PLC立体仓库

天 津 理 工 大 学

自动化学院专业设计报告

题目：立体仓库PLC控制系统设计

学生姓名 *** 学号 *********** 届 2010届 班级 电气2班 指导教师 黄孙伟 专业电气工程及其自动化

说 明

1. 专业设计文本材料包括设计报告、任务书、指导书三部分，其中任务书、指导书由教师完成。按设计报告、任务书、指导书顺序装订成册。

2. 学生根据指导教师下达的任务书、指导书完成专业设计工作，合作完成的专业设计，要在设计报告概述中明确说明分工。 3. 设计报告内容建议主要包括：设计概述、设计原理、设计方案分析、软硬件具体设计、调试分析、总结以及参考资料等内容，不同类型的设计可有所区别。

4. 设计报告字数应在3000-4000字，图纸设计应采用电子绘图、且符合相应符合国标，文字规范借鉴参考毕业设计要求。

5.专业设计成绩由平时表现（50%）、设计报告（30%）和答辩成绩（20%）组成。专业设计应给出适当的评语。

专业设计评语及成绩汇总表

目 录

一、立体仓库PLC控制系统 1、前言

2、立体仓库PLC控制系统发展现状以及趋势 (1)、现状 (2)、趋势

3、自动化立体仓库的功能 4、系统设计的基本步骤 5、元器件计算选型 (1)、PLC 机型的选择 (2)、步进电机的选择

(3)、步进电动机驱动器的选择 (4)、传感器的选择 (5)、微动开关的选择 (6)、并联型开关稳压电源 6、PLC输入输出分配表 二、系统硬件设计 1、电气原理图的设计 2、主电路图的设计 三、系统软件设计 1、系统流程图 2、PLC软件梯形图

一、立体仓库PLC控制系统

1、前言

随着企业的持续稳定发展，经济全球化步伐也迅速，我国的工业也出现了翻天覆地的变化，一方面高科技的加工工艺越来越得到推广，加工效率也得到了大大的提高。与此同时原有的物流和仓储系统已不能满足新形势的要求,建立一个集物流、信息流和资金流于一身的自动化物流管理中心,从而降低企业综合物流成本,提高企业综合效益便成为目前亟待解决的问题。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。PLC作为一种工业控制计算机, 具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能, 是目前广泛应用的控制装置之一。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，而且自动化立体仓库是现代物流与仓储系统的重要组成部分，具有货物存取效率高和自动化程度高、很强的入出库能力等优点。而PLC功能强大，可靠性高，抗干扰能力强，维修方便，易于实现机电一体化。完全满足立体仓库工作环境和控制系统的要求。

2、立体仓库PLC控制系统发展现状以及趋势

（1）、现状

立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。

我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963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开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械部起重所负责），该库1980年投入运行。到2003年为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。现在，自动化物流技术和成套设备的研发已经发展成了一个庞大的产业。目前，国外自动化立体仓库采用扫描技术， 提高信息的传输速度和准确性：采用射频数据通信技术，数据的采集、处理和交换能够在搬运工具与中央计算机之间快速进行，使物品的存取和发送信息做到快速、实时、可靠和准确。另外，近年来迅猛发展的多媒体技术也在自动化立体仓库中得到越来越广泛的应用，普遍应用于人员培训、操作指导、远程现场监视、异地故障分析和诊断及防火防盗等方面。

但是国内的自动化立体仓库系统具有一定的局限性，主要以单机为主，系统整体的集成能力和集成水平低；因为资金不足，许多外围设备如AGV系统、码垛和拆垛等无法应用于物流系统，从根本上限制了这些设备的研制和发展；仓储作业的计算机管理水平较低。因此不论从自动化物流系统的设备品种及技术水平，还是在应用的广度和深度上与国际水平都还存在着相当大的差距。 （2）、趋势

随着自动化技术和信息技术在自动化立体仓库广泛运用，自动化立体仓库的发展将呈现以下趋势：

a) 仓储作业管理自动化水平将会逐步提高 b) 智能技术将会获得应用。 c) 仓库作业向柔性化方向发展

d) 建设自动化立体仓库方面更加注重实用性和安全性

3、自动化立体仓库的功能

1) 2) 3) 4) 5) 6)

堆垛机要有三个自由度，即：水平、垂直、前后 堆垛机的运动由步进电机驱动

堆垛机水平运动和垂直运动可同时进行

堆垛机前进、后退和垂直运动时必须有超限位保护 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 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) 整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。

