智能堆垛機控制系統(tǒng)及設計報告.doc

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畢業(yè)設計報告設計題目： 智能堆垛機的設計 設計作者： 蘇標霖 專業(yè)班級/學號： 0906020141 合作者1： XXX 專業(yè)班級/學號： xxx 合作者2： XXX 專業(yè)班級/學號： xxx 指導教師： XXX 設計時間： 2011年12月5日2012年2月10號 目錄1 引言12 設計任務及要求22.1 設計任務22.2 設計要求23 系統(tǒng)總體設計23.1機械手控制系統(tǒng)結構說明23.2堆垛機設計方案框圖34 軟、硬件設計44.1 系統(tǒng)硬件設計44.1.1系統(tǒng)硬件原理圖及工作原理說明44.1.2 氣動控制系統(tǒng)認知54.1.3 氣動控制回路分析及連接64.1.4 步進電動機認知及應用74.1.5 S7-200控制系統(tǒng)設計84.2系統(tǒng)軟件設計94.2.1程序通信參數(shù)選擇94.2.2軟件系統(tǒng)總流程圖及設計思路說明95 安裝與調試135.1安裝調試過程135.1.1立體存儲單元結構與功能分析13 5.1.2立體存儲單元機械及氣動元件安裝與調整14 5.1.3立體存儲單元氣動回路分析、安裝與調試15 5.1.4步進電動機的使用16 5.1.5立體存儲單元電氣系統(tǒng)分析、安裝與調試24 5.1.6立體存儲單元控制程序設計與調試275.2故障分析346 結論357 使用儀器設備清單358 收獲、體會和建議369 參考文獻36 10 附錄36附錄一：人機界面的四個界面 . 36附錄二：各功能模塊的程序注釋及符號說明. 38附錄三：I/O口符號表說明.45附錄四:25個存儲倉的脈沖分配表46附錄四：立體存儲站在柔性生產線中的位置實圖.471 引言 立體倉庫的產生和發(fā)展是現(xiàn)代物流體系發(fā)展的要求和信息技術進步的結果。自上世紀60 年代以來,美、日、歐等國家和地區(qū)設計和投入使用的立體倉庫越來越多,立體倉儲技術已成為一門新興的學科。有軌堆垛機是自動化立體倉庫的主要作業(yè)機械,擔負著出庫、進庫、盤庫等任務,是自動化立體倉庫的核心部件。本文以西門子公司S7-200系列PLC機型為例，研究了堆垛機的定位控制系統(tǒng)。關鍵詞：堆垛機；立體倉庫；PLCAbstractThe creation and development of stereoscopic warehouse is the request of modern logistics system development and the result of information technique progress. From last century 60s, more and more nations and regions such as the United States, Japan, Europe began to design and devotion the usage 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 stackers development as its main marking. The most important part of the whole warehouse system is laned type of stacker. The reserch of its controlling system has wildly application foreground. This paper took the example of Siemens companys S7-200 series PLC, it reserched the position control system of laned type of stacker. Key words : Laned type of stacker; Stereoscopic warehouse; manipulator; PLC2 設計任務及要求2.1 設計任務（設計內容）基于PLC控制技術設計一種堆垛機械，堆垛機械能完成三維空間的運動，人工可以操作堆垛機搬運貨物，堆垛機能按設定程序自動搬運貨物。2.2 設計要求（技術指標）（1）堆垛機三維運動均可手動控制。（2）用人機界面設計堆垛機控制面板。（3）堆垛機的三維運動速度可調，并能指示工作速度等級。（4）程序自動控制堆垛機搬運貨物。（5）撰寫設計報告。3 系統(tǒng)總體設計3.1 立體倉庫的電氣接線分析機械手主要用于搬動或者裝卸貨物的重復動作，動力來源于氣壓系統(tǒng)。在機械手控制選用PLC，其原因安全可靠。機械手控制分為手動單步、回原點、選格移動、單貨源自動、五貨源自動五大部分。手動控制與自動控制運用轉換開關進行切換，切換后按照以前步驟繼續(xù)執(zhí)行。通過PLC輸出驅動中間繼電器或步進電機驅動器，或接通電磁閥。立體存儲單元主要組成有：步進驅動模塊、絲桿驅動模塊、工件推出裝置、立體倉庫、電氣控制板、操作面板、I/O轉接端口模塊、CP閥島、氣源處理裝置等。具體結構組成可參考“5.1安裝調試過程”。如圖3-1所示為立體存儲單元的I/O接線原理圖，基本的電磁閥和傳感器等的接線。