立体仓库设计

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毕业论文基于柔性生产线立体仓库的设计

1目录摘要································································IAbstract···························································II一、前言·····························································1（一）目的和意义···················································1（二）研究领域·····················································1二、立体仓库系统各单元结构及其工作原理·······························3（一）立体仓库系统单元结构图·······································3（二）立体仓储库···················································3（三）Z轴运动机构

2·················································4（四）X\Y轴运动机构···············································5三、系统硬件设计·····················································6（一）总体设计·····················································6（二）可编程控制器的选型···········································6S7-200CPU的选择············································6EM232模拟量输出模块·········································8（三）立体仓库的系统介绍MCGS组态软件应用··························9立体仓库的简述··············································9立体仓库的优越性···········································10

3立体仓库一般基本组成部分···································11四、系统的软件设计··················································12（一）系统的总体程序设计··········································12I/0地址分配表··············································12系统的程序流程图及程序编制·································12（二）旋转编码器程序编制··········································12（三）步进电机的控制及程序编制···································13指令说明···················································13PTO/PWM控制寄存器··········································16

4主要程序的编写·············································18（四）控制器的法杖方向············································18可编程控制器的构成及工作原理·······························19可编程控制器的特点·········································20可编程控制器的主要功能·····································20电动机的介绍与选择·········································21变频器的介绍与选择·········································24接触器的介绍与选择·········································25目标料仓号及仓位号的设置···································26五、操作模式和过程

5··················································27（一）机械手操作模式和过程·······································27结论与展望·························································29参考文献···························································30附录·······························································31致谢·······························································39

6一、绪论（一）课题的目的和意义随着我国经济的迅速发展，以及经济全球化的趋势愈发明显，物流产业的发展水平直接影响到了企业自身发展状况，而货物仓储又是物流产业的一个重要环节，当前我国仓储事业发展水平良莠不齐，大部分仓库依然依靠人工管理、搬运,因此搬运效率过低，直接影响物资的流通。我设计的立体仓储电控系统主要运用PLC可编程控制器控制货物的搬运和仓储，同时,在系统中还运用了传感器元件，用来检测货物位置等，并将检测到的信号传递到PLC中，在这期间机械手同时工作，最终机械手按PLC中预先编排的指令将货物放入不同的仓库中。本人认为该系统的自动化程度较高，同时存取货物较合理，能够有效的提高货物仓取能力，同时由于采用了机械手，该系统同样能够较大程度的降低工人的劳动强度，提高工作效率。（二）课题的研究领域从该系统的配件方面看，它包括了许多工业元器件，如PLC可编程控制器、步进电机、直流无刷电机、旋转编码器精确定位等技术。从中可以看出该课题的研究领域主要包括：步进电机控制技术、直流无刷电机控制技术、检测回馈技术、货物精确定位技术等。由于可编程控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现机电一体化的理想控制装置。因此在设计货物分拣以及仓储系统时，PLC可编程控制器无疑起到了关键的作用，通过PLC可编程控制器的控制,我们可以提高系统的可靠性，而且由于其具有较高的抗干扰能力，因此使用PLC可编程控制器是实现该机电一体化设备的理想控制装置。而这一通过PLC可编程控制器为核心器件设计的货物分拣及仓储系统的设计思路，对于物流、仓储等领域也具有较高的参考价值。

7步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。无刷直流电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数（P）影响：N=120．f/P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制（驱动器），控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。传感器的检测技术在现代工业中起了至关重要的作用，尤其是在自动化流水线上，它可以取代人眼的作用，来辨别货物的位置，同时诸如光电开关、压力传感器等传感元器件同样也能判断货物是否到位，以进行下一步工作。

8二、立体仓库系统各单元结构及其工作原理（一）立体仓库系统单元结构图TVT－4000E立体仓库系统单元结构图如图2-1所示。

9图2-1立体仓库系统单元结构图（二）立体仓储库立体仓储库由25个仓储位组成，每个仓储位都装有检测传感器实时监控货物的有无，此立体仓储库包含原材料区、成品区和废品区可以通过程序控制，也可通过用户的需求自己编写程序实现对货物在立体仓储库内的自由存取，如图2-2所示。图2-2立体仓储库结构图（三）Z轴运动机构由夹紧气缸（1-2-1）、旋转臂（1-2-2）、旋转步进电机（1-2-3）、推力轴承（1-2-4）、导轨（1-2-5）、Z轴步进电机（1-2-6）、滚珠丝杠（1-2-7）、型材立柱（1-2-8）等组成。Z轴运动机构（1-2）主要是实现货物的自动存取，如图2-3所示。

