【《立体仓库控制PLC系统的硬件和软件设计案例》10000字】

立体仓库控制PLC系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u296立体仓库控制PLC系统的硬件和软件设计案例 121131第1章系统硬件的设计 2189061.1立体仓库控制系统的硬件选型 2311561.2可编程控制器(PLC)的选型 2246421.2.1可编程控制器（PLC）的结构组成及特点 2255921.2.2PLC机型的选择 296381.3触摸屏（HMI）的选型 4249241.3.1人机界面介绍 4139311.3.2人机界面的工作原理 4162191.3.3精简面板的主要功能 4271671.3.4触摸屏 5161991.3.5触摸屏（HMI）的选择 532981.4步进电机的选型 552601.4.1步进电机的介绍 5258731.4.2步进电机的结构 5210311.4.3步进电机的工作原理 6285181.4.4步进电机的特点 7104551.4.5步进电机的选择计算 8196831.5步进电机驱动器的选型 1091691.5.1步进电机驱动器介绍 10310411.5.2步进电动机驱动器的选择 10163731.5.3步进电动机驱动器细分数和电动机电流设定 11219511.6直流电机的选型 12230041.6.1直流电机的介绍 12131891.6.2直流电机的结构 1244111.6.3直流电动机的工作原理 1386921.6.4直流电机的特点 14298031.6.5直流电机的选择计算 15103901.7传感器的选择 1574421.8PLC外部接线图的设计 1745041.9本章小结 1828487第2章控制系统程序设计 19207122.1编程软件的介绍 19303752.2编程语言的介绍 20136812.3系统的控制流程 20310252.4运动控制 21156262.4.1运动控制原理 21219882.4.2设定工艺对象轴 24269022.5立体仓库单元程序设计 24136862.6精简面板的画面设计 27系统硬件的设计立体仓库控制系统的硬件选型本次设计硬件部分包含可编程控制器（PLC）、触摸屏（HMI）、步进电机、步进电机驱动器以及直流电机。从所需满足的条件、成本、通用性等方面综合考虑进行选型。可编程控制器(PLC)的选型可编程控制器（PLC）的结构组成及特点可编程控制器虽种类繁多但主体结构形式大体上是相同的，由输入/输出电路﹑中央控制单元﹑电源和编程器组成REF_Ref14198\r\h[17]。输入/输出模块：在PLC中，I/O模块连接到CPU。输入信号通过现场滤波，电平转换等操作被转换为电信号，CPU可以通过输入模块接收这些信号。中央处理单元：由处理器、存储器组成。电源部件：电源单元将外部交流电转为直流电并提供给PLC。可编程控制器的特点：相对于其他工业控制器其在很恶劣的工业环境下仍能保持可靠运行；供用户使用的功能丰富，综合实用性、使用条件以及经济性等方面为用户提供更优质的设备；主流编程方法简单易懂，支持离线仿真与现场调试；更完善的监控和诊断功能，方便使用者找出并更改问题；使用时间长，所占空间小，所耗能量低；系统的安装、调试方便，维护工作量较少。PLC机型的选择输入电源的选择：根据设计要求此次设计采用24V直流电为PLC供电。输入/输出点（I/O）的确定：本次设计大致所需要的输入端口有16个，输出端口有9个。