本课题设计的具体控制功能如下：

（1）将选择开关置于自动位置，通电状态下，各机构复位，即返回零位。立体仓库坐标定位以零位开始。

（2）当送货的时候，选择欲送货物的仓位号，按动仓位号对应的按钮，再按送货按钮后，货物自动送入指定的仓位号对应的仓库位里。若被指定的仓位号里有货物，则送货命令不被执行。送货完成后，小车自动返回原来的位置。

（3）当取货的时候，选择欲取货物的仓位号后，按动取货按钮后，堆垛机可以自动将货物取出。如果小车里有货物，则取货命令不被执行。

（4）取货和送货指令完成后，机构自动返回原来位置。 （5） 整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。

以6号仓库的送货、取货为例说明： （1）、送货状态：

当启动电源选择送货时，按作用下6号仓库按键（I1.3），微动开关检测0号仓库有货物时（I2.2），微动开关检测6号仓库无货物时（I3.0），小车由提供水平方向动力的步进电机的作用下，和传感器对小车的前进限制（I3.7）作用下小车向右

移动2个货位位置；再由提供垂直方向的动力的步进电机的作用下，和传感器对小车的向上限制（I4.2）作用下小车向上移动1个货位，移动到6号仓库。最后由提供前后方向动力的步进电机的作用下，和传感器对小车的送进限制（I4.5）作用下小车将货物送进到6号货仓。小车从原路返回，与上述步骤相反，小车复位。 （2）、取货状态：

当启动电源选择取货时，按作用下6号仓库按键（I1.3），微动开关检测0号仓库无货物时（I2.2），微动开关检测6号仓库有货物时（I1.3），小车由提供水平方向动力的步进电机的作用下，和传感器对小车的前进限制（I3.7）作用下小车向右移动2个货位位置；再由提供垂直方向的动力的步进电机的作用下，和传感器对小车的向上限制（I4.2）作用下小车向上移动1个货位，移动到6号仓库。然后由提供前后方向动力的步进电机的作用下，和传感器对小车的取出限制（I4.6）作用下小车将货物从6号货仓取出。小车从原路返回，与上述步骤相反，小车复位。

4、系统设计的基本步骤

在立体仓库控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点： （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）设计立体仓库系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个立体仓库系统设计的核心工作。

（6）将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。 （7）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。

立体仓库系统设计与调试的主要步骤，如图所示：

启动触钮急停触钮

M0.0

）

启动

启动

M7.2 ）

启动完成自动触钮取货选择取货程序

选择取货选择送货

启动完成自动触钮送货选择送货程序

M0.2

）

5、元器件计算选型

（1）、PLC 机型的选择

PLC的选型

1，输入输出点数：所谓的输入输出点数指的是整个控制系统需要用到的 PLC的输入点个数和输出点个数。一般来说，当然是预先设计好整套系统方案， 然后算出所有的输入输出点个数，如果是第一次设计的方案，建议预留点数。经 过估算本设计中需要输入端口40个，输出端口 9个。

2，输出触点类型：是继电器输出类型还是晶体管输出类型。根据所控制的 执行机构电源电压及功率来决定输出触点类型，如果系统里有需要用到高速脉冲 输出控制步进电机或伺服系统时，一定要选择晶体管输出类型。本设计因为有步 进电机的控制所以选择晶体管输出类型。西门子S7系列PLC体积小、速度快、 标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7 系列 PLC 产品可分为微型 PLC（如 S7-200），小规模性能要求的 PLC（如 S7-300）和中、高性能要求的 PLC（如 S7-400）等。S7系PLC有专门的高速脉冲输出端，可以方便的完成步进电机的控制。根据控制功能要求选择微型PLC。微型PLC S7-200系列可编程控制器主机分为 10、14、24、40 点四档，还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加 I/O 点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入。本课题设计的立体仓库控制系统有输入信号40个，输出信号9个。所选 I/O 点不得低于49点，结合实际情况，考虑到经济实惠所选本系统所采用的PLC是西门子S7-200 CPU226 DC24V，外加一个数字量扩展模块EM223。

（2）、步进电机的选择

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。

在该立体仓库控制系统中的步进电动机采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的2相8拍混合式步进电机，它的主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。型号：42BYGHl01。

（3）、步进电动机驱动器的选择

步进电动机的运行需要有电子装置进行驱动，这种装置就是步进电动机驱动器。控制系统每发出一个脉冲信号，通过驱动器就使得步进电动机旋转一个步距角，也就是说，它把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电动机的角位移。因此，步进电动机的转速与脉冲信号的频率成正比。

