基于PLC的立體車庫控制系統(tǒng)設計

基于PLC的立體車庫控制系統(tǒng)設計,基于,PLC,立體車庫,控制系統(tǒng),設計 PLC 實訓設計任務書論文題目基于 PLC 控制的立體車庫系統(tǒng)的設計 姓 名專業(yè)、年級指導教師任務下達日期2016.6/30一.實訓的主要內(nèi)容根據(jù)實際要求，以 S7-200 型 PLC 為核心，設計立體車庫控制系統(tǒng)。設計控制系統(tǒng)硬件電路，編寫軟件控制系統(tǒng)程序，目的是掌握 PLC 控制的基本原理、直流電機、傳感器等器件的原理及使用。 二.實訓報告任務車庫模型以 205 實驗室的立體車庫模型為準立體停車庫實物教學實驗裝置的主要結構分為控制柜和停車庫模型兩部分。控制柜部分由按鍵顯示板、信號接口板電氣控制板幾部分組成停車庫模型部分由停車層模型和停車盤模型組成。 停車層分為上中下三層上層有四個車位共有四個車盤可停放四輛汽車模型從左到右分別是 1 號位2 號位3 號位4 號位簡記符為 3-1、3-2、3-3、3-4中層有四個車位共有三個車盤可停放三輛汽車模型從左到右分別是 2-1 車盤2-2 車盤2-3 車盤下層有四個車位共有三個車盤可停放三輛汽車模型從左到右分別是 1-1 車盤1-2 車盤1-3 車盤。 對立體車庫的控制可以有兩種方法 第一種是由現(xiàn)場操作人員通過相應的按鈕控制立體車庫設備的動作 第二種是根據(jù)實際的生產(chǎn)工藝要求編制出控制程序按照現(xiàn)場要求來控制立體車庫設備的動作。 按下存車按鈕選擇存車位置。如果選擇的車位上已有車停放將發(fā)出警示信息。該警示信息可以通過控制系統(tǒng)點亮警示燈或發(fā)出警示聲來實現(xiàn)。如果選擇的車位上無車系統(tǒng)將做如下動作 如果選擇存放 1-1 號車位汽車進入車庫。當檢測到光電開關的信號后表明車輛己經(jīng)進庫。如果選擇存放 1-2 號車位載車盤 1-1 右移載車盤 1-2 下移到第一層汽車進入車庫。1-2 號車位上移到第二層原位停止。 按下取車按鈕選擇取車位置。如果選擇的車位上沒有車停放將發(fā)出警示信息。如果選擇的車位上有車系統(tǒng)將做如下動作 如果選擇取 1-1 號車位的車此時車輛可以離開車庫。當檢測到限位開關的信號后表明車輛已經(jīng)出庫車位 1-1 車輛出庫過程完成。如果選擇取 1-2 號車位的車載車盤 1-1 右移載車盤 1-2 下移到第一層汽車出庫。車位 1-2 車輛出庫過程完成上移回原位車位 1-2 車輛出庫過程完成。 三. 實訓報告要求（1）寫完整實訓報告說明書（3000字）。（2）完成系統(tǒng)硬件配置，合理進行地址分配，列出I/O表，畫出接線圖。（3）設計梯形圖控制程序，并在仿真軟件上調(diào)試。（4）軟件仿真調(diào)試成功后，到實驗室接線調(diào)試。四、實訓報告要求進度安排日期時間內(nèi)容備注查資料確定 I/O 數(shù)量和配置畫程序流程圖并軟件仿真實驗室調(diào)試實驗室調(diào)試 指導老師簽字：摘 要立體車庫是專門實現(xiàn)各種車輛的自動停放及科學寄存的倉儲設施。隨著城市汽車保有量的不斷增加，停車難問題己經(jīng)成為大中型城市的一個普遍現(xiàn)象。機械式立體車庫可充分利用上地資源，發(fā)揮空間優(yōu)勢，最大限度地停放車輛，成為解決城市靜態(tài)交通問題的重要途徑。本課題以較為典型的升降橫移式立體車庫為研究對象，綜合考慮立體車庫制造成本和運行效率的雙重因素。本文在對國內(nèi)外車庫現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢做了充分調(diào)研的基礎上，選擇四層三列式車庫結構為研究模型。升降橫移式立體車庫就其組成部分而言，可分為三大部分：車庫結構部分、傳動機構部分和控制系統(tǒng)部分。本文簡單介紹了車庫的主體結構和特點，對車庫的控制系統(tǒng)也作了簡單的說明。在對升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)的設計中，采用了先進的可編程序控制器(PLC)控制，運用西門子公司的編程軟件編制了升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)的程序，并經(jīng)調(diào)試、運行，證明采用 PLC 作為控制系統(tǒng)簡單易行。其穩(wěn)定、可靠、快速、性價比高的特點使得控制系統(tǒng)非常完美。為了使停車設備滿足使用要求，根據(jù)國家關于機械式停車設備通用安全要求的標準、升降橫移式立體車庫的實際，在升降橫移式立體車庫中使用了一些必要的安全技術，這樣保證了車輛的絕對安全，使得整個車庫可以安全平穩(wěn)的運行。