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立体仓库模型实验指导书
第1 章 系统介绍
一、QSPLC-CK1立体仓库系统简介
QSPLC-CK1 立体仓库模型是用来储存、分类货物的。
送货时,根据货物的属性将不同的物体送入到指定的仓位中去;取货时,根据需求从指定的仓位中取出货物,由四层十二个仓位组成,采用滚珠丝杆、直线导轨、普通丝杆作为传动装置,由PLC 编程实现X、Y、、Z 轴位置控制,可完成仓库车模的自动或手动存取。
该装置从机构上分为:
1)立体仓库本体单元、2)PLC 控制单元、3)接口单元、4)电源单元等组成。
1、 立体仓库本体单元:
该单元由四层十二层仓位、巷道起重机等组成。
2、 PLC 控制单元:
该单元可分别由松下PLC、西门子PLC、OMRON 型PLC、三菱PLC 等厂家组成。
PLC 主体具有脉冲输出功能,能同时实现两轴定位功能。
3、 接口单元:
该单元将系统中所有控制单元、执行单元、检测单元、输入输出单元的信号都引到面板上,由学生自行完成线路连接设计,不同性质的节点采用不同的颜色进行标识,并且每个单元自身的线路具有独立性,具备扩展功能。
4、 电源单元:
电源单元是由开关电源提供系统工作的直流24V 电压。
保护功能:
该系统在设计上设置了各种包括功能,包括短路保护、反向保护、限位保护、定位保护。
TVT-99C 立体仓库系统中为了防止不确定因素对于系统硬件的损坏,分别在机械手臂运行的横轴和纵轴上设置了仓库的定位孔,当机械手臂运行时,位于移动模块下方的光电传感器分别检测运行X 轴、Y 轴的定位点,当且仅当机械手臂停止于定位孔点时,对应的Z 轴才能进行取货和移货的动作。
二、系统各部件名称与功能
该系统由仓库本体、巷道起重机、PLC 控制单元、电源单元、接口单元,其部件的实物结构如下图所示:
QSPL-CK1立体仓库结构实物示意图
1、仓库本体
仓库本体分为二个区,分别为转货区、储货区。
转货区是主要由载货台组成,用来周转
货物的,当货物入库以及货物出库时,都是通过转货区来完成的;储货区是由十二个仓位组成,分成四行、三列,主要用于储存不同的货物。
在转货区、储货区都分别安装了检测传感器,用于检测实现对货物的定位。
转货区、储货区如下图所示:
2、巷道起重机
巷道起重机由二轴行走机构、送料台、驱动器等组成,如下图所示:
巷道起重机总共具有三个自由度,能实现水平移动、垂直移动、前后移动等操作,货物的转移主要是由其完成操作的。
操作流程:
1、送操作:
复位到初始位→水平移动到转货台位置 →取货→水平、垂直移动指定仓位→放货→复位到初始位
2、取操作:
复位到初始位→水平、垂直移动指定仓位→取货→水平、垂直移动到转货台→放货→复位到初始位
3、 PLC 控制单元
PLC 控制单元采用西门子公司生产的 S7-200 CPU226 型可编程序控制器,型号为CPU226CN DC/DC/DC,所有操作控制指令都是由PLC 发出的。
其基本参数如下表所示:
4、电源单元
电源单元是用于给系统提供DC 24V 电源,输出功率为150W。
三、系统功能
该装置是将PLC 控制技术、位置控制技术、步进电机驱动技术、直流电机驱动技术、传感器检测技术等有机结合成一种的教学仪器设备,适用于大中专院校学生毕业设计、课程设计、实习实验等,也可作为教师研究开发等实物实训。
在实训过程中,主要完成下面两方面的训练:
(1)硬件方面的训练
该装置中所有器件的接口全部开放,在认真学习了该设备硬件原理的基础上,按照系统
原理接线框图,可要求学生单独完成系统的硬件接线工作。
(2)软件方面的训练
在充分了解机械手工作过程基础上以及熟悉PLC 指令系统后,按照系统流程框图进行编程训练;可要求学生理解系统程序设计思想,掌握系统的编程设计方法。
出厂配置:
1、立体仓库一套 (含滚珠丝杆三套、立体仓库本体一台)
2、主机模块(S7-200 CPU226)1 个
3、步进电机驱动器2 个
4、电源单元1 个
5、编程电缆1根
6、接口板1块
7、连接导线若干
四、控制原理及工作流程
系统在电气设计上,电机主要采用步进电机和直流电机,分别控制水平移动、垂直移动
及送货台的动作。
传感器采用对射式、反射式传感器以及微动开关,用于完成货物的检测和
