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随着现代生产技术的飞速进展以及社会物质的不断富强,平面仓库对于货物的存放已经远远不能满足当前的需求,因此立体仓库已成为生产和生活中的一个重要的组成部分,对于立体仓库的争辩也不断的深化。
本文主要设计了一个12个仓位的自动化立体仓库系统,全文对立体仓库各部分进行分部设计,首先提出了立体化仓库的总体结构设计方案,介绍系统的组成模块、功能及各模块之间的联系,并提出一些设计中消灭的问题的解决方案。其次是对立体仓库系统设计和硬件设计,主要接受可编程把握器来对其进行把握,通过PLC编程软件对立体仓库的整个运作进行了PLC程序的设计,主要以手动和自动两种不同的方式把握,并对意外状况的发生也作了意外处理程序的设计。
为了监控和管理立体仓库监控和管理体力仓库的运行状态,利用组态王软件按对于立体仓库的运行状况设计了一个实时监控系统。该系统能对现场数据进行采集处理,管理人员只要通过运行监控系统就可以实时监控立体仓库库的工作状态,保证了正常运作,对消灭的问题作出准时的推断和处理。
最终通过该系统的仿真模拟运行,验证了此立体仓库运行平稳,送送取货物定位精确 ,平安牢靠。
关键词:立体仓库,PLC把握器,组态王软件,实时监控,仿真
目录
摘要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
第1章前言 1
1
立体仓库进展历史 1
立体仓库的组成 2
3
国外争辩现状

社会意义
科技意义
教学意义
第2章立体仓库设计方案 9
9
系统模块组成 10
系统模块的功能 10
9

10
10
第3章立体仓库系统硬件的设计

步进电机

.1PLCI/O点的选择
.2PLC型号的选择
.3PLCS7-200的介绍
把握台
第7章结论 52
52
参考文献(宋体,小四号,加粗) 54
致谢(宋体,小四号,加粗) 59
附录A:XXX(宋体,小四号,加粗) 60
附录B:XXX 66
第1章前言
自动化立体仓库也称自动存取系统,它是一种用高层立体货架(托盘系统)存储物资,用自动把握堆垛机进行存取作业,用计算机把握管理的仓库。自动化立体仓库除了具有传统仓库的基本功能外,还具有分拣、理货的功能,以及在不直接进行人工处理的状况下,自动存储和取出物料的功能[1][10]。

立体仓库进展历史
立体仓库一词起源于“高层货架”,一般是指接受几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物,随着科技的进展,人们渐渐接受起重、装卸、运输机械设备等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”[1]。
早在20世纪50年月初期,美国就消灭了使用桥式堆垛起重机的仓库。这种起重机是在通用桥式起重机的小车上装设堆取货物的装置,从地面上用按钮进行操纵,其结果是使货架间的通道大大减小,单位面积的储存量平均增加了50%多。此后立体仓库在美国和西欧得到快速进展。1963年美国某公司首先在仓库业务中接受计算机把握,仓库高度已达12米。20世纪60年月中期,日本开头兴建立体仓库,而且进展的速度越来越快,据日本“产业机工”的统计,到1982年,日本已拥有各种立体仓库3257座,几乎相当于欧美国建拥有量得总和[11]。
立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库力量、接受计算机进行把握管理又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行缺少的仓储技术,越来越受到企业的重视。
立体仓库的组成
立体仓库一般由高层货架、仓储机械设备、建筑物及把握和管理设施等部分组成[9]。货架的形式有很多,材料一般用钢材或钢筋混凝土制作。钢货架的优点是构件尺寸小,仓库空间利用率高,制作便利,安装建设周期短。而且随着高度的增加,钢货架比混凝土货架的优越性更加明显。为了提高货物装卸、存取效率,自动化立体仓库一般使用货箱或托盘盛放货物。货箱与托盘的基本功能是盛放小件物料,同时还应便于运输车和堆跺机的插取和存放。搬运设备是自动化仓库中的重要设备,它们一般由电力驱动,通过手动或自动把握,实现把货物从一处搬运到另一处。输送系统必需具有高度的牢靠性。在立体仓库内,一般只有一套输送系统,一旦发生故障,就会使整个仓库工作受到影响。所以,要求输送系统的各个环节上的设备牢靠、耐用、修理便利。对输送系统设置手动把握做后备。

