基于PLC的立体车库控制系统设计.doc

PLC 实训设计任务书 论文题目基于 PLC 控制的立体车库系统的设计 姓 名专业 年级 指导教师任务下达日期2016 6 30 一 实训的主要内容 根据实际要求 以 S7 200 型 PLC 为核心 设计立体车库控制系统 设计控制系统硬件电路 编写软件控 制系统程序 目的是掌握 PLC 控制的基本原理 直流电机 传感器等器件的原理及使用 二 实训报告任务 车库模型以 205 实验室的立体车库模型为准 立体停车库实物教学实验装置的主要结构分为控制柜和停车库模型两部分 控制柜部分由按键显示板 信号接口板电气 控制板几部分组成 停车库模型部分由停车层模型和停车盘模型组成 停车层分为上中下三层 上层有四个车位 共有四个车盘 可停放四辆汽车 模型 从左到右分别是 1 号位 2 号位 3 号位 4 号位 简记符为 3 1 3 2 3 3 3 4 中层有四个车位 共有三个车盘 可停放三辆汽车模型 从左到右 分别是 2 1 车盘 2 2 车盘 2 3 车盘 下层有四个车位 共有三个车盘 可停 放三辆汽车模型 从左到右分别是 1 1 车盘 1 2 车盘 1 3 车盘 对立体车库的控制可以有两种方法 第一种是由现场操作人员通过相应的按钮控制立体车库设备的动作 第二种是根据实际的生产工艺要求 编制出控制程序 按照现场要求来控制 立体车库设备的动作 按下存车按钮选择存车位置 如果选择的车位上已有车停放 将发出警示信 息 该警示信息可以通过控制系统点亮警示灯或发出警示声来实现 如果选择的 车位上无车 系统将做如下动作 如果选择存放 1 1 号车位 汽车进入车库 当检测到光电开关的信号后 表 明车辆己经进库 如果选择存放 1 2 号车位 载车盘 1 1 右移 载车盘 1 2 下移 到第一层 汽车进入车库 1 2 号车位上移到第二层原位停止 按下取车按钮选择取车位置 如果选择的车位上没有车停放 将发出警示信 息 如果选择的车位上有车 系统将做如下动作 如果选择取 1 1 号车位的车 此时车辆可以离开车库 当检测到限位开关的 信号后 表明车辆已经出库 车位 1 1 车辆出库过程完成 如果选择取 1 2 号车 位的车 载车盘 1 1 右移 载车盘 1 2 下移到第一层 汽车出库 车位 1 2 车辆 出库过程完成上移回原位 车位 1 2 车辆出库过程完成 2 三 实训报告要求 1 写完整实训报告说明书 3000字 2 完成系统硬件配置 合理进行地址分配 列出I O表 画出接线图 3 设计梯形图控制程序 并在仿真软件上调试 4 软件仿真调试成功后 到实验室接线调试 四 实训报告要求进度安排 日期时间内容备注 查资料 确定 I O 数量和配置 画程序流程图并软件仿真 实验室调试 实验室调试 指导老师签字 3 摘 要 立体车库是专门实现各种车辆的自动停放及科学寄存的仓储设施 随着城市汽车 保有量的不断增加 停车难问题己经成为大中型城市的一个普遍现象 机械式立体车 库可充分利用上地资源 发挥空间优势 最大限度地停放车辆 成为解决城市静态交 通问题的重要途径 本课题以较为典型的升降横移式立体车库为研究对象 综合考虑 立体车库制造成本和运行效率的双重因素 本文在对国内外车库现状及发展趋势做了充分调研的基础上 选择四层三列式车 库结构为研究模型 升降横移式立体车库就其组成部分而言 可分为三大部分 车库 结构部分 传动机构部分和控制系统部分 本文简单介绍了车库的主体结构和特点 对车库的控制系统也作了简单的说明 在对升降横移式立体车库控制系统的设计中 采用了先进的可编程序控制器 PLC 控制 运用西门子公司的编程软件编制了升降横移 式立体车库控制系统的程序 并经调试 运行 证明采用 PLC 作为控制系统简单易行 其稳定 可靠 快速 性价比高的特点使得控制系统非常完美 为了使停车设备满足 使用要求 根据国家关于机械式停车设备通用安全要求的标准 升降横移式立体车库 的实际 在升降横移式立体车库中使用了一些必要的安全技术 这样保证了车辆的绝 对安全 使得整个车库可以安全平稳的运行 关键词 关键词 立体车库 控制系统 可编程序控制器 4 ABSTRACT Stereo garage is the storage which is used for automatic parking and scientific storage of kinds of automobile