根据系统设计所需达到的功能，PLC地址分配见表3-1所示：表3-1PLC输入输出（I/O）地址分配表I0.0Z轴回零点Q0.0X轴方向I0.1X轴回零点Q0.1Z轴脉冲I0.2Z轴下极限Q0.2X轴脉冲I0.3Z轴上极限Q0.3Z轴方向I0.4X轴左极限Q0.4X轴前进I0.5X轴右极限Q0.5X轴后退I0.6货叉伸出限位Q0.6Z轴前进I0.7货叉缩回限位Q0.7Z轴后退I1.0复位Q1.0Y轴前进I1.1Z轴手动前进Q1.1Y轴后退I1.2Z轴手动后退I1.3X轴手动前进I1.4X轴手动后退I1.5自动I1.6Y轴前进I1.7Y轴后退输出触点的类型选定：输出触点分为继电器输出和晶体管输出。因本次设计采用步进电机驱动，需要进行脉冲控制故采用晶体管输出类型。控制器的选择：西门子S7系列又分为适用于各种苛刻型应用和过程自动化的系统解决方案的PLC（如S7-400）、中端自动化解决方案的PLC（如S7-300）、适用于中低端独立式自动化解决方案的PLC（如S7-1200）和用于开关和控制解决方案的逻辑模块的微型PLC（如200）。为了更加方便地掌控步进电机的运动，西门子S7系列设置专有的高速脉冲输出端对其进行控制。本次设计为中低端独立式自动化环境设计的解决方案，故选用S7-1200型PLC。其输入输出点可分为：10点、14点、24点三个类型，CPU可以扩展一块信号板，左侧可以扩展三块通讯模块。本地最大数字输入输出（I/O）点数可达到284个，最大模拟量输入输出（I/O）点为69个。这样模块化的设计对使用者及其友好，极大地降低资金问题。根据设计要求本次设计I/O口大致为25个，采用24V直流供电，晶体管输出并在中小型自动化平台使用，故采用S7-1214CDC/DC/DC型PLC并外加SM1223，8输入/输出数字扩展模块一个。其工作存储器位为100KB，装载存储器为4MB，计算存储容量满足本设计要求。触摸屏（HMI）的选型人机界面介绍从广义上讲，人机界面（HumanMachineInterfaceHMI）是指计算机（包括PLC）与操作员交换信息的设备。在控制领域，人机界面一般特指用于操作人员与控制系统之间进行对话和相互作用的专用设备。人机界面可以在恶劣的工业环境中长时间连续运行，是PLC的最佳拍档REF_Ref14802\r\h[9]。人机界面通过文本，图形和动画动态显示设备的数据和状态，从而使操作人员可以通过人机交互来控制操作对象。此外，人机交互界面还包括状态强制，f（x）趋势图，媒体播放器等功能。随着工业技术的发展，与芯片的集成化。人机界面价格已经有所降低，制造业已经进入了大规模触摸屏应用时代。人机界面的工作原理首先，需要使用计算机上运行的配置程序来配置HMI。组态软件的使用可使用户根据使用要求轻松生成人机界面屏幕，并以字符和数字动态显示PLC中的位变量状态和数值。使用各种输入方法，将操作员的位变量命令和数字设置发送到PLC中，生成可视屏幕，其组态软件易于使用和学习。组态完成后，将画面和编译信息编译为可以在人机界面上读取执行的文件。编译完成后存储于存储器中供用户进行使用。当控制器进入运行状态使，通过通讯功能与PLC变量表中信息进行交互，通过不同指令执行动作。人机界面和PLC之间的通信可以通过简单地配置通信参数来实现。通过将屏幕上的图像对象与PLC或触摸屏变量表中的地址相关联，可以在控制系统运行时PLC和人机界面之间自动交换数据。精简面板的主要功能新型SIMATIC精简系列面板具有独特的SIMATICHMI工业设计的特点，并且其标配触摸屏以便用户操作。它为完整的图像显示，清晰度和可视化工作为可视化操作带来了崭新的一页。除了能够在4英寸，6英寸和10英寸操作面板上执行触摸操作外，它还具有带有触摸反馈的可编程按键。如果需要更大的显示尺寸，还可以选择15英寸的触摸屏。面板通讯接口标准配置配有以太网通讯接口或PROFINET作为标准设备。精简面板系列的主要功能概述如下。理想的入门级设备，显示尺寸从4寸到15寸，可监控小型机器和设备。可触摸显示，使操作更直观。可编程键，带触觉反馈。支持PROFINET/以太网或PROFIBUSDP/MPI通信连接。