智能堆垛机控制系统及设计报告.doc

毕业设计报告设计题目： 智能堆垛机的设计 设计作者： 苏标霖 专业班级/学号： 0906020141 合作者1： XXX 专业班级/学号： xxx 合作者2： XXX 专业班级/学号： xxx 指导教师： XXX 设计时间： 2011年12月5日2012年2月10号 目录1 引言12 设计任务及要求22.1 设计任务22.2 设计要求23 系统总体设计23.1机械手控制系统结构说明23.2堆垛机设计方案框图34 软、硬件设计44.1 系统硬件设计44.1.1系统硬件原理图及工作原理说明44.1.2 气动控制系统认知54.1.3 气动控制回路分析及连接64.1.4 步进电动机认知及应用74.1.5 S7-200控制系统设计84.2系统软件设计94.2.1程序通信参数选择94.2.2软件系统总流程图及设计思路说明95 安装与调试135.1安装调试过程135.1.1立体存储单元结构与功能分析13 5.1.2立体存储单元机械及气动元件安装与调整14 5.1.3立体存储单元气动回路分析、安装与调试15 5.1.4步进电动机的使用16 5.1.5立体存储单元电气系统分析、安装与调试24 5.1.6立体存储单元控制程序设计与调试275.2故障分析346 结论357 使用仪器设备清单358 收获、体会和建议369 参考文献36 10 附录36附录一：人机界面的四个界面 . 36附录二：各功能模块的程序注释及符号说明. 38附录三：I/O口符号表说明.45附录四:25个存储仓的脉冲分配表46附录四：立体存储站在柔性生产线中的位置实图.471 引言 立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。自上世纪60 年代以来,美、日、欧等国家和地区设计和投入使用的立体仓库越来越多,立体仓储技术已成为一门新兴的学科。有轨堆垛机是自动化立体仓库的主要作业机械,担负着出库、进库、盘库等任务,是自动化立体仓库的核心部件。本文以西门子公司S7-200系列PLC机型为例，研究了堆垛机的定位控制系统。关键词：堆垛机；立体仓库；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 设计任务及要求2.1 设计任务（设计内容）基于PLC控制技术设计一种堆垛机械，堆垛机械能完成三维空间的运动，人工可以操作堆垛机搬运货物，堆垛机能按设定程序自动搬运货物。2.2 设计要求（技术指标）（1）堆垛机三维运动均可手动控制。（2）用人机界面设计堆垛机控制面板。（3）堆垛机的三维运动速度可调，并能指示工作速度等级。（4）程序自动控制堆垛机搬运货物。（5）撰写设计报告。3 系统总体设计3.1 立体仓库的电气接线分析机械手主要用于搬动或者装卸货物的重复动作，动力来源于气压系统。在机械手控制选用PLC，其原因安全可靠。机械手控制分为手动单步、回原点、选格移动、单货源自动、五货源自动五大部分。手动控制与自动控制运用转换开关进行切换，切换后按照以前步骤继续执行。通过PLC输出驱动中间继电器或步进电机驱动器，或接通电磁阀。立体存储单元主要组成有：步进驱动模块、丝杆驱动模块、工件推出装置、立体仓库、电气控制板、操作面板、I/O转接端口模块、CP阀岛、气源处理装置等。具体结构组成可参考“5.1安装调试过程”。如图3-1所示为立体存储单元的I/O接线原理图，基本的电磁阀和传感器等的接线。当PLC中的I/O接口被接通时，PLC上相应的端口指示灯将会亮起，转接端口上的指示灯也会亮起。在分析立体仓库的电气的接线图时，可以接线工艺图纸，同时控制堆垛机进行所有的操作，通过观察指示灯的变化判断立体仓储的接线。经过分析发现在本程序设计中需要知道在PLC与机床的接线中：与I0.0相接的是X轴运动方向限位探头、与I0.1相接的是Y轴运动方向限位探头、与Q0.0相连的是X轴电机脉冲CP+端、与Q0.1相连的是Y轴电机脉冲CP+端、与Q0.2相连的是X轴步进驱动器方向DIR+端、与Q0.3相连的是X轴步进驱动器方向DIR+端、与Q0.4相连的是直线气缸电磁阀Y1。通过对立体仓库的电气的接线图的分析，我们就可以知道在程序中：I0.0将控制X轴的归零光电信号、I0.1将控制Y轴的归零光电信号、Q0.0将控制X轴电机的步进脉冲、Q0.1将控制Y轴电机的步进脉冲、Q0.2将控制X轴电机的步进方向、Q0.3将控制Y轴电机的步进方向、Q0.4将控制推料气缸的伸出/缩回。图3-1 立体存储单元PLC I/O接线原理图3.2 堆垛机设计方案框图4 软、硬件设计4.1 系统硬件设计4.1.1 系统硬件原理图及工作原理说明立体存储单元用于接收前一单元送来的工件，按照预定的工件信息而自动运送至相应指定的仓位口，并将工件推入立体仓库完成工件的存储功能。在典型的自动化生产线中，立体存储单元在生产流水线中作为最后一单元，模拟工业自动化生产过程中物件的分类存储功能，如图4-1所示为立体存储单元的整体结构。