机电一体化毕业设计说明-立体仓库模拟装置地设计及其控制-控制部分设计.doc

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1、郑州大学现代远程教育毕 业 设 计题目：题目：立体仓库模拟装置的设计及控制(PLC 控制类)控制部 分设计入入 学学 年年 月：月：20142014 年春年春 姓姓 名：名： 学学 号：号： 专专 业：业：机电一体化机电一体化 联联 系系 方方 式：式： 学学 习习 中中 心：心： 指指 导导 教教 师：师：_ 完成时间：完成时间：20162016 年年 1010 月月 日日目目 录录摘要.1 关键词.1 第一章 绪论.2 11 立体仓库的定义、特点.2 1.1.1 立体仓库的定义.2 1.1.2 立体仓库的特点.3 第二章 立体仓库控制系统设计.4 2.1 设计思想.4 2.1.1 系统功能

2、及运行方式.5 2.1.2 多种控制及作业方式.5 2.1.3 多种检测及保护功能.5 2.2 立体仓库控制系统总体结构.5 2.2.1 立体仓库总体结构.5 2.2.1 立体仓库控制系统.6 2.3 主要器件简介.7 2.3.1 可编程控制器（PLC）.7 2.3.2 传感器.8 2.3.3 堆垛机.8 2.3.4 输送系统.8 2.3.5 其它辅助设备.9 2.3.6 初步设计控制系统及仓库管理系统（WMS）的各功能模块.9 2.3.7 仿真模拟整套系统.9 2.4 自动化仓库系统的关键技术.9 2.4.1 自动化仓库的自动寻址.9 2.4.2 自动识别系统.9 2.4.3 堆垛机自动控制

3、系统.10 2.4.4 监控调度系统.10 2.4.5 计算机管理系统.11 第三章 总结与展望.12 参考文献.13 致 谢.13立体仓库模拟装置的设计及控制立体仓库模拟装置的设计及控制(PLC 控制类控制类)控制部分设计控制部分设计摘摘 要要：自动化立体仓库是物料搬运、仓储科学的一门综合科学技术工程，它以高 层立体货架为主要标志，以成套先进搬运设备为基础、以先进的计算机控制技 术为主要手段，高效率的利用空间、时间和人力进行出入库处理。运输设备能 够在不需要人工干预的情况下自动存储和取出货物的多层仓库存储系统，是现 代物流与仓储系统的重要组成部分，立体仓库的生产和发展是现代物流体系发 展的要

4、求和信息及时进步的结果。上世界 60 年代以来，美、日、欧洲等国家和地区设计和投入的立体仓库越 来越多，立体仓库存储技术已成为了一门新兴的学科。由堆垛起重机、入(出) 库工作台和自动运进(出)及操作控制系统,将物料存放在正确的位置，以便随时 向制造系统供应物料，与搬运设备(如 AGV、有轨小车、传送带)衔接，可靠及 时供应物料。 可编程控制（PLC）是实现自动化立体仓库的一种重要方式，并且可编程控 制器的特点是更加适应于现代化工业的需要，可实现立体仓库的出库，进库等 任务，是自动化立体仓库的核心部件，对其控制系统的研究具有广阔的应用前 景。关键词关键词：立体仓库；PLC；控制系统第一章第一章

5、绪论绪论当今社会仓储、物流等概念已经逐渐为广大公众所了解，其相应的管理技术也在许多大、中型企业付诸实施。随着企业对仓储物流管理的要求不断提高，土地、人力资源等成本的持续增加，自动化立体仓库和物料搬运系统不仅具有充分利用空间、节省用地、提高货物存储量、提高物流效率、降低储运损耗、高效出入库、节省人力资源、减轻劳动强度、减少流动资金积压等特点，而且在沟通物流信息、衔接产需、保证生产均衡、合理利用资源、进行科学储备与生产经营决策等方面发挥着独特的作用，相比传统平面仓库显现出无可比拟的优势，加上计算机自控技术飞速发展，为现代企业的物流管理提供了重要的技术支持。自动化立体仓库就是自动化控制技术在物流管理

6、上的一个很好的应用，使人们真正享受到现代计算机技术应用于企业物流管理的益处。11 立体仓库的定义、特点立体仓库的定义、特点1.1.1 立体仓库的定义立体仓库的定义自动化立体仓库，也叫自动化立体仓储，物流仓储中出现的新概念，利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化：自动化立体仓库，是当前技术水平较高的形式。自动化立体仓库的主体由货架，巷道式堆垛起重机、入(出)库工作台和自动运进(出)及操作控制系统组成。货架自动化立体仓库简称立体仓库。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

7、常形象地将其称为“立体仓库”。立体仓库产生于 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 年代初期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了计算机控制技术，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了迅猛的发展，并形成了专门的学科。60 年代中期，日本开始了兴建立体仓库，并且发展的速度越来越快，成为了当今世界拥有了自动化立体仓库较多的国家之一。我国对立体仓库极其物料搬运设备的研制开始的并不晚，1963 年开始研制成第一台桥式堆垛起重机，1973 年开始研制我国第一台由计算机控制的自动化立体仓库，该仓库

8、 1980 年投入运行。立体仓库由于与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实施现代化管理的特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越多的受到企业的重视。自动化立体仓库是由立体货架，有轨巷道堆垛机，出入库托盘输送机系统，尺寸检测条码阅读系统，通信系统，自动控制系统，计算机监控系统，计算机管理系统以及其他的电缆桥架配电柜，托盘，调节平台，钢结构平台等辅助设备组成的复杂的自动化系统，运用一流的集成化物流理念，采用先进的控制，总线，通讯和信息技术，通过以后设备的协调动作，按照用户的需要完成指定货物自动有序，快速准确，高效的入库出库作业1.1.2 立体仓库的特

9、点立体仓库的特点与传统的货物仓库相比较，自动化仓库主要有极大提高了空间利用率，应用先进物流系统优化企业生产管理，加快货物存取，减轻劳动强度，提高生产效率，减少库存资金积压等突出功能。而且使用立体仓库可以产生极大的社会效应和经济效益，使存储空间从地面向高空发展，大大提高了空间的利用率；自动化立体仓库采用层积式存放，结合计算机管理，加快了运行和处理速度，提高了劳动效率，降低操作人员的劳动强度，采用自动化技术后，还能较好的适应黑暗，低温，污染，有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要；计算机控制能够准确无误的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的利用

10、仓库存储能力，便于清点和盘算，合理减少库存，加快资金周转，节约劳动资金，从而提高仓库管理水平，自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现了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。第二章第二章 立体仓库控制系统设计立体仓库控制系统设计2.1 设计思想设计思想本文主要研究的是 PLC 在立体仓库模拟装置的控制系统中的应用。系统设计有物流工作站、四自由度机械手、堆垛机、辊道传输带、多层货架等，操作方便，输入对应的仓库号，便可自动存/取货物（见图一 典型构成及控制） 。图一 典型构成及控制2.1.1

11、系统功能及运行方式系统功能及运行方式立体仓库具有车间的物流管理以及作业调度和堆垛机的自动控制系统功能。在立体仓库中物流工作站主机采用 PIII 计算机，多任务实时操作系统，QRACLE数据库，TCP/IP 网络等支持软件，C 语言编程，实现了对立体仓库的动态管理和作业监控，堆垛机控制系统采用可编程序控制器，使用梯形图言语编程，控制系统与管理监控系统之间实现联机通讯，堆垛机控制系统具有多种功能，可满足该物流系统的要求2.1.2 多种控制及作业方式多种控制及作业方式为了实现立体仓库的自动存取，就必须开发堆垛机控制器，这套具有三种不同技能的控制器：（1）在线自动运行；（2）离线自运行；（3）人工手动

12、运行。而实际运行中已在线自动运行为主，其他 2 种方式为调试和维修的辅助手电，按照本控制器的设计，可在物流工作站的调度系统中结合成各种可能的堆垛机作业方式2.1.3 多种检测及保护功能多种检测及保护功能本控制系统中既有水平和垂直方向的认址检测，左右的货位探测，两种货物高度的检测，货物不正的检测记忆，载货台占位/空位情况的检测，机电故障检测，水平及垂直终点附近的限速及停车检测等，以保证堆垛机作业的正常运行。以上检测大部分是光电检测，提高了可靠性和反应速度。2.2 立体仓库控制系统总体结构立体仓库控制系统总体结构2.2.1 立体仓库总体结构立体仓库总体结构立体仓库系统由三条辊道传输带、三个出入货站

