基于PLC控制的小型自動化立體倉庫設(shè)計

1、XX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 任務(wù)書 課題名稱 基于 S7-200 PLC控制的小型自動化立體倉庫設(shè)計學(xué) 院 電氣信息學(xué)院專業(yè)班級 自動化 084班姓 名 XX學(xué) 號 089064444畢業(yè)設(shè)計 (論文 的主要內(nèi)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(tǒng)設(shè)計的一般步 驟。(2結(jié)合相關(guān)資料設(shè)計立體倉庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖; 本課題所設(shè)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(qū)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

2、測裝置(微動開關(guān) ,當(dāng)操作有誤時發(fā)出錯誤報警信號6、當(dāng)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(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕,以防發(fā)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(dǎo) 教 師 簽 字 系 主 任簽 字院 長 簽 字XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 摘要自動化立體倉庫是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中迅速發(fā)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(tǒng), 由自動控制與管理系統(tǒng)、 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(tǒng)以及其他輔助設(shè)備組成。 它具有節(jié)約用地、 減輕勞動 強度、消除差錯

3、、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(zhì)、降低 儲運損耗、 有效地減少流動資金的積壓、 提高物流效率等諸多優(yōu)點。 如今我國國民經(jīng) 濟的飛速發(fā)展 , 自動化立體倉庫必然會在各行各業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。本課題的電氣控制主要由西門子公司的 PLC 、 步進電機驅(qū)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(xiàn) 狀等;其次對該系統(tǒng)的硬件組成、結(jié)構(gòu)、原理進行了闡述和分析;再次對本系統(tǒng)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(shè)計本課題所學(xué)到的知 識進行歸納和總結(jié)。關(guān)鍵字 :立體倉庫 可編程控制器(PLC 西門子

4、S7-200XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 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 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 目 錄XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 結(jié)論 . 31致謝 . 32參考文獻(xiàn) . 33附錄 A 梯形圖設(shè)計 . 34XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 第 1章 緒論1.1本課題設(shè)計的背景立體倉庫的產(chǎn)生和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)之后生產(chǎn)

9、和技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。 50年代 初,美國出現(xiàn)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(xiàn)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(shù), 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(fā)展,并形成了專門的學(xué)科。 60年代中期,日本開始興建立體倉庫,并且發(fā)展 速度越來越快,成為當(dāng)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(shè)備的研制開始并不晚, 1963年研制成第一臺橋 式堆垛起重機(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 (

10、高 15米, 機械部起重所負(fù)責(zé) , 該庫 1980年投入運行。 到 2003年為止,我國自動化立體倉庫數(shù)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(yè)實施現(xiàn)代化管 理等特點, 已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲技術(shù), 越來越受到企業(yè)的重視。 本論文主要是基于 PLC 所設(shè)計的立體倉庫電氣控制系統(tǒng)。下面簡單闡述 PLC 的 發(fā)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(yīng)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(yōu)點和繼電器 -接觸器控制系統(tǒng)的簡 單易懂、 操作方便、 價格低等優(yōu)點結(jié)合到一起,

11、做成了一種能適應(yīng)工業(yè)環(huán)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(shù)。根據(jù)這一設(shè)想,美國數(shù)字設(shè)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(shè)備的維修和停產(chǎn)所造成的經(jīng)濟損失。當(dāng)前 PLC 已經(jīng)成為了電氣自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)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(shù)字運算的電子 系統(tǒng), 是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制器, 它采用了可以編程的

12、存儲器, 用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術(shù)運算等操作的指令, 并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出,控制各種類型機械的生產(chǎn)過程 1。 ” 因此,進行 立體倉庫的 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計,可以推動機械手行業(yè)的發(fā)展,擴大 PLC 在自動控 制領(lǐng)域的應(yīng)用,具有一定的經(jīng)濟和理論研究的價值。1.2 本課題設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計用西門子 S7-200系列的控制器作為控制核心,實現(xiàn)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(chǎn)的 S7-200型的可編程控制器、步進電 機驅(qū)動、各種位置電磁傳感器和一些低壓

