【正文】 河北大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 1 1 引言 第二次世界大戰(zhàn)之后 ,工業(yè)飛速發(fā)展，立體倉庫應(yīng)運(yùn)而生。 50 年代初，美國首先研制出采用橋式堆垛起重機(jī)的立體倉庫 ,60 年代中期，日本開始興建立體倉庫，并且發(fā)展速度越來越快，成為當(dāng)今世界上擁有自動化立體倉庫最多的國家之一。我國于 1963 年成功研制出了第一臺橋式堆垛起重機(jī)， 1973 年開始研制第一座由計算機(jī)控制的自動化立體倉庫。隨著當(dāng)今企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大和深化，倉庫成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中一個重要而不可或缺的環(huán)節(jié)，而立體倉庫正以其占地面積小和空間使用率佳 的特點 ， 正在 逐步 替代 面積利用率低且陳舊落后的平 面?zhèn)}庫，這種替代大大提高了倉儲物流的水平。 近幾年國內(nèi)外立體倉庫的發(fā)展方向，以采用可編程控制器 (PLC)與微控制搬運(yùn)設(shè)備的倉庫以及采用 PC 機(jī)遠(yuǎn)程管理與 PLC 聯(lián)網(wǎng)控制的全自動立體倉庫為主。但其中不容忽視的一個問題是，當(dāng)前各領(lǐng)域中使用的立體倉庫 系統(tǒng)通常是比較龐大的 ， 在 研 發(fā) 立體倉庫 的過程中， 需要投入 大量的人力 和 財力 ， 這必然會給立體倉庫系統(tǒng) 的研制 帶來巨大的成本負(fù)擔(dān) 。目前比較流行的方法是通過 制作小型的立體倉庫模型， 采用可重復(fù)使用的編程系統(tǒng)對其進(jìn)行編程控制 ， 在模型上模擬調(diào)試成功后 ， 最后 將實驗結(jié)果 應(yīng)用 到 立體倉庫 的實際生產(chǎn) 研發(fā)中 。 通過以上的流程即可 節(jié)約成本、提高效率， 多角度多方式的 確定出 最優(yōu)的立體倉庫生產(chǎn)方案 。 本設(shè)計將采用三菱 FX1N40MT 型 PLC 和北京昆態(tài)公司的 MCGS 組態(tài)軟件設(shè)計一個自動化立體倉庫系統(tǒng)模型，最終實現(xiàn)立體倉庫系統(tǒng)的自動化、智能化在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。 河北大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 2 2 可編程邏輯控制器（ PLC）簡介 隨著微處理器，計算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)控制幾乎已經(jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)領(lǐng)域的每一個角落?？删幊绦蚩刂破鳎?Programmable Logic Controller, PLC）作為一種應(yīng)用面積廣，功能強(qiáng)大，使 用方便的通用自動控制裝備，已經(jīng) 成為工業(yè)控制領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分 。 PLC 已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中，在其他領(lǐng)域也得到了迅速的發(fā)展。國際電工委員會（ IEC）在 1985 年的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案第 3 稿中對它作了如下定義： “ 可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使 工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充的原則設(shè)計。 ” PLC 的發(fā)展歷史 可編程序控制器（ PLC）問世于 1969 年。美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（ DEC）研制出世界上第一臺可編程控制器，并成功地應(yīng)用在美國通用汽車公司（ GM）的生產(chǎn)線上。其后日本、原聯(lián)邦德國等相繼引入，使其迅速發(fā)展起來。 