關鍵詞：關鍵詞：立體車庫；控制系統(tǒng)；可編程序控制器ABSTRACTStereo 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目 錄第 1 章 緒論11.1 本題設計的背景 11.2 本題設計的內(nèi)容 21.3 本題設計的目的及意義 2第 2 章 系統(tǒng)控制方案的設定 3 2.1 自動化立體車庫的描述 3 2.2 系統(tǒng)設計的基本步驟 3第 3 章 立體車庫系統(tǒng)硬件方面的設計 4 3.1 硬件系統(tǒng)的總體設計4 3.2 PLC 控制模塊的設計9 3.3 步進驅(qū)動模塊的設計10 3.4 絲桿驅(qū)動模塊的設計14 3.5 電氣原理圖的設計14第 4 章 升降橫移式立體車庫系統(tǒng)軟件方面的設計15 4.1 系統(tǒng)主程序的設計15 4.2 系統(tǒng)子程序的設計16參考文獻 22附錄 1: 電氣原理圖設計 23附錄 2: PLC 梯形圖設計 2第 1 章 緒論1.1 本題設計的背景隨著我國城市經(jīng)濟和汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，擁有私家車的家庭越來越多，截至2011 年 8 月底，全國機動車保有量達到 2.19 億輛。其中，汽車保有量首次突破 1 億輛。而早在 2000 年，全國機動車保有量僅為 1249 萬輛，汽車保有量為 625 萬輛。通過以上數(shù)據(jù)可以看出，短短 10 年里，中國的機動車輛增加了 17 倍，汽車增加了 16 倍。而與此相對應的是城市停車狀況的尷尬。以北京市為例，截止 2007 年底，市區(qū)僅有公共停車場 828 處，共計車位 5.7 萬個，僅占市區(qū)機動車擁有量的 8.6，停車環(huán)境與城市規(guī)劃的矛盾十分突出。上海的情況也讓人無法樂觀，僅有的 229 個地下車庫使用面積不足 60 萬平方米，只能滿足 1.3 萬輛機動車停放的要求，路邊停車漸呈泛濫之勢，比例高達 64，而且還有繼續(xù)上升之勢。據(jù)建設部城市交通工程技術中心對全國 15 個大城市停車現(xiàn)狀的調(diào)查，城市機動車保有量與停車位之比平均為 4：84：1，這一比值對于渴望“車者有其位”的車主來說，形式不容樂觀。停車難產(chǎn)生最主要的原因是城市建設規(guī)劃上的準備不足。上世紀 80 年代初期，北京市權威部門對 2000 年北京汽車發(fā)展數(shù)的預測僅僅是 70 萬80 萬輛，而事實上到新世紀鐘聲敲響之前，北京市汽車總量則足足比預期多了 100 萬輛，其中私人小客車的數(shù)量就高達 45 萬輛。面對迅速發(fā)展的城市車流，停車設施建設的落后也就不足為奇。據(jù)建設部停車技術開發(fā)推廣中心介紹，北京市停車設施的“欠賬”最保守估計應為 2030。停車問題是城市在發(fā)展過程中出現(xiàn)的靜態(tài)交通問題，靜態(tài)交通是相對于動態(tài)交通而存在的一種交通形態(tài)，二者相互聯(lián)系，互相影響，停車設施是城市靜態(tài)交通的主要內(nèi)容，隨著城市的不斷發(fā)展，各種車輛的不斷增加，對停車設施的需求也在不斷增加，如果兩者之間失去平衡，城市里就會出現(xiàn)停車難的一系列問題。數(shù)據(jù)顯示，最近幾年我國城市機動車輛平均增長速度在 15%-20%，而同時期城市停車基礎設施的平均增長速度只有 2%-3%，特別是大城市的機動車擁有量的增長速度遠遠超過停車基礎設施的增長速度，因此，我們必須重視城市停車難的問題，并積極探求解決的措施。專家們指出，解決城市靜態(tài)交通問題，大體分為軟硬兩種措施。所謂軟措施，就是通過政策法規(guī)，限制路面停車，提高停車場利用效率，使部分車主更愿意改乘公共交通工具，以減少機動車對停車場的需求。而硬措施，主要包括增建停車場，建設地下及立體停車場、利用其它空間滿足停車需求。1.2 本題設計的內(nèi)容本課題的主要內(nèi)容是基于西門子 S-200 系列 PLC 的立體車庫控制系統(tǒng)的設計，升降橫移類機械停車庫利用托盤移位產(chǎn)生垂直通道,實現(xiàn)高層車位升降存取車輛。其車位結構為 2 維矩陣形式,可設計為多層和多列。由于受收鏈裝置及進出車時間的限制,一般為 24 層(國家規(guī)定最高為 4 層),2 層、3 層者居多,現(xiàn)以典型的地上 43 升降橫移式為例,說明停車庫的運行原理。立體車庫結構特點是：底層只能平移,頂層只能升降。除頂層外,底層都必須預留一個空車位,供進出車升降之用。