毕业设计(论文)开题报告
题 目： 自动化立体仓库PLC控制系统设计
学 院： 机械工程学院
专 业： 机械电子工程
学生姓名： 付鹏远 学 号： 201002170322
指导老师： 伍新
20##年03 月 15 日
开题报告填写要求
1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。
2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。
3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。
4．统一用A4纸，并装订单独成册，随《毕业设计（论文）说明书》等资料装入文件袋中。
毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
1．文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。
文 献 综 述
0 引言
随着企业的持续稳定发展，经济全球化步伐也迅速，我国的工业也出现了翻天覆地的变化，一方面高科技的加工工艺越来越得到推广，加工效率也得到了大大的提高。与此同时原有的物流和仓储系统已不能满足新形势的要求,建立一个集物流、信息流和资金流于一身的自动化物流管理中心,从而降低企业综合物流成本,提高企业综合效益便成为目前亟待解决的问题。自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下, 自动地完成物品仓储和取出的系统, 它以高层立体货架为主体, 以成套搬运设备为基础, 是集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率、大容量存储机构。PLC 作为一种工业控制计算机, 具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能, 是目前广泛应用的控制装置之一。自动化立体仓库的出现, 实现了仓库功能从单纯保管型向综合流通型的转变， 而且自动化立体仓库是现代物流与仓储系统的重要组成部分，具有货物存取效率高和自动化程度高、很强的入出库能力等优点。而PLC功能强大，可靠性高，抗干扰能力强，维修方便，易于实现机电一体化。完全满足立体仓库工作环境和控制系统的要求。
但是由于立体仓库前期投入大，需要专业人才从事维护，维持费用高，成本成为立体仓库发展的限制因素，因此如何降低立体仓库的成本或者设计中小型立体仓库自然成为重中之重。本设计就是针对那些中小型企业而设计的采用PLC作为核心控制元件的中小型字体仓库。采用专用键盘作为人机接口部件，可根据用户需求人机之间进行信息交换，作控制步进电机来驱动一个有三自由度的小车在高强度导轨上做三维运动来完成一系列动。[1]
1 立体仓库概述
自动化立体仓库是一种用高层立体货架(托盘系统)储存物资，用电子计算机控制管理和用自动的自 控制堆垛运输车进行存取作业的仓库，是现代物流系统的一个重要组成部分 。与平库相比，可节约70％的占地面积和70％的劳动力具有很高的空间利用率和出人库能力，在仓储和制造业中能极大地加快货物的出人库存储节奏，减轻工作人员的劳动强度，增强作业的安全性，提高货物流通效率。 堆垛机是自动化立体仓库的心脏部分，自动化立体仓库的优越性必须依靠堆垛机才能充分体现出来。可编程控制器PLC作为一种工业控制计算机，兼具控制功能强、处理速度快、结构模块化、配置灵活、性价比高等突出优点，是目前广泛应用的控制装置之一，应用于堆垛机控制具有明显的优势。[2]
2 立体仓库发展
高层货架仓库简称高架仓库。一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓库”。 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。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。[3]
