立体车库总体设计

PAGEI摘要立体车库最早诞生在国外，是国外大多数国家用以停车的一种高科技智能式立体停车场，具有很多的优点。针对我国城市存在的停车问题，修建立体车库是目前解决此问题的一个最有效方法。但国内的立体车库在控制系统和性能方面有很多的不足，其控制速率较为缓慢，且不利于用户的操作。因此，设计出既能提高存取车速率、减少用户操作时间，又能方便操作管理的立体车库，对立体车库的发展有重大意义。为有效解决上述问题，不仅需要从控制车位数量、提高停车空间的利用率等方面改进，还需要有先进的控制系统和监控画面设备来进行管理操作。本文的设计立体车库，其主要控制硬件采用了先进的可编程控制器(PLC)，监控画面采用了最新的MCGS组态软件进行画面操作与管理。并用基于PLCS7-300的编程软件编写程序和进行仿真模拟，通过上位机与下位机的配合控制，实现车位在空间位置上的变动，使车库具有自动化控制能力。经设计与调试后，本文设计的立体车库控制系统控制性能强、操作简单，能满足人们存取车的基本需求。这不仅有利于当前社会交通建设的发展，也为今后立体车库多方向的发展提供了一个有效的参考。关键词：立体车库；可编程控制器；MCGS；S7-300AbstractThestereogaragewasfirstborninforeigncountries.Itisahigh-techintelligentstereoparkinglotusedforparkinginmostcountries.Ithasmanyadvantages.BuildingastereogarageisthemosteffectivewaytosolvetheproblemofparkinginChina'scities.However,thedomesticstereogaragehasmanyshortcomingsinthecontrolsystemandperformance,anditscontrolrateisslow,whichisnotconducivetotheuser'soperation.Therefore,designingastereogaragethatcanimprovetheaccessspeed,reducetheuser'soperationtime,andfacilitateoperationandmanagementisofgreatsignificancetothedevelopmentofthestereogarage.Inordertoeffectivelysolvetheaboveproblems,itisnotonlynecessarytoimprovethenumberofparkingspacesandimprovetheutilizationofparkingspace,butalsorequiresadvancedcontrolsystemsandmonitoringscreendevicesformanagementoperations.Thedesignofthestereogarageinthispaper,themaincontrolhardwareusesadvancedprogrammableLogiccontroller(PLC),themonitoringscreenusesthelatestMCGSconfigurationsoftwareforscreenoperationandmanagement.TheprogrammingprogrambasedonPLCS7-300isusedtowritetheprogramandsimulatethesimulation.Throughthecooperationcontrolbetweentheuppercomputerandthelowercomputer,theparkingspaceischangedinthespaceposition,sothatthegaragehastheautomaticcontrolability.Afterdesignanddebugging,thestereogaragecontrolsystemdesignedinthispaperhasstrongcontrolperformanceandsimpleoperation,whichcanmeetthebasicneedsofpeopletoaccessthecar.Thisisnotonlyconducivetothedevelopmentofcurrentsocialtransportationconstruction,butalsoprovidesaneffectivereferenceforthedevelopmentofmulti-directionalgaragesinthefuture.

