【机械设计制造及其自动化】全自动立体停车库控制系统设计

本科毕业设计论文GRADUATIONDESIGNTHESIS完整源代码及整套相关文件QQ68661508，完整电路设计图纸，程序设计源代码请联系本人，参见豆丁备注和信息。HTTP/WWWDOCINCOM/LZJ781219题目全自动立体停车库控制系统设计学生姓名指导教师学院机电工程学院专业班级机械1103本科生院制2015年6月全自动立体停车库控制系统设计摘要本文设计了一种垂直升降式立体停车库，其机械部分主要采用小车作为横移装置，用举升机实现载车板交换，用曳引系统完成垂直升降；车库共8层，每层2个车位，共14个车位。本文的重点在于立体车库控制系统的设计。控制系统采用PLC作控制器，利用变频器进行调速，用各种接近开关作检测装置。用功能分析的方法设计了详细的控制方案、检测方案，并进行了车库的安全设计。对低速定位原理进行了数学分析，得出平方反比规律。提出变频器分时驱动两台电机的思路。完成对主要元器件的选型，设计了控制系统的主电路，PLCI/O电路和变频器接线电路。用顺序控制的方法设计了PLC控制程序，提出监控软件的界面设计。设计了控制柜的元件布置图，完成控制柜的柜体结构设计。关键词立体车库横移小车控制系统PLC变频器控制柜DESIGNOFANAUTOMATICSTEREOGARAGECONTROLSYSTEMABSTRACTTHETHESISDESIGNSVERTICALLIFTINGSTEREOGARAGE,OFWHICHTHEMECHANICALPARTADAPTSAVEHICALASTHESIDESLIPPINGEQUIPMENT,AHYDRAULICLIFTERTOEXCHANGETHECARCARRYINGBOARD,ATRACTIONSYSTEMTOLIFVERTICALLYTHEREARE8FLOORSINTHEGARAGE,TWOPARKINGSPOTSONEACHFLOORAND14PARKINGSPOTSALTOGETHERTHETHESISEMPHASIZEONTHECONTROLSYSTEMOFSTEREOGARAGETHECONTROLSYSTEMADAPTSPLCASTHECONTROLLER,THEFREQUENCYCONVERTERASTHESPEEDREGULATOR,PROXIMITYSWITCHASTHESENSORWITHTHEMETHODOFFUNCTIONANALYZING,DESIGNSPECIFICCONTROLANDSENSINGANDSAFETYSOLUTIONSANALYZETHEPRINCIPLEOFLOWSPEEDPOSITIONINGMATHMATICALLYANDFINDTHEINVERSESQUARELAWPROPOSEANIDEAOFTIMESHARINGDRIVINGWITHONECONVERTORSELECTMAINEQUIPMENTSANDDESIGNTHEPOWERCIRCUITANDTHECONTROLCIRCUITOFPLCANDCONVERTORDESIGNTHECONTROLPROGRAMOFPLCUSINGTHESEQUENTIALCONTROLMETHODANDDESIGNTHECONTROLANDMONITORINTERFACEDESIGNTHELAYOUTOFELEMENTSOFCONTROLCABINET,TRYTHESTRUCTUREDESIGNKEYWORDSSTEREOGARAGESIDESLIPPINGVECHICALCONTROLSYSTEMPLCFREQUENCYCONVERTERCONTROLCABINET目录第1章绪论111研究背景及意义112国内外发展概况113立体车库的种类214本文研究的内容3第2章总体设计及控制系统方案设计421立体车库总体方案4211立体车库类别及基本参数4212主功能原理设计4213立体车库的技术参数7214车库总体布置图722控制系统总体方案8221控制系统功能分析8222曳引控制方案设计8223横移控制方案设计14224举升控制方案设计15225安全设计17226控制系统总体结构方案19第3章控制系统电器选型及电路设计2131主电路设计21311动力电路21312直流供电电路23313辅助电路23314断路器设置23315接地2332电气设备选型24321执行电器选型24322变频器选型24323PLC选型26324变频器选件选型27325接近开关选型27326设备和器件清单2833PLCI/O接口电路设计2934变频器电路设计30第4章控制柜设计3241控制柜元件布置图设计3242控制柜结构设计3343电源指示及控制面板设计36第5章软件设计3751控制软件流程图设计3752控制软件程序设计42522自动程序总体设计方法42523自动程序的调用及结构设计思路42524与变频器的通信4453监控软件界面设计44第6章结论45结束语46参考文献47附录48全自动立体车库控制软件程序48第1章绪论11研究背景及意义随着经济的快速发展，人们的生活水平逐渐提高，对汽车的需求量也逐渐升高；同时，汽车工业的蓬勃发展使得其价格被越来越多的人接受。