我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机，1973年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。到20##年为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。[4]我国先后建成了第二汽车制造厂立体库、天水长城开关厂FMS板材立体库、上海宝钢总厂备件立体库、国家863计划中CIMS实验工程立体库、济南第一机床厂中央立体库、株洲南方航空动力机械有限公司物流系统、仪征化纤股份公司涤纶长丝立体库、广东震德塑料机械厂有限公司零部件自动化立体库、浙江正泰电器集团立体仓库、伊利液态奶自动化立体仓库、蒙牛乳业自动化立体仓库和中国人民解放军军需、器材立体仓库等，这些自动化仓库都达到了国际先进水平自动化立体仓库是由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库托盘输送机系统、尺寸检测条码阅读系统、通讯系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其他如电线电缆桥架配电柜、托盘、调节平台、钢结构平台等辅助设备组成的复杂的自动化系统。按照用户的需要完成指定货物的自动有序、快速准确、高效的入库出库作业。[5]
3立体仓库控制系统构成
3.1控制网络
自动化立体仓库控制网络一般有以下3层结构构成
（1）管理层——仓储管理计算机
（2）监控层——现场监控计算机
（3）执行层——PLC
3.2立体仓库硬件构成
⑴货架
货架的设计是立体仓库设计的一项重要内容，它直接影响到立体仓库面积和空间的利用率。
①货架形式：货架的形式有很多，而用在自动化立体仓库的货架一般有：横梁式货架、牛腿式货架、流动式货架等。设计时，可根据货物单元的外形尺寸、重量及其它相关因素来合理选取。
②货格的尺寸：货格的尺寸取决于货物单元与货架立柱、横梁（牛腿)之间的间隙大小，同对，在一定程度上也受到货架结构型式及其它因素的影响。[6]
⑵堆垛机
堆垛机是整个自动化立体仓库的核心设备，通过手动操作、半自动操作或全自动操作实现把货物从一处搬运到另一处。它由机架（上横梁、下 横梁、立柱）、水平行走机构、提升机构、载货台、货叉及电气控制系统构成。
①堆垛机形式的确定：堆垛机形式多种多样，包括单轨巷道式堆垛机、双轨巷道式堆垛机、转巷道式堆株机、单立柱型堆垛机、双立柱型堆垛机等等。
②堆垛机速度的确定：根据仓库的流量要求，计算出堆垛机的水平速度、提升速度及货叉速度。
③其它参数及配置：据仓库现场情况及用户的要求选定堆垛机的定位方式、通讯方式等。堆垛机的配置可高可低，视具体情况而定。[7]
⑶输送系统
根据物流图，合理选择输送机的类型，包括：辊道输送机、链条输送机、皮带输送机、升降移载机、提升机等。同时，还要根据仓库的瞬时流量合理确定输送系统的速度。
⑷其它辅助设备
根据仓库的工艺流程及用户的一些特殊要求，可适当增加一些辅助设备，包括：手持终端、叉车、平衡吊等。
4 可编程控制器（PLC）概述
PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而 设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。 [19]
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。[8]其特点如下：
（1）编程简单
采用梯形图编程，类似于继电器控制原理图，易于理解和掌握。
(2）控制系统构成简单，通用性强
在I/O组件的端子上连接输入输出线，无需继电器之类的硬接线，所以在改变控制对象时，只需改变输入输出组件及控制程序。
（3）抗干扰能力强，可靠性高
能够适应工业现场的电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化。由于PLC是专为工业控制设计的，所以它的抗干扰能力优于微机系统，平均无故障时间可以达到2000小时以上。
（4）体积小、维护方便
用模块化结构，有故障时，只需更换模块，维护方便。
(5）缩短了设计、施工和投产调试的周期
设计和施工可以同时进行，与继电接触器控制系统相比，安装接线大大减少
(6)功能强大
PLC可以采用开关量和模拟量两种方式进行输入和输出。它的内部中间继电器几乎不受限制，拥有定时器和计数器，能够进行逻辑控制、顺序控制、数据运算处理。同时它还具有强大的网络功能，拥有智能模块。[9-15]
5 堆垛机自动寻址控制原理
在立体仓库硬件系统当中，堆垛机是仓库中最重要的搬运设备.而随着立体仓库的产生之后,出现了巷道式堆垛机.它的主要用途是在高层货架的巷道内来回穿梭运行，将位于巷道口的货物放入库位；或者取出库位内的货物运送到巷道口；或者将货物从一个库位放入另一个库位。堆垛机的运行路径只能采用水平直线运行和竖直直线运行。所以采用导轨来代替普通的轮轨驱动.
