智能堆垛机控制系统的设计报告

1、©I靠讽跋嗦大埠LIMING VOCATIONAL UNIVERSITY毕业设计报告3设计题目:智能堆垛机的设计设计作者：苏标霖专业班级/学号：0906020141合作者1:XXX专业班级/学号:xxx合作者2:XXX专业班级/学号:xxx指导教师： XXX设计时间： 2011年12月5日2012年2月10号目录1引言12设计任务及要求22.1设计任务22.2设计要求23 系统总体设计23.1机械手控制系统结构说明 23.2堆垛机设计方案框图34 软、硕件设计44.1系统硬件设计44.1.1系统硬件原理图及工作原理说明44.1.2 气动控制系统认知 54.1.3气动控制回路分析及连接

2、 64.1.4 步进电动机认知及应用 74.1.5 S7-200 控制系统设计 84.2系统软件设计94.2.1程序通信参数选择 94.2.2软件系统总流程图及设计思路说明95 安装与调试135.1安装调试过程135.1.1立体存储单元结构与功能分析 135.1.2立体存储单元机械及气动元件安装与调整 145.1.3立体存储单元气动回路分析、安装与调试 155.1.4步进电动机的使用 165.1.5 立体存储单元电气系统分析、安装与调试 245.1.6立体存储单元控制程序设计与调试 275.2故障分析346结论357使用仪器设备清单358 收获、体会和建议369 参考文献3610附录36附录一

3、：人机界面的四个界面 36附录二：各功能模块的程序注释及符号说明 38附录三：I/O 口符号表说明 45附录四:25个存储仓的脉冲分配表 46附录四：立体存储站在柔性生产线中的位置实图 471引言立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。自 上世纪60年代以来，美、日、欧等国家和地区设计和投入使用的立体仓库越来越多，立体仓储技术已成为一门新兴的学科。有轨堆垛机是自动化立体仓库的主要作业机 械，担负着出库、进库、盘库等任务，是自动化立体仓库的核心部件。本文以西门子 公司S7-200系列PLC机型为例，研究了堆垛机的定位控制系统。关键词：堆垛机；立体仓库；PLCAbstra

4、ctThe creation and development of stereoscopic warehouse is the requestof modern logistics system development and the result of information technique progress. From last century 60's, more and more nations and regions such as the United States, Japan, Europe began to design and devotion the usag

5、e of stereoscopic warehouse, which have become a newly arisen academics. Stacker is the core part of automation stereoscopic warehouse, which carries on many main missions for the automation stereoscopic warehouse. The development of automation stereoscopic warehouse take the stacker' s developm

6、ent as itmain marking. The most important part of the whole warehouse system is laned type of stacker. The reserch of it ' controlling system has wildly application foreground. This paper took the example of Siemens company' S7-200 series PLC, it reserched the position control system of lane

7、d type of stacker.Key words : Laned type of stacker; Stereoscopic warehouse; manipulator; PLC32设计任务及要求2.1设计任务(设计内容)基丁 PLC控制技术设计一种堆垛机械，堆垛机械能完成三维空间的运动，人工 可以操作堆垛机搬运货物，堆垛机能按设定程序自动搬运货物。2.2设计要求(技术指标)(1) 堆垛机三维运动均可手动控制。(2) 用人机界面设计堆垛机控制面板。(3) 堆垛机的三维运动速度可调，并能指示工作速度等级。(4) 程序自动控制堆垛机搬运货物。(5) 撰写设计报告。3系统总体设计3.1立体仓

8、库的电气接线分析机械手主要用丁搬动或者装卸货物的重复动作，动力来源丁气压系统。在机械 手控制选用PLC其原因安全可靠。机械手控制分为手动单步、回原点、选格移动、 单货源自动、五货源自动五大部分。手动控制与自动控制运用转换开关进行切换， 切换后按照以前步骤继续执行。通过 PLC输出驱动中问继电器或步进电机驱动器， 或接通电磁阀。立体存储单元主要组成有：步进驱动模块、丝杆驱动模块、工件推出装置、立 体仓库、电气控制板、操作面板、I/O转接端口模块、CP阀岛、气源处理装置等。 具体结构组成可参考“ 5.1安装调试过程”。如图3-1所示为立体存储单元的I/O接线原理图，基本的电磁阀和传感器等的 接线。

9、当PLC中的I/O接口被接通时，PLC上相应的端口指示灯将会亮起，转接端 口上的指示灯也会亮起。在分析立体仓库的电气的接线图时，可以接线工艺图纸， 同时控制堆垛机进行所有的操作，通过观察指示灯的变化判断立体仓储的接线。经 过分析发现在本程序设计中需要知道在 PLC与机床的接线中：与I0.0相接的是X 轴运动方向限位探头、与I0.1相接的是Y轴运动方向限位探头、与 Q0.0相连的是 X轴电机脉冲CP锹、与Q0.1相连的是Y轴电机脉冲CP破、与Q0.2相连的是X轴步进驱动器方向DIR瑚、与Q0.3相连的是X轴步进驱动器方向DIR+端、与Q0.4 相连的是直线气缸电磁阀 Y1。通过对立体仓库的电气的