限位保护等。
系统在机构设计上采用滚珠丝杠、滑杠和普通丝杠作为主要传动机构。
当码垛机平台移
动到货架的指定位置时,送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。
其工作流程如下:
1)接通电源。
2)系统自检。
3)将功能开关置于自动位置。
4)将一带托盘汽车模型置于 10#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。
5)执行取指令
a)选择欲取仓位号(如10#),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”指令按钮,执行取出动作,若 0#仓位内已有汽车,则该指令不被执行。
需要由用户手动将货物移走。
c)指令完成后,机系统自动返回。
d)如执行取出指令前,被选仓位(如10#)无汽车,则送指令将不被执行。
6)执行送指令
a)选择欲送仓位号(如10#),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,若被选择10#仓位内已有汽车,则该指令不被执行。
需要由用户手动将货物移走。
c)指令完成后,系统自动返回。
d)如执行送入指令前,0#仓位无汽车,则送指令将不被执行。
根据前面的分析,该立体仓库系统的运行情况归纳如下:
当按下启动按钮后,允许进行立体仓库运行的控制。
在正常的情况下,按下某一仓位的
按钮和“取”或“送”按钮,系统将进行相应的动作,此时控制面板上的数码管显示相应的
仓位号。
当出现故障时,电机停止运行。
在紧急情况下,按下紧急按钮,送货物送回原来的
位置,只有当故障排除后,才能重新运行。
第2章 使用说明
一、安装环境:
避免将设备安装到下列场所:
1、日光直射或者环境温度超出0 到50℃范围的场所。
2、相对湿度超出35%RH 到75%范围或者由于剧烈温度变化产生结露的场所。
3、空气中存在腐蚀气体或可燃气体场所。
4、对本体造成直接振动或撞击的场所。
5、粉尘、铁屑或盐分较多的场所。
6、会使本设备附着水、油或化学物质的场所。
7、空气中含有有机溶济的例如苯、涂料稀释济、酒精或者强碱物质如氨和苛性碱的场所。
二、静电防护:
在干燥的环境下有产生静电累积的危险,所以当需要触摸设备时,应选通过接地设备
对其进行放电再触摸。
三、清洗
四不要使用稀料或类似的溶液清洗,因为会溶解本体的某些部件并且会造成褪色。
四、供电顺序
在给变频器供电之前控制单元应处于停止工作状态。
五、在接通电源之前
当您是第一次接通供电时,请注意以下事项:
1、请确认没有接线的碎屑或者尤其是导电物质在印制电路板上。
2、确认电源接线、输入/输出接线和电压是正确的。
3、确认控制单元是处于停止工作状态。
第3章 安装
一、设备的安装
1、实验桌的选择:
QSPLC-CK1采用平板式结构,应放置在一个平台上,同时为了实验需要,最好配备一台
电脑,其尺寸应满足:
长度 ≥1600mm
宽度 ≥800mm
高度 ≥750mm
2、电源的选择
供电电压:
交流AC 220V
输出功率:
大于150W
3、电脑配置
CPU:
主频600MHz 以上。
RAM:
256MB 内存(推荐512MB)
空余磁盘空间:
600MB 以上。
显示设备:
XGA,支持1024*768 分辨率,16bit 以上彩色深度。
二、接线
(1)电源引线的连接
在接口单元板上每一侧都有电源输出端,如下图所示:
当系统需要DC 电源供电时,只需要从最近的电源输出端引出电源线。
注意上述图示的四个电源输出正端部已经内部短接,四个电源输出负端也已经内部短接。
如果电源输出电压不正常,请先检查外部供电电源是否正常,然后再检查保险丝是否损坏,检查完毕如果都正常,请查看开关电源是否正确。
(2)PLC 的输入输出接线
PLC 的输入输出端子在接线之前,应将其对应的公共端与电源的相关的端子进行连接。
具体连接方式如下:
PLC 输入端的“M”接电源输出正端,PLC 输出端的“M”接电源输出的负端,“L+”接电源输出的正端。
见下图所示。
连接完PLC 的公共端以后,根据系统的I/O 接线图将对应的输入输出端子与各执行器或检测器件进行连接,以I0.0 接SQ2,Q0.0 接Z 轴F 端(正转)为例,如下图所示:
(3)外围设备的接线
1)传感器的接线
在该系统中,涉及到的传感器从功能上分为:
光电传感器、光电开关、行程开关等。
从接线方式上分为两种,一种是三线式,另一种是二线式。
光电传感器采用三线式
接线方式,光电开关、行程开关是二线式。
三线式传感器分为电源线和信号线,其中电源线为两根,分别接24V 直流电源的正负端子,信号线根据I/O 分配表与PLC 的输入端进行连接。
(关于与PLC 之间的连接可参见PLC 的输入输出接线方式)。
具体的接线方式如下图所示:
二线式传感器分为信号线和公共线,公共线接24V 直流电源的负端子,信号线根
据I/O 分配表与PLC 的输入端进行连接。
具体接线方式如下图所示:
在系统设计时,为了节省接线,将传感器的电源线都短接在一起,因此在使用过程
中可以预先将传感器的电源线与电源输出端进行连接(参见电源引线的连接)。
下面以光电开关SQ1 为例说明一下传感器的连接。
光电开关的信号SQ1 与PLC 的
输入端I0.0 进行连接。
其接线如下图所示:
2)矩阵键盘及仓库检测的接线
为了方便外部指令的输入,系统设置了矩阵键盘区。
矩阵输入是一种高效的输入方式,通过设定系统的扫描时钟,可以方便的以矩阵的行数a和列数b来表征矩阵内部各点的状态,即以较少的点数(a+b)来表示较多的状态(a*b)。
在PLC 的接线方面,一般是将行系列(H0、H1、H2、H3)设定为扫描检测,列系列(D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7)设定为输入检测,即将PLC 的输出端口接到矩阵的行系列,将PLC 的输入端口接到矩阵的列系列,下面以PLC 的输入端口I0.0、I0.1、I0.2、I0.3作为列系列,输出端口Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3 作为行系列为例说明,其接线如下图所示:
3)调试开关的接线
为了实验方便,在每个接口板的右下方都设有调试开关区,用作手动调试时作为输入信号使用,也可作为PLC 的模拟输入信号。
开关的接线方式为二线式,其中一根为信号线,另一根为公共端。
信号线与PLC 的输入端连接,公共端与电源输出的负端进行短接。
在设计实验单元板时,为了节省布线,将所有开关的公共端短接在一起。
以一个开关的接线为例,假设开关的信号线为I0.0,则其实际接线图如下所示:
4) 直流电机的接线
直流电机的控制是应用 PLC 控制外部继电器的吸合从而控制直流电机两端的电压方
向,达到控制电流电机正反转的目的,其直流电机控制接线如下所示:
5) 步进电机的接线
步进电机的控制是应用PLC 的脉冲输出功能,对于西门子S7-200 CPU 来说,只有晶体
管输出型能输出高速脉冲列和脉冲宽度可调的波形。
因此对于步进电机的接线方式来说,脉
冲端CP 只能与Q0.0 或Q0.1 连接。
在习惯上为了接线方便,一般将Q0.2 或Q0.3 作为步进电机的方向控制。
步进电机的公共端接电源输出的负端。
步进电机是接有源的器件,因此在控制之前,需要外接24V 直流电源。
这样步进电机控制的接线如下所示:
对于脱机电平,当输入高电平信号时,电机处于无扭矩状态,是用来保护电机运行的,
在正常情况下,可以不需要接此信号。
第4章 系统的实训实验课题
4.1 基本指令操作训练
实验1、输入输出指令操作训练
例题1:
拨动控制开关SW0,信号灯L0 亮,拨动控制开关SW1,信号灯L0 熄灭。
例题解析:
(1)根据系统要求,系统IO 分配表如下:
(2) 系统接线图
(3)梯形图程序如下所示:
(4)思考题:
1)用一个开关如何完成题目要求的实验内容。
2)按照下述时序图编写程序。
提示:
采用上升沿指令和下降沿指令来完成控制。
3) 按照下述时序图编写程序。
提示:
可以采用计数器指令来完成实验控制。
例题2:
在三个不同的地方分别用三个开关控制一盏信号灯,任何一地的开关动作都可以使
灯的状态发生改变,即不管开关的当前状态是打开还是关闭,只要有开关动作则灯的状态就
发生改变。
例题解析:
根据该控制,系统用三个开关实际上达到了12 种状态的输入,这12 种状态分别是:
1)开关1 打开时,指示灯处于闭合状态;