所有型号驱动器的输入信号都相同，它们是步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE（此端为低电平有效时，电动机处于无转矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电动机可以正常运行）。它们在驱动器内部的接口电路都相同如图3-10所示。该立体仓库中，由于提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，所以需要外部另加1.8KΩ的限流电阻。

我们这里采用SH系列的步进电机驱动器，它主要由电源输入部分、信号输入部分、信号输出部分组成。

（4）、传感器的选择

在该立体仓库中采用欧姆龙EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式传感器作货物检测，它是日本欧姆龙公司的产品，采用能抗周围外来光干扰的变调光式；采用变调光式，与直流光式比，不易受外来光干扰的影响；电源电压为DC5-24V的大量程电压输出型；带有容易调整的光轴标识；带有便于调整，动作确认的入光显示灯；反射式传感器的时间图和输出回路图如图所示。

反射式传感器的时间图和输出回路图

它有三根连接线(红、蓝、黑)，红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。

（5）、微动开关的选择

在该立体仓库控制系统中共有13个仓位（四层十二个仓位加0号仓位）分别采用13只微动开关作为货物检测，当有货物时相应开关动作，其信号对应PLC的输入点是I22-I36；另外为保险起见，在X轴的左限位和Y轴的下限位处还分别加装了1只微动开关作限位保护，以确保立体仓库在程序出错时不损坏；微动开关原理图如图所示。

微动开关原理图

（6）、并联型开关稳压电源

并联式开关稳压电源的输出功率大、体积小、重量轻、可靠性高、适应变动宽范围的输入电压，具有完备的过电压过电流保护功能，内置输入EMI滤波器，具有较高的抗干扰能力。

在该立体仓库控制系统中，考虑到PLC和步进电动机驱动器都要求DC24V电源，综合考虑系统的用电量、系统运行的可靠性和系统设计的规整性，我们选用并联式开关稳压电源。

6、 PLC输入输出分配表

根据系统的要求，系统的I/O分配见下表所示

PLC输入输出分配表

二、 系统硬件设计

1、 电气原理图的设计

根据立体仓库的课题设计要求，得出如下图电气原理图。

DC24V

示

灯

电气原理图

2、 主电路图的设计

U V W

主电路图

三、 系统软件设计

1、系统流程图

根据系统工作过程的分析得出，示意图所示。

系统软件流程图 取操作：

送操作：

2、PLC的软件设计

------备注：软件梯形图以6号货位的存取为例，简化软件图

见附录1

结论

本系统通过最终调试表明本控制系统能够较为准确地完成对货物的存取功能，而且运行比较灵敏、可靠、。但同时也暴露出了一系列问题，在具体应用中可以采用半闭环控制，传感器采用旋转编码器，旋转编码器安装在传动丝杠轴端，既能判定速度，又能确定位置，比较精确可靠。驱动采用步进电机驱动，转速可以提高，力矩也较大，灵敏度也高，更接近与实用。

另外在工作台上安装机械自锁，以提高安全。在智能化上可以提高，在工作台上安装接近传感器，防止工作台与仓库、存放货物等相撞。增加记忆、逻辑判定、自动存放、自动提取、采用条形码识别自动执行等方式。利用上位机编程组态软件，来提高控制方式增加数据分析等工作能力。