Keywords:StereoGarage;ProgrammableLogicController；MCGS；S7-300

PAGEI目录1绪论 11.1课题研究的背景和意义 11.2立体车库国内外研究及应用现状 21.2.1立体车库国外发展现状 21.2.2立体车库国内发展现状 31.2.3立体车库的发展趋势 41.3立体车库的分类 41.4本文主要研究内容 82立体车库总体设计 102.1立体车库的总体结构设计 102.2立体车库的系统结构设计 102.3立体车库工作流程 112.3.1存车过程 112.3.2取车过程 122.4本章小结 123立体车库控制系统的硬件设计 133.1硬件选型 133.1.1PLC选型 133.1.2检测部件的选择 143.1.3驱动电机的选择 143.1.4变频器的选择 163.2系统硬件的通信 173.2.1上位机与下位机通信 173.2.2下位机与变频器的通信 183.2.3下位机与编码器的通信 193.3本章小结 194立体车库控制系统的软件设计 204.1PLC接口分配 204.2PLC接线设计 214.3PLC程序设计 224.3.1参数设置 224.3.2程序编写 234.4PLC仿真运行 244.5组态系统设计 254.6调试结果分析 274.7本章小结 275结论 28参考文献 29PAGE211绪论1.1课题研究的背景和意义随着我国城市化建设的高速发展和城市人口数量的增加，城市建设和交通建设的矛盾越发地明显，尤其是城区内找不到停车位的问题最为严重。中国拥有庞大的机动车数量，其机动车数量增长速率已位居世界前列，并且增长速率还在不断上升中。据相关统计结果表明，进五年来我国机动车保有量持续上升，如图1-1所示。到2018年全国小型载客汽车和家用汽车的数量已经达到3.9亿辆，比2017年增加4000万辆，增长了10.26%。图1-1近五年汽车保有量情况机动车数量的增加不但引起了停车困难、交通拥堵等一系列问题，还严重阻碍了我国城市建设的发展。机动车数量的激增的同时也产生许多问题，如汽车停泊困难，交通阻塞等。我国人口较多，停车行业也还处于初级阶段，即使有更多更大的停车场，没有科学的设置和管理，也难以满足大量车辆的停放要求。在一些大城市，土地资源越来越来紧张，由于停车设备的严重不足，路边停车，绿化带停车的现象时有发生，给城市交通管理带来了巨大麻烦。停车位紧缺是城市交通建设急需解决的问题。虽然国家在停车场所和停车管理方面进行了大量的投入，但由于人们早期对停车需求认识不足，在城市规划时对停车设施考虑不够，多为简单的平面式停车场，停车泊位的现状和规模都已无法满足当今社会的需求[1]。基于这一社会形势，立体车库这一新型停车库应时而生。立体车库是一种放置车辆的机械式储运设备，通过机械结构搭建的主机架配以电气控制系统，可以实现出车库车辆停放的自动控制。与传统的停车库相比，立体车库有着自己独特的优势，有自动化智能控制、土地及资源利用率高、占地面积小、车位多等特点[1]。立体车库的产生，可以大大提高空间利用率，在处理停车难和土地资源紧张等问题上有着显著的优势，对推动我过城市现代化建设也有很大的帮助作用。也对进一步推动车库行业的发展，满足人们对高品质生活水平的追求，也有着十分重要的现实意义[1]。1.2立体车库国内外研究及应用现状1.2.1立体车库国外发展现状立体车库最早起出现在欧洲。20世纪时欧洲工业的繁荣发展带动了汽车行业的进步，也因此诞生了最原始的立体车库。立体车库的发展在欧洲已经有60多年，欧洲国家对于停车设备研究和生产的时间也比较早，其中尤其是意大利Sotefin、Interpark、德国Palis公司发展比较好。欧美国家人口较少，土地资源相对富余，对停车设备的需求量也不是很大[2]，没有太多的停车弊端。在欧美国家大多以巷道堆垛式、多层升降横移式立体车库为主[3]。日本在欧洲立体车库发展之后也开始研究立体车库，发展的时间也较早，至今已有40多年的研究历史。这主要与日本的工业技术先进、地域狭小、人口密集，相应的市场需求较大有关。