自动化立体仓库-大学学士学位论文.doc
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1、xx理工大学学士学位论文摘 要 随着企业现代化生产规模的不断扩大,立体仓库已成为生产物流系统中的一个重要且不可缺少的环节,堆垛机是其关键设备。本文利用PLC及触摸屏对堆垛机进行了货物的存取控制。系统选用日本欧姆龙(OMRON)PLC,威伦通公司的MT8000系列触摸屏,松下MINAS-A4系列交流伺服驱动系统作为核心组件;完成了堆垛机的功能设计和控制系统的总体方案设计。针对本文设计的特点要求,详细论述了PLC外电路的设计、相关数学模型的建立、人机交互界面的设计以及PLC控制程序的设计。其中的PLC外电路设计主要完成了输入输出端子分配和连接设计;数学建模主要包括交流伺服电动机控制堆垛机水平运动和
2、垂直运动速度曲线的数学建模;人机交互界面的设计包括实现运动所需的各种参数的设置及自动控制、手动控制参数;PLC控制设计的重点是程序结构设计、高速计数器脉冲的读取、交流伺服电动机的加减速控制及个别指令的运用。本文设计的控制系统可以实现堆垛机货物存取的手动及自动功能,具有友好的人机交互界面,满足功能要求。关键词:立体仓库;人机交互界面;PLC;堆垛机ABSTRACTWith the continuous expansion of enterprise modern production, stereoscopic warehouse has become a production logistic
3、s system in an important and indispensable link, the stacker is the key equipment.This paper, by using PLC and touch screen on the stacker of the access control of the goods. System choose Japan OMRON (OMRON) PLC, wei lun tong company MT8000 series touch screen, panasonic MINAS - A4 series ac servo
4、drive system as the core component; Completed the stacker function design and the overall design of control system.According to the characteristics of this design requirement, detailed discusses the PLC external circuit design, the establishment of the relevant mathematical model, the design of the
5、human-computer interaction interface and the design of the PLC control program. External circuit design is mainly completed the PLC input and output terminal distribution and connection design; Mathematical modeling includes ac servo motor control stacker horizontal movement and vertical movement sp
6、eed curve of mathematical modeling; Human-computer interaction interface design including the implementation of every parameter setting for movement and automatic control, manual control parameters; PLC control design is the focus of the program structure design, high speed counter pulse reading, de
7、celeration of the ac servo motor control and the use of the individual instructions.This paper designed control system can realize stacker goods access of manual and automatic functions, has friendly man-machine interface, meet the functional requirements.Key words: Stereoscopic warehouse; The human