2)开关1 打开时,指示灯处于打开状态;
3)开关1 闭合时,指示灯处于打开状态;
4)开关1 闭合时,指示灯处于闭合状态;
5)开关2 打开时,指示灯处于闭合状态;
6)开关2 打开时,指示灯处于打开状态;
7)开关2 闭合时,指示灯处于打开状态;
8)开关2 闭合时,指示灯处于闭合状态;
9)开关3 打开时,指示灯处于闭合状态;
10)开关3 打开时,指示灯处于打开状态;
11)开关3 闭合时,指示灯处于打开状态;
12)开关3 闭合时,指示灯处于闭合状态;
上述12 状态分别对应于两种结果,实际上就类似于一个“翻转”操作,可以成对使用置位指令和复位指令。
(1)根据系统要求,系统IO 分配表如下:
(2)系统接线图
(3)程序梯形图如下所示:
(4)思考题
1)、现在一些宾馆和家庭客厅中的装饰灯,是利用一个开关来实现不同的控制组合。
例如,房间内有1,2,3 号三个灯,按动一下开关,三个灯全亮;再按一下,1,3 号灯亮,
2 号灭;再按一下,2 号灯亮,1,3 号灭;再按一下全部灭。
写出I/O 分配表,设计梯形图程序。
实验2、顺序控制指令操作训练
例题3:
拨动控制开关SW0,延迟10S 后信号灯L0 亮,经过10S 后信号灯断开。
例题解析:
(1)根据系统要求,系统IO 分配表如下:
(2) 系统接线图
(3)程序设计如下图所示:
程序解释:
当控制开关I0.0 上电闭合时,中间继电器M0.0 得电自锁,定时器T37 开始工作,当达到设定时间10s 后,其常开触点闭合,常闭触点断开,故M0.0 失电,Q0.0 得电自锁.此时定时器T38 得电开始工作,当达到设定值10s 后,Q0.0 断开。
(4)思考题
1)、设计一个密码锁控制电路,用拨码开关输入,正确输入65 后2 秒室内照明灯开。
正确输入87 后2 秒室内空调通电运行。
例题4:
用控制开关SW0 控制三盏信号灯的动作。
要求:
打开控制开关SW0,信号灯L0
亮,延迟2S 后熄灭,紧接着信号灯L1 亮,延迟2S 后熄灭,紧接着信号灯L2 亮,延迟2S
后熄灭,然后信号灯L0 亮,依次循环下去,直到控制开关SW0 关闭,所有动作停止。
例题解析:
(1)根据系统要求,系统IO 分配表如下:
(2) 系统接线图
(3)梯形图程序如下所示:
(4)程序解释:
当控制开关I0.0 触发时,Q0.0 得电自锁,启动定时器T37,经过2 秒后断开,将Q0.0
复位。
当定时器T37 触发后,Q0.1 得电自锁,同时启动定时器T38,经过经过2 秒后断开,将Q0.1 复位。
当定时器T38 触发后,Q0.2 得电自锁,同时启动定时器T39,经过经过2 秒后断开,将Q0.2 复位。
当定时器T39 触发后,Q0.0 得电自锁,同时启动定时器T37,经过经过2 秒后断开,将Q0.0 复位,依次循环下去。
(5)思考题:
设计一个梯形图程序完成如下功能:
有9 盏彩灯,排列成同心圆形状,其中L1 为圆心,
L2、L3、L4、L5 排列为小圆,L6、L7、L8、L9 排列为大圆。
要求当启动按钮按下后,首先
是L1 亮,延时1s 后L1 灭,L2、L3、L4、L5 亮,再延时1s 后,L2、L3、L4、L5 灭,L6、
L7、L8、L9 亮,形成内外的放射效果,再延时1s 后L6、L7、L8、L9 灭,L1 亮,开始下一个循环。
任何时候按下停止按钮,所有的灯都灭。
但在下一次启动时应接着上一次停止时的状态重新开始循环。
实验3、键盘装置扫描检测及显示技术操作训练
例题5:
利用矩阵描述技术和数码管显示完成实验要求。
当按下矩阵键盘K1~K3 时,对应
的数码管显示1~3,当按下矩阵键盘K5~K7 时,对应的数码管显示4~6,当按下矩阵键盘K9~K11 时,对应的数码管显示7~9,当按下矩阵键盘K13~K15 时,对应的数码管显示10~12,按下K4 键时,显示归零。
例题解释:
键盘扫描技术就是要求通过扫描H0、H1、H2、H3 端口来判断当前按钮的状态。
当按下
K5 时,H1 触发时,X4 输入信号有效,这样就可以进行判断是哪一个按键。
数码显示是采用BCD 编码方式的,故采用四个端口就可以表示16 个数字状态。
(1)根据系统要求,系统IO 分配表如下:
输入接口
输出接口
PLC 端
单元板端口
注释
PLC 端
