1、基于s7-200 plc控制的小型自動化立體倉庫設計 xx大學畢業設計論文任務書課題名稱基于s7-200 plc控制的小型自動化立體倉庫設計學 院電氣信息學院專業班級自動化084班姓 名xx學 號089064444畢業設計論文的主要內容及要求:(1)了解自動化立體倉庫的組成及基本功能,熟悉plc控制系統設計的一般步驟。(2)結合相關資料設計立體倉庫的系統結構圖; 本課題所設計的立體倉庫具有以下功能: 1、堆垛機(機械手)要有三個自由度,即:前進、后退;上、下;左、右 2、堆垛機的運動由步進電機驅動 3、堆垛機前進(或后退)運動和上(或下)運動可同時進行 4、堆垛機前進、后退和上、下運動時必須有

2、超限位保護 5、每個倉位必須有檢測裝置(微動開關),當操作有誤時發出錯誤報警信號 6、當按完倉位號后,沒按入或取前,可以按取消鍵進行取消該操作 7、整個電氣控制系統必須設置急停按鈕,以防發生意外起止時間:2012年2月21日至2012年6月5日共15周指 導 教 師簽字系 主 任簽 字院長簽字摘 要 自動化立體倉庫是現代物流系統中迅速發展的一個重要組成部分,是一種多層存放貨物的高架倉庫系統,由自動控制與管理系統、高位貨架、巷道堆垛機、自動入庫、自動出庫、計算機管理控制系統以及其他輔助設備組成。它具有節約用地、減輕勞動強度、消除差錯、提高倉儲自動化水平及管理水平、提高管理和操作人員素質、降低儲運

3、損耗、有效地減少流動資金的積壓、提高物流效率等諸多優點。如今我國國民經濟的飛速發展,自動化立體倉庫必然會在各行各業中得到越來越廣泛的應用。 本課題的電氣控制主要由西門子公司的plc、步進電機驅動器、步進電動機、直流電動機等器件組成。本文首先對本課題進行簡要的介紹,包括背景,研究意義,現狀等;其次對該系統的硬件組成、結構、原理進行了闡述和分析;再次對本系統用到的器件分別進行介紹,重點對plc程序進行了編寫;最后對設計本課題所學到的知識進行歸納和總結。關鍵字:立體倉庫 可編程控制器(plc) 西門子s7-200 abstract the automated warehouse is one of

4、the important parts in modern logistics. its a multi-layer overhead warehouse system to store goods. by the automatic control and management system, high shelf, roadway stacker, automatic storage, automatic library, computer control systems, and other auxiliary equipment, it has a land conservation,

5、 and reduce labor intensity and eliminate errors, improve the level of warehouse automation and management level, to improve the quality of management and operations staff, reduce outages, and effective in reducing the backlog of liquidity and improve logistics efficiency and many other advantages.

6、today, with the rapid development of chinas national economy, the automated warehouse will inevitably application in all walks of life. the subject is mainly made of siemens plc, stepper motor drives, stepper motors, direct current motor other devices. first, a brief introduction to the topic, inclu

7、ding background, significance, status; second, the system hardware, the structure, principles are described and analyzed; third, the devices that are used in this system were introduced, focusing on the preparation of plc program; finally, the knowledge learned and conclusions on the topic are summa

8、rized.keywords : stereoscopic warehouse programmable controller siemens s7-200目 錄第1章 緒論11.1 本課題設計的背景11.2 本課題設計內容11.3 本課題設計的目的和意義21.4 小結2第2章.系統控制方案的確定32.1 自動化立體倉庫的簡介32.2 立體倉庫系統的功能32.3 采用 plc 控制立體倉庫的優點52.4 立體倉庫技術參數的確定52.5 系統設計的基本步驟52.6 小結6第3章 系統硬件設計73.1控制系統結構設計73.2可編程控制器的選型73.2.1可編程控制器的基本結構73.2.2可編程控制

9、器(plc)的特點83.2.3控制功能的選擇83.2.4 plc 機型的選擇83.3步進電機的選擇93.3.1步進電機的介紹93.3.2步進電機的結構103.3.3步進電機的工作原理103.3.4步進電機的控制123.3.5步進電機的特點143.3.6步進電機驅動系統的基本組成143.3.7步進電機的選擇計算153.4步進電動機驅動器的選擇173.5傳感器的選擇193.6微動開關的選擇203.7并聯型開關穩壓電源203.8 plc輸入輸出分配表213.9 電氣原理圖的設計223.10 小結22第4章 系統軟件設計234.1編程語言的介紹234.2系統流程圖244.3主要程序的設計254.4小結