10、接线图的分析，我们就可以知道在程序中：I0.0将控制X轴的归零光电信号、I0.1将控制Y轴的归零光电信号、Q0.0将控制X轴电机的 步进脉冲、Q0.1将控制Y轴电机的步进脉冲、Q0.2将控制X轴电机的步进方向、Q0.3 将控制Y轴电机的步进方向、Q0.4将控制推料气缸的伸出/缩回。+24VXW电机脉冲方向DIR*动器 方向 口I将伸出备用指示灯备用开复始位外都 电源"1L+位土。曲成1 幻如,斜。0.土枸也 S|W-6QtkT| 尊之 L+叫QI, L|m3|Q1.3QL-司皿一 6便1.字|S7-20Q-CPU 226 CN DC/DC/DCm |m.o|无世队 n|i”5|iol

11、 w|m?|ir.Mil i|il. z|n一mhi.41 瓦 |ils|ii-引口一 t|以一 o|in £打2, s|冀”|i色 s|i£-6|说，m ：l+CV阳位拂回伸出限位备用W开位骑 蝶手动 自动 W.早站联网切很停止技沮上电信目用卜 L. Il'' 出直淞f；v方向宜践推门图3-1 立体存储单元PLC I/O接线原理图3.2堆垛机设计方案框图4软、硬件设计4.1系统硬件设计4.1.1系统硬件原理图及工作原理说明立体存储单元用丁接收前一单元送来的工件，按照预定的工件信息而自动运送至相应指定的仓位口，并将工件推入立体仓库完成工件的存储功能。在典型的

12、自动 化生产线中，立体存储单元在生产流水线中作为最后一单元，模拟工业自动化生产 过程中物件的分类存储功能，如图4-1所示为立体存储单元的整体结构。立体存储单 元主要由直线驱动模块、工件推料装置、立体仓库、I/O转接端口模块、电气控制板、 操作面板、CFW岛及气源处理装置等部件组成。具体可参考“5.1.1立体存储单元结构与功能分析”。图4-1立体存储单元如图4-2所示，就像自动生产线一样，智能堆垛机系统的最大特点在丁它的综 合性和系统性。技术的综合性是将机械技术、气动技术、传感检测技术、电机驱动 技术、PLC技术、网络通信技术以及人机界面技术等多种技术的有机结合，并综合 应用到整个自动化生产线上

13、。技术的系统性指的是自动化生产线的传感检测、传输 与处理、分析与控制、驱动与执行等部件在微处理单元的控制下协调有序地工作， 并通过一定的辅助设备构成一个完整的机电一体化系统，自动地完成预定的全部生 产任务。PLC技术图4-2自动化生产技术特点4.1.2气动控制系统认知图4-3简单的气动控制系统图4-4 静音气泵图4-3为一简单的气动控制系统构成图，该控制系统由静音气泵、气动二联件、 气缸、电磁阀、检测元件和控制器等组成，能实现气缸的伸缩运动控制。气动控制 系统是以压缩空气为工作介质，在控制元件的控制和辅助元件的配合下，通过执行 元件把空气的压缩能转换为机械能，从而完成气缸直线或回转运动并对外做

14、功。一个完整的气动控制系统基本由气压发生装置（气源装置）、执行元件、控制元 件、辅助元件、检测元件以及控制器等六个部分组成，如图 4-5所示。气压发生器检测装置）口 控制器匚控制XI件-执打元件图4-5 气动控制系统基本组成图4-3中静音气泵为压缩空气发生装置，其包括空气压缩机、压力开关、过载安全保护器、储气罐、压力表、过滤减压阀及气源开关等部件，如图 4-4所示。气 泵是用来产生具有足够压力和流量的压缩空气并将其净化、处理及存储的一套装置， 气泵的输出压力可通过其上的过滤减压阀进行调节。4.1.3气动控制回路分析及连接图4-6所示为图4-4气动控制系统的原理图。从图可知，执行元件为双作用气缸

15、，控制元件为两位五通的单电控电磁阀，气动系统借助检测及辅助元件装置，在 控制器的控制下实现气缸的伸缩运动。图4-6气动控制回路原理图37在气动控制回路中，由丁电磁阀为单电控，所以电磁阀未通电时，阀工作丁右 位复位状态，气路走向如图4-7左图所示，此时在气压力作用下，气缶工活塞左移， 气缸杆缩回。当电磁阀的电磁线圈通电时，阀工作位丁左位工作状态，气路走向如 图4-7右图所示，此时在气压力作用下，气缶工活塞右移，气缶工杆伸出。依据图4-6气动控制系统的原理图，并结合气动回路的运行过程要求，绘制出 对应的气动控制回路安装连接图，如图 4-8所示。在绘制安装连接图时，要求各元 件之间的位置布局合理，管