當?shù)讓榆囄贿M出車時,無需移動其他托盤就可直接進出車;頂層進出車時,先要判斷其對應的下方位置是否為空,不為空時要進行相應的平移處理,直到下方為空才可進行下降動作,進出車完成后再上升回到原位置。其運動的總原則是：升降復位,平移不復位。1.3 本題設計的目的及意義作為現(xiàn)代大都市的標志，立體建筑和立體交通都有了顯著發(fā)展，道路擁擠、車滿為患已成為當今快節(jié)奏社會中的最不和諧之音，發(fā)展立體停車已成為人們的共識。目前我國經(jīng)濟正處在高速發(fā)展時期，隨著人們生活水平的不斷提高，汽車進入家庭的步伐正在加快，停車產(chǎn)業(yè)市場前景廣闊。機械式立體車庫既可以大面積使用，也可以見縫插針設置，還能與地面停車場、地下車庫和停車樓組合實施，是解決城市停車難最有效的手段，機械車庫與傳統(tǒng)的自然地下車庫相比，在許多方面都顯示出優(yōu)越性。首先，機械車庫具有突出的節(jié)地優(yōu)勢。以往的地下車庫由于要留出足夠的行車通道，平均一輛車就要占據(jù) 40 平方米的面積，而如果采用雙層機械車庫，可使地面的使用率提高 8090，如果采用地上 21 層立體式車庫的話，50 平方米的土地面積上便可存放 40 輛車，這可以大大地節(jié)省有限的土地資源，并節(jié)省土建開發(fā)成本。機械車庫與地下車庫相比可更加有效地保證人身和車輛的安全，人在車庫內(nèi)或車不停準位置，由電子控制的整個設備便不會運轉(zhuǎn)。應該說，機械車庫從管理上可以做到徹底的人車分流。在地下車庫中采用機械存車，還可以免除采暖通風設施，因此，運行中的耗電量比工人管理的地下車庫低得多。機械車庫一般不做成套系統(tǒng)，而是以單臺集裝而成。這樣可以充分發(fā)揮其用地少、可化整為零的優(yōu)勢，在住宅區(qū)的每個組團中或每棟樓下都可以隨機設立機械停車樓。這對眼下車庫短缺的小區(qū)解決停車難的問題提供了方便條件。當以往的路邊、人行道上停車、地下或地面停車場均解決不了上述問題時，采用機械式立體停車設備是一個非常有效的措施。機械式立體停車設備又名立體車庫，它占地空間小，并且可最大限度地利用空間，安全方便，立體車庫的設計目的：是解決城市用地緊張，緩解停車難的一個有效手段?？梢灶A見立體車庫具有非常廣闊的市場前景。第 2 章 系統(tǒng)控制方案的設定2.1 自動化立體車庫的描述目前，立體車庫主要有以下幾種形式：升降橫移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂直循環(huán)式、箱型水平循環(huán)式、圓形水平循環(huán)式等。在對國內(nèi)外各種同類產(chǎn)品進行分析的基礎上，再結合造價、技術難度以及用戶需求等各個方面的因素，可以發(fā)現(xiàn)升降橫移式立體車庫形式比較多，規(guī)?？纱罂尚?，而且對場地的適應性較強，同時采用這類設備的車庫十分普遍。因此，最終確定研究對象為升降橫移式立體車庫。2.2 系統(tǒng)設計的基本步驟 立體車庫系統(tǒng)設計與調(diào)試的主要步驟，如圖 1 所示 圖 1 立體車庫控制系統(tǒng)的修訂步驟在本次課題設計過程中主要考慮以下幾點：1深入的了解和分析立體車庫的工藝條件和控制要求。2根據(jù)立體車庫的控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)的設計系統(tǒng)結構。3根據(jù)所設計的場所，選擇電動機的類型。4根據(jù) I/O 的點數(shù)選擇合適的 PLC 的類型。5分配 I/O 點，分配 PLC 的輸入、輸出點。6設計立體車庫系統(tǒng)的梯形圖設計。7將程序輸入 PLC 程序進行調(diào)試，查出錯誤，讓程序更加完善。第 3 章 立體車庫系統(tǒng)硬件方面的設計3.1 硬件系統(tǒng)總體設計3.1.1 硬件系統(tǒng)結構設計立體倉庫存儲系統(tǒng)主要由PLC控制模塊、步進驅(qū)動模塊、絲桿驅(qū)動模塊、工件推出模塊、立體倉庫、氣源處理組件等部件組成。系統(tǒng)結構模型如圖2所示。圖 2 立體車庫模型3.1.2 精確定位原理精確定位原理 PLC每發(fā)出一個脈沖，步進電機轉(zhuǎn)動一個步距角度，X軸步進電機帶動X軸絲桿做左右直線運動或Z軸步進電機帶動Z軸絲桿做上下直線運動，實現(xiàn)載物臺的上、下、左、右運動。通過控制X軸、Z軸步進電機的脈沖個數(shù)，就可以控制載物臺在X軸、Z軸上移動的距離，實現(xiàn)載物臺在XZ軸平面的精確定位，從而把物體放到倉庫的指定位置。當PLC輸出5000個脈沖時，平移距離為3.125cm（平移距離=步距角脈沖個數(shù)螺距/360o），輸出脈沖10000時平移距離理論值為6.25cm。