10、30結論31致謝32參考文獻33附錄a梯形圖設計34第1章 緒 論1.1本課題設計的背景 立體倉庫的產生和發展是第二次世界大戰之后生產和技術發展的結果。50年代初,美國出現了采用橋式堆垛起重機的立體倉庫;50年代末60年代初出現了司機操作的巷道式堆垛起重機立體倉庫;1963年美國率先在高架倉庫中采用計算機控制技術,建立了第一座計算機控制的立體倉庫。此后,自動化立體倉庫在美國和歐洲得到迅速發展,并形成了專門的學科。60年代中期,日本開始興建立體倉庫,并且發展速度越來越快,成為當今世界上擁有自動化立體倉庫最多的國家之一。 我國對立體倉庫及其物料搬運設備的研制開始并不晚,1963年研制成第一臺橋式堆

11、垛起重機(機械部北京起重運輸機械研究所),1973年開始研制我國第一座由計算機控制的自動化立體倉庫(高15米,機械部起重所負責),該庫1980年投入運行。到2003年為止,我國自動化立體倉庫數量已超過200座。立體倉庫由于具有很高的空間利用率、很強的入出庫能力、采用計算機進行控制管理而利于企業實施現代化管理等特點,已成為企業物流和生產管理不可缺少的倉儲技術,越來越受到企業的重視。 本論文主要是基于plc所設計的立體倉庫電氣控制系統。下面簡單闡述plc的發展背景。1968年美國最大的汽車制造商通用汽車公司為了適應汽車型號不斷更新,提出把計算機的完備功能、靈活性、通用性好等優點和繼電器-接觸器控制

12、系統的簡單易懂、操作方便、價格低等優點結合到一起,做成了一種能適應工業環境的通用控制裝置,并把其編程方法及程序輸入方法簡化,使不熟悉計算機的人員也能夠快速掌握其使用技術。根據這一設想,美國數字設備公司于1969年率先研制出第一臺可編程控制器簡稱plc,并在通用汽車公司的自動裝配線上試用獲得成功。由于plc的可靠性高,操作簡單,可以大大減少設備的維修和停產所造成的經濟損失。當前plc已經成為了電氣自動化控制系統中應用最為廣泛的核心 控制裝置。1985 年國際電工委員會(iec)對plc的定義如下:“可編程控制器是一種進行數字運算的電子系統,是專為在工業環境下的應用而設計的工業控制器,它采用了可以

13、編程的存儲器,用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術運算等操作的指令,并通過數字或模擬式的輸入和輸出,控制各種類型機械的生產過程1。”因此,進行立體倉庫的plc控制系統的設計,可以推動機械手行業的發展,擴大plc在自動控制領域的應用,具有一定的經濟和理論研究的價值。 1.2 本課題設計內容 本設計用西門子s7-200系列的控制器作為控制核心,實現一個十二倉位的立體倉庫的入庫出庫功能。立體倉庫主體有底盤、四層十二倉位庫體、運動機械及電氣控制等四部分組成。電氣控制部分由西門子生產的s7-200型的可編程控制器、步進電機驅動、各種位置電磁傳感器和一些低壓電器元件組成。s7-200型

14、可編程控制器作為控制核心,采集輸入端口信號后完成各種邏輯控制和數據的運算,然后通過輸出端口完成電機的運動和各種信號的現實。該系統要能夠實現手動和自動兩種工作模式,通過鍵盤可以對設備進行控制。 1.3 本課題設計的目的和意義 自動化立體倉庫在各行各業得到而來廣泛的應用,進行plc立體倉庫的設計對于節約土地資源,節省勞動力方面都有著不可代替的作用。plc作為工業自動化三大支柱的重要一部分,因為其可靠性高、抗干擾能力強、設計安裝容易等特點而被廣泛的應用于自動化控制的各個領域。plc控制系統可以很好的完成立體倉庫的控制有助于其實現自動化。因此,進行立體倉庫的plc控制系統的設計,可以推動機械手行業的發

15、展,擴大plc在自動控制領域的應用,具有一定的經濟和理論研究的價值。 1.4 小結本章以課題設計為中心,分別介紹了課題設計的背景、內容、目的和意義。立體倉庫發展速度越來越快,采用計算機進行控制管理而利于企業實施現代化管理等特點,已成為企業物流和生產管理不可缺少的倉儲技術,越來越受到企業的重視。plc憑借著其可靠性高、抗干擾能力強、使用方便、設計安裝容易等特點能很好的完成立體倉庫控制系統的設計。 第2章.系統控制方案的確定2.1自動化立體倉庫的簡介 自動化立體倉庫是機械和電氣、強電控制和弱電控制相結合的產品。它主要由貨物儲存系統、貨物存取和傳送系統、控制和管理等三大系統所組成。貨物存儲系統由立體