PLC 從誕生至今，其發(fā)展大體經(jīng)歷了三個階段：第一階段從誕生到 20 世紀(jì) 80 年代中期，以單機(jī)為主發(fā)展硬件技術(shù)，研發(fā)除了取代傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的各種型號的 PLC；第二階段從 20 世紀(jì) 80 年代中期到 20 世紀(jì) 80 年代末期，為適應(yīng)柔性制造系統(tǒng)（ FMS）的發(fā)展，在提高單機(jī)功能的同時，加強(qiáng)了軟件的開發(fā)，并提高了 PLC 通信能力；第三階段從 20世紀(jì) 90 年代以來，為適應(yīng)計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ CIMS）的發(fā)展，采用多 CPU 的 PLC 系統(tǒng)，不斷提高其運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)處理能力。 PLC 的特點、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢 PLC 的主要特點： (1)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 為保證 PLC 能在工業(yè)環(huán)境下可靠工作，在設(shè)計和生產(chǎn)過程中采取了一系列硬件和軟件的抗干擾措施。主要采用以下方面的措施：如隔離、濾波；對 PLC 的內(nèi)部電源采取了屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)等措施，以減少外界 干擾；在內(nèi)部設(shè)置了連鎖、環(huán)境監(jiān)測與診斷、看門狗等電路；利用系統(tǒng)軟件定期進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障監(jiān)測，并采取信息保護(hù)和恢復(fù)措施；對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行電池備份，以保障停電后有關(guān)狀態(tài)或信息不丟失。 通過以上措施保證了 PLC 能在惡劣的環(huán)境中可靠地工作，使平均故障間隔時間指標(biāo)高，故障修復(fù)時間短。 (2)可實現(xiàn)三電一體化 河北大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 3 PLC 將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結(jié)（運(yùn)動控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。 (3)編程簡單、使用方 便、控制程序可變、具有很好的柔性和擴(kuò)展性。 (4)體積小、重量輕、功耗低。 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 可編程控制器是在繼電器控制和計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成以微處理器為核心，集計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)及通信技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展， PLC 的制造成本不斷下降，但功能卻大大的增強(qiáng)了。目前在先進(jìn)工業(yè)國家中 PLC 已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，幾乎覆蓋了工業(yè)控制全行業(yè)。特別是在輕工行業(yè)中，因生產(chǎn)門類多，加工方式多變，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，所以 PLC 廣泛的應(yīng)用在組合機(jī)床電氣 設(shè)備中。 PLC 已成為位于現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱（ PLC、 ROBOT、 CAD/CAM）的主導(dǎo)地位。 可編程控制器的功能使它既可以用于開關(guān)量控制，又可用于模擬量控制；既可用于單機(jī)控制，又可用于組成多級控制系統(tǒng)；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復(fù)雜系統(tǒng)。它的應(yīng)用大致可歸為如下幾類：邏輯控制，運(yùn)動控制，過程控制，數(shù)據(jù)處理，多級控制。 PLC 的發(fā)展趨勢 近些年我國自動化倉庫技術(shù)發(fā)展很快，己實現(xiàn)了與其它信息決策系統(tǒng)的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。盡管如此，我國已建成的集成化倉儲系統(tǒng)還不多，我國的自 動化立體倉庫與國外發(fā)達(dá)國家相比，無論是從數(shù)量上還是從建設(shè)水平上都有著很大的差距。