基于PLC控制的小型自动化立体仓库设计

1、XX 大学毕业设计 (论文 任务书 课题名称 基于 S7-200 PLC控制的小型自动化立体仓库设计学 院 电气信息学院专业班级 自动化 084班姓 名 XX学 号 089064444毕业设计 (论文 的主要内容及要求 :(1了解自动化立体仓库的组成及基本功能,熟悉 PLC 控制系统设计的一般步 骤。(2结合相关资料设计立体仓库的系统结构图; 本课题所设计的立体仓库具有 以下功能 :1、堆垛机(机械手要有三个自由度,即:前进、后退;上、下;左、右2、堆垛机的运动由步进电机驱动3、堆垛机前进(或后退运动和上(或下运动可同时进行4、堆垛机前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护5、每个仓位必须有检

2、测装置(微动开关 ,当操作有误时发出错误报警信号6、当按完仓位号后,没按入或取前,可以按取消键进行取消该操作7、整个电气控制系统必须设置急停按钮,以防发生意外起止时间:2012 年 2 月 21 日至 2012 年 6 月 5 日共 15 周指 导 教 师 签 字 系 主 任签 字院 长 签 字XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 摘要自动化立体仓库是现代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分 , 是一种多层存 放货物的高架仓库系统, 由自动控制与管理系统、 高位货架、 巷道堆垛机、 自动入库、 自动出库、 计算机管理控制系统以及其他辅助设备组成。 它具有节约用地、 减轻劳动 强度、消除差错

3、、提高仓储自动化水平及管理水平、提高管理和操作人员素质、降低 储运损耗、 有效地减少流动资金的积压、 提高物流效率等诸多优点。 如今我国国民经 济的飞速发展 , 自动化立体仓库必然会在各行各业中得到越来越广泛的应用。本课题的电气控制主要由西门子公司的 PLC 、 步进电机驱动器、 步进电动机、 直 流电动机等器件组成。本文首先对本课题进行简要的介绍,包括背景,研究意义,现 状等;其次对该系统的硬件组成、结构、原理进行了阐述和分析;再次对本系统用到 的器件分别进行介绍,重点对 PLC 程序进行了编写;最后对设计本课题所学到的知 识进行归纳和总结。关键字 :立体仓库 可编程控制器(PLC 西门子

4、S7-200XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 AbstractThe automated warehouse is one of the important parts in modern logistics. It's 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 c

5、ontrol systems, and other auxiliary equipment, it has a land conservation, 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

6、 of liquidity and improve logistics efficiency and many other advantages. Today, with the rapid development of China's 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, direc

7、t current motor other devices. First, a brief introduction to the topic, including 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

8、program; Finally, the knowledge learned and conclusions on the topic are summarized.Keywords : Stereoscopic warehouse Programmable controller Siemens S7-200XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 目 录XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 结论 . 31致谢 . 32参考文献 . 33附录 A 梯形图设计 . 34XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 第 1章 绪论1.1本课题设计的背景立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产

9、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。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(机械部北京起重运输机械研究所 , 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 (

10、高 15米, 机械部起重所负责 , 该库 1980年投入运行。 到 2003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。 本论文主要是基于 PLC 所设计的立体仓库电气控制系统。下面简单阐述 PLC 的 发展背景。 1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司为了适应汽车型号不断更新, 提出把计算机的完备功能、灵活性、通用性好等优点和继电器 -接触器控制系统的简 单易懂、 操作方便、 价格低等优点结合到一起,

11、做成了一种能适应工业环境的通用控 制装置, 并把其编程方法及程序输入方法简化, 使不熟悉计算机的人员也能够快速掌 握其使用技术。根据这一设想,美国数字设备公司于 1969年率先研制出第一台可编 程控制器 (简称 PLC ,并在通用汽车公司的自动装配线上试用获得成功。由于 PLC 的可靠性高,操作简单,可以大大减少设备的维修和停产所造成的经济损失。当前 PLC 已经成为了电气自动化控制系统中应用最为广泛的核心 控制装置。 1985 年国际 电工委员会(IEC 对 PLC 的定义如下:“ 可编程控制器是一种进行数字运算的电子 系统, 是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器, 它采用了可以编程的

