TVT-99C立体仓库模型.docx

TVT-99C立体仓库模型 作者： 日期：2 TVT99C立体仓库模型一.实验目的1.掌握PLC控制的基本原理,主要以PLC编程练习及位置控制、上位机监控练习。2.掌握步进电机的工作原理,掌握步进电机驱动器的使用方法。3.掌握通过传感器信号采集，PLC编程，实现对步进电机及直流电机进行较复杂的位置控制及时序逻辑控制等功能4.两台或两台以上模型联机控制，可以学习低速工业网络的使用及协议，在上位机监控方面，可以学习多台模型优化控制运行，与实际监控现场的控制规模相似，是一种涵盖了PLC控制技术、位置控制技术、检测技术，局域网络技术的实物仿真模型。二.实验设备 1.立体仓库模型 1台2.计算机 1台3.编程电缆 1根三.实验原理与步骤 (一) 立体仓库的基本结构立体仓库主体由底盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。 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。电气控制是由松下电工生产的FP0型可编程序控制器(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。图1 控制面板上的开关及按钮功能 图2 控制面板上的仓位号控制面板上的开关及按钮功能及仓位号（见图1、2）表1 控制面板上的按钮功能表按键号功能选择定义1自动选择1号仓位手动机构水平向左移动2自动选择2号仓位手动机构垂直向下移动3自动选择3号仓位手动机构水平向右移动4自动选择4号仓位手动机构水平向后移动5自动选择5号仓位手动机构垂直向上移动6自动选择6号仓位手动机构水平向前移动7自动选择7号仓位手动无意义8自动选择8号仓位手动无意义9自动选择9号仓位手动无意义10自动选择10号仓位手动无意义11自动选择11号仓位手动无意义12自动选择12号仓位手动无意义(二) 立体仓库硬件原理1.步进电机的原理与选择(1)步进电机的工作原理步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。(2)步进电动机的特点 步进电动机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的，其特点是没有积累误差(精度为100)，所以广泛应用于各种开环控制。 步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比 步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变,使用开环控制(或半闭环控制)就能进行良好的定位控制。 起制动、正反转、变速等控制方便。 价格便宜,可靠性高。 步进电动机的主要缺点是效率较低,并且需要配上适当的驱动电源。 步进电动机带负载惯性的能力不强,在使用时既要注意负载转矩的大小,又要注意负载转动惯量的大小,只有当两者选取在合适的范围时,电机才能获的满意的运行性能。 由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂多变。(3)步进电机驱动系统的基本组成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、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所示 。(4)步进电动机的选择计算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、额定转矩和运行频率，以确定步进电机的具体规格和控制装置。图3 步进电机驱动系统的基本组成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：移动部分总重 M=25kg外力 Fa=4kg.cm磨擦系数 =0.04螺栓机构的效率 =O. 9螺栓轴径 =1.2cm螺栓长 =42cm螺距 P=3mm分辨率 L=0.01mm移动距离 =0.0075mm/步速度 V=2mmin 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)i=m/(360L)=21.8(360O.01)=1轴向力 F=Fa+=4+0.0425=5kg.cm负载转矩 =FP(2 )+()/2 =50.3(2 3.140.9)+ (0.31.67 0.3)/(2 3.14)=0.289kg.cm 螺栓的惯量 =（）/32=（3.147.942）/32=0.0675kg.cm2移动体的惯量 Jt=M(P/2)2=25=0.0571 kg. 负载惯量为 =+=0.0675+0.00571=0.1246kg.根据以上计算可以初步选定步进电动机，其惯量为=0.03 kg.，空载起动频率=3000H。由要求的速度可求出运行的频率：f=VL=2000/(600.01)=3333HZ可知需要加减速的驱动方式。齿轮比： G=360/L=0.0075 360/ (1.80.01)=150换算到电机轴的负载转矩为T=GL(+F)/ 2 =1500.01(0.289+5)/(6.280.9) =1.40 kg.