當PLC中的I/O接口被接通時，PLC上相應的端口指示燈將會亮起，轉接端口上的指示燈也會亮起。在分析立體倉庫的電氣的接線圖時，可以接線工藝圖紙，同時控制堆垛機進行所有的操作，通過觀察指示燈的變化判斷立體倉儲的接線。經過分析發(fā)現(xiàn)在本程序設計中需要知道在PLC與機床的接線中：與I0.0相接的是X軸運動方向限位探頭、與I0.1相接的是Y軸運動方向限位探頭、與Q0.0相連的是X軸電機脈沖CP+端、與Q0.1相連的是Y軸電機脈沖CP+端、與Q0.2相連的是X軸步進驅動器方向DIR+端、與Q0.3相連的是X軸步進驅動器方向DIR+端、與Q0.4相連的是直線氣缸電磁閥Y1。通過對立體倉庫的電氣的接線圖的分析，我們就可以知道在程序中：I0.0將控制X軸的歸零光電信號、I0.1將控制Y軸的歸零光電信號、Q0.0將控制X軸電機的步進脈沖、Q0.1將控制Y軸電機的步進脈沖、Q0.2將控制X軸電機的步進方向、Q0.3將控制Y軸電機的步進方向、Q0.4將控制推料氣缸的伸出/縮回。圖3-1 立體存儲單元PLC I/O接線原理圖3.2 堆垛機設計方案框圖4 軟、硬件設計4.1 系統(tǒng)硬件設計4.1.1 系統(tǒng)硬件原理圖及工作原理說明立體存儲單元用于接收前一單元送來的工件，按照預定的工件信息而自動運送至相應指定的倉位口，并將工件推入立體倉庫完成工件的存儲功能。在典型的自動化生產線中，立體存儲單元在生產流水線中作為最后一單元，模擬工業(yè)自動化生產過程中物件的分類存儲功能，如圖4-1所示為立體存儲單元的整體結構。立體存儲單元主要由直線驅動模塊、工件推料裝置、立體倉庫、I/O轉接端口模塊、電氣控制板、操作面板、CP閥島及氣源處理裝置等部件組成。具體可參考“5.1.1 立體存儲單元結構與功能分析”。直線驅動模塊工件推料裝置立體倉庫圖4-1 立體存儲單元如圖4-2所示，就像自動生產線一樣，智能堆垛機系統(tǒng)的最大特點在于它的綜合性和系統(tǒng)性。技術的綜合性是將機械技術、氣動技術、傳感檢測技術、電機驅動技術、PLC技術、網絡通信技術以及人機界面技術等多種技術的有機結合，并綜合應用到整個自動化生產線上。技術的系統(tǒng)性指的是自動化生產線的傳感檢測、傳輸與處理、分析與控制、驅動與執(zhí)行等部件在微處理單元的控制下協(xié)調有序地工作，并通過一定的輔助設備構成一個完整的機電一體化系統(tǒng)，自動地完成預定的全部生產任務。圖4-2 自動化生產技術特點4.1.2 氣動控制系統(tǒng)認知 圖4-3 簡單的氣動控制系統(tǒng) 圖4-4 靜音氣泵圖4-3為一簡單的氣動控制系統(tǒng)構成圖，該控制系統(tǒng)由靜音氣泵、氣動二聯(lián)件、氣缸、電磁閥、檢測元件和控制器等組成，能實現(xiàn)氣缸的伸縮運動控制。氣動控制系統(tǒng)是以壓縮空氣為工作介質，在控制元件的控制和輔助元件的配合下，通過執(zhí)行元件把空氣的壓縮能轉換為機械能，從而完成氣缸直線或回轉運動并對外做功。一個完整的氣動控制系統(tǒng)基本由氣壓發(fā)生裝置（氣源裝置）、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件、檢測元件以及控制器等六個部分組成，如圖4-5所示。圖4-5 氣動控制系統(tǒng)基本組成圖4-3中靜音氣泵為壓縮空氣發(fā)生裝置，其包括空氣壓縮機、壓力開關、過載安全保護器、儲氣罐、壓力表、過濾減壓閥及氣源開關等部件，如圖4-4所示。氣泵是用來產生具有足夠壓力和流量的壓縮空氣并將其凈化、處理及存儲的一套裝置，氣泵的輸出壓力可通過其上的過濾減壓閥進行調節(jié)。4.1.3 氣動控制回路分析及連接圖4-6所示為圖4-4氣動控制系統(tǒng)的原理圖。從圖可知，執(zhí)行元件為雙作用氣缸，控制元件為兩位五通的單電控電磁閥，氣動系統(tǒng)借助檢測及輔助元件裝置，在控制器的控制下實現(xiàn)氣缸的伸縮運動。圖4-6 氣動控制回路原理圖在氣動控制回路中，由于電磁閥為單電控，所以電磁閥未通電時，閥工作于右位復位狀態(tài)，氣路走向如圖4-7左圖所示，此時在氣壓力作用下，氣缸活塞左移，氣缸桿縮回。當電磁閥的電磁線圈通電時，閥工作位于左位工作狀態(tài)，氣路走向如圖4-7右圖所示，此時在氣壓力作用下，氣缸活塞右移，氣缸桿伸出。依據圖4-6氣動控制系統(tǒng)的原理圖，并結合氣動回路的運行過程要求，繪制出對應的氣動控制回路安裝連接圖，如圖4-8所示。在繪制安裝連接圖時，要求各元件之間的位置布局合理，管路連接無交叉，整體的效果美觀。圖4-7 氣動控制回路運行圖圖4-8 氣動控制回路安裝連接圖依據圖4-8所示氣動控制回路的安裝連接圖，分別將氣泵、過濾減壓閥、電磁閥及直線氣缸上的快速連接頭用氣管進行連接，隨時檢查氣路的可靠牢固性。然后接通氣源，用手控旋鈕進行調試，檢查氣缸動作情況。4.1.4 步進電動機認知及應用步進電動機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰频膱?zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步距角）。根據步進電動機的工作原理，步進電動機工作時需要滿足一定相序的較大電流的脈沖信號，生產裝備中使用的步進電機都配備有專門的步進電機驅動裝置，來直接控制與驅動步進電機的運轉工作?，F(xiàn)在比較常用的步進電機分為永磁式（PM）、反應式（VR）和混合式（HB）三種。