毕业论文基于西门子S一PLC的立体仓库控制系统的设计

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1、基于西门子S7一200PLC的立体仓库控制系统的设计摘 要自动化立体仓库集存储、搬运、输送、分发一体，作为工业物流与计算机集成制造系统(CIMS)的一部分，代表了当今物流发展的趋势。为了对自动化立体仓库进行更加有效的管理，提高整体作业效率，要求对控制系统进行优化设计，对货位进行优化分配，以减少货物搬运和存储的成本，降低在存储及搬运过程中所损耗的时间，从而降低物流成本，提高收益。本文构建了一个实验室规模的自动化立体仓库系统，系统是由管理层、监控层和执行层组成的二级系统。在管理系统中，根据自动化立体仓库中存放货品的特点，提出了采用分类随机存储和定位存储相结合的货品存储策略。按照货品出入库频度进行货

2、位存储区域划分，提高了货位和存储区域的利用率。同时针对因同类货品集中进行出入库操作而导致巷道阻塞的问题，在进行货位分配设计时采用一种均匀分配算法，结合电子标签技术，实现了货位的自动均匀分配勺就近出入库，并运用此均匀分配算法实现了批量出入库作业和单件出入库作业。执行系统由进/出货辊道、机械手、堆垛机三个部分组成。研究了整个控制系统的组成结构与控制原理，进行了总休功能设计重点设计了PLC控制的程序模块，实现了各个单元的单动控制与联动的顺序控制。同时通过PROFIBUSDP现场总线网实现三台PLC的连接以及与监控系统的通信，接收出入库指令，完成相应的出入库操作。为了确保二级系统之间的协调运行，管理层

3、与监控层的通信实现也是很重要的。采用OPC技术实现了两者的通信，重点研究了组态软件WinCC中的通信设计以及全局脚本的编写。本系统经过调试与设备的运行，各部分功能正常;系统=级分层之间实现了相应的通信，灵活的货品存储策略与货位的自动均匀分配克服了传统立体仓库的许多不足，提高了仓库货位利用率和出入库效率，达到了预期的效果，不仅保持了系统的灵活性与可靠性，而且提高了整个仓储系统的自动化水平与工作效率。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

4、“立体仓库”。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，chengwi当今世界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年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年开始研制我国第一座有

5、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。到目前为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。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。1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为

6、可编程逻辑控制器，简称PLC（Programmable Logic Controller）。70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（Programmable Controller）。但由于PC容易与个人计算机（Programmable Computer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的

7、存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻辑运算（2）弱电控制强电。PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。可编程控制器，简称PLC。它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易，.维护工作量少3.功能强、

8、通用性好4.开发周期短，成功率高5.体积小，重量轻、功率低等特点。已经广泛用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统相比更可靠；占位空间比继电接触器系统小；价格上能与继电接触器系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。因此，进行立体仓库的PLC控制系统的设计，可以推动机械手行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。1.2本课题设计的内容本文研究的主要内容包括三个部分：基于电子标签技术的仓储物流管理系统：基于西门子S7

9、一200PLC的下位执行机构自动控制系统的实现以及PLC程序的编制：管理层、监控层、控制层三层之间的通信实现。在管理系统中，研究内容涉及到：自动化立体仓库的出入库方式、存储策略及货位分配原则：根据自动化立体仓库中存放货品的特点，提出了采用分类随机存储和定位存储相结合的货品存储策略。结合电子标签技术，根据货品出入库频度划分货品的大致存储区域：在此基础上，使用货位自动均匀分配算法实现货位的均匀分配与货品的就近出入库;最后根据此算法实现了批量出入库作业和单件出入库作业。在执行系统中，研究内容涉及到：构建一个实验室规模的自动化立体仓库系统;分析整个控制系统的构成以及电气控制原理，进而对下位执行系统进行

10、总体功能设计，并对各单元PLC的控制功能模块进行了分析;最后迸行PLC程序的编写，局部调通之后再将三个部分整合在一起进行调试，实现三个单元的顺序控制。在管理层 、监控层、控制层的网络结构与通信实现中主要研究OPC通讯实现过程中，组态软件WinCC中的相应设置：监控层与控制层的基于现场总线PROFIBUS的具体组网通讯实现以及WinCC中全局脚本的编写，最终实现管控一体化。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

11、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

12、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。2自动化立体仓库的概述2.1.自动化立体仓库的定义和分类自动化立体仓库系统(Autoamted Sotrage And Retireval System,AS/RS)是在不直接进行人工处理的情况下能自动存储和取出物料的系统，它的主体是自动化立体仓库。自动化立体仓库是指采用高层立体货架(托盘系统)储存货物，利用计算机系统进行控制管理，利用自动控制堆垛机及运输车进行存取作业的仓库。自动化立体仓库能自动、严

13、密、准确、迅速地对物料进行搬运、存取和拣选。自动化立体仓库由以下部分组成： 高层货架：用于存储货物的钢结构。目前主要有焊接式和组合式货架两种基本形式。托盘（货箱）：用于承载货物的器具，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：立体仓库的主要外围设备，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，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：驱动自动化立体仓库系统各