使用SIMATICWinCCflexible进行组态，具有灵活的扩展性。与现有面板和多功能面板触摸设备兼容安装。具有SIMATICHMI独特的工业设计。触摸屏触摸屏是人机交互系统发展的产物，它允许用户在触摸屏上生成满足其需求的按键与画面。触摸屏直观，易用且易于操作。屏幕上的按钮和指示灯可以替换其各自的硬件元素，从而减少PLC所需的I/O点，降低系统成本，并提高设备性能和附加值。触摸屏通常使用由集成在每个液晶像素中的薄膜晶体管驱动的TFT显示器。逼真的色彩高亮度可提供强烈的对比度和层次感，较短的响应时间和较大的视角都是触摸屏的特点。触摸屏（HMI）的选择考虑到通讯端口数量与使用条件等问题本次设计将采用西门子公司精简面板7英寸显示屏KTP700BasicPN。步进电机的选型步进电机的介绍步进电动机是一种将数字脉冲信号转换为线性或角度位移，而无需进行信号转换的电机。每当步进电机接收到脉冲信号时，它的轴就转动一定的角度，角位移量与电脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，又称为脉冲电动机。在数字控制系统中，步进电动机常用作执行元件。步进电动机按照励磁方式分为磁阻式（又称为反应式）、永磁式和混磁式三种；按相数分为单相、两相、三相和多相等形式REF_Ref14286\r\h[18]。步进电机的结构以三相磁阻式步进电机为例，图3-1为其径向截面图。定转子的铁芯由硅钢片叠压制成的。转子中没有绕组，并且在转子的长度方向上有小的平行齿。转子中的锯齿必须相同，定子磁极每个小齿的距离必须一致，对转子的齿有一定的限制。定子由三个控制绕组组成，每个控制绕组由两个串联的控制线圈组成。两个环沿相反的径向方向环绕两个磁极。每一套称为单相，步进电动机有三相绕组。定子磁极的数量是相数的两倍，2p=2m（p极数的数量，m是相的数量）。这种机械装置的特点是结构简单，运行精度高。通过改变步距角得到更高的转速。图3-1步进电动机的内部结构图步进电机的工作原理图3-2是一台三相磁阻式步进电机的原理图。定子，转子铁芯为凸极式，由三对磁极组成，单相控制绕组缠绕在两个相对的磁极上。由软磁性材料制成的转子具有四个齿的凸极结构。其宽度与极靴的宽度相同。下面介绍其原理。图3-2步进电动机原理图图中为三相磁阻步进电机的工作原理。当A相控制绕组通电而B和C两相控制绕组均未通电时，因为磁场线始终在磁阻最小的路径中闭合。转子接收磁阻转矩，以使转子齿1和3与定子A相的磁极轴对齐。如图3-2（a）所示，此时，磁场线通过的磁路具有最小的磁阻和最大的电导率的特点。转子仅承受径向力而没有切向力，因此转子停止旋转。当B相控制绕组加电而A、C相控制绕组未通电时，最接近B相磁极的转子齿2和4与B相磁极相对，转子顺时针旋转30°，如图3-2（b）所示。当C相控制绕组上电而A、B相控制绕组不上电时，最接近A相磁极的转子齿1和3与C相磁极相对，转子再次顺时针旋转30度，如图3-2（c）所示。这样，当以A-B-C-A的顺序接通相位控制绕组时，磁阻转矩使转子一次顺时针旋转一个步。步进电动机的转速取决于输入脉冲频率，即通过改变通电频率来改变输入脉冲的频率从而改变电机运行转速，其通电的顺序决定旋转方向，如果通电顺序为A-C-B-A时，它将反向旋转。控制绕组从一种电源状态到另一种电源状态的通电状态称为“一拍”，转子每拍的旋转角度称为步距角。通过A-B-C-A进行通电的方法的特征在于：一次仅对一相控制绕组进行通电，切换三次为一个周期，其将三相单三拍控制方法。三相单三拍控制方法很少采用。因为每次仅有一相通电，转子一次在平衡位置附近往复运动，运行不稳定。除了单三相控制方法外，步进电动机还有三相双三拍控制方法和三相单/双六拍控制方法。