As the quantity of urban automobile has increased continuously in nowadays the hard to Park Problem has become a common phenomenon Mechanical stereo garage can use land resource sufficiently and bring space advantage into play and maximize the number of parking cars It has become an important way for static traffic problem of cities The issue studies the type mechanical parking system which named up down and translation stereo garage and regards of the two factors of cost of manufacture and operational efficiency synthetically On the basis of investigation on current situation and developing trend of garage in domestic and abroad we choose four layer and three formulistic garage structure as the research model According to the form of the dragging forms of multi player up down and translation ear base it is made of three parts part of ear base structure part of driving framework and part of control system The paper simply introduces main structure and characteristics of garage and also gives a short introduction to its control system The paper adopted PLC as control system in designing the up down and translation stereo garage PLC software of SIEMENS company was used to weave the program of control system through debugging running The result proved that adopted PLC as control system is simple and easy to realize The characteristic of stabilization credibility speediness and high capability made the control system very perfection In order to satisfy using demand in design stereo garage according to criterion of mechanical parking systems general safety requirement and the facts of the up down and translation stereo garage the Paper introduced some safety technique which was used in the up down and translation stereo garage This can ensure absolute safety for Car and make the whole stereo garage safety and running smooth Keywords Stereo garage Control system PLC 5 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 本题设计的背景 1 1 2 本题设计的内容 2 1 3 本题设计的目的及意义 2 第 2 章 系统控制方案的设定 3 2 1 自动化立体车库的描述 3 2 2 系统设计的基本步骤 3 第 3 章 立体车库系统硬件方面的设计 4 3 1 硬件系统的总体设计 4 3 2 PLC 控制模块的设计 9 3 3 步进驱动模块的设计 10 3 4 丝杆驱动模块的设计 14 3 5 电气原理图的设计 14 第 4 章 升降横移式立体车库系统软件方面的设计 15 4 1 系统主程序的设计 15 4 2 系统子程序的设计 16 参考文献 22 附录 1 电气原理图设计 23 附录 2 PLC 梯形图设计 2 6 第 1 章 绪论 1 1 本题设计的背景 随着我国城市经济和汽车工业的迅速发展 拥有私家车的家庭越来越多 截至 2011 年 8 月底 全国机动车保有量达到 2 19 亿辆 其中 汽车保有量首次突破 1 亿辆 而早在 2000 年 全国机动车保有量仅为 1249 万辆 汽车保有量为 625 万辆 通过以 上数据可以看出 短短 10 年里 中国的机动车辆增加了 17 倍 汽车增加了 16 倍 而 与此相对应的是城市停车状况的尴尬 以北京市为例 截止 2007 年底 市区仅有公共 停车场 828 处 共计车位 5 7 万个 仅占市区机动车拥有量的 8 6 停车环境与城市 规划的矛盾十分突出 上海的情况也让人无法乐观 仅有的 229 个地下车库使用面积 不足 60 万平方米 只能满足 1 3 万辆机动车停放的要求 路边停车渐呈泛滥之势 比 例高达 64 而且还有继续上升之势 据建设部城市交通工程技术中心对全国 15 个大 城市停车现状的调查 城市机动车保有量与停车位之比平均为 4 84 1 这一比值对 于渴望 车者有其位 的车主来说 形式不容乐观 停车难产生最主要的原因是城市 建设规划上的准备不足 上世纪 80 年代初期 北京市权威部门对 2000 年北京汽车发 展数的预测仅仅是 70 万 80 万辆 而事实上到新世纪钟声敲响之前 北京市汽车总量 则足足比预期多了 100 万辆 其中私人小客车的数量就高达 45 万辆 面对迅速发展的 城市车流 停车设施建设的落后也就不足为奇 据建设部停车技术开发推广中心介绍 北京市停车设施的 欠账 最保守估计应为 20 30 停车问题是城市在发展过程中出现的静态交通问题 静态交通是相对于动态交通 而存在的一种交通形态 二者相互联系 互相影响 停车设施是城市静态交通的主要 内容 随着城市的不断发展 各种车辆的不断增加 对停车设施的需求也在不断增加 如果两者之间失去平衡 城市里就会出现停车难的一系列问题 数据显示 最近几年 我国城市机动车辆平均增长速度在 15 20 而同时期城市停车基础设施的平均增长速 度只有 2 3 特别是大城市的机动车拥有量的增长速度远远超过停车基础设施的增长 速度 因此 我们必须重视城市停车难的问题 并积极探求解决的措施 专家们指出 解决城市静态交通问题 大体分为软硬两种措施 所谓软措施 就 是通过政策法规 限制路面停车 提高停车场利用效率 使部分车主更愿意改乘公共 交通工具 以减少机动车对停车场的需求 而硬措施 主要包括增建停车场 建设地 7 下及立体停车场 利用其它空间满足停车需求 1 2 本题设计的内容 本课题的主要内容是基于西门子 S 200 系列 PLC 的立体车库控制系统的设计 升 降横移类机械停车库利用托盘移位产生垂直通道 实现高层车位升降存取车辆 其车位 结构为 2 维矩阵形式 可设计为多层和多列 由于受收链装置及进出车时间的限制 一 般为 2 4 层 国家规定最高为 4 层 2 层 3 层者居多 现以典型的地上 4 3 升降横移 式为例 说明停车库的运行原理 立体车库结构特点是 底层只能平移 顶层只能升降 除顶层外 底层都必须预留 一个空车位 供进出车升降之用 当底层车位进出车时 无需移动其他托盘就可直接进 出车 顶层进出车时 先要判断其对应的下方位置是否为空 不为空时要进行相应的平移 处理 直到下方为空才可进行下降动作 进出车完成后再上升回到原位置 其运动的总 原则是 升降复位 平移不复位 1 3 本题设计的目的及意义 作为现代大都市的标志 