立体仓库毕业设计样本.doc
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1、本 科 毕 业 设 计立体仓库电气控制系统设计Design of Warehouse Electrical Control System学 院: 电子工程学院 专业班级: 电气工程及其自动化 学生姓名: 学 号: 指导老师: 6 月毕业设计汉字摘要立体仓库电气控制系统设计摘 要:伴随中国国民经济发展,自动化立体仓库应用越来越广泛。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。本课题电气控制关键由西门子企业PLC、步进电机驱动器、步进电动机、直流电动机等器件组成。本文首先对本课题进行简
2、明介绍,包含背景,研究意义,现实状况等;其次对该系统硬件组成、结构、原理进行了叙述和分析;再次对本系统用到器件进行分别介绍,关键对PLC程序进行了编写;最终对设计本课题所学到知识和结论进行归纳和总结。 关键词:立体仓库;电气控制;PLC 毕业设计外文摘要Design of Warehouse Electrical Control SystemAbstract: With the development of national economy of our country, The application of automated warehouse will become more widel
3、y. The main body of the automated warehouse is made up of shelves, staking cranes roadway, worktable and operation control system. Electrical control of the subject mainly by Siemens PLC, stepper motor drive power modules and other devices. Firstly, Its a brief introduction of the system, including
4、background, significance, status, etc. secondly, The hardware components of the system, structure, principle are described and analyzed. Thirdly, the devices of this system are introduced, focusing on the PLCthe software is written. Finally, summarize the knowledge about this paper.Keywords: Warehou
5、se;Electrical Control;PLC; 目 录1.绪论11.1本课题研究背景和现实状况11.2本课题研究发展趋势21.3本课题设计内容21.4可编程控制器(PLC)介绍22.系统控制方案42.1立体仓库系统功效42.2采取PLC控制立体仓库优点43.系统硬件配置53.1立体仓库系统控制53.2电气原理图设计53.3立体仓库电气硬件介绍和选择63.4PLC输入输出分配124.系统软件设计144.1系统步骤图144.2系统程序设计165.程序仿真和调试325.1 程序仿真325.2 程序调试34总 结37致 谢38参考文件391. 绪论1.1 本课题研究背景和现实状况因为世界经济、现
6、代科技快速发展,物流产业成为经济发展中新兴一个服务部门。在国际上,物流产业成为了国民经济发展动脉,其发展程度成为一个国家现代化程度和综合锅里关键标志之一。在我们国家,因为市场经济不停深入,单纯依靠商流而赚取利润机会将会变少。所以,企业需要将目标转向物流。在20世纪六、七十年代,部分发达国家全部开始重视仓储管理。立体仓库通常是指采取几层、十几、几十层货架储存单元货物,用对应物料搬运设备进行货物出、入库操作。因为这类仓库能充足利用空间存放货物,所以将它称为立体仓库。1中国立体仓库和物料搬运研究也并不是很晚,1973年开始研究立体仓库,1980年就有立体仓库应用于实践。自动化立体仓库有很高空间利用率
7、、很强入出库能力、采取计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点,已经成为了企业物流和生产管理不可缺乏仓储技术。自动化立体仓库关键优点以下:(1)仓库作业实现机械化和自动化。(2)采取高层货架、立体储存,能有效地利用空间,降低占地面积,降低土地购置费用。(3)采取托盘或货箱储存货物,货物破损率显著降低。(4)货位集中,便于控制和管理,尤其是使用电子计算机,不仅能够实现作业过程自动控制,而且能够进行信息处理。本论文关键是基于PLC所设计立体仓库电气控制系统。下面简单叙述PLC发展背景。1968年美国最大汽车制造商通用汽车企业为了适应汽车型号不停更新,提出把计算机完备功效、灵活性、通用性好等
8、优点和继电器-接触器控制系统简单易懂、操作方便、价格低等优点结合到一起,做成了一个能适应工业环境通用控制装置,并把其编程方法及程序输入方法简化,使不熟悉计算机人员也能够快速掌握其使用技术。依据这一设想,美国数字设备企业于1969年率先研制出第一台可编程控制器(简称PLC),并在通用汽车企业自动装配线上试用取得成功。因为PLC可靠性高,操作简单,能够大大降低设备维修和停产所造成经济损失。目前PLC已经成为了电气自动化控制系统中应用最为广泛关键控制装置。1985年国际电工委员会(IEC)对PLC定义以下:“可编程控制器是一个进行数字运算电子系统,是专为在工业环境下应用而设计工业控制器,它采取了能够