10图2-3Z轴运动机构结构图（四）X\Y轴运动机构X\Y轴运动机构由Y轴直流无刷电机（1-3-1）、X轴直流无刷电机（1-3-2）、X轴导轨（1-3-3）、减速机（1-3-4）组成。X\Y轴运动机构主要是采用齿轮齿条机构实现水平方向的运动，如图2-4所示。图2-4X\Y轴运动机构

11三、系统硬件设计（一）总体设计根据系统控制要求，及设备状态，控制程序主要完成以下任务：（1）出入库判断及仓库状态的扫描，确定相应的库位及X轴、Y轴坐标；（2）根据坐标，各轴电机经加减速精确定位；（3）根据时序关系，确定状态，完成货物出入库。系统的组成如图3-1所示。

12图3-1系统组成图（二）可编程控制器的选型为了提高仓库的仓储能力，降低工人的劳动强度，提高仓库的自动化程度，而PLC编程控制器恰恰具有可靠性高、.编程方便、易于使用、逻辑功能强、体积小的特点，并且其有网络通讯功能，可附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂控制功能。因此在我的仓储电控系统中，我选择了使用PLC可编程控制器，作为核心控制件。S7-200CPU的选择西门子提供多种类型的CPU以适应各种应用要求。不同类型的CPU具有不同的数字量I/O点数、内存容量等规格参数。目前提供的S7-200CPU有：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226和CPU226XM。S7-200CPU规格如表所示。按以上S7-200CPU规格所示，由于该系统需要的PLC输入端接口较多，因此选用的PLC可编程控制器应为CPU226系列，该CPU为直流供电，直流数字输出，数字量输出点是晶体管，因此选择DC/DC/DC系列。综上所述，最终选用的PLC可编程控制器件为CPU226DC/DC/DC系列。

13表S7-200CPU规格表CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM用户程序区数据存储区4K字节2K字节4K字节2K字节8K字节5K字节8K字节5K字节16K字节10K字节CPU内置DI/DO点数6/48/614/1024/1624/16AI/AO点数无16/1632/3232/3232/32扫描时间/1条指令0．37us0．37us0．37us0．37us0．37us最大DI/DO点数256256256256256位存储区256256256256256计数器256256256256计时器256256256256256时钟功能可选可选内置内置内置数字量输入滤波标准标准标准标准标准模拟量输入滤波N/A标准标准标准标准高速计数器单相4个30KHZ4个30KHZ6个30KHZ6个30KHZ6个20KHZ

14双相2个20KHZ2个20KHZ4个20KHZ4个20KHZ4个20KHZ脉冲输出2个20KHZ2个20KHZ2个20KHZ2个20KHZ2个20KHZ通讯口1×RS4851×RS4851×RS4852×RS4852×RS485EM232模拟量输出模块该系统选用EM232模拟量输出模块，2通道电流/电压输出。EM232模拟量输出和组合模块的技术规范如表和图3-1所示。表EM232模拟量输出模块技术规范型号物理I/O数量功耗信号范围分辨率全量程数据字格式最大驱动从+5VDC从L+电压输出电流输出电压电流电压电流电压输出电流输出EM232AQ2*12位6ES7232-0HB20-0XA0220mA70mA+/-10V0到20mA12位11位-32000到+320000到+32000最小5000欧最大500欧

15图3-1EM232扩展模块的连接器的端子标识EM232控制无刷直流电机原理接线图如图3-2所示。图3-2无刷直流电机原理接线图（三）立体仓库的系统介绍及MCGS组态软件的应用立体仓库的简述