14、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。库存信息管理系统：亦称中央计算机管理系统。是自动化立体仓库系统的核心。目前典型的自动化立体仓库系统均采用大型的数据库系统（如ORACLE，SYBASE等）构筑典型的客户机/服务器体系，可以与其他系统（如ERP系统等）联网或集成。自动化立体仓库按照不同的分类原则可以有如下几种不同的分类：1 按建 筑 形式分类按建筑形式可以分为整体式和分离式。整体式指货架除了存储货物之外，还可以作为建筑物的支撑结构，即库房与货架形成一体化结构。分离式是指储存货物的货架独立存在，建在建筑物内部，主要用于高度不大或者己经有建筑物的情况。2. 按货架形式分类（1

15、）单元货格式货架仓库。这种形式的仓库使用最广，通用性也较强。其特点是货架沿仓库的宽度方向分为若干排，每两排货架为一组，其间有一条巷道，供堆垛机或其它仓储机械作业。每排货架沿仓库纵长方向分为若干列，沿垂直方向又分为若干层，从而形成大量货格，用以储存货物单元。在大多数情况下，每个货格存放一个货物单元(一个托盘或一个货箱)。在某些情况下，例如，货物单元比较小，则一个货格往往存放二、三个货物单元以便充分利用货格空间，减少货架投资。本论文研究的对象就是单元货格式自动化立体仓库。(2 )贯通式货架仓库。在单元式货架仓库中，巷道占去了1/3左右的仓库面积，为了进一步提高仓库面积利用率，可以取消位于各排货架之

16、间的巷道，将货架合并在一起，使同一层、同一列的货物互相贯通，形成能依次存放许多货物单元的通道。在通道的一端，由一台入库起重机将货物单元装入通道，而在另一端由出库起重机取货。(3 )水平旋转货架式仓库。水平旋转货架式仓库中，货架本身可以在水平面内沿环形路线来回运行。需要提取货物时，操作人员只需要在操作台上发出出库指令，相应的一组货架便开始运转，当有该货物的货柜来到拣选口时，货架便停止运转，操作人员就可以从货柜中拣选货物。水平旋转货架式仓库适合于小件货品的拣选作业。(4) 垂直旋转货架式仓库。垂直旋转货架式仓库与水平旋转货架式仓库相似，只是把水平面内的旋转改为垂直面内旋转.垂直旋转货架式仓库特别适

17、用于存放长的卷状货物，如地毯、胶片卷等，也可用于小件货品存储。3. 按照作业方式分类按作业方式可以分为单元货架式、移动货架式和拣选货架式三种立体仓库。单元货架式仓库是最常见的结构，货物先放在托盘或者集装箱内，再装入单元货架的货格中。移动货架式仓库中的货架可以在轨道上行走，由控制装置控制货架的合拢和分离。作业时，货架分开，在巷道中可进行作业。平时货架可以合拢，只留一条作业巷道，从而减少仓库面积，提高空间的利用率。拣选货架式仓库的分拣机构是这种仓库的核心组成部分。它有巷道内分拣和巷道外分拣两种方式。两种分拣方式又分为人工分拣和自动分拣。4. 按照自动化仓库的作用可以将其分为生产性仓库和流通性仓库两

18、种。5. 按照自动化仓库与生产连接的紧密程度可以分为独立型、半紧密型和紧密型仓库。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、光缆线等，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，是其它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

19、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拨号上网快30多倍，比ADSL更快！足以支持现在网络上各种应用。更高速率的PLC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”不用繁琐的拨号过程，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。7、家庭数字化 PL

20、C技术能够通过电力线将整个家庭的电器与网络联为一体，在室内的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网，使人们能够通过网络来控制自己家里的电器设备。2. 3自动化立体仓库的现状及发展趋势我国 在 自 动化立体仓库的研究和应用方面起步较早。1963年，北京起重运输机研究所设计了第一台1.25t桥式堆垛机，并由大连起重机厂完成试制。1974年，郑州纺织机械厂建成了我国第一座立体仓库，这座仓库是利用原有锯齿形厂房改建而成的，用于存放模具。1977年，北京起重运输机研究所等单位研究制造出北京汽车制造厂自动化仓库，这座自动化仓库属于整体式结构，采用计算机进行控制和数据处理。从此以后，自动化立体仓库在我国得到迅

21、速发展。我国目前己经建成数百座各种类型的自动化仓库，多数是中小型自动仓库。目前，自 动化立体仓库在发达国家己相当普遍，日本是自动化仓库发展最快、建造数量最多的国家。此外，美国、德国、瑞士、意大利、英国和法国等国家也建造了许多自动化仓库。发展至今，自动化仓库在设计、制造、自动化控制和计算机管理方面的技术也日趋成熟。近些年我国自动化仓库技术发展很快，己实现了与其它信息决策系统的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。尽管如此，至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距.由于自动化立体仓库在当今物流和制造业中的

22、广泛应用、计算机技术和网络技术的推波助澜，使得立体仓库的发展十分迅速，其发展趋势主要有：1 仓储作业管理自动化水平逐步提高。随着生产的进一步发展，对物流的要求将更加严格。具体来说，就是在要求的时间内、在准确的地点、按准确的顺序与方法、提供准确的品种和数量的货物。2. 智能技术将会获得应用。人工智能技术的发展，推动了自动化技术向其高级阶段一智能化方向发展，已经在仓库的设计、搬运系统的控制和储运设备的选用等方面应用了专家系统。3. 仓库作业向柔性化发展。随着柔性化的普及，自动化仓库的储运作业也将向柔性化发展。国外已经开始出现一批可拆卸的或移动式的仓库结构。2.4本文立体仓库模型与工作方式的设定本文