13、電器元件組成。 S7-200型可編程控制器作XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 為控制核心, 采集輸入端口信號后完成各種邏輯控制和數(shù)據(jù)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(xiàn)實。該系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)手動和自動兩種工作模式, 通過鍵盤可以對設(shè)備進行控制。1.3 本課題設(shè)計的目的和意義自動化立體倉庫在各行各業(yè)得到而來廣泛的應(yīng)用,進行 PLC 立體倉庫的設(shè)計對 于節(jié)約土地資源, 節(jié)省勞動力方面都有著不可代替的作用。 PLC 作為工業(yè)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(shè)計安裝容易等特點而被廣泛 的應(yīng)用于自動化控制的各個領(lǐng)域。 PLC 控制系統(tǒng)可以很好的

14、完成立體倉庫的控制有助 于其實現(xiàn)自動化。因此,進行立體倉庫的 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計,可以推動機械手行 業(yè)的發(fā)展,擴大 PLC 在自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用,具有一定的經(jīng)濟和理論研究的價值。1.4 小結(jié)本章以課題設(shè)計為中心,分別介紹了課題設(shè)計的背景、內(nèi)容、目的和意義。立體 倉庫發(fā)展速度越來越快,采用計算機進行控制管理而利于企業(yè)實施現(xiàn)代化管理等特 點,已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲技術(shù),越來越受到企業(yè)的重視。 PLC 憑借著其可靠性高、 抗干擾能力強、 使用方便、 設(shè)計安裝容易等特點能很好的完成立 體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)計。XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 第 2章 . 系統(tǒng)控制方案的確定2

15、.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(jié)合的產(chǎn)品。 它主要由貨 物儲存系統(tǒng)、 貨物存取和傳送系統(tǒng)、 控制和管理等三大系統(tǒng)所組成。 貨物存儲系統(tǒng)由 立體貨架的貨格 (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(tǒng); 貨物存取和傳送系統(tǒng)承擔(dān)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(lián)系;有的倉 庫對各單臺機械進行聯(lián)網(wǎng)控制。 更高級的自動化立 體倉庫的控制系統(tǒng)采用集中控制、 分離式控

16、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(tǒng)。2.2 立體倉庫系統(tǒng)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圖 2-1 立體倉庫模型圖XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 在此設(shè)計的立體倉庫需要滿足一下功能:(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(qū)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(guān) ,當(dāng)操作有誤時發(fā)出錯誤報警信號;(6當(dāng)按完倉位號

17、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(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕,以防發(fā)生意外。系統(tǒng)控制面板如下圖 2-2所示:123取消456711981012送進取出就緒自動手動倉位號顯示運行狀態(tài)顯示功能選擇開關(guān) 小鍵盤取送急停圖 2-2 控制面板因此本課題設(shè)計的具體控制功能如下:(1將選擇開關(guān)置于自動位置,通電狀態(tài)下,各機構(gòu)復(fù)位,即返回零位。立體 倉庫坐標(biāo)定位以零位開始。(2當(dāng)送貨的時候,選擇欲送貨物的倉位號,按動倉位號對應(yīng)的按鈕,控制面 板數(shù)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(yīng)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(zhí)行。 送貨完成后, 小車自動

18、返回原來 的位置。(3當(dāng)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(shù)碼管里顯示出來, 堆垛機可以自動將貨物取出。 如果小車?yán)镉胸浳? 則取貨命令 不被執(zhí)行。XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 (4取貨和送貨指令完成后,機構(gòu)自動返回原來位置。(5 整個電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕,以防發(fā)生意外。2.3 采用 PLC 控制立體倉庫的優(yōu)點PLC 的應(yīng)用非常廣泛,按 PLC 編程功能可分為 4 大類 2:開關(guān)量順序控制、通 信功能、 模擬量控制、 運動控制。 PLC 的應(yīng)用大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、 適用性、 并且降低了系統(tǒng)成本。其控制系統(tǒng)簡單,更改容易,施工周期短;系