步进电机的特点步进电机特点如下：步进电机运行所能承受的最高工作温度取决于电机内部磁性材料的消磁点。如果温升过高，则电动机的磁铁将被消磁，电动机的转矩减小，甚至丢失步数，从而起到保护作用。电机在高转速状况下不能运行，故在负载情况下步进电机的脉冲输入频率应当较低，若要达到高速运转应当给电机加速度，待平稳启动后通过加速达到所期望的速度。易于实现各种运行状态，能够快速响应。步进电机旋转的角度与脉冲数成正比；电机结构组成没有电刷，可靠性较高，其使用寿命只由轴承决定；步进电机具有良好的控制性能，每次旋转具有固定数量的步数，因此它在运行时不会丢失步数，并且步距误差不会长时间累积。某些步进电机即使在电源停止时也具有定位扭矩，而其他步进电机具有自动锁定功能，即使在电源停止后也可以保持相绕组开启，并且不需要机械制动。同时，闭环控制系统可以配置速度和位置检测传感器。步进电机被广泛应用于计算机技术，电力电子技术，微电子技术等领域，并且具有很高的潜力。ATM机、机医疗仪器及设备等都有步进电机的应用。步进电机的选择计算步进电机多点定位输送单元是自动化生产线中最重要的最为复杂的运行控制单元。该单元是将物料精准定位到指定单元的位置，以达到准确存取的目的。本次设计采用丝杠传动，已知条件和要求为：移动部分总重M丝杠的质量m=0.84kg外力F摩擦系数μ丝杠机构的效率η=丝杠长L丝杠轴径D螺距p分辨率L=0.01计算：拟选用两相四线1.8°步距角HB型步进电机轴向力： FN=F负载转矩： T1=FP2πη+μ式中F0—滚珠螺母预压载荷(N∙m丝杠的惯量： Js=式中m—丝杠的质量（kg）；r—丝杠的半径（mm）。移动体的惯量： Jt=M(P/2π)2=0.21kg∙cm2 (3-4)总体的转动惯量： JL=J电动机的转动惯量： J=w（12式中W—可移动部分总重量（kg）；BP—丝杠螺距（mm）；GL—减速比。加速度： ε=ω电机力矩： M=(Jε+T根据以上计算，选用57系列步进电机57HS5615A4，步进电机使用参数如下表3-2所示:表3-2步进电机的电气技术数据步距角机身长（mm）电流(A)力矩（N∙m）引线数重量（g）1.8°561.53.54680步进电机驱动器的选型步进电机驱动器介绍步进电机运动状态由配套驱动器进行控制。每当接收到脉冲信号时，它都会通过步进电机驱动器发出的信号以一定角度旋转。步进电动机驱动器的选择本课题采用TB667S109A步进电动机驱动器驱动电机。它可以控制电机的正向和反向旋转，并且适合驱动57、42系列步进电机。使电机达到低振动、低噪音、快速响应的效果。步进电机驱动器数据如表3-3所示：表3-3步进电机驱动器数据输入电压（V）输入电流（A）输出电流（A）细分工作温度（℃）重量（㎏）DC9~4250.5~3.5A1，2，4，8，16，32温度-10~450.2所有型号驱动器的输入信号都是一致的，输入信号共有三路：它们分别是①步进脉冲信号PUL+，PUL-;②方向电平信号DIR+，DIR-;③脱机（关闭）信EN+，EN-。输入信号接口有两种接法，可根据需要采用共阳极接法或共阴极接法，本次设计采用共阴极接法。其内部接线方法如下：它将PUL-，DIR-和EN-分别连接到控制系统（GND）。脉冲输入信号通过PUL+，方向信号DIR+和激活信号EN+连接。如果来自控制系统的信号为+5V/3.3V，则可以直接连接。当信号电压大于+5V时，必须添加一个外部限流电阻R，以便驱动器的内部光耦合可以可靠地提供8～15mA的驱动电流。通常，对于24V直流电压，选择2kΩ的外部串联电阻。其内部接线图如图3-4所示：图3-4共阴极接法内部接线图步进电动机驱动器细分数和电动机电流设定57系列步进电机的细分数和电流值可以通过操作面板上的说明来设定拨位开关的通断来改变。细分后步进电机步进角按以下方式计算：步距角=电机固有步距角/细分数。