16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，故常形象地将其称为“立体仓库”。立体仓库必然是机械化仓库。由于货架在5米以上，人工已难以对货架进行进出货操作，因而必须依靠机械进行作业。而立体仓库中的自动化立体仓库，则是当前技术水平较高的形式。如图3-3所示。图3-3货架自动化立体仓库简称立体仓库立体仓库是现代物流系统中的重要物流节点，在物流中心中的应用越来越普遍。目前世界上最高的立体仓库高度已达50米。立体仓库单位面积的储存量可达（t/m2），是普通仓库的5～10倍。由于使用高层货架存储货物，存储区可以大幅度地向高空发展，充分利用仓库地面和空间，因此，节省了库存占地面积，提高了空间利用率。使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度。而自动化立体仓库是当代货架储存系统发展的最高阶段，它与自动分拣系统和自动导向车并称为物流技术现代化的三大标志。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，建立了第一座计算控制的立体仓库。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，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。

17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。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。立体仓库的优越性立体仓库其优越性是多方面的，对于企业来说,可从以下几个方面得到体现：（1）提高空间利用率 早期立体仓库的构想，其基本出发点就是提高空间利用率，充分节约有限且宝贵的土地。在西方有些发达国家，提高空间利用率的观点已有更广泛深刻的含义，节约土地，已与节约能源、环境保护等更多的方面联系起来。有些甚至把空间的利用率作为系统合理性和先进性考核的重要指标来对待。立体仓库的空间利用率与其规划紧密相连。一般来说，立体仓库其空间利用率为普通平库的2-5倍。这是相当可观的。（2）便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平。传统仓库只是货物储存的场所，保存货物是其唯一的功能，是一种“静态储存”。立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库内按需要自动存取，而且可以与仓库以外的生产环节进行有机的连接，并通过计算机管理系统和自动化物料搬运设备使仓库成为企业生产物流中的一个重要环节。企业外购件和自制生产件进入自动化仓库储存是整个生产的一个环节，短时储存是为了在指定的时间自动输出到下一道工序进行生产，从而形成一个自动化的物流系统，这是一种“动态储存”，也是当今立体仓库发展的一个明显的技术趋势。以上所述的物流系统又是整个企业生产管理大系统（从订货、必要的设计和规划、计划编制和生产安排、制造、装配、试验、发运等）的一个子系统，建立物流系统与企业大系统间的实时连接，是目前立体仓库发展的另一个明显的技术趋势。 

18总之，立体仓库的出现与发展，是与工业、科技发展相适应的。现代化大生产，越来越促使工业生产社会化、专业化、集中化。生产的高度机械化,自动化必然要求物资的供应分发及时、迅速、准确。这就促使立体仓库技术得到迅速的发展，并已成为工厂设计中高科技的一个象征。立体仓库一般基本由以下部分高层货架：用于存储货物的钢结构。目前主要有焊接式货架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。是全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。立体仓库的形式以高层货架的基本形式为基准可分为整体式仓库（Buildingtype:Buildinginracksupported）和分离式仓库（Unittype:Buildingisfreestandingfrontrackstructure）两个基本类型。立体仓库起始于12米以上的高层货架仓库，这种仓库的货架结构不但用于存放货物，同时又是仓库基筑的柱子和仓库侧壁的支撑，即仓库建筑与货架结构成为一个不可分开的整体，故称整体式仓库。整体式仓库具有技术水平高、投资大和建设周期长等问题，适用于大型企业和流通中心。相反，货架结构自成一个单元与建筑无关的仓库，则称分离式仓库。四、系统的软件设计（一）系统的总体程序设计

19I/0地址分配表I/O地址分配表见附录。系统的程序流程图及程序编制系统的程序流程图见附录。系统的整体程序见附录。接通电源，程序初始化，机构复位，X轴、Y轴、Z轴、R轴回零位，设定优先存取仓位并逐行扫描仓位。当小车移动到位置1时，光电开关1闭合，阻挡器工作小车停止移动，检测光电开关2是否闭合。当其闭合时表明小车上有货物，选择入库指令。按预设的存储优先级选择优先存储的仓位，R轴顺时针旋转90°，X、Y轴向位置1移动，驱动器比较设定坐标值与编码器值是否相符，实施监控。到达位置1后，R轴逆时针旋转90°，Z轴移动指定位移，Y轴下降，检测机械手到位后，电磁阀控制气缸夹紧货物，Y轴上升，R轴顺时针旋转90°，X、Y轴向位置2移动，驱动器监控比较设定坐标值与编码器值是否相符。到达位置2后，R轴顺时针转90°，Z轴移动指定位移，Y轴下降，检测到位后，电磁阀控制气缸松开货物，Y轴上升,R轴逆时针转90°，入库完成。系统开始循环，检测光电开关1是否闭合，即是否有小车到位，当闭合时，阻挡器阻挡小车移动，当光电开关2未闭合时，表示车上无货物，此时执行出库指令。按取货优先级选择仓位，R轴顺时针转90°，X、Y轴向位置3移动，检测到位后，R轴顺时针转90°，Z轴移动指定位移，Y轴下降，检测到位后，电磁阀控制气缸夹紧货物，Y轴上升，R轴逆时针转90°，X、Y轴向位置1移动，检测到位后，R轴逆时针转90°，Z轴移动指定位移，Y轴下降，到位后电磁阀控制气缸松开货物，Y轴上升，R轴顺时针转90°，出库完成。系统进入下一个循环过程。（二）旋转编码器程序编制