立体存储单元主要由直线驱动模块、工件推料装置、立体仓库、I/O转接端口模块、电气控制板、操作面板、CP阀岛及气源处理装置等部件组成。具体可参考“5.1.1 立体存储单元结构与功能分析”。直线驱动模块工件推料装置立体仓库图4-1 立体存储单元如图4-2所示，就像自动生产线一样，智能堆垛机系统的最大特点在于它的综合性和系统性。技术的综合性是将机械技术、气动技术、传感检测技术、电机驱动技术、PLC技术、网络通信技术以及人机界面技术等多种技术的有机结合，并综合应用到整个自动化生产线上。技术的系统性指的是自动化生产线的传感检测、传输与处理、分析与控制、驱动与执行等部件在微处理单元的控制下协调有序地工作，并通过一定的辅助设备构成一个完整的机电一体化系统，自动地完成预定的全部生产任务。图4-2 自动化生产技术特点4.1.2 气动控制系统认知 图4-3 简单的气动控制系统 图4-4 静音气泵图4-3为一简单的气动控制系统构成图，该控制系统由静音气泵、气动二联件、气缸、电磁阀、检测元件和控制器等组成，能实现气缸的伸缩运动控制。气动控制系统是以压缩空气为工作介质，在控制元件的控制和辅助元件的配合下，通过执行元件把空气的压缩能转换为机械能，从而完成气缸直线或回转运动并对外做功。一个完整的气动控制系统基本由气压发生装置（气源装置）、执行元件、控制元件、辅助元件、检测元件以及控制器等六个部分组成，如图4-5所示。图4-5 气动控制系统基本组成图4-3中静音气泵为压缩空气发生装置，其包括空气压缩机、压力开关、过载安全保护器、储气罐、压力表、过滤减压阀及气源开关等部件，如图4-4所示。气泵是用来产生具有足够压力和流量的压缩空气并将其净化、处理及存储的一套装置，气泵的输出压力可通过其上的过滤减压阀进行调节。4.1.3 气动控制回路分析及连接图4-6所示为图4-4气动控制系统的原理图。从图可知，执行元件为双作用气缸，控制元件为两位五通的单电控电磁阀，气动系统借助检测及辅助元件装置，在控制器的控制下实现气缸的伸缩运动。图4-6 气动控制回路原理图在气动控制回路中，由于电磁阀为单电控，所以电磁阀未通电时，阀工作于右位复位状态，气路走向如图4-7左图所示，此时在气压力作用下，气缸活塞左移，气缸杆缩回。当电磁阀的电磁线圈通电时，阀工作位于左位工作状态，气路走向如图4-7右图所示，此时在气压力作用下，气缸活塞右移，气缸杆伸出。依据图4-6气动控制系统的原理图，并结合气动回路的运行过程要求，绘制出对应的气动控制回路安装连接图，如图4-8所示。在绘制安装连接图时，要求各元件之间的位置布局合理，管路连接无交叉，整体的效果美观。图4-7 气动控制回路运行图图4-8 气动控制回路安装连接图依据图4-8所示气动控制回路的安装连接图，分别将气泵、过滤减压阀、电磁阀及直线气缸上的快速连接头用气管进行连接，随时检查气路的可靠牢固性。然后接通气源，用手控旋钮进行调试，检查气缸动作情况。4.1.4 步进电动机认知及应用步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步距角）。根据步进电动机的工作原理，步进电动机工作时需要满足一定相序的较大电流的脉冲信号，生产装备中使用的步进电机都配备有专门的步进电机驱动装置，来直接控制与驱动步进电机的运转工作。现在比较常用的步进电机分为永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）三种。如图4-9所示为各种步进电动机及驱动装置的实物图。图4-9 步进电动机及驱动装置步进电动机受脉冲的控制，其转子的角位移量和转速与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的，同时也可以通过控制脉冲频率控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电动机的运行特性还与其线圈绕组的相数和通电运行方式有关。在实际应用中，首先按照步进电机和驱动器装置具体对应的电气接口关系连接好硬件线路，其次根据需要设置好驱动器装置上步距角细分选择与电流设置开关，接着控制器只需要提供一组控制步进电动机转速和方向的mW数量级功率的可调脉冲序列就可驱动电动机工作。步进电动机由于结构简单、价格便宜、精度较高以及使用方便等优点，在计算机的数字开环控制系统中应用广泛，例如数控机床、印刷设备、打印机、自动记录仪等都有应用。虽然步进电动机也有一些弱点，一是用得不好有可能失步，二是控制精度相对较低，而且运动中无法确定运动部件的准确位置，一般可满足对于工作精度要求不高的领域。4.1.5 S7-200控制系统设计PLC的I/O口分配可参照 图3-1立体存储单元PLC I/O接线原理图。4.2系统软件设计4.2.1程序通信参数选择（设置）如图4-10，通信参数的设置必须符合PLC型号要求，并且与触摸屏的通信设置相同，以便与触摸屏通信实现人机对话。