16、貨架的貨格托盤或貨箱組成,貨架按照排、列、層組合而成立體倉庫儲存系統;貨物存取和傳送系統承擔貨物存取、出入倉庫的功能,它由有軌或無軌堆垛機、出入庫輸送機、裝卸機械等組成;自動化立體倉庫視情況不同采取不同的控制方式:有的倉庫只采取對存取堆垛機、出入庫輸送機的單臺 plc 控制,機與機無聯系;有的倉庫對各單臺機械進行聯網控制。更高級的自動化立 體倉庫的控制系統采用集中控制、分離式控制和分布式控制,即由管理計算機、中央控制計算機和堆垛機、出入庫輸送等直接控制的可編程序控制器組成控制系統。 2.2 立體倉庫系統的功能 圖2-1 立體倉庫模型圖 在此設計的立體倉庫需要滿足一下功能: (1)堆垛機(機械手

17、)要有三個自由度,即:前進、后退;上、下;左、右; (2)堆垛機的運動由步進電機驅動; (3)堆垛機前進(或后退)運動和上(或下)運動可同時進行; (4)堆垛機前進、后退和上、下運動時必須有超限位保護; (5)每個倉位必須有檢測裝置(微動開關),當操作有誤時發出錯誤報警信號; (6)當按完倉位號后,沒按入或取前,可以按取消鍵進行取消該操作。 (7)整個電氣控制系統必須設置急停按鈕,以防發生意外。 系統控制面板如下圖2-2所示: 圖 2-2 控制面板 因此本課題設計的具體控制功能如下: (1)將選擇開關置于自動位置,通電狀態下,各機構復位,即返回零位。立體倉庫坐標定位以零位開始。 (2)當送貨的

18、時候,選擇欲送貨物的倉位號,按動倉位號對應的按鈕,控制面板數碼管顯示倉位號。按送貨按鈕后,貨物自動送入指定的倉位號對應的倉庫位里。若被指定的倉位號里有貨物,則送貨命令不被執行。送貨完成后,小車自動返回原來的位置。 (3)當取貨的時候,選擇欲取貨物的倉位號后,按動取貨按鈕后,在控制面板的數碼管里顯示出來,堆垛機可以自動將貨物取出。如果小車里有貨物,則取貨命令不被執行。 (4)取貨和送貨指令完成后,機構自動返回原來位置。 (5) 整個電氣控制系統必須設置急停按鈕,以防發生意外。 2.3 采用 plc 控制立體倉庫的優點 plc 的應用非常廣泛,按plc編程功能可分為 4 大類2:開關量順序控制、通

19、信功能、模擬量控制、運動控制。plc的應用大大提高了控制系統的穩定性、適用性、并且降低了系統成本。其控制系統簡單,更改容易,施工周期短;系統維護容易。自動化立體倉庫,少不了自動化倉庫管理系統,只有使用強大的倉庫管理系統才能使得倉庫管理和業務流程上一個臺階,才能將先進的硬件設備發揮作用、 產生效益,針對這一倉庫管理系統,我選擇了plc。選擇 plc是因為它的穩定性比單純的使用單片機要穩定的多,所能實現的功能也強大的多。總的來看,基于plc的自動化立體倉庫可以總結為如下幾點優點:低成本、范圍廣、高速、便捷、永遠在線、結構靈活、數字化等。 2.4立體倉庫技術參數的確定 表2-3立體倉庫具體參數: 出

20、/入貨柜臺最重物品 20kg 每個倉位的高度 4.5cm 倉位的上下距離 0.5cm 倉位的平行距 0.5cm 倉位的體積 4 m3 可編程控制器(plc)電源 24v dc 堆垛機電源 220v ac,50hz 2.5系統設計的基本步驟 在立體倉庫控制系統的設計過程中主要要考慮以下幾點: (1)深入了解和分析立體倉庫的工藝條件和控制要求。 (2)確定i/o設備。根據立體倉庫控制系統的功能要求,確定系統所需的用戶輸入、輸出設備。 (3)根據i/o點數選擇合適的plc類型。 (4)分配i/o點,分配plc的輸入輸出點,編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。 (5)設計立體倉庫系統的梯形圖

21、程序,根據工作要求設計出周密完整的梯形圖程序,這是整個立體倉庫系統設計的核心工作。 (6)將程序輸入plc進行軟件測試,查找錯誤,使系統程序更加完善。 (7)立體倉庫整體調試,在plc軟硬件設計和現場施工完成后,就可以進行整個系統的聯機調試,調試中發現的問題要逐一排除,直至調試成功。 立體倉庫系統設計與調試的主要步驟,如圖2-4所示: 圖2-4 課題設計步驟2.6小結 本章圍繞系統方案的確定,首先對自動化立體倉庫進行了簡單的介紹。自動化立體倉庫是機械和電氣、強電控制和弱電控制相結合的產品。主要由貨物儲存系統、貨物存取和傳送系統、控制和管理等三大系統所組成。其次闡述了本課題設計的自動化立體倉庫實