20编码器采用增量式编码器，对编码器的高速脉冲计数在cpu226PLC中，使用输入端口、及、完成输入，采用HSC1和HSC2高速计数器，用模式9，A/B相正交计数器模式完成编码器脉冲的计数。其设置程序如下：LDh:MOVB16#FC,SMB47

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22100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是67-75A以下的设备。

23（2）间断运行的设备。接触器按80%算.即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是80A以下的设备。（3）反复短时工作的设备。接触器按116-120%算。即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是116-120A以下的设备。交流接触器是控制电器中的主要电器，正确的选择使用，对电工人员是很重要的，往往因选择使用不当，造成接触器不应当的损坏。（一）根据长期工作电流来选择长期工作电流是指电器所能长期承受的负载电流。接触器的额定电流≥负载的实际。（二）电压的选择接触器的额定电压≥负载的额定电压许多负载，电流常随电压变化而变动。如电动机的电流随工作电压上升而增加，特别是电容器，随着电压的上升电流增加的量较大。因此选择接触器用来控制电容器时，其额定电流一般按工作电流的70%—80%来选择。（三）根据通断能力选择接触器如果接触器用于密接转换，电动机剩磁来不及衰减形成反相，会导致很高的起动电流，从而引起触头熔焊。解决的办法应根据负载的性质、工作任务情况，考虑接触器的通断能力来选择。接触器额定电流在100安以下时的通断能力为分断能力=8*电动机额定电流闭合能力=12*电动机额定电流100安以上时的通断能力为分断能力=6*电动机额定电流闭合能力=10*电动机额定电流选择时，应使负载的额定容量及起动电流小于接触器的分断能力。目标料仓号及仓位号的设置为便于现场操作使用,15个料仓及每个料仓的仓位号、存储情况均被扫描记忆在PLC中,为此,1#~15#料仓的地址对应PLC的内部保持继电器,每个保持继电有16位,即00位~15位,料仓的料位号用01位~06位来表示。以2#料仓为例,当按下按钮时,接点接通,执行传送指令“MOV（021）#1D91”,D91中的数据为1,即目标料仓号是2#。若当前位于操作位置的料仓号是8#,则通过程序判别,电动机反转,链条反向运行,直到2#料仓到达操作位置时,电动机停止运行。

24五、操作模式和过程（一）机械手操作模式和过程系统操作过程中机械手动作主要完成货物的出库和入库任务。以入库动作为例，具体动作过程如下：（1）机械手伸缩、升降、转盘和抓手进行原点搜索。（2）机械手的伸缩臂向前,当脉冲个数达到设置值时停止,同时转盘顺时针旋转到位。（3）机械手下降,当脉冲个数达到设置值时停止。（4）抓手电磁阀动作,抓手抓紧,从指定的传送带小车上抓起货物。（5）机械手上升,当脉冲个数达到设置值时停止。（6）机械手的伸缩臂向后,当脉冲个数达到设置值时停止,同时转盘逆时针旋转到位。（7）机械手下降,当脉冲个数达到设置值时停止。（8）抓手电磁阀动作,抓手放松,将货物放至指定的仓位。（9）机械手伸缩、升降,转盘电机返回原点。控制流程图如图4-7所示：