12、存储器, 用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令, 并通过数字或模拟式的输入和输出,控制各种类型机械的生产过程 1。 ” 因此,进行 立体仓库的 PLC 控制系统的设计,可以推动机械手行业的发展,扩大 PLC 在自动控 制领域的应用,具有一定的经济和理论研究的价值。1.2 本课题设计内容本设计用西门子 S7-200系列的控制器作为控制核心,实现一个十二仓位的立体 仓库的入库出库功能。 立体仓库主体有底盘、 四层十二仓位库体、 运动机械及电气控 制等四部分组成。电气控制部分由西门子生产的 S7-200型的可编程控制器、步进电 机驱动、各种位置电磁传感器和一些低压

13、电器元件组成。 S7-200型可编程控制器作XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 为控制核心, 采集输入端口信号后完成各种逻辑控制和数据的运算, 然后通过输出端 口完成电机的运动和各种信号的现实。该系统要能够实现手动和自动两种工作模式, 通过键盘可以对设备进行控制。1.3 本课题设计的目的和意义自动化立体仓库在各行各业得到而来广泛的应用,进行 PLC 立体仓库的设计对 于节约土地资源, 节省劳动力方面都有着不可代替的作用。 PLC 作为工业自动化三大 支柱的重要一部分, 因为其可靠性高、 抗干扰能力强、 设计安装容易等特点而被广泛 的应用于自动化控制的各个领域。 PLC 控制系统可以很好的

14、完成立体仓库的控制有助 于其实现自动化。因此,进行立体仓库的 PLC 控制系统的设计,可以推动机械手行 业的发展,扩大 PLC 在自动控制领域的应用,具有一定的经济和理论研究的价值。1.4 小结本章以课题设计为中心,分别介绍了课题设计的背景、内容、目的和意义。立体 仓库发展速度越来越快,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。 PLC 凭借着其可靠性高、 抗干扰能力强、 使用方便、 设计安装容易等特点能很好的完成立 体仓库控制系统的设计。XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 第 2章 . 系统控制方案的确定2

15、.1自动化立体仓库的简介自动化立体仓库是机械和电气、 强电控制和弱电控制相结合的产品。 它主要由货 物储存系统、 货物存取和传送系统、 控制和管理等三大系统所组成。 货物存储系统由 立体货架的货格 (托盘或货箱 组成, 货架按照排、 列、 层组合而成立体仓库储存系统; 货物存取和传送系统承担货物存取、 出入仓库的功能, 它由有轨或无轨堆垛机、 出入 库输送机、 装卸机械等组成; 自动化立体仓库视情况不同采取不同的控制方式:有的 仓库只采取对存取堆垛机、出入库输送机的单台 PLC 控制,机与机无联系;有的仓 库对各单台机械进行联网控制。 更高级的自动化立 体仓库的控制系统采用集中控制、 分离式控

16、制和分布式控制, 即由管理计算机、 中央控制计算机和堆垛机、 出入库输送 等直接控制的可编程序控制器组成控制系统。2.2 立体仓库系统的功能 承承承承承承承承承承承承承承承承承承承承PLC承承承承承承承承承承图 2-1 立体仓库模型图XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 在此设计的立体仓库需要满足一下功能:(1堆垛机(机械手要有三个自由度,即:前进、后退;上、下;左、右;(2堆垛机的运动由步进电机驱动;(3堆垛机前进(或后退运动和上(或下运动可同时进行;(4堆垛机前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护;(5每个仓位必须有检测装置(微动开关 ,当操作有误时发出错误报警信号;(6当按完仓位号

17、后,没按入或取前,可以按取消键进行取消该操作。(7整个电气控制系统必须设置急停按钮,以防发生意外。系统控制面板如下图 2-2所示:123取消456711981012送进取出就绪自动手动仓位号显示运行状态显示功能选择开关 小键盘取送急停图 2-2 控制面板因此本课题设计的具体控制功能如下:(1将选择开关置于自动位置,通电状态下,各机构复位,即返回零位。立体 仓库坐标定位以零位开始。(2当送货的时候,选择欲送货物的仓位号,按动仓位号对应的按钮,控制面 板数码管显示仓位号。按送货按钮后,货物自动送入指定的仓位号对应的仓库位里。 若被指定的仓位号里有货物, 则送货命令不被执行。 送货完成后, 小车自动