细分驱动是通过改变定子线圈的电流比例，使转子在旋转一步的过程中停在不同位置，将一整步分为多个小步来完成。驱动器顶部有DIP功能设置开关。可用于设置驱动器的操作模式和参数。在更改DIP开关设置功能之前，先关闭供电源，以免触电。DIP功能设定开关及细分表见表3-4所示：表3-4DIP功能设置介绍及细分表DIP功能设定开关序号ON功能OFF功能SW1-SW3细分设置用细分设置用SW4-SW6输入电流设置用输出电流设置用细分数设定细分脉冲/转S1状态S2状态S3状态NCNCONONON1200ONONOFF2/A400ONOFFON2/B400OFFONON4800ONOFFOFF81600OFFONOFF163200OFFOFFON326400OFFOFFOFF输出电流设定平均电流（A）峰值电流（A）S4状态S5状态S6状态0.50.7ONONON1.01.2ONOFFON1.51.7ONONOFF2.02.2ONOFFOFF2.52.7OFFONON2.82.9OFFOFFON3.03.2OFFONOFF3.54.0OFFOFFOFF本设计项目中设定电机细分数设定为4细分即可满足设计精度要求。因此拨位开关DIP1为ON，DIP2、DIP3为OFF。输出电流为3.5A所以DIP4、DIP6设为OFF。DIP5为ON，即接通状态。本次设计所用丝杠导程为4mm。步进电机脉冲当量为： 4÷800=5×10−3mm/plus步进电机每转所需要的脉冲数为： 360÷（1.8直流电机的选型直流电机的介绍直流电机是实现直流电能与机械之间相互转换的电力机械，按用途可分为直流电动机和直流发电机两类。将机械能转变成直流电能的电机称为直流发电机REF_Ref14286\r\h[18]。直流电机的结构直流电动机主要由旋转部分和静止部分组成。可旋转部分称为转子或电枢，静止部分称为定子。定子和转子之间有一定间隙，称为气隙。定子部分包括主磁极，换向极，电刷装置，机座，端盖和轴承；转子零件包括铁芯，绕组，换向器，轴，风扇，支架等。直流电机的结构如图3-5所示。直流电机组成部件如图3-6所示。图3-5直流电机的结构图1—风扇；2—机座；3—电枢；4—主磁极；5—刷架；6—换向器；7—接线板；8—出线盒；9—换向极；10—端盖图3-6直流电机的组成部件1—前端盖；2—风扇；3—机座；4—电枢；5—电刷架；6—后端盖直流电动机的工作原理如图3-7是一个直流电机运行原理图。在图中，N和S是一对固定磁极，它们可以是电磁体或永磁体，这些磁极是固定的，称为定子。称为转子的磁导筒在两个磁极之间旋转，并在转子表面的凹槽中放置一个线圈。线圈由导体ab和cd组成，线圈的两端连接到彼此绝缘的两个弧形铜板e和f（称为整流器板），由整流器板组成的圆柱体称为整流器。由于换向片分别保持与固定电刷a和电刷b的滑动接触，因此可以通过换向片和电刷通过外部电路接通线圈abcd。图3-7直流电机的工作原理直流电机在工作期间连接到直流电源，例如，电刷A连接到电源的负极，电刷b连接到电源的正极，并且电流从电刷B流入并流过线圈abcd。从A刷流出。如图3.7所示，这是电流在s极的导体ab中从a变为b的时刻。在N极导体cd中，电流方向从c变为d。根据电磁感应定律，力作用在导体磁场上的方向由左手定则确定。此时，导体ab承受的电磁力的方向朝上，导体cd承受的电磁力的方向朝下，在线圈abcd中产生称为电磁转矩的转矩，该转矩顺时针旋转，然后整个电枢旋转，沿针的方向旋转。当线圈旋转180°时，换向器E接触电刷A，F接触电刷B。电流从正电极流过整流片F，电流从导体cd中由d到c流过，从导体ab由b到a流过，再从电刷B经由整流刷流回负极。根据左手定则，顺时针方向为电磁转矩方向，电动机会在一个方向继续运行下去。