自动化仓储实训控制系统的设计与实现.docx

摘要进入新世纪以来，互联网带来的巨大变化对物流仓储领域中的自动化控制技术提出了新的要求。如何应对并处理这新的机遇和矛盾，认我把握好第四次工业革命对物流仓储控制系统技能人才的需求，快速培养出适应社会与企业发展需要的自动化物流仓储充技能人才，己成为当前技工教育改革与发展的重大研究课题.因此，设计与实现一套自动化仓储实训控制系统具有重要的理论和实际应用价（ft.在研究自动化物流仓储控制技术在国内外发展状况的基础上，对目前社会上应用比较广泛的自动化物流仓储设番的工作过程和生产特点进行r调查，提炼和浓缩出比较典型的J1.作任务：设计j'自动化物流仓储实训控制系统的整体工艺过程，详细分析并阐述了设计方案，研究了硬件组成及元器件选型等，最后乂对实训控制系统的关键技术进行了详细研究。通过以工作过程为导向的实验实训，强化对复杂自动化物流仓储控制系统的设计、安装、调试与维护等综介职业能力，满足自动化物流仓储类、机电类、电气类等相关专业的教学和实训要求。关键词：自动化仓储；实训控制系统；工业控制网络第一章绪论1.1研究背景与意义中国的改革开放已使我国从农业大国变成工业大国，但还达不到工业强国的标准。因为一方面我国在专业控制技术方面相对落后，另一方面物流与仓储管理落后，特别是物流仓储成本较高。因此，我国的物流和仓储企业迫切需要采用先进的自动化控制技术，提高运行效率和管理水平，加快信息化建设.近年来随着互联网的快速发展，物流仓储行业也迎来了快速发展期，有关物流仓储的投资规模也迅速增长，从2001年的几百亿元增加到2016年的近万亿元，这也说明了仓他物流行业需要高度自动化的装备。虽然我国的物流仓储行业发展较快，但起步较晚，与欧美发达国家相比，仍然处于初级水平，并且这一差距近些年来呈现逐步扩大的趋势。分析其原因，首当其冲是制造业成本占比较高，共次一个重要原因就是物流仓储设备自动化程度较低、管理效率较底。所以，研尢与发展物流仓储自动化设备有很大的潜力。据统计，过去十几年间，国内自动化物流仓储设备市场以每年超过20¾的速度用长，并旦随着工业4O和智能制造技术的发展，到2022年自动化物流系统市场规模将突破2600亿元。目前，人力资源成本不断增高，如何实现物流仓储自动化，以便降低企业的人力资源成本，已成为一个重要的研究课题。对于制造业来说，有统计数据表明，物流仓储成本在其整个成本中所占比重相对较大，通常要超过制造成本的一半以上。所以，提高物流仓储的自动化水平将会大大提高产品的市场竞争力，也会提向企业的效益。随着大量研发资本的投入，自动化物流仓储技术日益成熟，设备类型越来越多，大中小型自动化物流仓储设备一应俱全。并且设备生产商可根据企业的实际情况进行个性化设计，以满足社会的不同需求。面对新世纪物流仓储领域新的发展变化，我们应如何应对并处理物流仓储领域新的机遇与矛盾，认真把握好第四次工业革命对物流仓储控制系统技能人才的需求，快速培养出适应社会与企业需要的大量的和物流仓储岗位相关的高技能人才，成为当前技工教育改革与发展的重大研究课题。F1.前，在新的机遇下，快速培养出具有物流仓储技术的专业技能人才已非常紧迫，越来越多的技工院校已经开设以培养物流仓储操作、安装、维护与设计的高技能人才为目标的课程体系，建立开放里、多功能的自动化物流仓储控制系统实训室已经成为必不可少的环节。12国内外的研究现状随若社会化大生产和专业化分工越来越细，物流仓储产业加速促进了社会经济发展，是“第三利涧”的源泉，是检验一个国家或企业现代化发展程度的标志之一，也是衡量一个国家国际竞争力的重要标志之一。美国是世界上最先研发与应用自动化物流仓储系统的国家，它从1959年开始研究。随着计算机技术的发展，美国在1963年率先把计算机控制技术引入自动化物流仓储的控制管理系统中，从此物流仓储设备的自动化水平大大提高。