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基于PLC和步进电机的水平工作台控制.doc
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2022-07-16
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基于PLC和步进电机的水平工作台控制.doc
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第一章 绪论
随着现代化工业设备的自动化,越来越多的工厂设备采用 PLC,因此自动化程度越来越
高。电气控制技术随着科学技术的发展,生产工艺不断提出新的要求而得到迅速发展。在现
代化工业生产中,为了提高劳动生产率,降低成本,减轻工人的劳动力,要求整个生产工艺
全程自动化,这就离不开控制系统。
自动化往返工作台是基于 PLC 控制来设计的,控制系统的每一步动作都直接作用于工作
台的运动,与 PLC 控制系统有着巨大的关系,因此对自动往返工作台的系统设计要予以重视。
展望未来,21 世纪,PLC 会有更大的发展。从技术上看,计算机技术的新成果会更多的
应用于可编程控制器的设计和制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种
出现;从产品规模上看,会进一步向超小型与超大型方向发展;从产品的品种看,会有更丰
富、规格更齐全,完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求;
从市场上看,各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破,会出现少数几
个品牌垄断国际市场的局面,会出现国际通用的编程语言;从网络的发展情况来看,可编程
控制器和其它工业控制计算机组网购成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展,可编程
控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业与工业以外的大多数
领域发挥越来越大的作用。
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第二章 总体方案的确定
2.1 设备简介
设备的结构简图如下:
图 2-1 设备结构简图
步进电机旋转一周,滚珠丝杠也旋转一周,工作台将水平移动一个丝距,这样,电机的
圆周运动就可以转化为工作台的直线运动,固定在工作台上的定位铁片也将水平左右移动。
图中所示的丝杠丝距为 3mm。
2.2 控制方案要求
a,将接近开关 2 作为原点,1 和 5 分别为左右极限;无论设备处于何种工作状态,遇到
左右极限时都必须停止且不可向超限的方向运行;
b,上电检测工作台是否在原点(无论在原点的左面还是右面),若不在原点,则将工作
台复位至原点;
c,当工作台处于原点位置时,按下启动按钮,工作台装料,3s 后开始向工位 1 运送,
至工作位 1 开始卸料,5s 之后返回原点;工位 1 距原点 55mm;
d,至原点处继续装料,3s 后向工位 2 运送,至工位 2 开始卸料,5s 之后返回原点,工
位 2 距离原点 110mm,至原点处时,一个循环完成,累计循环次数+1,并开始下一个循环;
可设定循环工作的次数,完成设定次数后,工作台停止在原点处;
e,循环过程中按下暂停按钮,则工作台立刻停止,直到在此按下启动按钮时,工作台继
续运行至目标位置,要求可以多次按暂停启动,小车运行无偏差;在暂停状态下,若再次按
下暂停键,则工作台回到原点处停止;
f,循环过程中按下停止按钮,工作台完成当前次循环后回到原点处停止。
图 2-2 工作时序图
1 2 3 4 5
步进电机
接近开关
工作台
滚珠丝杠
定位铁片
装料位置
卸料 5 秒
装料 3 秒
卸料 5 秒
装料 3 秒
时间 t
循环运行
装料位置
卸料位置 1
卸料位置 2
输出频率 f
装料位置
启动按钮
时间 t
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2.3 触摸屏设计要求
a,显示设备当前所处的工作状态:在原点、不在原点、装料、前进至工位 1、工位 1 卸
料等等,要做到只看触摸屏也能知道设备的状态;
b,显示定时的时间,或者显示倒计时,精确到 0.1s;
c,显示工作台当前相对原点的位置,单位 mm,精确到 0.1mm;
d,显示工作台的实时移动速度,单位 mm/s,精确到 0.1mm/s;
e,可以设置循环工作次数,围 1~9;若该参数小于 1,则自动设为 1,若该参数大于 9,
则自动设为 9;
f,设置一个加密页,当密码正确时,才可以跳转至该页面,仅可以在该页面将已完成循
环工作次数清零;加密方式不限(触摸屏本身的口令,触摸屏与 PLC 的交互控制)。
2.4 选择设计方案
STL 流程指令。
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第三章 工作台组成
本设计其组成大体有五部分,包括电源模块、PLC(XC3)、步进驱动器、步进电机、工作