18、返回原来 的位置。(3当取货的时候,选择欲取货物的仓位号后,按动取货按钮后,在控制面板 的数码管里显示出来, 堆垛机可以自动将货物取出。 如果小车里有货物, 则取货命令 不被执行。XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 (4取货和送货指令完成后,机构自动返回原来位置。(5 整个电气控制系统必须设置急停按钮,以防发生意外。2.3 采用 PLC 控制立体仓库的优点PLC 的应用非常广泛,按 PLC 编程功能可分为 4 大类 2:开关量顺序控制、通 信功能、 模拟量控制、 运动控制。 PLC 的应用大大提高了控制系统的稳定性、 适用性、 并且降低了系统成本。其控制系统简单,更改容易,施工周期短;系

19、统维护容易。自 动化立体仓库, 少不了自动化仓库管理系统, 只有使用强大的仓库管理系统才能使得 仓库管理和业务流程上一个台阶,才能将先进的硬件设备发挥作用、 产生效益,针 对这一仓库管理系统,我选择了 PLC 。选择 PLC 是因为它的稳定性比单纯的使用单 片机要稳定的多,所能实现的功能也强大的多。总的来看,基于 PLC 的自动化立体 仓库可以总结为如下几点优点:低成本、 范围广、 高速、 便捷、 永远在线、 结构灵活、 数字化等。2.4立体仓库技术参数的确定 2.5系统设计的基本步骤在立体仓库控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点:(1深入了解和分析立体仓库的工艺条件和控制要求。(2确定 I

20、/O设备。根据立体仓库控制系统的功能要求,确定系统所需的用户 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,编制出输入输出分配表或者输入输 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。XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 (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一排除,直至调试成功。立体仓库系统设计与调试

21、的主要步骤,如图 2-4所示: 图 2-4 课题设计步骤2.6小结本章围绕系统方案的确定, 首先对自动化立体仓库进行了简单的介绍。 自动化立 体仓库是机械和电气、 强电控制和弱电控制相结合的产品。 主要由货物储存系统、 货 物存取和传送系统、 控制和管理等三大系统所组成。 其次阐述了本课题设计的自动化 立体仓库实现的功能与总体的控制步骤。第三节讲述了 PLC 的优点和选择 PLC 进行 控制的原因。 最后确定了立体仓库的具体参数, 并详细介绍了本课题设计的基本步骤。XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 第 3章 系统硬件设计3.1控制系统结构设计本课题设计采用的是运用 PLC 控制系统来控

22、制立体仓库的运动 . 这种设计的优 点是能快速的对输入信号做出反应控制立体仓库 , 而且检修起来较为方便。控制系统 结构图如下图 3-1 所示。PLC图 3-1 控制系统结构图3.2可编程控制器的选型可编程控制器的基本结构由输入 /输出模块、中央处理单元、电源部件和编 程器 等组成。 PLC 与计算机的基本组成一致,它实际上就是一种工业控制计算器 3。 (1 输入 /输出模块在 PLC 中, CPU 是通过输入 /输出模块与外界连接的。 输入 模块用于将控制现场输入信号变换成 CPU 能接收的信号,并对其进行滤波、电平转 换、隔离和放大等;输出模块用于将 CPU 的决策输出信号变换成驱动控制对

23、象执行 机构的控制信号,并对输出信号进行功率放大、隔离 PLC 内部和外部执行元件等。 (2中央处理单元XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 (3电源部件中央处理器单元包括微处理器、系统程序存储器和用户程序存储 器。微处理器 CPU 是 PLC 的核心部件。电源部件是把交流电转换成直流电源的装 置,它向 PLC 提供所需的高质量直流电源。(1可靠性高,抗干扰强。(2功能强大,性价比高。(3编程简易,现场可修改。(4配套齐全,使用方便。(5寿命长,体积小,能耗低。(6系统的设计、安装、调试、维修工作量少,维修方便。该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等 特性的

