s7200立体停车库.docx
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s7200立体停车库
一、概述
立体停车库实训装置(以下简称停车库)是依据机电一体化教学的要求而开发的,它是一个集PLC(ProgrammableLogicController可编程逻辑控制器的缩写词)控制、位置控制、检测、工控组态等技术于一体的实物教学实验装置。
本模型具有单片机、PLC控制功能,也可根据用户需要采用数据采集卡及IC卡管理系统。
适合机械制造及自动化、机电一体化、自动化、电气工程等专业的《机电传动与控制》、《运动控制》、《机电一体化技术》、《计算机控制技术》、《检测与转换技术》等课程开设实验课。
二、实验目的
掌握PLC控制的基本原理、直流电机、传感器等器件的原理及使用。
三、实验设备
1.立体停车库实训装置一套
2.台式计算机一台(用户自备)
3.实验导线若干
四、实验原理
立体停车库主要是利用单片机,PLC作为数据处理器,光电开关为位置检测,直流电动机为运动执行机构的实物教学模型,主要器件的工作原理如下:
1.直流电动机原理
图1直流电机的物理模型图
这是分析直流电机的物理模型图。
其中,固定部分有磁铁,这里称作主磁极;固定部分还有电刷。
转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。
(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的) 图1表示一台最简单的两极直流电机模型,它的固定部分(定子)上,装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S,在旋转部分(转子)上装设电枢铁心。
定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈,线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上,此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘,由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上,换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2,当电枢旋转时,电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
并给两个电刷加上直流电源,如图2(a)所示,则有直流电流从电刷A流入,经过线圈abcd,从电刷B流出,根据电磁力定律,载流导体ab和cd收到电磁力的作用,其方向可由左手定则判定,两段导体受到的力形成了一个转矩,使得转子逆时针转动。
如果转子转到如上图(b)所示的位置,电刷A和换向片2接触,电刷B和换向片1接触,直流电流从电刷A流入,在线圈中的流动方向是dcba,从电刷B流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定,它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
这就是直流电动机的工作原理。
外加的电源是直流的,但由于和换向片的作用,在线圈中流过的电流是交流的,其产生的转矩的方向却是不变的。
实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成,同样是由多个线圈连接而成,以减少电动机电磁转矩的波动。
图2
在立体停车库实物教学模型装置中,选用永磁直流减速电动机的工作电压为24V,经齿轮减速后转速为每分钟20转。
由控制电路控制电流的流向,从而控制电动机的转向,达到控制车盘左右运动和上下升降的目的。
2光电开关原理
光电开关是传感器大家族中的成员,它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。
由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的(即电缘绝),所以它可以在许多场合得到应用。
光电开关(光电传感器)是光电接近开关的简称,它是利用被检测物对光束的遮挡或反射,由同步回路选通电路,从而检测物体有无的。
物体不限于金属,光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出,接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。
工作原理如图3所示。
多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。
图4
图4是部分光电开关外型图
2.1分类
●漫反射式光电开关:
它是一种集发射器和接收器于一体的传感器,当有被检测物体经过时,物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器,于是光电开关就产生了开关信号。
当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时,漫反射式的光电开关是首选的检测模式。
●镜反射式光电开关:
它亦集发射器与接收器于一体,光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器,当被检测物体经过且完全阻断光线时,光电开关就产生了检测开关信号。