3.2 升降橫移式立體車庫的基本結構升降橫移式立體車庫由底盤、四層十二車位停車場、運動機械及電氣控制等四部分組成。機械部分采用滾珠絲杠、滑杠、普通絲杠等機械元件組成，采用步進電機、直流電機作為拖動元件。電氣控制是由西門子 S-200 系列可編程序控制器(PLC)、步進電機驅(qū)動電源模塊、開關電源、位置傳感器等器件組成。本系統(tǒng)采用滾珠絲杠、滑杠和普通絲杠作為主要傳動機構，電機采用步進電機和直流電機，其關鍵部分是堆垛機，它由水平移動、垂直移動及伸叉機構三部分組成，其水平和垂直移動分別用兩臺步進電機驅(qū)動滾珠絲杠來完成，伸叉機構由一臺直流電機來控制。它分為上下兩層，上層為貨臺，可前后伸縮，低層裝有絲杠等傳動機構。當堆垛機平臺移動到貨架的指定位置時，伸叉電機驅(qū)動貨臺向前伸出可將貨物取出或送入，當取到貨物或貨已送入，則鏟叉向后縮回。整個系統(tǒng)需要三維的位置控制?？刂泼姘迳系拈_關、按鈕功能及車位號如圖 3 所示 圖 3 控制面板上的開關、按鈕功能及車位號控制面板上的按鈕功能如表 1 所示表 1 控制面板上的按鈕功能表具體的操作步驟如下：1手動操作（1）接通電源。（2）將選擇開關置于手動位置（此時 16 號有效）（3）分別點動按鍵1、2、3、4、5、6，觀察水平（X 軸） 、垂直（Y 軸） 、前后（Z 軸）各絲杠運行情況，運行應平穩(wěn)，在接近極限位置時，應執(zhí)行限位保護（運行自動停止） 。注意：只有 X、Y 軸運行到相應位置（左側(cè)數(shù)碼管顯示“ ” ）時，伸叉機構方可運行。2自動運行（1）將程序下載到 PLC（2）將選擇開關置“自動”位置（通電狀態(tài)下，各機構復位，即返回零位） 。（3）將一帶托盤汽車模型置零號倉位，放置模型時，入位要準確，并注意到倉位底部檢測開關已動作。（4）執(zhí)行“送”指令a、選擇欲送倉位號，按動倉位號對應按鈕，控制面板上的數(shù)碼管顯示倉位號。b、按動送指令按鈕，觀察送入動作（若被選擇倉位內(nèi)已有汽車，則該指令不被執(zhí)行）。c、指令完成后，機械自動返回。按鍵號手動自動1 1機構水平向左移動選擇 1 號倉位2 2機構垂直向下移動選擇 2 號倉位3 3機構水平向右移動選擇 3 號倉位4 4機構水平向后移動選擇 4 號倉位5 5機構垂直向上移動選擇 5 號倉位6 6機構水平向前移動選擇 6 號倉位7 7無意義選擇 7 號倉位8 8無意義選擇 8 號倉位9 9無意義選擇 9 號倉位1010無意義選擇 10 號倉位1111無意義選擇 11 號倉位1212無意義選擇 12 號倉位d、零號倉位已無汽車，則下一個“送”指令（誤操作）將不被執(zhí)行。（5）執(zhí)行“取”指令a、選擇欲取倉位號，按動倉位號對應按鈕，控制面板上的數(shù)碼管顯示倉位號。b、按動“取”按鈕，觀察取出動作（若被選擇倉位內(nèi)無汽車，則該指令不被執(zhí)行） 。c、指令完成后，機構自動復位。d、零號倉位已有汽車，則下一個“取”指令（誤操作） ，將不被執(zhí)行。（6）演示程序中的其它內(nèi)容當 0#倉位上有貨物時，若無外部操作指令， “就緒”燈亮，延時 15 秒后，自動將貨物放在倉庫號最小的空位上，依次類推。如 1#、2#、3#、4#都已有貨物，程序延時15 秒，15 秒內(nèi)若無外部操作指令，自動將貨物放在 5#倉庫。如 1#、3#、4#都已存放貨物， 15 秒內(nèi)若無外部操作指令，自動將貨物放在 2#倉庫。在延時的 15 秒內(nèi)，若按下數(shù)字 5#，然后按下“送”鍵，則運行機構將貨物放入 5#庫，若按下 5#鍵后，想取消此操作，可按下“放棄”鍵。此時，程序又處在待命狀態(tài)， “就緒”燈亮，又可進行其它操作。當 0#倉位上無貨物時，若無人操作， “就緒”燈亮 15 秒后，程序?qū)褦?shù)值最大倉庫號里的物品轉(zhuǎn)運至沒有放貨物的倉號比它小的倉庫里。如 1#、2#、5#有物，該程序?qū)⒆詣影?5#物品轉(zhuǎn)至 3#倉庫。操作步驟如下：“就緒”燈亮時，延時 15 秒后，程序?qū)⒆詣影?5#物品先轉(zhuǎn)至 0#倉庫，再延時 15 秒后，自動將貨物放在 3#倉庫。當程序運行時，貨臺上已經(jīng)貨物時，在 5 秒后，程序?qū)沿浥_上的物品自動運至沒有放貨物的最小倉號的倉庫里。3.2 PLC 控制模塊的設計3.2.1 PLC 的概述 PLC 英文全稱 Programmable Logic Controller ,中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 可編程序控制器是六十年代末在美國首先出現(xiàn)的，目的是用來取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能，由此日本稱它為順序控制器（Sequence Controller)。 