24、选择。根据本课题所设计的自动门控制的需要,主要介绍以下几种功能的选择 4。 (1控制功能PLC 主要用于顺序逻辑控制, 因此, 大多数场合常采用单回路或多回路控制器解 决模拟量的控制,有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能,提高 PLC 的处理速度和节省存储器容量。(2编程功能离线编程方式:PLC 和编程器公用一个 CPU ,编程器在编程模式时, CPU 只为 编程器提供服务,不对现场设备进行控制。完成编程后,编程器切换到运行模式, CPU 对现场设备进行控制,不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本,但使用 和调试不方便。在线编程方式:CPU 和编程器有各自的 CPU ,主机 C

25、PU 负责现场控 制, 并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换, 编程器把在线编制的程序或数据发 送到主机,下一扫描周期,主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高,但系 统调试和操作方便,在大中型 PLC 中常采用。五种标准化编程语言:顺序功能图 (SFC 、梯形图(LD 、 功能模块图(FBD 三种图形化语言和语句表(IL 、结构文本(ST 两种文本语言。(3诊断功能PLC 的诊断功能包括硬件和软件的诊断。 硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件 的故障位置,软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对 PLC 内部的性能和功能进行 诊断是内诊断, 通过软件对 PLC 的 CPU 与外部输入输出等部

26、件信息交换功能进行诊 断是外诊断。 PLC 的诊断功能的强弱,直接影响对操作和维护人员技术能力的要求, 并影响平均维修时间。(1输入电源电压:24VDC 还是 220V AC ,根据供电系统电压来选择, 一般来 说, 不建议直接从动力电源直接取电, 最好用隔离变压器把动力电源和控制电源隔离XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 开来,同时做好滤波等抗干扰措施。本设计采用 24V 直流电。(2输入输出点数:所谓的输入输出点数指的是整个控制系统需要用到的 PLC 的输入点个数和输出点个数。一般来说,当然是预先设计好整套系统方案, 然后算 出所有的输入输出点个数,如果是第一次设计的方案,建议预留点

27、数。经 过估算本 设计中需要输入端口 40个,输出端口 21个。(3 输出触点类型:是继电器输出类型还是晶体管输出类型。 根据所控制的 执 行机构电源电压及功率来决定输出触点类型,如果系统里有需要用到高速脉冲 输出 控制步进电机或伺服系统时,一定要选择晶体管输出类型。本设计因为有步 进电机 的控制所以选择晶体管输出类型。西门子 S7系列 PLC 体积小、速度快、 标准化, 具有网络通信能力, 功能更强, 可靠性更高。 S7 系列 PLC 产品可分为微型 PLC (如 S7-200 , 小规模性能要求的 PLC (如 S7-300 和中、 高性能要求的 PLC (如 S7-400 等。 S7系列

28、 PLC 有专门的高速脉冲输出端,可以方便的完成步进电机的控制。根据 控制功能要求选 择微型 PLC 。 微型 PLC S7-200系列可编程控制器主机分为 10、 14、 24、 40 点四档,还有各种输入和输出扩展单元,这样在增加 I/O 点数时,不必改变 机型, 可以通过扩展模块实现, 降低了经济投入。 本课题设计的立体仓库控制系统有 输入信号 40个,输出信号 21个。所选 I/O 点不得低于 61点,结合实际情况,考虑 到经济实惠所选本系统所采用的 PLC 是西门子 S7-200 CPU226 DC24V,外加一个数 字量扩展模块 EM2231。3.3步进电机的选择步进电动机是将电脉

29、冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊电机。 每 输入一个电脉冲信号电机就转动一个角度, 它的运动形式是步进式的, 所以称为步进 电动机。又由于它输入的是脉冲电流所以也叫脉冲电动机 14。步进电动机在不需要变换的情况下, 能直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位 移,因此它很适合作为数字控制系统的伺服元件。此外,它还具有一系列的优点,一 是输出角位移量或线位移量与其输入的脉冲数成正比, 而转速或线速度与脉冲的频率 成正比,在负载能力范围内,这些关系不受电压的大小、负载的大小、环境条件等外 界各种因素的干扰。 二是它每转一周都有固定的步数, 所以步进电动机在不失步的情 况下运行, 其步距误差