单元板接口
注释
I0.4
D4
矩阵按钮的第一列
Q1.4
B00
数码显示的0 位
I0.5
D5
矩阵按钮的第二列
Q1.5
B01
数码显示的1 位
I0.6
D6
矩阵按钮的第三列
Q1.6
B02
数码显示的2 位
I0.7
D7
矩阵按钮的第四列
Q1.7
B03
数码显示的3 位
(2) 系统接线图
主程序
SCAN 子程序:
(4)程序分析
1)程序第一段是用于调用子程序,VW238 是用于存储当前的按键号,VW270 是用于存储数码显示区的数据,通过位传送给输出端口用于七段码显示。
2)程序第二段是用于将子程序判断的数字传送给VW238。
3)程序第三段是用于清除当前显示数字。
SCAN 子程序是用于判断哪个按键被按下。
子程序的的第一段是用于状态初始化,对状态寄存器MW10 清零。
子程序的第二段是制作一个脉冲发生器,用于产生周期为0.08s 的周期时序脉冲。
子程序的第三段是用脉冲发生器扫描输出端口 Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7,使其处于顺
序接通状态,接通周期与扫描周期一致。
子程序的第四段就是用于传送状态信号至VD200,为主程序作逻辑判断提供依据。
(5)思考题
1)、理解矩阵扫描的思想,利用上述程序,请编写一个显示程序,显示最后一个入库的货物的仓位号。
2)如果仓库的仓位数量超过16 个,如何显示?
4.2 步进电机控制操作训练
实验1、单轴步进电机定位控制
例题1:
当按下控制开关SW0 时,机械手从当前位置沿X 轴右行10cm,当拨回控制开关
SW0 时,机械手回到初始位置。
例题解释:
根据题意,电机的运动轨迹可以描述如下图所示:
由于题意中未设定电机的运行速度,不妨假设的电机的速度为1000 脉冲/s,这样问题就归结于控制一个电机恒速运转一段脉冲的问题,只需要用PLC 自带的脉冲输出信号PLS
指令就可以完成要求。
(1)根据系统要求,系统IO 分配表如下:
(2) 系统接线图
(3)系统程序设计如下:
(4)程序分析:
第一段程序是用于初始化脉冲发生器PTO0,通过对控制字节SMB67 传送16#8D,实
现单段脉冲输出,扫描时间为1ms.。
对控制字SMW68、SMD72 传送0 实现系统的初始化。
第二段程序是用于控制脉冲发生器PTO0 发出13300 个脉冲,用于完成10cm 的行走。
第三段程序是用于控制步进电机的方向信号Q0.2。
第四段程序是用于控制巷道起重机回到初始位置。
(5)思考题:
1)、如何测算电机的脉冲数与其实际行走距离之间的换算关系?
参考:
可以测算1000 个单位脉冲所行走的距离,然后进行换算。
2)、如果考虑电机的左右限位,应该如何修改程序。
3)、参照程序,编写电机行走15cm 的梯形图程序,并上机调试。
实验2、单轴步进电机速度控制
例题2:
当按下控制开关SW0 时,机械手从当前位置以500Hz 速度运行5cm,然后以1000Hz
速度运行5cm,接着以1500Hz 速度运行5cm,最后以500Hz 速度运行5cm 结束,打开控制
开关SW0 时,系统回到初始位置。
例题解释:
该要求与上题的区别之处在于系统要求改变运行速度,这就要求改变PTO/PWM 周期
值SMB68 并且考虑行进的时序性,可以采取步进指令来完成该程序设计。
(1)根据系统要求,系统IO 分配表如下:
(2) 系统接线图
(3)系统程序设计如下:
(4)程序分析
1)程序第一段是用于完成脉冲发生器PTO0 的初始化。
2)程序第二段至第八段是完成第一速度的行进,第九段至第十四段完成第二速度的行进,第十五段至第二十段完成第三速度的行进,第二十一段至二十五段完成第四速度的进。
3)程序第二十六段完成系统的复位。
(5)思考题
1)不用步进指令,完成题目要求。
2)仔细观察电机在不同速度下的行走情况,试分析其原理,找出一个最佳速度,并说明理由。
实验3、双轴步进电机定位控制
例题3、使用下面图示的两种路径完成起重机的动作。
要求起重机从初始点A 运行到目标点
B,以两种路径进行,速度要求为1000 脉冲/s
(1) 路径A:
起重机从X 轴右行20cm,
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