此外汽车行业的发达也为推动立体车库的发展起到了很大的帮助。日本研究立体车库多年，在研究立体车库上已经积累了大量的相关的经验，其中以垂直升降类、垂直循环类为主的立体车库技术更是越发先进。此外日本的一些研究者已经开始进行更为科学的相应竖式自动立体车库的研究。日本从事立体车库设备开发、制造相关的企业多达二百多家，发展较好的公司有新明和、石川岛、三菱重工等[3]。虽然韩国研究立体车库时间略晚于日本，但也研究发展了多年。韩国在引进日本技术时也努力拓展研发自己的自动化停车设备，经过多年本土化的发展，于90年代开始在本国内大量应用。由于在发展过程中得到了韩国用户的支持和国家的高度重视，韩国各式立体车库都得到普遍开发和运用，一些更先进的立体车库也不断地被研发出来，并以30%左右的速度持续生长着。现在韩国机械停车设备处于稳步发展阶段。发展较为著名的大公司有现代集团、LG公司等，这些公司目前已经发展至海外。总体来说国外立体车库的发展有几个特征：一是能将停车设备与先进技术相结合，时刻保持停车设备技术的时效性。外国的车库行业每研发一个新的先进机电技术成果便能快速应用和植入到车库产品中，确保车库系统产品的更新换代，使车辆存取速度、存车数量、安全措施等性能越来越好。二是更多重视停车系统设备的经济效益和性价比能力，厂家在生产产品时根据国内形势和用户使用情况进行生产，一方面能让厂家知道如何降低车位和提高产品性能，另一方面又能保障停车设备的性能质量[3]。1.2.2立体车库国内发展现状我国在新中国后也开始发展汽车工业，并在改革开放后进入快速发展的阶段。但我国在立体车库行业的研究要晚于其它国家，从开始研究和诞生第一台机械式停车设备距今也才二三十年。在这二三十年里发展尤为缓慢，每年全国生产销售和安装的机械式停车设备还不到1000个。我国大多城市还在使用缺陷众多、车位数量少、管理繁琐的普通停车库，优点多的立体车库反而还没有得到有效推广。不过由于经济的快速发展和汽车领域的进步，购买中小型汽车的家庭用户也越来越多，普通车库的缺点逐渐显现出来，人们又开始对立体车库有了更多的关注。我国立体车库行业发展也经历了几个重要的历程。首先是从上世纪80年代中期开始的立体车库的尝试研发阶段，于1988年在北京修建第一座升降横移式立体车库，由于当时科学技术的不成熟，产品主要是依据用户的特定需求开发设计，产品种类较为单一。第二个历程为引进和合作历程。从90年代开始，中外贸易的加强，促使了国内外合资企业的诞生，国内开始引进用国外停车设备进行研究使用，设备类型逐渐增多，各种先进且性能优良的机械式停车设备在我国北京、大连、天津、上海、深圳等大城市建成。第三个历程为拓展创新的历程。进入21世纪后，我国企业为避免过多依赖外国企业，不断设法提高自身的竞争力，于是在引进技术的同时也不忘结合国内外形势进行自主改造和创新，走上自主研发的道路。经过多年的研究和发展，到目前为止我国立体车库停车设备自主生产率已高达90%，并且还出口到其他国家。近年来，随着人口和汽车数量的增多，城市停车困难的问题越发严重，促使着立体车库停车设备技术快速进步。2011年，全国机械式停车设备累计泊位数突破100万个，2013年突破200万个，2015年突破300万个，2016年突破400万个，机械式停车设备行业迎来高速发展阶段[4]。尽管我国在立体车库领域取得了很多成就，但仍有很多待解决的问题。虽然国内修建立体车库的数量逐年上升，但在如何节省修建成本、如何进行自动化管理、如何选择控制方案等很多方面仍然需要考虑。在技术方面，如何合理利用车库系统技术，如何加强车库监控系统的控制和管理能力，如何节省车库的修建、维修费用等诸多方面还需要更多的研究探索。1.2.3立体车库的发展趋势通过观察分析中外立体车库的研究和应用现状，目前立体车库已经在结构设计越来越规范，控制性能也越来越完善，逐渐开始应用于车辆密集且车位紧张的场所[5]。随着科技的创新和高新技术的出现，新型的控制器和最新的电机拖动技术极大的提升了立体车库的运行速度，先进的智能的控制技术不断提高着立体车库控制系统的自动化能力，立体停车库的优点越来越明显[6]，现在新发明创造出的立体车库已经具备的优点有操作简便、适应力强、较强的控制能力等等[7]。