●对射式光电开关:
它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器,发射器发出的光线直接进入接收器,当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时,光电开关就产生了开关信号。
当检测物体为不透明时,对射式光电开关是最可靠的检测装置。
●槽式光电开关:
它通常采用标准的U字型结构,其发射器和接收器分别位于U型槽的两边,并形成一光轴,当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时,光电开关就产生了开关量信号。
槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体,并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠。
●光纤式光电开关:
它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线,可以对距离远的被检测物体进行检测。
通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。
在立体停车库实物教学模型装置中,选用了两类光电开关,分别为漫反射式和镜反射式。
2.2术语解释
●检测距离:
是指检测体按一定方式移动,当开关动作时测得的基准位置(光电开关的感应表面)到检测面的空间距离。
额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。
●回差距离:
动作距离与复位距离之间的绝对值。
●响应频率:
在规定的1s的时间间隔内,允许光电开关动作循环的次数。
●输出状态:
分常开和常闭。
当无检测物体时,常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作,当检测到物体时,晶体管导通,负载得电工作。
●检测方式:
根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同,可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。
●输出形式:
分NPN二线、NPN三线、NPN四线、PNP二线、PNP三线、PNP四线、AC二线、AC五线(自带继电器),及直流NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的输出形式。
●指向角:
见光电开关的指向角θ示意图,即如图5的下部三个小图所示。
图5
●表面反射率:
漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接受器,所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接受器接收到光线的强度。
粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度,而且,被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。
常用材料的反射率如表1所示。
表1 常用材料的反射率
材料
反射率
材料
反射率
白画纸
90%
不透明黑色塑料
14%
报纸
55%
黑色橡胶
4%
餐巾纸
47%
黑色布料
3%
包装箱硬纸板
68%
未抛光白色金属表面
130%
洁净松木
70%
光泽浅色金属表面
150%
干净粗木板
20%
不锈钢
200%
透明塑料杯
40%
木塞
35%
半透明塑料瓶
62%
啤酒泡沫
70%
不透明白色塑料
87%
人的手掌心
75%
●环境特性:
光电开关应用的环境亦会影响其长期工作可靠性。
当光电开关工作于最大检测距离状态时,由于光学透镜会被环境中的污物粘住,甚至会被一些强酸性物质腐蚀,以至其使用参数和可靠性降低。
较简便的解决方法就是根据光电开关的最大检测距离(Sn)降额使用来确定最佳工作距离。
2.3.使用注意事项
●红外线传感器属漫反射型的产品,所采用的标准检测体为平面的白色画纸。
红外线光电开关在环境照度高的情况下都能稳定工作,但原则上应回避将传感器光轴正对太阳光等强光源。
●红外线光电开关的透镜可用擦镜纸擦拭,禁用稀释溶剂等化学品,以免永久损坏塑料镜。
光电开关还在许多方面得到了应用,例如在行程控制、直径限制、转速检测、气流量控制等方面。
3.PLC可编程控制器的工作原理
可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的,模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
3.1可编程控制器工作状态
可编程控制器有两种基本的工作状态,即运行(RUN)状态与停止(STOP)状态。
在运行状态,可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号,用户程序不是只执行一次,而是反复不断地重复执行,直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外,在每次循环过程中,可编程序控制器还要完成内部处理、通信处理等工作,一次循环可分为5个阶段(如图所示)
●在内部处理阶段,可编程序控制器检查CPU,模块内部的硬件是否正常,将监控定时器复位,以及完成一些别的内部工作。