图4-10 通信参数设置4.2.2 软件系统总流程图及设计思路说明（1）PLC部分说明：先从机械手的部分功能开始实现，第一步通过程序将Q0.4置0或置1尝试实现机械手的伸缩。在设计有了开端之后我就开始在pls指令中设定步进电机工作的初始速度，并通过对Q0.2或Q0.3置0或置1实现机械手手动控制步进升降和左右移动。接着调整高速脉冲输出的脉冲数值，控制Y轴步进电机走一步8400个脉冲，X轴步进电机走一步8600个脉冲，因为我们选择的步进电机细分档次为800个脉冲转一圈，步进电机转动一圈的距离为4mm，而存储仓的宽度为42mm，高度为43mm，这样电机走一步刚好使机械臂移动一格。为了防止工作过程发生事故，使用底部限位开关前面的金属探测器I0.0和I0.1做为第一限位点，当机械臂移至该点时就停止前进，避免了电机驱动器的电源被底部限位开关切断。限位的方式是在手动控制中，当出现误操作触及其中一个金属探头时，控制步进电机转向的Q0.2或Q0.3将被置1，使机械臂向左或向上移回来时的位置。部分功能实现之后将机械手升降、左右移和伸缩的程序整合到一起，实现堆垛机的机械手三维空间的运动。之后我又给程序设置加速和减速按键，同时设置了一个速度复位键，在初始速度的基础上增加两个快速档和两个慢速档，并设置了每个速度等级的指示灯输出地址。从而实现堆垛机的三维运动的速度的可调性，并能指示工作速度等级。考虑到机械臂在停工的时候需要有指定的起始位置，我又编写了“机械臂复位到底线子程序”，在主程序中通过“机械臂复位按键”来调用该子程序，实现机械臂复位到左下角的起始位置。立体存储站的存储仓是按平面二维布局的25个方格，我又编写了“移动到第1格”至“移动到第25格”的子程序，在主程序中设置“往第1格移动”至“往第25格移动”的按键。实现手动控制之后，在系统中加入自动控制切换开关，在自动控制程序中用定时器设定了机械手伸出加紧或放置货物的时间为2秒，缩回机械手的时间为1秒。程序编写了两种自动控制模式，“单货源搬运模式”和“五货源搬运模式”，并在自动控制程序中加入机械臂25个位置指示灯的输出地址。最后用威纶通的触摸屏编写了相应的手动控制和自动控制的人机界面，经过不断的改善让控制面板示意清晰明了易操作。在进行PLC控制系统软件设计之前，根据控制任务及要求，分析设计出电动机正反转控制系统的工艺流程。具体的控制工艺流程如“智能堆垛机控制系统流程图”所示。图4-11是电动机正反转控制工艺流程图的例子。图4-11 电动机正反转控制的工艺流程图（2） 人机界面部分说明：人机界面如附录一，界面上的按键与PLC中设定的按键地址相同，通过示意清晰明了的控制面板对PLC程序进行控制，使得操作系统易操作。5 安装与调试5.1安装调试过程5.1.1 立体存储单元结构与功能分析立体存储单元用于接收前一单元送来的工件，按照预定的工件信息而自动运送至相应指定的仓位口，并将工件推入立体仓库完成工件的存储功能。在该典型的自动化生产线中，立体存储单元作为最后一单元，模拟工业自动化生产过程中物件的分类存储功能，如图5-1所示为立体存储单元的整体结构。立体存储单元主要由直线驱动模块、工件推料装置、立体仓库、I/O转接端口模块、电气控制板、操作面板、CP阀岛及气源处理装置等部件组成。图5-1 立体存储单元直线驱动模块主要由步进电机及驱动器、滚珠丝杠机构和直线导向杆等部件组成，用于将步进电机的旋转运动转换成滚珠丝杠螺母移动块的直线往复运动，如图5-2左图所示。立体存储单元中具有X轴方向和Y轴方向的两套直线驱动模块，它们相互呈90垂直安装于铝合金工作台面上，共同构成一个 X-Y平面运动系统，如图5-2右图所示。在该两套直线驱动模块装置上均设有一个工作零点，安装有电感式接近开关进行零点位置检测，用于系统位置校正和参考点设置。同时，在丝杠机构的运动极限位置处均安装有运动行程保护开关，用来防止丝杠螺母移动块过量而产生机械性损坏。图5-2 直线驱动模块工件推出装置由一个双作用直线气缸、推块和一个接收工件的工作平台（推块导槽）组成。整体安装固定在Y轴丝杠螺母移动块的侧面上随着其在X-Y平面移动，主要功能是将放置在推块导槽的工件，通过直线气缸推动推块将工件推进对应存储库位内，如图5-3所示。同样，为了保证推出装置的准确动作，其上安装有磁性开关进行限位检测。图5-3 工件推出装置 图5-4 立体仓库立体仓库是一个由4行4列共16个方格组成的镂空存储铁架，每个方格之间距离分别为40 mm，用于分类存放不同的工件。立体仓库垂直安装在直线驱动模块X-Y运动平面的一侧，用于接收工件推料装置送出的工件，如图5-4所示。立体存储单元上除了具有以上介绍的组成模块外，同样也配备有电磁阀、I/O转接端口模块、电气控制板以及操作面板等组件，他们的结构和功能都和搬运单元上的一样，在此不再详述。