立体建筑和立体交通都有了显著发展 道路拥挤 车满 为患已成为当今快节奏社会中的最不和谐之音 发展立体停车已成为人们的共识 目 前我国经济正处在高速发展时期 随着人们生活水平的不断提高 汽车进入家庭的步 伐正在加快 停车产业市场前景广阔 机械式立体车库既可以大面积使用 也可以见 缝插针设置 还能与地面停车场 地下车库和停车楼组合实施 是解决城市停车难最 有效的手段 机械车库与传统的自然地下车库相比 在许多方面都显示出优越性 首 先 机械车库具有突出的节地优势 以往的地下车库由于要留出足够的行车通道 平 均一辆车就要占据 40 平方米的面积 而如果采用双层机械车库 可使地面的使用率提 高 80 90 如果采用地上 21 层立体式车库的话 50 平方米的土地面积上便可存 放 40 辆车 这可以大大地节省有限的土地资源 并节省土建开发成本 机械车库与地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆的安全 人在车库内或车 不停准位置 由电子控制的整个设备便不会运转 应该说 机械车库从管理上可以做 到彻底的人车分流 在地下车库中采用机械存车 还可以免除采暖通风设施 因此 运行中的耗电量比工人管理的地下车库低得多 机械车库一般不做成套系统 而是以 单台集装而成 这样可以充分发挥其用地少 可化整为零的优势 在住宅区的每个组 团中或每栋楼下都可以随机设立机械停车楼 这对眼下车库短缺的小区解决停车难的 问题提供了方便条件 当以往的路边 人行道上停车 地下或地面停车场均解决不了 上述问题时 采用机械式立体停车设备是一个非常有效的措施 机械式立体停车设备 又名立体车库 它占地空间小 并且可最大限度地利用空间 安全方便 立体车库的 设计目的 是解决城市用地紧张 缓解停车难的一个有效手段 可以预见立体车库具 8 有非常广阔的市场前景 9 第 2 章 系统控制方案的设定 2 1 自动化立体车库的描述 目前 立体车库主要有以下几种形式 升降横移式 巷道堆垛式 垂直提升式 垂直循环式 箱型水平循环式 圆形水平循环式等 在对国内外各种同类产品进行分 析的基础上 再结合造价 技术难度以及用户需求等各个方面的因素 可以发现升降 横移式立体车库形式比较多 规模可大可小 而且对场地的适应性较强 同时采用这 类设备的车库十分普遍 因此 最终确定研究对象为升降横移式立体车库 2 2 系统设计的基本步骤 立体车库系统设计与调试的主要步骤 如图 1 所示 图 1 立体车库控制系统的修订步骤 10 在本次课题设计过程中主要考虑以下几点 1 深入的了解和分析立体车库的工艺条件和控制要求 2 根据立体车库的控制系统的功能要求 确定系统的设计系统结构 3 根据所设计的场所 选择电动机的类型 4 根据 I O 的点数选择合适的 PLC 的类型 5 分配 I O 点 分配 PLC 的输入 输出点 6 设计立体车库系统的梯形图设计 7 将程序输入 PLC 程序进行调试 查出错误 让程序更加完善 第 3 章 立体车库系统硬件方面的设计 3 1 硬件系统总体设计 3 1 1 硬件系统结构设计 立体仓库存储系统主要由PLC控制模块 步进驱动模块 丝杆驱动模块 工件推出 模块 立体仓库 气源处理组件等部件组成 系统结构模型如图2所示 图 2 立体车库模型 11 3 1 2 精确定位原理精确定位原理 PLC每发出一个脉冲 步进电机转动一个步距角度 X轴步进电机带动X轴丝杆做左 右直线运动或Z轴步进电机带动Z轴丝杆做上下直线运动 实现载物台的上 下 左 右运动 通过控制X轴 Z轴步进电机的脉冲个数 就可以控制载物台在X轴 Z轴上移 动的距离 实现载物台在X Z轴平面的精确定位 从而把物体放到仓库的指定位置 当PLC输出5000个脉冲时 平移距离为3 125cm 平移距离 步距角 脉冲个数 螺距 360o 输出脉冲10000时平移距离理论值为6 25cm 3 2 升降横移式立体车库的基本结构 升降横移式立体车库由底盘 四层十二车位停车场 运动机械及电气控制等四部 分组成 机械部分采用滚珠丝杠 滑杠 普通丝杠等机械元件组成 采用步进电机 直流电机作为拖动元件 电气控制是由西门子 S 200 系列可编程序控制器 PLC 步进 电机驱动电源模块 开关电源 位置传感器等器件组成 本系统采用滚珠丝杠 滑杠和普通丝杠作为主要传动机构 电机采用步进电机和 直流电机 其关键部分是堆垛机 