目前 PLC 正在向 通用化、 系列化和高性能化的趨勢發(fā)展，主要表現(xiàn)在： 功能不斷增強(qiáng)，各種應(yīng)用模塊不斷推出：加強(qiáng)過程控制和數(shù)據(jù)處理 的 功能，提高 多機(jī)通信和組網(wǎng)的 能力，開發(fā) 具有更多 功能 的模塊， 使各 種 PLC 控制系統(tǒng)都具有可靠的高性能 ，同時也使的 PLC 的 組成和維護(hù)更加靈活方便，使 PLC 的 應(yīng)用范圍更加寬廣。 在系統(tǒng)構(gòu)成規(guī)模上向大、小兩個方向發(fā)展： 發(fā)展超大容量，超高性能 PLC 用來滿足現(xiàn)代化工業(yè)控制中大規(guī)模的復(fù)雜的生產(chǎn)需要 ； 發(fā)展價格低廉，功能簡單的 專用 PLC 來替代繼電器 。 產(chǎn)品更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化： PLC 生產(chǎn) 廠家在 不斷推出新產(chǎn)品的同時 ， 積極提高產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化屬性，使產(chǎn)品更容易被使用者接受 ， 同時將 PLC 的各個標(biāo)準(zhǔn)部件如 輸入輸出模塊、接線端子、通信協(xié)議等方面的技術(shù)規(guī)格 更加標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范 ，使不同產(chǎn)品 可以互相兼容和 組網(wǎng)，使 用戶 可以方便的應(yīng)用 PLC 控制各種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械化設(shè)備 。 三菱公司 FX1N 系列 PLC 性能介紹 FX1N 系列 PLC 是三菱公司 FX 系列 PLC（包括 FX1s、 FX1N、 FX2N、 FX2NC）中推出的 一種造價低廉、 功能強(qiáng)大的普及型 PLC。 FX1N 系列 PLC 有 13 種基本單元，可以組成 14~128 個 I/O 點的系統(tǒng)，并能使用特殊功能模塊、顯示模塊和擴(kuò)展板。用戶存儲器容河北大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 4 量為 8000 步，有內(nèi)置的實時鐘。 PID 指令用于實現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制，一個單元可以同時輸出 2 點 100kHz 的高速脈沖，有 7 條特殊的定位指令，有兩個內(nèi)置的設(shè)置參數(shù)用的小電位器。 通過通信擴(kuò)展板或特殊適配器可以實現(xiàn)多種通信或數(shù)據(jù)鏈接，例如 CCLink、 ASi 網(wǎng)絡(luò)， RS232C、 RS422 和 RS485 串行通信， N:N 鏈接、并行連 接、計算機(jī)鏈接和 I/O 鏈接。 河北大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 5 3 立體倉庫的硬件組成及控制原理 立體倉庫模型的基本結(jié)構(gòu) 立體倉庫模型是用來儲存、分類貨物的模型。送貨時，根據(jù)倉庫存儲情況將不同的貨物送入指定的倉庫位置中去；取貨時，根據(jù)目標(biāo)需求從指定的倉庫位置取出貨物。采用皮帶、直線導(dǎo)軌、主流減速電機(jī)作為傳動裝置，由 PLC 編程實現(xiàn) X、 Y、 Z 軸位置控制，可完成倉庫貨物模型的自動 /手動存取。 臺式立體倉庫模型結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 圖 31 自動立體倉庫裝置圖 該裝置由立體庫位框架、巷道式高叉車、操作盤等組成，并配有 PLC 控制器、光電式尋址傳感器、限位開關(guān)、直流電機(jī)、鍵盤、驅(qū)動系統(tǒng)、直流穩(wěn)壓電源、空氣保護(hù)開關(guān)等。具體說明如表 31 所示。 河北大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 6 表 31 自動立體倉庫裝置說明 圖中序列標(biāo)號 硬件名稱說明 1 水平運(yùn)行電機(jī) 2 垂直升降電機(jī) 3 升降式貨叉裝置 4 水平運(yùn)行裝置 5 水平叉車運(yùn)行裝置 6 列定位片 7 層定位片 8 光電傳感器 9 鍵盤 10 貨架 11 手操盤 12 直流穩(wěn)壓電源 13 電器驅(qū)動板 14 空氣開關(guān) 15 三菱 FX1N40MT型號 PLC 系統(tǒng)的硬 件組成及說明 倉庫位 本系統(tǒng)由 6+3+1 個存儲位組成。