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，所以电机转矩=3T=31.40=4.2 kg.cm =0.41N.M根据以上的计算，我们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4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4 步进电机的出线图此步进电机的电气技术数据为:电机型号相数步距角相电流驱动电压额定转矩重量42BYGH1012 1.81.7ADC24V0.44NM 0.24 kg2.步进电机驱动器的原理与选择(1)步进电机驱动器的选择步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电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，共有三路信号，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，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行)。它们在驱动器内部的接口电路都相同，见下图。OPTO端为三路信号的公共端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC是+5V则可直接接入；如果VCC不是+5V则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-1 5mA的驱动电流，参见图5和图6。在该立体仓库中由于FP0提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，所以须外部另加1.8K的限流电阻R。 图5 输入信号接口电路 图6 外接限流电阻R步进电机驱动器的输出信号有两种: 初相位信号：驱动器每次上电后将使步进电机起始在一个固定的相位上，这就是初相位。初相位信号是指步进电机每次运行到初相位期间，此信号就输出为高电平，否则为低电平。此信号和控制系统配合使田，可产生相位记忆功能，其接口见图7。 报警输出信号：每台驱动器都有多种保护措施(如：过压、过流、过温等)。当保护发生时，驱动器进入脱机状态使电机失电，但这时控制系统可能尚未知晓。如要通知系统，就要用到报警输出信号。此信号占两个接线端子，此两端为一继电器的常开点，报警时触点立即闭合。驱动器正常时，触点为常开状态。触点规格：DC24V1A或AC11OVO3A。一般来说，对于两相四根线电机，可以直接和驱动器相连，见图8。图7 初相位信号接口电路图8 电机与驱动器接线图所以我们采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的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：驱动器型号相 数类 别细分数通过拨位开关设定最大相电流开关设定工作电源SH-2H057二相或四相混合式二相八拍3.0A一组直流DC(24V-40V)(2)步进电机驱动器接线示意图见图9。(3)步进电机驱动器细分数和电机相电流的设定 细分数的设定要了解“细分”，先要弄清“步距角”这个概念：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。SH系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定细分数的，您只需根据面板上的提示设定即可。在系统频率允许的情况下，尽量选用高细分数。对于两相步进电机,细分后电机的步距角等于电机的整步步距角除以细分数，例如细分数设定为40、驱动步距角为0.9/1.8的电机，其细分步距角为1.840=0.045。可以图9 步进电机驱动器接线示意图看出,步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在40细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态驱动上例的电机时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8；而用细分驱动器工作在40细分状态时，电机只转动了0.045，这就是细分的基本概念。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。驱动器细分后将对电机的运行性能产生质的飞跃，但是这一切都是由驱动器本身产生的，和电机及控制系统无关。在使用时，唯一需要注意的一点是步进电机步距角的改变,这一点将对控制系统所发出的步进信号的频率有影响;因为细分后步进电机的步距角将变小，要求步进信号的频率要相应提高。驱动器细分后的主要优点为：a.完全消除了电机的低频振荡。低频振荡(约在200Hz左右)是步进电机的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果您的步进电机有时要在共振区工作(如走圆弧)，选择细分驱动器是唯一的选择。b.提高了电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约304096。c.提高了电机的分辨率。由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，提高电机的分辨率是不言而喻的。以上这些优点，尤其是在性能上的优点，并不是一个量的变化，而是质的飞跃。所以我们最好选用细分驱动器。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。