22、現的功能與總體的控制步驟。第三節講述了plc的優點和選擇plc進行控制的原因。最后確定了立體倉庫的具體參數,并詳細介紹了本課題設計的基本步驟。第3章 系統硬件設計3.1控制系統結構設計 本課題設計采用的是運用 plc 控制系統來控制立體倉庫的運動.這種設計的優點是能快速的對輸入信號做出反應控制立體倉庫,而且檢修起來較為方便。控制系統結構圖如下圖 3-1 所示。 圖 3-1 控制系統結構圖3.2可編程控制器的選型3.2.1可編程控制器的基本結構 可編程控制器的基本結構由輸入/輸出模塊、中央處理單元、電源部件和編 程器等組成。plc與計算機的基本組成一致,它實際上就是一種工業控制計算器3。 (1)

23、輸入/輸出模塊在plc中,cpu是通過輸入/輸出模塊與外界連接的。 輸入模塊用于將控制現場輸入信號變換成cpu能接收的信號,并對其進行濾波、電平轉換、隔離和放大等;輸出模塊用于將 cpu的決策輸出信號變換成驅動控制對象執行機構的控制信號,并對輸出信號進行功率放大、隔離plc內部和外部執行元件等。 (2)中央處理單元 (3)電源部件中央處理器單元包括微處理器、系統程序存儲器和用戶程序存儲器。微處理器 cpu 是plc的核心部件。電源部件是把交流電轉換成直流電源的裝置,它向plc提供所需的高質量直流電源。3.2.2可編程控制器(plc)的特點 (1)可靠性高,抗干擾強。 (2)功能強大,性價比高。

24、 (3)編程簡易,現場可修改。 (4)配套齊全,使用方便。 (5)壽命長,體積小,能耗低。 (6)系統的設計、安裝、調試、維修工作量少,維修方便。3.2.3控制功能的選擇 該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。 根據本課題所設計的自動門控制的需要,主要介紹以下幾種功能的選擇4。 (1)控制功能 plc主要用于順序邏輯控制,因此,大多數場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制,有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能,提高plc的處理速度和節省存儲器容量。 (2)編程功能 離線編程方式:plc和編程器公用一個cpu,編程器在編程模式時,

25、cpu只為編程器提供服務,不對現場設備進行控制。完成編程后,編程器切換到運行模式,cpu對現場設備進行控制,不能進行編程。離線編程方式可降低系統成本,但使用和調試不方便。在線編程方式:cpu和編程器有各自的cpu,主機cpu負責現場控制,并在一個掃描周期內與編程器進行數據交換,編程器把在線編制的程序或數據發送到主機,下一掃描周期,主機就根據新收到的程序運行。這種方式成本較高,但系統調試和操作方便,在大中型plc中常采用。 五種標準化編程語言:順序功能圖(sfc)、梯形圖(ld)、功能模塊圖(fbd)三種圖形化語言和語句表(il)、結構文本(st)兩種文本語言。 (3)診斷功能 plc的診斷功能

26、包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置,軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對plc內部的性能和功能進行診斷是內診斷,通過軟件對plc的cpu與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。plc的診斷功能的強弱,直接影響對操作和維護人員技術能力的要求,并影響平均維修時間。3.2.4 plc 機型的選擇 (1)輸入電源電壓:24vdc 還是 220vac,根據供電系統電壓來選擇,一般來說,不建議直接從動力電源直接取電,最好用隔離變壓器把動力電源和控制電源隔離開來,同時做好濾波等抗干擾措施。本設計采用 24v 直流電。 (2)輸入輸出點數:所謂的輸入輸出點數指的是整個

27、控制系統需要用到的 plc的輸入點個數和輸出點個數。一般來說,當然是預先設計好整套系統方案, 然后算出所有的輸入輸出點個數,如果是第一次設計的方案,建議預留點數。經 過估算本設計中需要輸入端口40個,輸出端口 21個。 (3)輸出觸點類型:是繼電器輸出類型還是晶體管輸出類型。根據所控制的 執行機構電源電壓及功率來決定輸出觸點類型,如果系統里有需要用到高速脈沖 輸出控制步進電機或伺服系統時,一定要選擇晶體管輸出類型。本設計因為有步 進電機的控制所以選擇晶體管輸出類型。西門子s7系列plc體積小、速度快、 標準化,具有網絡通信能力,功能更強,可靠性更高。s7 系列 plc 產品可分為微型 plc(