5.1.2 立体存储单元机械及气动元件安装与调整立体存储单元的X-Y轴运动部分通过步进电机驱动运行，在Z轴直线气缸工作配合下完成整个立体存储运行过程。下面进行具体的机械及气动元件安装与调整步骤介绍。立体存储单元详细的机械及气动元件安装过程可观看教材附带光盘中视频文件。1、在标准导轨上依次安装I/O转接端口模块、步进电机驱动器、电磁阀。然后将导轨用螺钉固定到铝合金面板下方位置上，在面板的右上角安装气源处理装置。2、独立进行X轴方向上的直线驱动模块安装，如图5-5（a）图所示。首先在丝杠上依次装入丝杠固定机端、轴承、丝杠轴套，使丝杠固定块机端不动，将丝杠旋出；其次在丝杠旋出端安装上联轴器，再套入步进电动机固定块，电动机输出转轴配合安装到联轴器另一端，并用螺钉将电动机固定块连接紧固到步进电动机上；再将丝杠固定机端退回到紧贴电动机固定块位置，用螺杆将固定机端与电动机固定块锁紧连接，将丝杆驱动导向杆两端分别安装在丝杠两端固定块机端上，在丝杆固定块上用紧固螺钉锁紧；最后，在两端丝杠固定块下分别安装对称的丝杠垫块用螺钉锁紧。特别需要注意，丝杠和导向杆在安装到固定块机端时，要随时检测丝杠是否保持转动运行流畅。3、当独立安装好X轴向直线驱动模块后，在铝合金台面的中间偏下的位置上，借助两端的丝杠垫块用螺杆和T型螺母将其水平安装到工作台面上，如图5-5（b）图所示。安装时尽量保证丝杠的螺母滑动块行程范围左右对称。4、Y轴方向上驱动装置独立安装方式与X轴方向的驱动装置是相同的，但它不需要安装丝杠垫块。将直线气缸安装到推料导槽上，工件推块安装到直线气缸的活塞杆上，用螺钉锁紧工件推料导槽安装到导槽底板上，最后将其整体安装定位到Y轴丝杠装置的螺母滑动块的侧面上，如图5-5（c）图所示。然后将Y轴方向上驱动装置垂直定位到X轴方向驱动装置的螺母滑动块上，Y轴丝杠的下固定机端与X轴丝杠的螺母滑动块之间通过螺钉锁紧连接一体。对于X、Y轴驱动装置进行配合安装时，必须保证二者的垂直度，且必须锁紧。5、根据X、Y轴方向驱动装置的位置，在面板上相对位置安装立体仓库，以立体仓库安装的位置不与驱动装置X-Y平面运动发生干涉为宜，如图5-5（d）所示。但要注意，必须保证立体仓库所有的仓位位于工件推料装置能达到的范围之内。6、根据各运动机构之间的运动空间要求，局部调整各模块的相对位置，保证各模块安装稳固，防止发生干涉，再进行加固处理。最后，在单元设备上相应安装上气缸节流阀、磁感应式接近开关、电感式接近开关及行程保护开关等。（a） （b）（c） （d）图5-5 立体存储单元的安装示意图5.1.3 立体存储单元气动回路分析、安装与调试如图5-6所示为立体存储单元气动控制回路原理图。在本原理图中只有一个控制直线气缸活塞杆伸出气动控制回路。图5-6 立体存储单元气动控制回路原理图 图5-7 立体存储单元气动控制回路安装连接图根据图5-6立体存储单元气动控制回路原理图，结合气路回路的运行控制过程要求，绘制其相应的气路连接图，如图5-6所示。立体存储单元的气动控制回路的运行分析、安装连接、调试方法及步骤与前面单元中介绍的一样。读者可以根据图5-6原理图和图5-7安装连接图，再参照前面单元的相关内容自己分步实施，完成本单元的气动控制回路安装与调试任务，保证其满足设备需要而正确可靠工作。5.1.4 步进电动机的使用步进电机运行受脉冲控制，其转子的角位移和转速严格与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，可以通过控制脉冲频率来控制电动机的转速，改变通电脉冲的顺序来控制步进电机的运动方向。因此，在计算机控制领域中步进电动机应用极为普遍。立体存储单元直线驱动模块的X、Y轴运行采用Microtep 17HS101两相混合式步进电动机进行驱动，其步距角为1.8，输出相电流为1.7A，驱动电压为DC 24V。该步进电动机的内部接线示意图和实物具体如图5-8所示。图5-8 Microtep 17HS101步进电动机由于步进电动机的控制指令是不能形成连续的旋转磁场，为了使步进电动机能够旋转并步进，就要形成连续旋转磁场，这必须依靠变换器即环形脉冲分配器来实现。环形分配器把来自加、减电路的一系列进给脉冲指令转换成控制步进电动机定子绕组通、断电的电平信号。电平信号状态的改变次数及顺序要与进给脉冲的个数和方向对应。由于环形分配器输出的信号仅仅是步进电机要产生期望角位移的数字逻辑控制信号，一般是TTL输出电平，只有mW数量级的功率，这样就需要经过功率放大后，再接到步进电动机相应的相上，才能带动步进电动机正常转动。大部分的步进电动机的控制都倾向采用硬件环形脉冲分配器，因此硬件环形脉冲分配器往往与功率放大器集成在一起，构成步进电动机的驱动装置。立体存储单元中采用SH-2H040Ma来控制驱动Microtep 17HS101步进电动机运行。该步进电动机驱动器集硬件环形脉冲分配器与功率放大器于一起，为2/4相混合型步进电机驱动器，可以与之配套电机还有17HS001、17HS111和23HS2001等。