自上世纪60年月以来,美日欧等国家和地区设计和投入使用的立体仓库越来越多,立体仓储技术已成为一门新兴的学科。据不完全统计,美国有各种类型的自动化立体仓库20000多座,日本有38000多座,德国有10000多座,英国有4000多座,前苏联有1500多座。堆跺机是自动化立体仓库的主要作业机械,担负着出库、进库、盘库等任务,是自动化立体仓库的核心部件,自动化立体仓库的进展就是以堆跺机的进展为主要标志的,目前巷道式堆跺机为主要进展方向[1]。
在我国,立体仓库的进展是从70年月初期开头的,1963年研制成第一台桥式堆垛起重机,1973年开头研制我国第一座由计算机把握的自动化立体仓库(高15米,机械部起重所负责),该库1980年投入运行,由北京***自动化争辩所等单位研制建成我国第一座自动化立体仓库,并在北京汽车制造厂投产[9]。从今以后,立体仓库在我国得到了快速的进展。据不完全统计,目前我国己建成的立体仓库近300个,其中全自动化的立体仓库有30多个。1995年建成的仪征化纤工业联合公司涤纶长丝自动化立体仓库,是目前我国独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体仓库。近些年我国自动化仓库技术进展很快,己实现了与其它信息决策系统的集成,并正在做智能把握和模糊把握的争辩工作。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。

社会意义
立体仓库的特点在于以高层立体货架为标志,以成套先进搬运设备为基础,以先进的计算机把握技术为主要手段,高效率地利用仓储空间,节省时间和人力进行各种作业,具有巨大地社会效益和经济效益,因此被普遍应用于机器制造业、电器制造业、航空港、轻工和化工企业、商储业、军需部门等各行各业。
其中自动化的立体仓库更是具有宽敞市场前景。它集机械、电子、把握、计算机技术于一体,具有科技含量高,货物存取效率高和自动化程度高等优点,在物流监控技术、计算机应用技术、通信技术、货位优化管理等技术领域都有很好的应用。从制造工厂、商场、机场,到港口、军需部地下室冷库到都少不了立体仓库的身影,特殊是随着人们生活水平的提高,自我国的机动车数量日益猛增,传统的停车场已经不能满足人们的需求,于是人们将立体仓库这一理念和技术应用于停车库,很多城市都相继消灭了立体停车库,使停车难的问题渐渐得以缓解,所以为了更好的合理利用资源、保证产需均衡、提高物流效率,我们对于自动化立体仓库的争辩迫在眉睫。
科技意义
近些年我国自动化仓库技术进展很快,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,究其缘由,自动化程度不够是一个很大的缺陷。
对此能较有效的改善这一缺陷的方法就是在把握系统中接受PLC把握器,由于PLC功能强大,牢靠性高,抗干扰力量强,修理便利,易于实现机电一体化,可以完全满足立体仓库工作环境和把握系统的要求。通过PLC把握的立体仓库克服了继电接触把握系统中的机械触点的接线简单、牢靠性低、功耗高、通用性和机敏性差的缺点,充分利用了微处理器的优点,又照看到现场电气操作修理人员的技能与****惯,特殊是PLC的程序编制,不需要特地的计算机编程语言学问,而是接受了一套以继电器梯形图为基础的简洁指令形式,使用户程序编制形象、直观、便利易学,调试与查错也都很便利。
所以近几年接受可编程把握器(PLC)与微机把握搬运设备的仓库以及接受计算机管理与PLC联网把握的全自动化仓库在全部立体仓库中的比重不断增加。
另外,当前各领域中使用的立体仓库往往是很浩大的系统,研制立体仓库往往需要投入很大的人力和财力,这给立体仓库的争辩带来很大难度,令很多科技研发和教学争辩机构望而却步,针对这一难题,可以通过设计制作小型的立体仓库模型,对其加入把握系统,并通过对其进行模拟调试,再将其争辩成果应用于立体仓库的生产研制,这样一来既节省成本,提高效率,也可以更为广泛的开展对于立体仓库的争辩。事实证明,大型自动化仓库系统己不再是进展方向。为了适应工业进展的新形势,消灭了规模更小,反应速度更快,用途更广的自动化仓库系统,如德国Veltins啤酒厂制酒仓库,还有MetzleroptikpartnerAG公司的小件仓库,通过提高运送速度和加快工作循环,达到了惊人的仓库利用率。
教学意义
目前,很多高等院校以及职业院校的电子、机械等专业都把PLC列为一项必修课程,因此可以将此立体仓库制作成教学模型,则既可以在教学过程中增加教学的应用性,又可以通过让同学设计不同的PLC程序来达到不同的运行效果,适用于同学毕业设计、课程设计、实****试验等,也适合于争辩机构的科研使用,具有肯定的教学意义。