28、如 s7-200),小規模性能要求的 plc(如 s7-300)和中、高性能要求的 plc(如 s7-400)等。s7系列 plc有專門的高速脈沖輸出端,可以方便的完成步進電機的控制。根據控制功能要求選 擇微型 plc。微型plc s7-200系列可編程控制器主機分為 10、14、24、40 點四檔,還有各種輸入和輸出擴展單元,這樣在增加 i/o 點數時,不必改變機型,可以通過擴展模塊實現,降低了經濟投入。本課題設計的立體倉庫控制系統有輸入信號40個,輸出信號21個。所選 i/o 點不得低于61點,結合實際情況,考慮到經濟實惠所選本系統所采用的plc是西門子s7-200 cpu226 dc24

29、v,外加一個數字量擴展模塊em2231。 3.3步進電機的選擇3.3.1步進電機的介紹 步進電動機是將電脈沖信號轉換為相應的角位移或直線位移的一種特殊電機。每輸入一個電脈沖信號電機就轉動一個角度,它的運動形式是步進式的,所以稱為步進電動機。又由于它輸入的是脈沖電流所以也叫脈沖電動機14。 步進電動機在不需要變換的情況下,能直接將數字脈沖信號轉換成角位移或線位移,因此它很適合作為數字控制系統的伺服元件。此外,它還具有一系列的優點,一是輸出角位移量或線位移量與其輸入的脈沖數成正比,而轉速或線速度與脈沖的頻率成正比,在負載能力范圍內,這些關系不受電壓的大小、負載的大小、環境條件等外界各種因素的干擾。

30、二是它每轉一周都有固定的步數,所以步進電動機在不失步的情況下運行,其步距誤差不會長期積累。三是控制性能好,它可以在開環系統中在很寬的范圍內通過改變脈沖的頻率來調節電機的轉速,并且能夠快速啟動制動和反轉。四是有些型式的步進電動機在停止供電的狀態下,還有定位轉矩,有些型式在停機后某些相繞組仍保持通電狀態,具有自鎖能力,不需要機械制動裝置等。當采用速度和位置檢測裝置后,它可構成閉環控制系統。 計算機技術、電力電子技術和微電子技術的發展,給步進電動機的應用開辟了廣闊的前景,應用非常廣泛。如數控機床、繪圖機、自動記錄儀表、遙控裝置和航空系統等等,都大量使用步進電動機。3.3.2步進電機的結構 圖3-2為

31、三相反應式步進電動機的徑向截面圖。定轉子鐵芯由硅鋼片疊壓而成,定子磁極為凸極式,磁極的極面上開有小齒。定子上有三套控制繞組,每一套有兩個串聯的集中控制繞組分別繞在徑向相對的兩個磁極上。每套繞組叫一相,三相繞組接成星形,所以定子磁極數通常為相數的兩倍,即2p2m (p為極對數,m為相數)。轉子上沒有繞組,沿圓周也有均勻的小齒,其齒距和定子磁極上小齒的齒距必須相等,而且轉子的齒數有一定的限制。這種結構形式的優點是制造簡便,精度易于保證,步距角可以做得較小,容易得到較高的啟動和運行頻率。 圖3-2 步進電動機的結構3.3.3步進電機的工作原理 圖3-3是一臺三相反應式步進電動機的原理圖。定子鐵芯為凸

32、極式,共有三對(六個)磁極,每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組。轉子用軟磁性材料制成,也是凸極結構,只有四個齒,齒寬等于定子的極靴寬。下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理。 圖3-3 步進電動機原理圖 (1)三相單三拍通電方式 當a相控制繞組通電,其余兩相均不通電,電機內建立以定子a相極為軸線的磁場。由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點,使轉子齒1、3的軸線與定子a相極軸線對齊,如圖3-3a所示。若a相控制繞組斷電,b相控制繞組通電時,轉子在反應轉矩的作用下,逆時針方向轉過30,使轉子齒2、4的軸線與定子b相極軸線對齊,即轉子走了一步,如圖3-3b所示。若再斷開b相使c相控制繞組通電轉子

33、又轉過30,使轉子齒1、3的軸線與定子c相極軸線對齊,如圖3-3c所示。如此按a-b-c-a的順序輪流通電,轉子就會一步一步地按逆時針方向轉動。其轉速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率,旋轉方向取決于控制繞組輪流通電的順序。若按a-c-b-a的順序通電,則電機按順時針反方向轉動。 上述通電方式稱為三相單三拍運行。“三相”是指三相步進電動機每次只有一相控制繞組通電;控制繞組每改變一次通電方式稱為一拍,“三拍”是指經過三次改變通電方式為一個循環。我們稱每一拍轉子轉過的角度為步距角常用s來表示,三相單三拍運行時s 30。 (2)三相雙三拍通電方式 控制繞組的通電方式為ab-bc-ca-ab或ab-c