23、设定仓库类型为单元货格式自动化立体仓库;仓库规模设定为4巷道8排20列10层共计1600个货位:仓库中相关设备主要有巷道式堆垛机、出入库台(位于货架同侧)、辊道输送系统等设备，以上设备均通过S7200PLC 进行控制;工作方式为单元出入库作业和拣选出入库作业。同时设定管理级与监控级位于同一台计算机上，因此不需要进行远程访问，现场PC一PLC之间通信距离较短时，采用简单的PC用PI电缆来进行点对点的连结，三台PLC之间采用现场总线PROFIBUS一DP 网组成网络，实现数据交换与实时控制。2.5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，如下图21所示：在立体仓库控制系统的设计过程中主要

24、考虑以下几点：深入了解和分析立体仓库的工艺条件和控制要求。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。根据I/O点数选择合适的PLC类型。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。设计立体仓库系统的梯形图，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。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。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。确定课题研究课内容确定方案查找资料设计电气原理图根据

25、控制要求确定硬件配置根据要求编写程序系统结构的设计调试程序记录运行结果并分析总结错误图21立体仓库控制系统设计步骤3.自动化立体仓库PLC控制系统的硬件功能设计与实现3.1相关硬件简介3.1.1相关硬件简介1. 辊道输送机本系统中共设有二台辊道输送机，进货与出货可根据需要来设计程序进行自由控制。每台辊道输送机的前后均装有光电传感器，其作用是确认控制对象(以小实心物块代替)的所在位置。当有物体通过时，传感器所连接的继电器瞬间收到脉冲信号，从而确认其位置.为了真实的模拟物流搬运工序，辊道皮带设计为既可正转也可反转，速度也分为高速及低速两档。2. 四自由度机械手四自由度机械手为圆柱坐标型，可实现X轴

26、伸缩、Y轴升降、底盘旋转、臂、腕旋转功能。机械手用于辊道、出入库台之间的货物传递。3. 全自动立体仓库一台全自动堆垛机、一个巷道、二排货架(4层6列)和二个出入库台构成一个全自动立体仓库。全自动堆垛机其实质为一台三自由度机械手，有三个运行机构：升降运行机构、行走运行机构和货叉伸缩机构。4. 电子标签系统电子标签系统主要由读写器和电子标签组成。电子标签芯片采用了INTERMEC公司的915MHz芯片，通信数据速率为9600bps，具备防冲突机制，具备数据完整性及数据安全性。读写器采用美国Intermec公司的2100 915M读写器。该读写器支持串口及标准网口通信。读取距离可达5米，写入距离为读

27、取距离的70%。在开发的管理信息系统中，货品编码模拟EPC(Elceortn Prodctuino Cdoe)编码方式，对商品信息编码采用12个字节编码方式。第一个三位编码为生产厂商编号，第二个三位编码为客户编号，第三个三位编码为种类编号，最后一个三位编码为流水号。5. 传感器件本系统选用有光电传感器、颜色识别传感器、称重变送器、铁(金属)/非铁(非金属)识别传感器等。6 步进电机步进电机是美国SHAPHON公司与北京斯达特机电科技发展有限公司98 年初联合推出的SH系列步进电机驱动器，型号是SH一2H057M。它把计算机控制系统提供的弱电信号放大为步进电机能够接受的强电信号。控制系统提供给驱

28、动器两相重要的信号，一相为CP信号：每接受一个脉冲信号就驱动步进电机旋转一步距角，CP脉冲的个数决定了步进电机旋转的角度，这样控制系统通过脉冲信号CP就可以达到电机调速和定位的目的;另一相为方向电平信号DIR：它决定了电机的旋转方向。PLC具有高速计数以及脉冲输出的功能，通过特定的指令和特殊数据存储器可以产生驱动步进电机的脉冲信号，实现位置控制。7 通信处理器EM277EM 27 7是连接SIMATIC现场总线PROFIBUS一DP从站的通信模块，通过EM277可以将S7 200CPU作为现场总线PROFIBUS一DP的从站连接到网络中。EM277经过串行I/0总线连接到S7 200CPU。P

29、ROFIBUS网络经过其DP通信端口，连接到EM277PROFIBUS一DP 模块。作为DP从站，EM27模块接收从主站传来的多种不同的1/0配置，向主站发送和接收不同数量的数据。与许多DP站不同的是，EM277模块不仅仅是传输FO数据，EMZ277还能读写S7200CPU中定义的变量数据块。为了将 EM 277作为一个DP从站使用，用户必须设定与主站组态中的地址相匹配的DP端口地址。从站地址是使用EM277模块上的旋转开关设定的。在变动旋转开关后，用户必须重新启动CPU 电源，以便使新的从站地址起作用。一旦EM 277PROFBIUS一DP 模块己用一个DP主站成功地进行了组态，EM277和