8、-computer interaction interface; Programmable logic controller; Stacker目 录1绪 论11.1自动化仓库介绍11.2自动化立体仓库系统的国内外发展现状11.3本设计的研究意义和可行性22总体方案设计42.1本设计的内容及主要思路42.2自动化立体仓库系统的控制原理52.3堆垛机的伺服控制63系统的组成及硬件连接设计73.1工控器件简介73.1.1工控计算机73.1.2欧姆龙PLC简介73.1.3伺服控制系统83.2硬件设备选型93.2.1PLC选型93.2.2伺服驱动器和伺服电机的选型103.3硬件连接设计113.3.1主电
9、路设计113.3.2I/O端子分配113.3.3PLC与触摸屏连接123.3.4PLC与伺服驱动器的连接133.4货叉的控制143.4.1货叉的液压控制143.4.2货叉的转动控制154数学建模175人机交互界面设计215.1PC与HMI间的通讯215.2触摸屏的界面设计215.2.1主界面设计及地址分配215.2.2水平和竖直参数界面设置225.2.3存货和取货参数界面设置245.2.4 手动参数界面设置256PLC控制程序设计276.1PLC指令系统276.1.1子程序指令介绍276.1.2数据传送(MOV)指令276.1.3数据移位指令(SFT)与计数器指令(CNT)276.1.4无符号
10、比较指令(CMP)和ACC指令、PRV指令286.1.5动作模式控制INI和频率设定SPED316.2PLC程序设计326.2.1主程序设计326.2.2取货子程序设计366.2.3水平子程序设计和返回水平子程序设计396.2.4判断有无货子程序426.2.5手动子程序446.2.6重复输出程序457程序调试及说明47结束语48致 谢49参考文献50附录A:英文原文51附录B:汉语翻译58631 绪 论1.1 自动化仓库介绍自动化立体仓库系统【1】(Automated Storage and Retrieval System, AS/RRS)是在不直接进行人工处理的情况下能自动存储和取出物料的
11、系统,这个定义覆盖了不同复杂程度及规格多样的系统,自动化立体仓库由计算机进行管理和控制,不必搬运即可实现收发作业的仓库。立体仓库【2】是指:采用高层货架储存货物,用起重、装卸、运输机械设备进行货物出库和入库作业的仓库。这类仓库主要通过高层货架充分利用空间进行存取货物,所以称为“立体仓库”。目前,这类仓库最大高度达到40多米,最大库存可大至数万甚至十多万个货物单位,可以做到无人操作,按计划入库和出库的全自动控制,并且可以实现仓库的计算机网络化管理。仓库一般由高层货架、仓储机械设备、建筑物及控制和管理设施等部分组成。货架的形式有很多样,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
12、空间利用率高,制作方便,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垛机的插取与存放。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,通过手动或自动控制实现把货物从一处搬到另一处。输送系统必须具备高度的可靠性,在立体仓库内,一般只有一套输送系统,一旦发生故障,就会使整个仓库受到影响。所以,要求输送系统的各个环节上的设备可靠、耐用、维修方便,对输送系统设置手动控制做后备。1.2 自动化立体仓库系统的国内外发展现状目前,自动化立体仓库在发达
13、国家已相当普遍,日本是自动化仓库发展最快,建造数量最多的国家。此外美国、德国、瑞士、意大利、英国和法国等国家也建造了许多自动化仓库。发展至今,自动化仓库在设计、制造、自动化控制和计算机管理方面的技术也日趋成熟。据不完全统计,目前我国已建立的立体仓库近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由国内独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体仓库。这些立体仓库广泛使用在机械制造业、电器制造业、航空巷、轻工和化工企业、商储业、军需部门等各个行业。截止到2006年底,全国自动化立体库的保有量已超过500座。2006年建设的自动化立体库在8
14、0座以上,主要集中在机械制造、汽车、烟草、食品加工、服装生产、医药生产及流通等行业,与2005年相比,整个市场有了很大发展。目前我国有能力承接立体仓库设计的单位已达数十家,主要有原机电部系统背景的起重机研究所、北京自动化研究所、上海自动化研究所、中国机械工程学会物料搬运学会、中国物流研究会仓储专业委员会、全军仓库机械自动化学会等。近年来我国自动化仓库技术【3】发展很快,已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,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发达国家相比,无论从数量上还是建设水平上都有比较大的差距。这些差距主要表现在:1)
15、发展速度慢。目前,我们国家自动化仓库的数量和生产能力还不能满足今后我国经济发展的需求。2) 仓库形式和设备的品种、规格少,还不能满足各方面的需求。3) 应用先进控制技术和驱动技术的不多。例如,在国内堆垛机多采用两速、三速电机拖动,水平速度6080米/分,垂直运行速度1660米/分,货叉速度410米/分,速度不高,工作效率也不太高,经济效益也不太好。4) 研究开发和创新能力不强。自动化立体仓库正处于不断发展和完善的阶段,大型自动化立体仓库已经不是发展方向,而规模小、反应速度更快、用途更广泛的自动化仓库是未来的发展方向。它结合先进的控制技术,应用到分段输送和按预定线路输送方面,保持了高度的柔性和高