如圖4-9所示為各種步進電動機及驅動裝置的實物圖。圖4-9 步進電動機及驅動裝置步進電動機受脈沖的控制，其轉子的角位移量和轉速與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，達到準確定位的目的，同時也可以通過控制脈沖頻率控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電動機的運行特性還與其線圈繞組的相數(shù)和通電運行方式有關。在實際應用中，首先按照步進電機和驅動器裝置具體對應的電氣接口關系連接好硬件線路，其次根據需要設置好驅動器裝置上步距角細分選擇與電流設置開關，接著控制器只需要提供一組控制步進電動機轉速和方向的mW數(shù)量級功率的可調脈沖序列就可驅動電動機工作。步進電動機由于結構簡單、價格便宜、精度較高以及使用方便等優(yōu)點，在計算機的數(shù)字開環(huán)控制系統(tǒng)中應用廣泛，例如數(shù)控機床、印刷設備、打印機、自動記錄儀等都有應用。雖然步進電動機也有一些弱點，一是用得不好有可能失步，二是控制精度相對較低，而且運動中無法確定運動部件的準確位置，一般可滿足對于工作精度要求不高的領域。4.1.5 S7-200控制系統(tǒng)設計PLC的I/O口分配可參照 圖3-1立體存儲單元PLC I/O接線原理圖。4.2系統(tǒng)軟件設計4.2.1程序通信參數(shù)選擇（設置）如圖4-10，通信參數(shù)的設置必須符合PLC型號要求，并且與觸摸屏的通信設置相同，以便與觸摸屏通信實現(xiàn)人機對話。圖4-10 通信參數(shù)設置4.2.2 軟件系統(tǒng)總流程圖及設計思路說明（1）PLC部分說明：先從機械手的部分功能開始實現(xiàn)，第一步通過程序將Q0.4置0或置1嘗試實現(xiàn)機械手的伸縮。在設計有了開端之后我就開始在pls指令中設定步進電機工作的初始速度，并通過對Q0.2或Q0.3置0或置1實現(xiàn)機械手手動控制步進升降和左右移動。接著調整高速脈沖輸出的脈沖數(shù)值，控制Y軸步進電機走一步8400個脈沖，X軸步進電機走一步8600個脈沖，因為我們選擇的步進電機細分檔次為800個脈沖轉一圈，步進電機轉動一圈的距離為4mm，而存儲倉的寬度為42mm，高度為43mm，這樣電機走一步剛好使機械臂移動一格。為了防止工作過程發(fā)生事故，使用底部限位開關前面的金屬探測器I0.0和I0.1做為第一限位點，當機械臂移至該點時就停止前進，避免了電機驅動器的電源被底部限位開關切斷。限位的方式是在手動控制中，當出現(xiàn)誤操作觸及其中一個金屬探頭時，控制步進電機轉向的Q0.2或Q0.3將被置1，使機械臂向左或向上移回來時的位置。部分功能實現(xiàn)之后將機械手升降、左右移和伸縮的程序整合到一起，實現(xiàn)堆垛機的機械手三維空間的運動。之后我又給程序設置加速和減速按鍵，同時設置了一個速度復位鍵，在初始速度的基礎上增加兩個快速檔和兩個慢速檔，并設置了每個速度等級的指示燈輸出地址。從而實現(xiàn)堆垛機的三維運動的速度的可調性，并能指示工作速度等級?？紤]到機械臂在停工的時候需要有指定的起始位置，我又編寫了“機械臂復位到底線子程序”，在主程序中通過“機械臂復位按鍵”來調用該子程序，實現(xiàn)機械臂復位到左下角的起始位置。立體存儲站的存儲倉是按平面二維布局的25個方格，我又編寫了“移動到第1格”至“移動到第25格”的子程序，在主程序中設置“往第1格移動”至“往第25格移動”的按鍵。實現(xiàn)手動控制之后，在系統(tǒng)中加入自動控制切換開關，在自動控制程序中用定時器設定了機械手伸出加緊或放置貨物的時間為2秒，縮回機械手的時間為1秒。程序編寫了兩種自動控制模式，“單貨源搬運模式”和“五貨源搬運模式”，并在自動控制程序中加入機械臂25個位置指示燈的輸出地址。最后用威綸通的觸摸屏編寫了相應的手動控制和自動控制的人機界面，經過不斷的改善讓控制面板示意清晰明了易操作。在進行PLC控制系統(tǒng)軟件設計之前，根據控制任務及要求，分析設計出電動機正反轉控制系統(tǒng)的工藝流程。具體的控制工藝流程如“智能堆垛機控制系統(tǒng)流程圖”所示。圖4-11是電動機正反轉控制工藝流程圖的例子。圖4-11 電動機正反轉控制的工藝流程圖（2） 人機界面部分說明：人機界面如附錄一，界面上的按鍵與PLC中設定的按鍵地址相同，通過示意清晰明了的控制面板對PLC程序進行控制，使得操作系統(tǒng)易操作。5 安裝與調試5.1安裝調試過程5.1.1 立體存儲單元結構與功能分析立體存儲單元用于接收前一單元送來的工件，按照預定的工件信息而自動運送至相應指定的倉位口，并將工件推入立體倉庫完成工件的存儲功能。在該典型的自動化生產線中，立體存儲單元作為最后一單元，模擬工業(yè)自動化生產過程中物件的分類存儲功能，如圖5-1所示為立體存儲單元的整體結構。立體存儲單元主要由直線驅動模塊、工件推料裝置、立體倉庫、I/O轉接端口模塊、電氣控制板、操作面板、CP閥島及氣源處理裝置等部件組成。圖5-1 立體存儲單元直線驅動模塊主要由步進電機及驅動器、滾珠絲杠機構和直線導向桿等部件組成，用于將步進電機的旋轉運動轉換成滾珠絲杠螺母移動塊的直線往復運動，如圖5-2左圖所示。立體存儲單元中具有X軸方向和Y軸方向的兩套直線驅動模塊，它們相互呈90垂直安裝于鋁合金工作臺面上，共同構成一個 X-Y平面運動系統(tǒng)，如圖5-2右圖所示。