16、路连接无交义，整体的效果美观。图4-7气动控制回路运行图图4-8气动控制回路安装连接图依据图4-8所示气动控制回路的安装连接图，分别将气泵、过滤减压阀、电磁 阀及直线气缸上的快速连接头用气管进行连接，随时检查气路的可靠牢固性。然后 接通气源，用手控旋钮进行调试，检查气缸动作情况。4.1.4 步进电动机认知及应用步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一 个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步距角）。根据步进电动机的工作原理，步进电动机工作时需要满足一定相序的较大电流的脉冲 信号，生产装备中使用的步进电机都配备有专门的步进电机驱动装置，来直接控

17、制 与驱动步进电机的运转工作。现在比较常用的步进电机分为永磁式（PM、反应式（VR 和混合式（H日三种。如图4-9所示为各种步进电动机及驱动装置的实物图。图4-9 步进电动机及驱动装置步进电动机受脉冲的控制，其转子的角位移量和转速与输入脉冲的数量和脉冲 频率成正比，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的，同时 也可以通过控制脉冲频率控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步 进电动机的运行特性还与其线圈绕组的相数和通电运行方式有关。在实际应用中，首先按照步进电机和驱动器装置具体对应的电气接口关系连接 好硬件线路，其次根据需要设置好驱动器装置上步距角细分选择与电流设置开关

18、， 接着控制器只需要提供一组控制步进电动机转速和方向的mV®量级功率的可调脉冲序列就可驱动电动机工作。步进电动机由丁结构简单、价格便宜、精度较高以及使用方便等优点，在计算 机的数字开环控制系统中应用广泛，例如数控机床、印刷设备、打印机、自动记录 仪等都有应用。虽然步进电动机也有一些弱点，一是用得不好有可能失步，二是控 制精度相对较低，而且运动中无法确定运动部件的准确位置，一般可满足对丁工作 精度要求不高的领域。4.1.5 S7-200 控制系统设计PLC的I/O 口分配可参照图3-1立体存储单元PLC I/O接线原理图堆垛机的手动控制工作流程堆垛机的自动控制工作流程4.2系统软件设计

19、4.2.1程序通信参数选择(设置)如图4-10，通信参数的设置必须符合 PLC型号要求，并且与触摸屏的通信设置相同，以便与触摸屏通信实现人机对话ft审事；如果区币望拳件检查 心 的徉3抠:厄图孝数格疡rapuc 芟型 |cpu zzxr ckCTU 藏零 |M?0i倾-破：nr本 HL侄 IS |站彗数- 地址如:*aw:援口：HHS：楔瓦：垒商站埋址=9 ' 10-颇2 3PC" cabas倾 iPR11位图4-10通信参数设置4.2.2软件系统总流程图及设计思路说明(1) PLC部分说明：先从机械手的部分功能开始实现，第一步通过程序将Q0.4置0或置1尝试实现机械手的伸缩

20、。在设计有了开端之后我就开始在pls指令中设定步进电机工作的初始速度，并通过对 Q0.2或Q0.3置0或置1实现机械手手动控 制步进升降和左右移动。接着调整高速脉冲输出的脉冲数值，控制Y轴步进电机走一步8400个脉冲，X轴步进电机走一步8600个脉冲，因为我们选择的步进电机细 分档次为800个脉冲转一圈，步进电机转动一圈的距离为4mm,而存储仓的宽度为 42mm，高度为43mm,这样电机走一步刚好使机械臂移动一格。为了防止工作过程 发生事故，使用底部限位开关前面的金届探测器I0.0和I0.1做为第一限位点，当机械臂移至该点时就停止前进，避免了电机驱动器的电源被底部限位开关切断。限位 的方式是在

21、手动控制中，当出现误操作触及其中一个金届探头时，控制步进电机转 向的Q0.2或Q0.3将被置1,使机械臂向左或向上移回来时的位置。部分功能实现 之后将机械手升降、左右移和伸缩的程序整合到一起，实现堆垛机的机械手三维空 间的运动。之后我乂给程序设置加速和减速按键，同时设置了一个速度复位键，在 初始速度的基础上增加两个快速档和两个慢速档，并设置了每个速度等级的指示灯 输出地址。从而实现堆垛机的三维运动的速度的可调性，并能指示工作速度等级。考虑到机械臂在停工的时候需要有指定的起始位置，我乂编写了 “机械臂复位到底 线子程序”，在主程序中通过“机械臂复位按键”来调用该子程序，实现机械臂复 位到左下角的

22、起始位置。立体存储站的存储仓是按平面二维布局的 25个方格，我乂 编写了 “移动到第1格”至“移动到第25格”的子程序，在主程序中设置“往第1 格移动”至“往第25格移动”的按键。实现手动控制之后，在系统中加入自动控制 切换开关，在自动控制程序中用定时器设定了机械手伸出加紧或放置货物的时间为 2秒，缩回机械手的时间为1秒。程序编写了两种自动控制模式，“单货源搬运模 式”和“五货源搬运模式”，并在自动控制程序中加入机械臂25个位置指示灯的输出地址。最后用威纶通的触摸屏编写了相应的手动控制和自动控制的人机界面，经 过不断的改善让控制面板示意活晰明了易操作。在进行PLC控制系统软件设计之前，根据控制