但现在的情况不同了，细分驱动器的出现改变了这种观念，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。所以如果用户采用细分驱动器，相数将变得没有意义 电机相电流的设定SH系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定电机的相电流，您只需根据面板上的电流设定表格进行设定。(4)步进电机驱动器指示灯说明驱动器的指示灯共有两种：电源指示灯(绿色或黄色)和保护指示灯(红色)。当任一保护发生时，保护指示灯变亮。(5)步进电机驱动器电源接口对于超小型驱动器(SH2H057、SH3F075、 SH2H057M、SH-3F075M)，采用一组直流供电DC(24-40V)，注意正负极不要接错，此电源可以由一变压器变压后加整流滤波(无须稳压)组成;或者由一开关电源提供,参考下图。因为PLC需要采用开关式稳压电源供电,所以在该立体仓库中电源应选用开关式稳压电源，见图10。图10 开关式稳压电源3.传感器的选择(1)反射式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；其结构图如图11所示。图11 反射式传感器结构图工作原理：当物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原先的信号相比较，产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号相关的直流信号输出电平。反射式传感器的时间图和输出回路图如图12所示图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如表2所示。表2 传感器的电气技术数据型号EE-SPY402形状立式检测方式反射型检测距离5mm(反射率90 1515mm)应差距离0.2mm(检测距离3mm,横方向)光源(发光波长)GaAs红外发光二级管(940nm)显示灯入光时灯亮(红)电源电压DC524V10 脉动(p-p)5以下消耗电流平均值15mA以上50mA以下控制输出NPN电压输出负载电源电压DC524V负载电流80mA以下残留电压1.0以下(负载电流80mA时)残留电压0.4以下(负载电流10mA时)应答频率100HZ使用环境照度受光面照度 白炽灯 太阳光：各3，000x以下环境温度动作时：-10+55C 保存时-25+65C(不结冰)环境湿度动作时：585RH 保存时-595RH (不结露)耐久振动1055HZ 上下振幅1.5mm XYZ各方向2h耐久冲击500m/，X、Y、Z各方向三次保护构造IEC规格 IP50连接方式接插件式 (不可进行软钎焊)质量约2.6 g外壳材质聚碳酸酯(PC)(2)对射式传感器的选择 对射式传感器的工作原理对射式传感器的输出状态一般为 NPN输出，输出晶体管的动作状态可分为入光时ON和遮光时ON两种。入光时为ON的对射式传感器的结构图如图13所示，当24V电压加到发光二极管LED1时，它将光发射给发光二极管LED2，LED2接收到光导通，三极管导通，输出为ON；当发光二极管LED1发射出的光被物体挡住使发光二极管LED2接收不到时，LED2不导通，三极管也不导通，输出为OFF。 对射式传感器的选择在该立体仓库控制系统中采用8个对射式传感器作限位控制，其中4只对射式光电传感器分别作为X、Y轴的限位控制，当入光时输出晶体管ON；2只对射式光电传感器分别作为货架在X轴和Y轴的到位检测，当遮光时输出晶体管ON，如果货架未到达正确位置，Z轴电机将不能运行以确保当PLC程序出错时也不至于损坏设备；2只对射式光电传感器作为Z轴的限位控制，当遮光时输出晶体管ON，其信号对应PLC的输入点是X4（后限位）和X5（前限位）。图13 对射式传感器结构图4.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X40-X4C；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14所示。图14 微动开关原理图5.并联型开关稳压电源的原理和选择(1)并联型开关式稳压电源的原理并联型开关稳压电源是由开关晶体管V和二极管及储能电感L、滤波电容C组成的。除此以外，通常还有较为复杂的驱动电路，调节电路、保护电路、基准电路以及构成闭环回路中的取样电路、放大电路和耦合电路等各个部分，用来对输出电压的大小以及特性进行控制和调节，图15并联型开关稳压电源的原理框图。设开关晶体管V的开关转换周期T，导通期的时间为，截止期的时间为，占空比为(/T)。图15 并联型开关稳压电源的原理框图图16 并联型开关稳压电源输出电路的电流、电压波形其工作原理如下：当开关晶体管V处于导通期间，输入电压加到储能电感L的两端(这里我们忽略了V的饱和压降)，二极管因被反向偏置而截止。在此期间流过L的电流为近似线性地增加的锯齿波电流(见图十六)，并以磁能的形式储存在L中。当开关晶体管V截止时，储能电感L两端的电压极性相反，此时二极管被正向偏置而导通。储存在L中的能量通过二极管输送给负载电阻和滤波电容C。在此期间，L中的泄放电流是锯齿波电流的线性下降部分。同理，当开关晶体管V导通期间在储能电感L中增加的电流数值应该等于开关管V截止期间在储能电感L中减少的电流值。只有这样才能达到动态平衡，才能给负载电阻提供一个稳定的输出电压。(2) 开关式稳压电源的选择在该立体仓库控制系统中，考虑到PLC和步进电机驱动器都要求直流24V电源，综合考虑系统用电量、系统运行可靠性和系统设计的规整性，我们选用了DM150-24型并联式开关电源。