在将来，随着立体车库的普及，立体车库也将会朝着更加经济实惠的方向发展。总之，智能立体车库作为一种立体式、智能化的车辆存储运输系统，集机械传动、自动控制、计算机等高新技术为一体[8]。各种高新技术的不断研发创新，立体车库在向管理智能化、控制自动化、环境复杂化、设计专业化、通信网络化、交互人性化的趋势发展，不难预测在不久的将来，立体车库将具有巨大的市场潜力、发展空间和应用前景[9]。1.3立体车库的分类立体车库作为目前解决全球城市停车困难的一个最有效设备，从诞生以来出现了不同类别的立体车库。目前为止，按照国际标准根据其工作形式和结构的不同来划分可将立体车库可以分为以下8种类型：垂直升降式：该类车库特点：空间使用率最高，单个车库位的面积可以容纳几十个立体车位。图1-2垂直升降类机械式停车设备平面移动式：该类车库特点：可建在地上，也可建在地下。每一层都有一个升降台，车辆出入快，车辆容纳多，使用更加方便，但易受强磁场的干扰。图1-3平面移动类机械式停车设备巷道堆垛式：该类车库特点：堆垛机可安装在巷道内，载车板在上运作的同时也在执行行走操作。图1-4巷道堆垛类机械式停车设备垂直循环式：该类车库特点：虽然有着占地小、智能化控制、能单独建立的优点。但该车库最为主要的缺点是耗能较大。每存取一辆车，所有的车就要跟着运行一遍，每一组车位数越多耗能就越高。因为没有检修通道，没有防火喷淋设施，万一出现故障会造成巨大的问题。不适合推广和大范围的使用。图1-5垂直循环类机械式停车设备多层循环式：该类车库特点：在上世纪较为流行，虽然设置相对简单，但消耗过大，其中一辆车运作时，车库内所有车辆都会跟着移动，存取较为麻烦，不满足现在社会倡导的节能环保要求，所以已经被大多生产厂家淘汰。图1-6多层循环类机械式停车设备水平循环式:该类车库特点：同多层循环式车库类似，设置简单，但能量消耗大，在运作时都有的车辆都要移动，不符合现在社会的倡导节能环保要求，也被社会淘汰。图1-7水平循环类机械式停车设备升降横移式：该类车库特点：有很快的存取速度，用户操作也较简单，是目前用得较多的形式之一。其制造成本也少，比较容易满足人们的需求，但容错率低，维修价格较高。图1-8升降横移类机械式停车设备简易升降式:该类车库特点：经济实用，没有太复杂的控制系统设计，且没有严格的修建需求。适合建立在人数较少的住宅区、乡镇等。但缺点是数量少，不适合人多时使用。图1-9简易升降类机械式停车设备1.4本文主要研究内容基于以上几种车库形式，本文经过比较，垂直升降式立体车库不仅具备具有占地小、资源利用率高、建造灵活、安全可靠、操作便捷、维修方便、性价比高等优点，而且该类型车库也是市场使用率最高的一种，具有良好的市场前景，也比较适合我国近阶段的国情。因此，本文将垂直升降式立体车库的形式来设计立体车库，采用电梯式布局，重点探索该升降式立体停车设备控制系统主要部分的硬件、软件的设计，并分析设计该停车设备的存取原理和总体结构设计。立体车库停车设备将使用可编程逻辑控制器来实现车辆的智能存取，采用上位机对车库停车位状态进行监控，这样不仅凸显车辆存取操作的便捷性、简单性，而且还能实现了整个立体车库真正智能化控制。论文各章节具体内容如下：第1章：简述了目前我国的交通发展问题和研究立体车库的重大意义；还介绍了立体车库分别在国内外的发展；最后通过介绍各种立体车库的类型确定了本文的主要研究内容。第2章：本章将对立体车库的总体设计进行介绍，并设计其系统结构，然后描述本车库控制系统的工作流程。第3章：系统的硬件设计。本章通过对比选择了可编程逻辑控制器来控制整个系统，并对部分重要元件如变频器、电动机等进行了选型。最后还进行了系统硬件的通信。第4章：本章为车库软件部分的设计。软件设计是为本文重点研究的内容，主要包括PLC的接口分配、硬件的接线方法和程序设计，以及MCGS监控组态设计，并利用PLC软件自带的仿真器和监控组态完成了系统的仿真调试过程。第5章：总结全文，介绍全文设计过程，并阐述本次论文设计有待改进的地方，并对未来立体车库的发展做了一个展望。