于是，城市汽车保有量逐年增加，且势头越来越猛。然而，汽车保有量的提高在方便人们出行，提高生活质量的同时，也带来了一系列问题。除了造成交通拥堵外，停车难问题也越来越严重。目前我国各主要城市在停车设施的建设上远远落后于道路建设和汽车工业的发展，然而城市用地本身就比较紧张，通过建造大量传统的平面车库来缓解停车难问题是不现实的。因此，在停车难问题与越来越突出，土地面积有限的情况下，立体式车库开始得到人们的重视。与传统的平面停车库相比，立体车库具有以下优势（1）节约土地资源。这是立体车库的最大优势，由于将停车位向上部空间发展，故在停车面积相同的情况下，立体车库的占地面积将大大减少，提高了土地利用率，特别适合土地资源紧缺的城市区域。（2）方便和高效由于立体车库往往只有少数入口，故省去了找车位的麻烦。同时由于立体车库存取车由机械设备完成，司机的停车任务变得简单方便。（3）安全立体车库停车区域集中，因此方便集中统一管理，且大部分时间车库封闭，车辆被盗或损坏的风险大大降低。（4）投资效益明显由于提高了土地利用率，车库的土地成本大大减少，同时车库管理方便，自动化程度高，人工费用也大大减少，其综合效益高于平面车库，在城市中心区域尤其如此。（5）改善市容环境。12国内外发展概况上世纪50年代，机械式立体车库在欧洲一些发达国家，如德国、意大利取得较大发展，但由于欧洲人口较少，土地资源并不十分紧缺，停车问题并不突出，故应用并不广泛1。60年代，日本开始研究立体车库。由于日本人口较大，且国土面积较小，故应用非常广泛，同时研究立体车库的企业较多，产品种类也比较丰富。70年代，韩国开始研究立体车库，其技术主要源于日本，现已发展较成熟。我国台湾由于土地面积较小，停车问题也较突出，于70年代从日本引进技术，80年代开始自主开发，现在技术也比较成熟，应用较广。我国城市停车行业从80年代末起,经过十几年的发展,现在形成了一定的规模,但是还处于初始发展阶段,车库建设尚在起步阶段,在一些大城市中机械化车库仍然是空白2。从总体来说，我国立体车库发展还处于初级阶段，面临着一系列的问题和挑战（1）机械设备故障率较高（2）存取车效率较低，停车等待时间较长（3）车库的安全性有待提高，包括车辆、人员和设备（4）车库的自动化程度不够高，需要较多人为确认和操作（5）车库种类较少，层数较低13立体车库的种类立体停车库按其自动化程度可分为自行式立体停车库、半自动立体停车库和全自动立体停车库。根据立体停车停车方式的不同又可分简易升降式、升降横移式、垂直升降式、垂直循环式、平面移动式、巷道堆垛式等1。（1）简易升降式简易升降机械式借助升降机构或俯仰机构存取汽车。其特点是停车设备的结构简单、操作方便，适用于私人住宅、小区、企事业单位等；可以增加二倍以上的停车位。但是车库的受力状况较差，限制了车库向高层发展，只适和小规模应用。（2）升降横移式采用模块化与集成化的设计，配置灵活，规模可随意设置，建设方便，成本低廉，同时消防，外装修，基建等投资比其他类设备少，适用于各种场合。这种设备目前占到了市场份额的70以上。缺点每组设备必须留空车位实现车辆的移动，设备的安全性还有待提高。（3）垂直升降式通过装在升降机上的横移机构将车辆或载车板横移，实现存取车辆的机械式停车设备。这种车库往往可以修建多达2025层，停放4050辆车，而占地却只有几辆车大小的面积，土地利用率最高。广泛应用于在城市的中心区域及人口车辆密集区域。这种停车设备造价高昂，结构复杂，存取车耗时较长。14本文研究的内容本课题设计了一种垂直升降式立体车库，其机械部分主要特点为采用小车作为横移装置，用举升机实现载车板交换，克服了叉架结构的一些缺点；用类似电梯的曳引系统完成垂直升降。本文的主要研究对象为上述车库的控制部分，具体如下1立体车库总体设计对立体车库主功能进行功能分析，功能原理求解，提出立体车库的主要参数2控制系统方案设计对立体车库曳引、横移、举升、安全功能进行功能分析和方案综合，提出控制方案，检测方案的细节。提出变频器分时驱动两台电机的思路。对低速定位原理进行了数学分析，得出平方反比规律。最后提出控制系统总体结构。3控制系统电器选型及电路设计电气设备和元件的选型，主电路、PLC的I/O电路，变频器接线电路设计。4立体车库控制系统控制柜设计控制柜电气元件布置图设计，控制柜结构设计5立体车库控制系统软件设计控制软件流程图设计，控制软件程序设计，监控软件界面设计。第2章总体设计及控制系统方案设计21立体车库总体方案211立体车库类别及基本参数本文设计车库为垂直升降式立体车库，具体为纵向并列车位型电梯式立体车库，如图。本文设计车库基本参数如下（1）适停车辆尺寸及质量本文设计立体车库适用于T组及以下车辆。组别代号汽车长车宽车高/MM质量/KGX4400175014501300Z4700180014501500D5000185015501700T5300190015502350C5600205015502350K5000185020501850（2）存容量14辆（3）单车最大进出时间60S212主功能原理设计立体车库相对与一般车库的主要特点是将停车位向竖直空间延伸，从而大大增加土地利用率，因此，其主功能是车辆搬运。对于电梯式立体车库，其搬运车辆功能可分解为三垂直升降、水平横移、载车板交换。