立体仓库堆垛机控制系统设计
立体仓库堆垛机控制系统设计[20200410140423]
摘 要
本文基于西门子S7-300PLC设计了一套自动化立体仓库的堆垛机控制系统，控制系统包括手动、联机等的控制作业，以及作业过程中的安全保护、上位机通信等的功能通信。在本次设计的控制系统，首先是运动控制系统的设计，在这个部分分为定位控制系统和变频调速控制系统，这两个部分对运动控制的速度曲线的设计做了一个双闭环控制系统；其次就是安全保护设计，在这个主要运用了许多的限位开关，如程序设计中的软极限，和换速点，还有载货台取放货的外形的安全检测等等；最后就是一个通信系统，在西门子PLC的几种通信方式上实现PLC与触摸屏，变频器，认址系统，从站，编码器等的通讯，通过工业以太网，程序中的TIM协议，实现堆垛机与上位机的通讯。控制系统在调试后证明，能够实现堆垛机的快速安全运动，安全性高，自动化程度高，证明了本设计的正确性。
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关键字:堆垛机控制系统硬件软件
目录
1. 绪论 1
1.1自动化立体仓库的概述 1
1.1.1自动化立体仓库的组成 1
1.1.2自动化立体仓库的优点 5
1.1.3自动化立体仓库的发展以及国内外的现状 6
1.2堆垛机概述 7
1.2.1堆垛机的组成 7
1.2.2堆垛机的发展和国内外的研究现状 9
1.3 本文设计的主要内容 9
2.堆垛机控制系统的硬件设计 10
2.1控制技术要求和系统总体设计方案 10
2.2 PLC及资源配置 13
2.2.1 S7-300系列CPU选择 13
2.2.2 S7-300模块选择 13
2.2.3 PLC输入输出点分配 13
2.3堆垛机位置控制 16
2.3.1 定位控制 16
2.3.2 认址方式 16
2.3.3认址方式的选择 19
2.4堆垛机变频调速系统设计 19
2.4.1 速度曲线分析 19
2.4.2三相异步电机调速的方法介绍和选择 20
2.4.3变频器的介绍和选型 22
2.4.4变频调速系统与相应PLC控制 23
2.5 载货台光电检测和安全保护的设计 28
2.5.1 光电传感器介绍 28
2.5.2载货台运行检测装置 29
2.5.3安全保护的设计 30
2.6 网络通信的设计 32
2.7 本章小结 35
3.堆垛机控制系统程序设计 36
3.1 运动控制程序 36
3.1.1 堆垛机控制系统的四种操作模式 36
3.1.2堆垛机控制系统运动程序 41
3.2 安全保护执行程序 46
3.2.1 安全保护执行程序 46
3.2.2错误处理 51
3.2.3报警处理程序 54
3.3 TIM通讯程序 54
3.3.1 通讯协议的说明 54
3.3.2通讯协议的PLC程序说明 57
3.4 本章小结 59
4.堆垛机控制系统的实际调试 60
4.1调试的目标和工具介绍 62
4.2硬件调试过程 63
4.2.1 控制系统的运动和安全调试 63
4.2.2通讯协议调试 63
4.3调试遇到的问题和解决过程 66
4.4本章小结 67
总结 68
参考文献 69
附录 70
附件一 70
附件二 73
致谢 77
1. 绪论
1.1自动化立体仓库的概述
立体仓库一般是指采用多层货架存储单元货物，用相应的货物搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。因为这类仓库充分利用仓储空间，所以被形象的称为“立体仓库”。随着立体仓库的发展，加入了计算机控制，各个环节相互连接，由计算机控制网络来完成，自动化程度比较高，于是这就形成了今天我们所认识的“自动化立体仓库”。在现代的物流运用系统中，自动化立体仓库是其一个有着特殊地位的组成部分，这是一种新型的仓储技术。（如下图1-1所示）
