基于PLC和步进电机的立体仓库存储系统精确定位控制设计

第33卷第10期2011-11(上)【149】基于PLC和步进电机的立体仓库存储系统精确定位控制设计ThedesignofwarehousestoragesystemforprecisepositioningcontrolbasedonPLCandsteppermotor李庭贵LITing-gui（泸州职业技术学院，泸州646005）摘要：运用PLC技术和步进电机控制技术，设计了基于PLC和步进电机的立体仓库定位存储系统。采用西门子S7-200CPU-224PLC，输出PTO脉冲信号控制X轴与Z轴平面的M415B步进电机驱动器，驱动X轴与Z轴平面的步进电机42J1834-810转动，从而带动X轴与Z轴平面的丝杆转动，推动载物台上、下、左、右移动，实现了载物台在X轴、Z轴平面的精确定位控制，从而把物体存储到立体仓库的指定位置。关键词：PLC；步进电机；立体仓库中图分类号：TP273　文献标识码：A　文章编号：1009-0134(2011)11(上)-0149-04Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2011.11(上).440引言步进电机是一种将电脉冲转换为角位移或直线运动的执行设备。在非超载的情况下，电机转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，因此步进电机广泛应用于精密控制场合[1]。自动化立体仓库也称立库，是在不直接进行人工参与的情况下自动地存储和取出物料的系统，采用高层货架存储货物，用专门的仓储作业设备进行货物出入库作业。其具体功能是：在接收工位接收送料单元送来的工件，按照工件信息而自动运送至相应仓位，并将工件推入立体仓库指定位置存储。1系统总体设计1.1系统结构设计立体仓库存储系统主要由PLC控制模块、步进驱动模块、丝杆驱动模块、工件推出模块、立体仓库、气源处理组件等部件组成。系统结构示意图如图1所示。1.2精确定位原理PLC每发出一个脉冲，步进电机转动一个步距角度，X轴步进电机带动X轴丝杆做左右直线运动或Z轴步进电机带动Z轴丝杆做上下直线运动，实现载物台的上、下、左、右运动。通过控制X轴、Z轴步进电机的脉冲个数，就可以控制载物台在X轴、Z轴上移动的距离，实现载物台在X—Z轴平面的精确定位，从而把物体放到仓库的指定位置。当PLC输出5000个脉冲时，平移距离为3.125cm（平移距离=步距角×脉冲个数×螺距/360o），输出脉冲为10000时平移距离理论值为6.25cm。2系统硬件设计2.1PLC控制模块立体仓库精确定位存储控制系统选用西门子S7-200系列的CPU224CN作为控制器。它有24个I／O点（14输入点，10个输出点出），具有体积小、功能强、性价比高等优点，而且具有高速脉冲输出（PTO）功能，可以驱动步进电机运动。系统硬件控制接线图如图2所示。2.2步进驱动模块步进驱动模块由步进电机和步进驱动器组成。仓库立体存储系统有两套步进驱动模块，分别控制X轴、Z轴的丝杆运动。收稿日期：2011-09-28基金项目：四川省泸州市科技局资助项目：泸州地区中小机电企业智能化技术改造研究；四川高等职业教育研究中心资助项目（GZY11B16）；四川省泸州市工程机械智能优化设计重点实验室资助项目作者简介：李庭贵（1973-），男，四川泸县人，副教授，工程师，硕士，研究方向为智能优化与控制。【150】第33卷第10期2011-11(上)步进驱动器接收PLC发出的高速脉冲信号及方向电平信号，并将这些信号转换成驱动步进电机的信号。步进电机旋转方向由方向电平控制；步进电机旋转速度由脉冲信号的频率控制；步进电机旋转角度由脉冲信号的数目控制。选用四相步进电机42J1834-810，与之配套的驱动器选用美国IMS公司生产的M415B细分型步进电机驱动器，其细分功能使步进电机运转精度提高，振动减小，杂讯降低，且具有光隔离信号输入（抗干扰），静止时电流减半，电源接反保护功能等优点。42J1834-810步进电机步距角为1.8o，即在无细分的条件下，200个脉冲使步进电机转一圈（200×1.8=360o）。通过驱动器设置细分精度，最高可以达到12800个脉冲电机转一圈。步进电机驱动器M415B细分设定由拨码开关SW4、SW5、SW6设定，如表1所示。