图21立体车库示意图表21立体车库适停车辆尺寸及质量（1）垂直升降功能原理设计由于电梯式立体车库垂直升降高度较高，故参照一般电梯的成熟技术，采用钢丝绳曳引方式，车辆置于一轿厢内，通过曳引绳连接到曳引机，从而实现垂直升降。（2）水平横移功能原理设计一般采用多级叉架进行水平横移，但这种方式有以下缺点1需设计复杂的多级叉架结构；2当叉架伸出时，叉架悬空，仅由轿厢支撑，为一悬臂梁结构，为承受车辆载荷，势必导致叉架结构尺寸较大，同时具有使轿厢侧翻的倾向，故需对轿厢进行可靠固定3实现两个方向的横移较困难。所以，本文在此提出一种横移小车方案。即在轿厢内设有一横移小车，车辆停放于横移小车之上，小车在轿厢和车位的导轨上运动，实现车辆的水平横移。图22主功能分析图图23曳引系统示意图相对于叉架式，横移小车具有结构简单，受力状态良好，易实现两方向横移的优点。（3）载车板交换功能原理设计车库停车时，车辆先是停在轿厢中，而最终车辆需要停放到车位上，载车板就是为了实现车辆停放位置在轿厢与车位之间变换功能的一个构件。本文采用叉梳式载车板结构。车位上的载车板和横移小车上的载车板为叉梳式结构，且在竖直方向上，前者的梳齿正好与后者的梳齿缝隙重合，后者从高位下降到前者下面的同时，即完成了载车板的交换，车辆停放到了车位上。车库取车过程与之类似。载车板交换的关键是实现载车板竖直位置的变化。由于本文采用小车横移，故采用在小车上装举升机的方式，完成载车板上下运动，从而实现载车板的交换。其中，载车板交换的原理如27所示。图24横移小车示意图图25车位载车板结构图26横移小车上载车板结构213立体车库的技术参数1层高3M2层数8层3时间分配及速度曳引往返最大时间43S横移往返最大时间11S举升往返最大时间6S曳引额定速度1M/S横移额定速度05M/S举升额定速度01M/S（4）定位精度曳引定位精度10MM横移定位精度20MM举升定位精度10MM214车库总体布置图根据课题要求，现设计车库的整体结构，其布置图如图28图27载车板交换原理图28车库总体布置图22控制系统总体方案221控制系统功能分析对立体车库控制系统进行功能分析如图所示，本文重点在车辆搬运和安全保障功能上，下面对此做出设计。而车辆搬运属于运动系统，其一般功能结构如下图222曳引控制方案设计1性能要求（1）平层精度10MM横移小车顺利横移的前提是轿厢中导轨和车位中导轨基本齐平，如果两导轨竖直位置相差过大，则横移过程将会产生较大冲击，对设备寿命造成影响。故在此提出平层精度要求。（2）速度额定速度1M/S。（3）加速度限制1M/S2。由于曳引系统是以钢丝绳和曳引轮之间的摩擦力为动力驱动的，若加速度过大，会发生打滑，对钢丝绳产生损害，甚至发生事故，故对曳引加速度做出限制2。图29立体车库控制系统总体功能分析图图210运动系统功能结构图2功能分析及方案综合首先将曳引功能分解为四个功能元，同时列出了其对应的功能载体，如下表21所示。曳引功能元功能载体定位控制低速定位位置闭环驱动与执行位置闭环直流调速交流变频调速变频调速控制方式V/F控制无速度传感器矢量控制有速度传感器矢量控制检测装置接近开关旋转编码器（1）定位控制由于曳引额定速度较高，VE1M/S,且制动加速度A限制在1M/S2以下，若直接高速制动，定位精度难以保证，显然是不可取的，必须采用一定的定位控制方式。首先介绍低速定位方式。如下图所示，A为减速点，BC段为低速运行段，C为制动点。低速定位的基本思路是在到达定位点之前减速至一较低速度，在接近定位点时制动，由于制动前速度较低，故制动过程迅速，制动距离很小，具有一定精度。理论上其制动前速度越低，其定位精度越高。这种定位方式的优点是控制过程简单，对设备控制性能要求低，特别适合定位点固定，且定位精度要求不太高的场合，故被广泛使用在电梯和起重机的定位中4。其次是位置闭环定位控制。这是自动控制系统中常用的定位控制方式，往往具有较高的定位高度，且定位速度较快。但相对于低速定位方式，其对控制设备要求较高，且控制过程复杂，适用于要求较高的场合。基于以上分析，低速定位方式无疑是一种既能满足性能要求，且简单经济的定位方式，故本文采用低速定位方式。低速定位精度分析表21曳引功能方案综合图211低速定位原理示意图理论制动距离（21）实际制动距离（22）令V的波动率为,A的波动率为制动距离变化量（23）（24）（25）由于KA较小，将近似为A,定位误差（26）A1M/S2时,（27）由此可知，定位误差以二次方关系随着速度降低而减小。取，则DS03,V1M/S,DS03MV05M/S,DS75MMV025M/S,DS1875MMV01M/S,DS3MM故当V025M/S时，即调速范围D4时，基本可满足定位精度要求。（2）驱动与执行A交流双速电机。三相异步电机N060F/P交流双速电机调速原理是通过改变磁极对数P,从而改变N0实现调速，此种调速方法较简单经济，但一般调速范围在4以下，参考一般电梯交流双速电机驱动，定位误差在30MM左右2，故要实现预期调速要求较困难。同时，交流电机启动电流较大，对电网形成冲击，需要相应的启动电路或装置。B直流调速电机。直流电机调速性能优异，调速范围大，调速装置简单，但其换向器结构复杂，可靠性较低，需要定期维护。