在该立体仓库系统中堆垛机的寻址方式采用的是相对数字认址系统。即采用计数的方式来表示堆垛机实际运行的路程。在硬件部分已经提到该在立体仓库中堆垛机的水平方向和竖直方向滑块上均装有光电传感器，同时在每个库位的进出叉口都装有遮光片，由光电传感器的原理可以知道，当遮光片遮住光电传感器时
该电路会产生一个约为24V的高平电压信号，将其作为PLC的输入之后PLC内部计数器会对其进行计数统计，PLC通过接受信号的个数来判断堆垛机移动的距离，从而实现对目的库位的寻址定位。相对数字认址系统的检测装置和地址运算程序都比较简单，所以得到了广泛的应用。
在对堆垛机运行定位时可以分别采用列定位和层定位方式。[16]
6 自动化立体仓库的特点
6.1提高空间利用率
早期立体仓库构想的基本出发点是提高空间利用率，充分节约有限且昂贵的场地，在西方有些发达国家提高空间利用率的观点已有更广泛、深刻的含义，节约土地已与节约能源、保护环境等更多方面联系起来。有些甚至把空间利用率作为考核仓库系统合理性和先进性的重要指标。仓库空间利用率与其规划紧密相连，一般来说，立体仓库的空间利用率为普通仓库的2～5倍。
6.2先进的物流系统提高企业生产管理水平
传统的仓库只是货物的储存场所，保存货物是其唯一的功能，属于静态储存。立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库内按需要自动存取，而且还可以与仓库以外的生产环节进行有机地连接，并通过计算机管理系统和自动化物料搬运设备使仓库成为企业物流中的重要环节。企业外购件和自制件进入立体仓库短时储存是整个生产的一个环节，是为了在指定的时间自动输出到下一道工序进行生产，从而形成自动化的物流系统环节，属于动态储存，是当今立体仓库发展的明显技术趋势。以上所述的物流系统又是整个企业生产管理系统(从订货、设计和规划、计划编制和生产安排、制造、装配、试验以及发运等)的一个子系统，建立物流系统与企业生产管理系统间的实时连接是目前自动化立体仓库发展的另一个明显技术趋势。
6.3 加快货物存取，减轻劳动强度，提高生产效率
建立以立体仓库为中心的物流系统，其优越性还表现在立体仓库具有快速的入出库能力，妥善地将货物存入立体仓库，及时自动地将生产所需零部件和原材料送达生产线。同时，立体仓库系统减轻了工人综合劳动强度。
6.4 减少库存资金积压
通过对一些大型企业的调查，我们了解到由于历史原因造成管理手段落后，物资管理零散，使生产管理和生产环节的紧密联系难以到位。为了达到预期的生产能力和满足生产要求，就必须准备充足的原材料和零部件，这样，库存积压就成为较大的问题。如何降低库存资金积压和充分满足生产需要，已经成为大型企业面对的大问题。立体仓库系统是解决这一问题的最有效手段之一。
6.5 现代化企业的标志
现代化企业采用的是集约化大规模生产模式，这就要求生产过程中各环节紧密相连，成为一个有机整体，要求生产管理科学实用，做到决策科学化。建立立体仓库系统是其有力的措施之一。由于采用计算机管理和网络技术使企业领导宏观快速地掌握各种物资信息，且使工程技术人员、生产管理人员和生产技术人员及时了解库存信息，以便合理安排生产工艺，提高生产效率。国际互联网和企业内部网络更为企业取得与外界在线连接，突破信息瓶颈，开阔视野及外引内联提供了广阔的空间和坚实强大的技术支持。[17]
7 使用PLC完成系统控制的优点
与PLC仓库模型控制系统设计，它具有很多其他设计方法不可比拟的优点
（1）可靠性高、环境适应性强：可编程控制器输入/输出端口均采用继电器和光电耦合器件，采取了隔离和抗干扰措施，所以具有很高的抗干扰能力
（2）通用性好：由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU模块、电源模块、PID模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性。
（3）使用方便、灵活：对于不同的控制系统，当硬件结构选定后，如果输入/输出作很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线做较大的修改，减少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。
（4）具有顺序、周期性的工作特征。
（5）体积小；由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化。 [18]
