立体仓库的PLC控制系统

毕业设计说明书论文题目：立体仓库的PLC控制系统作者姓名：班级学号：系部：机电工程系专业：机电一体化指导教师：张君霞老师2011年4 月8 日目录摘要 (2)1.绪论 (3)1.1 设计背景及研究意义 (3)2.2 本课题设计的内容 (3)2.系统控制方案的确定 (4)2.1 自动化立体仓库控制器的简介 (4)2.2 用PLC控制立体仓库的优点 (4)2.3 系统控制要求方案 (4)2.4 系统设计的基本步骤 (5)3.系统硬件的设计 (5)3.1 系统硬件组成 (5)3.2 可编程控制器（PLC）选型 (7)3.3 PLC输入输出分配表 (8)3.4 控制结构示意图 (9)4.系统软件的设计 (10)4.1 编程语言的介绍 (10)4.2 编程软件STEP7的介绍 (10)4,3 系统软件流程图 (11)4.4 梯形图的设计 (12)5.系统的调试及结论 (12)5.1 梯形图程序的下载 (12)5.2 程序运行调试结果 (14)5.3 结论 (14)致谢 (15)参考文献 (16)附录A (17)摘要随着国民经济的迅速发展，自动化立体仓库在各行各业都得到了广泛的应用。

本设计就是采用西门子S7-200系列PLC作为核心控制元件的小型自动化立体仓库，该设计采用专用键盘作为人机接口部件，具有手动和自动操作两种操作模式，可根据用户需求人机之间进行信息交换，通过控制步进电机及其它部分，来实现3*4立体仓库的“取货“或“存货“等功能。

关键词：立体仓库、可编程控制器（PLC）、西门子S7-2001.绪论1.1本课题设计背景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，建立了第一座计算机控制的立体仓库。

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。

1973开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库，该库1980年投入运行。

目前，国外自动化立体仓库采用扫描技术，提高信息的传输速度和准确性：采用射频数据通信技术，数据的采集、处理和交换能够在搬运工具与中央计算机之间快速进行，使物品的存取和发送信息做到快速、实时、可靠和准确。

随着社会的发展自动化立体仓库的应用范围越来越广。

现在在我国，自动化仓库主要应用的行业有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。

1.2本课题的研究意义自动化立体仓库在各行各业得到而来广泛的应用，进行PLC立体仓库的设计对于节约土地资源，节省劳动力方面都有着不可代替的作用。

PLC作为工业自动化三大支柱的重要一部分，因为其可靠性高、抗干扰能力强、设计安装容易等特点而被广泛的应用于自动化控制的各个领域。

PLC控制系统可以很好的完成立体仓库的控制有助于其实现自动化。

因此，进行立体仓库的PLC控制系统的设计，可以推动机械手行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。

1.3本课题的设计内容本设计用西门子S7_200系列的控制器作为控制核心，实现一个十二仓位的立体仓库的入库出库功能。

立体仓库主体有底盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。

电气控制部分由西门子生产的S7_200型的可编程控制器、步进电机驱动、各种位置电磁传感器和一些低压电器元件组成。

S7_200型可编程控制器作为控制核心，采集输入端口信号后完成各种逻辑控制和数据的运算，然后通过输出端口完成电机的运动和各种信号的现实。

该系统要能够实现手动和自动两种工作模式，通过键盘可以对设备进行控制。

2.控制系统方案的确定2.1自动化立体仓库的简介自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。

它主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统所组成。

货物存储系统由立体货架的货格(托盘或货箱)组成，货架按照排、列、层组合而成立体仓库储存系统；货物存取和传送系统承担货物存取、出入仓库的功能，它由有轨或无轨堆垛机、出入库输送机、装卸机械等组成；自动化立体仓库视情况不同采取不同的控制方式：有的仓库只采取对存取堆垛机、出入库输送机的单台PLC 控制，机与机无联系；有的仓库对各单台机械进行联网控制。

更高级的自动化立体仓库的控制系统采用集中控制、分离式控制和分布式控制，即由管理计算机、中央控制计算机和堆垛机、出入库输送等直接控制的可编程序控制器组成控制系统2.2系统控制要求方案立体仓库共有十二个仓位和一个出入货口（0号仓位），可以实现手动和自动两种控制方式。

手动情况下可以实现人工控制堆垛机的上下、前后、左右三个方向上的运动。

自动情况下可以通过出入货口自动实现货物的入库和出库动作。

本课题设计的具体控制功能如下：1．接通电源，将选择开关置于手动位置，分别按下↑、↓、←、→、↗、↙后观察各方向运动情况，小车在高强度丝杠上运行平稳，在接近极限位置时，执行限位保护。