34、a-bc-ab。每拍同時有兩相繞組通電,三拍為一個循環。當a、b兩相控制繞組同時通電時,轉子齒的位置應同時考慮到兩對定子極的作用,只有a相極和b相極對轉子齒所產生的磁拉力相平衡,才是轉子的平衡位置,如圖3-4a所示。若下一拍為b、c兩相同時通電時,則轉子按逆時針轉過30到達新的平衡位置,如圖3-4b所示。可見,雙三拍運行時的步距角仍是30。但雙三拍運行時,每一拍總有一相繞組持續通電,例如由a 、b兩相通電變為b、c兩相通電時,b相保持持續通電狀態,c相磁拉力力圖使轉子逆時針方向轉動,而b相磁拉力卻起有阻止轉子繼續向前轉動的作用,即起到一定的電磁阻尼作用,所以電機工作比較平穩。 a b圖3-4

35、三相雙三拍運行方式3.3.4步進電機的控制 由于步進電動機能直接接收數字量信號,所以被廣泛應用于數字控制系統中。較簡單的控制電路是利用一些數字邏輯單元組成,即采用硬件的方式。但要改變系統的控制功能,一般都要重新設計硬件電路,靈活性較差。以微型計算機為核心的計算機控制系統為步進電動機的控制開辟了新的途徑,利用計算機的軟件或軟、硬件相結合的方法能使系統的功能大大增強,同時也提高了系統的靈活性和可靠性。 以步進電動機作為執行元件的數字控制系統有開環和閉環兩種形式。(1)開環控制 步進電動機系統的主要特點是能實現精確位移、精確定位,且無積累誤差。這是因為步進電動機的運動受輸入脈沖控制,其位移量是斷續的

36、,總的位移量嚴格等于輸入的指令脈沖數或其平均轉速嚴格正比于輸入指令脈沖的頻率;若能準確控制輸入指令脈沖的數量或頻率,就能夠完成精確的位置或速度控制,無需系統的反饋,形成所謂的開環控制系統。 步進電機的開環控制系統,由控制器(包括變頻信號源)、脈沖分配器、驅動電路及步進電動機四部分組成如圖3-5所示。開環控制系統的精度主要取決于步距角的精度和負載狀況。 圖3-5 步進電動機開環控制原理框圖 開環控制常常采用加減定位控制方式。因為步進電動機的啟動頻率要比連續運行頻率小,所以開環控制的脈沖指令頻率,只有小于電機的最大啟動頻率,電機才能成功啟動。若電動機的工作頻率總是低于最高啟動頻率,當然不會失步,但

37、沒有充分發揮電機的潛力,工作速度太低。為此,常用加減速定位控制。電機開始以低于最高啟動頻率的某一頻率啟動,然后再逐步提高頻率,使電機逐步加速,到達最高運行頻率,電機高速轉動。在到達終點前,降頻使電機減速。這樣就可以既快又穩地準確定位,如圖3-6所示。由于步進電動機的電磁轉矩受頻率影響較大,所以負載的加減速控制不能像普通電機那樣。為了實現加減速的最佳控制,往往是分段設計加速轉矩和加速時間,采用微機控制來實現。 由于開環控制系統不需要反饋元件,結構比較簡單、工作可靠、成本低。因而在數字控制系統中得到廣泛的應用。 圖3-6 加減速定位過程 (2)閉環控制系統 在開環控制系統中,電機響應控制指令后的實

38、際運行情況,控制系統是無法預測和監視的。在某些運行速度范圍寬、負載大小變化頻繁的場合,步進電動機很容易失步使整個系統趨于失控。另外,對于高精度的控制系統,采用開環控制往往滿足不了精度的要求。因此必須在控制回路中增加反饋環節,構成閉環控制系統如圖3-7所示。與開環系統相比多了一個由位置傳感器組成的反饋環節。將位置傳感器測出的負載實際位置與位置指令值相比較,用比較信號進行控制,不僅可防止失步,還能夠消除位置誤差提,高系統的精度。 閉環控制系統的精度與步進電動機有關,但主要是取決于位置傳感器的精度。在數字位置隨動系統中,為了提高系統的工作速度和穩定性,還有速度反饋內環。圖3-7 步進電動機閉環系統原

