进驱动器“脉冲信号+”接到PLC输出Q0.1点,
PLC输出高速脉冲信号经过Q0.0发出驱动步进电动机;而“方向控制信号—”和“脉冲信号—”直接接到了PLC开关电源负极1M上。[16]

该程序能够分为主程序,子程序和中止程序三大部分,分工明确,相互配合。主程序负责确定步进电动机方向和子程序调用。

而子程序负责设定高速脉冲指令PLC控制字节,输出脉冲个数和脉冲周期,然后连接开放和中止,最终Q0.0输出高速脉冲,驱动步进电机电动机运行。

Q0.0输出脉冲来完成实施中止:首先,在步进电动机未运行到原点时,继续调用子程序,机械手后限位10.4不动作,
Q0.0继续发脉冲让步进电动机继续运行;相正确,
在步进电动机已运行到原点时,机械手后限位10.4立即动作,
实施中止返回指令RET1,此时复位指示灯Q1.7亮,步进电动机复位结束。 步进电动机定位程序。

高速脉冲输出一定数量脉冲就带动机械运行一定距离,
进行机械设备定位控制称为步进电动机定位控制。定位程序PLC编号、PLC接线和驱动器、电动机驱动器和复位程序均保持不变。

所以,步进电动机是用专业步进驱动器驱动,而非直接经过PLC驱动,用PLC只需给步进驱动器提供方向和脉冲信号,
PLC和步进驱动器接线示意图以下:

图3-8PLC和步进驱动器连接

3.5.2I/O分配

表3-2 I/O分配表

SB1(复位)	I0.1
SB2(复位)	I0.2
右限位	I0.0
步进运行结束逻辑	M0.0
电机脉冲	Q0.0
电机方向	Q0.1

3.5.3步进驱动器图及功效描述

设计中步进电机驱动器包含两个部分:环路放大器和功率放大器。

脉冲分配器不能够直接驱动步进电机,须经过由功率放大器放大,才能向步进电机绕组提供足够电流。其原因在于:
环形分配器是依据运行指令按一定逻辑关系分配脉冲,
经过功率放大器加到步进电机中各个绕组,让步进电机按一定方法运行,并实现定位控制和正反转控制,其输出功率过小。

图3-9 驱动器接线示意图

3.5.4变频器

通常情况下,
“变频器”是指把频率和电压固定不变交流电变转换为频率或电压可变交流电装置。首先,单相或三相交流电流转换为直流电（DirectCurrent）,
随即返回到直流电（Direct
Current）转换为一个单相和三相交流电流（alternatingcurrent）。

在逆变器电压改变和输出频率来改变电机运行曲线时,即改变曲线上n0,电动机运行曲线下移。所以,变频器能够让电机以较小开启电流,取得较大开启转矩,即变频器能够开启重载负荷。

变频器连接到PLC:

变频器输入信号包含:运行、正转、 反转、 停止信号,变频器经过继电器接点和上机位相互连接,
利用脉冲序列作为频率指令以得出运行信号。

图3-10变频器和PLC连接

3.6立体仓库PLC控制系统设计

I/O符号分配表:

表3-2 I/O分配表

传感器和实施元件连接图:

图3-11传感器和实施元件连接图(a)

图3-11传感器和实施元件连接图(b)

第4章PLC软件设计
S7-200CPU控制程序有多个分支,关键包含主程序、中止程序、 堆垛机向上运行和堆垛机向上运行子程序。

程序运行步骤:首先,按复位按钮,使堆垛机复位,
机械手下降以抓取货物,随即向上移动到适宜位置后,开始右移,
气缸右移到正确位置,机械手下降,在适宜位置放下其所托运货物。此时,传送带线开始运行,货物被运输至堆垛机传送带线,
以后由堆垛机把货物运输到仓库。在堆垛机运行过程中,
步进电机控制其水平运行,变频器控制其垂直运行。具体而言,
经过调用向左或向右运行子程序,能正确设定高速脉冲数目,
以控制堆垛机向左或向右运行距离。一样,经过调用向上或向下运行子程序,并正确设定脉冲数目,以此使堆垛机在向上或向下运行时,能达成所需高度。

这么水平方向和垂直方向正确定位,
能够使堆垛机把货物正确无误送达仓库某个位置。

而一旦遇见出现发生错误情况,能够立即摁下紧急停止按钮,
使堆垛机动作停止。上述整个过程依次循环,直至完成目标任务。[17] 注:编写子程序,一次就可,其它程序如碰到需要,方可调用。

但必需明白调用子程序必需包含一定条件,在子程序未被调用时,其下指令将不能被实施,所以使用子程序能够有效降低扫描时间。

中止程序被设置为不由程序调用,而是在中止事件发生时,由操作系统调用,中止程序中能够调用一级子程序。

指令说明:

图4-1指令图

将16#85传送到控制字节SMB67中,同时,把16进制换成2进制,即85→10000101。

图4-2指令图

将输入信号传送到控制字中SMW68,以它来指示周期为30ms。

图4-3指令图

调用堆垛机向下运行子程序。

主程序:
1.将步进电动机,步进电动机驱动器,输入输出器件和PLC按要求连接好, 将设计好梯形图下载到PLC,PLC运行,SM0.1导通一个扫描周期, 将16#85送到SMB67,30送到SMW68,设置高速脉冲输出控制字节, PTO高速脉冲输出周期为30ms:

图4-4初始化指令图

2.复位按钮,进行复位:

图4-5复位指令图

3.步进复位开始,进行步进方向,堆垛机向下运行子程序被调用:

图4-6步进复位指令图

4.地轨复位标志,地轨抵达参考点,复位完成:

图4-7地轨复位指令图

5.运行标志:

图4-8运行指令图6.停止:

图4-9停止指令图

7.运行指示,运行状态下,小车运输工件抵达,小车定位气缸:

图4-10运输工件指令图

8.小车定位气缸,库位满,清零:

图4-11定位气缸指令图

9.循环开始:

图4-12循环开始指令图

10.小车到位后延时:

图4-13后延时指令图

11.延时到,置标志位:

图4-14置标志位指令图

12.升降气缸,抓小车工件:

图4-15升降气缸指令图

13.工件已到转移皮带上:

图4-16工件转移指令图

14.工件已到堆垛机皮带线上:

图4-17转移至皮带指令图

15.开启变频器向库位方向运行:

图4-18开启变频器指令图

16.变频器启停,步进复位开始:

图4-19变频器启停指令图

17.堆垛机向下运行程序: