1、 立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)學(xué) 院：船舶工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：船電121 姓 名：謝程寧 學(xué) 號(hào)：201213160126 2013年7月4日 目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)于要求 1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 1.2 設(shè)計(jì)要求1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟二、實(shí)驗(yàn)器材2.1 PLC要求2.2 立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)備2.3 可編程計(jì)算機(jī)三、硬件原理 3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成和工作原理及應(yīng)用3.2反射式傳感器的工作原理3.3傳感器的工作原理和應(yīng)用四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 傳感器的分布4.2 行程開關(guān)的位置與編號(hào) 4.3 I/O分配表4.4 系統(tǒng)流程：4.5 設(shè)計(jì)梯形圖4.6 MCGS組態(tài)王實(shí)現(xiàn)立體倉(cāng)庫(kù)工程畫面 摘要自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是現(xiàn)代物流系

2、統(tǒng)中迅速發(fā)展的一個(gè)重要組成部分,是一種多層存放貨物的高架倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)，由自動(dòng)控制與管理系統(tǒng)、高位貨架、巷道堆垛機(jī)、自動(dòng)入庫(kù)、自動(dòng)出庫(kù)、計(jì)算機(jī)管理控制系統(tǒng)以及其他輔助設(shè)備組成。它具有節(jié)約用地、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、消除差錯(cuò)、提高倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化水平及管理水平、提高管理和操作人員素質(zhì)、降低儲(chǔ)運(yùn)損耗、有效地減少流動(dòng)資金的積壓、提高物流效率等諸多優(yōu)點(diǎn)。如今我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)必然會(huì)在各行各業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本課題的電氣控制主要由西門子公司的PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)等器件組成。本文首先對(duì)本課題進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，包括背景，研究意義，現(xiàn)狀等；其次對(duì)該系統(tǒng)的硬件組成、結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行

3、了闡述和分析；再次對(duì)本系統(tǒng)用到的器件分別進(jìn)行介紹，重點(diǎn)對(duì)PLC程序進(jìn)行了編寫；最后對(duì)設(shè)計(jì)本課題所學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行歸納和總結(jié)。關(guān)鍵字：立體倉(cāng)庫(kù) 可編程控制器（PLC） 西門子S7-200 組態(tài)軟件一、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 該實(shí)驗(yàn)就是采用PLC 自動(dòng)化技術(shù)，讓給定的機(jī)械設(shè)備智能地按照試驗(yàn)設(shè)定的程序進(jìn)行實(shí)際操作，實(shí)現(xiàn)整體的自動(dòng)化。 本設(shè)計(jì)利用的立體倉(cāng)庫(kù)主體由底盤、三層六倉(cāng)位庫(kù)體、運(yùn)動(dòng)機(jī)械及電氣控制等四部分組成。其中電氣控制是由西門子S7-200 CPU224型可編程序控制器(PLC)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、開關(guān)電源、位置傳感器等器件組成。設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：通過(guò)利用行程開關(guān)和傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的

4、行程精確定位，讓機(jī)械設(shè)備在設(shè)定的程序的設(shè)定位置執(zhí)行工作任務(wù)，讓整個(gè)機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)一體化，這樣能夠使設(shè)備能以更快捷、更方便地方式將成品貨物安放到系統(tǒng)指定的倉(cāng)庫(kù)中。1.2 設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)要求是：設(shè)備能夠正確按照程序設(shè)定來(lái)精確定位和正確執(zhí)行指定任務(wù)，同時(shí)也要求盡可能以低成本完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在此設(shè)計(jì)的立體倉(cāng)庫(kù)需要滿足一下功能：（1）堆垛機(jī)（機(jī)械手）要有三個(gè)自由度，即：前進(jìn)、后退；上、下；左、右；（2）堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；（3）堆垛機(jī)前進(jìn)（或后退）運(yùn)動(dòng)和上（或下）運(yùn)動(dòng)可同時(shí)進(jìn)行；（4）堆垛機(jī)前進(jìn)、后退和上、下運(yùn)動(dòng)時(shí)必須有超限位保護(hù)；（5）每個(gè)倉(cāng)位必須有檢測(cè)裝置（微動(dòng)開關(guān)），當(dāng)操作有誤時(shí)發(fā)出

5、錯(cuò)誤報(bào)警信號(hào)；（6）當(dāng)按完倉(cāng)位號(hào)后，沒(méi)按入或取前，可以按取消鍵進(jìn)行取消該操作。（7）整個(gè)電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕，以防發(fā)生意外。 1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟在立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中主要要考慮以下幾點(diǎn)：（1）深入了解和分析立體倉(cāng)庫(kù)的工藝條件和控制要求。（2）確定I/O設(shè)備。根據(jù)立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設(shè)備。（3）根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)選擇合適的PLC類型。（4）分配I/O點(diǎn)，分配PLC的輸入輸出點(diǎn)，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。（5）設(shè)計(jì)立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設(shè)計(jì)出周密完整的梯形圖程序，這是整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心工作。（6）將程

6、序輸入PLC進(jìn)行軟件測(cè)試，查找錯(cuò)誤，使系統(tǒng)程序更加完善。（7）立體倉(cāng)庫(kù)整體調(diào)試，在PLC軟硬件設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工完成后，就可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題要逐一排除，直至調(diào)試成功。 二、實(shí)驗(yàn)器材2.1 PLC要求： 西門子S7-200 CPU226 DC24V，外加一個(gè)數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的立體倉(cāng)庫(kù)的輸入、輸出信號(hào)，其中外部輸入元件包括：檢測(cè)元件、按鈕、取、存、急停、限位開關(guān)等；輸出有三個(gè)電機(jī)的正反向、動(dòng)作指示等。2.2 立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)備： 圖（1）1-巷道式堆垛機(jī)；2-立體庫(kù)架；3-水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)；4-手動(dòng)操作盤；5-直流電源；6-電機(jī)驅(qū)動(dòng)板；7-信號(hào)轉(zhuǎn)換板8-空氣開關(guān)立

7、體式倉(cāng)儲(chǔ)裝置由二大部分組成，巷道式堆垛機(jī)、立體式貨架。（1）、巷道式堆垛機(jī)裝置：從前一單元的輸送小車上使用叉子叉取料盤；（2）、按照控制指令將料盤輸送到指定庫(kù)位。（3）、巷道式堆垛機(jī)裝置能夠完成在輸送小車與庫(kù)位之間的料盤拿取、放送的操作。2.3 可編程計(jì)算機(jī)：應(yīng)選用安裝有STEP7-Micro/WIN 編程軟件的計(jì)算機(jī)，在個(gè)人計(jì)算機(jī)Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行的編程軟件，它的功能強(qiáng)大，使用方便，簡(jiǎn)單易學(xué)。CPU通過(guò)PPI電纜或插在計(jì)算機(jī)中的CP5511、CP5611通訊卡通訊。通過(guò)PPI電纜，可以在Windows下實(shí)現(xiàn)多主站通信方式。三、硬件原理 3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成和工作原理及

8、應(yīng)用：步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)將一個(gè)電脈沖信號(hào)加到步進(jìn)電機(jī)定子繞組時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)一步，當(dāng)電脈沖按某一相序加到電動(dòng)機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)子沿某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)等于電脈沖個(gè)數(shù)。因此，改變輸入脈沖的數(shù)目就能控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械位移的大小；改變輸入脈沖的通電相序，就能控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械位移的方向，實(shí)現(xiàn)位置的控制，實(shí)現(xiàn)寬廣范圍內(nèi)速度的無(wú)級(jí)平滑控制。為了驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，必須由一個(gè)決定電動(dòng)機(jī)速度和旋轉(zhuǎn)角度的脈沖發(fā)生器（在該立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)中采用PLC作脈沖發(fā)生器進(jìn)行位置控制）、一個(gè)使電動(dòng)機(jī)繞組電流按規(guī)定次序通斷的脈沖分配器、一個(gè)保證電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的功率放大器，以及一個(gè)直流功率電源等組成一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

9、。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說(shuō)：控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角。所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。3.2反射式傳感器的工作原理：當(dāng)物體相對(duì)于傳感器移動(dòng)時(shí)，反射回來(lái)的信號(hào)與原先的信號(hào)相比較，產(chǎn)生頻移，集成電路再把微弱的頻移信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)多普勒檢測(cè)、放大、限幅等措施，最后取得和物體移動(dòng)信號(hào)相關(guān)的直流信號(hào)輸出電平。在該立體倉(cāng)庫(kù)中采用反射式傳感器作為貨物的檢測(cè)裝置。3.3傳感器的工作原理和應(yīng)用（1）反射式傳感器的工作原理：當(dāng)物體相對(duì)于傳感器移動(dòng)時(shí)，反射回來(lái)的信號(hào)與原先的信號(hào)相比較，產(chǎn)生頻移，集成電路再把微弱的頻移信號(hào)進(jìn)

10、行放大，再經(jīng)多普勒檢測(cè)、放大、限幅等措施，最后取得和物體移動(dòng)信號(hào)相關(guān)的直流信號(hào)輸出電平。在該立體倉(cāng)庫(kù)中采用反射式傳感器作為貨物的檢測(cè)裝置。（2）對(duì)射式傳感器的工作原理：當(dāng)24V電壓加到發(fā)光二極管LED1時(shí)，它將光發(fā)射給發(fā)光二極管LED2，LED2接收到光導(dǎo)通，三極管導(dǎo)通，輸出為ON；當(dāng)發(fā)光二極管LED1發(fā)射出的光被物體擋住使發(fā)光二極管LED2接收不到時(shí)，LED2不導(dǎo)通，三極管也不導(dǎo)通，輸出為OFF。在該立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)中，采用8個(gè)對(duì)射式傳感器作為限位控制。3.3.1 PLC I/O點(diǎn)的選擇根據(jù)控制要求，將各輸入設(shè)備和被控設(shè)備詳細(xì)列表，準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)出被控設(shè)備對(duì)數(shù)需求量，然后在實(shí)際統(tǒng)計(jì)的I/O點(diǎn)數(shù)的

11、基礎(chǔ)上增加15%20%的備用量，以便以后調(diào)整和擴(kuò)充。同時(shí)要充分利用好輸入和輸出擴(kuò)展單元，提高主機(jī)的利用率，例如S7-200 CPU224分為14輸入、10輸出，S7-200 CPU226分為24輸入、16輸出，還有各種輸入和輸出擴(kuò)展單元，這樣在增加I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)，不必改變機(jī)型，可以通過(guò)擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)，降低了經(jīng)濟(jì)投入。在確定好I/O點(diǎn)數(shù)后，還要注意它的性質(zhì)，類型和參數(shù)。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)，其中外部輸入元件包括：檢測(cè)元件、按鈕、取、存、限位開關(guān)等；輸出有三個(gè)電機(jī)的正反向、動(dòng)作指示等。具體I/O分布表，請(qǐng)看第四節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.3四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 傳感器的分布左右 水平傳感

12、器分布 圖（2）上下垂直方向傳感器分布 圖（3）4.2 行程開關(guān)的位置與編號(hào) 上 前左：QS1 右：QS2左右前：QS3 后：QS4后 上：QS5下：QS6下圖（4）4.3 I/O分配表輸入輸出啟動(dòng)I0.0入叉Q0.0過(guò)載I0.1出叉Q0.2下限位I0.7上升Q0.1后限位I0.6下降Q0.4左限位I0.3前進(jìn)Q0.6 前限位I0.5后退Q0.3下傳感器I0.4上傳感器I0.2還有中間繼電器M0.0, M0.1, M0.2, M0.3,4.4 系統(tǒng)流程：堆垛機(jī)入叉 開始運(yùn)行行程開關(guān)QS3 堆垛機(jī)出叉行程開關(guān)QS4堆垛機(jī)后退傳感器堆垛機(jī)上升行程開關(guān)QS4行程開關(guān)QS3傳感器傳感器堆垛機(jī)下降堆垛機(jī)

