PLC实现对立体仓库的控制

1引言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。机械手是自动化立体仓库的重要组成部分，主要运用于存取设备,例如堆垛机等。2第一章自动化立体仓库1．1自动化立体仓库的发展自动化立体仓库又称立库、自动存取系统AS/RS(AutomaticStorage&RetrievalSystem)，是一种用高层立体货架(托盘系统)储存物资，用电子计算机控制管理和用自动控制堆垛运输车进行存取作业的仓库。使用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；采用自动化技术后，还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要；计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了货物处理和信息处理过程中的差错；同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。自动化仓库的信息系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，减少了浪费，保证均衡生产，也提高了操作人员素质和管理人员的水平。自动化立体仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产和技术发展的结果。1963年美国首先在仓库业务中采用计算机控制，建立了第一座计算机控制的立体仓库。我国的立体仓库起源于上世纪七十年代末，1980年我国自行研制的第一座自动化立体仓库投入使用。近几年来立体仓库在我国得到了迅速的发展，大型的自动化程度很高的仓库不断建成，主要应用于汽车(如东风汽车)、家电(海尔)、烟草(红塔集团)、印刷，化工(仪征化纤)等行业。自动化立体仓库通常有以下几种分类方式，按建筑形式可以分为整体式和分离式；按自动化仓库与生产连接的紧密程度可分为独立型(也称离线型)、半紧密型和紧密型仓库(在线型)；按货物存取形式可以分为单元货架式、拣选货架式；按照在生产流通中的作用可以分为生产性仓库和流通性仓库；按货架的结构形式可以分为单元货格式、贯通式、水平循环式和垂直循环式，其中以单元货格式仓库使用最广。自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。它主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统所组成。货物存储系统由立体货架的货格(托盘或货箱)组成，货架按照排、列、层组合而成立体仓库储存系统；货物存取和3传送系统承担货物存取、出入仓库的功能，它由有轨或无轨堆垛机、出入库输送机、装卸机械等组成；自动化立体仓库视情况不同采取不同的控制方式：有的仓库只采取对存取堆垛机、出入库输送机的单台PLC控制，机与机无联系；有的仓库对各单台机械进行联网控制。更高级的自动化立体仓库的控制系统采用集中控制、分离式控制和分布式控制，即由管理计算机、中央控制计算机和堆垛机、出入库输送等直接控制的可编程序控制器组成控制系统。近几年出现的智能自动化仓储技术还处于初级发展阶段，在二十一世纪仓储技术的智能化将具有广阔的应用前景。1.2自动化立体仓库模型研究的意义自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下，自动地完成物品的存放和取出的系统，根据这个原理结构，设计了自动化立体仓库模型控制系统。本设计的自动化立体仓库模型主要应用于自动化等相关专业教学仪器的演示部分，目的是帮助自动化等相关专业的学生了解自动化立体仓库的基本结构、设计原理以及整个控制系统的工作过程、熟悉电气控制的基本原理，了解电气控制在现代科技应用中的重要性，以及PLC应用在现代控制系统中的作用和一些不可替代性的优点。熟悉PLC的外围电路设计、软件设计方法和设计流程等。同时本系统在设计方案上结合了正在开发的自动化立体仓库模型，并对其技术方案进行了描述，为日后自动化立体仓库的具体实施作一个技术上的参考。使未来自动化立体仓库的设计更趋于完美化。1.3本课题研究的任务和目的立体仓库库是现代社会存储系统中迅速发展的一个重要组成部分，它具有节约用地、减轻劳动强度、消除差错、提高仓储自动化水平及管理水平、提高物流效率等诸多优点[7]。本课题研究的任务：根据自动化立体仓库运行的基本原理，通过大学阶段所学的知识设计一套基于PLC的自动化立体仓库运动的控制系统，具有根据用户的输入，三个坐标方向电机能够准确移动、定位以实现物品的正确存放功能。具体完成的任务如下：（1）命令键盘的设计。（2）熟练掌握PLC程序设计方法。（3）应用PLC完成硬件电路的设计。（4）设计出相应的程序，并且通过调试。（5）在立体仓库模型上进行物品装卸试验。本课题研究的目的：通过对仓库模型控制系统的设计研究，能够对自动化立体仓库设计的基本工作原理有一定的认识，并且对大学阶段所学知识能够进一步的深化，对理论知4识和实际应用之间的相互转化有更具体的理解，特别是对PLC技术、数字电路、机电一体化技术有了更进一步的认识。以及PLC的程序设计有了更认真地学习和运用。另外，通过对此课题的学习研究，还可以培养自己独立解决实际问题的能力，为以后的学习打下基础。5第二章系统方案总体设计2.1设计思想本设计是以可编程控制器（ProgrammableLogicController简称PLC）为核心，控制步进电机驱动一个有三个自由度的仓库模型来模拟现实中立体仓库的存取过程。在整个立体仓库运行过程中采用开环控制方式，专用键盘为人机接口元件，PLC为控制元件，步进电机为执行元件来驱动工作台在高强度导轨上做三维运动，其传动部件为高精度丝杠传动。