30、DP主站就进入数据交换模式。在数据交换模式中，主站将输出数据写入到EM277PROFIBUS一DP 模块，然后，EM277模块响应最新的S7200CPU 输入数据。EM277模块不断地更新其从S7200CPU传来的输入，以便向DP主站提供最新的输入数据。然后，该模块将输出数据传送给S7200CPU。从主站传送过来的输出数据存放在V 存储器中(输出缓冲区)由某地址开始的区域内，自动化立体仓库PLC控制与货位分配研究而该地址是在初始化期间，由DP主站提供的。传送到主站的输入数据取自V存储器存储单元(输入缓冲区)，其地址是紧随输出缓冲区的。 3.1.2控制系统简介实验平台上的控制对象可分为三个控制区

31、域，即输送带、机械手及立体仓库。三个部分的自动控制采用的可编程控制器均为西门子57一20 系列PLC。三个部分可独立作为一个课题来进行实验开发研究，也可以将三个部分综合起来作为一个完整控制系统进行实验开发。1. 辊道输送机控制本系统中共有二台辊道输送带，其传动采用交流变频调速系统控制，可进行速度调节设定及正、反转控制。每台输送机可由安装在其上面的光电开关根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。在实验台的按钮板上有一些转换开关和按钮，用于手动控制操作。2. 四自由度机械手控制四自由度机械手的X轴伸缩、Y轴升降、底盘旋转驱动均采用步进电机，臂腕旋转采用直流电机驱动，夹爪采用气

32、动方式。主要完成从二台辊道输送机到立体仓库出入库台之间的货物传递。在实验台的按钮板上有一些转换开关和按钮，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的电源。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。主要根据设计程序，进行立体仓库进货的自动存储及出货的自动提取。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，行走的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，升降的位置靠碰到

33、限位开关计数来完成。在实验台的按钮板上有一些转换开关和按钮，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的电源。4 DP网主站在一台计算机中装有一块CSP161网卡和三块EM277DP网卡一起构成一个PROFIBUS一DP网。CP5611作DP网主站，其余三台作DP网从站。在主站计算机上带有西门子组态软件WinCC，用来监控整个DP网的运行，组网的具体方法将在软件设计部分详细介绍。3.2 S7200系列PLC与PC机的硬件连接本自动化立体仓库模型整个整个下位控制系统三大组成部分：辊道、机械手、堆垛机的自动控制实现用到的可编程控制器均是S7200系列PLC。同其它

34、的PLC一样基本组成也是由单元加编程器，在需要进行系统扩展时，系统组成中还包括：数字扩展单元模块、模拟量扩展单元模块、通信模块、网络、人机界面HMI等。 采用PC/PPT电缆建立个人计算机与S7200CPU的连接。具体实现过程如下：设置PC/PPI电缆开关（下0，上1）；在DIP开关上：选择计算机所支持的波特率：9600（123设置为010） 选择11位（4设置为0） 选择DCE（5设置为0）PC/PPI电缆的RS232端（标有PC）连接到PC的通信口：COM或COM2。PC/PPI电缆的RS485端（标有PPI）连接到CPU的通信口。图连接PC/PPI电缆自动化立体仓库控制系统的总体设计本文

35、研究的实验室规模的自动化立体仓库是一个集硬件、软件、通信、建模、仿真于一体的控制系统。在毕业论文的完成过程中，首先从对可编程逻辑控制器的学习入手，了解和熟悉了整个系统的的结构和电气连接图，完全领会本系统要完成的任务，掌握各电气设备的工作原理，以便更好地分析和处理工作中出现的问题。制定毕业论文的方案，即控制系统的流程分析和工作中要完成的任务。统计出用PLC控制整个系统所需要的模块和输入、输出点数，用三个S7200 系列PLC分别完成对辊道、机械手和堆垛机的控制。在熟悉了PLC的控制原理以后，进入到本次论文的重点：软件编程，先从局部着手，按照控制系统的三个组成部分，局部进行编程调试，当全部调通以后

36、，再完成入库、出库的自动编程、手动编程以及网络连接编程。同时要通过PROFIBUSDP现场总线网实现三台PLC 之间的数据传递。最后，完成与监控系统的通信，接收出入库命令，完成相应的出入库操作。3.3.1自动化立体仓库控制系统的整体功能分析整个实验室规模的自动化立体仓库采用分布式控制，有三个控制对象：辊道、机械手、堆垛机，每个控制对象由一台具有通信功能的57一20系列PLC控制，并且相互之间通过三个EM277(DP扩展从站模块)连接到PROFIBUs 一DP现场总线网上，实现与上位机的通信，各个PLC之间通过组态软件WinCC的控制中心进行数据交换，如图今32所示。上位机STMATIC200辊

37、道STMATIC200机械手STMATIC200堆垛机EM277PROFIBUS-DPEM277PROFIBUS-DPEM277PROFIBUS-DPPROFIBUS图32整个控制系统结构图整个控制系统的三个PLC首先需要完成独立的手、自动操作，最后将三个单元整合在一起，实现数据交换，接收监控系统发送过来的出入库指令、完成相应的出入库操作，并成功返回操作完成信号。.2自动化立体仓库控制系统各单元I/O点的分配整个系统中，辊道控制系统所采用的PCL 是S7一200 CPU224，该部分系统总共使用了13个输入点、9个输出点，具体的I/O点分配如表31、表3-2所示。表31辊道输入元件地址分配表表