驱动器实物如图3-89左图所示，在驱动器上有1个4位的拨位开关（DIP1DIP4），通过DIP1和DIP2不同设置组合（00、01、10）分别选择对应工作步距角为0.9、0.45、0.225。同时在驱动器上还有1个10位接口的接线端口接线排，分别用于与控制器和步进电动机进行连接。该步进电机驱动器工作电流输出为1.7A，工作电压为DC24V。图5-9 SH-2H040Ma驱动器与步进电动机接线原理如图5-9右图所示为步进电动机17HS101与其配套驱动器SH-2H040Ma的电气接线原理图。将步进电动机相应相的接线端子连接到步进电动机驱动器对应端子上即可。具体连接时，将步进电动机引出的接线红线、绿线、黄线、蓝线的接线分别对应连接到步进电动机驱动器的A、A负、B、B负连接端子上。图中CP+与CP-为脉冲信号，脉冲的数量、频率和步进电动机的位移、速度成正比例；DIR+和DIR-为方向信号，它的高低电平决定电动机的旋转方向。另外，驱动器的CP+、DIR+两端口引出接线上均串上一个2K的电阻，当驱动器与控制器PLC之间建立电气连接时，该电阻就会串联在CP+与CP-、DIR+和DIR-两个电气回路中进行回路电流的限流保护作用。同时驱动器要工作，其上需要连接上24V的直流工作电源。由此可以看出步进电动机接收控制器的低压低功耗控制信号，为步进电动机输出两相脉冲功率电源。如前所述，驱动器的侧面上有一个4位DIP功能设定开关，可以用来设置选择本驱动器的工作方式和工作参数。DIP1、DIP1位置状态决定驱动器的细分步数，本步进电动机驱动器细分设置如表5-1所示。表5-1 细分设置表DIP 1DIP2（步/转）角度/步004000.9018000.451016000.225下面以该步进电动机控制直线驱动模块移动一个仓位间距40mm为例，给出了一种具体的测试操作步骤和控制实现方法。1、按照图5-9完成步进电动机与驱动器之间的所有电气连接关系，同时将CP+串电阻后与PLC的Q0.0端口相连，DIR+串电阻后与PLC的Q0.2端口相连，而CP-、DIR-均与PLC输出端口公共端1M相连接。2、设置步进电动机驱动器上拨码开关，使DIP1为0，DIP2为1，DIP3、DIP4为都1的状态，即每转的细分步数为800步/转，输出电流为1.7A。3、根据运动距离和设置情况计算控制脉冲数量。本单元中滚珠丝杠的螺距为4mm,步进电动机每工作一转，螺母移动块运行4mm，而上步中驱动器细分选择为800步/转，因此每步移动块移动的距离为0.005mm。如果要移动一个仓位40mm的间距，需要的脉冲数为40/0.005=8000。4、进行S7-200 PLC的脉冲输出及位置控制程序编写与下载，让PLC的Q0.0输出端口提供给步进电动机驱动器8000个脉冲信号即可。在以上的四步中，前面三步都比较简单，但是第四步中进行S7-200 PLC的脉冲输出及位置控制程序编写却比较麻烦。要顺利地编写出正确的脉冲输出及位置控制程序必须先要学习了解PLC中脉冲输出及位置控制的相关内容，再进行步进电动机运行控制程序的编程。S7-200 PLC内置有两个PTO/PWM发生器，用于建立高速脉冲串（PTO）或脉宽调节（PWM）信号波形。这两个发生器分别指定给输出点Q0.0和Q0.1。当Q0.0或Q0.1设定为PTO或PWM功能时，其他操作均失效，不使用PTO或PWM发生器时，则作为普通端子使用。通常在启动PTO或PWM操作之前，用复位指令R将Q0.0或Q0.1清零。当Q0.0或Q0.1组态一个输出为PTO操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进电机或伺服电动机的速度和位置的开环控制。内置PTO功能提供脉冲串输出，脉冲周期与数量可更改。但是实际控制电动机时，应用程序还必须通过PLC内置I/O提供电动机运行方向和限位控制，确保电动机控制安全有效。STEP7-Micro/WIN提供的位置控制向导可以帮助用户在很短的时间内全部完成PWM、PTO或位控模块的组态。向导可以生成位置指令，用户可以利用这些指令在其应用程序中为速度和位置提供动态控制。开环位控用于步进电动机的基本信息借助位置控制向导组态PTO输出时，需要用户提供一些基本信息，相关介绍如下。1、最大速度（MAX_SPEED）和启动/停止速度（SS_SPEED）MAX_SPEED是指允许的操作速度的最大值，它应在电动机转矩能力的范围之内。驱动负载所需的力矩由摩擦力、惯性以及加速/减速时间决定。SS_SPEED的数值应满足电动机在低速时驱动负载的能力，若SS_SPEED的数值过高，电机会在启动时丢失脉冲，并且负载在试图停止时会使电动机超速；若SS_SPEED的数值过低，电动机和负载在运动的开始和结束时可能会摇摆或颤动。图3-90为最大速度和启动/停止速度示意图，通常SS_SPEED值是MAX_SPEED值的5%15%。