提出 PLC 概念的是美國通用汽車公司。當時，根據(jù)汽車制造業(yè)生產(chǎn)線的需要，希望用電子化的新型控制器替代繼電器控制盤，以減少汽車改型時，重新設計制造繼電器控制盤的成本和時間。隨著半導體技術尤其是微處理器和微型計算機技術的發(fā)展，到七十年代中期以后，PLC 已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出組件和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時的“PLC”已不再是僅有邏輯（Logic）判斷功能了，同時具有數(shù)據(jù)處理、PID 調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通訊功能。美國電氣制造商協(xié)會 NEMA（ National Electrical Manu-factory Association）從1976 年開始，經(jīng)過四年的調(diào)查，于 1980 年把它正式命名為可編程序控制器，簡稱“PC”.可編程序控制器硬件由六部分構成:中央處理器（ Central Processor Unit 簡稱 CPU）：它是可編程序控制器的心臟部分。CPU 由微處理器（Microproce-ssor）存儲實際控制邏輯的程序存儲器和存儲數(shù)據(jù)、變量的數(shù)據(jù)儲器構成。電源（Power Supply）：給中央處理器提供必需的工作電源。輸入組件（Inputs）：輸入組件的功能是將操作開關和現(xiàn)場信號送給中央處理器。現(xiàn)場信號可能是開關量、模擬量或針對某一特定目的使用的特殊變量。輸出組件（Outputs）：輸出組件接收 CPU 的控制信號，并把它轉(zhuǎn)換成電壓或電流等現(xiàn)場執(zhí)行機構所能接收的信號后，傳送控制命令給現(xiàn)場設備的執(zhí)行器。輸入輸出（簡稱 I/O）是可編程序控制器的“手”和“腳”或者叫作系統(tǒng)的“眼睛”和“視覺” 。輸入信號包括按扭開關、限位開關、接近開關、光電傳感器、熱電偶、熱電阻、位置檢測開關和編碼器等。輸出信號包括繼電器、指示燈、顯示器、電機啟動等直流和交流設備。編程器（Programmer）：在正常情況下，編程器用于系統(tǒng)初始狀態(tài)的配置，控制邏輯程序編制和加載，不能對系統(tǒng)操作。編程器也可用于控制程序的調(diào)試和控制系統(tǒng)故障時作為檢查故障的有效工具。3.2.2 PLC 的選型及特點1.可靠性高，抗干擾能力強（1）所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內(nèi)部電路之間電氣上隔離。 （2）各輸入端均采用 R-C 濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為 1020ms。 （3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 （4）采用性能優(yōu)良的開關電源。 （5）對采用的器件進行嚴格的篩選。 （6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU 立即采用有效措施，以防止故障擴大。 （7）大型 PLC 還可以采用由雙CPU 構成冗余系統(tǒng)或有三 CPU 構成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。2.通用性強，控制程序可變，使用方便PLC 品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設計和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設備更新的情況下，不必改變 PLC 的硬設備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，PLC 除應用于單機控制外，在工廠自動化中也被大量采用。3.功能強，適應面廣現(xiàn)代 PLC 不僅有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺生產(chǎn)機械、一條生產(chǎn)線，又可控制一個生產(chǎn)過程。4.編程簡單，容易掌握目前，大多數(shù) PLC 仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式” 。