30、不会长期积累。 三是控制性能好, 它可以在开环系统中在很宽 的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速, 并且能够快速启动制动和反转。 四 是有些型式的步进电动机在停止供电的状态下, 还有定位转矩, 有些型式在停机后某 些相绕组仍保持通电状态, 具有自锁能力, 不需要机械制动装置等。 当采用速度和位 置检测装置后,它可构成闭环控制系统。计算机技术、 电力电子技术和微电子技术的发展, 给步进电动机的应用开辟了广 阔的前景,应用非常广泛。如数控机床、绘图机、自动记录仪表、遥控装置和航空系XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 统等等,都大量使用步进电动机。图 3-2为三相反应式步进电动机的径向截

31、面图。定转子铁芯由硅钢片叠压而成, 定子磁极为凸极式, 磁极的极面上开有小齿。 定子上有三套控制绕组, 每一套有两个 串联的集中控制绕组分别绕在径向相对的两个磁极上。 每套绕组叫一相, 三相绕组接 成星形,所以定子磁极数通常为相数的两倍,即 2p=2m (p 为极对数, m 为相数 。 转子上没有绕组, 沿圆周也有均匀的小齿, 其齿距和定子磁极上小齿的齿距必须相等, 而且转子的齿数有一定的限制。 这种结构形式的优点是制造简便, 精度易于保证, 步 距角可以做得较小,容易得到较高的启动和运行频率。图 3-2 步进电动机的结构图 3-3是一台三相反应式步进电动机的原理图。 定子铁芯为凸极式, 共有

32、三对 (六 个磁极,每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组。转子用软磁性材料制成,也是凸 极结构, 只有四个齿, 齿宽等于定子的极靴宽。 下面通过几种基本的控制方式来说明 其工作原理 。图 3-3 步进电动机原理图XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 (1三相单三拍通电方式当 A 相控制绕组通电,其余两相均不通电,电机内建立以定子 A 相极为轴线的磁 场。由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点,使转子齿 1、 3的轴线与定子 A 相极轴 线对齐,如图 3-3(a所示。若 A 相控制绕组断电, B 相控制绕组通电时,转子在反应转 矩的作用下,逆时针方向转过 30°,使转子齿 2、 4的轴

33、线与定子 B 相极轴线对齐,即转 子走了一步,如图 3-3(b所示。若再断开 B 相使 C 相控制绕组通电转子又转过 30°,使 转子齿 1、 3的轴线与定子 C 相极轴线对齐,如图 3-3(c所示。如此按 A-B-C-A 的顺序轮 流通电, 转子就会一步一步地按逆时针方向转动。 其转速取决于各相控制绕组通电与 断电的频率,旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。若按 A-C-B-A 的顺序通电, 则电机按顺时针反方向转动。上述通电方式称为三相单三拍运行。 “三相”是指三相步进电动机每次只有一相 控制绕组通电; 控制绕组每改变一次通电方式称为一拍, “三拍” 是指经过三次改变 通电方式

34、为一个循环。我们称每一拍转子转过的角度为步距角常用 s来表示, 三相单 三拍运行时 s= 30°。(2三相双三拍通电方式控制绕组的通电方式为 AB-BC-CA-AB 或 AB-CA-BC-AB 。 每拍同时有两相绕组通 电,三拍为一个循环。当 A 、 B 两相控制绕组同时通电时,转子齿的位置应同时考虑 到两对定子极的作用,只有 A 相极和 B 相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡,才是转 子的平衡位置,如图 3-4(a所示。若下一拍为 B 、 C 两相同时通电时,则转子按逆时针 转过 30°到达新的平衡位置,如图 3-4(b所示。可见,双三拍运行时的步距角仍是 30°