在該兩套直線驅動模塊裝置上均設有一個工作零點，安裝有電感式接近開關進行零點位置檢測，用于系統(tǒng)位置校正和參考點設置。同時，在絲杠機構的運動極限位置處均安裝有運動行程保護開關，用來防止絲杠螺母移動塊過量而產生機械性損壞。圖5-2 直線驅動模塊工件推出裝置由一個雙作用直線氣缸、推塊和一個接收工件的工作平臺（推塊導槽）組成。整體安裝固定在Y軸絲杠螺母移動塊的側面上隨著其在X-Y平面移動，主要功能是將放置在推塊導槽的工件，通過直線氣缸推動推塊將工件推進對應存儲庫位內，如圖5-3所示。同樣，為了保證推出裝置的準確動作，其上安裝有磁性開關進行限位檢測。圖5-3 工件推出裝置 圖5-4 立體倉庫立體倉庫是一個由4行4列共16個方格組成的鏤空存儲鐵架，每個方格之間距離分別為40 mm，用于分類存放不同的工件。立體倉庫垂直安裝在直線驅動模塊X-Y運動平面的一側，用于接收工件推料裝置送出的工件，如圖5-4所示。立體存儲單元上除了具有以上介紹的組成模塊外，同樣也配備有電磁閥、I/O轉接端口模塊、電氣控制板以及操作面板等組件，他們的結構和功能都和搬運單元上的一樣，在此不再詳述。5.1.2 立體存儲單元機械及氣動元件安裝與調整立體存儲單元的X-Y軸運動部分通過步進電機驅動運行，在Z軸直線氣缸工作配合下完成整個立體存儲運行過程。下面進行具體的機械及氣動元件安裝與調整步驟介紹。立體存儲單元詳細的機械及氣動元件安裝過程可觀看教材附帶光盤中視頻文件。1、在標準導軌上依次安裝I/O轉接端口模塊、步進電機驅動器、電磁閥。然后將導軌用螺釘固定到鋁合金面板下方位置上，在面板的右上角安裝氣源處理裝置。2、獨立進行X軸方向上的直線驅動模塊安裝，如圖5-5（a）圖所示。首先在絲杠上依次裝入絲杠固定機端、軸承、絲杠軸套，使絲杠固定塊機端不動，將絲杠旋出；其次在絲杠旋出端安裝上聯(lián)軸器，再套入步進電動機固定塊，電動機輸出轉軸配合安裝到聯(lián)軸器另一端，并用螺釘將電動機固定塊連接緊固到步進電動機上；再將絲杠固定機端退回到緊貼電動機固定塊位置，用螺桿將固定機端與電動機固定塊鎖緊連接，將絲桿驅動導向桿兩端分別安裝在絲杠兩端固定塊機端上，在絲桿固定塊上用緊固螺釘鎖緊；最后，在兩端絲杠固定塊下分別安裝對稱的絲杠墊塊用螺釘鎖緊。特別需要注意，絲杠和導向桿在安裝到固定塊機端時，要隨時檢測絲杠是否保持轉動運行流暢。3、當獨立安裝好X軸向直線驅動模塊后，在鋁合金臺面的中間偏下的位置上，借助兩端的絲杠墊塊用螺桿和T型螺母將其水平安裝到工作臺面上，如圖5-5（b）圖所示。安裝時盡量保證絲杠的螺母滑動塊行程范圍左右對稱。4、Y軸方向上驅動裝置獨立安裝方式與X軸方向的驅動裝置是相同的，但它不需要安裝絲杠墊塊。將直線氣缸安裝到推料導槽上，工件推塊安裝到直線氣缸的活塞桿上，用螺釘鎖緊工件推料導槽安裝到導槽底板上，最后將其整體安裝定位到Y軸絲杠裝置的螺母滑動塊的側面上，如圖5-5（c）圖所示。然后將Y軸方向上驅動裝置垂直定位到X軸方向驅動裝置的螺母滑動塊上，Y軸絲杠的下固定機端與X軸絲杠的螺母滑動塊之間通過螺釘鎖緊連接一體。對于X、Y軸驅動裝置進行配合安裝時，必須保證二者的垂直度，且必須鎖緊。5、根據X、Y軸方向驅動裝置的位置，在面板上相對位置安裝立體倉庫，以立體倉庫安裝的位置不與驅動裝置X-Y平面運動發(fā)生干涉為宜，如圖5-5（d）所示。但要注意，必須保證立體倉庫所有的倉位位于工件推料裝置能達到的范圍之內。6、根據各運動機構之間的運動空間要求，局部調整各模塊的相對位置，保證各模塊安裝穩(wěn)固，防止發(fā)生干涉，再進行加固處理。最后，在單元設備上相應安裝上氣缸節(jié)流閥、磁感應式接近開關、電感式接近開關及行程保護開關等。（a） （b）（c） （d）圖5-5 立體存儲單元的安裝示意圖5.1.3 立體存儲單元氣動回路分析、安裝與調試如圖5-6所示為立體存儲單元氣動控制回路原理圖。在本原理圖中只有一個控制直線氣缸活塞桿伸出氣動控制回路。圖5-6 立體存儲單元氣動控制回路原理圖 圖5-7 立體存儲單元氣動控制回路安裝連接圖根據圖5-6立體存儲單元氣動控制回路原理圖，結合氣路回路的運行控制過程要求，繪制其相應的氣路連接圖，如圖5-6所示。立體存儲單元的氣動控制回路的運行分析、安裝連接、調試方法及步驟與前面單元中介紹的一樣。讀者可以根據圖5-6原理圖和圖5-7安裝連接圖，再參照前面單元的相關內容自己分步實施，完成本單元的氣動控制回路安裝與調試任務，保證其滿足設備需要而正確可靠工作。5.1.4 步進電動機的使用步進電機運行受脈沖控制，其轉子的角位移和轉速嚴格與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，可以通過控制脈沖頻率來控制電動機的轉速，改變通電脈沖的順序來控制步進電機的運動方向。因此，在計算機控制領域中步進電動機應用極為普遍。立體存儲單元直線驅動模塊的X、Y軸運行采用Microtep 17HS101兩相混合式步進電動機進行驅動，其步距角為1.8，輸出相電流為1.7A，驅動電壓為DC 24V。該步進電動機的內部接線示意圖和實物具體如圖5-8所示。圖5-8 Microtep 17HS101步進電動機由于步進電動機的控制指令是不能形成連續(xù)的旋轉磁場，為了使步進電動機能夠旋轉并步進，就要形成連續(xù)旋轉磁場，這必須依靠變換器即環(huán)形脈沖分配器來實現(xiàn)。