13、前進(jìn)堆垛機(jī)出叉堆垛機(jī)入叉圖（2）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路存貨工作流程： 接通電源，通電狀態(tài)下，各機(jī)構(gòu)復(fù)位，X 軸、Y 軸、Z 軸回復(fù)零位，堆垛機(jī)停在初始位置(入庫(kù)口)，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開始工作。存貨：按下啟動(dòng)按鈕I0.0,執(zhí)行存貨指令，然后選擇庫(kù)位號(hào)按貨倉(cāng)號(hào)進(jìn)行存貨， X、Y軸電機(jī)運(yùn)行至裝/卸貨臺(tái)，Z 軸電機(jī)正轉(zhuǎn)伸入裝貨臺(tái)內(nèi)，Y 軸電機(jī)上升將物體抬起，Z 軸電機(jī)反轉(zhuǎn)伸出裝/卸貨臺(tái)并將物體帶出，X 軸、Y 軸電機(jī)運(yùn)行至所選庫(kù)位號(hào)，Z 軸電機(jī)正轉(zhuǎn)送入物體,Y 軸電機(jī)下降將物體放入庫(kù)內(nèi)，Z 軸電機(jī)反轉(zhuǎn)出庫(kù)。X、Y軸電機(jī)復(fù)位，堆垛機(jī)運(yùn)行至入庫(kù)口。以此類推，進(jìn)行循環(huán)存貨。 以下是電機(jī)進(jìn)行存貨的程序圖，以立體

14、倉(cāng)庫(kù)的第一層一號(hào)和第二的二號(hào)貨倉(cāng)為例。網(wǎng)絡(luò)1到網(wǎng)絡(luò) 8為存貨到貨倉(cāng)一，網(wǎng)絡(luò) 9到網(wǎng)絡(luò)22為存貨到貨倉(cāng)二。4.5 設(shè)計(jì)梯形圖4.6 MCGS實(shí)現(xiàn)立體倉(cāng)庫(kù)工程畫面MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)窗口和運(yùn)行策略五部分構(gòu)成，每一部分分別進(jìn)行不同的組態(tài)設(shè)計(jì)，完成不同的工作，具有不同的特性。組成MCGS各要素間的關(guān)系如下圖所示：畫面建立后的效果如圖:4.7立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)造總結(jié)本文進(jìn)行了基于PLC的立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與用組態(tài)軟件MCGS實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)仿真的設(shè)計(jì)，作了以下工作：（1）查閱有關(guān)資料，收集和整理了國(guó)內(nèi)外立體倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)方案及監(jiān)控管理的研究資料。從而

15、了解立體倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)、存取工作要求以及工作流程。（2）通過(guò)對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行原理的分析，探討了用可編程控制器PLC實(shí)現(xiàn)立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的基本方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)2*3模型的控制，用可編程控制器PLC編寫立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)存取功能。（3）學(xué)習(xí)了工控組態(tài)軟件MCGS,探討了MCGS實(shí)現(xiàn)仿真的方法和制作過(guò)程。根據(jù)編寫的PLC控制程序，通過(guò)計(jì)算機(jī)與PLC之間的串行通信交換信息，用PLC來(lái)控制“模擬”的立體倉(cāng)庫(kù)。通過(guò)建立動(dòng)畫連接、設(shè)備連接與設(shè)置變量、構(gòu)造實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（設(shè)置變量與PLC的I/O分配一一對(duì)應(yīng)）等實(shí)現(xiàn)畫面模擬。 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)技術(shù)仍舊處于不斷發(fā)展之中，今后將向兩個(gè)方向發(fā)展：一是開發(fā)存儲(chǔ)大型物體，如整臺(tái)汽

16、車、大型模具之類的自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù);另一個(gè)是開發(fā)對(duì)錄音帶、錄像帶或半導(dǎo)體器件之類的輕型或超輕量物體的小型自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化立體車庫(kù)將逐漸向完整、人工智能化控制系統(tǒng)發(fā)展。我國(guó)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式,從20世紀(jì)80年代初期的集中控制式,發(fā)展到功能分布式,分層分布式,再發(fā)展到全開放的分層分布式,現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS),既提高了性價(jià)比,又提高了可靠性,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品升級(jí)換代。今后, 隨著中國(guó)企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和數(shù)量的增加, 以及重視與合理利用土地這一稀缺資源的意識(shí)不斷增強(qiáng), 具有節(jié)約土地資源優(yōu)勢(shì)、提企業(yè)管理水平的自動(dòng)化立體庫(kù)必將得到更廣泛使用。應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大, 將對(duì)相應(yīng)設(shè)備和技術(shù)提出新的、更高的要求, 中國(guó)企業(yè)必須進(jìn)