39、理框圖3.3.5步進電機的特點 (1)位移與輸入脈沖信號的信號數相對應,步距誤差不長期積累,可以組成結構簡單且具有一定精度的開環控制系統,也可以在需要更高精度時組成閉環控制系統。 (2)速度可以在相當寬的范圍內平滑調節。(3)易于起動、停止、正反轉及變速,快速響應性能好。(4)具有自鎖的能力。當控制脈沖停止輸入且讓最后一個脈沖控制的繞組繼續通電時,電機可以保持在固定的位置上,即停在最后一個控制脈沖所控制的角位移的終點位置上。所以步進電機具有帶電自鎖能力。 (5)步距角選擇的范圍大,可以在幾十角分至180范圍內進行選擇。在小步距情況下,通常可以在超低速下高轉矩穩定運行,可以不經減速器直接驅動負載

40、。 (6)電動機本身沒有電刷、轉子上沒有繞組,也不需要位置傳感器,可靠性高。3.3.6步進電機驅動系統的基本組成 與交直流電動機不同,僅僅接上供電電源,步進電機不會運行的。為了驅動步進電動機,必須由一個決定電動機速度和旋轉角度的脈沖發生器(在該立體倉庫控制系統中采用plc作脈沖發生器進行位置控制)、一個使電動機繞組電流按規定次序通斷的脈沖分配器、一個保證電動機正常運行的功率放大器,以及一個直流功率電源等組成一個驅動系統,如圖3-8所示。 圖 3-8 驅動系統示意圖3.3.7步進電機的選擇計算 在選擇步進電動機時首先考慮的是步進電動機的類型選擇,其次才是具體的品種選擇,在該立體倉庫控制系統中要求

41、步進電動機電壓低、電流小、有定位轉矩和使用螺栓機構的定位裝置,確定步進電動機采用2相8拍混合式步進電機;在進行步進電動機的品種選擇時,要綜合考慮速比i、軸向力f、負載轉矩、額定轉矩和運行頻率,以確定步進電機的具體規格和控制裝置。 由于我們使用螺栓機構的定位裝置,已知條件和要求條件為: 移動部分總重 外力 磨擦系數 螺栓機構的效率 螺栓軸徑 螺栓長 螺距 分辨率 移動距離 /步 速度 計算: 設擬選用2相、1.8步距角的hb型電動機 速比設使用直接驅動方式 軸向力 負載轉矩 螺栓的慣量 移動體的慣量 負載慣量為 根據以上計算可以初步選定步進電動機,其慣量為,空載起動頻率 由要求的速度可求出運行的

42、頻率: 可知需要加減速的驅動方式。 齒輪比: 換算到電機軸的負載轉矩為 對首次設計的裝置來講,所選用的電動機通常留有23倍的余量,所以電機轉矩 根據以上的計算,在該立體倉庫控制系統中的步進電動機采用北京斯達特機電科技發展有限公司生產的2相8拍混合式步進電機,它的主要特點:體積小,具有較高的起動和運行頻率,有定位轉矩等優點。型號:42byghl01。電氣原理圖如圖3-9所示。快接線插頭:紅色表示a相,藍色表示b相;如果發現步進電機轉向不對時可以將a相或b相中的兩條線對調。 圖 3-9步進電機的出線圈 表3.1 步進電機的電氣技術數據電機型號相數步距角相電流驅動電壓額定轉矩重量42bygh1012

43、1.801.7adc24v0.44n?m0.24kg3.4步進電動機驅動器的選擇 (1)步進電動機驅動器輸入輸出信號介紹 步進電動機的運行需要有電子裝置進行驅動,這種裝置就是步進電動機驅動器。控制系統每發出一個脈沖信號,通過驅動器就使得步進電動機旋轉一個步距角,也就是說,它把控制系統發出的脈沖信號轉化為步進電動機的角位移。因此,步進電動機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。 所有型號驅動器的輸入信號都相同,它們是步進脈沖信號cp、方向電平信號dir、脫機信號free(此端為低電平有效時,電動機處于無轉矩狀態;此端為高電平或懸空不接時,此功能無效,電動機可以正常運行)。它們在驅動器內部的接口電路都相同

44、如圖3-10所示。該立體倉庫中,由于提供的電平為24v,而輸入部分的電平為5v,所以需要外部另加1.8k的限流電阻。 圖3-10 輸入輸出接口電路 (2)步進電動機驅動器選擇 我們這里采用sh系列的步進電機驅動器,它主要由電源輸入部分、信號輸入部分、信號輸出部分組成。 (3)步進電動機驅動器細分數和電動機電流設定 sh系列驅動器是靠驅動器上的撥位開關來設定細分數的,只需根據面板上的提示進行設定即可。對于兩相步進電動機,細分后電動機的步距角等于電動機整步步距角除以細分數。細分后完全消除了電動機的低頻振蕩,而且提高了電動機的輸出轉矩和電動機的分辨率。所以,采用細分驅動器只要改變細分數,就能改變步距