環(huán)形分配器把來自加、減電路的一系列進給脈沖指令轉換成控制步進電動機定子繞組通、斷電的電平信號。電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及順序要與進給脈沖的個數(shù)和方向對應。由于環(huán)形分配器輸出的信號僅僅是步進電機要產生期望角位移的數(shù)字邏輯控制信號，一般是TTL輸出電平，只有mW數(shù)量級的功率，這樣就需要經過功率放大后，再接到步進電動機相應的相上，才能帶動步進電動機正常轉動。大部分的步進電動機的控制都傾向采用硬件環(huán)形脈沖分配器，因此硬件環(huán)形脈沖分配器往往與功率放大器集成在一起，構成步進電動機的驅動裝置。立體存儲單元中采用SH-2H040Ma來控制驅動Microtep 17HS101步進電動機運行。該步進電動機驅動器集硬件環(huán)形脈沖分配器與功率放大器于一起，為2/4相混合型步進電機驅動器，可以與之配套電機還有17HS001、17HS111和23HS2001等。驅動器實物如圖3-89左圖所示，在驅動器上有1個4位的撥位開關（DIP1DIP4），通過DIP1和DIP2不同設置組合（00、01、10）分別選擇對應工作步距角為0.9、0.45、0.225。同時在驅動器上還有1個10位接口的接線端口接線排，分別用于與控制器和步進電動機進行連接。該步進電機驅動器工作電流輸出為1.7A，工作電壓為DC24V。圖5-9 SH-2H040Ma驅動器與步進電動機接線原理如圖5-9右圖所示為步進電動機17HS101與其配套驅動器SH-2H040Ma的電氣接線原理圖。將步進電動機相應相的接線端子連接到步進電動機驅動器對應端子上即可。具體連接時，將步進電動機引出的接線紅線、綠線、黃線、藍線的接線分別對應連接到步進電動機驅動器的A、A負、B、B負連接端子上。圖中CP+與CP-為脈沖信號，脈沖的數(shù)量、頻率和步進電動機的位移、速度成正比例；DIR+和DIR-為方向信號，它的高低電平決定電動機的旋轉方向。另外，驅動器的CP+、DIR+兩端口引出接線上均串上一個2K的電阻，當驅動器與控制器PLC之間建立電氣連接時，該電阻就會串聯(lián)在CP+與CP-、DIR+和DIR-兩個電氣回路中進行回路電流的限流保護作用。同時驅動器要工作，其上需要連接上24V的直流工作電源。由此可以看出步進電動機接收控制器的低壓低功耗控制信號，為步進電動機輸出兩相脈沖功率電源。如前所述，驅動器的側面上有一個4位DIP功能設定開關，可以用來設置選擇本驅動器的工作方式和工作參數(shù)。DIP1、DIP1位置狀態(tài)決定驅動器的細分步數(shù)，本步進電動機驅動器細分設置如表5-1所示。表5-1 細分設置表DIP 1DIP2（步/轉）角度/步004000.9018000.451016000.225下面以該步進電動機控制直線驅動模塊移動一個倉位間距40mm為例，給出了一種具體的測試操作步驟和控制實現(xiàn)方法。1、按照圖5-9完成步進電動機與驅動器之間的所有電氣連接關系，同時將CP+串電阻后與PLC的Q0.0端口相連，DIR+串電阻后與PLC的Q0.2端口相連，而CP-、DIR-均與PLC輸出端口公共端1M相連接。2、設置步進電動機驅動器上撥碼開關，使DIP1為0，DIP2為1，DIP3、DIP4為都1的狀態(tài)，即每轉的細分步數(shù)為800步/轉，輸出電流為1.7A。3、根據運動距離和設置情況計算控制脈沖數(shù)量。本單元中滾珠絲杠的螺距為4mm,步進電動機每工作一轉，螺母移動塊運行4mm，而上步中驅動器細分選擇為800步/轉，因此每步移動塊移動的距離為0.005mm。如果要移動一個倉位40mm的間距，需要的脈沖數(shù)為40/0.005=8000。4、進行S7-200 PLC的脈沖輸出及位置控制程序編寫與下載，讓PLC的Q0.0輸出端口提供給步進電動機驅動器8000個脈沖信號即可。在以上的四步中，前面三步都比較簡單，但是第四步中進行S7-200 PLC的脈沖輸出及位置控制程序編寫卻比較麻煩。要順利地編寫出正確的脈沖輸出及位置控制程序必須先要學習了解PLC中脈沖輸出及位置控制的相關內容，再進行步進電動機運行控制程序的編程。S7-200 PLC內置有兩個PTO/PWM發(fā)生器，用于建立高速脈沖串（PTO）或脈寬調節(jié)（PWM）信號波形。這兩個發(fā)生器分別指定給輸出點Q0.0和Q0.1。當Q0.0或Q0.1設定為PTO或PWM功能時，其他操作均失效，不使用PTO或PWM發(fā)生器時，則作為普通端子使用。通常在啟動PTO或PWM操作之前，用復位指令R將Q0.0或Q0.1清零。當Q0.0或Q0.1組態(tài)一個輸出為PTO操作時，生成一個50%占空比脈沖串用于步進電機或伺服電動機的速度和位置的開環(huán)控制。內置PTO功能提供脈沖串輸出，脈沖周期與數(shù)量可更改。但是實際控制電動機時，應用程序還必須通過PLC內置I/O提供電動機運行方向和限位控制，確保電動機控制安全有效。STEP7-Micro/WIN提供的位置控制向導可以幫助用戶在很短的時間內全部完成PWM、PTO或位控模塊的組態(tài)。向導可以生成位置指令，用戶可以利用這些指令在其應用程序中為速度和位置提供動態(tài)控制。開環(huán)位控用于步進電動機的基本信息借助位置控制向導組態(tài)PTO輸出時，需要用戶提供一些基本信息，相關介紹如下。