38、32辊道输出元件地址分配表 机械手控制系统所采用的PLC 是S7200 CPU226，该部分控制系统总共使用了23个输入点、巧个输出点，具体的I/O点分配如表33、表34所示。表33机械手输入元件地址分配表表34机械手输出元件地址分配表堆垛机控制系统所采用的PLC是S7200 CPU226，该部分控制系统总共使用了24个输入点、16个输出点，具体的I/O点分配如表35、表36所示。所示。表35 堆垛机输入元件地址分配表表36堆垛机输出元件地址分配表3.4自动化立体仓库控制系统各单元PLC控制功能模块设计根据总体控制系统方案，结合硬件原理图、软件编程、网络通信等相关方面，完成辊道进/出货控制、四

39、自由度机械手搬运货品控制和堆垛机运送货品控制的局部调试。最后实现控制系统的顺序控制。在实际自动化立体仓库系统中，PLC控制器直接与物流自动线相连，处理从自动线输入的各种位置信号以及检测信号，同时根据自动线的运行情况，输出各种控制信号，来控制自动线上的各种操作。因此，PLC作为控制器协调系统的运行。PLC控制程序的编写，必须按照自动线的运行要求来编写。在本文中，PLC逻辑控制程序采用梯形图的方式进行编写，参考实际的工作流程，根据传感器的信号去控制运行设备的不同动作，为使程序简单应把常用的程序段设置为子程序进行调用。三个单元PLC 实现顺序控制的程序流程大致如图33所示。开机检测，系统初始化收到W

40、inCC发送过来的入库操作信号收到WinCC发送过来的出库操作信号点动进货装置检测到货物，入库辊道动作，调用子程序0WinCC将辊道进货运行结束信号发送给机械手PLC机械手动作，调用子程序2WinCC将机械手运行结束信号发给堆垛机，堆垛机动作，调用子程序3入库结束将入库完成报告返回监控系统，堆垛机复位，等待下一个指令。堆垛机动作，调用子程序4WinCC将堆垛机运行结束信号发送给机械手PLC，机械手动作，调用子程序5WinCC将机械手运行结束信号发送给辊道，出货辊道动作，调用子程序1出库结束，将出库完成报告返回监控系统，等待下一个出库操作命令 图33自动化立体仓库总体流程图3.4.1辊道进/出货

41、控制功能模块设计根据变频器工作原理及其与PLC的连接，编写程序进行调试，完成辊道输送带的启/停控制，正/反转控制，高/低速控制，并且把进出货光电传感器的信号送入PLC，通过FO送给组态监控软件WinCC，再用OPC方式把数据参数送给管理信息系统，并通过ADO技术把数据送往数据库作为货品信息存储起来。在 STEP 7Micro/WIN编程环境中作者主要设计的程序模块有：主程序、进货辊道运行程序、出货辊道运行程序、初始化程序、DP网通信程序。进货辊道运行程序主要完成从进货点动装置启动到进货完成的过程。程序中还编制实现了进货变频器的正转和反转。进货辊道上有一个进货辊道后光电开关。出货辊道运行程序主要

42、完成从接收机械手运行结束信号到货物出库完成的过程。程序中同样编制实现了出货变频器的正转和反转.出货辊道上有两个光电开关：出货辊道前光电、出货辊道后光电。DP 网通信程序主要完成辊道与组态软件枯WinCC的变量组态连接。根据对辊道进/出货控制功能的分析，子程序0实现的功能：进货点动装置检测到货品后，入库辊道开始动作，当辊道上的光电开关检测到货品到达后，入库辊道停止运行。子程 序 1实现的功能：WinCC将机械手运行结束信号传送给出库辊道。出库辊道前端的光电开关检测到货品，出库辊道动作，当后端的光电开关检测到货品到达后，出库辊道停止运行。一次出库操作完成，返回出库成功信息给WinCC。子程序0和子

43、程序1的流程图，如图34、图35所示初始化收到WinCC发送来的入库指令进货辊道位是否为1进货辊道正转进货辊道后光电位是否为1否是否是进货辊道停止运行图34子程序0流程图 初始化收到WinCC发送来的机械手运行结束指令出货辊道前光电位是否为1出货辊道正转出货辊道后光电位是否为1否是否是出货辊道停止运行图35子程序1流程图3.4.2四自由度机械手控制功能模块设计图36四自由度机械手1. 3号辊道货台2. 2号辊道货台3.抓手步进电机4. 1号辊道货台5.升降步进电机6、8.堆垛机货台7.转盘直流电动机机械手接收入库光电传感器的开关指令。利用步进电机的工作原理，编写程序，完成机械手的伸缩、升降、底

44、盘回转和抓手抓紧等动作，同时运行到位后，向堆垛机发出启动命令。在 SETP7Micro/WIN编程环境中作者主要设计的程序模块有：主程序、入库程序、出库程序、初始化程序、X轴移动程序、Y轴移动程序、底盘转动程序、抓手动作程序、调试程序。入库程序主要实现机械手从进货辊道抓取货物，通过X轴移动、Y轴移动以及底盘转动将货物放至入库台。机械手具有5个位置：0号位(复位位置)、1号位(对应右排出入库台)、2号位(对应出货辊道)、3号位(对应进货辊道)、4号位(对应左排出入库台)。入库启动时，机械手源位为3号位，目的位与堆垛机选择相符，若堆垛机选择左排，则目的位为4号位;若堆垛机选择右排，则目的位为1号位