35、。 但双三拍运行时,每一拍总有一相绕组持续通电,例如由 A 、 B 两相通电变为 B 、 C 两相通电时, B 相保持持续通电状态, C 相磁拉力力图使转子逆时针方向转动,而 B 相磁拉力却起有阻止转子继续向前转动的作用, 即起到一定的电磁阻尼作用, 所以电 机工作比较平稳。 (a (b图 3-4三相双三拍运行方式XXXX 大学 毕业设计论文由于步进电动机能直接接收数字量信号, 所以被广泛应用于数字控制系统中。 较 简单的控制电路是利用一些数字逻辑单元组成, 即采用硬件的方式。 但要改变系统的 控制功能, 一般都要重新设计硬件电路, 灵活性较差。 以微型计算机为核心的计算机 控制系统为步进电动

36、机的控制开辟了新的途径, 利用计算机的软件或软、 硬件相结合 的方法能使系统的功能大大增强,同时也提高了系统的灵活性和可靠性。以步进电动机作为执行元件的数字控制系统有开环和闭环两种形式。(1开环控制步进电动机系统的主要特点是能实现精确位移、 精确定位, 且无积累误差。 这是 因为步进电动机的运动受输入脉冲控制, 其位移量是断续的, 总的位移量严格等于输 入的指令脉冲数或其平均转速严格正比于输入指令脉冲的频率; 若能准确控制输入指 令脉冲的数量或频率, 就能够完成精确的位置或速度控制, 无需系统的反馈, 形成所 谓的开环控制系统。步进电机的开环控制系统,由控制器(包括变频信号源、脉冲分配器、驱动

37、电 路及步进电动机四部分组成如图 3-5所示。开环控制系统的精度主要取决于步距角的 精度和负载状况。 图 3-5 步进电动机开环控制原理框图开环控制常常采用加减定位控制方式。 因为步进电动机的启动频率要比连续运行 频率小, 所以开环控制的脉冲指令频率, 只有小于电机的最大启动频率, 电机才能成 功启动。 若电动机的工作频率总是低于最高启动频率, 当然不会失步, 但没有充分发 挥电机的潜力,工作速度太低。为此,常用加减速定位控制。电机开始以低于最高启 动频率的某一频率启动, 然后再逐步提高频率, 使电机逐步加速, 到达最高运行频率, 电机高速转动。在到达终点前,降频使电机减速。这样就可以既快又稳

38、地准确定位, 如图 3-6所示。由于步进电动机的电磁转矩受频率影响较大,所以负载的加减速控制 不能像普通电机那样。 为了实现加减速的最佳控制, 往往是分段设计加速转矩和加速 时间,采用微机控制来实现。由于开环控制系统不需要反馈元件,结构比较简单、工作可靠、成本低。因而在 数字控制系统中得到广泛的应用。XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 图 3-6 加减速定位过程(2闭环控制系统在开环控制系统中, 电机响应控制指令后的实际运行情况, 控制系统是无法预测 和监视的。 在某些运行速度范围宽、 负载大小变化频繁的场合, 步进电动机很容易失 步使整个系统趋于失控。 另外, 对于高精度的控制系统,

39、采用开环控制往往满足不了 精度的要求。因此必须在控制回路中增加反馈环节,构成闭环控制系统如图 3-7所示。 与开环系统相比多了一个由位置传感器组成的反馈环节。 将位置传感器测出的负载实 际位置与位置指令值相比较, 用比较信号进行控制, 不仅可防止失步, 还能够消除位 置误差提,高系统的精度。闭环控制系统的精度与步进电动机有关, 但主要是取决于位置传感器的精度。 在 数字位置随动系统中,为了提高系统的工作速度和稳定性,还有速度反馈内环。XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 图 3-7 步进电动机闭环系统原理框图(1位移与输入脉冲信号的信号数相对应,步距误差不长期积累,可以组成结 构简单且具有