23、任务及要求，分析设计出电动机 正反转控制系统的工艺流程。具体的控制工艺流程如“智能堆垛机控制系统流程图” 所示。图4-11是电动机正反转控制工艺流程图的例子。开始正转启动反转启动电机动正转电机动反转到达限位点停止到达限位点停止图4-11电动机正反转控制的工艺流程图智能堆垛机控制系统流程图. 停止键是否按丫 /程序停止运行，勇* 日、W.y i 、_.,一、的复位键是否按下-' 复位到底限起始位置N25个.存储仓的指示灯是否被接通N广羊动控制切换到"、 Y S入自动控制程序3 启动控制.NY根据被接通的指 示灯，相应存储 仓的指示灯亮起在进入自动控制程序后又 未选择控制模式的情

24、况下 操作系统将处在暂停状态苏标霖林生满乐传桃41826YYY设定初始速度恢复到初始速度”是否达到最高速度根据速度等级，相 应速度指示灯亮起N,”移键是否按-下N .W左'移键是否按、.下N上升移键是否诺、.下/:降移键是否按.卜N速度增加一个等级Y1机械臂向右移动一格机械臂向左移动一格机械臂向上移动一格机械臂向下移动一格,一，、五货源搬运模式 了哪种自动控.启动五货源搬运模式制模式单货源搬运模式启动单货源搬运模式*停留在最局速度档*停留在最低速度档机械臂达到最低 位置后停止下降货物-搬运任务是否已 Y经完成 -N I(2)人机界面部分说明：人机界面如附录一，界面上的按键与PLC中设定

25、的按键地 址相同，通过示意活晰明了的控制面板对 PLC程序进行控制，使得操作系统易操作。5安装与调试5.1安装调试过程5.1.1立体存储单元结构与功能分析立体存储单元用丁接收前一单元送来的工件， 按照预定的工件信息而自动运送 至相应指定的仓位口，并将工件推入立体仓库完成工件的存储功能。在该典型的自 动化生产线中，立体存储单元作为最后一单元，模拟工业自动化生产过程中物件的 分类存储功能，如图5-1所示为立体存储单元的整体结构。立体存储单元主要由直 线驱动模块、工件推料装置、立体仓库、I/O转接端口模块、电气控制板、操作面板、 CP阀岛及气源处理装置等部件组成。图5-1立体存储单元直线驱动模块主要

26、由步进电机及驱动器、滚珠丝杠机构和直线导向杆等部件组成，用丁将步进电机的旋转运动转换成滚珠丝杠螺母移动块的直线往复运动，如 图5-2左图所示。立体存储单元中具有 X轴方向和Y轴方向的两套直线驱动模块， 它们相互呈90°垂直安装丁铝合金工作台面上，共同构成一个X-Y平面运动系统， 如图5-2右图所示。在该两套直线驱动模块装置上均设有一个工作零点，安装有电感式接近开关进行零点位置检测， 用丁系统位置校正和参考点设置。同时，在丝杠机构的运动极限位置处均安装有运动行程保护开关，用来防止丝杠螺母移动块过量而产生机械性损坏。图5-2直线驱动模块工件推出装置由一个双作用直线气缸、推块和一个接收工件

27、的工作平台（推块 导槽）组成。整体安装固定在Y轴丝杠螺母移动块的侧面上随着其在 X-Y平面移动, 主要功能是将放置在推块导槽的工件，通过直线气缸推动推块将工件推进对应存储库位内，如图5-3所示。同样，为了保证推出装置的准确动作，其上安装有磁性开 关进行限位检测。图5-3 工件推出装置图5-4立体仓库立体仓库是一个由4行4列共16个方格组成的镂空存储铁架，每个方格之间距 离分别为40 mm用丁分类存放不同的工件。立体仓库垂直安装在直线驱动模块X-Y运动平面的一侧，用丁接收工件推料装置送出的工件，如图5-4所示。立体存储单元上除了具有以上介绍的组成模块外，同样也配备有电磁阀、I/O转接端口模块、电

28、气控制板以及操作面板等组件，他们的结构和功能都和搬运单元 上的一样，在此不再详述。5.1.2立体存储单元机械及气动元件安装与调整立体存储单元的X-Y轴运动部分通过步进电机驱动运行，在 Z轴直线气缸工作 配合下完成整个立体存储运行过程。下面进行具体的机械及气动元件安装与调整步 骤介绍。立体存储单元详细的机械及气动元件安装过程可观看教材附带光盘中视频 文件。1、在标准导轨上依次安装I/O转接端口模块、步进电机驱动器、电磁阀。然后 将导轨用螺钉固定到铝合金面板下方位置上，在面板的右上角安装气源处理装置。2、独立进行X轴方向上的直线驱动模块安装，如图 5-5 (a)图所示。首先在丝 杠上依次装入丝杠固