它由水平移动 垂直移动及伸叉机构三部分组成 其水平和垂直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成 伸叉机构由一台直流电 机来控制 它分为上下两层 上层为货台 可前后伸缩 低层装有丝杠等传动机构 当堆垛机平台移动到货架的指定位置时 伸叉电机驱动货台向前伸出可将货物取出或 送入 当取到货物或货已送入 则铲叉向后缩回 整个系统需要三维的位置控制 控制面板上的开关 按钮功能及车位号如图 3 所示 图 3 控制面板上的开关 按钮功能及车位号 12 控制面板上的按钮功能如表 1 所示 表 1 控制面板上的按钮功能表 具体的操作步骤如下 1 手动操作 1 接通电源 2 将选择开关置于手动位置 此时 1 6 号有效 3 分别点动按键 1 2 3 4 5 6 观察水平 X 轴 垂直 Y 轴 前后 Z 轴 各丝杠运行情况 运行应平稳 在接近极限位置时 应执行限位保护 运 行自动停止 注意 只有 X Y 轴运行到相应位置 左侧数码管显示 时 伸叉机构方可运行 2 自动运行 1 将程序下载到 PLC 2 将选择开关置 自动 位置 通电状态下 各机构复位 即返回零位 3 将一带托盘汽车模型置零号仓位 放置模型时 入位要准确 并注意到仓位底部 检测开关已动作 4 执行 送 指令 a 选择欲送仓位号 按动仓位号对应按钮 控制面板上的数码管显示仓位号 b 按动送指令按钮 观察送入动作 若被选择仓位内已有汽车 则该指令不被执行 c 指令完成后 机械自动返回 按键号手动自动 1 1机构水平向左移动选择 1 号仓位 2 2机构垂直向下移动选择 2 号仓位 3 3机构水平向右移动选择 3 号仓位 4 4机构水平向后移动选择 4 号仓位 5 5机构垂直向上移动选择 5 号仓位 6 6机构水平向前移动选择 6 号仓位 7 7无意义选择 7 号仓位 8 8无意义选择 8 号仓位 9 9无意义选择 9 号仓位 1010无意义选择 10 号仓位 1111无意义选择 11 号仓位 1212无意义选择 12 号仓位 13 d 零号仓位已无汽车 则下一个 送 指令 误操作 将不被执行 5 执行 取 指令 a 选择欲取仓位号 按动仓位号对应按钮 控制面板上的数码管显示仓位号 b 按动 取 按钮 观察取出动作 若被选择仓位内无汽车 则该指令不被执行 c 指令完成后 机构自动复位 d 零号仓位已有汽车 则下一个 取 指令 误操作 将不被执行 6 演示程序中的其它内容 当 0 仓位上有货物时 若无外部操作指令 就绪 灯亮 延时 15 秒后 自动将 货物放在仓库号最小的空位上 依次类推 如 1 2 3 4 都已有货物 程序延时 15 秒 15 秒内若无外部操作指令 自动将货物放在 5 仓库 如 1 3 4 都已存放 货物 15 秒内若无外部操作指令 自动将货物放在 2 仓库 在延时的 15 秒内 若按 下数字 5 然后按下 送 键 则运行机构将货物放入 5 库 若按下 5 键后 想取消 此操作 可按下 放弃 键 此时 程序又处在待命状态 就绪 灯亮 又可进行其 它操作 当 0 仓位上无货物时 若无人操作 就绪 灯亮 15 秒后 程序将把数值最大仓 库号里的物品转运至没有放货物的仓号比它小的仓库里 如 1 2 5 有物 该程序 将自动把 5 物品转至 3 仓库 操作步骤如下 就绪 灯亮时 延时 15 秒后 程序 将自动把 5 物品先转至 0 仓库 再延时 15 秒后 自动将货物放在 3 仓库 当程序运行时 货台上已经货物时 在 5 秒后 程序将把货台上的物品自动运至 没有放货物的最小仓号的仓库里 3 2 PLC 控制模块的设计 3 2 1 PLC 的概述 PLC 英文全称 Programmable Logic Controller 中文全称为可编程逻辑控制器 定义是 一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类可 编程的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操 作等面向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产过程 可编程序控制器是六十年代末在美国首先出现的 目的是用来取代继电器 以执行逻 辑判断 计时 计数等顺序控制功能 由此日本称它为顺序控制器 Sequence