45、。所以，入库程序分为入库启动3号位到1号位和入库启动3号位到4号位两大块。完成入库操作后，机械手自动复位。X轴移动程序主要实现机械手在X轴方向的动作。X轴移动通过步进电机进行控制。采用高速脉冲数处理指令PLS来完成步进电机脉冲控制。在S7一200中，只有输出继电器Q0.0和Q0.l具有高速脉冲输出功能。使用Q0.0作为机械手X轴移动高速脉冲串的输出端，采用SMB67 作为高速脉冲输出的控制字节。在进行设计以及通过多次运行调试后，最终确定X轴1号位前移脉冲数为3600，X轴2号位前移脉冲数为33500，X轴3号位前移脉冲数为33500，X轴4号位前移脉冲数为35000。采用PLS指令完成步进电机

46、脉冲控制的PLC程序设计如图36所示。机械手X轴方向设置了三个限位开关：X轴前限位、X轴中限位、X轴后限位。Y轴移动程序主要实现机械手在Y轴方向的升降动作。Y轴移动也是通过步进电机进行控制。作者同样采用高速脉冲数处理指令PLS来完成步进电机脉冲控制。使用QO.1作为机械手Y轴移动高速脉冲串的输出端，采用SMB7作为高速脉冲输出的控制字节。作者在进行设计以及通过多次运行调试后，最终确定Y轴1号位下降脉冲数为3800，X轴2号位下降脉冲数为3600，X轴3号位下降脉冲数为36500，X轴4号位下降脉冲数为3700。相应的程序设计如图初始化程序用于初始化X轴移动和Y轴移动时的脉冲设置。底盘转动程序包

47、括底盘限位计数、底盘当前位置、底盘转动三块。底盘限位计数程序段中采用一个递增计数器进行计数，预设值为10。底盘转动也采用步进电机进行脉冲控制。底盘转动有两个限位开关：底盘正转限位和底盘反转限位。抓手动作程序完成机械手的取放货物动作。抓手动作采用气泵进行控制。调试程序用于进行实验调试，主要完成的工作是确定机械手X轴移动和Y轴移动在4个位置时所需要的脉冲数，以确保机械手的准确动作。DP网通信程序主要用于机械手与组态软件Wi nCC之间的变量组态连接。根据以上对机械手功能模块的分析。子程序2实现的功能：WinCC将入库辊道运行结束信号传送给机械手PLC，置其源位为3号位。根据winCC传送过来的货位

48、排，选择左/右排，选择左排时置其目的位为4号位，选择右排时置其目的位为1号位。机械手通过X轴前后伸缩和Y轴升降以及臂腕动作和抓手动作，将货品从入库辊道传递到左/右排出入库台。子程序5实现的功能：WinCC将堆垛机运行结束信号传送给机械手，机械手开始动作，根据勿右排信息分别选择其源位为4号位和1号位，目的位为2号位(出库辊道)。机械手通过X轴前后伸缩和Y轴升降以及臂腕动作和抓手动作，将货品从左/右排出入库台传递到出库辊道。子程序2和子程序5的流程图收到WinCC发送过来的辊道运行结束信号X3号位前移是否到位Y3号位下降是否到位启动3号位X轴后移Y3号位上升是否到位启动1号位X轴前移，Y轴下降1号

49、位X轴前移到位，Y轴下降到位启动1号位X轴后移，Y轴上升1号位X轴后移到位，Y轴上升到位转盘源位限位入库启动1号位到0号位启动4号位X轴前移，Y轴下降4号位X轴前移到位，Y轴下降到位抓手动作，手腕旋转启动4号位X轴后移，Y轴上升4号位X轴后移到位，Y轴上升到位转盘源位限位入库启动1号位到0号位否是启动3号位Y轴下降是抓手动作，手腕旋转是启动3号位Y轴上升X3号位后移是否到中限位是入库启动3号位到1号位是目的位是否为1号位否否否否初始化启动3号位X轴前移目的位4号位入库启动3号位到4号位抓手动作，手腕旋转入库启动0号位到3号位初始化收到WinCC发送过来的堆垛机运行结束信号X1号位前移是否到位Y

50、1号位下降是否到位启动1号位X轴后移Y1号位上升是否到位是启动1号位Y轴下降是抓手动作，手腕旋转是启动1号位Y轴上升X1号位后移是否到中限位否否否否启动1号位X轴前移出库启动0号位到1号位出库启动1号位到2号位是目的位为2号位X4号位前移是否到位Y4号位下降是否到位启动4号位X轴后移Y4号位上升是否到位是启动4号位Y轴下降是抓手动作，手腕旋转是启动4号位Y轴上升X4号位后移是否到中限位否否否否启动4号位X轴前移出库启动0号位到4号位出库启动4号位到2号位是目的位为4号位启动2号位X轴前移，Y轴下降2号位X轴前移到位，Y轴下降到位启动2号位X轴后移，Y轴上升2号位X轴后移到位，Y轴上升到位转盘源