9、编程存放器,用来在其内部存放实施逻辑运算、次序控制、定时、计算和算术运算等操作指令,并经过数字或模拟式输入和输出,控制多种类型机械生产过程。”2所以,进行立体仓库PLC控制系统设计,能够推进机械手行业发展,扩大PLC在自动控制领域应用,含有一定经济和理论研究价值。1.2 本课题研究发展趋势因为自动化立体仓库广泛应用、计算机技术和网络技术发展,使得立体仓库发展十分快速,其发展趋势关键有3点:1. 立体仓库向柔性化发展。伴随柔性化普及,自动化立体仓库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和移动式仓库结构。2. 立体仓库作业管理自动化水平逐步提升。具体来说,就是在要求时间内、在正确地点
10、、按正确次序和方法、提供正确品种及数量货物。3. 立体仓库中智能技术将会取得应用。人工智能技术发展,推进了自动化技术向其高级阶段-智能化方向发展。1.3 本课题设计内容自动化立体仓库主体由货架、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。堆垛机是立体仓库关键部件,负责全部货物入库承运作业,可实现三个自由度运动。该系统经过传感器采集信号,PLC控制程序,能够实现对步进电机和直流电机较复杂速度和位置控制规模。在入库作业时,当检测传感器检测到零位平台上有货物,那么起动机械手,将零位平台上货物放到指定库位上。在出库操作时,开启机械手,抵达指定库位,将指定库位上货物取出放到零位
11、平台。机械手在实施每次去放任务,全部会自动回到零位,等候下一条指令。 论文中机械手能够进行三个维度改变,就是能够进行前进、后退,上、下,左、右改变。为了系统安全,在各个限位处全部装有超限位保护开关,每个库位全部有检测装置,判定库位是否已经有货物,严禁双重入库和空取操作。1.4 可编程控制器(PLC)介绍1.4.1 可编程控制器(PLC)基础结构可编程控制器基础结构由输入/输出模块、中央处理单元、电源部件和编程器等组成。PLC和计算机基础组成一致,它实际上就是一个工业控制计算器。(1) 输入/输出模块 在PLC中,CPU是经过输入/输出模块和外界连接。输入模块用于将控制现场输入信号变换成CPU能
12、接收信号,并对其进行滤波、电平转换、隔离和放大等;输出模块用于将CPU决议输出信号变换成驱动控制对象实施机构控制信号,并对输出信号进行功率放大、隔离PLC内部和外部实施元件等。(2) 中央处理单元 中央处理器单元包含微处理器、系统程序存放器和用户程序存放器。微处理器CPU是PLC关键部件。(3) 电源部件 电源部件是把交流电转换成直流电源装置,它向PLC提供所需高质量直流电源。2 基础结构以下图所表示:图1.1 PLC基础结构1.4.2 可编程控制器(PLC)特点(1)可靠性高,抗干扰强。(2)功效强大,性价比高。(3)编程简易,现场可修改。(4)配套齐全,使用方便。(5)寿命长,体积小,能耗
13、低。(6)系统设计、安装、调试、维修工作量少,维修方便。.22. 系统控制方案2.1 立体仓库系统功效系统采取滚珠丝杠、滑杠和一般丝杠作为关键传动机构、点击采取步进电机和直流电机,其关键部分是机械手,它由水平移动、垂直移动、货台机构三部分组成,其水平和垂直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成,伸叉机构由一台直流电机来控制。当堆垛机平台移动到货架指定位置时,直流电机驱动货台向前伸出可将货物取出或送入,当取到货物货已送入,则货台向后缩回。在此设计立体仓库需要满足一下功效:1、机械手要有三个自由度,即:前进、后退;上、下;左、右;2、机械手运动由步进电机驱动;3、机械手前进(或后退)运动和上(或
14、下)运动可同时进行;4、机械手前进、后退和上、下运动时必需有超限位保护;5、每个库位必需有检测装置(微动开关)。6、当按完库位号后,没按入或没取前,能够按手动取消该操作。2.2 采取PLC控制立体仓库优点PLC应用很广泛,比如:电梯控制、防盗系统控制、交通分流信号灯控制、楼宇供水自动控制、喷水池自动控制、消防系统自动控、供电系统自动控制及多种生产流水线自动控制等。按PLC编程功效可分为4大类:开关量次序控制、通信功效、模拟量控制、运动控制。PLC应用大大提升了控制系统稳定性、适用性、而且降低了系统成本。其控制系统简单,更改轻易,施工周期短;系统维护轻易。自动化立体仓库,少不了自动化仓库管理系统
15、,只有使用强大仓库管理系统才能使得仓库管理和业务步骤上一个台阶,才能将优异硬件设备发挥作用、产生效益,针对这一仓库管理系统,我选择了PLC。选择PLC是因为它稳定性比单纯使用单片机要稳定多,所能实现功效也强大多。总来看,基于PLC自动化立体仓库能够总结为以下几点优点:低成本、范围广、高速、便捷、永远在线、结构灵活、数字化等。3. 系统硬件配置3.1 立体仓库系统控制立体仓库系统控制图以下图3.1所表示。组成PLC控制系统关键电气硬件有控制立体仓库Z轴直流电动机,控制XY轴步进电动机和供给系统能源直流开关电源,还有多种传感器,如系统中采取反射式和对射式传感器和微动开关(用来完成货物检测和限位保护