29、定机端、轴承、丝杠轴套，使丝杠固定块机端不动，将丝杠旋出；其次在丝杠旋出端安装上联轴器，再套入步进电动机固定块，电动机输出转轴 配合安装到联轴器另一端，并用螺钉将电动机固定块连接紧固到步进电动机上；再 将丝杠固定机端退回到紧贴电动机固定块位置，用螺杆将固定机端与电动机固定块 锁紧连接，将丝杆驱动导向杆两端分别安装在丝杠两端固定块机端上，在丝杆固定 块上用紧固螺钉锁紧；最后，在两端丝杠固定块下分别安装对称的丝杠垫块用螺钉 锁紧。特别需要注意，丝杠和导向杆在安装到固定块机端时，要随时检测丝杠是否 保持转动运行流畅。3、当独立安装好X轴向直线驱动模块后，在铝合金台面的中间偏下的位置上，借助两端的丝杠

30、垫块用螺杆和 T型螺母将其水平安装到工作台面上，如图 5-5 (b) 图所示。安装时尽量保证丝杠的螺母滑动块行程范围左右对称。4、Y轴方向上驱动装置独立安装方式与 X轴方向的驱动装置是相同的，但它不需要安装丝杠垫块。将直线气缸安装到推料导槽上，工件推块安装到直线气缸的活 塞杆上，用螺钉锁紧工件推料导槽安装到导槽底板上，最后将其整体安装定位到Y轴丝杠装置的螺母滑动块的侧面上，如图 5-5 (c)图所示。然后将Y轴方向上驱动 装置垂直定位到X轴方向驱动装置的螺母滑动块上，Y轴丝杠的下固定机端与X轴 丝杠的螺母滑动块之间通过螺钉锁紧连接一体。对丁 X、Y轴驱动装置进行配合安装 时，必须保证二者的垂直

31、度，且必须锁紧。5、根据X、Y轴方向驱动装置的位置，在面板上相对位置安装立体仓库，以立 体仓库安装的位置不与驱动装置 X-Y平面运动发生干涉为宜，如图5-5 (d)所示 但要注意，必须保证立体仓库所有的仓位位丁工件推料装置能达到的范围之内。6、根据各运动机构之间的运动空间要求，局部调整各模块的相对位置，保证各 模块安装稳固，防止发生干涉，再进行加固处理。最后，在单元设备上相应安装上 气缸节流阀、磁感应式接近开关、电感式接近开关及行程保护开关等。(c)(d)图5-5立体存储单元的安装示意图5.1.3立体存储单元气动回路分析、安装与调试如图5-6所示为立体存储单元气动控制回路原理图。在本原理图中只

32、有一个控 制直线气缸活塞杆伸出气动控制回路o图5-6立体存储单元气动控制回路原理图图5-7立体存储单元气动控制回路安装连接图根据图5-6立体存储单元气动控制回路原理图，结合气路回路的运行控制过程 要求，绘制其相应的气路连接图，如图5-6所示。立体存储单元的气动控制回路的运行分析、安装连接、调试方法及步骤与前面单元中介绍的一样。读者可以根据图 5-6原理图和图5-7安装连接图，再参照前面 单元的相关内容自己分步实施，完成本单元的气动控制回路安装与调试任务，保证 其满足设备需要而正确可靠工作。5.1.4步进电动机的使用步进电机运行受脉冲控制，其转子的角位移和转速严格与输入脉冲的数量和脉 冲频率成正

33、比，可以通过控制脉冲频率来控制电动机的转速，改变通电脉冲的顺序 来控制步进电机的运动方向。因此，在计算机控制领域中步进电动机应用极为普遍。立体存储单元直线驱动模块的 X、Y轴运行采用Microtep 17HS101两相混合式步 进电动机进行驱动，其步距角为 1.8°，输出相电流为1.7A，驱动电压为DC 24M 该步进电动机的内部接线示意图和实物具体如图 5-8所示。图5-8 Microtep 17HS101 步进电动机由丁步进电动机的控制指令是不能形成连续的旋转磁场，为了使步进电动机能 够旋转并步进，就要形成连续旋转磁场，这必须依靠变换器即环形脉冲分配器来实 现。环形分配器把来自加

34、、减电路的一系列进给脉冲指令转换成控制步进电动机定 子绕组通、断电的电平信号。电平信号状态的改变次数及顺序要与进给脉冲的个数 和方向对应。由丁环形分配器输出的信号仅仅是步进电机要产生期望角位移的数字 逻辑控制信号，一般是TTL输出电平，只有mV®量级的功率，这样就需要经过功率 放大后，再接到步进电动机相应的相上，才能带动步进电动机正常转动。大部分的 步进电动机的控制都倾向采用硬件环形脉冲分配器，因此硬件环形脉冲分配器往往 与功率放大器集成在二起，构成步进电动机的驱动装置。一立体存储单元中采用SH-2H040M来控制驱动Microtep 17HS101步进电动机运 行。该步进电动机驱动