51、位限位入库启动2号位到0号位抓手动作，手腕旋转3.4.3全自动堆垛机控制功能模块设计图3 全自动堆垛机1.升降电动机2.货叉3、6.传动丝杠4.货品5.货格7.行走电动机在设计堆垛机控制功能模块的首先要考虑堆垛机的自动认址和调速控制。1. 巷道堆垛机是自动化立体仓库中最主要的设备，它通过对货物进行存取和转移，完成入库、出库和倒库功能。为此堆垛机具有三大机构:运行机构、起升机构、货叉伸缩机构。运行机构与起升机构使堆垛机到达指定货位。货叉伸缩机构与起升机构组合完成存取作业。这三大机构是由堆垛机的自动控制系统控制的。因此自动控制系统对于堆垛机是至关重要的。在设计堆垛机的自动控制系统时，首先必须解决堆

52、垛机的自动停位问题，即它必须具备自动认址及快速精确定位的功能。立体仓库货架上的每个货位必须具有堆垛机能识别的编码。用三维坐标(X、Y、Z)表示货位号(排、列、层)。堆垛机应能自动检测它当前所处的坐标位置，使其能到达指定货位。其中X向坐标，对每一台堆垛机来说只有两个位置，所以我们可以用货叉向左或向右运动来表示，因此只需检测Y坐标与Z坐标即可。通常我们提到的认址问题也都是指这两个坐标的检测。现在较先进的检测元件一般均采用红外光电开关，它们利用安装在货架每一列上的运行认址片及安装于堆垛机立柱每一层上的起升认址片，在每次通过认址片时对相应红外光电开关进行挡光或透光，使红外光电开关的状态发生变化，从而得

53、到堆垛机的Y、2坐标。我们经常采用的认址方式有绝对认址和相对认址两种方式。2. 为提高堆垛机的作业效率，必须提高其三大机构的运转速度。现代堆垛机运行速度一般为80120m/min，起升速度约为10一16 m/min左右。为保证较高的停准精度(一般最大误差为10m)，堆垛机在临近指定货位停机前又必须以较低的速度运转。根据经验，此时运行速度约为34 m/min，起升速度约为2 m/min，因此运行机构与起升机构均存在调速问题。运行机构的调速比一般为15:1一30:l，起升机构的调速比约为(68):1。研究和实践结果表明，变频调速在各种调速方案(如变极调速、子母电动机调速、可控硅调速、变频调速)中是

54、一种比较理想的方案，这是因为它的调整范围大(采用普通的异步电动机时，一般可用2一50Hz，必要时可用到60Hz)，有多种输出特性选择，控制简单、工作可靠、节能，并有大量成熟产品可供选用。经过以上的分析，可以得出以下的结论:（1）推荐采用相对认址方式，但应解决好它的可靠性问题。可以采用软件与硬件相结合的方法，使其可靠性问题在较大程度上得以解决。经实践检验效果良好。（2）堆 垛 机的调速可采用较先进的变频调速，但由于市场上的变频器均为通用型的，在堆垛机上应用时应注意协调好堆垛机的要求与变频器性能间的关系，否则会影响堆垛机的性能与可靠性，甚至使它无法正常工作。堆垛机接收到机械手把货品运送到位的命令。

55、利用步进电机控制堆垛机和直流电机控制伸叉的工作原理，编写程序，根据设计要求完成堆垛机的行走和升降、伸叉的左右运行，同时堆垛机上有进货认址限位开关和出货认址限位开关，以确保堆垛机运行的准确性。在STEP7Micro/WIN编程环境中主要设计的程序模块有：主程序、初始化程序、行走计数程序、升降计数程序、行走运行程序、升降运行程序、DP网通信程序、伸叉复位程序。行走计数程序主要用于控制堆垛机在行走运行时的位置定位。作者在设计时使用一个增减计数器来进行步数控制。如图3所示。入库操作时，通过比较当前列与目的列的值来进行精确定位。如果当前列大于目的列，则堆垛机向左运行(出入库台方向);反之，如果当前列小于

56、目的列，则堆垛机向右运行，直到当前列等于目的列，堆垛机停止水平行走。出库操作时，通过比较当前列与源列的值进行精确定位。如果当前列大于源列，则堆垛机向左运行;反之，如果当前列小于源列，则堆垛机向右运行，直到当前列等于源列，堆垛机停止水平行走。升降计数程序主要用于控制堆垛机在垂直升降方向运行时的位置定位。在设计时同样使用一个增减计数器来进行步数控制。如图3所示。入库操作时，通过比较当前层与目的层的值来进行精确定位。如果当前层大于目的层，则堆垛机下降运行:反之，如果当前层小于目的层，则堆垛机上升运行，直到当前层等于目的层，堆垛机停止垂直升降运行。出库操作时，通过比较当前层与源层的值来进行精确定位。如