图5-10 最大速度和启动/停止速度 图5-11 加速和减速时间2、加速和减速时间加速时间ACCEL_TIME是指电动机从SS_SPEED速度加速到MAX_SPEED速度所需的时间。减速时间DECEL_TIME是指电动机从MAX_SPEED速度减速到SS_SPEED速度所需的时间。如图5-11所示为加速和减速时间示意图，加速时间和减速时间的缺省设置都是1000毫秒。电动机可在小于1000毫秒的时间内工作，但是电动机的加速和减速时间通常要经过测试来确定。测试时，最先输入一个较大的值，然后逐渐减少这个时间值直到电动机开始失速，从而优化应用中的这些参数设置。3、移动包络一个包络是一个预先定义的移动描述，它包括一个或多个速度，影响着从起点到终点的移动。一个包络由多段组成，每段包含一个达到目标速度的加速/减速过程和以目标速度匀速运行的一串固定数量的脉冲。位置控制向导提供移动包络定义界面，应用程序所需的每一个移动包络均可在此界面中定义，而且PTO支持最大达100个包络。定义一个包络包括以下几点：1）选择包络的操作模式；2）为包络的各步定义指标；3）为包络定义一个符号名。1）选择包络的操作模式PTO支持相对位置和单一速度的连续旋转这两种操作模式，如图5-12所示。相对位置模式是指运动的终点位置是从起点侧开始计算的脉冲数量。单一速度连续转动不需要提供终点位置，PTO一直持续输出脉冲，直到有其它命令发出，比如到达位置原点要求停发脉冲，才停止脉冲输出。图5-12 包络的操作模式2）包络中的步一个步是指运动的一个固定距离，包括加速和减速时间内的距离。PTO中每一包络最大允许29个步，且每一步包括目标速度和结束位置或脉冲数目等几个指标。步的数目与包络中常速段的数目一致，如图5-13所示为一步、两步包络示意图。图5-13 包络的步数STEP7-Micro/WIN软件的位置控制向导能自动处理PTO脉冲的单段管线和多段管线、脉宽调制、SM位置配置和创建包络表。下面阐述如何使用位置控制向导编程实现前面所要求的步进电动机位置控制。1、在STEP7-Micro/WIN软件的命令菜单中选择“工具”“位置控制向导”命令，向导就开始引导位置控制配置。在弹出的位置控制向导界面，选择配置S7-200 PLC内置PTO/PWM操作，如图5-14所示。图5-14 位置控制向导启动界面2、单击“下一步”按钮，出现选择脉冲发生器的选项，如图5-15所示。在前面的硬件电路连接中CP+已于Q0.0连接，因此选择Q0.0作为脉冲发生器。然后再选择下一步。图5-15 选择脉冲发生器3、在出现的选择PTO或PWM界面中，选择“线性脉冲输出（PTO）”，如图3-96所示。图5-16 组态内置PTO操作选择界面4、单击“下一步”按钮后，接下来界面是设定电动机速度参数，包括前面所述的最高电动机速度MAX_SPEED和电动机启动/停止速度SS_SPEED，在对应的编辑框中输入这些数值。输入最高电机速度“100000”，把电机启动/停止速度设定为“5000”，如图5-17所示。MIN_SPEED的值不用设置，系统会计算自动产生，完成后单击“下一步”。图5-17 设定电动机速度参数5、进入加速和减速时间设置界面，如图5-18所示。加速时间ACCEL_TIME和减速时间DECEL_TIME分别为默认的1000（ms），但是可以根据实际要求进行修改调整。到此完成位置控制向导提供基本信息的工作。单击“下一步”，开始配置运动包络定义界面。图5-18 加速和减速时间设置6、在运动包络定义的界面中，选择包络的操作模式为“相对位置”，输入目标速度和结束位置的脉冲数目，然后点击确认。注意目标速度不能超过之前设置的电动机的最高转速，结束位置的脉冲数就是上面第三步中计算的位移脉冲数量。在上面计算出运动一个仓位的距离需要8000个脉冲，因此在操作模式选项中选择相对位置控制，填写包络0中数据目标速度“8000”，结束位置“8000”，点击“绘制包络”，即可绘制出运动包络图，如图3-99所示。注意，这个包络只有1步，包络的符号名按默认定义为Profile_0，用户也可以在包络定义符号名窗口中直接修改成自己确定的包络符号名。图5-19 设置运动包络7、运动包络编写完成之后，单击“确认”按钮，向导会要求为运动包络指定V存储区地址（建议地址为VB0VB69），可默认这一建议，也可自行键入一个合适的地址。图5-20所示是指定V存储区首地址为VB0时的界面，向导会自动计算地址的范围。图5-20 运动包络指定V存储区地址8、单击“下一步”出现图5-21所示的脉冲输出向导界面，界面中提示已生成的项目组件名录及PTO配置地址等信息，单击“完成”按钮即可完成整个工作。图5-21 生成项目组件提示图5-22 3个项目组件运动包络组态完成后，向导会为所选的配置生成三个项目组件（子程序），分别是：PTO0_CTRL子程序（控制）、PTO0_RUN子程序（运行包络）和PTO0_MAN子程序（手动模式）子程序，如图5-22所示，一个由向导产生的子程序就可以在程序中被调用。