Controller 提出 PLC 概念的是美国通用汽车公司 当时 根据汽车制造业生产线 的需要 希望用电子化的新型控制器替代继电器控制盘 以减少汽车改型时 重新设 计制造继电器控制盘的成本和时间 随着半导体技术尤其是微处理器和微型计算机技 术的发展 到七十年代中期以后 PLC 已广泛地使用微处理器作为中央处理器 输入输 14 出组件和外围电路也都采用了中 大规模甚至超大规模的集成电路 这时的 PLC 已 不再是仅有逻辑 Logic 判断功能了 同时具有数据处理 PID 调节和数据通讯功能 美国电气制造商协会 NEMA National Electrical Manu factory Association 从 1976 年开始 经过四年的调查 于 1980 年把它正式命名为可编程序控制器 简称 PC 可编程序控制器硬件由六部分构成 中央处理器 Central Processor Unit 简称 CPU 它是可编程序控制器的心脏部分 CPU 由微处理器 Microproce ssor 存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据 变量的数据储器构成 电源 Power Supply 给中央处理器提供必需的工作电源 输入组件 Inputs 输入组件的功 能是将操作开关和现场信号送给中央处理器 现场信号可能是开关量 模拟量或针对 某一特定目的使用的特殊变量 输出组件 Outputs 输出组件接收 CPU 的控制信号 并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后 传送控制命令给现场设 备的执行器 输入输出 简称 I O 是可编程序控制器的 手 和 脚 或者叫作系统 的 眼睛 和 视觉 输入信号包括按扭开关 限位开关 接近开关 光电传感器 热电偶 热电阻 位置检测开关和编码器等 输出信号包括继电器 指示灯 显示器 电机启动等直流和交流设备 编程器 Programmer 在正常情况下 编程器用于系 统初始状态的配置 控制逻辑程序编制和加载 不能对系统操作 编程器也可用于控 制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具 3 2 2 PLC 的选型及特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 1 所有的 I O 接口电路均采用光电隔离 使工业现场的外电路与 PLC 内部电路 之间电气上隔离 2 各输入端均采用 R C 滤波器 其滤波时间常数一般为 10 20ms 3 各模块均采用屏蔽措施 以防止辐射干扰 4 采用性能优良的开关电源 5 对采用的器件进行严格的筛选 6 良好的自诊断功能 一旦电源或其他软 硬件发 生异常情况 CPU 立即采用有效措施 以防止故障扩大 7 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统 使可靠性更进一步提高 2 通用性强 控制程序可变 使用方便 PLC 品种齐全的各种硬件装置 可以组成能满足各种要求的控制系统 用户不必自 己再设计和制作硬件装置 用户在硬件确定以后 在生产工艺流程改变或生产设备更 新的情况下 不必改变 PLC 的硬设备 只需改编程序就可以满足要求 因此 PLC 除应 用于单机控制外 在工厂自动化中也被大量采用 3 功能强 适应面广 现代 PLC 不仅有逻辑运算 计时 计数 顺序控制等功能 还具有数字和模拟量 的输入输出 功率驱动 通信 人机对话 自检 记录显示等功能 既可控制一台生 15 产机械 一条生产线 又可控制一个生产过程 4 编程简单 容易掌握 目前 大多数 PLC 仍采用继电控制形式的 梯形图编程方式 既继承了传统控制 线路的清晰直观 又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平 所 以非常容易接受和掌握 梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路 原理图相当接近 通过阅读 PLC 的用户手册或短期培训 电气技术人员和技术工很快 就能学会用梯形图编制控制程序 同时还提供了功能图 语句表等编程语言 5 减少了控制系统的设计及施工的工作量 由于 PLC 