1、最大速度（MAX_SPEED）和啟動/停止速度（SS_SPEED）MAX_SPEED是指允許的操作速度的最大值，它應在電動機轉矩能力的范圍之內。驅動負載所需的力矩由摩擦力、慣性以及加速/減速時間決定。SS_SPEED的數(shù)值應滿足電動機在低速時驅動負載的能力，若SS_SPEED的數(shù)值過高，電機會在啟動時丟失脈沖，并且負載在試圖停止時會使電動機超速；若SS_SPEED的數(shù)值過低，電動機和負載在運動的開始和結束時可能會搖擺或顫動。圖3-90為最大速度和啟動/停止速度示意圖，通常SS_SPEED值是MAX_SPEED值的5%15%。圖5-10 最大速度和啟動/停止速度 圖5-11 加速和減速時間2、加速和減速時間加速時間ACCEL_TIME是指電動機從SS_SPEED速度加速到MAX_SPEED速度所需的時間。減速時間DECEL_TIME是指電動機從MAX_SPEED速度減速到SS_SPEED速度所需的時間。如圖5-11所示為加速和減速時間示意圖，加速時間和減速時間的缺省設置都是1000毫秒。電動機可在小于1000毫秒的時間內工作，但是電動機的加速和減速時間通常要經過測試來確定。測試時，最先輸入一個較大的值，然后逐漸減少這個時間值直到電動機開始失速，從而優(yōu)化應用中的這些參數(shù)設置。3、移動包絡一個包絡是一個預先定義的移動描述，它包括一個或多個速度，影響著從起點到終點的移動。一個包絡由多段組成，每段包含一個達到目標速度的加速/減速過程和以目標速度勻速運行的一串固定數(shù)量的脈沖。位置控制向導提供移動包絡定義界面，應用程序所需的每一個移動包絡均可在此界面中定義，而且PTO支持最大達100個包絡。定義一個包絡包括以下幾點：1）選擇包絡的操作模式；2）為包絡的各步定義指標；3）為包絡定義一個符號名。1）選擇包絡的操作模式PTO支持相對位置和單一速度的連續(xù)旋轉這兩種操作模式，如圖5-12所示。相對位置模式是指運動的終點位置是從起點側開始計算的脈沖數(shù)量。單一速度連續(xù)轉動不需要提供終點位置，PTO一直持續(xù)輸出脈沖，直到有其它命令發(fā)出，比如到達位置原點要求停發(fā)脈沖，才停止脈沖輸出。圖5-12 包絡的操作模式2）包絡中的步一個步是指運動的一個固定距離，包括加速和減速時間內的距離。PTO中每一包絡最大允許29個步，且每一步包括目標速度和結束位置或脈沖數(shù)目等幾個指標。步的數(shù)目與包絡中常速段的數(shù)目一致，如圖5-13所示為一步、兩步包絡示意圖。圖5-13 包絡的步數(shù)STEP7-Micro/WIN軟件的位置控制向導能自動處理PTO脈沖的單段管線和多段管線、脈寬調制、SM位置配置和創(chuàng)建包絡表。下面闡述如何使用位置控制向導編程實現(xiàn)前面所要求的步進電動機位置控制。1、在STEP7-Micro/WIN軟件的命令菜單中選擇“工具”“位置控制向導”命令，向導就開始引導位置控制配置。在彈出的位置控制向導界面，選擇配置S7-200 PLC內置PTO/PWM操作，如圖5-14所示。圖5-14 位置控制向導啟動界面2、單擊“下一步”按鈕，出現(xiàn)選擇脈沖發(fā)生器的選項，如圖5-15所示。在前面的硬件電路連接中CP+已于Q0.0連接，因此選擇Q0.0作為脈沖發(fā)生器。然后再選擇下一步。圖5-15 選擇脈沖發(fā)生器3、在出現(xiàn)的選擇PTO或PWM界面中，選擇“線性脈沖輸出（PTO）”，如圖3-96所示。圖5-16 組態(tài)內置PTO操作選擇界面4、單擊“下一步”按鈕后，接下來界面是設定電動機速度參數(shù)，包括前面所述的最高電動機速度MAX_SPEED和電動機啟動/停止速度SS_SPEED，在對應的編輯框中輸入這些數(shù)值。輸入最高電機速度“100000”，把電機啟動/停止速度設定為“5000”，如圖5-17所示。MIN_SPEED的值不用設置，系統(tǒng)會計算自動產生，完成后單擊“下一步”。圖5-17 設定電動機速度參數(shù)5、進入加速和減速時間設置界面，如圖5-18所示。加速時間ACCEL_TIME和減速時間DECEL_TIME分別為默認的1000（ms），但是可以根據實際要求進行修改調整。到此完成位置控制向導提供基本信息的工作。單擊“下一步”，開始配置運動包絡定義界面。圖5-18 加速和減速時間設置6、在運動包絡定義的界面中，選擇包絡的操作模式為“相對位置”，輸入目標速度和結束位置的脈沖數(shù)目，然后點擊確認。注意目標速度不能超過之前設置的電動機的最高轉速，結束位置的脈沖數(shù)就是上面第三步中計算的位移脈沖數(shù)量。在上面計算出運動一個倉位的距離需要8000個脈沖，因此在操作模式選項中選擇相對位置控制，填寫包絡0中數(shù)據目標速度“8000”，結束位置“8000”，點擊“繪制包絡”，即可繪制出運動包絡圖，如圖3-99所示。注意，這個包絡只有1步，包絡的符號名按默認定義為Profile_0，用戶也可以在包絡定義符號名窗口中直接修改成自己確定的包絡符號名。圖5-19 設置運動包絡7、運動包絡編寫完成之后，單擊“確認”按鈕，向導會要求為運動包絡指定V存儲區(qū)地址（建議地址為VB0VB69），可默認這一建議，也可自行鍵入一個合適的地址。圖5-20所示是指定V存儲區(qū)首地址為VB0時的界面，向導會自動計算地址的范圍。圖5-20 運動包絡指定V存儲區(qū)地址8、單擊“下一步”出現(xiàn)圖5-21所示的脈沖輸出向導界面，界面中提示已生成的項目組件名錄及PTO配置地址等信息，單擊“完成”按鈕即可完成整個工作。