●在通信服务阶段,可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信,响应编程器键入的命令,更新编程器的显示内容。
●在输入处理阶段,可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开(ON/OFF)状态读入输入映像寄存器。
●在程序执行阶段,即使外部输入信号的状态发生了变化,输入映像寄存器的状态也不会随之而变,输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。
●在输出处理阶段,CPU将输出映像寄存器的通/断状态传送到输出锁存器。
3.2为适应工业环境使用,与一般控制装置相比较,PLC还有以下特点:
3.2.1可靠性高,抗干扰能力强
工业生产对控制设备的可靠性要求:
平均故障间隔时间长;故障修复时间(平均修复时间)短,任何电子设备产生的故障,通常为两种:
●偶发性故障。
由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。
这类故障,只要不引起系统部件的损坏,一旦环境条件恢复正常,系统也随之恢复正常。
但对PC而言,受外界影响后,内部存储的信息可能被破坏。
●永久性故障。
由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。
如果能限制偶发性故障的发生条件,如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围,使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常,这样就能提高平均故障间隔时间;如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段,在永久性故障出现时,能很快查出故障发生点,并将故障限制在局部,就能降低PLC的平均修复时间。
为此,各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施,使PLC除了本身具有较强的自诊断能力,能及时给出出错信息,停止运行等待修复外,还使PLC具有了很强的抗干扰能力。
●硬件措施:
♦主要模块均采用大规模或超大规模集成电路,大量开关动作由无触点的电子存储器完成,I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。
♦屏蔽——对电源变压器、CPU、编程器等主要部件,采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽,以防外界干扰。
♦滤波——对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波,如LC或π型滤波网络,以消除或抑制高频干扰,也削弱了各种模块之间的相互影响。
♦电源调整与保护——对微处理器这个核心部件所需的+5V电源,采用多级滤波,并用集成电压调整器进行调整,以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。
♦隔离——在微处理器与I/O电路之间,采用光电隔离措施,有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系,减少故障和误动作;各I/O口之间亦彼此隔离。
♦采用模块式结构——这种结构有助于在故障情况下短时修复。
一旦查出某一模块出现故障,能迅速更换,使系统恢复正常工作;同时也有助于加快查找故障原因。
●软件措施:
♦有极强的自检及保护功能。
♦故障检测——软件定期地检测外界环境,如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。
以便及时进行处理。
♦信息保护与恢复——当偶发性故障条件出现时,不破坏PLC内部的信息。
一旦故障条件消失,就可恢复正常,继续原来的程序工作。
所以,PLC在检测到故障条件时,立即把现状态存入存储器,软件配合对存储器进行封闭,禁止对存储器的任何操作,以防存储信息被冲掉。
♦设置警戒时钟WDT(看门狗)——如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间,预示了程序进入死循环,立即报警。
♦加强对程序的检查和校验——一旦程序有错,立即报警,并停止执行。
♦对程序及动态数据进行电池后备——停电后,利用后备电池供电,有关状态及信息就不会丢失。
3.2.2通用性强,控制程序可变,使用方便
PLC品种齐全的各种硬件装置,可以组成能满足各种要求的控制系统,用户不必自己再设计和制作硬件装置。
用户在硬件确定以后,在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下,不必改变PLC的硬设备,只需改编程序就可以满足要求。
因此,PLC除应用于单机控制外,在工厂自动化中也被大量采用。
3.2.3功能强,适应面广
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能,还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。
既可控制一台生产机械、一条生产线,又可控制一个生产过程。
3.2.4编程简单,容易掌握
目前,大多数PC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。