40、一定精度的开环控制系统,也可以在需要更高精度时组成闭环控制系 统。(2速度可以在相当宽的范围内平滑调节。(3易于起动、停止、正反转及变速,快速响应性能好。(4具有自锁的能力。当控制脉冲停止输入且让最后一个脉冲控制的绕组 继续通电时, 电机可以保持在固定的位置上, 即停在最后一个控制脉冲所控制的角位 移的终点位置上。所以步进电机具有带电自锁能力。与交直流电动机不同, 仅仅接上供电电源, 步进电机不会运行的。 为了驱动步进 电动机, 必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器 (在该立体仓库控制系 统中采用 PLC 作脉冲发生器进行位置控制 、 一个使电动机绕组电流按规定次序通断 的脉冲分配器

41、、 一个保证电动机正常运行的功率放大器, 以及一个直流功率电源等组 成一个驱动系统,如图 3-8所示。 图 3-8 驱动系统示意图XXXX 大学 毕业设计论文在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择, 其次才是具体的品种 选择, 在该立体仓库控制系统中要求步进电动机电压低、 电流小、 有定位转矩和使用 螺栓机构的定位装置, 确定步进电动机采用 2相 8拍混合式步进电机; 在进行步进电 动机的品种选择时,要综合考虑速比 i 、轴向力 F 、负载转矩lT 、额定转矩NT 和运行频率yf ,以确定步进电机的具体规格和控制装置。由于我们使用螺栓机构的定位装置,已知条件和要求条件为:移动部分总

42、重 25M kg=外力 4F a k g c m=磨擦系数 0. 04=螺栓机构的效率 0.9=螺栓轴径 1. 2BD c m=螺栓长 42BL cm=螺距 3P m m=分辨率 0. 01L m m=移动距离 0. 0075mm=/步速度 2/m i nV m=计算:设拟选用 2相、 1.8°步距角的 HB 型电动机速比 (设使用直接驱动方式 /(360 21.8/(3600.01 1bi m L=轴向力40.4255F Fa M kg cm=+=+=负载转矩00/(2 ( /2lT F P F P=+=+0.289kg cm=螺栓的惯量4( /32B B BJ L D=34-=2

43、0.0675kg cm=移动体的惯量2(/2tJ M P =225(0.3/6028=20.0571kg cm=负载惯量为J J J=+XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 =20.1246kg cm=根据以上计算可以初步选定步进电动机,其惯量为 20.03MJ kg cm=,空载起动频率 3000sf H=由要求的速度可求出运行的频率:/2000/(600.01 3333f V L HZ=可知需要加减速的驱动方式。齿轮比:000bG L=换算到电机轴的负载转矩为( /2lT G L T F =+=+1.40kg cm=对首次设计的装置来讲,所选用的电动机通常留有 23倍的余量,所以电机转

44、NT T kg cm N M=根据以上的计算, 在该立体仓库控制系统中的步进电动机采用北京斯达特机电科 技发展有限公司生产的 2相 8拍混合式步进电机, 它的主要特点:体积小, 具有较高 的起动和运行频率,有定位转矩等优点。型号:42BYGHl01。电气原理图如图 3-9所 示。快接线插头:红色表示 A 相,蓝色表示 B 相;如果发现步进电机转向不对时可 以将 A 相或 B 相中的两条线对调。图 3-9步进电机的出线圈XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 表 3.1 步进电机的电气技术数据 3.4步进电动机驱动器的选择(1步进电动机驱动器输入输出信号介绍步进电动机的运行需要有电子装置进行驱

45、动,这种装置就是步进电动机驱动器。 控制系统每发出一个脉冲信号, 通过驱动器就使得步进电动机旋转一个步距角, 也就 是说, 它把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电动机的角位移。 因此, 步进电动机 的转速与脉冲信号的频率成正比。所有型号驱动器的输入信号都相同,它们是步进脉冲信号 CP 、方向电平信号 DIR 、脱机信号 FREE (此端为低电平有效时,电动机处于无转矩状态;此端为高电 平或悬空不接时,此功能无效,电动机可以正常运行。它们在驱动器内部的接口电 路都相同如图 3-10所示。该立体仓库中,由于提供的电平为 24V ,而输入部分的电 平为 5V ,所以需要外部另加 1.8K的限流电阻。