DM150系列开关电源输出功率大，体积小， 重量轻， 高可靠性，适应宽范围的输入电压变动，具有完备的过压、过流保护功能；内置输入EMI滤波器，具有高抗干扰能力；根据UL478标准设计，耐压1500Vac1分钟；采用端子方式连接，全金属外壳，有卧式和立式两种安装方式。DM150系列开关电源的性能指标见表3表3 DM150系列开关电源的性能指标型 号 DMl50-24输入电压ACl70V264V 输入频率5060Hz输入浪涌电流60A(ACIN 220V，Ta25，冷启动) 输出电压24V输出电流6.5A输出功率156W输出可调范围约10过流保护外部短路撤除，输出自动恢复 过压保护271V输入-输出绝缘AC1500V，1分钟，10mA；DC500V，绝缘电阻60M输入-机壳绝缘AC1500V，1分钟，10mA；DC500V，绝缘电阻50M输出-机壳绝缘AC1500V，1分钟，10mA；DC500V，绝缘电阻10M相对湿度Ta=25 相对湿度=80工作环境温度-1040储存温度 -2055尺寸重量 200X118X49mm(长X宽X高) 颜 色黑色冷却方式 风冷(三) 实验步骤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。其实验步骤如下：1.接通电源。2.将选择开关置于手动位置（此时16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）。4.用计算机或手持编程器（需另购）编写程序并下装至PLC。（出厂前已装演示程序，详见光盘，以下描述为演示程序的运行情况）。5.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）。6.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。7.执行送指令（1）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。 （2）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）。（3）指令完成后，机械自动返回。（4）零号仓位已无汽车，则下一个送指令（误操作）将不被执行。8.执行取指令（1）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。（2）按动取指令按钮，观察取出动作（若被选择仓位内无汽车，则该指令不被执行）。（3）指令完成后，机构自动复位。（4）零号仓位已有汽车，则下一个取指令（误操作），将不被执行。9演示程序中的其它内容（1）当零号仓位上有货物时，若无外部操作指令，“就绪”灯亮，延时10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10秒，10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， 10秒内若无外部操作指令，自动将货物放在2#仓库。在延时的10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。（2）当零号仓位上无货物时，若无人操作，“就绪”灯亮10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。若需从5#取回物品，放入4#库，操作步骤如下：“就绪”灯亮时，按下按钮键“5”，再按“取”键，运行机构执行程序要求取回货物后，停在起初位置。此时按按键4#，再按“送”键，运行机构将把货物放在4#库，然后停在起初位置，“就绪”灯亮10秒后，若无外部操作指令，程序又将4#库货物转至3#库。四.设计程序清单1.I/O分配见程序中注释说明.2.演示程序见配套光盘.五.调试方法1.将Z轴上的汽车模型取下，且置Z轴为后极限位置。2.编程使X轴、Y轴回复零位。以后的立体仓库坐标定位以零点（0，0）开始。3.编程使Z轴部件到达1#仓库，且校对位置，力图使仓房中心线与Z轴对齐。记录坐标值（X1，Y1），此坐标值以步进电机的脉冲数为准。4.依次记录2#12#仓库坐标。六.学习编程，使该装置实现如下基本功能1.将Z轴上的货物送到指定位置（由教师指定位置）2.将某一指定位置的货物取出3.自动将某一位置的货物送到另一位置4.将零号位置的货物送到任意位置5.从任意位置取回货物放至零号位6.能够实现低速启动变速运行低速停车的功能7.X、Y、Z极限保护8.012号仓位扫描检测七.装置中已实施的硬件保护1.X轴极限位保护（SQ0、SQ1）2.Y轴极限位保护（SQ2、SQ3）3.Z轴极限位保护（SQ4、SQ5）4.X轴、Y轴、Z轴协调保护（SQ6、SQ7硬件联锁）以上各种保护开关，确保学员在编程实验中、立体仓库在程序出错时，并不损坏该装置。用户自己编写监控程序，可以观看多媒体教室进行学习编写。八.技术参数1.输入电压：AC200V240V（带保护地三芯插座）或DC24V耗电量250W。2.环境：温度-540C，湿度80%。3.外形尺寸：604560CM。九.注意事项1.当0#仓库有货物时，只能有“放”的操作，0#仓库上无货物时，只有“取”的操作。2.取、送汽车模型应观察模型到位情况，应注意检测开关的动作情况。3.需用手取送模型时，应在断电状态下进行！4.仓库模型应水平放置，并观察Y轴与库体垂线重合情况。若重合不良，应在垫角下垫某一厚度垫片解决。19