下面对三个项目组件的功能作进一步的叙述。1、PTO0_CTRL子程序：（控制）启用和初始化PTO输出。在用户程序中只使用一次，并且需要确定在每次扫描时得到执行。即始终使用SM0.0作为EN的输入，如图5-23所示。图5-23 运行PTO0_CTRL子程序 I_STOP（立即停止）输入（BOOL型）：当此输入为低电平时，PTO功能会正常工作。当此输入变为高电平时，PTO立即停止脉冲的发出。 D_STOP（减速停止）输入（BOOL型）：当此输入为低电平时，PTO功能会正常工作。当此输入变为高电平时，PTO会产生将电动机减速至停止的脉冲串。 Done(完成)输出（BOOL型）：当完成位被设置为高时，它表明上一个指令已执行。 Error（错误）参数（BYTE型）：包含本子程序的结果。当完成位为高电平时，错误字节会报告无错误或有错误代码的正常完成。 C_Pos（DWORD型）：如果PTO向导的HSC计数器功能已启用，此参数包含以脉冲数表示的模块当前位置。否则，当前位置将一直为0。2、PTO0_RUN子程序（运行包络）：命令PLC执行存储于配置包络表的指定包络中的运动操作。运行这一子程序的梯形图如图5-24所示。图5-24 运行PTO0_RUN子程序 EN位：子程序的使能位。在“完成”（Done）位发出子程序执行已经完成的信号前，应使EN位保持开启。 START参数（BOOL型）：包络执行的启动信号。对于在START参数已开启，且PTO当前不活动时的每次扫描，此子程序会激活PTO。为了确保仅发送一个命令，一般用上升沿以脉冲方式开启START参数。 Abort（终止）命令（BOOL型）：命令为ON时位控模块停止当前包络，并减速至电动机停止。 Profile（包络）（BYTE型）：输入为此运动包络指定的编号或符号名。 Done（完成）（BOOL型）：本子程序执行完成时，输出ON。可用该完成位来限制PTOx_RUN子程序运行。 Error（错误）（BYTE型）：输出本子程序执行结果的错误信息。无错误时输出0。 C_Profile（BYTE型）：输出位控模块当前执行的包络。 C_Step（BYTE型）：输出目前正在执行的包络步骤。 C_Pos（DINT型）：如果PTO向导的HSC计数器功能已启用，则此参数包含以脉冲数作为模块的当前位置。否则，当前位置将一直为0。3、PTO0_MAN子程序（手动模式）：将PTO输出置于手动模式。执行这一子程序允许电动机启动、停止和按不同的速度运行。但当PTO0_MAN子程序已启用时，除PTO0-CTRL外任何其他PTO子程序都无法执行。运行这一子程序的梯形图如图5-25所示。图5-25 运行PTO0_MAN子程序 RUN（运行/停止）参数：命令PTO加速至指定速度（Speed（速度）参数）。从而允许在电动机运行中更改Speed参数的数值。停用RUN参数命令PTO减速至电动机停止。当RUN已启用时，Speed参数确定速度。速度是一个用每秒脉冲数计算的DINT（双整数）值。可以在电动机运行中更改此参数。 Error（错误）参数：输出本子程序的执行结果的错误信息，无错误时输出0。 C_Pos（DINT型）：如果PTO向导的HSC计数器功能已启用，此参数包含用脉冲数目表示的模块；否则此数值始终为零。由上述三个子程序的梯形图可以看出，为了调用这些子程序，编程时应预置一个数据存储区，用于存储子程序执行时间参数，存储区所存储的信息，可根据程序的需要直接调用。5.1.5 立体存储单元电气系统分析、安装与调试立体存储单元中安装在电气控制板上的电气系统、操作面板的硬件系统以及各电气接口信号排布与搬运单元相同，具体可以参照搬运单元中相关的内容。而X、Y两轴方向的滚珠丝杠直线驱动模块，分别采用前面子任务四中介绍的两台Microtep 17HS101两相混合式步进电动机驱动。两步进电动机由两台SH-2H040Ma驱动器来驱动，通过单元中PLC发送的脉冲及换向信号实现步进电动机的控制运行。为了有效检测定位直线驱动模块上滚珠丝杠螺母滑动块的移动位置，在X轴的左端和Y轴的下端均安装有一个电感式接近开关，用于两轴上对应螺母滑动块回到原点位置的检测，为步进电动机的运动位置控制提供参考原点。为了防止步进电动机螺母滑动块产生运动过冲，避免其对滚珠丝杠传动系统造成机械性损坏，在X和Y轴的两行程终端均安装有机械行程开关。该四个机械行程开关的常闭触点串联在一起，直接连接在步进驱动器直流24V供电电源回路上，当螺母滑动块过冲时，直接以硬件的方式切断驱动器电源，从而使步进电动机紧急停止运行。立体存储单元中所需要PLC的I/O点数为11点输入和7点输出，选用S7-200 CPU 226 CN DC/DC/DC 的PLC，其I/O点数为24/16，足可以满足控制I/O点数的需要。具体I/O地址分配如下表5-2所示。