文献检索
[1] 曹畅 PLC控制自动化立体仓库 华中科技大学 20##年
[2]樊贵香 闫执中 自动化仓库的发展现状及展望 山西交通职业技术学院 经济管理系 20##年2月
[3]郭鑫鑫 基于CompactLogix 的双立体仓库的控制 西南交通大学电气工程学院 20##年4月
[4] 尤晓玲，陈宏希，张治军，段晓燕．PLC在堆垛机控制系统中的应用［J］．兰州石化职业技术学院学报，20##年01期；
[5] 谷明霞 包继华 张 媛 姜 雪 自动化立体仓库系统中的堆垛机控制 山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266510
[6]郭环．禹永伟 鲁曲化立慷e库由惟垛帆钧设计 辽宁国能集团铁岭精工机械有限公司，辽宁铁岭112002
[7] 李飞飞 田太明 有轨堆垛机整体及行走机构设计 机电工程学院 20##年06月
[8]张万忠主编，电器与PLC控制技术[M]，化学工业出版社，20##年
[9]胡学林主编，可编程控制器教程[M]，电子工业出版社，20##年
[10]周美兰主编，PLC电气控制与组态设计[M]，北京：科学出版社，20##年
[11]曾庆波主编，监控组态软件及其应用技术[M]，哈尔滨工业出版社，20##年
[12]龚中华、史建成、孙毅著，三菱FX系列PLC应用技术[M]，北京：人民邮电出版社，2006
[13]严盈高主编，西门子S7-200PLC入门[M]，北京：人民邮电出版社，20##年
[14] 常斗南.PLC运动控制实例及解析[M].机械工业出版社.2010.1；
[15] 贾德胜.PLC应用开发实用子程序[M].北京：人民邮电出版社．20##-8；
[16] 范东晓 基于PLC的立体仓库自动控制系统设计 河南理工大学 20##年
[17] 王伟. 可编程控制器的使用和维护[M].化学工业出版社， 2005；
[18]F Amato.An approach to control automated warehouse systems[M].ELSEVIER;2005
[19] 姜建芳.西门子S7-200 PLC工程应用技术教程[M]. 机械工业出版社，2010；
毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
２．开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施
开 题 报 告
一、课题设计的目的和意义
通过本次设计熟悉产品设计的流程，详细掌握立体仓库各部件的设计方案，熟练应用PLC构架控制系统，同时系统的复习大学所学的专业知识并应用于实践当中。
传统条件下的库房管理作业，主要依据人工装卸，特别是对于一些大型物资，不仅工作效率低，浪费大量的人力、物力，存在较大的安全隐患，同时还占据大量的库房面积。立体库的投入使用，彻底解决了这一难题. 自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。它通过高层货架存储，使存储区大幅度地向高空发展，提高了空间利用率；自动化立体仓库采用层积式存放，结合计算机管理，可以很容易实现先入先出，防止货物的自然老化、变质和损坏；通过自动存取系统(AS/RS),加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度；采用自动化技术后，还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要；计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了货物处理和信息处理过程中的差错；同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。 自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管理的自动化。同时，由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，也提高了操作人员素质和管理人员的水平。
二、课题发展现状和前景展望