13、台、一个四自由度机械手，一个全自动堆垛机以及两排货架组成（见图二 立体仓库总体结构） 。将系统中的传感器、执行器和可编程控制器连接，通过编制相应的程序，就可以用可编程序控器来控制物流工序。多多层层货货架架多多层层货货架架堆堆垛垛机机一一 号号 辊辊 道道 运运 输输 带带三三 号号 辊辊 道道 运运 输输 带带二二 号号 辊辊 道道 运运 输输 带带四四自自由由度度机机械械手手出出/ /入入 货货站站台台出出/ /入入 货货站站台台出出/ /入入 货货站站台台图二 立体仓库总体结构2.2.1 立体仓库控制系统立体仓库控制系统立体仓库控制系统分为三个部分：辊道控制、堆垛机控制、机械手控制。在设计

14、该控制系统时，采用两台三菱 FX 系列 PLC 作为立体仓库的控制装置。其中#1PLC 主要用来控制辊道部分和堆垛机部分，#2PLC 主要用来控制四自由度机械手，2 台 PLC 通过 CCLink 网络连通，通过在两台 PLC 间的数据交换实现三个被控部分之间的协调动作，实现综合控制。控制系统中配置了一台上位机，通过 RS232 与 PLC 相连，上位机一方面用于两台 PLC 控制程序的编辑，下载以及调试，另一方面，上位机用来监视、管理自动化立体仓库系统（见图三 立体仓库控制系统） 。计计算算机机# #1 1P PL LC C# #2 2P PL LC C辊辊 道道 控控 制制堆堆 垛垛 机机

15、 控控 制制机机 械械 手手 控控 制制C CC CL Li in nk kR RS S2 23 32 2图三 立体仓库控制系统在此系统中使用三个变频器分别来控制三个辊道传送带的运转。辊道可以在正、反两个方向运转，可以根据进货和出货的需要来使用辊道，进行自由组态。变频器有很高的运行可靠性和功能多样性，降低了电动机运行噪声 ，全面而完善的保护功能为电动机提供了良好的保护性能。这里使用的是三菱公司的A500 系列的变频器。对四自由度机械手的控制时，执行部件使用的是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 42BYGH101，X 轴伸缩，Z 轴升降、底盘回转和机械手腕回转分

16、别使用四个步进电动机。使用两个步进电动机分别控制堆垛机的升降和行走，而货叉控制使用直流电动机执行元件。对这六个步进电动机的控制实际上是对它们对应驱动器的控制。本系统中使用 SH2H057 型号的步进电机驱动来驱动步进电动机的运行。2.3 主要器件简介主要器件简介2.3.1 可编程控制器（可编程控制器（PLC）可编程控制器（PLC）是近年来发展极为迅速这、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，模拟控制功能、定位控制功能

17、、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。2.3.2 传感器传感器信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方而有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。2.3.3 堆垛机堆垛机堆垛机是整个自动化立体仓库的核

18、心设备，通过手动操作、半自动操作或全自动操作实现把货物从一处搬运到另一处。它由机架（上横梁、下横梁、立柱） 、水平行走机构、提升机构、载货台、货叉及电气控制系统构成。2.3.3.1 堆垛机形成的确定堆垛机形成多种多样，包括单轨巷道式堆垛机、双轨巷道式堆垛机、轨巷道式堆株机、单立柱型堆垛机、双立柱型堆垛机等等。2.3.3.2 堆垛速度的确定根据仓库的流量要求，计算出堆垛机的水平速度、提升速度及货叉速度。2.3.3.3 其它参数及配置据仓库现场情况及用户的要求选这定堆垛机的定位方式、通讯方式等。堆垛机的配置可高可低，视具体情况而定。2.3.4 输送系统输送系统根据物流图，合理选择输送机的类型，包括

19、：辊道输送机、链条输送机、皮带输送机、提升机等。同时，还要根据仓库的瞬时流量合理确定输送系统的速度。2.3.5 其它辅助设备其它辅助设备根据仓库的工艺流程及用户的一些特殊要求，可适当增加一些辅助设备，包括：手持终端、叉车、平衡吊等。2.3.6 初步设计控制系统及仓库管理系统（初步设计控制系统及仓库管理系统（WMS）的各功能模块）的各功能模块根据仓库的工艺流程及用户的要求，合理设计控制系统及仓库管理系统（WMS） ，控制系统及仓库管理系统一般采用模块化设计，便于升级和维护。2.3.7 仿真模拟整套系统仿真模拟整套系统在有条件的情况下，对整套系统进行仿真模拟，可以对立体仓库的贮运工作进行较为直观的