既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術人員的讀圖習慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形圖語言的編程元件的符號和表達方式與繼電器控制電路原理圖相當接近。通過閱讀 PLC 的用戶手冊或短期培訓，電氣技術人員和技術工很快就能學會用梯形圖編制控制程序。同時還提供了功能圖、語句表等編程語言。5.減少了控制系統(tǒng)的設計及施工的工作量由于 PLC 采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，控制柜的設計安裝接線工作量大為減少。同時，PLC 的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，更減少了現(xiàn)場的調(diào)試工作量。并且，由于 PLC 的低故障率及很強的監(jiān)視功能，模塊化等等，使維修也極為方便。6.體積小、重量輕、功耗低、維護方便PLC 是將微電子技術應用于工業(yè)設備的產(chǎn)品，其結構緊湊，堅固，體積小，重量輕，功耗低，具有強抗干擾能力，易于裝入設備內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。綜上所述，本課題系統(tǒng)核心部分采用西門子 S-200 系列中的 CPU224 為控制元件，CPU224 本機集成了 14 點輸入10 點輸出，共有 24 個數(shù)字量 I/O。它可連接個擴展模塊，最大擴展至 168 點數(shù)字量 I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點。CPU224 有 13字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存貯空間，個獨立的 30KH高速計數(shù)器，路獨立的 20KH高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。CPU224 配有個 RS-485 通訊編程口，具有 PPI 通訊、MPI 通訊和自由方式通訊能力，是具有較強控制能力的小型控制器。3.2.3 I/O 口分配表立體車庫 I/O 分配表如表 2 所示表 2 立體車庫 I/O 分配表輸入口 名稱輸出口 名稱I0.0貨臺到位限位Q0.0橫軸脈沖I0.1貨臺回位限位Q0.1豎軸脈沖I0.2貨臺是否有物Q0.2橫軸方向 I0I0.3自動手動Q0.3豎軸方向 I0I0.4鍵盤值 1 位Q0.4貨臺前升I0.5鍵盤值 2 位Q0.5貨臺退回I0.6鍵盤值 3 位Q0.6就緒I0.7鍵盤值 4 位Q0.7取I1.0橫軸右限位Q1.0放I1.1橫軸左限位Q1.1十位顯示I1.2豎軸上限位Q2.0BCD 碼 1 位I1.3豎軸下限位Q2.1BCD 碼 2 位Q2.2BCD 碼 3 位Q2.3BCD 碼 4 位注：PLC 主機輸出的 1L、2L、輸入 1M、2M、3M、4M 分別與電源 L+相連 輸出的 3L、4L、5L、6L、1M、2M 與電源 M 相連3.3 步進驅(qū)動模塊的設計3.3.1 步進電動機的原理步進式伺服驅(qū)動系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，執(zhí)行元件是步進電機。它受驅(qū)動控制線路的控制，將代表進給脈沖的電平信號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，它的精度較差，速度也受到步進電機性能的限制。但它的結構和控制簡單、容易調(diào)整，故在速度和精度要求不太高的場合具有一定的使用價值。步進電機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理。3.3.2 步進電動機的選型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，其次是具體的品種選擇，在該立體車庫系統(tǒng)設計中要求步進電動機的電壓低、電流小、有定位轉(zhuǎn)矩和使用螺栓機構的定位裝置，確定步進電動機采用 2 相 8 拍混合式步進電動機；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 Tt、額定轉(zhuǎn)矩 Tn 和運行頻率 Fy，以確定不進電動機的具體規(guī)格和控制裝置。步進電動機有如下特點： a、步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比。因此,當它轉(zhuǎn)一圈后,沒有累計誤差,具有良好的跟隨性。