2立体车库总体设计2.1立体车库的总体结构设计本文设计的立体车库以安全为原则主要采用坚固且不易氧化的复合金属“钢”材料来设计主体框架，以焊接方式进行固定，主体框架结构满足工业设计的主要要求和规范。本文以4层8车位为例设计立体车库。车库为双面结构，包含两个停车区域，每区各有4个停车位。中间为一个升降台，负责将车运放到指定位置。车库外部总体结构图如图2-1所示。图2-1车库总体结构示意图升降装置为车库运作过程的重要部分，本设计主要采用电机驱动钢丝绳的方式来运行升降台，车辆存取时，通过电机工作使钢丝绳驱动升降台，升降台到达停放层后，通过横移装置完成车辆的存取。设计采用钢丝绳驱动不仅能提高立体车库存取效率以及安全性，且钢丝绳驱动运行相对较为平稳，车辆提升的速度较快。横移装置采用叉梳横向存取的方法来停放车辆，车辆可通过车库间的库位中的叉梳与升降台中的叉梳的交错运动来实现车辆的存取。这种方法的关键是库位叉梳与升降台叉梳之间无运动干涉，简化了立体车库的升降装置，在井道中就能够将车辆存取，从而降低立体车库建筑高度，减少立体车库的建设成本[10]。2.2立体车库的系统结构设计整个立体车库的控制系统主要包括两部分：上位机的操作与监控系统和下位机的PLC控制系统。其中，上位机主要连接立体车库的操作面板、显示屏、语音提示等，通过可编程控制器将控制命令输入到车库；下位机PLC接受上位机和车库信息，以及连接和执行元件。控制系统主要组成框图如图2-2所示。图2-2立体车库的控制系统主要构成控制系统可由网络、上位机、PLC和现场操作机构构成，以PC机为核心，配备有操作按钮、指示灯和语音提示等。上级总线控制机或网络、操作面板、读卡设备等都是可选部分[11]，为进一步扩展内容，具体扩展内容需要结合车库大小和实际需求做出相应的选定。如果车库的规模足够大，我们可以用一个PLC控制一个车库单元，多个PLC共同构成多点结构的局域网。还可以考虑配备操作面板、触摸屏和IC卡磁卡机等来实现智能化自动控制[11]。2.3立体车库工作流程2.3.1存车过程用户存车时，首先需通过刷卡验证身份信息，然后通过车库外的操作面板查看车库是否有空停车位。若有停车位则向立体车库输入存车的控制命令并选择车辆需要停放的位置，选择好停车位并后等待升降台的到来。当升降台降到指定位置时，车库门开启，用户按照提示将车驶入升降台并停放好，然后离开车库按存车确认键确认存车，车库系统则自动车停放到指定位置，存车过程结束。车辆存车过程如图2-3所示。图2-3车辆存车过程图2-4车辆取车过程2.3.2取车过程用户取车时，具体操作同取车类似，也需要刷卡验证身份后取车，刷卡时车库系统会自动读取用户对应的存车位信息。待用户确认取车后，升降台将车辆运送到零层，用户等待车库门打开后，将车驶出，库门自动关闭，取车过程结束。车辆取车过程如图2-4所示。2.4本章小结本章主要介绍了立体车库的总体结构和设计了用户存取车时操作的工作流程。首先画出了本文设计的车库的外部结构，即确定车库的大小、停车数量和各部分装置，接着介绍了其控制系统结构和存取车流程，为后文的系统软硬件设计提供支持作用。

3立体车库控制系统的硬件设计3.1硬件选型在立体车库中，其主要的硬件设施包括主控制器PLC、支持系统运作的电动机、检测和反馈信息的检测部件传感器、对通过调节电机工作电源频率调速和提供过载保护的变频器设备。立体车库的性能与控制系统的性能有密不可分的关系，控制系统最大作用是确保相应车库的各种传感器控制开关能够正常工作，并且保障车库换向设备、车位提示灯等都能可靠运行，以防出现故障。除此外还要控制整个车库的运行并完成相应存取车的操作和能够实现存取车之外的其它相应功能的操作。目前国内外市场上有很多类型的控制系统，其中以可编程控制器(PLC)、单片机（Microcontrollers）、继电器(Relay)为主的控制器在立体车库控制系统中使用率较多。都各自存在一定的优缺点。继电器控制是传统的控制器，能耗比较大、设备损坏率较高并且维护麻烦，虽然单片机控制虽然优点很多，但是它的抗干扰能力弱、设备损坏率较高并且扩展不方便。