19、統(tǒng)維護容易。自 動化立體倉庫, 少不了自動化倉庫管理系統(tǒng), 只有使用強大的倉庫管理系統(tǒng)才能使得 倉庫管理和業(yè)務(wù)流程上一個臺階,才能將先進的硬件設(shè)備發(fā)揮作用、 產(chǎn)生效益,針 對這一倉庫管理系統(tǒng),我選擇了 PLC 。選擇 PLC 是因為它的穩(wěn)定性比單純的使用單 片機要穩(wěn)定的多,所能實現(xiàn)的功能也強大的多?？偟膩砜?基于 PLC 的自動化立體 倉庫可以總結(jié)為如下幾點優(yōu)點:低成本、 范圍廣、 高速、 便捷、 永遠(yuǎn)在線、 結(jié)構(gòu)靈活、 數(shù)字化等。2.4立體倉庫技術(shù)參數(shù)的確定 2.5系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟在立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)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

20、/O設(shè)備。根據(jù)立體倉庫控制系統(tǒng)的功能要求,確定系統(tǒng)所需的用戶 輸入、輸出設(shè)備。(3根據(jù) I/O點數(shù)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(shè)計立體倉庫系統(tǒng)的梯形圖程序,根據(jù)工作要求設(shè)計出周密完整的梯形圖 程序,這是整個立體倉庫系統(tǒng)設(shè)計的核心工作。XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 (6將程序輸入 PLC 進行軟件測試,查找錯誤,使系統(tǒng)程序更加完善。(7立體倉庫整體調(diào)試,在 PLC 軟硬件設(shè)計和現(xiàn)場施工完成后,就可以進行整 個系統(tǒng)的聯(lián)機調(diào)試,調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題要逐一排除,直至調(diào)試成功。立體倉庫系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試

21、的主要步驟,如圖 2-4所示: 圖 2-4 課題設(shè)計步驟2.6小結(jié)本章圍繞系統(tǒng)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(jié)合的產(chǎn)品。 主要由貨物儲存系統(tǒng)、 貨 物存取和傳送系統(tǒng)、 控制和管理等三大系統(tǒng)所組成。 其次闡述了本課題設(shè)計的自動化 立體倉庫實現(xiàn)的功能與總體的控制步驟。第三節(jié)講述了 PLC 的優(yōu)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(shù), 并詳細(xì)介紹了本課題設(shè)計的基本步驟。XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計本課題設(shè)計采用的是運用 PLC 控制系統(tǒng)來控

22、制立體倉庫的運動 . 這種設(shè)計的優(yōu) 點是能快速的對輸入信號做出反應(yīng)控制立體倉庫 , 而且檢修起來較為方便?？刂葡到y(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖如下圖 3-1 所示。PLC圖 3-1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2可編程控制器的選型可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)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(yè)控制計算器 3。 (1 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(xiàn)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(zhuǎn) 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(qū)動控制對

23、象執(zhí)行 機構(gòu)的控制信號,并對輸出信號進行功率放大、隔離 PLC 內(nèi)部和外部執(zhí)行元件等。 (2中央處理單元XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 (3電源部件中央處理器單元包括微處理器、系統(tǒng)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(zhuǎn)換成直流電源的裝 置,它向 PLC 提供所需的高質(zhì)量直流電源。(1可靠性高,抗干擾強。(2功能強大,性價比高。(3編程簡易,現(xiàn)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(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試、維修工作量少,維修方便。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

24、選擇。根據(jù)本課題所設(shè)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(shù)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(jié)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, CPU 只為 編程器提供服務(wù),不對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。完成編程后,編程器切換到運行模式, CPU 對現(xiàn)場設(shè)備進行控制,不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本,但使用 和調(diào)試不方便。在線編程方式:CPU 和編程器有各自的 CPU ,主機 C

25、PU 負(fù)責(zé)現(xiàn)場控 制, 并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換, 編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā) 送到主機,下一掃描周期,主機就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式成本較高,但系 統(tǒng)調(diào)試和操作方便,在大中型 PLC 中常采用。五種標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)文本(ST 兩種文本語言。(3診斷功能PLC 的診斷功能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(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對 PLC 內(nèi)部的性能和功能進行 診斷是內(nèi)診斷, 通過軟件對 PLC 的 CPU 與外部輸入輸出等部