采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器 时间继电器 计数器等器件 控制柜的设计安装接线工作量大为减少 同时 PLC 的用户程序可以在 实验室模拟调试 更减少了现场的调试工作量 并且 由于 PLC 的低故障率及很强的 监视功能 模块化等等 使维修也极为方便 6 体积小 重量轻 功耗低 维护方便 PLC 是将微电子技术应用于工业设备的产品 其结构紧凑 坚固 体积小 重量轻 功耗低 具有强抗干扰能力 易于装入设备内部 是实现机电一体化的理想控制设备 综上所述 本课题系统核心部分采用西门子 S 200 系列中的 CPU224 为控制元件 CPU224 本机集成了 14 点输入 10 点输出 共有 24 个数字量 I O 它可连接 个扩展 模块 最大扩展至 168 点数字量 I O 点或 35 路模拟量 I O 点 CPU224 有 13 字节程 序和数据存贮空间 个独立的 30KH 高速计数器 路独立的 20KH 高速脉冲输出 具有 PID 控制器 CPU224 配有 个 RS 485 通讯 编程口 具有 PPI 通讯 MPI 通讯和 自由方式通讯能力 是具有较强控制能力的小型控制器 3 2 3 I O 口分配表 立体车库 I O 分配表如表 2 所示 表 2 立体车库 I O 分配表 输入口 名称输出口 名称 I0 0 货台到位限位 Q0 0 横轴脉冲 I0 1 货台回位限位 Q0 1 竖轴脉冲 I0 2 货台是否有物 Q0 2 横轴方向 I 0 I0 3 自动 手动 Q0 3 竖轴方向 I 0 I0 4 键盘值 1 位 Q0 4 货台前升 16 I0 5 键盘值 2 位 Q0 5 货台退回 I0 6 键盘值 3 位 Q0 6 就绪 I0 7 键盘值 4 位 Q0 7 取 I1 0 横轴右限位 Q1 0 放 I1 1 横轴左限位 Q1 1 十位显示 I1 2 竖轴上限位 Q2 0 BCD 码 1 位 I1 3 竖轴下限位 Q2 1 BCD 码 2 位 Q2 2 BCD 码 3 位 Q2 3 BCD 码 4 位 注 PLC 主机输出的 1L 2L 输入 1M 2M 3M 4M 分别与电源 L 相连 输出的 3L 4L 5L 6L 1M 2M 与电源 M 相连 3 3 步进驱动模块的设计 3 3 1 步进电动机的原理 步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统 在此系统中 执行元件是步进电机 它受驱动控制线路的控制 将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向 大 小和速度的机械转角位移 并通过齿轮和丝杠带动工作台移动 由于该系统没有反馈 检测环节 它的精度较差 速度也受到步进电机性能的限制 但它的结构和控制简单 容易调整 故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值 步进电机的工作 原理实际上是电磁铁的作用原理 3 3 2 步进电动机的选型 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 其次是具体的品种选 择 在该立体车库系统设计中要求步进电动机的电压低 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 拍混合式步进电动机 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 Tt 额定转矩 Tn 和运行频率 Fy 以 确定不进电动机的具体规格和控制装置 步进电动机有如下特点 a 步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比 因此 当它转一圈后 没有累计 17 误差 具有良好的跟随性 b 由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统 既简单 廉价 叉非常可靠 同 时 它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统 c 步进电动机的动态响应快 易于启停 正反转及变速 d 速度可在相当宽的范围内平稳调整 低速下仍能获得较大转矩 因此一般可以不 用减速器而直接驱动负载 