46、图 3-10 输入输出接口电路(2步进电动机驱动器选择我们这里采用 SH 系列的步进电机驱动器,它主要由电源输入部分、信号输入部 分、信号输出部分组成。(3步进电动机驱动器细分数和电动机电流设定SH 系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定细分数的,只需根据面板上的提 示进行设定即可。 对于两相步进电动机, 细分后电动机的步距角等于电动机整步步距 角除以细分数。 细分后完全消除了电动机的低频振荡, 而且提高了电动机的输出转矩 和电动机的分辨率。所以,采用细分驱动器只要改变细分数,就能改变步距角。 (4步进电动机驱动器电源接口XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 对于超小型驱动器,采用一组 D

47、C 2440V供电。因为 PLC 需要采用开关式稳压 电源供电,所以该立体仓库中应该选用开关式稳压电源。(5步进电动机驱动器选型我采用 SH 系列步进电动机驱动器,型号为 SH-2H057。主要由电源输入部分、 信号输入部分、输出部分组成。 SH-2H057步进电动机驱动器采用铸铝结构,此种结 构主要用于小功率驱动器 , 这种结构为封闭的超小型结构,本身不带风机,其外壳即 为散热体, 所以使用时要将其固定在较厚、 较大的金属板上或较厚的机柜内, 接触面 之间要涂上导热硅脂, 在其旁边加一个风机也是一种较好的散热办法。 此步进电机驱 动器的电气技术数据为: (6步进电机驱动器接线示意图见图 3-

48、11图 3-11 步进电机驱动器接线示意图XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 3.5传感器的选择在该立体仓库中采用欧姆龙 EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式传感器作货物 检测, 它是日本欧姆龙公司的产品, 采用能抗周围外来光干扰的变调光式; 采用变调 光式,与直流光式比,不易受外来光干扰的影响;电源电压为 DC5-24V 的大量程电 压输出型;带有容易调整的光轴标识;带有便于调整,动作确认的入光显示灯;反射 式传感器的时间图和输出回路图如图 3-12 所示。图 3-12 反射式传感器的时间图和输出回路图它有三根连接线 (红、蓝、黑 ,红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为 输出

49、信号, 当与挡块接近时输出电平为低电平, 否则为高电平。 需要注意检测距离不 要离传感器太近, 否则传感器不能动作; 连接是采用接插件方式, 千万不要对端子 (读 出头 进行焊接。此传感器的电气技术数据为 : XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 3.6微动开关的选择在该立体仓库控制系统中共有 13个仓位(四层十二个仓位加 0号仓位分别采用 13只微动开关作为货物检测,当有货物时相应开关动作,其信号对应 PLC 的输入 点是 I22-I36;另外为保险起见,在 X 轴的左限位和 Y 轴的下限位处还分别加装了 1只微动开关作限位保护, 以确保立体仓库在程序出错时不损坏; 微动开关原理图如图

50、3-13所示。图 3-13 微动开关原理图3.7并联型开关稳压电源并联式开关稳压电源的输出功率大、体积小、重量轻、可靠性高、适应变动宽范 围的输入电压,具有完备的过电压过电流保护功能,内置输入 EMI 滤波器,具有较 高的抗干扰能力。XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 在该立体仓库控制系统中, 考虑到 PLC 和步进电动机驱动器都要求 DC24V 电源, 综合考虑系统的用电量、 系统运行的可靠性和系统设计的规整性, 我们选用并联式开 关稳压电源。3.8 PLC输入输出分配表根据系统的要求,系统的 I/O分配见下表所示表 3-4 PLC输入输出分配表 XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 3.9 电气原理图的设计根据立体仓库的课题设计要求,得出如下图 3-14电气原理图。 图 3-14 电气原理图3.10 小结本章主要阐述了自动化立体仓库系统硬件的设计。 首先对控制系统的结构进行设 计,其次对 PLC (可编程控制器 ,步进电机,步进电机驱动器,传感器,微动开关, 稳压电源进行慎重的选择。最后列出了 PLC 输入输出分配表,并绘制了本设计的电 气原理图。XXXX 大学 毕业设计论文 装 订 线 第 4章 系统软件设计4.1编程语言的介绍基本的编程语言有:梯形图(LAD 、功