C交流变频调速。交流变频调速的基本原理是改变电机电源频率F,从而改变N0实现调速。三相笼型电机由于结构简单，可靠性高，在工业中应用广泛，同时变频调速技术发展的发展已比较成熟，故交流变频调速技术已经在工业应用中逐渐普及，其调速性能可以与直流调速媲美。但变频器的价格比较高，调速成本不低。首先为了保证满足调速要求，放弃交流双速电机方案。考虑到系统的可靠性和维护成本，决定采用交流变频调速方案。综合以上分析，选用变频器为驱动装置，三相笼型异步电机为执行装置。（3）变频调速控制方式常用的变频调速控制方式可分为三种，现分别介绍如下AV/F控制。包括基本V/F控制和各种补偿控制，其特点是控制算法相对简单，在基频以下，一般其调速范围最大可达10，其缺点是载荷过小时，由于补偿算法的缺陷，容易出现过励磁4故不适用于载荷变化较大的场合5。同时由于V/F控制基于电机的静态模型，故其调速的动态性能较差。B无速度传感器矢量控制。矢量控制基于电机动态模型，将交流电机等效为直流电机，得到静态，动态性能均较好的调速效果。无速度传感器矢量控制利用对电压电流等的检测，通过推算的方法得到近似的电机转速，相比转速开环的矢量控制，能在一定程度上提高调速性能，由于省去了测速装置，故在对调速性能不太高的场合得到广泛应用，其调速范围一般可达20C有速度传感器矢量控制。即直接通过测速装置获取电机转速，相对于推算的方式，其精度更高，故性能更好，常用在对调速静态动态性能较高的场合,调速范围在20以上，是一种高性能的调速方式。已知曳引系统额定载荷为25T,设车辆质量在13T25T之间变化，曳引系统中对重平衡的重量是轿厢重量加50额定载荷，即对重可平衡掉125T的车辆质量，因此曳引系统净载荷变化范围为005T125T,载荷变化很大，可以说出现了空载状况，故V/F控制难以胜任。由于立体车库曳引系统对调速性能要求并不太高，故无速度传感器矢量控制已经足够。综合以上分析，本文选用无速度传感器矢量控制作为变频调速的控制方式。（4）检测装置曳引控制主要包括定位控制和选层控制，对应的需要一定的检测装置。A定位控制检测。根据上述对定位控制的介绍，主要需要两个信号减速信号和制动信号；为了防止偶然因素引起的定位偏差过大，还可增加一平层检测，用以检测轿厢位置是否在预期范围内。不难发现，以上检测量均为开关量。B选层控制检测。立体车库的选层相对于电梯选层较为简单，其选层控制具体为从一楼到达某楼层，或者从某楼层到达一楼，选层控制的核心是对楼层位置的检测。由于耧层位置固定，故对楼层位置的检测亦为开关量检测。接近开关是利用电子信号检测物体接近的开关量传感器，检测装置较为简单且较为可靠。旋转编码器位置检测精度较高，可以作为连续量的检测。将旋转编码器装在曳引电机上，可以建立立体车库竖直位置坐标系，形成位置闭环11,完全可以胜任上述检测任务。但其结构较为复杂，且安装较为麻烦。综合以上分析，本文以简单经济为原则，选用接近开关作为检测装置。3控制方案细节1加速启动阶段，可通过设置变频器加速时间来控制加速度；2高速运行阶段，FH可由变频器设置，在此设为50HZ，对应曳引速度VH1M/S3减速阶段，可通过设置变频器加速时间来控制减速度；4低速运行阶段，FL可由变频器设置，在此设为5HZ,对应曳引速度VL01M/S5制动阶段，由变频其控制制动，为电气制动，可通过设置变频器加速时间来控制制动加速度；A开始启动，方向可由变频器直接控制；B加速完成；C开始减速，首先由检测装置确认已到达目的楼层，再由检测装置产生减速信号；D减速完成；E开始制动，由检测装置产生制动信号；F制动完成需要指出的是，由于本问设计立体车库曳引系统采用蜗轮蜗杆减速器，具备自锁能力，故不存在一般电梯曳引或起重设备中存在的“溜钩防止”问题4，即开始启动时和制动完成时驱动系统和制动器配合的问题，制动器的主要作用是在紧急状况下快速制动。所以，只要保证启动前制动器已松开，制动完成后制动器才合闸即可，因此正常情况下制动器不参与制动，损耗非常小，维护成本较低。图213制动与定位检测示意图图212控制方案细节图示4检测方案细节由于低速定位时曳引速度VL01M/S，理论制动距离5MM,定位误差DS3MM，相对于定位精度要求10MM小很多，故考虑将制动信号与定位检测信号合二为一，即将制动信号产生点作为定位检测的起点。具体如下如图所示，当从下往上曳引时，到达A点开始制动，轿厢停止时若位置在A、B范围内，则定位准确，否则定位错误；从上往下曳引时与之类似。其检测装置布置示意图如下图214所示。曳引时，先由右侧的选层控制挡块判断是否到达楼层，再由左侧的定位检测挡块控制定位。223横移控制方案设计1性能要求（1）定位精度20MM（2）额定速度05M/S（3）加速度限制1M/S2图214曳引检测装置布置示意图2功能分析及方案综合横移亦属运动系统，其功能元及方案与曳引相似，在此只做必要的分析和区分。（1）定位控制由前文的定位误差分析得，横移运动A1M/S2，V05M/S,DS75MM，超过横移定位精度要求，故在此采用和曳引相同的低速定位方式。（2）驱动与执行横移的调速完全可以采用交流双速电机，但考虑到曳引已经使用了变频调速，且曳引和横移运动不可能同时进行，故在此提出同一台电机分时驱动曳引和横移电机的方案。