图1-1 立体仓库
1.1.1自动化立体仓库的组成
纵观目前立体仓库的发展现状，一个完整的自动化立体仓库，一般有以下的几个部分组成：
（一）机械部分
1.货架和托盘
随着仓储技术的发展，货架都开始由平面向立体转变，高层货架和多位货格单位是目前立体仓库的主要标志。货架的材料一般选择钢材料，因为这种材料的优点是结构尺寸小，制作方便，安装建设的周期相对较短，而且可以提高仓库的容量利用率。自动化立体仓库的货架一般都会有许多的货格单元分隔成，单元格一般用来存放托盘的。为了提高货物的装卸、存取的效率，自动化立体仓库都会采用托盘来存放货物，用托盘存放货物便于堆垛机和输送机取放货物。如下图1-2所示为货架，图1-3为托盘。
图1-2 货架
图1-3 托盘
2．堆垛机
目前堆垛机（如图1-4所示）是自动化立体仓库最重要的组成部分，它是随着自动化立体仓库出现而逐渐发展起来的专用设备。很多的堆垛机目前都是采用巷道式堆垛机，这种巷道式堆垛机大多用来在高层货架的巷道中往返的穿梭行走，升降平台（载货台）作升降运动，货叉左右伸叉作业。堆垛机在这里面主要的功能是将巷道口的货物精确的放入货架指定的单元格中，或者将货物从货架指定的单元格中取出并且运送到巷道口。所以整个一个堆垛机输送系统必须具有高度的稳定可靠性、耐用性、安全性和维修的便利性，同时还需要设置手动控制作为维修等方面的备用。
图 1-4 堆垛机
3.周边的搬运设备
搬运设备一般是由电力驱动设备来完成，有自动和手动的选择操作方式，把货物从一边搬运到另外一边。这类的设备包括输送机，AGV（Automatic Guided Vehicle），智能机器人等，其设备形式可以是单轨、双轨、地面、空中、一维运动（水平直线运动）、二维运动（起伸运动）等等。这些周边的搬运设备是用来配合巷道堆垛机来完成货物的传送，转移，分拣等作业。
（二）电气设备
1.检测装置
检测装置是用来检测各种物理参数和相应的化学参数，通过对检测数据的判断和处理可为系统提供最好的依据，以保证系统精确，稳定，安全的运行。
2.信息识别设备
想要更好的实现立体仓库的自动化，这种设备是必须存在的，它是实现仓库自动化缺一不可的设备。它是用来采集货物的品名、类别、货号、数量等物流信息。这些类型的设备通常采用磁条、条形码、光学字符和射频等识别技术手段。
3.控制设备
作为一个自动化立体仓库，其中必须会用到控制设备，只有配备了控制设备才能实现各种存取设备和输送设备等自动化运转。这类控制设备中包括开关、继电器、微处理器、可编程控制器（PLC）等等。
4.显示设备和人机界面
这些都是为了操作人员对仓库的操作进行简单化而设置，同时也方便了维修人员。这些设备一般都是放在巷道口的位置。显示屏一般用来显示仓库内的货物存储的状态，以及货架号。人机界面一般是用来操作和维修堆垛机的控制系统。
（三）计算机控制与通信设备
1.计算机管理系统
计算机管理系统是一个比较大的系统，可以作为一个上位机实现对下位机的监控，以及操作。除此以外还可以对仓库的仓储信息经行管理，同时可以与企业的管理系统进行信息交换。
2.数据通信设备
自动化立体仓库是一个构造特别复杂的自动化系统，它是有许多的机械和电气等等子系统组成。各系统、设备之间需要进行大量的信息的通讯已完成规定的任务，因此需要大量的数据设备作为信息传递的媒介。这类设备包括电缆、红外、光纤和电磁波等。
1.1.2自动化立体仓库的优点
图1-5是自动化立体仓库与一般的仓库的对比，通过对比，再加上别的相关资料的阅读，我们不难得出以下的优点：