此后，欧美一些发达国家和亚洲的日本注意到物流仓储设备的自动化、高速化、信息化所带来的巨大效益便迅速跟进，80年代后，自动化物流仓储技术在世界各国迅速发展。20世纪70年代我国的自动化物流仓储系统才开始研制，不仅起步较晚而且发展比较慢，直到1973年才研制出第一座由计算机控制的自动化立体仓储，相较于美国整整落后了IO年，系统投入运行则落后更多。随着国家对科技发展的重视，大量研发资金的投入，我国的自动化物流仓储技术才逐渐成熟，但与先进国家技术相比，设备的高速性、工艺、可靠性等方面还有较大的提高空间。我国的很多行业都要用到自动化物流仓储设备，像机械、医药、烟隼等行业。随着国家经济持续的良性发展，许多行业、企业都需要大量的自动化物流仓他设备，所以未来市场需求巨大。2012年，随着和自动化物流仓储系统相关的工程项目纷纷开工建设，自动化物流仓储市场一片盛荣，是中国自动化物流仓储史上难得的发展较快的一年。多年来物流仓储的内涵不断加深，外延不断扩展，所覆蛊的范围也越来越广，原有的管理手段不断被淘汰，其技术水平也在不断改进和提高。怎样优化物流仓储组织、提高物流仓储效率是我们面临的共同问题.为了解决问题达到目标，各国政府在扩大基础设施规模、提高基础设施质量等与物流活动相关的各个环节都投入大量资金，以使物流仓储行业水平不断提高。随着物流仓储行业的快速发展，逐渐呈现出物流仓储社会化、一休化、信息化、系统化、标准化等五大发展趋势。国内外的自动化物流仓储设备发展大致经历了如下过程：(1)人工仓储阶段在此阶段，整个物资的输入与输出、存储与管理都依靠人工来实现，其工人的劳动量大且效率低，但它也有优点，曾如实时性和直观性好、能帔减少设备初期投资等。(2)机械化仓储阶段与人工仓他阶段相比较，机械化仓储阶段不仅能大大降低工人的劳动强度与劳动时间，还能解决人们对重量、精度、高度、速度、无聊的重笑存取和搬运的要求。因为物料可以通过各种各样的传送带、机械手、工业机器人来移动和搬运，可用货架托盘存储物料.通过人工来控制机械存取设备，使川限位开关等检测仪耦来控制设备的运行。(3)自动化仓储阶段在机械化仓储阶段，虽然能减轻人的劳动量，但不能减少对人的依赖。而随着自动化控制技术的发展，自动化物流仓储技术便应运而生。早期的物流仓储设备只是局部的自动化,各自独立应用，还需要人把这些局部自动化的设备联系起来，所以后来就被称为“自动化孤岛”。伴随着通信技术的发展，后来我国建成的现代化程度较高的物流仓储中心，都采用先进的通信技术把各个自动化埴元连成一个整体，基本上实现/整个系统的自动化，把人完全从繁看的劳动中解放出来。总之，自动化仓储控制系统有很大的发展空间，物流仓储在社会上的应用会越来越重要。因此，技工学校的自动化仓储实训控制系统的研究就成为职业院校智能制造技能培训的重要课题之一。1.3本文的主要研究内容本文研究的主要内容是为制造出一套适合学生水平的自动化物流仓储实训控制系统，然后通过实验实训，强化学生对自动化物流仓储控制系统的设计与安装、编程与调试、故障诊断与维修等专业技术能力的培养，快速培养出一批企业急需的应用型、技能型人才。研究过程是首先对目前社会上比较知名的物流仓储企业、先进制造类行业的工业现场设备进行实地考察，收集其工作过程和相关技术，再时其认真研究分析。然后对应用比较广泛的自动化物流仓储设备的工作过程和生产特点进行提炼和浓缩，总结出比较典型的、和自动化仓储控制技术相关的工作任务。最后结合技工学校实际的实验实训教学活动，以现代自动化物流仓储控制概念为指导，辅以多领域的自动化控制技术进行研究与设计，尽可能的把与之相关的现代化控制技术融合于一体，采用P1.C作为各个单元及整体输送系统的控制器，利用计算机和触摸屏作为管理和监控主机，再利用PrOribuS现场总线技术，把各个独立的工作站关联起来，组成一个完整的控制系统.此自动化立体仓储实训控制控制系统是一种技术相对比较综合、复杂程度较高的实训控制系统.