下面对分时驱动的可行性做出简单分析首先变频器选型的主要依据是电机最大电流，故只要以曳引和横移电机电流中较大者为选型依据即可。其次一些变频器具有同时存储多组驱动和控制数据组的功能，只要在使用时切换到对应数据组即可分别完成控制。因此分时驱动的方案应当是可行的。横移变频控制方式可以选择V/F控制或矢量控制，均可满足要求，为简单起见，选择V/F控制。（3）检测装置横移运动主要是从轿厢移动到车位，或从车位移动到轿厢，故主要控制内容为定位控制。与曳引类似，在此选择接近开关为检测装置。（4）控制方案细节与曳引类似，不同之处为FH25HZ,对应横移速度05M/S，FL5HZ,对应横移速度01M/S。（5）检测方案细节与曳引类似，将制动信号与定位检测信号合二为一。图215变频器分时驱动示意图所以，横移检测装置的布置图如下图所示。224举升控制方案设计（1）性能要求1定位精度10MM2额定速度01M/S（2）定位控制由前文的定位误差分析得，A1V01M/S,DS3MM,故只需要正常制动即可达到精度要求。（3）驱动与执行拟采用液压举升装置，实现举升运动，结构简单，且液压汽车举升机的技术已比较成熟，可加以参考，减小设计难度。故举升控制系统的执行装置为液压阀。下图为某液压汽车举升机原理图。图216横移检测装置布置图（4）检测装置采用接近开关作为举升上下位置到位检测信号。（5）控制方案细节举升控制过程如下举升A电机通电，泵空载启动；B延时3S；C1YA，2YA，4YA通电。停止A1YA，2YA，4YA断电；B3分钟后电机断电。下降控制过程如下下降A电机通电，泵空载启动；B延时3S；C1YA，3YA，5YA通电。停止A1YA，3YA，5YA断电；B3分钟后电机断电。（6）检测方案细节向上运动时，收到接近开关信号，则制动；向下运动亦然。图218举升检测装置布置图图217某液压汽车举升机原理图225安全设计（1）功能分析对安全功能分析如下人的安全主要通过库门和补偿板，实现。库门在车库机械系统运行时关闭，防止人的进入，从而防止事故；补偿板是轿厢在一楼时与载车板互补的构件，两者互补后在一楼形成完整地面，防止危险发生。库门和补偿板均涉及机械装置，故与车和设备的安全一起分析，统称为运行安全。对运行安全功能分析如下（2）功能求解电气安全方面，主要在电路设计部分考虑，详见第三章；本文对库门、补偿板和举升系统只做概念设计，故在此不加求解；机械安全方面，横移、曳引、举升的到位联锁保护通过检测装置检测位置和软件联锁完成，详见第五章；横移、曳引、举升的动作联锁可通过电气联锁和软件联锁完成，详见第三章和第五章。1曳引安全图219安全功能分析图图220运行安全功能分析图主要参考电梯曳引系统的机械安全进行设计。超速保护和冲顶或撞底保护主要参照电梯设计，属于机械部分，本文不加讨论。在此主要讨论超载保护和端站保护。A超载保护可通过安装在绳头组合中的接近开关进行检测，如上图所示，本文只采用一个称重传感开关。B端站保护参照电梯端站保护，主要包括强制减速开关，强制平层开关和极限开关2。当正常减速或平层检测故障时，强制减速、平层开关发挥作用，起到双重检测作用，保证曳引系统正常运行。但上述检测均失效时，极限开关动作，控制曳引系统停止。其布置如下图所示。2横移安全车位有车保护是防止在车位有车时、将车辆存入同一车位，从而避免事故发生。图221超载检测示意图图222终端保护装置布置图在此设计在轿厢上安装一光电开关，完成对车位是否有车的检测，极限保护参考一般设备极限保护，在此不加讨论。226控制系统总体结构方案本文设计立体车库主要为开关量控制，且对运动控制要求不高，属于小型系统，故选用西门子S7200PLC作为控制器；考虑到立体车库操作需要丰富的人机界面，同时需要一定的管理功能，也为了节省I/O点数，采用PC机作为上位机，负责车库的管理和控制系统的控制和监视10。PLC与变频器采用通信方式连接，简化硬件电路，同时可完成丰富的控制功能。S7200一些CPU模块具备两个RS485通信接口，正好可满足与PC上位机和变频器的通信。变频器采用西门子MM440通用变频器，其功能丰富，具备矢量控制功能，且相对专用变频器成本较低。图223横移车位有车检测示意图图224控制系统总体结构图第3章控制系统电器选型及电路设计31主电路设计311动力电路动力电路主要包括变频调速系统主电路，曳引电机制动器电路，举升系统动力电路。1变频调速系统主电路变频调速系统的主电路可分为三个部分电源输入电路、到电动机的输出电路、制动电路。（1）输入输出电路主体功能设计A保护功能现代数字式变频器本身具备较完善的保护功能。以电动机温升模型为依据的过载保护能够为电动机提供优于常规热保护的电子过载保护、这个保护功能同时也部分保护了变频器自身；逆变器教热片温度保护功能为变频器自身提供了完善的过载保护，因为变频器自身过载总是要反映在逆变器件的温度升高上；输出电压和相序都受控于变频器电源缺相只影响直流部分，电动机并不缺相工作，因此不需要一般意义上针对电动机的过电压、欠电压、缺相和逆相序保护，针对直流母线电压的过电压和欠电压保护保证逆变器处于正常的工作条件；瞬间电流超限保护主要是针对逆变器件的，但同时也就为输出线路和电动机提供了短路保护4。