摘 要
本文基于西门子S7-300PLC设计了一套自动化立体仓库的堆垛机控制系统，控制系统包括手动、联机等的控制作业，以及作业过程中的安全保护、上位机通信等的功能通信。在本次设计的控制系统，首先是运动控制系统的设计，在这个部分分为定位控制系统和变频调速控制系统，这两个部分对运动控制的速度曲线的设计做了一个双闭环控制系统；其次就是安全保护设计，在这个主要运用了许多的限位开关，如程序设计中的软极限，和换速点，还有载货台取放货的外形的安全检测等等；最后就是一个通信系统，在西门子PLC的几种通信方式上实现PLC与触摸屏，变频器，认址系统，从站，编码器等的通讯，通过工业以太网，程序中的TIM协议，实现堆垛机与上位机的通讯。控制系统在调试后证明，能够实现堆垛机的快速安全运动，安全性高，自动化程度高，证明了本设计的正确性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:堆垛机控制系统硬件软件
目录
1. 绪论 1
1.1自动化立体仓库的概述 1
1.1.1自动化立体仓库的组成 1
1.1.2自动化立体仓库的优点 5
1.1.3自动化立体仓库的发展以及国内外的现状 6
1.2堆垛机概述 7
1.2.1堆垛机的组成 7
1.2.2堆垛机的发展和国内外的研究现状 9
1.3 本文设计的主要内容 9
2.堆垛机控制系统的硬件设计 10
2.1控制技术要求和系统总体设计方案 10
2.2 PLC及资源配置 13
2.2.1 S7-300系列CPU选择 13
2.2.2 S7-300模块选择 13
2.2.3 PLC输入输出点分配 13
2.3堆垛机位置控制 16
2.3.1 定位控制 16
2.3.2 认址方式 16
2.3.3认址方式的选择 19
2.4堆垛机变频调速系统设计 19
2.4.1 速度曲线分析 19
2.4.2三相异步电机调速的方法介绍和选择 20
2.4.3变频器的介绍和选型 22
2.4.4变频调速系统与相应PLC控制 23
2.5 载货台光电检测和安全保护的设计 28
2.5.1 光电传感器介绍 28
2.5.2载货台运行检测装置 29
2.5.3安全保护的设计 30
2.6 网络通信的设计 32
2.7 本章小结 35
3.堆垛机控制系统程序设计 36
3.1 运动控制程序 36
3.1.1 堆垛机控制系统的四种操作模式 36
3.1.2堆垛机控制系统运动程序 41
3.2 安全保护执行程序 46
3.2.1 安全保护执行程序 46
3.2.2错误处理 51
3.2.3报警处理程序 54
3.3 TIM通讯程序 54
3.3.1 通讯协议的说明 54
3.3.2通讯协议的PLC程序说明 57
3.4 本章小结 59
4.堆垛机控制系统的实际调试 60
4.1调试的目标和工具介绍 62
4.2硬件调试过程 63
4.2.1 控制系统的运动和安全调试 63
4.2.2通讯协议调试 63
4.3调试遇到的问题和解决过程 66
4.4本章小结 67
总结 68
参考文献 69
附录 70
附件一 70
附件二 73
致谢 77
1. 绪论
1.1自动化立体仓库的概述
立体仓库一般是指采用多层货架存储单元货物，用相应的货物搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。因为这类仓库充分利用仓储空间，所以被形象的称为“立体仓库”。随着立体仓库的发展，加入了计算机控制，各个环节相互连接，由计算机控制网络来完成，自动化程度比较高，于是这就形成了今天我们所认识的“自动化立体仓库”。在现代的物流运用系统中，自动化立体仓库是其一个有着特殊地位的组成部分，这是一种新型的仓储技术。（如下图1-1所示）
