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1、基于PLC控制的自动化立体仓库设计与组态监控-河北大学1引言第二次世界大战之后,工业飞速发展，立体仓库应运而生。50年代初，美国首先研制出采用桥式堆垛起重机的立体仓库,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。我国于1963年成功研制出了第一台桥式堆垛起重机，1973年开始研制第一座由计算机控制的自动化立体仓库。随着当今企业现代化生产规模不断扩大和深化，仓库成为生产物流系统中一个重要而不可或缺的环节，而立体仓库正以其占地面积小和空间使用率佳的特点，正在逐步替代面积利用率低且陈旧落后的平面仓库，这种替代大大提高了仓储物流的水平。近几
2、年国内外立体仓库的发展方向，以采用可编程控制器(PLC)与微控制搬运设备的仓库以及采用PC机远程管理与PLC联网控制的全自动立体仓库为主。但其中不容忽视的一个问题是，当前各领域中使用的立体仓库系统通常是比较庞大的，在研发立体仓库的过程中，需要投入大量的人力和财力，这必然会给立体仓库系统的研制带来巨大的成本负担。目前比较流行的方法是通过制作小型的立体仓库模型，采用可重复使用的编程系统对其进行编程控制，在模型上模拟调试成功后，最后将实验结果应用到立体仓库的实际生产研发中。通过以上的流程即可节约成本、提高效率，多角度多方式的确定出最优的立体仓库生产方案。本设计将采用三菱FX1N-40MT型PLC和北
3、京昆态公司的MCGS组态软件设计一个自动化立体仓库系统模型，最终实现立体仓库系统的自动化、智能化在实际生产中的应用。2可编程逻辑控制器（PLC）简介随着微处理器，计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制几乎已经扩展到了工业领域的每一个角落。可编程序控制器（ProgrammableLogicController,PLC）作为一种应用面积广，功能强大，使用方便的通用自动控制装备，已经成为工业控制领域不可或缺的重要组成部分。PLC已经广泛的应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，在其他领域也得到了迅速的发展。国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中对它作了如下定义：“可编
4、程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计。”2.1PLC的发展历史可编程序控制器（PLC）问世于1969年。美国数据设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在美国通用汽车公司（GM）的生产线上。其后日本、原联邦德国等相继引入，使其迅速发展起来。PLC从诞生至今，其发展大体经历了三个阶段：第一阶段从诞生到20
5、世纪80年代中期，以单机为主发展硬件技术，研发除了取代传统继电器控制系统的各种型号的PLC；第二阶段从20世纪80年代中期到20世纪80年代末期，为适应柔性制造系统（FMS）的发展，在提高单机功能的同时，加强了软件的开发，并提高了PLC通信能力；第三阶段从20世纪90年代以来，为适应计算机集成制造系统（CIMS）的发展，采用多CPU的PLC系统，不断提高其运算速度和数据处理能力。2.2PLC的特点、应用领域和发展趋势2.2.1PLC的主要特点：(1)可靠性高、抗干扰能力强为保证PLC能在工业环境下可靠工作，在设计和生产过程中采取了一系列硬件和软件的抗干扰措施。主要采用以下方面的措施：如隔离、滤
6、波；对PLC的内部电源采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰；在内部设置了连锁、环境监测与诊断、看门狗等电路；利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障监测，并采取信息保护和恢复措施；对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。通过以上措施保证了PLC能在恶劣的环境中可靠地工作，使平均故障间隔时间指标高，故障修复时间短。(2)可实现三电一体化PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。(3)编程简单、使用方便、控制程序可变、具有很好的柔性和
7、扩展性。(4)体积小、重量轻、功耗低。2.2.2PLC的应用领域可编程控制器是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通信技术于一体的一种新型工业控制装置。随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，但功能却大大的增强了。目前在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，几乎覆盖了工业控制全行业。特别是在轻工行业中，因生产门类多，加工方式多变，产品更新换代快，所以PLC广泛的应用在组合机床电气设备中。PLC已成为位于现代工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的主导地位。可编程控制器的功能使它既可以用于开关
8、量控制，又可用于模拟量控制；既可用于单机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。它的应用大致可归为如下几类：逻辑控制，运动控制，过程控制，数据处理，多级控制。2.2.3PLC的发展趋势近些年我国自动化仓库技术发展很快，己实现了与其它信息决策系统的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。尽管如此，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很大的差距。目前PLC正在向通用化、系列化和高性能化的趋势发展，主要表现在：功能不断增强，各种应用模块不断推出：加强过程控制和数据处理的功能，提高多机通信和组网的