运行时PLC会接收和分析操作人员在命令键盘上的输入指令，做出合理的工作安排。即读取执行元件的信息，通过软件做出合理的工控安排，反馈到执行元件和操作系统，实现车位的位置移动。本设计所应达到的具体功能如下：（1）PLC根据键盘的命令实现十六个空位的自动存取。点击键盘上相应的空位号，系统会自动寻找此空位来实现物品的存放，存放结束后自动返回原点，等待下一个存放命令。PLC接受键盘存放命令向目标空位靠近的运动默认为有负荷运动，此时为低速运动，以获得较大的电机转矩，回原点的运动默认为空载，此时工作台快速移动，可以节省工作时间，提高效率。（2）具有急停功能。当系统在运行的过程中发现其它意外等，可以点击急停按键，此时系统会立即停止运行并保持原位置。但系统再次运行务必要回原点校正。因为系统采用开环控制，其速度有步进电机接受的脉冲频率决定，运行位移量有脉冲数目决定。而各空位对应的脉冲频率、数量数据均由程序设定。另外从系统运行时的可靠性和安全性角度考虑，所有的数据均应参考原点而设置。所以系统每次任务结束后都必须回原点进行校正，避免执行错误命令，发生意外[。（3）能够快速返回原点。当出现急停时可以快速回原点校正。此按键只有在急停之后才有效。也就是此按键的有效是以急停为条件的，这是从安全角度考虑设计的。本功能也可以作为原点校正用，长时间运行误差积累导致工作台不能精确定位，借此可以校正，但要先按一下急停键。（4）有手动和自动档选择，可以实现手动和自动两种控制方式。并且在键盘上标明导航键，分别用于控制X轴正向运行，X轴反向运行，Y轴正向运行，Y轴反向运行，Z轴正向运行，Z轴反向运行。规定远离原点为正向，靠近原点为反向。2.2课题方案论证目前自动化立体仓库已随着经济的发展开始越来越流行起来，其设计也在不断的趋向6于完美化，本仓库模型系统的设计也有很多不同的方法。我们对仓库模型控制作了两种设计方案，并对其进行了研究和讨论。方案一：基于单片机的仓库模型控制系统的设计。采用单片机作为主控制器来控制步进电机的控制系统，系统所要设计的控制电路较多，较为复杂。而且整个控制系统的开发周期长。由于需设计的电路居多，所以系统的软件程序设计复杂，难于实现。4用PLC实现对立体仓库的控制方案二：基于PLC仓库模型控制系统设计，它具有很多其他设计方法不可比拟的优点：（1）可靠性高、环境适应性强：可编程控制器输入/输出端口均采用继电器和光电耦合器件，采取了隔离和抗干扰措施，所以具有很高的抗干扰能力；（2）通用性好：由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU模块、电源模块、PID模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性。（3）使用方便、灵活：对于不同的控制系统，当硬件结构选定后，如果输入/输出作很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线做较大的修改，减少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。（4）具有顺序、周期性的工作特征。（5）体积小；由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化。综上所述：我们选择方案二，即PLC作为设计中的主控制系统，能够很好的满足设计要求，达到设计的目的。2.3主要器件简介PLC是近年来发展极为迅速、应用极为广泛的工业控制装置。它将传统的继电器控制技术、自动化技术、计算机控制技术和通信技术融为一体专门为工业控制而设计，具有可靠性高、功能强、编程简单、使用方便、环境适应性好以及体积小、功耗低等特点；具有基本控制功能、步进控制功能、模拟控制功能、定位控制功能、网络通信功能、自诊断功能、显示监控功能等，可以满足对工业生产进行监视和控制的绝大多数场合的需要。PLC最常用的语言是面向控制的梯形图语言，它采用了与实际电器原理图非常接近的图形编程方式，易学易用。具体特点如下：（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外部电路与PLC内部电路7之间电气上隔离，使其安全工作。（2）各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms；（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）一旦电源或其他硬件等设备发生异常情况，CPU立即采用有效的措施，以防止故障扩大。（6）PLC可以真对不同的工业现场信号有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备。PLC的工作原理具体如下：PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等到扫描到该触点时才会动作。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。具体过程如下：（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内，输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的数据和状态也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按照先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。（3）输出刷新阶段当用户程序结束后，PLC就进入输出刷