圖5-21 生成項目組件提示圖5-22 3個項目組件運動包絡組態(tài)完成后，向導會為所選的配置生成三個項目組件（子程序），分別是：PTO0_CTRL子程序（控制）、PTO0_RUN子程序（運行包絡）和PTO0_MAN子程序（手動模式）子程序，如圖5-22所示，一個由向導產生的子程序就可以在程序中被調用。下面對三個項目組件的功能作進一步的敘述。1、PTO0_CTRL子程序：（控制）啟用和初始化PTO輸出。在用戶程序中只使用一次，并且需要確定在每次掃描時得到執(zhí)行。即始終使用SM0.0作為EN的輸入，如圖5-23所示。圖5-23 運行PTO0_CTRL子程序 I_STOP（立即停止）輸入（BOOL型）：當此輸入為低電平時，PTO功能會正常工作。當此輸入變?yōu)楦唠娖綍r，PTO立即停止脈沖的發(fā)出。 D_STOP（減速停止）輸入（BOOL型）：當此輸入為低電平時，PTO功能會正常工作。當此輸入變?yōu)楦唠娖綍r，PTO會產生將電動機減速至停止的脈沖串。 Done(完成)輸出（BOOL型）：當完成位被設置為高時，它表明上一個指令已執(zhí)行。 Error（錯誤）參數(shù)（BYTE型）：包含本子程序的結果。當完成位為高電平時，錯誤字節(jié)會報告無錯誤或有錯誤代碼的正常完成。 C_Pos（DWORD型）：如果PTO向導的HSC計數(shù)器功能已啟用，此參數(shù)包含以脈沖數(shù)表示的模塊當前位置。否則，當前位置將一直為0。2、PTO0_RUN子程序（運行包絡）：命令PLC執(zhí)行存儲于配置包絡表的指定包絡中的運動操作。運行這一子程序的梯形圖如圖5-24所示。圖5-24 運行PTO0_RUN子程序 EN位：子程序的使能位。在“完成”（Done）位發(fā)出子程序執(zhí)行已經完成的信號前，應使EN位保持開啟。 START參數(shù)（BOOL型）：包絡執(zhí)行的啟動信號。對于在START參數(shù)已開啟，且PTO當前不活動時的每次掃描，此子程序會激活PTO。為了確保僅發(fā)送一個命令，一般用上升沿以脈沖方式開啟START參數(shù)。 Abort（終止）命令（BOOL型）：命令為ON時位控模塊停止當前包絡，并減速至電動機停止。 Profile（包絡）（BYTE型）：輸入為此運動包絡指定的編號或符號名。 Done（完成）（BOOL型）：本子程序執(zhí)行完成時，輸出ON。可用該完成位來限制PTOx_RUN子程序運行。 Error（錯誤）（BYTE型）：輸出本子程序執(zhí)行結果的錯誤信息。無錯誤時輸出0。 C_Profile（BYTE型）：輸出位控模塊當前執(zhí)行的包絡。 C_Step（BYTE型）：輸出目前正在執(zhí)行的包絡步驟。 C_Pos（DINT型）：如果PTO向導的HSC計數(shù)器功能已啟用，則此參數(shù)包含以脈沖數(shù)作為模塊的當前位置。否則，當前位置將一直為0。3、PTO0_MAN子程序（手動模式）：將PTO輸出置于手動模式。執(zhí)行這一子程序允許電動機啟動、停止和按不同的速度運行。但當PTO0_MAN子程序已啟用時，除PTO0-CTRL外任何其他PTO子程序都無法執(zhí)行。運行這一子程序的梯形圖如圖5-25所示。圖5-25 運行PTO0_MAN子程序 RUN（運行/停止）參數(shù)：命令PTO加速至指定速度（Speed（速度）參數(shù)）。從而允許在電動機運行中更改Speed參數(shù)的數(shù)值。停用RUN參數(shù)命令PTO減速至電動機停止。當RUN已啟用時，Speed參數(shù)確定速度。速度是一個用每秒脈沖數(shù)計算的DINT（雙整數(shù)）值?？梢栽陔妱訖C運行中更改此參數(shù)。 Error（錯誤）參數(shù)：輸出本子程序的執(zhí)行結果的錯誤信息，無錯誤時輸出0。 C_Pos（DINT型）：如果PTO向導的HSC計數(shù)器功能已啟用，此參數(shù)包含用脈沖數(shù)目表示的模塊；否則此數(shù)值始終為零。由上述三個子程序的梯形圖可以看出，為了調用這些子程序，編程時應預置一個數(shù)據存儲區(qū)，用于存儲子程序執(zhí)行時間參數(shù)，存儲區(qū)所存儲的信息，可根據程序的需要直接調用。5.1.5 立體存儲單元電氣系統(tǒng)分析、安裝與調試立體存儲單元中安裝在電氣控制板上的電氣系統(tǒng)、操作面板的硬件系統(tǒng)以及各電氣接口信號排布與搬運單元相同，具體可以參照搬運單元中相關的內容。而X、Y兩軸方向的滾珠絲杠直線驅動模塊，分別采用前面子任務四中介紹的兩臺Microtep 17HS101兩相混合式步進電動機驅動。兩步進電動機由兩臺SH-2H040Ma驅動器來驅動，通過單元中PLC發(fā)送的脈沖及換向信號實現(xiàn)步進電動機的控制運行。為了有效檢測定位直線驅動模塊上滾珠絲杠螺母滑動塊的移動位置，在X軸的左端和Y軸的下端均安裝有一個電感式接近開關，用于兩軸上對應螺母滑動塊回到原點位置的檢測，為步進電動機的運動位置控制提供參考原點。為了防止步進電動機螺母滑動塊產生運動過沖，避免其對滾珠絲杠傳動系統(tǒng)造成機械性損壞，在X和Y軸的兩行程終端均安裝有機械行程開關。該四個機械行程開關的常閉觸點串聯(lián)在一起，直接連接在步進驅動器直流24V供電電源回路上，當螺母滑動塊過沖時，直接以硬件的方式切斷驅動器電源，從而使步進電動機緊急停止運行。