台机械部件(滚珠丝杠等)。
3.1 可编程控制器(PLC)
3.1.1 PLC 介绍
在制造业和过程工业中,除了以模拟量为被控对象外,还存在着大量的数字量为主的逻
辑顺序控制,这一点在以改变几何形状和机械性能为特征的制造业中,尤为突出。它要求控
制系统按照逻辑条件和一定的顺序、时序产生控制动作,并能够对来自现场的大量开关量、
脉冲、计时、计数等数字信号进行监视和处理。这些工作在早期由继电---接触器电路来实现,
其缺点是体积庞大、故障率高、功耗大、不易维修、不易改造和升级等。
而目前,PLC 控制器的程序存储容量多以 MB 为单位,随着超大规模集成电路技术的发展,
微处理器的性能大幅提高,指令执行速度达到微秒级,从而极大提高了 PLC 的数据处理能力,
高档的 PLC 可以进行复杂的浮点运算,并增加了许多特殊功能,如高数计数、脉宽调制变换、
PID 闭环控制、定位控制等等,从而在以模拟量为主的过程控制领域也占有了一席之地,在
一定程度上具备了组建 DCS 系统的能力。此外,PLC 的通信功能和远程 I/O 能力非常强大,
可以组建成分布式通信网络系统。
在组成结构上,PLC 具有一体化结构和模块式结构两种模式。一体化结构的 PLC 追求功
能的完善,性能的提高,体积越来越小,有利于安装。而模块式结构的 PLC 则利用单一功能
的各种模块拼装成一台完整的 PLC,用户在设计自己的 PLC 控制系统时拥有极大的灵活性,
并使设备的性价比达到最优。同时,模块式结构也有利于系统的维护、换代和升级,并使系
统的扩展能力大大加强。
可编程控制器的生产是基于工业控制的需要,是面向工业控制领域的专用设备,归纳为
以下几点:
1.可靠性高,抗干扰能力强;
2.灵活性强,控制系统具有良好的柔性;
3.通用性强,使用方便;
4.功能强,适应面广;
5.编程简单,容易掌握
6.PLC 控制系统的设计、安装、调试、维护方便;
7.体积小、重量轻、功耗低;
3.1.2 PLC 的硬件结构
PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相似。PLC
从结构上分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、显示面板、
存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、
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存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。其结构如图 3-1-2 所示。
中央处理单元(CPU)是 PLC 的控制中枢,它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从
编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器 I/O 以与警戒定时器的状态;并能诊断用
户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态
和数据,并分别存入 I/O 映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解
释后,按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器,等所有的用
户程序执行完毕之后,最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器的数据传送到相应的输
出装置,如此循环运行直到停止运行。
图 3-1-2 PLC 硬件结构图
3.1.3 PLC 的选型
一般选择 PLC 型号从输入/输出点、存储容量、I/O 响应时间、输出负载的特点、在线和
离线编程等方面考虑。
1.PLC 容量的选择
首先对控制任务进行详细的分析,把所有的 I/O 点找出来,包括开关量 I/O 和模拟量 I/O,
以与这些 I/O 点的性质。
然后要对用户存储器容量进行估算。户存所需存容量受到存利用率、开关量输入/输出点
数、模拟量输入/输出点数和用户编程水平几个主要因素的影响。
2.PLC 机型的选择
(1)功能方面
所有 PLC 都具有常规功能,但对特殊要求需选择能够完成控制任务的 PLC。如对 PLC 的
计算速度、用户程序容量等有特殊要求等。
(2)价格方面
不同厂家的 PLC 产品价格相差很大,有些功能相似、质量相当、I/O 点数相当的 PLC 价
格相差甚远。因此,在使用 PLC 较多的情况下,价格比是一个重要的因素。
(3)售后服务
用户应考虑相关的技术支持,统一型号以便维护、系统改造、升级等因素。PLC 主机选
定后,如果控制系统需要,则相应的配套模块也就选定了。
综上,本设计选用信捷 XC3-48T-E 型控制编程器。具体介绍见附录一。
输
入
电
路
编程器
中央处理单元(CPU)
输
出
电
路
系统存储存储器
系统程序存储器
电源
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