20、描述，发现其中的一 些问题和不足，并作出相应的更正，以优化整个 AS/RS 系统。2.4 自动化仓库系统的关键技术自动化仓库系统的关键技术2.4.1 自动化仓库的自动寻址自动化仓库的自动寻址立体仓库的自动寻址训是自动寻找存入/提取货物的位置，计算机控制的自动化仓库都具有自动寻址的功能。在同一巷道内的货位地址由三个参数组成：第几排货架；第几层货格；左侧或右侧。当自动化仓库接收到上级管理机的存取地址后，即向指定货位的方向运行。运行中 ，安装在堆垛机上的传感器不断检测位置信息，计算判断是否到位 。2.4.2 自动识别系统自动识别系统AS/RS 的货物管理基本技术是对货物进行自动识别和跟踪。自动识别是

21、指在没有人工干预的情况下对物料流动过程中某一活动关键特性的确定，每一关键特性都与生产活动有关，这些关键特性包括产品的名称、数量、设计、质量、物料来源、目的地、体积、重量和运输路线等等。这些数据被采集处理后，能用来确定产品的生产计划、运输路线、路程、库存、存储地址、销售生产、库存控制、运输文件、单据和记帐等。货物信息可以通过声、光、磁、电子等多种介质获取。具体实现时，是在生产的关键部位配备自动识别装置，将每一处所获取的信息经过计算机网络系统传输，并进行统一处理，从而实现在整个生产过程中对物料的信息跟踪。现代生产物流系统中，广泛采用条形码自动识别技术。这是因为条形码具有读取快、精度高、使用方便、成

22、本低、适应性好等优点。2.4.3 堆垛机自动控制系统堆垛机自动控制系统控制系统是自动化仓库运行成功的关键。没有好的控制，系统运行的成本就会很高，而效率很低。为了实现自动运转，自动化仓库内所用的各种存取设备和输送设备本身必须配备各种控制装置。这些控制装置种类较多，从普通开关和继电器，到微处理器、单片机和可编程控制器（PLC） ，根据各自的设定功能，它们都能完成一定的控制任务。如巷道式堆垛机的控制要求就包括了位置控制、速度控制、货叉控制以及方向控制等。所有这些控制都必须要求通过各种控制装置去实现。控制系统能对搬运设备（堆垛机等） 、运输设备（输运机、小车、转轨车等）进行自动控制，它是自动化仓库的核

23、心部分之一，直接关系到仓库作业的正常进行。因此，控制系统中所采用的材料、设备、传感器和元件都应用可靠性高、寿命长、易于维护和更换的产品，否则将存在安全隐患。堆垛机的控制现多采用模块化控制方式，驱动系统一般为交流电机，无级调速。这种方式技术成熟，应用广泛，既能实现堆垛机的高速运行，又能平稳进行停车对位。在控制系统中，还应采取一系列自检和联锁保护措施，确保在工作人员操作错误时不发生事故。对机械及电器故障能进行判断、报警和向主机系统传递故障信息。控制系统应能适应多种操作方式的需要。2.4.4 监控调度系统监控调度系统监控系统是自动化仓库的信息枢纽，是实现自动化仓库实时控制的重要组成部分，它在整个系统

24、中起着举足轻重的作用，负责协调系统中各个部分的运行。自动化仓库系统使用了很多运行设备，各设备的运行任务、运行路径、运行方向等都需要由监控系统来统一调度，按照指挥系统的命令进行货物搬运活动。在自动化仓库的实际作业过程中，监控调度系统根据主机系统的作业命令，按运行时间最短、作业间的合理配合等原则对作业的先后顺序进行优化组合排队，并将优化后的作业命令发送给各控制系统，对作业进程、作业信息及运行设备（如堆垛机、输送机等）进行实时监控。2.4.5 计算机管理系统计算机管理系统计算机管理系统（主机系统）是自动化仓库的指挥中 心，相当于人的大脑，它指挥着仓库中各设备的运行。它主要完成整个仓库的作业管理和账目