立體存儲單元中所需要PLC的I/O點數(shù)為11點輸入和7點輸出，選用S7-200 CPU 226 CN DC/DC/DC 的PLC，其I/O點數(shù)為24/16，足可以滿足控制I/O點數(shù)的需要。具體I/O地址分配如下表5-2所示。表5-2 立體存儲單元的I/O地址分配序號地址設備符號設備名稱設備功能1I0.0B1電感式接近開關X軸反方向的原點左限位2I0.1B2電感式接近開關Y軸反方向的原點下限位3I0.21B1磁感應式接近開關推料氣缸活塞桿縮回限位4I0.31B2磁感應式接近開關推料氣缸活塞桿伸出限位5I2.0SB1按鈕開始6I2.1SB2按鈕復位7I2.2SB3按鈕特殊8I2.3SA1開關手動（0）/自動（1）切換9I2.4SA2開關單站（0）/聯(lián)網（1）切換10I2.5SB4按鈕停止11I2.6KM繼電器觸頭上電信號12Q0.0CP1+X軸步進電機驅動器脈沖輸出控制X軸方向推料臺的移動13Q0.1CP2+Y軸步進電機驅動器脈沖輸出控制Y軸方向推料臺的移動14Q0.2DIR1+X軸驅動器方向控制控制X軸推料臺的移動方向15Q0.3DIR2+Y軸驅動器方向控制 控制Y軸推料臺的移動方向16Q0.41Y1電磁閥控制氣缸直線推料氣缸17Q1.6HL1綠色指示燈開始指示18Q1.7HL2藍色指示燈復位指示如圖5-26所示為立體存儲單元的I/O接線原理圖，基本的電磁閥和傳感器等的接線，自己可參照前面單元的分析，然后進行接線。另外，在輸出端的步進電動機方向控制和脈沖發(fā)生器線路上均串上一個阻值為2K限流保護電阻。圖5-26 立體存儲單元PLC I/O接線原理圖下面針對立體存儲單元中步進驅動系統(tǒng)的連接與調試進行說明。進行步進電動機驅動系統(tǒng)電氣線路連接時，先按照圖3-89所示電氣接線關系，將X軸和Y軸上的步進電動機和驅動器連接好對應的相線電氣線路。圖3-106中PLC的輸出端Q0.0Q0.3分別串有2K電阻后與對應的步進驅動器控制輸入端CP1+、CP2+、DIR1+和DIR2+相連，而驅動器上的CP1-、CP2-、DIR1-和DIR2-均連接到輸出端直流24V電源的負端0V上，即PLC輸出端口1M公共端上。特別要注意的是在連接驅動器供電電源時，供電線路中必須要串聯(lián)上4個行程限位保護開關的常閉觸點，用來防止螺母滑動塊產生過沖。4個行程限位保護開關的安裝位置應該合理，一定要保證螺母滑動塊到達行程終點位置前，能可靠的壓下行程開關切斷驅動器電源。步進電動機驅動系統(tǒng)硬件線路連接完成之后，還必須進行驅動系統(tǒng)的控制功能調試，特別是電動機旋轉方向的控制測試。調試時，先將X軸滾珠絲杠上的螺母滑動塊人工的調整到各自行程的中間位置，接著按照子任務四中講解方法配置一運動包絡，再按如圖5-27所示測試程序進行調試。圖5-27左圖測試程序中首先有復位Q0.2，即此時DIR1+為低電平狀態(tài)，調用PTO0_MAN手動模式子程序，按下啟動按鈕SB1，觀察X軸螺母滑動塊的移動情況；圖5-27右圖測試程序中首先有置位Q0.2，即此時DIR1+為高電平狀態(tài)，調用PTO0_MAN手動模式子程序，同樣按下啟動按鈕SB1，再觀察X軸螺母滑動塊的移動情況。通過這兩小段調試程序，即可判斷出X軸上步進電動機驅動系統(tǒng)是否工作正常以及運行方向。同樣，對于Y軸上步進電動機調試方法也類似。圖5-27 步進電動機測試程序需要注意，調試前一定要將X、Y兩滾珠絲杠上的螺母滑動塊人工的調整到各自行程的中間位置，為了在運行方向不確定的情況下，兩個方向均留有足夠的運行調試空間。雖然行程極限位置處均裝有硬件保護行程開關，但是在按下啟動按鈕SB1時，要時刻觀察其運行情況，時刻準備好放松SB1按鈕，防止硬件保護動作后再需人工調整來排除后方可繼續(xù)進行調試。5.1.6 立體存儲單元控制程序設計與調試針對立體存儲單元結構特點，下面給出了其典型的設備運行控制要求與操作運行流程。1、系統(tǒng)上電，立體存儲單元處于初始狀態(tài)，操作面板上復位燈閃爍指示。2、按下復位按鈕，復位燈熄滅，開始燈閃爍指示，直線氣缸的活塞桿處于縮回狀態(tài)，X、Y軸絲杠滑動塊回歸原點位置。3、按下啟動按鈕時，復位燈熄滅，開始燈指示，X軸和Y軸的步進電動機共同驅動滑動塊運行，使工作平臺運動到等待工件的工作位置（從上到下第三層首格外部）。4、等待工件時間到，根據工件的計數(shù)情況自動選擇存儲倉位，到達規(guī)定的倉位后將工件推進該倉位存儲。5、將工件推進倉位后，直線氣缸活塞桿縮回完成，X、Y軸方向上的步進電動機驅動驅動塊工作平臺返回等待工件位置，等待新一輪的啟動信號。6、同樣，立體存儲單元有手動單周期、自動循環(huán)兩種工作模式。無論在哪種工作模式控制任務中，立體存儲單元必須處于初始復位狀態(tài)方可允許啟動。這兩種工作模式的操作運行特點與前面搬運單元一樣，可見搬運單元的對應內容。如圖5-28所示為立體存儲單元的控制工藝流程圖，其滿足以上所列典型的運行控制要求與操作運行流程。注意此流程圖僅是給出主要的控制內容，具體細節(jié)在此沒有作詳細說明，由學習者自己補充。圖5-28 立體存儲單元的控制工藝流程圖根據圖5-28所示立體存儲單元的控制工藝流程圖編寫其對應的控制程序。為了更方便地進行程序的設計與管理，本單元中采用模塊化的編程思想進行控制程序設計。下面對子程序的功能以及具體的使用