26、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(shù)能力的要求, 并影響平均維修時間。(1輸入電源電壓:24VDC 還是 220V AC ,根據(jù)供電系統(tǒng)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XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 開來,同時做好濾波等抗干擾措施。本設(shè)計采用 24V 直流電。(2輸入輸出點數(shù):所謂的輸入輸出點數(shù)指的是整個控制系統(tǒng)需要用到的 PLC 的輸入點個數(shù)和輸出點個數(shù)。一般來說,當(dāng)然是預(yù)先設(shè)計好整套系統(tǒng)方案, 然后算 出所有的輸入輸出點個數(shù),如果是第一次設(shè)計的方案,建議預(yù)留點

27、數(shù)。經(jīng) 過估算本 設(shè)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(jù)所控制的 執(zhí) 行機構(gòu)電源電壓及功率來決定輸出觸點類型,如果系統(tǒng)里有需要用到高速脈沖 輸出 控制步進電機或伺服系統(tǒng)時,一定要選擇晶體管輸出類型。本設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化, 具有網(wǎng)絡(luò)通信能力, 功能更強, 可靠性更高。 S7 系列 PLC 產(chǎn)品可分為微型 PLC (如 S7-200 , 小規(guī)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(jù) 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(shù)時,不必改變 機型, 可以通過擴展模塊實現(xiàn), 降低了經(jīng)濟投入。 本課題設(shè)計的立體倉庫控制系統(tǒng)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(jié)合實際情況,考慮 到經(jīng)濟實惠所選本系統(tǒng)所采用的 PLC 是西門子 S7-200 CPU226 DC24V,外加一個數(shù) 字量擴展模塊 EM2231。3.3步進電機的選擇步進電動機是將電脈

29、沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(zhuǎn)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(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位 移,因此它很適合作為數(shù)字控制系統(tǒng)的伺服元件。此外,它還具有一系列的優(yōu)點,一 是輸出角位移量或線位移量與其輸入的脈沖數(shù)成正比, 而轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖的頻率 成正比,在負(fù)載能力范圍內(nèi),這些關(guān)系不受電壓的大小、負(fù)載的大小、環(huán)境條件等外 界各種因素的干擾。 二是它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù), 所以步進電動機在不失步的情 況下運行, 其步距誤差

30、不會長期積累。 三是控制性能好, 它可以在開環(huán)系統(tǒng)中在很寬 的范圍內(nèi)通過改變脈沖的頻率來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速, 并且能夠快速啟動制動和反轉(zhuǎn)。 四 是有些型式的步進電動機在停止供電的狀態(tài)下, 還有定位轉(zhuǎn)矩, 有些型式在停機后某 些相繞組仍保持通電狀態(tài), 具有自鎖能力, 不需要機械制動裝置等。 當(dāng)采用速度和位 置檢測裝置后,它可構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。計算機技術(shù)、 電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展, 給步進電動機的應(yīng)用開辟了廣 闊的前景,應(yīng)用非常廣泛。如數(shù)控機床、繪圖機、自動記錄儀表、遙控裝置和航空系XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 統(tǒng)等等,都大量使用步進電動機。圖 3-2為三相反應(yīng)式步進電動機的徑向截

31、面圖。定轉(zhuǎn)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(lián)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(shù)通常為相數(shù)的兩倍,即 2p=2m (p 為極對數(shù), m 為相數(shù) 。 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定的限制。 這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)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(jié)構(gòu)圖 3-3是一臺三相反應(yīng)式步進電動機的原理圖。 定子鐵芯為凸極式, 共有

32、三對 (六 個磁極,每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組。轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成,也是凸 極結(jié)構(gòu), 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XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 (1三相單三拍通電方式當(dāng) A 相控制繞組通電,其余兩相均不通電,電機內(nèi)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(zhuǎn)子齒 1、 3的軸線與定子 A 相極軸 線對齊,如圖 3-3(a所示。若 A 相控制繞組斷電, B 相控制繞組通電時,轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn) 矩的作用下,逆時針方向轉(zhuǎn)過 30°,使轉(zhuǎn)子齒 2、 4的軸