图1-1 立体仓库
1.1.1自动化立体仓库的组成
纵观目前立体仓库的发展现状，一个完整的自动化立体仓库，一般有以下的几个部分组成：
（一）机械部分
1.货架和托盘
随着仓储技术的发展，货架都开始由平面向立体转变，高层货架和多位货格单位是目前立体仓库的主要标志。货架的材料一般选择钢材料，因为这种材料的优点是结构尺寸小，制作方便，安装建设的周期相对较短，而且可以提高仓库的容量利用率。自动化立体仓库的货架一般都会有许多的货格单元分隔成，单元格一般用来存放托盘的。为了提高货物的装卸、存取的效率，自动化立体仓库都会采用托盘来存放货物，用托盘存放货物便于堆垛机和输送机取放货物。如下图1-2所示为货架，图1-3为托盘。
图1-2 货架
图1-3 托盘
2．堆垛机
目前堆垛机（如图1-4所示）是自动化立体仓库最重要的组成部分，它是随着自动化立体仓库出现而逐渐发展起来的专用设备。很多的堆垛机目前都是采用巷道式堆垛机，这种巷道式堆垛机大多用来在高层货架的巷道中往返的穿梭行走，升降平台（载货台）作升降运动，货叉左右伸叉作业。堆垛机在这里面主要的功能是将巷道口的货物精确的放入货架指定的单元格中，或者将货物从货架指定的单元格中取出并且运送到巷道口。所以整个一个堆垛机输送系统必须具有高度的稳定可靠性、耐用性、安全性和维修的便利性，同时还需要设置手动控制作为维修等方面的备用。
图 1-4 堆垛机
3.周边的搬运设备
搬运设备一般是由电力驱动设备来完成，有自动和手动的选择操作方式，把货物从一边搬运到另外一边。这类的设备包括输送机，AGV（Automatic Guided Vehicle），智能机器人等，其设备形式可以是单轨、双轨、地面、空中、一维运动（水平直线运动）、二维运动（起伸运动）等等。这些周边的搬运设备是用来配合巷道堆垛机来完成货物的传送，转移，分拣等作业。
（二）电气设备
1.检测装置
检测装置是用来检测各种物理参数和相应的化学参数，通过对检测数据的判断和处理可为系统提供最好的依据，以保证系统精确，稳定，安全的运行。
2.信息识别设备
想要更好的实现立体仓库的自动化，这种设备是必须存在的，它是实现仓库自动化缺一不可的设备。它是用来采集货物的品名、类别、货号、数量等物流信息。这些类型的设备通常采用磁条、条形码、光学字符和射频等识别技术手段。
3.控制设备
作为一个自动化立体仓库，其中必须会用到控制设备，只有配备了控制设备才能实现各种存取设备和输送设备等自动化运转。这类控制设备中包括开关、继电器、微处理器、可编程控制器（PLC）等等。
4.显示设备和人机界面
这些都是为了操作人员对仓库的操作进行简单化而设置，同时也方便了维修人员。这些设备一般都是放在巷道口的位置。显示屏一般用来显示仓库内的货物存储的状态，以及货架号。人机界面一般是用来操作和维修堆垛机的控制系统。
（三）计算机控制与通信设备
1.计算机管理系统
计算机管理系统是一个比较大的系统，可以作为一个上位机实现对下位机的监控，以及操作。除此以外还可以对仓库的仓储信息经行管理，同时可以与企业的管理系统进行信息交换。
2.数据通信设备
自动化立体仓库是一个构造特别复杂的自动化系统，它是有许多的机械和电气等等子系统组成。各系统、设备之间需要进行大量的信息的通讯已完成规定的任务，因此需要大量的数据设备作为信息传递的媒介。这类设备包括电缆、红外、光纤和电磁波等。
1.1.2自动化立体仓库的优点
图1-5是自动化立体仓库与一般的仓库的对比，通过对比，再加上别的相关资料的阅读，我们不难得出以下的优点：
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