设置SW4=ON、SW5=OFF、SW6=ON，细分设置为800步数/圈，即800个脉冲使步进电机转一圈，此时步距角为（800×0.45=360o）。步进电机传动组件采用联轴器直接带动螺旋丝杠转动，螺旋丝杠的螺距为5mm，即步进电机每转动一周，载物台位移5mm。通过控制载物台在X-Z轴平面的运动，从而把工件运送到仓库的指定位置。步进电机驱动器M415B输出相电流设定由拨码开关SW1、SW2、SW3设定，如表2所示。设置SW1=OFF、SW2=ON、SW3=OFF，输出相电流为1.05A。图2立体仓库存储系统硬件控制接线图图1立体仓库精确定位存储控制系统结构示意图第33卷第10期2011-11(上)【151】表2步进电机驱动器M415B输出相电流设定表2.3丝杆驱动模块丝杆驱动模块是将步进电机输出的旋转运动转换成直线往复运动，两套丝杆驱动模块成90度垂直安装，形成一个X-Z轴的平面运动系统。在两个丝杆驱动模块上均设有一个零点，用以校正位置及提供一个位置参考点。同时为了防止丝杠驱动模块过冲而产生机械物理损伤，在丝杆驱动模块的极限位置均装有碰撞保护开关，用来防止丝杆驱动模块过冲。2.4工件推出模块工件推出模块采用气动控制系统作为执行机构，1A为双作用气缸，1B1和1B2为磁感应式接近开关，判断气缸的运动位置。1Y1为两位五通电磁换向阀控制双作用气缸的运动，立体仓库存储系统的气动控制原理图如图3所示。3系统软件设计3.1I/O口分配立体仓库精确定位存储控制系统的PLCI/O口分配表如表3所示。3.2程序设计软件采用模块化设计方法，主要由主程序、Q0.0（控制X轴电机）输出脉冲子程序、Q0.1（控制Z轴电机）输出脉冲子程序等模块组成。3.2.1主程序设计主程序首先检测丝杠的运动方向，装入脉冲串值，然后调用Q0.0（控制X轴电机）输出脉冲子程序、Q0.1（控制Z轴电机）输出脉冲子程序，并判断脉冲串输出是否完成，最后判断定位是否完成。主程序流程图如图4所示。3.2.2Q0.0、Q0.1输出脉冲子程序设计表3立体仓库精确定位存储系统I/O端口分配表图3立体仓库存储系统气动控制原理图表1步进电机驱动器M415B细分设定表【152】第33卷第10期2011-11(上)S7-200CPU提供两个高速脉冲输出点（Q0.0和Q0.1），通过PLC编程控制脉冲的周期（频率）和个数，利用脉冲输出指令（PLS），通过PTO编程，可在高速脉冲输出点（Q0.0和图5Q0.0（控制X轴）输出脉冲子程序流程图表4多段PTO操作的包络表设置图4主程序流程图第33卷第10期2011-11(上)【153】图6Q0.1（控制Z轴）输出脉冲子程序流程图Q0.1）上控制脉冲串输出，从而驱动步进电机运动。PTO编程步骤：1）设置PTO/PW控制字；2）写入周期值；3）写入脉冲串计数值；4）连接中断事件、中断服务程序，允许中断；5）执行PLS指令，对PTO进行编程。设置PTO控制字（允许PTO多段操作模式）和设置多段PTO操作包络表，控制Q0.0、Q0.1输出脉冲串，如表4所示。通过PLC的Q0.0输出脉冲串，控制X轴步进电机运动，Q0.0（控制X轴）输出脉冲子程序流程图如图5所示。通过PLC的Q0.1输出脉冲串，控制Z轴步进电机运动，Q0.1（控制Z轴）输出脉冲子程序流程图如图6所示。4结束语详细介绍了本系统的总体结构、硬件设计和软件设计。侧重阐述了采用西门子S7-200系列的CPU-224PLC，输出PTO脉冲信号控制X—Z轴平面的M415B步进电机驱动器，驱动步进电机42J1834-810运动，从而带动X—Z轴平面的丝杆转动，推动载物台上、下、左、右移动，实现了载物台在X—Z轴平面的精确定位控制，把物体存储到立体仓库的指定位置。实践表明，该系统运行稳定流畅，效果良好。本系统以自动化立体仓库为研究对象，其方法、原理和技术可扩展到机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等行业，具有一定的工程实际意义和实用价值，具有广阔的应用前景。参考文献：[1]黄会雄.一种智能视频监控体系结构设计方案[J].微计算机信息,2007,6-1:115-117.[2]章国华,苏东.典型生产线原理、安装与调试(西门子PLC版本)[M].北京:北京理工大学出版社,2009.[3]陶权,韦瑞录.PLC控制系统设计、安装与调试[M].北京:北京理工大学出版社,2009.