b、由步進電動機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng),既簡單、廉價,叉非?？煽?。同時,它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。c、步進電動機的動態(tài)響應快,易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。d、速度可在相當寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整,低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)矩,因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。e、步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行,不能直接使用交流電源和直流電源。f、步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象,必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應措施。3.3.3 步進驅(qū)動模塊步進驅(qū)動模塊由步進電機和步進驅(qū)動器組成。倉庫立體存儲系統(tǒng)有兩套步進驅(qū)動模塊，分別控制 X 軸、Y 軸的絲桿運動。步進驅(qū)動器接收 PLC 發(fā)出的高速脈沖信號及方向電平信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動步進電機的信號。步進電機旋轉(zhuǎn)方向由方向電平控制,步進電機旋轉(zhuǎn)速度由脈沖信號頻率控制,步進電機旋轉(zhuǎn)度由脈沖信號的數(shù)目控制。用四相步進電機 42J1834-810，與之配套的驅(qū)動器選用美國 IMS 公司生產(chǎn)的 M415B細分型步進電機驅(qū)動器，其細分功能使步進電機運轉(zhuǎn)精度提高，振動減小，雜訊降低，且具有光隔離信號輸入（抗干擾），靜止時電流減半，電源接反保護功能等優(yōu)點。42J1834-810 步進電機步距角為 1.8o，即在無細分的條件下，200 個脈沖使步進電機轉(zhuǎn)一圈（2001.8=360o）。通過驅(qū)動器設置細分精度，最高可以達到 12800 個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈。步進電機驅(qū)動器 M415B 細分設定由撥碼開關 SW4、SW5、SW6 設定，如表 1 所示。設置 SW4=ON、SW5= OFF、SW6=ON，細分設置為 800 步數(shù)/圈，即 800 個脈沖使步進電機轉(zhuǎn)一圈，此時步距角為（8000.45=360o）。步進電機傳動組件采用聯(lián)軸器直接帶動螺旋絲杠轉(zhuǎn)動，螺旋絲杠的螺距為 5mm，即步進電機每轉(zhuǎn)動一周，載物臺位移5mm。通過控制載物臺在 X-Z 軸平面的運動，從而把工件運送到倉庫的指定位置。步進電機驅(qū)動器 M415B 輸出相電流設定由撥碼開關 SW1、SW2、SW3 設定，如表 5 所示。設置 SW1=OFF、SW2=ON、SW3=OFF，輸出相電流為 1.05A。1步進電機驅(qū)動器步進電機驅(qū)動器主要有電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等。驅(qū)動器參數(shù)如下列圖表所示表 3 電氣規(guī)格說明最小值典型值最大值單位供電電壓182440V均值輸出電流0.2111.50A邏輯輸入電流61530mA步進脈沖響應頻率100kHz脈沖低電平時間51s表 4 電流設定電流值SW1SW2SW3 0.21AOFFONON0.42AONOFFON0.63AOFFOFFON0.84AONONOFF1.05A0FFONOFF1.26AONOFFOFF1.50AOFFOFFOFF表 5 細分設定細分倍數(shù)步數(shù)/圈（1.8整步）SW4SW5SW61200ONONON2400OFFONON4800ONOFFON81600OFFOFFON163200ONONOFF326400OFFONOFF6412800OFFONOFF由外部確定動態(tài)改細分/禁止工作OFFOFFOFF表 6 接線信號描述信號功能PUL脈沖信號：上升沿有效，每當脈沖由低變高時電機走一步DIR方向信號：用于改變電機轉(zhuǎn)向，TTL 平驅(qū)動OPTO光耦驅(qū)動電源ENA使能信號：禁止或允許驅(qū)動器工作，低電平禁止GND直流電源地+V直流電源正極，典型值+24VA+電機 A 相A-電機 A 相B+電機 B 相B-電機 B 相PLC 控制器與步進電機驅(qū)動器工作原理如圖 4 所示：圖 4 PLC 控制器與步進電機驅(qū)動器工作原理圖2步進電機采用二相八拍混合式步進電機,型號為 42J1834-810，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。