25、管理，并担负着与上级系统的通信和企业信息管理系统的部分任务。自动化仓库的信息管理是基于现代信息管理理论和现代控制论而创立的一个分支。对于一个自动化仓库来说，它可以是独立的，但对于一个企业，它又是其管理信息系统（MIS）的一个子系统。它不仅对信息进行管理，也对物流进行管理与控制，集信息流和物流于一体，是现代化企业物流和信息物流管理的重要组成部分。计算机管理系统（主体系统）是自动化仓库的核心。自动化仓库管理系统的主要功能是对仓库所有入、出库活动进行最佳登录和控制，并对数据进行统计分析，以便能使决策者及早发现问题，采取相应的措施，最大限度地降低库存量，加快货物流通，创造经济和社会效益。第三章第三章

26、总结与展望总结与展望我国从 60 年代末 70 年代初已开始研究探索立体仓库技术，直到改革开放以后，特别是近四五年，才有了突飞猛进的发展。但其中大多数均为手动操作或半自动操作，仓库帐目还是人工管理；也有不少的仓库采用计算机管理，而入(出)库作业还是人工控制堆垛机的方法；真正采用计算机管理与控制系统自动联接进行入(出)库作业的很少。在高度自动化的生产中，仅有加工装配自动化是不够的，还必须有高度自动化的存贮系统配合，才能充分发挥自动化生产的高效益。近年来，基于 PLC 的立体仓库控制系统具有较高的自动化程度，已经成为生产物流仓库作为生产物流系统的枢纽和核心，是生产物流系统实现物流合理化的关键，控制

27、也会越来越完善。自动化立体仓库在物流工业中的优越性是显而易见的，随着现代科学技术的发展，这种优势越来越明显。而且，随着控制技术的发展，其效果也有很大的提高。而对核心部件最重要的控制功能就是定位控制，即实现精确定位和速度控制。本文主要研究了立体仓库模拟装置的控制。自动化物流仓储设备的技术进步，主要依赖于信息技术、计算机技术和控制技术的发展。巷道式堆垛机作为典型的机电一体化产品，其技术水平主要体现在控制系统的先进性。本系统设计的基本出发点是实用性与先进性相结合，在保证系统实用能力的前提下体现技术先进性，并为系统的进一步技术升级完善预留接口。自动化立体仓库在我国的发展还很落后，制造工业的发展，计算机

28、集成制造技术在中国的发展，也急需自动化仓库向更高的水平发展，随着现代工业的发展，各种高新技术的出现，同时由于市场竞争的日益激烈，对自动化立体仓库提出了更高的要求，要求实现系统的柔性化，采用灵活的输送设备和物流线路是实现物流和仓储自动化的趋势，这就要求我们不断的学习提高自己的专业素养，同时还要求加强与国外物流企业的交流合作，认真学习和吸收国外的先进技术与经验，以提高我国的自动化立体仓库的管理与设计水平。参考文献参考文献1刘昌褀， 自动化立体仓库设计2张晓萍，颜永年，荆明等.现代生产物流及仿真3周政璋，黄亦公.如何规划一成功的自动仓储电脑系统4丁晓红 ， 自动化立体仓库监控系统起重运输机械5王霄

29、段智敏 自动化立体仓库的设计6赵妍 刘志珍 张新 ， PLC 在模拟立体仓库中的应用7刘曙光基于 PLC 的立体仓库运行系统8李广宾 立体仓库自动控制系统的设计9丁晓红.自动化仓库的实时监控系统10郝瑞生 典型工艺设备电气控制系统安装调试与维护致致 谢谢人生总在不断的追求中前进，对新技术、新材料的应用也是时代的要求，自动化控制技术人员当然也要紧跟时代潮流，只有不断学习充实自己，才能把握时代脉搏，通过这两年来的学习，使我获益匪浅，有你们的询询教诲，才让我走到了现在。这次毕业论文能够顺利的完成，并非我一个人的功劳，是所有指导过我的老师，帮助过我的同学和一直关心支持我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对你们表示深深地感谢！在论文完成答辩之际，向本次论文评委和答辩的各位老师，表示最诚挚的谢意!