57、果当前层大于源层，则堆垛机下降运行;反之，如果当前层小于源层，则堆垛机上升运行，直到当前层等于源层，堆垛机停止垂直升降运行。行走运行程序主要用于控制堆垛机的水平方向运行。堆垛机在水平方向的动作通过步进电机控制。作者同样使用高速脉冲数处理指令PLS来完成此控制。使用QO.O作为堆垛机水平运行高速脉冲串的输出端，采用2段管线PTO输出高速脉冲串。采用SMB67作为高速脉冲输出的控制字节。包络表的起始偏移地址为600，存放在特殊继电器SMW168当中，初始周期为500，周期增量值为一1，输出脉冲个数为375。具体的PLC程序设计如图3一所示。堆垛机在水平方向有两个限位开关:行走左限开关和行走右限开关

58、。升降运行程序主要用于控制堆垛机的垂直方向运行。堆垛机在垂直方向的动作通过步进电机控制。与水平运行程序类似，作者在设计时同样使用高速脉冲数处理指令PLS来完成此控制.作者使用Q0.1作为堆垛机水平运行高速脉冲串的输出端，也采用2段管线PTO输出高速脉冲串。采用SMB77作为高速脉冲输出的控制字节。包络表的起始偏移地址为400存放在特殊继电器SMW178当中，初始周期为500，周期增量值为一1，输出脉冲个数为300。具体的PLC程序设计如图3所示。堆垛机在升降方向有四个限位开关:升降上限开关、升降下限开关、入库认址限位开关和出库认址限位开关。DP 网通信程序主要用于辊道与组态软件WinCC之间的

59、变量组态连接。伸叉复位程序主要用于堆垛机货叉的伸缩复位。货叉在进行伸缩运行时有三个限位开关:伸叉左限、伸叉右限、伸叉中限。堆垛机复位时，伸叉中限位为1。根据以上对堆垛机功能模块的分析，子程序3实现的功能: Wi nC C将 机械手运行结束信号传送给堆垛机，堆垛机开始动作，根据WinCC传送的货位排，将堆垛机的源层源列设为1层0列，并运行到左/右排出入库台，通过货叉的伸缩、载货台的水平行走以及垂直升降，将货品送至目的列、目的层。这里的目的层以及目的列均由WinCC传送。堆垛机在工作过程中实时采集运行、升降和货叉三个方向的数据，并不断与存放在数据块里的标准位置参数进行比较，从而达到准确定位的功能，

60、并将正在进行的工作情况的信息和状态报告发送给监控机。子程序4实现的功能:根据WinCC传送过来的货位号(排、列、层)显示相应的源层、源列、选择左/右排出入库台作为堆垛机运行的目的位，并置其目的层目的列为1层0列。堆垛机经过载货台的水平行走、垂直升降以及货叉的伸缩将货品送到左/右排出入库台。子程序3和子程序4的流程图如图3和图3所示初始化收到WinCC发送过来的机械手运行结束信号堆垛机源层源列为1层1列堆垛机行走至源层源列伸叉右伸、下降伸叉左伸、上升从入库台取出货物是否为左排入库台伸叉右伸、下降伸叉左伸、上升从入库台取出货物伸叉是否处于中限位堆垛机向右行走当前列目的列当前列是否目的列堆垛机下降堆

61、垛机上升当前层目的层当前层是否目的层伸叉右伸、下降伸叉左伸、上升放下货物目的排是否左排伸叉左伸、下降伸叉右伸、上升从入库台取出货物堆垛机复位否是是是否否是是堆垛机向左行走是否否是是否初始化收到WinCC发送过来的出库指令伸叉右伸、下降伸叉左伸、上升从入库台取出货物是否为左排入库台伸叉右伸、下降伸叉左伸、上升从入库台取出货物伸叉是否处于中限位堆垛机向右行走当前列源列当前列是否目源列堆垛机下降堆垛机上升当前层源层当前层是否源层伸叉右伸、下降伸叉左伸、上升取出货物源排是否左排伸叉左伸、下降伸叉右伸、上升取出货物是否否是是堆垛机向左行走是否否是是否堆垛机开始动作堆垛机行走至目的层目的列否否是是堆垛机复

62、位堆垛机的目的层目的列为1层1列4自动化立体仓库货物存储与分配4.1立体仓库的货物存储4.1.1立体仓库货物的存储原则自动化立体仓库的高效率是建立在高效的货位管理基础之上的。对自动化立体仓库的货位进行管理，就是要合理地分配和使用货位。既考虑如何提高货位的利用率，又要保证出入库效率。货位分配包含有两层意义:一是为入库的货品分配最佳货位(因为可能同时存在多个空闲的货位)即入库货位分配;二是要选择待出库货品的货位(因为同种货品可能同时存放在多个货位里)。货品进行存储都有一定的存储策略，良好的存储策略可以减少出入库移动的距离、缩短作业时间，甚至能够充分利用存储空间.一般常见存储策略有:定位存储、随机存储、分类存储、分类随机存储和共享存储等。1 定位存储:每一货品都有固定货位，货品不能互用货位，因此必须规划每一项货品的货位容量不得小于其可能的最大在库量。定位存储的优点是货品的货位可按周转率大小或出入库频度来安排，以缩短出入库搬运距离。缺点是货位必须按各项货品的最大在库量设计，因此储存区域平时的使用效率较低。总的来说，定位存储容易管理，所需的总搬运时间较少，但却需较大的存储空间。所以此策略较适用于以下两种情况:1)厂房空间大;2)多种少量商品的存放。2. 分类存储:所有的储存