既继承了传统控制线路的清晰直观,又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平,所以非常容易接受和掌握。
梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。
通过阅读PLC的用户手册或短期培训,电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。
同时还提供了功能图、语句表等编程语言。
PLC在执行梯形图程序时,用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行(PLC内部增加了解释程序)。
与直接执行汇编语言编写的用户程序相比,执行梯形图程序的时间要长一些,但对于大多数机电控制设备来说,是微不足道的,完全可以满足控制要求。
3.2.5减少了控制系统的设计及施工的工作量
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,控制柜的设计安装接线工作量大为减少。
同时,PLC的用户程序可以在实验室模拟调试,更减少了现场的调试工作量。
并且,由于PLC的低故障率及很强的监视功能,模块化等等,使维修也极为方便。
3.2.6体积小、重量轻、功耗低、维护方便
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品,其结构紧凑,坚固,体积小,重量轻,功耗低。
并且由于PLC的强抗干扰能力,易于装入设备内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
3.3可编程序控制器的应用
其应用范围大致可归纳为以下几种:
●开关量的逻辑控制——这是PLC最基本、最广泛的应用领域。
它取代传统的继电器控制系统,实现逻辑控制、顺序控制。
开关量的逻辑控制可用于单机控制,也可用于多机群控,亦可用于自动生产线的控制等等。
●运动控制——PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。
早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机械,现在一般使用专用的运动模块。
目前,制造商已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
即:
把描述目标位置的数据送给模块,模块移动一轴或多轴到目标位置。
当每个轴运动时,位置控制模块保持适当的速度和加速度,确保运动平滑。
运动的程序可用PLC的语言完成,通过编程器输入。
●闭环过程控制——PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换,可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID控制。
●数据处理——现代的PLC具有数学运算(包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算),数据传递、排序和查表、位操作等功能;可以完成数据的采集、分析和处理。
数据处理一般用在大中型控制系统中;具有CNC功能:
把支持顺序控制的PLC与数字控制设备紧密结合。
●通讯连网——PLC的通讯包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和它的智能设备之间的通讯。
PLC和计算机之间具有RS-232接口,用双绞线、同轴电缆将它们连成网络,以实现信息的交换。
还可以构成“集中管理,分散控制”的分布控制系统。
I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制,然后利用网络联结构成集中管理信息的分布式网络系统。
4.STEP7-Micro/WIN软件的使用及编程规则
4.1STEP7-Micro/WIN软件的使用方法
STEP7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和控制自己的应用程序提供了良好的编程环境。
为了能快捷高效地开发你的应用程序,STEP7-MicroWIN软件提供了三种程序编辑器。
STEP7-Micro/WIN软件提供了在线帮助系统,以便获取所需要的信息。
本实验装置使用的编程软件是STEP7-Micro/WINV4.0版本,在做实验前,首先将该软件根据软件安装的提示安装到计算机上,然后用编程线将计算机和实验装置连接到一起。
4.1.1系统需求
STEP7-MicroWIN既可以在PC机上运行,也可以在Siemens公司的编程器上运行。
PC机或编程器的最小配置如下:
Windows95、Windows98、Windows2000、WindowsMe或者WindowsNT4.0以上。
4.1.2软件的使用
●打开STEP7-Micro/WINV4.0,在中选择PC/PPI协议。
点击更改通信端口和通信速率。
在通讯菜单里双击刷新,STEP7-Micro/WINV4.0开始搜索PPI网络中的S7-200CPU。
搜索完成后会出现网络中所有PLC的列表,选择要操作的PLC即可对所选PLC进行操作了。
●
编辑梯形图。
●
点击将程序下载到PLC中,点击可以对程序运行状态进行监控,点击可以将PLC置于运行的状态。
4.2编程规则