25进行原点搜索伸缩臂向前，同时转盘顺时针到位脉冲个数-设置值=0机械手下降抓手电磁阀动作，抓手抓紧机械手上升开始脉冲个数-设置值=0脉冲个数-设置值=0脉冲个数-设置值=0机械手下降脉冲个数-设置值=0抓手电磁阀动作，抓手放松返回原点伸缩臂向后，同时转盘逆时针到位图4-7：机械手操作流程图

26结论与展望本文全面论述了立体仓储系统电控系统的设计和开发，从原理分析到具体结构的设计都作了详细论述、并提出了可行的方法。从而设计出操作方便、自动化程度高、应用范围广的立体仓储系统。设计和开发的成果如下：画出了立体仓储系统电控系统的电器原理图，熟悉PLC、旋转编码器、电磁阀和气缸等机电一体化设备的工作原理和使用方法，并且按照控制要求完成了元器件的选择；绘制出了气动系统原理图；根据控制方案，绘制程序控制框图，编写控制程序；虽然最终完成了毕业设计题目，但是其中仍然有许多不足之处。对系统的展望：随着经济的发展，对物流产业的需求也会逐年扩大，这就意味着人们必须提高仓库的自动化控制水平以提高仓库的利用率，该系统的设计就是为了提高仓库的自动化水平，它通过PLC可编程控制器控制货物的出入库并用机械手控制货物的搬运，这样就可以大量减少在仓库搬运现场的工人数量。同时，由于该系统中设置了电容，电感传感器这就能正确的将货物定位，并为最终将货物分类存入仓库提供脉冲信号。虽然我的仓储设计系统虽然仍存在诸多不足之处，但相信通过将来细致的完善，该系统一定会有它的用武之处。

27参考文献一、中文部分[1]李全利，可编程控制器及其网络系统综合应用技术[M]，北京:机械工业出版社,2005。[2]齐占庆，机床电器控制技术[M]，北京:机械工业出版社，1999。[3]SIEMENS公司，《SIMATICS7—200可编程序控制器使用手册》，。[4]刘洪涛，黄海，PLC应用开发从基础到实践[M]，北京：电子工业出版社,。[5]钟肇新，王灏，可编程控制器入门教程[M]，广州：华南理工出版社，。[6]杨长能，张兴毅，可编程序控制器（PC）基础及应用[M]，重庆：重庆大学出社，。[7]范次猛，可编程序控制器的原理与应用[M]，北京：北京理工大学出版社，2006。[8]皇长艺，机械工程测试技术基础[M]，北京：机械工业出版社，。[9]缪兴锋，浅析物流自动化立体仓储系统设计新技术[M]，广州:广东轻院威特隆物流设备研究所，。[10]常发亮，李幕岚，林连序，自动化立体仓库PLC控制系统[R]，电器自动化，西安：中国计划出版社，1995。[11]胡鸿，姚伯威，机电一体化原理及应用[M]，北京：国防工业出版社，2001。[12]周万珍，高鸿斌，PLC分析与设计应用[M]，北京：电子工业出版社，2001。[13]阳宪惠，现场总线技术及其应用[M]，北京：清华大学出版社，2000。[14]李道霖，电气控制与PLC原理及应用[M]，北京：电子工业出版社，。[15]鲁晓春，仓储自动化[M]，北京：清华大学出版社，。[16]孙海维，SIMATIC可编程控制器及应用[M]，北京：机械工业出版社，。二、英文部分

28[1]ZhangLiBin,StudyofMachiningProcessMonitoringofFMSBasedonTimeSeriesAnalysis,JiLin:JiLinUniversity,2004.[11],,“TheIntegrationofDeadlineandCritiealnessinHardReal一TimeSeheduling”,gthReal一TimeSystemsSymPosium,1998.附录附录一立体仓储系统I/O地址分配表输入输出输入元件地址输出元件地址伸出收回限位开关、上下脉冲输出左右限位开关、左右脉冲输出上下限位开关、上下运动方向急停按钮左右运动方向手动自动选择开关伸叉电极正转向左、向右按钮、伸叉电极反转

29向上、向下按钮、伸出、收回按钮、附录二立体仓储系统的程序流程图启动自动过程N手动过程Y回原点软件初始化入库

30选择仓位号无货物NY货物名称和数量堆垛机前进上升伸叉伸出收回堆垛机下降后退回原点结束附录三立体仓储系统的整体程序实现：15个货位，货物搬运。

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