45、角。 (4)步進電動機驅動器電源接口 對于超小型驅動器,采用一組dc 2440v供電。因為plc需要采用開關式穩壓電源供電,所以該立體倉庫中應該選用開關式穩壓電源。 (5)步進電動機驅動器選型 我采用sh系列步進電動機驅動器,型號為sh-2h057。主要由電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分組成。sh-2h057步進電動機驅動器采用鑄鋁結構,此種結構主要用于小功率驅動器,這種結構為封閉的超小型結構,本身不帶風機,其外殼即為散熱體,所以使用時要將其固定在較厚、較大的金屬板上或較厚的機柜內,接觸面之間要涂上導熱硅脂,在其旁邊加一個風機也是一種較好的散熱辦法。此步進電機驅動器的電氣技術數據為:表3-

46、2 步進電機驅動器的電氣技術數據驅動器型號 ? 相數 ? 類別細分數通過撥位開關設定 最大相電流開關設定 工作電源sh-2h057二相或四相混合式二相八拍 3.0a 一組直流dc24v-40v (6)步進電機驅動器接線示意圖見圖3-11 圖3-11 步進電機驅動器接線示意圖 3.5傳感器的選擇 在該立體倉庫中采用歐姆龍ee-spy402凹槽型、反射型接插件式傳感器作貨物檢測,它是日本歐姆龍公司的產品,采用能抗周圍外來光干擾的變調光式;采用變調光式,與直流光式比,不易受外來光干擾的影響;電源電壓為dc5-24v的大量程電壓輸出型;帶有容易調整的光軸標識;帶有便于調整,動作確認的入光顯示燈;反射式

47、傳感器的時間圖和輸出回路圖如圖3-12所示。 圖3-12 反射式傳感器的時間圖和輸出回路圖 它有三根連接線紅、藍、黑,紅色接電源的正極、黑色接電源的負極、藍色為輸出信號,當與擋塊接近時輸出電平為低電平,否則為高電平。需要注意檢測距離不要離傳感器太近,否則傳感器不能動作;連接是采用接插件方式,千萬不要對端子讀出頭進行焊接。此傳感器的電氣技術數據為: 表3-3傳感器的電氣技術數據 型號 ee-spy402 形 狀 立式 檢測方式 反射型 檢測距離 5mm反射率90? 1515mm 應差距離 0.2mm檢測距離3mm,橫方向 光源發光波長 gaas紅外發光二級管940nm 顯示燈 入光時燈亮?紅 電

48、源電壓 dc524v10? 脈動p-p5?以下 消耗電流 平均值15ma以上50ma以下 控制輸出 npn電壓輸出 負載電源電壓dc524v 負載電流80ma以下 殘留電壓1.0以下負載電流80ma時? 殘留電壓0.4以下負載電流10ma時? 應答頻率 100hz 使用環境照度 受光面照度 白熾燈 太陽光:各3,000以下 環境溫度 動作時:-10+55c 保存時-25+65 c 不 結 冰 環境濕度 動作時:585?rh 保存時-595?rh 不結露 耐久振動 1055hz 上下振幅1.5mm xyz各方向2h 耐久沖擊 x、y、z各方向三次 保護構造 iec規格 ip50 連接方式 接插件

49、式 不可進行軟釬焊 質量 約2.6 g 外殼材質 聚碳酸酯pc3.6微動開關的選擇 在該立體倉庫控制系統中共有13個倉位(四層十二個倉位加0號倉位)分別采用13只微動開關作為貨物檢測,當有貨物時相應開關動作,其信號對應plc的輸入點是i22-i36;另外為保險起見,在x軸的左限位和y軸的下限位處還分別加裝了1只微動開關作限位保護,以確保立體倉庫在程序出錯時不損壞;微動開關原理圖如圖3-13所示。 圖3-13 微動開關原理圖3.7并聯型開關穩壓電源 并聯式開關穩壓電源的輸出功率大、體積小、重量輕、可靠性高、適應變動寬范圍的輸入電壓,具有完備的過電壓過電流保護功能,內置輸入emi濾波器,具有較高的抗干擾能力。 在該立體倉庫控制系統中,考慮到plc和步進電動機驅動器都要求dc24v電源,綜合考慮系統的用電量、系統運行的可靠性和系統設計的規整性,我們選用并聯式開關穩壓電源。3.8 plc輸入輸出分配表 根據系統的要求,系統的i/o分配見下表所示 表3-4 plc輸入輸出分配表i0啟 動i24檢驗2號倉庫q0前進i1手動/自動i25檢驗3號倉庫q1后 退i2取 出i26檢驗4號倉庫q2向 上i3送 進i27檢驗5號倉庫q3向 下i4取 消i30檢驗6號倉庫q4送 進i5急