故外部电路上的保护主要为后备短路保护，本文采用空气断路器作为后备短路保护元件，防止变频器内部短路保护失效时事故扩大。考虑到变频器的过载能力一般为150，1MIN,为了防止误动作断路器额定电流为变频器额定电流。B电源控制和切换功能设计采用接触器作为电源控制器件。由于采用分时驱动方式，故需考虑变频器输出切换功能。在此采用接触器完成切换功能，考虑到电机运行时接触器切断电流会产生过电压，对逆变器件造成损害，故不允许在电机运行时切断接触器。同时为了防止两接触器同时接通，两台电机同时运转而造成事故，需设计电气互锁，详见本章33节。输入接触器选型可按照AC3负载选型；输出接触器负载为AC3类别，但由于不承担切除负载电流功能，只需考虑电流通过能力，故可按AC1负载选取4。（2）主电路抗干扰设计参考一般工程应用的变频调速系统主电路抗干扰设计，在此采用输入电抗器抑制变频器输入侧谐波干扰，提高功率因素。（3）制动电路设计变频电气制动电路主要有三种形式能耗制动、直流制动、回馈制动5。其性能和特点如下图所示电气制动种类制动方式功率/KW用途能耗制动消耗在制动电阻上50一般要求的制动设备，制动转矩不平衡有冲击，有低速爬行可能直流制动动能变电能产生制动转矩50100要求平稳无冲击，停车准确回馈制动动能变电能回馈电网100高低速交叉，正反转交替由于本文曳引系统采用低速平层的方式，故对制动转矩要求不高，且系统功率相对较小，故采用能耗制动方式。能耗制动利用电阻将电机回馈的能量消耗掉。能耗制动电路主要涉及制动电阻阻值、功率，制动单元功率、控制方式。对于功率不太大的变频器，制动单元集成在变频器内部，故不需考虑制动单元功率、控制方式。制动电阻阻值限制了最大制动力矩，主要与变频器额定电流和直流回路最大电压有关，一般可按变频器厂家推荐的选择。制动电阻功率决定其消耗回馈能量的能力。负载分析曳引系统为位能负载，当向下曳引时，重力势能全部回馈给变频器，功率较大；横移系统为反抗性负载，功率较小，且只在制动时有能量回馈给变频器，与曳引相比可忽略不计。变频器负载周期分析如图图31变频器负载分析图表31变频电气制动性能特点图制动电阻功率P（25215/60）KW896KW（31）另外，设置在制动回路上设置热敏开关，当制动电阻过载时，热敏开关动作，由PLC控制切断变频器电源，详见本章33节。2曳引电机制动器电路由于本文设计立体车库采用成套曳引机，其自带电机制动器驱动电路，故控制部分只需设计其电源开关即可，在此采用接触器控制其电路通断。3举升系统主电路主要分为电机和阀两部分。电机电路比较常规，不再赘述；液压阀部分，由于YA2、YA4同时通断、YA3与YA5同时通断，故分别用同一个继电器的不同触点控制。312直流供电电路直流供电电路主要为PLC为核心的控制电路供电。由于交流电网中存在着大量的谐波、雷击浪涌、高频干扰等噪声6，由于电网电压瞬间变化较难监测,这些干扰在同一供电回路传播是十分难于克服的。为提高整个系统的可靠性和抗干扰能力,需采取一定的干扰抑制措施,PLC控制系统供电系统一般采用隔离变压器、交流稳压器、UPS电源、开关电源等7。在此采用隔离变压器作为直流电路电源的干扰抑制设备。采用24V直流稳压电源作为电源。313辅助电路辅助电路主要包括电源指示和控制电路，维修辅助设备和散热风扇等。将主电路按电压分为三部分380V、220V、24V，对应采用三套电源指示和控制电路，用旋钮开关和接触器实现电源开关。380V电源为总电源，故在其对应电源开关处设置急停开关，用以在紧急情况下切断系统电源。314断路器设置考虑到电路各部分的额定电压电流差别较大，同时也为了防止发生短路时故障扩大，减小损失，故考虑在多个回路中设置断路器。315接地各主要设备的外壳均需可靠接地，防止人为操作时发生触电事故。32电气设备选型321执行电器选型执行电器选择主要属于机械系统设计，在此直接列出参数。曳引电机三相笼型异步交流电机，额定功率P25KW,额定转速N1470R/MIN,额定电流48A,极数P4，额定电压UED380V。横移电机三相笼型异步交流齿轮减速电机，额定功率P4KW,额定电压UED380V，额定输出转速N36R/MIN。曳引电机制动器直流，额定电压110V，额定电流12A。采用常闭式，即在断电时合闸制动，通电时才开闸。防止正在曳引时突然停电造成事故2。举升部分不做具体设计，故举升电机及其电磁阀未加选择。322变频器选型已知电机电压UED380V，曳引电机功率明显大于横移电机，选用其额定电流48A作为选型依据。变频器额定电流应满足5（32）IN11为变频器额定电流，为电机最大电流。IN由于曳引电机主要在额定电流以下运行，故可令，则528A（33）IN11综上以UN380V，为依据，选择西门子MIROMASTER440MM440变IN528A频器额定输出/KW额度输入电流/A额度输出电流/A重量/KG订货号305962206SE64402UD330EB1MM440带有一个RS485接口，可与PLC通信，具备多种V/F控制功能和矢量控制功能，同时具备存储三组驱动和命令数据组的功能，可满足分时驱动不同电机要求。其变频器快速调试参数设定如下表所示。