本模型中采用串聯(lián)型接法，其電氣圖如下圖 5 所示：圖 5 二相八拍混合式步進電機串聯(lián)型接法3.4 絲桿驅(qū)動模塊的設計絲桿驅(qū)動模塊是將步進電機輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線往復運動，兩套絲桿驅(qū)動模塊成90度垂直安裝，形成一個X-Y軸的平面運動系統(tǒng)。在兩個絲桿驅(qū)動模塊上均設有一個零點，用以校正位置及提供一個位置參考點。同時為了防止絲杠驅(qū)動模塊過沖而產(chǎn)生機械物理損傷 ，在絲桿驅(qū)動模塊的極限位置均裝有碰撞保護開關，用來防止絲桿驅(qū)動模塊過沖。工件推出模塊采用直流電機作為執(zhí)行機構，型號為32ZYC2503.5 硬件接線圖的設計見附錄第 4 章 升降橫移式立體車庫系統(tǒng)軟件方面的設計4.1 系統(tǒng)主程序設計4.1.1 主程序流程框圖主程序流程框圖如圖 6 所示圖 6 主程序流程框圖4.1.2 主程序梯形圖見附錄開始系統(tǒng)初始化首次接通裝入脈沖串初值：500000分別裝入VD300、VD400調(diào)用Q0.0控制X軸脈沖輸出子程序調(diào)用Q0.1控制Y軸脈沖輸出子程序X軸運動、Y軸運動子程序返回脈沖輸出完成？定位完成？程序結束YYNN4.2 系統(tǒng)子程序設計4.2.1 X 軸、Y 軸脈沖輸出子程序流程框圖 X 軸、Y 軸脈沖輸出子程序流程框圖分別如圖 7、圖 8 所示。 圖 7 X 軸脈沖輸出子程序流程框圖 圖 8 Y 軸脈沖輸出子程序流程框圖4.2.2X 軸、Y 軸脈沖輸出子程序梯形圖 X 軸、Y 軸脈沖輸出子程序梯形圖見附錄開始設置包絡段數(shù)：4裝入VB500設定初始周期：1050微秒裝入VW501設定脈沖的周期增量設定X軸輸出脈沖數(shù)Q0.0輸出脈沖子程序返回設定PTO0控制寄存器SMB67設置包絡表的起始位置：500裝入SMW168允許中斷：ENI執(zhí)行PLS指令Q0.0輸出脈沖串開始設置包絡段數(shù)：4裝入VB600設定初始周期：1050微秒裝入VW601設定脈沖的周期增量設定Y軸輸出脈沖數(shù)Q0.1輸出脈沖子程序返回設定PTO0控制寄存器SMB77設置包絡表的起始位置：500裝入SMW178允許中斷：ENI執(zhí)行PLS指令Q0.1輸出脈沖串參考文獻1 常斗南PLC 運動控制實例及解析.北京：機械工業(yè)出版社，2010Dounan Chang. PLC motion control instance and analysis M . Beijing: Mechanical Industry Press,2010 2 呂景泉可編程控制器技術教程.北京：高等教育出版社，2001 Jingquan Lv. The programmable controller technology ( M ). Beijing: Higher Education Press,20013 王永華.現(xiàn)代電氣及可編程控制技術.北京：北京航空航天大學出版社，2002 Yonghua Wang. Modern electric and PLC control technology M . Beijing: Beihang University press,20024 張培志.電氣控制與可編程序控制器.北京：化學工業(yè)出版社，2007 Peizhi Zhang. Electrical control and PLC M . Beijing: Chemical Industry Press,20075 陽勝峰西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應用教程.北京：中國電力出版社，2009 Sheng Feng Yang. Siemens PLC and frequency converter, touch screen integrated application guide ( M ). Beijing: China Electric Power Press,2009附錄 1硬件接線圖圖設計附錄 2PLC 主程序圖 X 軸脈沖輸出子程序梯形圖Y 軸脈沖輸出子程序梯形圖對應倉庫定位子程序中轉(zhuǎn)位置定位控制子程序貨臺運動控制子程序