由此，可以看出，通过换向器和电刷加到直流电动机电枢线圈中电流方向是可以改变的，但导体中电流在各个极性上的方向总是相同的。因此，它会产生仅有一个方向的电磁转矩，从而使电枢沿一个方向旋转。直流电机的特点直流电动机在速度控制和启停性能方面优于交流电动机。它具有广泛的速度调节和连续直流调节特性。也具有很高的过载能力，可以承受频繁的负载冲击。它可以快速，频繁地激活，制动和倒车；可以满足生产自动化系统的各种特殊操作要求。直流电可以精准地调节和控制其电压值。但是，直流电动机也有许多缺点。首先，制造过程复杂，有色金属消耗高，制造成本高。其次，在电刷和换向器之间可能会产生火花，这种火花不可靠且难以维护。因此，在某些调速要求不高的场合中，已经更换为交流调速系统。但是，当需要速度控制，高速，高精度和优异的控制性能时，通常使用直流电动机。直流电机的选择计算本次设计已知条件和要求为：空载转矩T齿轮比G=230功率P计算：负载转矩： T1=GL(负载转矩通常选用3倍余量故： TL=3电磁转矩： TN=额定转速： nN=9.55根据计算本设计中采用直流电机型号为JGB37-555-56.25k，工作电压为24V。直流电机的使用参数如表3-5所示:表3-5直流电机的电气技术参数空载电流（A）空载转速（rpm）额定转矩（N∙m）额定转速（rpm）额定电流（A）停转电流（A）长度（mm）重量（g）0.189.01.172.00.94.024.0305.0传感器的选择本设计将采用LJ12A3-4-Z/BY型电感式接近开关，其作为X,Z轴回原点参考点以及X,Z,Y三轴限位保护。当接近金属目标时，其通过改变传感器突变磁场，导致震荡频率衰减甚至停振经处理后转换成开关信号触发驱动器停止。它的主要优点是不易受外来光的干扰；非接触式传感器检测可以避免不必要硬件的损伤或干扰。其接线图如图3-8所示：图3-8电感式接近开关内部接线图如图所示；其由三条导线，棕线连接到电源正极，蓝线连接到电源负极，黑线为输出信号，如果接近传感器则输出高电平，否则输出低电平。传感器通过非埋入式方式连接，请勿焊接端子。此传感器的电气技术数据见表3-6：表3-6传感器的电气技术数据型号LJ12A3-4-Z/BY检测方式接近式检测距离4mm±10%设定距离0～3.6mm光源红外发光二极管电源电压DC6～36V电流规格300mA响应频率0.5KHz环境温度动作时：-10～65℃保存时－25～+65℃(不结冰)环境湿度动作时：5～85﹪RH保存时-5～95﹪RH（不结露）保护构造IP67材质黄铜镀镍PLC外部接线图的设计根据立体仓库课题设计要求，立体仓库系统的外部接线图如图3-9所示：图3-9PLC外部接线图PLC及步进电机详细接线图见附录A本章小结在本章中，介绍了立体仓库系统的硬件设计。首先介绍可控制器（PLC）组成及特点，根据I/O分配表中的输入/输出点的数量以及所使用的场合等方面对其进行选型，然后对触摸屏、步进电机、步进电机驱动器和传感器等硬件进行了介绍、选型。最后，绘制了此设计的外部接线图。

控制系统程序设计编程软件的介绍TIAPortal是一个用于开发所有自动化任务的平台，该平台设计开发人员拜访了各个国家和地区的工程师。并展望未来，将直觉，效率和可靠性视为优化接口配置的重要因素。窗口布局规划，调整等进行优化。TIAPortalV15可以用作系统范围应用程序解决方案的单个工程平台。TIA创建了一个集成和统一的系统环境，其中包括SIMATICSTEP7，SIMATICWinCC和SINATICstarve驱动器。在该平台上，可以在该平台上同时实现具有不同功能的软件包，从而为用户提供全新的开发体验。TIAPortalV15的主要特征如下：TIA博图Professional

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