9、能力，开发具有更多功能的模块，使各种PLC控制系统都具有可靠的高性能，同时也使的PLC的组成和维护更加灵活方便，使PLC的应用范围更加宽广。在系统构成规模上向大、小两个方向发展：发展超大容量，超高性能PLC用来满足现代化工业控制中大规模的复杂的生产需要；发展价格低廉，功能简单的专用PLC来替代继电器。产品更加规范化、标准化：PLC生产厂家在不断推出新产品的同时，积极提高产品的标准化属性，使产品更容易被使用者接受，同时将PLC的各个标准部件如输入输出模块、接线端子、通信协议等方面的技术规格更加标准和规范，使不同产品可以互相兼容和组网，使用户可以方便的应用PLC控制各种标准机械化设备。2.3三菱公
10、司FX-1N系列PLC性能介绍FX1N系列PLC是三菱公司FX系列PLC（包括FX1s、FX1N、FX2N、FX2NC）中推出的一种造价低廉、功能强大的普及型PLC。FX1N系列PLC有13种基本单元，可以组成14128个I/O点的系统，并能使用特殊功能模块、显示模块和扩展板。用户存储器容量为8000步，有内置的实时钟。PID指令用于实现模拟量闭环控制，一个单元可以同时输出2点100kHz的高速脉冲，有7条特殊的定位指令，有两个内置的设置参数用的小电位器。通过通信扩展板或特殊适配器可以实现多种通信或数据链接，例如CC-Link、AS-i网络，RS-232C、RS-422和RS-485串行通信，
11、N:N链接、并行连接、计算机链接和I/O链接。3立体仓库的硬件组成及控制原理3.1立体仓库模型的基本结构立体仓库模型是用来储存、分类货物的模型。送货时，根据仓库存储情况将不同的货物送入指定的仓库位置中去；取货时，根据目标需求从指定的仓库位置取出货物。采用皮带、直线导轨、主流减速电机作为传动装置，由PLC编程实现X、Y、Z轴位置控制，可完成仓库货物模型的自动/手动存取。台式立体仓库模型结构如图3-1所示。图3-1自动立体仓库装置图该装置由立体库位框架、巷道式高叉车、操作盘等组成，并配有PLC控制器、光电式寻址传感器、限位开关、直流电机、键盘、驱动系统、直流稳压电源、空气保护开关等。具体说明如表3
12、-1所示。表3-1自动立体仓库装置说明图中序列标号硬件名称说明1水平运行电机2垂直升降电机3升降式货叉装置4水平运行装置5水平叉车运行装置6列定位片7层定位片8光电传感器9键盘10货架11手操盘12直流稳压电源13电器驱动板14空气开关15三菱FX1N-40MT型号PLC3.2系统的硬件组成及说明3.2.1仓库位本系统由6+3+1个存储位组成。其中6为6个可自由存取位置，虽只有6个，但已经从原理上模拟出了所有仓库可定位情况；3为3个模拟位，由于硬件限制，并不具备实际存取功能，仅为美观所设；1为1个缓冲台，用来暂时存取货物。3.2.2直流减速电机直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基
13、础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。这大大提高了直流电机在自动化行业中的使用率。减速电机是指减速机和电机（马达）的集成体。这种集成体通常也可称为齿轮马达或齿轮电机。通常由专业的减速机生产厂进行集成组装好后成套供货。本设计使用了三个ZHENGK公司生产的直流减速电机，其中X、Y方向采用型号为ZYTD-45SRZ-F-091020的直流24V，变速比rpm：2500的电机，并且在X轴方向上加配了ZGB60R-45SRZ-11：110的直流24V，变速比rpm：20的8W齿轮变速箱。Z方向采用型号JQ24-125
14、G840的电机，并配备ZGA25RP216的直流24V，变速比rpm：20的齿轮变速箱。3.2.3反射式计数传感器本设计中，采用反射式计数传感器来控制仓库号寻址定位，当遮光板相对于计数器移动时，计数器将反射回路的信号与原信号对比，产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号相关的直流信号输出电平。这种电平可产生计数脉冲，将计数脉冲传送给PLC对比，通过X、Y两方向的不同的计数脉冲数来确定立体仓库的定位。3.2.4稳压电源开关稳压电源是由开关集体管VT和二极管VD及储能电感L、滤波电容C组成的。另外，通常还具备较为复杂的驱动电路、调节电路
15、、保护电路、基准电路以及构成闭环回路中的取样电路、放大电路和耦合电路用来控制盒调节输出电压的大小以及特性。在本设计中，考虑到直流减速电机的工作电压为DC24V电源，并考虑系统用电量、系统可靠性、和系统设计的规整性等，最终选择稳压电源来统一供电。3.3系统的工作原理及功能分析立体仓库的运动机械结构部分采用皮带、滑轨等部分组成，采用三个直流电机作为拖动元件。其关键部分是巷道起重机，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直流减速电动机带动皮带来完成，伸叉机构由一台直流减速电动机来控制，当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，伸叉电动机驱动货架向前伸出，将货物取出或送入，然后
16、铲叉向后缩回。整个系统需要X、Y、Z三维的位置控制。4基于PLC的立体仓库软件设计4.1系统的工作流程如图依据上述工艺流程分析，立体仓库控制系统的工作流程图如图4-1所示。图4-1自动化立体仓库控制系统的工作流程图该立体仓库系统运行情况为：当将A/M按钮切换到自动后，系统允许进行立体仓库运行的自动控制。系统初始化后，按下某仓库位置的按钮以及“取”或“送”按钮时，系统将进行相应的动作。当出现故障时，电动机停止运行。4.2PLC输入、输出点数的分配根据以上对立体仓库控制系统设计要求可以看出，其中输入点数为24点，输出点数为6点，供电及公共端3点，参照三菱公司FX系列PLC性能简介即可得知本系统采用FX1N-40MT系列