本文主要设计了一个自动化立体仓库系统,通过手动或自动两种方式来实现自动化立体仓库货物出入库作业,并且接受监控系统的设计来有效的保证立体仓库的平安牢靠运行。本文的主要争辩内容和结构可分为六个章节,分别如下:
1)第一章争辩了自动化立体仓库的进展历史和基本组成,以及国内外立体化仓库的现状和国内立体化仓库的不足之处,分析立体化仓库的进展方向。同时,提出本文所要争辩的主要内容。
2)其次章论证了自动化立体仓库的设计方案,包括模块组成,以及各个模块在系统中的功能,还提出了在设计中消灭的问题并给出解决方案。
3)第三章对立体仓库系统的作了硬件设计,并通过立体仓库模型的来设计实现,分析了组成各模块的元器件,包括步进电机、直流电机、传送杆、电源模块等,并对这些硬件的工作原理和功能进行说明。
4)第四章进行了对自动化立体仓库把握系统的软件设计,包括所接受的PLC把握器、PLC编程软件、PLC与各模块间的连接、程序流程图以及PLC程序的具体阐述,其中包括手动把握和自动把握、取货物、送货物、状态显示等程序。
5)第五章设计了一个立体仓库的实时监控系统,接受组态王软件,实现了此监控系统的功能,并提出优化和完善措施。
6)第六章通过立体仓库模型以及监控系统的操作运行进行结果分析,验证了设计的可行性。
第2章立体仓库设计方案

系统模块组成
本文所设计的立体仓库系统主要由人机接口界面、把握装置、驱动模块、电机制动装置、机械部件和仓位模块所构成,它们之间的关系如图1所示。
图1立体仓库系统模块
操作人员通过人机接口界面,对立体仓库输入命令,比如将货物送到某一仓位,人机接口界面将这一命令传送给把握装置,把握装置会依据这一命令作出简洁推断,即执行还是不执行,比如该仓位已满,那么将不予执行,所以把握装置会首先去接受来自仓位模块的反馈信息,假如该仓位未被占据,则把握装置接收到这一信息后将会调用执行该命令的相应程序并执行,以此来把握和它相连的驱动模块,驱动模块的作用是去驱动电机制动装置,通过电机制动装置的运作会带动相应的机械部件,机械部件将会把货物运送到合适的仓位,或是从合适的仓位中取出货物,以此来实现操作人员取送货物的目的。
系统模块的功能
人机接口界面主要指的是由人来进行机械或设备操作的平台,在立体仓库中,人机接口界面担当了操作人员把握立体仓库正常运行的作用。操作人员通过人机接口界面可以向立体仓库发出操作命令,这其中包括:货物的出入库方式以及存放的仓库位置编号。另外为了让操作人员能更清楚地看到所选仓位编号,在人机界面上还可加入仓位编号以及当前状态显示。
在对把握装置的设计中,可以利用可编程把握器(PLC),由于PLC是一种特地为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置,接受可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行规律运算、挨次运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,把握各种类型的机械或生产过程[8]。因此可以在PLC把握器写入用以把握立体仓库工作的程序,包括初始化程序、货物出入库程序、状态显示程序等等。当把握器接收到来自人机接口界面的命令之后,就可以做出规律推断是否相应,然后调用事先设定好的程序执行。
驱动模块的信号主要由把握模块输入,作用是驱动相应的电机制动装置工作,并起到电路爱护的作用,即过压、过流爱护。
电机制动装置主要用于带动后续的机械部件运动,机械部件的运动目的就是为了将货物移动到适当的位置,而机械部件本身没有动力,因此需要依靠电机制动装置来带动它的运动。要将货物从起始位置运送到仓库中或是从仓库中取出到起始位置,这个过程中对于动作方面主要考虑三个问题:取——移——放。
取,即从某一个地点取下货物的动作,可以是在起始位置取货物预备存放,也可以在某一个仓位取货物。
移,即是将货物转移到指定的位置,可以是移动到起始平台,也可以是各个仓位中,所以在这个过程中能够做到精确的定位是格外重要的。
放,即是将转移到指定地点的货物放下的动作,可以是放在起始位置,也可以是放在某一个仓位中。
仓位模块一般可以设计成框架结构,在材料的选取上应选用比较牢固的材质,比如钢质或铁质材料,在外形的设计上最好是比较整齐的排列,比如最常用的是阵列式结构,如N×M型仓位,即横向N排仓位和纵向M列仓位整齐排列,这样比较有利于对货物移送定位的把握。同时在每一个仓位的设计上应考虑到仓位当前状态信息的传递,比如仓位是否已经存有货物,否则假如向已满的仓位再送入货物会导致仓库的运行发生错误或损坏货物以及仓库的硬件设备。