2．将选择开关置于自动位置，通电状态下，各机构复位，即返回零位。

立体仓库坐标定位以零位开始。

3．当送货的时候，选择欲送货物的仓位号，按动仓位号对应的按钮，控制面板数码管显示仓位号。

按送货按钮后，货物自动送入指定的仓位号对应的仓库位里。

若被指定的仓位号里有货物，则送货命令不被执行。

送货完成后，小车自动返回原来的位置。

4．当取货的时候，选择欲取货物的仓位号后，在控制面板的数码管里显示出来，按动取货按钮后，可以自动将货物取出。

如果小车里有货物，则取货命令不被执行。

取货与送货装有互锁开关，防止发生故障。

5．取货和送货指令完成后，机构自动返回原来位置。

6. 整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。

2.4 系统设计的基本步骤在立体仓库控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：1.深入了解和分析立体仓库的工艺条件和控制要求。

2.确定I/O设备。

根据立体仓库控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。

3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。

4.分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。

5.设计立体仓库系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个立体仓库系统设计的核心工作。

6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。

7. 立体仓库整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。

3.系统硬件的设计3.1 系统硬件组成立体仓库主体由底盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。

机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成。

其关键部分是堆垛机，它由水平移动、垂直移动及伸叉机构三部分组成，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，在滚珠丝杠的两端分别有一个限位开关用以起保护的作用。

当堆垛机碰到相应的限位开关以后自动的停止运动。

伸叉机构由一台直流电机来控制。

它分为上下两层，上层为货台，可前后伸缩，低层装有丝杠等传动机构。

当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，伸叉机构电机驱动货台向前伸出可将货物取出或送入，当取到货物或货已送入，则向后缩回。

电气控制由西门子生产的S7_200系列的可编程序控制器(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。

仓位排布如下图：系统控制面板如下图：3.2 输入输出设备的介绍1.步进电机及驱动的介绍步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊执行电动机。

每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度，它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

它的时序为脉冲正序列为A→AB→B→BC→C→CA,反序列为CA→C→BC→B→AB→A。

按照时序循环输入就可以通过软件控制来实现。

当将时序输入按照与正转时序相反的顺序输入时，就可以实现步进电机的反转。

步进电动机需要专门的驱动装置（驱动器）供电，驱动器和步进电动机是一个有机的整体，步进电动机的运行性能是电动机及其驱动器二者配合所反映的综合效果。

步进电机驱动器的功能是接收来自控制器（PLC）的一定数量和频率脉冲信号以及电机旋转方向的信号，为步进电动机输出三相功率脉冲信号。

实际应用中通过PLC控制输入到步进电机驱动器中的脉冲数量就可以精确地控制电机的转动角度，从而实现精确定位。

电机旋转方向由专门的旋转方向信号控制。

2. 数码显示部分由于PLC的输入与输出点数直接决定了其价格，因此在实现更多功能的基础上，为了降低成本，程序设计的基本原则是尽量减少其I/O点数。

数码管显示部分可以直接用PLC驱动，用SEG可以将数字转换为七段码后输出，本设计中采用BCD码显示管可以节约8个输出端口。

利用I_BCD转换指令将整数转变成BCD 码后从QB1输出，达到显示效果。

3.其它输入输出设备其它的输入设备主要是各种开关、按钮及各种检测装置等，输出设备除电机和数码显示部分还有状态显示部分。

3.2 可编程控制器（PLC）的选型在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。

PLC 选型时需要注意：1、输入电源电压：24VDC 还是220V AC，根据供电系统电压来选择，一般来说，不建议直接从动力电源直接取电，最好用隔离变压器把动力电源和控制电源隔离开来，同时做好滤波等抗干扰措施。

本设计采用24V直流电。

2、输入输出点数：所谓的输入输出点数指的是整个控制系统需要用到的PLC 的输入点个数和输出点个数。

一般来说，当然是预先设计好整套系统方案，然后算出所有的输入输出点个数，如果是第一次设计的方案，建议预留点数。

经过估算本设计中需要输入端口36个，输出端口18个。

3、输出触点类型：是继电器输出类型还是晶体管输出类型。

根据所控制的执行机构电源电压及功率来决定输出触点类型，如果系统里有需要用到高速脉冲输出控制步进电机或伺服系统时，一定要选择晶体管输出类型。

本设计因为有步进电机的控制所以选择晶体管输出类型。

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。

S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。

S7系列PLC有专门的高速脉冲输出端，可以方便的完成步进电机的控制。

根据控制功能要求选择微型PLC。

微型PLC S7_200系列可编程控制器主机分为10、14、24、40点四档，还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加I/O点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入。