表5-2 立体存储单元的I/O地址分配序号地址设备符号设备名称设备功能1I0.0B1电感式接近开关X轴反方向的原点左限位2I0.1B2电感式接近开关Y轴反方向的原点下限位3I0.21B1磁感应式接近开关推料气缸活塞杆缩回限位4I0.31B2磁感应式接近开关推料气缸活塞杆伸出限位5I2.0SB1按钮开始6I2.1SB2按钮复位7I2.2SB3按钮特殊8I2.3SA1开关手动（0）/自动（1）切换9I2.4SA2开关单站（0）/联网（1）切换10I2.5SB4按钮停止11I2.6KM继电器触头上电信号12Q0.0CP1+X轴步进电机驱动器脉冲输出控制X轴方向推料台的移动13Q0.1CP2+Y轴步进电机驱动器脉冲输出控制Y轴方向推料台的移动14Q0.2DIR1+X轴驱动器方向控制控制X轴推料台的移动方向15Q0.3DIR2+Y轴驱动器方向控制 控制Y轴推料台的移动方向16Q0.41Y1电磁阀控制气缸直线推料气缸17Q1.6HL1绿色指示灯开始指示18Q1.7HL2蓝色指示灯复位指示如图5-26所示为立体存储单元的I/O接线原理图，基本的电磁阀和传感器等的接线，自己可参照前面单元的分析，然后进行接线。另外，在输出端的步进电动机方向控制和脉冲发生器线路上均串上一个阻值为2K限流保护电阻。图5-26 立体存储单元PLC I/O接线原理图下面针对立体存储单元中步进驱动系统的连接与调试进行说明。进行步进电动机驱动系统电气线路连接时，先按照图3-89所示电气接线关系，将X轴和Y轴上的步进电动机和驱动器连接好对应的相线电气线路。图3-106中PLC的输出端Q0.0Q0.3分别串有2K电阻后与对应的步进驱动器控制输入端CP1+、CP2+、DIR1+和DIR2+相连，而驱动器上的CP1-、CP2-、DIR1-和DIR2-均连接到输出端直流24V电源的负端0V上，即PLC输出端口1M公共端上。特别要注意的是在连接驱动器供电电源时，供电线路中必须要串联上4个行程限位保护开关的常闭触点，用来防止螺母滑动块产生过冲。4个行程限位保护开关的安装位置应该合理，一定要保证螺母滑动块到达行程终点位置前，能可靠的压下行程开关切断驱动器电源。步进电动机驱动系统硬件线路连接完成之后，还必须进行驱动系统的控制功能调试，特别是电动机旋转方向的控制测试。调试时，先将X轴滚珠丝杠上的螺母滑动块人工的调整到各自行程的中间位置，接着按照子任务四中讲解方法配置一运动包络，再按如图5-27所示测试程序进行调试。图5-27左图测试程序中首先有复位Q0.2，即此时DIR1+为低电平状态，调用PTO0_MAN手动模式子程序，按下启动按钮SB1，观察X轴螺母滑动块的移动情况；图5-27右图测试程序中首先有置位Q0.2，即此时DIR1+为高电平状态，调用PTO0_MAN手动模式子程序，同样按下启动按钮SB1，再观察X轴螺母滑动块的移动情况。通过这两小段调试程序，即可判断出X轴上步进电动机驱动系统是否工作正常以及运行方向。同样，对于Y轴上步进电动机调试方法也类似。图5-27 步进电动机测试程序需要注意，调试前一定要将X、Y两滚珠丝杠上的螺母滑动块人工的调整到各自行程的中间位置，为了在运行方向不确定的情况下，两个方向均留有足够的运行调试空间。虽然行程极限位置处均装有硬件保护行程开关，但是在按下启动按钮SB1时，要时刻观察其运行情况，时刻准备好放松SB1按钮，防止硬件保护动作后再需人工调整来排除后方可继续进行调试。5.1.6 立体存储单元控制程序设计与调试针对立体存储单元结构特点，下面给出了其典型的设备运行控制要求与操作运行流程。1、系统上电，立体存储单元处于初始状态，操作面板上复位灯闪烁指示。2、按下复位按钮，复位灯熄灭，开始灯闪烁指示，直线气缸的活塞杆处于缩回状态，X、Y轴丝杠滑动块回归原点位置。3、按下启动按钮时，复位灯熄灭，开始灯指示，X轴和Y轴的步进电动机共同驱动滑动块运行，使工作平台运动到等待工件的工作位置（从上到下第三层首格外部）。4、等待工件时间到，根据工件的计数情况自动选择存储仓位，到达规定的仓位后将工件推进该仓位存储。5、将工件推进仓位后，直线气缸活塞杆缩回完成，X、Y轴方向上的步进电动机驱动驱动块工作平台返回等待工件位置，等待新一轮的启动信号。6、同样，立体存储单元有手动单周期、自动循环两种工作模式。无论在哪种工作模式控制任务中，立体存储单元必须处于初始复位状态方可允许启动。这两种工作模式的操作运行特点与前面搬运单元一样，可见搬运单元的对应内容。如图5-28所示为立体存储单元的控制工艺流程图，其满足以上所列典型的运行控制要求与操作运行流程。注意此流程图仅是给出主要的控制内容，具体细节在此没有作详细说明，由学习者自己补充。图5-28 立体存储单元的控制工艺流程图根据图5-28所示立体存储单元的控制工艺流程图编写其对应的控制程序。为了更方便地进行程序的设计与管理，本单元中采用模块化的编程思想进行控制程序设计。下面对子程序的功能以及具体的使用