附录1：

启动触钮

急停触钮

启动

M0.0 ）

启动完成

自动触钮

取货选择

取货程序

M7.2

）

启动完成

自动触钮

送货选择

送货程序

M0.2

）

启动

选择取货选择送货

0号仓检测

I2.2I0.2

取出1号仓库键

I0.6

显示错误

Q1.0 ）

1号仓检测

1号仓检测

I2.3I0.3

送进

0号仓检测

0号仓检测

取出2号仓库键

I0.7

2号仓检测

2号仓检测

I2.4I0.3

送进

0号仓检测

0号仓检测

取出3号仓库键

3号仓检测

3号仓检测

I2.5I0.3

送进

0号仓检测

0号仓检测

I2.2I0.2

取出4号仓库键

I1.1

4号仓检测

4I2.6号仓检测

I0.3

送进

0号仓检测

0号仓检测

取出5号仓库键

I1.2

5号仓检测

5号仓检测

I2.7I0.3

送进

0号藏检测

I2.2

0号仓检测

I2.2I0.2

取出6号仓库键

I1.3

6号仓检测

6号仓检测

I3.0送进

0号仓检测

I2.2

对1号仓进行取货（送货）操作时，要确保0号仓库无货（有货），且1号仓库有货（无货），否则显示操作错误。

对2号仓进行取货（送货）

操作时，要确保0号仓库无货（有货），且2号仓库有货（无货），否则显示操作错误。

对K号仓进行取货（送货）

操作时，要确保0号仓库无货（有货），且K号仓库有货（无货），否则显示操作错误。

0号仓检测

取出7号仓库键

显示错误

Q1.0 ）

7号仓检测

I3.1

7号仓检测

送进

0号仓检测

I2.2

0号仓检测

取出8号仓库键

I1.5

8号仓检测

8号仓检测

I3.2I0.3

送进

0号仓检测

0号仓检测

I2.2I0.2

取出9号仓库键

I1.6

9号仓检测

9号仓检测

送进

0号仓检测

0号仓检测

I2.2I0.2

取出10号仓库键

I1.7

10号仓检测

10号仓检测

I3.4I0.3

送进

0号仓检测

0号仓检测

I2.2I0.2

取出11号仓库键

I2.0

11号仓检测

11号仓检测

I3.5送进

0号藏检测

0号仓检测

取出12号仓库键

12号仓检测

12号仓检测

I3.6I0.3

送进

0号仓检测

选择送货0号仓检测

M0.2I2.2

1仓检测

I2.3

2仓检测

I2.4

3仓检测

I2.5

12号仓检测

I3.6

下一步

M0.4

检测完毕

M0.3

）

当前步

Q0.5 ）

取处货物

在“送货”状态下，对0—12号仓库进行检测，确认0号仓库有货，1—12号仓库无货后将货物从0号仓库中取出来。堆垛机前进三步

检测完毕6号仓库前进限制取消下一步

M0.3I1.3I3.7I0.4M3.1

循环模块FOREN

ENO

当前步

M2.7 ）当前步

VW3INDX+1INIT 前进

+3FINAL

Q0.0 ）

检测完毕

取消下一步

M0.3

6号仓库

I1.3

向上限制I4.2I0.4M3.1

当前步

M3.0 ）当前步

向上

Q0.2 ）

6号仓库键显示6号

Q1.6

）

前进完成

向上完成送进限制

I4.5

下一步

当前步

M3.1 ）当前步

送进

Q0.4 ）

送进完成6仓有货后退限制下一步循环模块当前步

FORM3.2EN

ENO

）VW3INDX当前步

+1INIT 后退

+3FINAL

Q0.1 ）

送进完成

6仓有货

向下限制

下一步

当前步

M3.2 ）当前步

Q0.3向下

）

堆垛机向上一步

显示6号仓库

把货物送到6号仓库内

堆垛机后退三步

堆垛机向下一步归位至0号仓库

选择取出

0号仓检测6仓检测

检测完成

M10.4 ）

检测完毕

6号仓库

前进限制

取消

下一步

M10.4

I1.3

I3.7I0.4M10.7

循环模块当前步

FORM10.5EN

ENO

）VW3INDX当前步

+1INIT +3FINAL

Q0.0前进

）

检测完毕

6号仓库

向上限制取消下一步

M10.4

I1.3

I4.2I0.4M10.7

当前步

M10.6 ）当前步

Q0.2向上

）

6号仓库键

显示Q1.6

6号

）

前进完成

向上完成取出限制

I4.6

下一步

当前步

M10.7 ）当前步

Q0.5取出

）

取出完成6仓无货后退限制下一步循环模块当前步

FORM11.0EN

ENO

）VW3INDX当前步

+1INIT +3FINAL

Q0.1后退

）

取出完成

6仓无货

向下限制

下一步

当前步

M11.1 ）当前步

Q0.3向下

）

检测0、6号仓库，当0号仓无货，6号仓有货时，执行取货堆垛机前进三步

堆垛机向上一步

显示6号仓库

把货物从6号仓库取出

堆垛机后退三步

堆垛机向下一步归位至0号仓库

堆垛机归位

0号仓检测

当前步

M15.6

）

归位归位

控制系统执行 1~12号仓库取货。取货完成，堆垛机归位到0号仓库后，将货物送进到0号仓库。

Q0.4 ）

送进

归位

归位

归位

归位

归位

归位

归位

归位

归位

专业设计任务书、指导书

专业设计题目：立体仓库PLC控制系统设计 Ⅰ.专业设计任务书（学生姓名：陈帅，杨亚松，朱植建）

Ⅱ.专业设计指导书