35、器集硬件环形脉冲分配器与功率放大器丁一起，为2/4相混合型步进电机驱动器，可以与之配套电机还有17HS001 17HS111和23HS2001等。驱动器实物如图3-89左图所示，在驱动器上有1个4位的拨位开关(DIP1DIP4), 通过DIP1和DIP2不同设置组合(00、01、10)分别选择对应工作步距角为 0.9 °、 0.45°、0.225°。同时在驱动器上还有1个10位接口的接线端口接线排，分别用 丁与控制器和步进电动机进行连接。该步进电机驱动器工作电流输出为1.7A,工作电压为DC24、图5-9 SH-2H040Ma驱动器与步进电动机接线原理如图5-9右

36、图所示为步进电动机17HS101与其配套驱动器SH-2H040Ma勺电气接线原理图。将步进电动机相应相的接线端子连接到步进电动机驱动器对应端子上即 可。具体连接时，将步进电动机引出的接线红线、绿线、黄线、蓝线的接线分别对 应连接到步进电动机驱动器的 A、A负、B、B负连接端子上。图中CP% CP-为脉冲 信号，脉冲的数量、频率和步进电动机的位移、速度成正比例；DIR+ffi DIR-为方向信号，它的高低电平决定电动机的旋转方向。另外，驱动器的CP+ DIR+两端口引出接线上均申上一个2K的电阻，当驱动器与控制器PLC之间建立电气连接时，该电 阻就会申联在CP心CP-、DIR+和DIR-两个电气

37、回路中进行回路电流的限流保护作 用。同时驱动器要工作，其上需要连接上 24V的直流工作电源。由此可以看出步进 电动机接收控制器的低压低功耗控制信号，为步进电动机输出两相脉冲功率电源。如前所述，驱动器的侧面上有一个 4位DIP功能设定开关，可以用来设置选择 本驱动器的工作方式和工作参数。DIP1、DIP 1位置状态决定驱动器的细分步数，本 步进电动机驱动器细分设置如表 5-1所示。表5-1细分设置表DIP 1DIP2（步/转）角度/步004000.9 °018000.45 °1016000.225 °下面以该步进电动机控制直线驱动模块移动一个仓位间距40m讷例，给出

38、了一种具体的测试操作步骤和控制实现方法。1、按照图5-9完成步进电动机与驱动器之间的所有电气连接关系，同时将 CP+ 申电阻后与PLC的Q0.。端口相连，DIR伸电阻后与PLC的Q0.2端口相连，而CP-、 DIR-均与PLC输出端口公共端1M相连接。2、设置步进电动机驱动器上拨码开关，使 DIP1为0, DIP2为1, DIP3、DIP4 为都1的状态，即每转的细分步数为 800步/转，输出电流为1.7A。3、 根据运动距离和设置情况计算控制脉冲数量。本单元中滚珠丝杠的螺距为4mm, 步进电动机每工作一转，螺母移动块运行4mm而上步中驱动器细分选择为800步/ 转，因此每步移动块移动的距离为

39、 0.005mm如果要移动一个仓位40mm勺间距，需 要的脉冲数为40/0.005=8000。4、进行S7-200 PLC的脉冲输出及位置控制程序编写与下载，让 PLC的Q0.0输 出端口提供给步进电动机驱动器 8000个脉冲信号即可。在以上的四步中，前面三步都比较简单，但是第四步中进行S7-200 PLC的脉冲输出及位置控制程序编写却比较麻烦。要顺利地编写出正确的脉冲输出及位置控制 程序必须先要学习了解PLC中脉冲输出及位置控制的相关内容，再进行步进电动机 运行控制程序的编程。S7-200 PLC内置有两个PTO/PW谶生器，用丁建立高速脉冲申（PTQ或脉宽调 节（PWM信号波形。这两个发生

40、器分别指定给输出点 Q0.0和Q0.1。当Q0.0或Q0.1 设定为PTO或PW能时，其他操作均失效，不使用 PTO或PWM：生器时，贝U作为 普通端子使用。通常在启动 PTO或PW嗷作之前，用复位指令R将Q0.0或Q0.1活 零。当Q0.0或Q0.1组态一个输出为PTC操作时，生成一个50咐空比脉冲申用丁步 进电机或伺服电动机的速度和位置的开环控制。内置 PTO功能提供脉冲申输出，脉 冲周期与数量可更改。但是实际控制电动机时，应用程序还必须通过 PLC内置I/O 提供电动机运行方向和限位控制，确保电动机控制安全有效。STEP7-Micro/WIN提供的位置控制向导可以帮助用户在很短的时间内全

41、部完成 PWMPTOIE位控模块的组态。向导可以生成位置指令，用户可以利用这些指令在其 应用程序中为速度和位置提供动态控制。开环位控用丁步进电动机的基本信息借助位置控制向导组态PTO俞出时，需要用户提供一些基本信息，相关介绍如下。1、最大速度（MAX_SPEE讶日启动/停止速度（SS_SPEEDMAX_SPEED指允许的操作速度的最大值，它应在电动机转矩能力的范围之内。 驱动负载而需的力矩由摩擦力、惯性以及加速 /减速时间决定。SS_SPEED数值应满足电动机在低速时驱动负载的能力，若SS_SPEED数值过 高，电机会在启动时丢失脉冲，并且负载在试图停止时会使电动机超速；若SS_SPEED 的