表33变频器快速调试参数设定P0003参数内容默认值设置值说明曳引和横移电机1P0100使用地区00欧洲功率单位KW,频率默认值为50HZ3P0205应用领域00恒转矩2P0300电动机类型11异步电动机1P0304电动机额定电压230400额定电压为400V2P0310额定频率50005000额定频率为5000HZ2P0335电动机冷却方式00电动机冷却方式为自冷图33变频器选型图表32变频器选型表1P0700命令源25COM链路的USS设置1P1000频率设定选择25通过COM链路的USS设定1P1080最小频率000000允许最低的电动机频率1P1082最高频率50005000允许最高的电动机频率1P1120斜坡上升时间1000100电动机从静止状态加速到最高频率所用的时间1P1121斜坡下降时间1000100电动机从最高频率减速到静止状态所用的时间2P1135OFF3斜坡下降时间500050参数发出OFF3命令后，电动机从最高频率减速到静止状态所用的时间2P1500转矩设定值00无主设定值2P1910自动检测方式002P0308电动机功率因素000（数据暂缺）3P0320电动机磁化电流00由变频器自行计算曳引电机1P0305电动机额定电流3254848A1P0307电动机额定功率0752525KW1P0311电动机额定转速014701470R/MIN2P0640过转因子150150电动机过载电流限幅值为额定电流的1502P1300电动机控制方式020无传感器矢量控制横移电机1P0305电动机额定电流325（数据暂缺）1P0307电动机额定功率07544KW1P0311电动机额定转速01470（数据暂缺）2P0640电动机过载因子150150电动机过载电流限幅值为额定电流的1502P1300电动机控制方式01带磁通电流控制的V/F控制涉及变频器驱动数据组切换的设置3P0820DDS位072207220以DIN1为DDS位0的命令源2P0701数字输入1的功能199使能BICO参数化由于未找到通信方式切换变频器驱动数据组的方法，从而分时驱动曳引电机和横移电机，故在此采用数字输入端子1（DIN1）控制数据切换。当DDS位0为0时，切换到DDS1数据组，即为曳引电机驱动数据组；当DDS位0为1时，切换到DDS2数据组，即为横移电机驱动数据组。图32变频器数据组切换示意图323PLC选型如下表所示是PLCI/O分配表，根据PLC点数、输出类型、功能要求等要求，可选用西门子S7200。表34PLCI/O分配表DIDOI00曳引定位开关Q00曳引电机接触器I01指层开关Q01曳引制动接触器I02横移定位开关Q02举升电机接触器I03举升定位开关Q03横移电机接触器I04车位有车开关左Q04变频器电源I05车位有车开关右Q05备用I06上强制减速开关Q06备用I07上强制平层开关Q07备用I10上极限开关Q10向上举升I11下强制减速开关Q11向下举升I12下强制平层开关Q12举升辅助I13下极限开关Q13变频器数据组切换I14横移极限开关左Q14声光报警器I15横移极限开关右Q15备用I16超载开关Q16备用I17制动电阻热敏开关Q17备用I20急停开关I21备用备用由上表可知，输入点数DI17，输出点数DO9，选择输出类型为晶体管型，功能要求通信接口2个，据此选择CPU类型为CPU226；324变频器选件选型由于MM440变频器012KW75KW型号集成了制动斩波单元，故不必另选。其选件主要包括制动电阻和进线电抗器。（1）制动电阻选型在变频调速系统主电路设计部分已分析了制动回路的设计，制动电阻阻值采用厂家推荐值15，但厂家提供的制动电阻功率只有22KW，即使使用两个阻值为8，功率CPUCPU供电数字量输入数字量输出通讯口订货号CPU22624VDC2424VDC1624VDC26ES72162AD230X80表35PLC选型为4KW的制动电阻串联功率依然不够。故只能选择其他厂家的制动电阻。在此不做具体展开。（2）进线电抗器选型选用厂家提供的进线电抗器，订货号为6SE64003CR083ED。325接近开关选型在此将本文涉及接近开关按功能分为三部分定位接近开关、超重检测接近开关、车位有车检测接近开关。（1）定位接近开关选用槽型光电开关，用于曳引定位、曳引选层、横移定位、举升定位检测。选用OMORON的定位用槽型光电开关,信号为E3ZGN11B，重复精度05MM完全可满足定位要求。（2）超重检测接近开关由于绳头组合变形量难以得到，故在此不做选型。（3）车位有车检测接近开关考虑到横移小车在轿厢时与车位中的汽车有一定距离，故选用扩散反射型光电开关，其检测距离较长，可完成检测。具体选用OMRON的E3FADN23型，检测距离为1M。326设备和器件清单表36设备清单表元件型号个数厂家S7200CPU2266ES72162AD230XB01西门子DC24V电源PS207（6EP13321LA10）1西门子MM440变频器6SE64402UD330EB11西门子PC略1制动电阻略隔离变压器ABL6TS16U1施耐德电抗器6SE64003CR083ED01西门子表37器件选清单元件型号个数厂家槽型光电开关E3ZGN11B4OMRON扩散反射光电开关E3FADN232OMRON极限开关HL50008OMRON急停按钮1超载检测传感器略1三位四通换向阀略2二位二通换向阀略1断路器TESYS7施耐德接触器TESYS8施耐德继电器TESYS3施耐德热继电器TESYS2施耐德声光报警器1施耐德风扇维修灯1指示灯2电压表2电流表2旋钮开关3维修插座133PLCI/O接口电路设计PLC的I/O分配表参见表34，在此对电气联锁进行分析，详见图33（1）曳引电机和横移电机联锁主电路设计分析中提到，为了保证曳引电机接触器（KM3）和横移电机接触器KM4不同时接通，对其控制电路设置电气互锁（2）曳引电机和曳引制动器联锁保证曳引电机制动器接触器未动作，即制动器未松开时，曳引电机不通电。