它将机械加工与装调、液压与气动传动控制、电机传动、传感器检测、P1.£控制以及工业控制网络等技术有机地融合在一体，并按照模块化结构设计，便于拆装与组合，既可以完成各类单项技能训练与考核，也可以实现综合性项H训练，能较好地满足实训教学、工程训练的需要。其次整个系统采用统一标准的接口，林容性强，扩展性好。1 .4自动化仓储实训控制系统研究的意义人才的培养要服务于社会经济发展,要结合区域的企业需求来规划。目前，我国物流仓储产业发展迅速.社会和企业对物流仓储专业技术人才有大量的需求,但是，现在物流仓储专业技术人才十分紧缺。不仅从事物流仓储专业的人员较少，而熟悉自动化物流仓储控制技术和自动化物流仓储管理的人才更缺。自动化物流仓储技术人才的严IR短缺大大影响了我国物流仓储行业的发展得因此，要保证自动化物流仓储产业快速发展，就必须加快自动化物流仓储专业技术人才的培养，把对自动化物流仓储专业教学的认识提升到一个新的高度。自动化物流仓储实训控制系统是典型的自动控制技术的集大成衣，因为它广泛应用了气动、液压、伺服与步进、传感器、P1.C、通讯总线，甚至过程控制等。自动化物流仓储控制系统的应用,为培养具仃现代化专业技术人才提供了实验实训平台。自动化物流仓储实训控制系统作为一套教学实险实训设备，涵盖了现代化物流仓储工业级生产中所用到的典型控制单元，是培养应用型高素质人才的必要支掠平台。因此可以将自动化物流仓储控制系统制作成教学模型，不仅可以在教学过程中增加教学的应用性，也可用于学生的课程设计、毕业设计等.第二章自动化物流仓储实训控制系统的方案设计2.1控制系统整体设计自动化物流仓储实训控制系统的设计与实现是一个系统的、笑杂的工作，必须事先做好详细的计划。完成本次任务的主要步骡如下：(1)认真研究和分析自动化物流仓储控制系统的工艺要求和控制要求。(2)确定I/O设备。(3)根据1/0点数选择合适的P1.C类型。(4)进行I/O点分配，列出输入输出分配表，画出输入输出端子的接线图。(5)根据工艺过程绘制出控制流程图，然后再转化或设计出系统的梯形图程序。(6)先将各个单元的程序写入P1.C进行单机调试，发现错误，及时修改与完善。(7)进行整机联调，发现问题要逐个排除，直至调试成功。2 .2控制系统整体工艺过程自动化物流仓储实训控制系统的工艺过程是：苜先对传送带上的工件进行整体检测，检测一匚件的颜色、有无工件盖、有无销子及销子材质等，为后续单元提供数据.检测完毕后进入分拣输送环节，对于次品则把工件搬运到次品传送带上输送至次品回收站，对于成品则把工件与托盘分离，托盘被传送带先输送到码垛与解垛单元进行码垛，工件则被夹起并旋转90度然后再放回到传送带上。再经过直角转向单元传送进入条形码贴标及识别单元，模拟企业的粘贴标答和读标签环节。然后送到仓储单元，根据检测单元检测出的工件颜色进行分类入库，火中黄色工件放置在最上层，蓝色工件放置在中层，红色工件放置在最下层。当托盘经过仓储单元时，由于检测到没有工件故直接放过，托盘直接到达堆垛与解垛单元，托盘被搬运到托盘架上进行码垛操作：当检测到起始位置处没有托盘时，码垛与解垛单元就进行解垛操作，把托盘从托盘架上放到传送带上，经过行车机械手搬运单元把工件运送到生产线的起始位置，形成一条环形生产线。共控制系统流程图如图3-2所示。图32控制系统流程图2.3控制系统的组成自动化物流仓储实训控制系统是比较有代表性的，因为整个控制系统包括上位机（微机）、触摸屏（人机界面）、1台主站（由S7-300P1.C构成）和6台从站（由S7-200P1.C构成）等所有现代化控制要素，其实训系统蛆成平面布置图如图43所示。其中上位机使用的是WinCC组态软件，主要用于监控设备的工作状况.生站采用带彳工工业以太网通信模块的西门子300P1.a主要负货收集各从站数据，并统一控制各从站有序运行，还可以给上位机的监控程序提供数据。6个从站单元分别是检测单元、分拣输送单元、条形码