33、線與定子 B 相極軸線對齊,即轉(zhuǎn) 子走了一步,如圖 3-3(b所示。若再斷開 B 相使 C 相控制繞組通電轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過 30°,使 轉(zhuǎn)子齒 1、 3的軸線與定子 C 相極軸線對齊,如圖 3-3(c所示。如此按 A-B-C-A 的順序輪 流通電, 轉(zhuǎn)子就會一步一步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動。 其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與 斷電的頻率,旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)過三次改變 通電方式

34、為一個循環(huán)。我們稱每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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-CA-BC-AB 。 每拍同時有兩相繞組通 電,三拍為一個循環(huán)。當(dāng) A 、 B 兩相控制繞組同時通電時,轉(zhuǎn)子齒的位置應(yīng)同時考慮 到兩對定子極的作用,只有 A 相極和 B 相極對轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力相平衡,才是轉(zhuǎn) 子的平衡位置,如圖 3-4(a所示。若下一拍為 B 、 C 兩相同時通電時,則轉(zhuǎn)子按逆時針 轉(zhuǎn)過 30°到達(dá)新的平衡位置,如圖 3-4(b所示。可見,雙三拍運行時的步距角仍是 30°

35、。 但雙三拍運行時,每一拍總有一相繞組持續(xù)通電,例如由 A 、 B 兩相通電變?yōu)?B 、 C 兩相通電時, B 相保持持續(xù)通電狀態(tài), C 相磁拉力力圖使轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動,而 B 相磁拉力卻起有阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)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(wěn)。 (a (b圖 3-4三相雙三拍運行方式XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文由于步進電動機能直接接收數(shù)字量信號, 所以被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。 較 簡單的控制電路是利用一些數(shù)字邏輯單元組成, 即采用硬件的方式。 但要改變系統(tǒng)的 控制功能, 一般都要重新設(shè)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(tǒng)為步進電動

36、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(jié)合 的方法能使系統(tǒng)的功能大大增強,同時也提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。以步進電動機作為執(zhí)行元件的數(shù)字控制系統(tǒng)有開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。(1開環(huán)控制步進電動機系統(tǒng)的主要特點是能實現(xiàn)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(xù)的, 總的位移量嚴(yán)格等于輸 入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于輸入指令脈沖的頻率; 若能準(zhǔn)確控制輸入指 令脈沖的數(shù)量或頻率, 就能夠完成精確的位置或速度控制, 無需系統(tǒng)的反饋, 形成所 謂的開環(huán)控制系統(tǒng)。步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng),由控制器(包括變頻信號源、脈沖分配器、驅(qū)動

37、電 路及步進電動機四部分組成如圖 3-5所示。開環(huán)控制系統(tǒng)的精度主要取決于步距角的 精度和負(fù)載狀況。 圖 3-5 步進電動機開環(huán)控制原理框圖開環(huán)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(xù)運行 頻率小, 所以開環(huán)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(dāng)然不會失步, 但沒有充分發(fā) 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(dá)最高運行頻率, 電機高速轉(zhuǎn)動。在到達(dá)終點前,降頻使電機減速。這樣就可以既快又穩(wěn)

38、地準(zhǔn)確定位, 如圖 3-6所示。由于步進電動機的電磁轉(zhuǎn)矩受頻率影響較大,所以負(fù)載的加減速控制 不能像普通電機那樣。 為了實現(xiàn)加減速的最佳控制, 往往是分段設(shè)計加速轉(zhuǎn)矩和加速 時間,采用微機控制來實現(xiàn)。由于開環(huán)控制系統(tǒng)不需要反饋元件,結(jié)構(gòu)比較簡單、工作可靠、成本低。因而在 數(shù)字控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 圖 3-6 加減速定位過程(2閉環(huán)控制系統(tǒng)在開環(huán)控制系統(tǒng)中, 電機響應(yīng)控制指令后的實際運行情況, 控制系統(tǒng)是無法預(yù)測 和監(jiān)視的。 在某些運行速度范圍寬、 負(fù)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(tǒng)趨于失控。 另外, 對于高精度的控制系統(tǒng),