42、数值过低，电动机和负载在运动的开始和结束时可能会摇摆或颔动。图3-90为最大速度和启动/停止速度示意图，通常 SS_SPEED是MAX_SPEED 的5吩15%图5-10最大速度和启动/停止速度*图5-11加速和减速时间2、加速和减速时间加速时间ACCEL_TIME指电动机从SS_SPEED度加速到MAX_SPEED度所需 的时间。减速时间DECEL_TIM崖指电动机瓜MAX_SPEED度减速到SS_SPEE速度 所需的时间。如图5-11所示为加速和减速时间示意图， 加速时间和减速时间的缺省设置都是 1000毫秒。电动机可在小丁 1000毫秒的时间内工作，但是电动机的加速和减速时 间通常要经过

43、测试来确定。测试时，最先输入一个较大的值，然后逐渐减少这个时 间值直到电动机开始失速，从而优化应用中的这些参数设置。3、移动包络一个包络是一个预先定义的移动描述，它包括一个或多个速度，影响着从起点 到终点的移动。一个包络由多段组成，每段包含一个达到目标速度的加速/减速过程 和以目标速度匀速运行的一申固定数量的脉冲。位置控制向导提供移动包络定义界面，应用程序所需的每一个移动包络均可在 此界面中定义，而且PTO支持最大达100个包络。定义一个包络包括以下几点：1） 选择包络的操作模式；2）为包络的各步定义指标；3）为包络定义一个符号名。1）选择包络的操作模式PTO支持相对位置和单一速度的连续旋转这

44、两种操作模式，如图5-12所示。相对位置模式是指运动的终点位置是从起点侧开始计算的脉冲数量。单一速度连续转 动不需要提供终点位置，PTO-直持续输出脉冲，直到有其它命令发出，比如到达 位置原点要求停发脉冲，才停止脉冲输出。图5-12包络的操作模式2）包络中的步一个步是指运动的一个固定距离，包括加速和减速时间内的距离。PTW每一包 络最大允许29个步，且每一步包括目标速度和结束位置或脉冲数目等几个指标。 步 的数目与包络中常速段的数目一致，如图 5-13所示为一步、两步包络示意图。二侦可藉图5-13 包络的步数STEP7-Micro/WIN软件的位置控制向导能自动处理 PTO脉冲的单段管线和多段

45、 管线、脉宽调制、SMB置配置和创建包络表。下面阐述如何使用位置控制向导编程 实现前面所要求的步进电动机位置控制。1、在STEP7-Micro/WIN软件的命令菜单中选择“工具” t “位置控制向导”命 令，向导就开始引导位置控制配置。在弹出的位置控制向导界面，选择配置S7-200PLC内置PTO/PWM作，如图5-14所示。EM 253此月M再峭在宝园尊厚E慌框顼Qjwrv * 土4U归倒嵯蛙WS建皿<虬弦 BMHiJLirEirflbHtttBB. «*? crv Mt, Jt-im rir tjShhkM> 率F iin E.< m T j.rj Fl? B7

46、toM|HK陞g明im，虹 u 岬岫# n h 禳U 210 fE R曲洋M图5-14位置控制向导启动界面2、单击“下一步”按钮，出现选择脉冲发生器的选项，如图 5-15所示。在前 面的硬件电路连接中CP4丁 Q0.0连接，因此选择Q0.0作为脉冲发生器。然后再选择下一步祕昨站戏翟酷*耗繇矛.* * *5专匪曜哈如翌列tgmg，"皿皿明日球3*心1PTO/PWM'JtT I 上一*、I *图5-15选择脉冲发生器3、在出现的选择PTO或PW哪面中，选择“线性脉冲输出（PTO ”，如图3-96 所示。图5-16 组态内置PTC操作选择界面4、单击“下一步”按钮后，接下来界面是设

47、定电动机速度参数，包括前面所述 的最高电动机速度 MAX_SPEEzD电动机启动/停止速度SS_SPEED在对应的编辑框 中输入这些数值。输入最高电机速度“100000”，把电机启动/停止速度设定为“5000”,如图5-17所示。MIN_SPEEK值不用设置，系统会计算自动产生，完成后单击“下一止力少 0触gtB*辱U*M_SPK«U的新值在姑祜时靖中可k.ir定的偶至咬4 lEH rfSBJ! > cW/*毗的昼却,矩止itSHH ST£E&>|TOJ日*上I MjmS&$ Am/J m|n_SFECDPTO/PWM图5-17设定电动机速度参数

48、5、进入加速和减速时间设置界面，如图 5-18所示。加速时间ACCEL_TIME减 速时间DECEL_TIM吩别为默认的1000 ( m§ ,但是可以根据实际要求进行修改调 整。到此完成位珞控制向导提供基本信息的工作。单击“下一步”，开始配置运动 包络定义界面。图5-18加速和减速时间设置6、在运动包络定义的界面中，选择包络的操作模式为“相对位置”，输入目标 速度和结束位置的脉冲数目，然后点击确认。注意目标速度不能超过之前设置的电 动机的最高转速，结束位置的脉冲数就是上面第三步中计算的位移脉冲数量。在上面计算出运动一个仓位的距离需要 8000个脉冲，因此在操作模式选项中选 择相对位置