●外部输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件的接点可多次重复使用,无需用复杂的程序结构来减少接点的使用次数。
●梯形图每一行都是从左母线开始,线圈接在右边。
接点不能放在线圈的右边,在继电器控制的原理图中,热继电器的接点可以加在线圈的右边,而PLC的梯形图是不允许的。
●线圈不能直接与左母线相连。
如果需要,可以通过一个没有使用的内部继电器的常闭接点或者特殊内部继电器的常开接点来连接。
●同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。
双线圈输出容易引起误操作,应尽量避免线圈重复使用。
●梯形图程序必须符合顺序执行的原则,即从左到右,从上到下地执行,如不符合顺序执行的电路就不能直接编程。
●在梯形图中串联接点使用的次数是没有限制,可无限次地使用。
●两个或两个以上的线圈可以并联输出。
五.立体停车库实训装置的使用说明
立体停车库实训装置的主要结构分为控制柜和停车库模型两部分。
控制柜部分由按键显示板、信号接口板(或PLC接口板,PLC可选用西门子、三菱、欧姆龙)、电气控制板几部分组成;停车库模型部分由停车层模型和停车盘模型组成。
如图所示(以信号接口板为例):
3层3号位
停车报警指示灯
停车层分为上中下三层,上层有四个车位,共有四个车盘,可停放四辆汽车模型,从左到右分别是1号位,2号位,3号位,4号位(简记符为3-1、3-2、3-3、3-4);中层有四个车位,共有三个车盘,可停放三辆汽车模型,从左到右分别是2-1车盘,2-2车盘,2-3车盘;下层有四个车位,共有三个车盘,可停放三辆汽车模型,从左到右分别是1-1车盘,1-2车盘,1-3车盘。
●按键显示板的外形如图所示:
绿色指示灯亮表示相同位置的车盘内没有停放车辆;红色报警灯亮表示车库1层1至4号位有车辆进出。
手动指示灯亮,表示当前状态由控制柜内单片机控制,通过薄膜按键可以控制车盘左右移动和上下升降,按按键奇数次为起动,偶数次为停止;自动指示灯亮,表示当前状态由PLC控制,用户可以通过自编程序控制车盘左右移动和上下升降。
●信号控制板的外形如图所示
●信号接口板(PLC接口板)各输入输出端口的功能如下表所示
信号输入
西门子
三菱
欧姆龙
功能作用
I00
I0-0.0
X0
0.00
连3-1停车信号,有车辆停入时为低电平信号,无车辆停入时为高电平信号。
I01
I0-0.1
X1
0.01
连3-2停车信号,有车辆停入时为低电平信号,无车辆停入时为高电平信号。
I02
I0-0.2
X2
0.02
连3-3停车信号,有车辆停入时为低电平信号,无车辆停入时为高电平信号
I03
I0-0.3
X3
0.03
连3-4停车信号,有车辆停入时为低电平信号,无车辆停入时为高电平信号。
I04
I0-0.4
X4
0.04
连2-1停车信号,有车辆停入时为低电平信号,无车辆停入时为高电平信号。
I05
I0-0.5
X5
0.05
连2-2停车信号,有车辆停入时为低电平信号,无车辆停入时为高电平信号
I06
I0-0.6
X6
0.06
连2-3停车信号,有车辆停入时为低电平信号,无车辆停入时为高电平信号
I07
I0-0.7
X7
0.07
连1-1停车信号,有车辆停入时为低电平信号,无车辆停入时为高电平信号。
I08
I1-1.0
X10
0.08
连1-2停车信号,有车辆停入时为低电平信号,无车辆停入时为高电平信号。
I09
I1-1.1
X11
0.09
连1-3停车信号,有车辆停入时为低电平信号,无车辆停入时为高电平信号。
I10
I1-1.2
X12
0.10
连3-1车盘上升到位信号,车盘上升到顶端时为低电平信号,没有到顶时为高电平信号。
I11
I1-1.3
X13
0.11
连3-2车盘上升到位信号,车盘上升到顶端时为低电平信号,没有到顶时为高电平信号。
I12
I1-1.4
X14
1.00
连3-3车盘上升到位信号,车盘上升到顶端时为低电平信号,没有到顶时为高电平信号。
I13
I1-1.5
X15
1.01
连3-4车盘上升到位信号,车盘上升到顶端时为低电平信号,没有到顶时为高电平信号。
I14
I-1.0
X16
1.02
连2-1车盘上升到位信号,车盘上升到顶端时为低电平信号,没有到顶时为高电平信号。
I15
I-1.1
X17
1.03
连2-1车盘左移到位信号,当车盘向左移动到2层1号车位时为低电平信号,没有到位时为高电平信号。
I16
I-1.2
X20
1.04
连2-1车盘右移到位信号,当2-1车盘向右移动到2层2号车位或2-2车盘右移到2层2号车位时为低电平信号,没有到位时为高电平信号。
I17
I-1.3
X21
1.05
连2-2车盘上升到位信号,车盘上升到顶端时为低电平信号,没有到顶时为高电平信号。
I18
I-1.4
X22
1.06
连2-2盘右移到位信号,当2-2车盘向右移动到2层3号车位或2-3车盘左移到2层3号车位时为低电平信号,没有到位时为高电平信号。
I19
I-1.5
X23
1.07
连2-3车盘上升到位信号,车盘上升到顶端时为低电平信号,没有到顶时为高电平信号。
I20
I-1.6
X24
1.08
连2-3车盘右移到位信号,当车盘向右移动到2层4号车位时为低电平信号,没有到位时为高电平信号。
I21
I-1.7
X25
1.09
连1-1车位下降到位信号,当3-1车盘或2-1车盘下降到1层1号车位时为低电平信号,没有到位时为高电平信号。
I22
I-2.0
X26
1.10
连1-
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