（3）横移电机和举升动作连锁PLC电源，输入输出点的电源均由DC24V电源提供。图33PLCI/O接口电路图34变频器电路设计主要分为三部分动力电路，控制电路，通信电路，其中动力部分已在主电路设计中分析，在此不赘述。电路如图34（1）控制电路由于采用通信连接，故其通信电路较为简单，将S7200CPU的Q10端口与MM440的DIN1端口相连即可。该电路主要功能是切换变频器驱动数据组，是笔者未找到对应通信控制方式而采用的权宜之计。（2）通信电路S7200CPU226有两个RS485接口，选择其中的PORT0与MM440的RS485端子连接。采用PROFIBUS电缆进行连接，CPU226端用网络插头连接，MM440端则直接接端子。接线如图。由于是高速通信，故电缆的屏蔽层需双端接地；CPU226的M端与MM440的0V连接为通信口的等电位连接，可以保护通信口不致因共模电压差损坏或通信中断8表38MM440的USS通信相关端子端子号名称功能1电源输出10V2电源输出0V29PRS485信号30NRS485信号表39变频器通信配置参数表P003/P004参数内容默认值设置值说明2/20P2010USS波特率67设置波特率为19200BIT/S2/20P2011USS地址01设置MM440的地址为13/20P2009USS规格化00禁止规格化3/20P2014USS报文的停止传输时间0300USS通道接收不到报文，延迟300MS后将产生故障信号3/20P2012USS协议的PZD长度22PZD（过程数据）长度为2个字3/20P2013USS协议的PKW长度127127PKW长度可变，自行改变USS规格化一旦使能USS规格化，频率的主设定值（PZD的字2）就不能解释为1004000H，而因解释为绝对的数值（例如4000H16384，即16384HZ）,一般采用百分比的方式设置频率，故在此禁止USS规格化。图34变频器接线原理图第4章控制柜设计41控制柜元件布置图设计控制柜内元件尺寸，以下宽X高X深尺寸指器件安装在控制柜中，正面面对控制柜时观察到的尺寸。同一类型元件按其最大元件尺寸给出，故留有一定空间余量。表41控制柜内元件尺寸表元件尺寸（宽高深）/MM个数组合尺寸CPU22619080601DC24V电源9090621MM4402756502451隔离变压器106109811电抗器1791192191断路器551321367385132136接触器1551171186330117118接触器24577842907784热继电制继电器45778431357784接线端子84848数十布置图主要根据以下原则设计1方便操作由于变频器、PLC和断路器，在设备调试和维护时需经常操作，故将其布置在控制柜上部。（2）散热变频器是控制柜内主要的发热器件，故将其布置在控制柜上部，以便其产生热量散出，不影响其他设备。（3）整齐美观，方便安装将功能、外形相似的器件，如断路器、接触器、继电器、接线端子组合在一起，即显得整齐美观，同时方便用统一的导轨安装。考虑到制动电阻的发热量特别大，平均值达9KW，瞬时值可达20多KW，故考虑将其单独单独成柜，以免影响控制设备。根据元件尺寸和布置原则，设计布置图如下42控制柜结构设计由控制柜元件布置图设计中尺寸和布置，设计控制柜的总体尺寸为1800X800X400MM。参照一般控制柜的结构设计，采用角钢框架附上盖板的结构，采用单开门结构，在门外侧安装控制面板，采用板前走线槽的布线方式，电抗器和隔离变压器安装在地底板上，其它电气元件及其连线均安置于安装板上，（1）框架采用焊接角钢直接堆叠焊接结构，只需下料和焊接，加工工艺简单，且比较稳固。图41控制柜元件布置图三段角钢的截面尺寸均为50X50X3MM。（2）盖板包括顶板、侧板、背板、底板，盖板厚度均为2，采用螺栓连接的方式连接到框架上。顶板上开有通风孔，底板上留有空隙，方便通风散热；侧板上开有进出线孔和接地螺栓孔。（3）门采用钢板双折弯结构，用暗式铰链与框架的立柱相连接。图42控制柜框架结构图（4）安装板采用3MM厚钢板，尺寸为1650X750MM（5）安装控制柜底部用四个垫块垫起，以在底部留出通风空间，同时也防止底部螺栓触地。图43暗式铰链与立柱连接图43电源指示及控制面板设计图44电源指示及控制面板图第5章软件设计软件系统主要分为控制软件和监控软件。控制软件由PLC运行，直接处理现场信号输入输出；监控软件由PC上位机运行，提供人机界面，完成控制系统操作输入和状态监视。51控制软件流程图设计垂直升降立体车库的存取车策略一般有三种存车优先、取车优先、原地待命。其中原地待命策略所需时间和能耗最少