我国从60年代末70年代初已开始研究探索立体仓库技术，直到改革开放以后，特别是近四五年，才有了突飞猛进的发展。但其中大多数均为手动或半自动操作，仓库账目还是人工管理；也有不少的仓库应用计算机管理，而入/出库作业还是人工控制堆垛机的方法；真正采用计算机管理与控制系统自动联接进行入/出库作业的很少。
自动化立体仓库的计算机管理系统可以与工厂信息管理系统(例如ERP系统)以及生产线进行实时通讯和数据交换，这样自动化立体仓库成为CIMS(计算机集成制造系统)及FMS(柔性制造系统)必不可少的关键环节。 结合不同类型的仓库管理软件、图形监控及调度软件、条形码识别跟踪系统、搬运机器人、AGV小车、货物分拣系统、堆垛机认址系统、堆垛机控制系统、货位探测器等，可实现立体仓库内的单机手动、单机自动、联机控制、联网控制等多种立体仓库运行模式，实现了仓库货物的立体存放、自动存取、标准化管理，可大大降低储运费用，减轻劳动强度，提高仓库空间利用。
随着自动化技术和信息技术在自动化立体仓库广泛运用，自动化立体仓库的发展将呈现以下趋势：
（1）仓储作业管理自动化水平将会逐步提高。
（2)智能技术将会获得应用。
(3)仓库作业向柔性化方向发展。
(4)建设自动化立体仓库方面更加注重实用性和安全性
三、课题主要内容和要求
1、课题设计的主要内容
（1） 确定系统总体设计方案。设计一个16仓位的立体仓库，仓位库体由四层十六个仓位组成，其中0号位为停车起始位置，1到16号分别为停车位。
（2） 设计硬件系统的电路原理图，包括采样电路、电液比例控制回路、控制系统主电路及控制电路设计（包括数据传输、信号控制、报警等）。采用可编程控制器(PLC)作为控制系统的核心，触摸屏做输入和显示模块，设计良好的人机界面，实现对立体仓库的监测控制。
（3）设计控制系统的PLC I/O接线图、PLC程序的总体结构图、顺序功能图和梯形图（包括公用程序、手动程序、自动程序、信号显示和故障报警程序等程序的梯形图）。选择电器元件和设计控制算法；编写指令程序清单；调试通过系统程序。
（4）根据要求和设计过程，编写设计说明书和打印图纸。
2、课题主要要求
本课题主要研究中小型自动化立体仓库的自动控制系统，具有专用的人机信息交流界面控制面板，可以实现手动和自动货物存取功能。存取货物还可以实现全自动，而且利用PLC软件实现货架上有无货物的检测，节省了货物检测传感器的成本投入，步进电机也是通过PLC软件进行控制其正转、翻转和加减速。
根据自动化立体仓库运行的基本原理，通过大学阶段所学的知识设计一套基于PLC的自动化立体仓库运动的控制系统，具有根据用户的输入，三个坐标方向电机能够准确移动、定位以实现物品的正确存放功能。
通过对仓库模型控制系统的设计研究，能够对自动化立体仓库设计的基本工作原理有一定的认识，并且对大学阶段所学知识能够进一步的深化，对理论知识和实际应用之间的相互转化有更具体的理解，特别是对PLC技术、数字电路、机电一体化技术有更进一步的认识。以及PLC的程序设计有更认真地学习和运用。
另外，通过对此课题的学习研究，培养自己独立解决实际问题的能力，为以后学习打下基础。
四、研究方法、步骤和措施
1、研究方法和手段：
本文设计的立体仓库主体由底盘、4列4层16仓库体、巷道堆垛机、检测元件及电气控制元件等组成。堆垛机是立体仓库的关键部件，负责全部货物的入库、出库承运作业，可实现三个自由度（X、Y、Z轴）的运动。X轴方向与Y轴方向即堆垛机的水平与垂直运动由步进电机拖动，Z轴由直流电机拖动，该立体仓库控制系统的要求是实现基本的“存/取”货物功能。
（1）了解立体仓库的结构、存取工作要求以及工作流程。
（2）用可编程控制器PLC编写立体仓库控制系统，实现存取功能。
2、设计方案步骤
（1）深入了解和分析立体仓库控制系统的功能要求。
（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个排除，直至调试成功。
3、课题设计的难点
本次课程设计的难点是对于堆垛机的了解和控制。堆垛机是整个立体仓库的核心，主要是通过它的运动控制来实现各种进库、出库。
4、课题设计的关键技术
立体仓库的运动控制是设计的关键，本系统中堆垛机由水平、垂直及伸叉机构三部分组成。水平、垂直部分运动分别由X轴、Y轴步进电动机驱动丝杠完成，伸叉机构由上层的铲叉和底层的丝杠传动机构组成，铲叉可前后伸缩，其运动由Z轴直流电动机正反转控制。
毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