其中 6 為 6 個可自由存取位置，雖只有 6 個，但已經(jīng)從原理上模擬出了所有倉庫可定位情況； 3 為 3 個模擬位，由于硬件限制，并不具備實際存取功能，僅為美觀所設(shè)； 1 為 1 個緩沖臺，用來暫時存取貨物。 直流減速電機(jī) 直流減速電機(jī)，即齒輪減速電機(jī)，是在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是，提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。同時，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。這大大提高了直流電機(jī)在自動化行業(yè)中的使用率。減速電機(jī)是指減速機(jī)和電機(jī)（馬達(dá)）的集成體。這種集成體通常也可稱為齒輪馬達(dá)或齒輪電機(jī)。通常由專業(yè)的減速機(jī)生產(chǎn)廠進(jìn)行集成組裝好后成套供貨。 本設(shè)計使用了三個 ZHENGK 公司生產(chǎn)的直流減速電機(jī)，其中 X、 Y 方向采用型號為ZYTD45SRZF091020 的直流 24V，變速比 rpm： 2500 的電機(jī)，并且在 X 軸方向上加配了 ZGB60R45SRZ1 1： 110 的直流 24V，變速比 rpm： 20 的 8W齒輪變速箱。 Z 方向采用型號 JQ24125G840 的電機(jī)，并配備 ZGA25RP216 的直流 24V，變速比 rpm： 20 的齒輪變河北大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 速箱。 反射式計數(shù)傳感器 本設(shè)計中，采用反射式計數(shù)傳感器來控制倉庫號尋址定位，當(dāng)遮光板相對于計數(shù)器移動時，計數(shù)器將反射回路的信號與原信號對比，產(chǎn)生頻移，集成電路再把微弱的頻移信號進(jìn)行放大，再經(jīng)多普勒檢測、放大、限幅等措施，最后取得和物體移動信號相關(guān)的直流信號輸出電平。這種電平可產(chǎn)生計數(shù)脈沖，將計數(shù)脈沖傳送給 PLC 對比，通過 X、 Y 兩方向的不同的計數(shù)脈沖數(shù)來確定立體倉庫的定位。 穩(wěn)壓電源 開關(guān)穩(wěn)壓電源是由開關(guān)集體管 VT 和二極管 VD 及儲能電感 L、濾波電容 C 組成的。另外，通常還具備較為復(fù) 雜的驅(qū)動電路、調(diào)節(jié)電路、保護(hù)電路、基準(zhǔn)電路以及構(gòu)成閉環(huán)回路中的取樣電路、放大電路和耦合電路用來控制盒調(diào)節(jié)輸出電壓的大小以及特性。在本設(shè)計中，考慮到直流減速電機(jī)的工作電壓為 DC 24V 電源，并考慮系統(tǒng)用電量、系統(tǒng)可靠性、和系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)整性等，最終選擇穩(wěn)壓電源來統(tǒng)一供電。 系統(tǒng)的工作原理及功能分析 立體倉庫的運(yùn)動機(jī)械結(jié)構(gòu)部分采用皮帶、滑軌等部分組成，采用三個直流電機(jī)作為拖動元件。其關(guān)鍵部分是巷道起重機(jī)，由水平移動、垂直移動及伸叉機(jī)構(gòu)三部分組成，其水平和垂直移動分別用兩臺直流減速電動機(jī)帶動皮帶來完成，伸 叉機(jī)構(gòu)由一臺直流減速電動機(jī)來控制，當(dāng)堆垛機(jī)平臺移動到貨架的指定位置時，伸叉電動機(jī)驅(qū)動貨架向前伸出，將貨物取出或送入，然后鏟叉向后縮回。整個系統(tǒng)需要 X、 Y、 Z 三維的位置控制。 河北大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 8 4 基于 PLC 的立體倉庫軟件設(shè)計 系統(tǒng)的工作流程如圖 依據(jù)上述工藝流程分析，立體倉庫控制系統(tǒng)的工作流程圖如圖 41 所示。 圖 41 自動化立體倉庫控制系統(tǒng)的工作流程圖 緩沖貨臺有無貨物 發(fā)送目的倉庫號 目的倉庫有無貨物 從緩沖貨臺取貨 向目的倉庫存貨 到達(dá)目的倉庫 返回初始位置 程序開始 設(shè)備初始化 存貨還是送貨 緩沖貨臺有無貨物 存貨 取貨 N Y Y N 發(fā)送目的倉庫 號 目的倉庫有無貨物 Y N N Y 到達(dá)目的倉庫 從目的倉庫取貨 返回初始位置 向緩沖貨臺存貨 報警 結(jié)束 河北大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 9 該立體倉庫系統(tǒng)運(yùn)行情況為：當(dāng)將 A/M 按鈕切換到自動后，系統(tǒng)允許進(jìn)行立體倉庫運(yùn)行的自 動控制。系統(tǒng)初始化后，按下某倉庫位置的按鈕以及“取”或“送”按鈕