可编程控制器控制虽然成本可能相对单片机较高，但经过长期发展,不仅对环境要求不苛刻,质量好,便于检测维修,易于开发，而且有很强的抗干扰能力、维护起来也较方便，还能简单快捷的和其它单元连接，在各种控制系统中使用较为广泛。因此本文设计过程中结合时代形式和市场需求，以及可编程控制器的优点，选择了可编程控制器为本次设计的立体车库的主要控制系统。3.1.1PLC选型PLC在选型要注重它的机型、I/O模块、通信性能等，要根据具体控制系统情况和需要实现的相关功能来选择PLC型号。需要从处理器个数、I/O点数、CPU存取器性能等方面进行综合的考虑[12]。一台PLC有多少个I/O口、存储器的大小、处理器处理的速度快慢、使用的编程语言、存储器的种类和数量、通讯能力、是否配有智能模块是衡量其性能指标高低的主要因素。本课题依据所设计的车库规模大小和市场价格，选择了德国西门子公司生产的S7-300系列PLC。S7-300是德国西门子公司生产的PLC产品，可满足中等规模控制要求，具有分布式配置和高成本、电磁兼容、抗振性能强等特点，可配不同档次的CPU，可以扩展多达32个模块，能根据具体需求来进行合理的扩展[13]。此外还具备有强的通信功能，能满足本车库系统设计的要求。S7-300主要包括中央处理器和电源、接口、通信模块等部分。其通信模块插口可以插入数字量和模拟量输入输出模块，可起到相应数据传输的作用，为实现系统功能给予一定支持帮助。还可在设计时根据相应功能需要进行选择，各种模块主要是通过背板电缆连接起来，组成一个整体[13]。S7-300PLC系列有很多种类的CPU，为了满足本次设计规模程序量的实际需求，本文选用了CPU314C-2-DP型CPU。该类型CPU可用于有大规模程序量应用的需求。相比313和315型，314型带有集成功能和MPI,PROFIBUSDP主/从接口。能将PROFIBUS-DP接口作为拓展功能使用。既能作PROFIBUS主站，也能作PROFIBUS从站，在PROFIBUS网络中能拓展高达126个站点[14]。3.1.2检测部件的选择按照立体车库相关功能对于检测信息采集等方面的实际需求，立体车库检测设备需要检测整个车库工作过程中各环节适时反馈，以完成相应的工作。传感器需要具备长距离检测和近距离检测的能力，能够检测车库状态是否符合立体车库停放要求、升降台操作是否正确等。在本文中涉及到的传感器主要是车位状态的传感器和车外侧传感器，安装在控制面板和库位内，用于检验用户操作是否正确和车库内升降系统装置是否到位。因为传感器接近开关与所检测的横移装置距离较近，检测更可靠。本文主要选择光电传感器，感应车库相应位置的操作，光电传感器检测后通过发射器和接收器反馈信息到上位机，通过上位机完成下一步的操作。用压力传感器检测属于接触测量，能快速完成长距离的检测和相应反馈动作。3.1.3驱动电机的选择驱动电机是立体车库控制系统中驱动系统运行的动力设备，通过将电能转换成为机械能为系统提供动力。驱动电机若按照工作电源种类可分为直流电动机和交流电动机。交流电动机比直流电动机少一个换向器，因此交流电机结构更加简单，制造也较简单，但其内部设置较为牢固，适合于做成大电流、大容量和高转速、高电压的电机。目前市场中主要采用的是交流电机驱动。交流电动机按品种分类又可细分为异步电动机和同步电动机。异步电机比之同步电动较容易安装、使用，不仅价格便宜而且有较高的运行效率和较好的工作特性，不管在什么情况下都能以稳定的速度运行，能满足中小型机械系统的传动要求。电动机按额定功率大小分类还可分为单相电动机和三相电动机，与单相电动机相比，三相电动机结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜。结合以上内容考虑，本系统从经济方面和车库需要中小型功率电机方面最终选定了交流三相异步电动机。在本立体车库控制系统当中主要应用的三相异步电动机为曳引电机和横移电机，横移电机使用一台24极的电动机，曳引电机使用一台双绕组6极的电动机，两台交流电动机的总频率为12.5KW，分别负责升降装置和横移装置的运动。