49、控制，填写包络0中数据目标速度“ 8000”，结束位置“ 8000”，点击 “绘制包络”，即可绘制出运动包络图，如图 3-99所示。注意，这个包络只有1 步，包络的符号名按默认定义为 Profile_0 ,用户也可以在包络定义符号名窗口中 直接修改成自己确定的包络符号名。图5-19设置运动包络7、运动包络编写完成之后，单击“确认”按钮，向导会要求为运动包络指定V存储区地址（建议地址为 VBSVB69 ,可默认这一建议，也可自行键入一个合适 的地址。图5-20所示是指定V存储区首地址为VB0时的界面，向导会自动计算地址 的范围。f 知 IPTO/PWM图5-20运动包络指定 V存储区地址8、单击

50、“下一步”出现图5-21所示的脉冲输出向导界面，界面中提示已生成 的项目组件名录及PTCSE置地址等信息，单击“完成”按钮即可完成整个工作。图5-21生成项目组件提示图 5-22 3个项目组件运动包络组态完成后，向导会为所选的配置生成三个项目组件（子程序），分 别是：PTO0_CTRL程序（控制）、PTO0_RUN程序（运行包络）和PTO0_MAN程 序（手动模式）子程序，如图5-22所示，一个由向导产生的子程序就可以在程序中 被调用。下面对三个项目组件的功能作进一步的叙述。1、PTO0_CTRL程序：（控制）启用和初始化 PTOt出。在用户程序中只使用 一次，并且需公确定在每次扫描时得到执行

51、。 即始终使用SM0.0作为EN的输入，如 图5-23所示。图5-23 运行PTO0_CTR审程序 I_STOP （立即停止）输入（BOOIffl）:当此输入为低电平时，PTO*能会正 常工作。当此输入变为高电平时，PTC&即停止脉冲的发出。 D_STOP（减速停止）输入（BOOIffl）:当此输入为低电平时，PTO*能会正 常工作。寻此输入变为高电平时，PTM产生将电动机减速至停止的脉冲申。 Done（完成）输出（BOOIffl）：当完成位被设置为高时，它表明上一个指令已 执行。 Error （错误）参数（BYTE®）:包含本子程序的结果。当完成位为高电平 时，错误字节会报

52、告无错误或有错误代码的正常完成。 C_Pos （DWORD）:如果PTO向导的HSC#数器功能已启用，此参数包含以脉冲数表示的模块当前位置。否则，当前位置将一直为0。2、PTO0_RUN程序（运行包络）：命令PLC执行存储丁配置/包络表的指定包 络中的运动操祁。运行这一子程序的梯形图如图5-24所示。ENSTARTAbmnEmMdRcftter pm11M*. U-Meko-VB3M)-VB«- re图5-24 运行PTO0_RU!T程序 EN位：子程序的使能位。在“完成”（Don©位发出子程序执行已经完成的信号前，应使EN位保持开启。 START参数（BOO职）：包络执行

53、的启动信号。对丁在 STAR族数已开启， 且PTO当前不活动时的每次扫描，此子程序会激活 PTO为了确保仅发送一个命令， 一般用上升沿以脉冲方式开启 STAR彦数。 Abort （终止）命令（BOOL®）:命令为ON寸位控模块停止当前包络，并减 速至电动机停止。 Profile（包络）（BYTE®）:输入为此运动包络指定的编号或符号名。 Done （完成）（BOOLffl）:本子程序执行完成时，输出 ON可用该完成位 来限制PTOx_RUN程序运行。 Error （错误）（BYTE®）:输出本子程序执行结果的错误信息。无错误时 输出0。.C_Profile （BY

54、TES）:输出位控模块当前执行的包络。 C_Step （BYTES）:输出目前正在执行的包络步骤。 C_Pos （DINT型）：如果PTO向导的HSC数器功能已启用，则此参数包含以脉冲数祁为模块的当前位置。否则，当前位置将一直为0。3、PTO0_MAN程序（手动模式）：将PTC®出置丁手动模式。执行这一子程序 允许电动机启话、停止和按不同的速度运行。但当PTO0_MAN程序已启用时，除PTO0-CTR攻卜任何其他PTO子程序都无法执行。运行这一子程序的梯形图如图5-25ax；图5-25 运行PTO0 MAFF程序 RUN（运行/停止）参数：命令PTOtt速至指定速度（Speed （速度）参数）。 从而允许在电动机运行中更改 Speed参数的数值。停用RUN#数命令PTO减速至电 动机停止。当RUhE启用时，Speed参数确定速度。速度是一个用每秒脉冲数计算的DINT（双整数）值。可以在电动机运行中更改此参数。 Error （错误）参数：输出本子程序的执行结果的错误信息，无错误时输出0。 C_Pos （DINT型）：如果PTO向导的HSC数器功能已启用，此参数包含用 脉冲数目*示的模块