16、)。图3.1 立体仓库系统控制框图3.2 电气原理图设计依据以上控制要求,得到以下电气原理图:图3.2 PLC外部接线图3.3 立体仓库电气硬件介绍和选择3.3.1 可编程控制器(PLC)在PLC系统设计时,首先应确定控制方案,下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺步骤特点和应用要求是设计选型关键依据。所以,权衡利弊、合理地选择机型才能达成经济实用目标。所以,工程设计选型和估算时,应该是要分析控制过程特点、要求、范围。然后依据控制要求,估算输入输出点数、所需存放器容量、确定PLC功效、外部设备特征等,选择有较高性价比PLC、设计对应控制系统。 1输入输出(I/O)点数估算在我们设计时,我们先对
17、I/O点数估算,而且考虑合适余量,通常依据统计输入输出点数,再增加10%20%可扩展,以此来确定我们所需要PLC输入输出点数。依据估算方法故本课题I/O点数为输入40点,输出21点。2存放器容量估算存放器容量是指可编程序控制器本身能提供硬件存放单元大小,程序容量是存放器中用户应用项目使用存放单元大小,所以程序容量小于存放器容量。设计阶段,为了设计选型时能对程序容量有一定估算,通常采取存放器容量估算来替换。存放器内存容量估算,大致上全部是按数字量I/O点数1015倍,加上模拟量I/O点数100倍,以此数为内存总字数(16位为一个字),另外再按此数25%考虑余量。所以本课题PLC内存容量选择应能存
18、放5000条梯形图,这么才能在以后改造过程中有足够空间。33控制功效选择该选择包含运算功效、控制功效、通信功效、编程功效、诊疗功效和处理速度等特征选择。依据本课题所设计自动控制需要,关键介绍以下多个功效选择。(1)控制功效PLC关键用于次序逻辑控制,大多数场所常采取单回路或多回路控制器处理模拟量控制,有时也采取专用智能输入输出单元完成所需控制功效,首先要提升PLC处理速度,其次节省存放器容量。(2)诊疗功效PLC诊疗功效包含硬件和软件诊疗。硬件诊疗经过硬件逻辑判定确定硬件故障位置,软件诊疗分内诊疗和外诊疗。经过软件对PLC内部性能和功效进行诊疗是内诊疗,经过软件对PLCCPU和外部输入输出等部
19、件信息交换功效进行诊疗就是外诊疗。PLC诊疗功效强弱,直接影响对操作和维护人员技术能力要求,并影响平均维修时间。(3)编程功效离线编程方法:PLC和编程器共用一个CPU,编程器在编程模式时,CPU只为编程器提供服务,不对现场设备进行控制。完成编程以后,编程器切换到运行模式,CPU对现场设备进行控制,就不能进行编程。离线编程方法可降低系统成本,但使用和调试不方便。在本设计中选择是此方法。在线编程方法:CPU和编程器有各自CPU,主机CPU负责现场控制,并在一个扫描周期内和编程器进行数据交换,编程器把在线编制程序或数据发送到主机,下一扫描周期,主机就依据新收到程序运行。这种方法成本较高,但系统调试
20、和操作方便,在大中型PLC中常常被采取。五种标准化编程语言:次序功效图(SFC)、梯形图(LD)、功效模块图(FBD)三种图形化语言和语句表(IL)、结构文本(ST)两种文本语言。17(4)机型选择S7-200系列在集散自动化系统中充足发挥着强大功效。使用范围可覆盖从替换继电器简单控制到更复杂自动化控制。S7-200 CPU 226 集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O 点,35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存放空间。6个独立30kHz高速计数器,2路独立20kHz高速脉冲输出,含有PID控制器。2个RS485通讯/编程口
21、,含有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方法通讯能力。I/O端子排能够很轻易地整体拆卸。用于较高要求控制系统,含有更多输入/输出点,更强模块扩展能力,愈加快运行速度和功效更强内部集成特殊功效。可完全适应于部分复杂中小型控制系统。本系统所采取PLC是西门子S7-200 CPU226 DC24V,继电器输出。3.3.2 步进电动机步进电机是一个由电脉冲控制特殊同时电动机,它作用是将脉冲电信号变换为对应角位移或线位移。所以,步进电动机又称为脉冲电动机。它能够实现信号变换,是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用实施元件。下面简单介绍步进电机工作原理及其特点和选择。(1) 步进电机工作原理步进电机是数
22、字控制系统中实施电动机。当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时,转子就会转动一步。当电脉冲按某一相序加到电动机时,转子沿某一方向转动步数等于电脉冲个数。所以,改变输入脉冲数目就能控制步进电机转子机械位移大小;改变输入脉冲通电相序,就能控制步进电机电动机转子机械位移方向,实现对位置控制。(2) 步进电机特点a) 位移和输入脉冲信号信号数相对应,步距误差不长久积累,能够组成结构简单且含有一定精度开环控制系统,也能够在需要更高精度时组成闭环控制系统。b) 速度能够在相当宽范围内平滑调整。c) 易于起动、停止、正反转及变速,快速响应性能好。d) 含有自锁能力。当控制脉冲停止输入且让最终一个脉冲控
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