升降装置就是电机控制升降台上下移动，横移装置则是电机负载车辆的左右移动。两台电机都是采用直接启动的方式，通过主控制器的输出端口的变化来操作电机的启停。两台电机的操作方式和功率计算如下：（1）曳引电机。曳引电机可以通过变频器进行控制来实现对升降台的驱动，一般而言，曳引电机主要在立体车库顶层进行安装，控制着升降装置的启动、制动、加速和减速等，直接关系到立体车库在车辆存取方面的效率。对于曳引电机的选择，需要结合曳引电机的容量进行。曳引电动机功率的计算方法如3-1所示：PYQv(1)（3-1）102*i在上式当中，PY是指曳引电机的功率；Q是指额定载荷；v是指曳引电机的提升速度；是指平衡系数；是指曳引机械的效率；i是指曳引比。假设车库内可停放车辆的最大限重为2000kg，升降台自身重约500kg，因而额定载荷为2500kg；曳引电机提升速度设为1m/s；平衡系数取0.6；曳引机械效率设为0.9；曳引比为1.0。按照公式（3-1）进行计算，可知曳引电机的功额定率为11KW（10.893KW）。（2）横移电机。在本系统中用交流三相异步电动机来作为横移部分的驱动电机，横移电机主要是对库内横移装置的驱动，主要设置在立体车库每层的停车位当中。假设在本车库中存取车的速度设置为20-25m/min，停车位横移装置在进行车辆操作时要移动到升降通道当中，待与升降台完成操作交换后返回停车位。在这个过程当中，停车位横移叉梳需要完成一次车辆运载和一次空载，横移电机则需要满足车辆运载的驱动功率。按照25m/min的横移速度，横移电机的功率约为1.409KW（1.5KW），因而，横移电机将选择额定功率为1.5KW的电机。3.1.4变频器的选择(1)异步电动机调速方法：三相异步电动机的转速公式为n(1s)60f/p（3-2）在三相异步电动机的转速公式中，n表示电机转速；s表示转差率；f表示交流电源频率；p表示磁极对数。根据公式(3-2)可以得知，对于三相异步电机的调速可以通过三种方法进行：第一，对s（转差率）进行调节。可以通过调压调速、转子串电阻调速以及电磁转差离合器调速等方法实现对s（转差率）的调节。第二，通过调节电机交流电源频率f实现对电机转速的调节，具有相对较高的效率，能够在较广的范围进行应用。第三，对p（磁极对数）进行调节。用调节电机定子绕组接线方式的方法实现变动电机定子极对数，从而达到调节电动机的速度的目的。异步电动机在变频器的速度调节系统中的优点为：异步电动机在调速时不会改变其转差率，不仅能容易控制调速，还能将效率达到最大，这些都是将来电动机在调速领域的重要发展方向。（2）变频器的选择：变频器主要是指通过变频技术对电机工作电源频率进行调节实现控制电机转速的设备[15]。本文选用了西门子公式生产的MicroMaster440变频器（MM440），西门子MM440系列变频器为多功能的通用型变频器，其特点是功能性强，灵活性高，可进行矢量控制，满足驱动装置的调速要求，广泛应用于微主站和变速驱动装置中。可以输出一定量的电压用作控制信号从而改变变频器的转速[15]。输入西门子MM440系列有多种型号，根据本系统电机配置采用其中的D型规格，能进行三相交流电压输出。在此控制系统中，主站控制器可编程控制器PLC通过PROFIBUS总线网络完成对控制信息的处理，然后驱动变频器，并据此来调节载车板的升降[16]。西门子MMM440的具体接线方法如下图3-1所示：图3-1变频器的基本接线方法3.2系统硬件的通信3.2.1上位机与下位机通信在系统的整个控制系统中，上位机与下位机需要通信方式来连接，在本文中计算机、监控设备、操作设备等上位机设备与PLC间的通信主要采用MPI通信方式通信。MPI是常用于数量较少的站点间的通信的网络，MPI物理层采用了RS-485通信接口标准，负责下位机和上位机间的短程通信。S7-300系列的CPU带有的MPI编程口和通信口，通过PROFIBUS电缆和接头连接，然后与上位机编程口通过MPI电缆连接实现。在西门子S7-200、300、400系列PLC上都集成着PS-485通信接口，能作为MPI连接使用的通信接口，也能作为编程接口来使用。