39、采用開環(huán)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(huán)節(jié),構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 3-7所示。 與開環(huán)系統(tǒng)相比多了一個由位置傳感器組成的反饋環(huán)節(jié)。 將位置傳感器測出的負(fù)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(tǒng)的精度。閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度與步進電動機有關(guān), 但主要是取決于位置傳感器的精度。 在 數(shù)字位置隨動系統(tǒng)中,為了提高系統(tǒng)的工作速度和穩(wěn)定性,還有速度反饋內(nèi)環(huán)。XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 圖 3-7 步進電動機閉環(huán)系統(tǒng)原理框圖(1位移與輸入脈沖信號的信號數(shù)相對應(yīng),步距誤差不長期積累,可以組成結(jié) 構(gòu)簡單且具有

40、一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng),也可以在需要更高精度時組成閉環(huán)控制系 統(tǒng)。(2速度可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。(3易于起動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速,快速響應(yīng)性能好。(4具有自鎖的能力。當(dāng)控制脈沖停止輸入且讓最后一個脈沖控制的繞組 繼續(xù)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。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(qū)動步進 電動機, 必須由一個決定電動機速度和旋轉(zhuǎn)角度的脈沖發(fā)生器 (在該立體倉庫控制系 統(tǒng)中采用 PLC 作脈沖發(fā)生器進行位置控制 、 一個使電動機繞組電流按規(guī)定次序通斷 的脈沖分配器

41、、 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(qū)動系統(tǒng),如圖 3-8所示。 圖 3-8 驅(qū)動系統(tǒng)示意圖XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文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(tǒng)中要求步進電動機電壓低、 電流小、 有定位轉(zhuǎn)矩和使用 螺栓機構(gòu)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(fù)載轉(zhuǎn)矩lT 、額定轉(zhuǎn)矩NT 和運行頻率yf ,以確定步進電機的具體規(guī)格和控制裝置。由于我們使用螺栓機構(gòu)的定位裝置,已知條件和要求條件為:移動部分總

42、重 25M kg=外力 4F a k g c m=磨擦系數(shù) 0. 04=螺栓機構(gòu)的效率 0.9=螺栓軸徑 1. 2BD c m=螺栓長 42BL cm=螺距 3P m m=分辨率 0. 01L m m=移動距離 0. 0075mm=/步速度 2/m i nV m=計算:設(shè)擬選用 2相、 1.8°步距角的 HB 型電動機速比 (設(shè)使用直接驅(qū)動方式 /(360 21.8/(3600.01 1bi m L=軸向力40.4255F Fa M kg cm=+=+=負(fù)載轉(zhuǎn)矩00/(2 ( /2lT F P F P=+=+0.289kg cm=螺栓的慣量4( /32B B BJ L D=34-=2

43、0.0675kg cm=移動體的慣量2(/2tJ M P =225(0.3/6028=20.0571kg cm=負(fù)載慣量為J J J=+XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 =20.1246kg cm=根據(jù)以上計算可以初步選定步進電動機,其慣量為 20.03MJ kg cm=,空載起動頻率 3000sf H=由要求的速度可求出運行的頻率:/2000/(600.01 3333f V L HZ=可知需要加減速的驅(qū)動方式。齒輪比:000bG L=換算到電機軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為( /2lT G L T F =+=+1.40kg cm=對首次設(shè)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(zhuǎn)

44、NT T kg cm N M=根據(jù)以上的計算, 在該立體倉庫控制系統(tǒng)中的步進電動機采用北京斯達(dá)特機電科 技發(fā)展有限公司生產(chǎn)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(zhuǎn)矩等優(yōu)點。型號:42BYGHl01。電氣原理圖如圖 3-9所 示?？旖泳€插頭:紅色表示 A 相,藍(lán)色表示 B 相;如果發(fā)現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)向不對時可 以將 A 相或 B 相中的兩條線對調(diào)。圖 3-9步進電機的出線圈XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 表 3.1 步進電機的電氣技術(shù)數(shù)據(jù) 3.4步進電動機驅(qū)動器的選擇(1步進電動機驅(qū)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(qū)

45、動,這種裝置就是步進電動機驅(qū)動器。 控制系統(tǒng)每發(fā)出一個脈沖信號, 通過驅(qū)動器就使得步進電動機旋轉(zhuǎn)一個步距角, 也就 是說, 它把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電動機的角位移。 因此, 步進電動機 的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。所有型號驅(qū)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(zhuǎn)矩狀態(tài);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(qū)動器內(nèi)部的接口電 路都相同如圖 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。