e 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行 不能直接使用交流电源和直流电源 f 步进电机存在振荡和失步现象 必须对控制系统和机械负载采取相应措施 3 3 3 步进驱动模块 步进驱动模块由步进电机和步进驱动器组成 仓库立体存储系统有两套步进驱动 模块 分别控制 X 轴 Y 轴的丝杆运动 步进驱动器接收 PLC 发出的高速脉冲信号及方 向电平信号 并将这些信号转换成驱动步进电机的信号 步进电机旋转方向由方向电 平控制 步进电机旋转速度由脉冲信号频率控制 步进电机旋转度由脉冲信号的数目控 制 用四相步进电机 42J1834 810 与之配套的驱动器选用美国 IMS 公司生产的 M415B 细分型步进电机驱动器 其细分功能使步进电机运转精度提高 振动减小 杂讯降低 且具有光隔离信号输入 抗干扰 静止时电流减半 电源接反保护功能等优点 42J1834 810 步进电机步距角为 1 8o 即在无细分的条件下 200 个脉冲使步进电机转 一圈 200 1 8 360o 通过驱动器设置细分精度 最高可以达到 12800 个脉冲电机 转一圈 步进电机驱动器 M415B 细分设定由拨码开关 SW4 SW5 SW6 设定 如表 1 所 示 设置 SW4 ON SW5 OFF SW6 ON 细分设置为 800 步数 圈 即 800 个脉冲使步进 电机转一圈 此时步距角为 800 0 45 360o 步进电机传动组件采用联轴器直接 带动螺旋丝杠转动 螺旋丝杠的螺距为 5mm 即步进电机每转动一周 载物台位移 5mm 通过控制载物台在 X Z 轴平面的运动 从而把工件运送到仓库的指定位置 步进 电机驱动器 M415B 输出相电流设定由拨码开关 SW1 SW2 SW3 设定 如表 5 所示 设 置 SW1 OFF SW2 ON SW3 OFF 输出相电流为 1 05A 1 步进电机驱动器 步进电机驱动器主要有电源输入部分 信号输入部分 输出部分等 驱动器参数 如下列图表所示 表 3 电气规格 说明最小值典型值最大值单位 供电电压 182440V 均值输出电流 0 2111 50A 逻辑输入电流 61530mA 18 步进脉冲响应频 率 100kHz 脉冲低电平时间 5 1 s 表 4 电流设定 电流值 SW1SW2SW3 0 21AOFFONON 0 42AONOFFON 0 63AOFFOFFON 0 84AONONOFF 1 05A0FFONOFF 1 26AONOFFOFF 1 50AOFFOFFOFF 表 5 细分设定 细分倍数步数 圈 1 8 整步 SW4SW5SW6 1200ONONON 2400OFFONON 4800ONOFFON 81600OFFOFFON 163200ONONOFF 326400OFFONOFF 6412800OFFONOFF 由外部确定动态改细分 禁止工作 OFFOFFOFF 表 6 接线信号描述 信号功能 PUL脉冲信号 上升沿有效 每当脉冲由低变高时电机走一步 DIR 方向信号 用于改变电机转向 TTL 平驱动 OPTO 光耦驱动电源 ENA 使能信号 禁止或允许驱动器工作 低电平禁止 GND 直流电源地 V 直流电源正极 典型值 24V 19 A 电机 A 相 A 电机 A 相 B 电机 B 相 B 电机 B 相 PLC 控制器与步进电机驱动器工作原理如图 4 所示 图 4 PLC 控制器与步进电机驱动器工作原理图 2 步进电机 采用二相八拍混合式步进电机 型号为 42J1834 810 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 本模型中采用串联型接法 其电气图如下 图 5 所示 图 5 二相八拍混合式步进电机串联型接法 20 3 4 丝杆驱动模块的设计 丝杆驱动模块是将步进电机输出的旋转运动转换成直线往复运动 两套丝杆驱动 模块成90度垂直安装 形成一个X Y轴的平面运动系统 在两个丝杆驱动模块上均设有 一个零点 用以校正位置及提供一个位置参考点 同时为了防止丝杠驱动模块过冲而 产生机械物理损伤 在丝杆驱动模块的极限位置均装有碰撞保护开关 用来防止丝杆 驱动模块过冲 工件推出模块采用直流电机作为执行机构 型号为32ZYC250 3 5 硬件接线图的设计 见附录 21 第 4 章 升降横移式立体车库系统软件方