立体仓库系统的主要功能是实现货物的出入库操作,本文设计的立体仓库可以实现下面一系列功能:
1)将仓位中的货物送到指定位置
2)将某一指定位置的货物取出
3)自动将某一位置的货物送到另一位置
4)将起始位置的货物送到任意位置
5)从任意位置取回货物放至起始位
6)能够实现低速启动—变速运行—低速停止的功能,即X、Y、Z方向上的极限爱护
7)各仓位状态的扫描检测

设计中的问题
立体仓库的功能比较多,因此结构也相对比较简单,在考虑对立体仓库的设计中有以下几个问题需要解决。
1)在货物的传送过程中如何做到精确而快速定位。
2)在PLC把握器接受到操作命令时如何推断是否应当响应。
3)在传送平台到达货物仓位后应如何进行货物出入库作业。
4)对于传送平台在各个方向的移动如何实施爱护措施。
解决方案
1)在货物的传送过程中要实现精准定位的最好方法就是接受坐标定位法。
可以把货物的移动分解为水平(X轴)和垂直(Y轴)两个方向,通过把握这两9个方向上的位移多少,即可以将货物送到精确位置。因此在硬件设计的时候,可以将传送货物的机械装置设计成水平杆和垂直杆,在动力把握上可以接受两个电机,分别给水平移动和垂直移动供应动力,然后通过电机把握送货平台在水平杆和垂直杆上的滑动将平台移到指定位置。为了提高送货平台移送的速度,缩短其到达指定位置的时间,在把握时可将水平和垂直的移动设定为同时进行。
当PLC发出肯定脉冲,经过驱动器驱动步进电机旋转肯定的角度,要想实现步进电机的精确把握,则需要对它的具体运行步数进行计数,步进电机以10cm长为单位长度计算为例,即坐标轴上的每个单位代表现实中的10cm。为了增大转矩提高把握精度,本把握系统全部数据(脉冲频率、数量等)。,。要实现通过输入不同数字使机械到达不同的位置,需要作到的就是把握步进电机走多少个单位长度。
2)对于PLC把握器是否应响应操作命令的问题,可以通过在每个仓位上安装限位开关来实现。限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。当仓位中货物已满时,限位开关可以将此信号传送给PLC把握器,把握器即可依据接收到的信号作出是否响应的推断了。
3)传送平台在到达指定仓位后,可通过平台上的伸叉把握平台的前后和上下移动来进行出入库作业。假如将水平杆和垂直杆的移动方向设为X方向和Y方向,把出入库的前后移动设为Z方向。取货的时候,传送平台先向前伸入至货物底部(Z方向),然后往上抬起货物(Y方向),最终缩回(Z方向)。送货的时候,传送平台先向前伸入至仓位中(Z方向),然后往下放下货物(Y方向),最终缩回(Z方向),以此来实现货物的出入库作业。
4)对于爱护传送平台在各个方向的移动,可以在立体仓库中通过硬件在移动的三个方向上实施爱护措施,即X轴极限位爱护、Y轴极限位爱护、Z轴极限位爱护以及X轴、Y轴、Z轴协调爱护(硬件联锁),通过以上各种爱护开关,可以确保操作人员在编程试验中或是立体仓库在程序出错时,不会损坏该装置。[1]
第3章立体仓库系统硬件的设计

立体仓库主体由地盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气把握等四部分组成。

机械部分接受滚珠丝杠、滑杠、一般丝杠等机械元件组成,接受步进电机、直流电机作为拖动元件。
电气把握是由德国西门子S7-200CPU226程序把握器(PLC)、步进电机驱动电源模块、开关电源、位置传感器等器件组成。

步进电机
步进电机是数字把握系统中的执行电机,当系统讲一个电脉冲信号到步进电机定子绕组时,转子就转一步,当电脉冲安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光个数。因此,转变输入脉冲的数目就能把握步进电机转子机械位移的大小;转变输入脉冲的通电相序,就能把握步进电机转子机械位移的方向,实现位置的把握,实现宽广范围内速度的无极平滑把握。步进电机可分为磁阻式、永磁式和混合式,,步进电机的相数可分为:单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电机的性能,但电动机的结构和驱动电源就会简单,成本就会增加,应按需要合理选用。本系统用步进电机为42BYG