46、圖 3-10 輸入輸出接口電路(2步進電動機驅(qū)動器選擇我們這里采用 SH 系列的步進電機驅(qū)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(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)和電動機電流設(shè)定SH 系列驅(qū)動器是靠驅(qū)動器上的撥位開關(guān)來設(shè)定細(xì)分?jǐn)?shù)的,只需根據(jù)面板上的提 示進行設(shè)定即可。 對于兩相步進電動機, 細(xì)分后電動機的步距角等于電動機整步步距 角除以細(xì)分?jǐn)?shù)。 細(xì)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(zhuǎn)矩 和電動機的分辨率。所以,采用細(xì)分驅(qū)動器只要改變細(xì)分?jǐn)?shù),就能改變步距角。 (4步進電動機驅(qū)動器電源接口XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 對于超小型驅(qū)動器,采用一組 D

47、C 2440V供電。因為 PLC 需要采用開關(guān)式穩(wěn)壓 電源供電,所以該立體倉庫中應(yīng)該選用開關(guān)式穩(wěn)壓電源。(5步進電動機驅(qū)動器選型我采用 SH 系列步進電動機驅(qū)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(qū)動器采用鑄鋁結(jié)構(gòu),此種結(jié) 構(gòu)主要用于小功率驅(qū)動器 , 這種結(jié)構(gòu)為封閉的超小型結(jié)構(gòu),本身不帶風(fēng)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(nèi), 接觸面 之間要涂上導(dǎo)熱硅脂, 在其旁邊加一個風(fēng)機也是一種較好的散熱辦法。 此步進電機驅(qū) 動器的電氣技術(shù)數(shù)據(jù)為: (6步進電機驅(qū)動器接線示意圖見圖 3-

48、11圖 3-11 步進電機驅(qū)動器接線示意圖XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 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(chǎn)品, 采用能抗周圍外來光干擾的變調(diào)光式; 采用變調(diào) 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(diào)整的光軸標(biāo)識;帶有便于調(diào)整,動作確認(rèn)的入光顯示燈;反射 式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(lán)、黑 ,紅色接電源的正極、黑色接電源的負(fù)極、藍(lán)色為 輸出

49、信號, 當(dāng)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(shù)數(shù)據(jù)為 : XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 3.6微動開關(guān)的選擇在該立體倉庫控制系統(tǒng)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(guān)作為貨物檢測,當(dāng)有貨物時相應(yīng)開關(guān)動作,其信號對應(yīng) 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(guān)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(guān)原理圖如圖

50、3-13所示。圖 3-13 微動開關(guān)原理圖3.7并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源并聯(lián)式開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出功率大、體積小、重量輕、可靠性高、適應(yīng)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(nèi)置輸入 EMI 濾波器,具有較 高的抗干擾能力。XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 在該立體倉庫控制系統(tǒng)中, 考慮到 PLC 和步進電動機驅(qū)動器都要求 DC24V 電源, 綜合考慮系統(tǒng)的用電量、 系統(tǒng)運行的可靠性和系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)整性, 我們選用并聯(lián)式開 關(guān)穩(wěn)壓電源。3.8 PLC輸入輸出分配表根據(jù)系統(tǒng)的要求,系統(tǒng)的 I/O分配見下表所示表 3-4 PLC輸入輸出分配表 XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 3.9 電氣原理圖的設(shè)計根據(jù)立體倉庫的課題設(shè)計要求,得出如下圖 3-14電氣原理圖。 圖 3-14 電氣原理圖3.10 小結(jié)本章主要闡述了自動化立體倉庫系統(tǒng)硬件的設(shè)計。 首先對控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行設(shè) 計,其次對 PLC (可編程控制器 ,步進電機,步進電機驅(qū)動器,傳感器,微動開關(guān), 穩(wěn)壓電源進行慎重的選擇。最后列出了 PLC 輸入輸出分配表,并繪制了本設(shè)計的電 氣原理圖。XXXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計論文 裝 訂 線 第 4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1編程語言的介紹基本的編程語言有:梯形圖(LAD 、功