16、生产率,满足了工业库存搬运的需要。1.3 本设计的研究意义和可行性自动化立体仓库是利用自动化存储设备同计算机管理系统的协作来实现立体仓库的高层合理化、存取自动化以及操作简便化。自动化立体仓库主要由货架、巷道式堆垛起重机(堆垛机)、入(出)库工作站台、调度控制系统以及管理系统组成。货架一般为钢结构或钢筋混凝土结构的结构体,货架内部空间作为货位存放位置,堆垛机穿行于货架之间的巷道中,可由入库站台取货并根据管理调度任务将货位存储到指定货位,或到指定货位取出货物并送至出库站台。国内外其它行业采用自动化仓库的情况已经充分证明,使用自动化立体仓库能够产生巨大的社会效益和经济效益。这些效益主要表现在以下几个
17、方面:(l)由于使用高层货架,存储区可以大幅度地向空间扩展,充分利用仓库地面和空间,因此节省了库存占地面积,提高了空间利用率;(2) 自动存取自动化立体仓库使用机械和自动化设备,运行和处理速度快,提高了作业效率;(3) 计算机控制与管理计算机能够准确无误地对仓库的各种信息进行存储和管理,降低了操作人员的劳动强度,从而提高仓库的管理水平;(4) 作业效率明显提高,能充分保证“先进先出”的合理作业原则。由于通过计算机管理实现自动作业,可以方便地实施货位和帐目的科学管理,改善库存结构,避免盲目压货,并改善劳动环境;(5)节约费用,随着经济的高速发展,我国有关行业开始重视立体库的研究,对于促进传统观念
18、的转变、提高现代化物流意识,形成新型的商品流通产业等方面都能产生了强劲的推动作用。此课题的控制系统主要由PLC来控制,目前PLC生产厂商较多,易于购买,且使用寿命长和低故障率是世人所公认的。又因PLC控制程序能够实现生产过程的优化,降低物流系统的故障率,提高生产质量和生产效率。PLC不用进行额外布线,可以直接利用已有的配电网络作为传输线路,从而大大减少了网络的投资,降低了成本。2 总体方案设计 自动化立体仓库出入库流程的设计,是自动化立体仓库设计的重点,在自动化立体仓库设计初期就应当满足基本的出入库要求作为设计原则。在自动化立体仓库的设计过程中,应根据自动化立体仓库的不同特点,以及其他诸多因素
19、,设计出入库流程。2.1 本设计的内容及主要思路本课题设计的自动化立体仓库为四行四列小型仓库。编号从0-15,从下到上为分别第一行到第四行,从左到右分别为第一列到第四列,取货或存货时行和列在变化,用i表示行,用j表示列。该自动化立体仓库主体由四层十六仓位库体、运动机械、导轨、伺服驱动及电气控制等部分组成。立体仓库总体布局如图2.1所示。图 2.1 自动化立体仓库总体布局图通过对本课题的分析,堆垛机需要水平运动、垂直运动,而且均要求位置控制和速度控制,所以采用两个伺服驱动器分别控制两个伺服电动机实现;货叉的左转右转用普通电动机正转反转来控制;货叉的伸出、缩回和微抬、微降用液压系统来控制。货格的长
20、度、高度,以及堆垛机的水平速度、竖直速度、水平加速度、竖直加速度,还有存取货物的行、列等信息的输入和显示都由人机交互系统实现,系统共设计了两种工作模式:自动运行模式、手动运行模式。自动运行模式即为工业生产中的工作模式,当输入行和列取货时,系统开始判断该货格有没有货,如果无货,触摸屏报警灯亮并显示重新输入,如果有货,开始计算运动参数,通过读取伺服电动机自带的编码器脉冲与计算参数比较,进而实现水平运动和垂直运动。当到达指定货格时,货叉开始伸出-微抬-微降-缩回,取出货物,系统再一次读取编码器脉冲,通过计算返回到原位,实现取货过程。存货过程和取货过程方式类似。 手动模式用于维修排障时用,或测试堆垛机
21、的各个动作是否能正常实现。2.2 自动化立体仓库系统的控制原理该控制系统由三部分组成:人机交互界面、可编程控制器(PLC)、伺服驱动系统;自动化立体仓库系统的控制主要分为两部分:堆垛机的水平运动控制和竖直运动控制,其中水平运动和竖直运动为进给运动。堆垛机的控制过程包括如下内容:当工作人员通过触摸屏输入好参数之后,数据通过RS232通讯线送入PLC进行处理,堆垛机先水平运动,当实际运动位移达到水平计算位移时,堆垛机开始竖直运动,当实际运动到计算位移时,运动停止,然后开始进行取货或存货。取货或存货结束后,堆垛机先竖直返回,然后水平返回。在实际操作中,堆垛机的运动控制可通过人机界面向PLC传送数据,
22、PLC对其输入的数据进行处理,然后向各个伺服驱动器发出脉冲控制信号让伺服电机旋转,再通过各电机轴自带的光电编码器进行采样,将位置与速度反馈给伺服驱动器。该过程中,水平位移和竖直位移均由与伺服电机同轴连接的编码器与伺服驱动器实现精确控制,从而使整个系统之间构成半闭环。货叉的转动是由普通电机的正反转【4】实现的。该系统的控制原理图如图2.2所示,伺服电机1控制堆垛机水平进给运动,伺服电机2控制堆垛机竖直进给运动。普通电机控制货叉的旋转。液压缸1控制货叉的伸缩,液压缸2控制货叉的升降。具体驱动型号第三章给出。本控制系统的核心控制器采用欧姆龙PLC,相关参数由触摸屏传送给PLC,各伺服系统均由一个伺服
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