计算机可通过MPI接口接入到MPI网络，用MPI网络不仅能让PLC与系统中存在的几个设备通信，下位机也可以通过MPI网络实现同各设备之间的通信[17]。图3-2MPI网络结构3.2.2下位机与变频器的通信一般而言，在控制系统中下位机有三种方法实现对变频器的控制，第一种是与PLC输出端一起接变频器，这种连接方式能快速响应，因为变频器中的多功能端子具有多道速的能力，但这种方法不能调速；第二种是连接变频器的通讯接口，用编程通信的方法来控制管理，虽然有了调速的能力，但是抗干扰能力较弱，易受外界影响；第三种是通过数模转换模块把上位机同变频器模拟量控制端子进行连接，从而控制变频器。因为本文所选用的CPU314-C-2-DP集成有PROFIBUS-DP接口，所以在本系统中下位机与变频器间的通信可通过PROFIBUS进行通讯，这样不仅能达到调速的目的，还节省了模块。PROFIBUS通信（ProcessFieldbus）是一种国际通用性的开放式现场总线标准，也是当前国际上最通用的现场总线之一[18]。在实际通讯时，通过PROFIBUS-DP总线连接PLC和变频器，PLC作为主站，变频器作为从站。其中主站间通过令牌方式通信。PROFIBUS-DP的设备中含有三个从站，分别为DPM1、DPM2和DP。其中PLC属于DPM1，具有交换信息和控制总线通信网络和管理的能力[18]。MCGS设备、上位机、控制设备等属于DPM2，主要作用是形成系统配置，是系统中监视工程的重要组成。主站与从站间的工作方式为主-从方式[18]。具体过程如图3-3所示。图3-3PROFIBUS-DP令牌总线循环过程3.2.3下位机与编码器的通信一般而言，下位机PLC与编码器通讯可以通过使用编码器模块来实现通讯，但本文已经选择PROFIBUS作为下位机和变频器之间的主要通讯，因而在本系统中下位机同编码器间的通讯也选择PROFIBUS通讯方式。3.3本章小结本章主要对车库控制系统的硬件进行了设计。首先选定了S7-300PLC为主控制器，然后对系统检测部件、电机和变频器进行了选型。在此基础上对各部分硬件的通信方式和连接方法也进行了描述。4立体车库控制系统的软件设计4.1PLC接口分配根据PLC、检测部件、电机、变频器等部件型号的选择，结合本文设计车库需实现的功能需求，需对PLC输入、输出口的地址进行分配，分配结果如表4-1、表4-2所示：表4-1输入口分配操作名称地址操作名称地址1车位按钮2车位按钮3车位按钮4车位按钮5车位按钮6车位按钮7车位按钮8车位按钮1车位传感器2车位传感器3车位传感器4车位传感器5车位传感器6车位传感器7车位传感器8车位传感器I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.71车位外侧传感器2车位外侧传感器3车位外侧传感器4车位外侧传感器5车位外侧传感器6车位外侧传感器7车位外侧传感器8车位外侧传感器存车取车确定取消载车板传感器速度接触传感器过载保护I2.0I2.1I2.2I2.3I2.4I2.5I2.6I2.7II3.0I3.1I3.2I3.3I3.4I3.5I3.6表4-2输出口分配操作名称地址操作名称地址横移电机升降电机1车位指示灯2车位指示灯3车位指示灯Q4.1Q4.2Q5.0Q5.1Q5.24车位指示灯5车位指示灯6车位指示灯7车位指示灯8车位指示灯Q5.3Q5.4Q5.5Q5.6Q5.74.2PLC接线设计在硬件接线时，根据输入点和输出点的数量本文分别采用了西门子公式的SM321输入模块、SM322输出模块。1、数字量输入模块SM321在工作时能将车库运行时发出的数字信号转变成PLC识别的内部信号。在车库设备中的输入元件，只需要使用开关触点[19]。本次设计中涉及32个输入点，所以选择带有32点输入接口的SM321。2、数字量输出模块SM322具有将PLC的输出信号传递于使用者输出设备的作用，使PLC内部的低电平信号改变成外部所需要的电平输出信号。本次设计中，数字量输出驱动的主要是指示灯和电动机共涉及10个输出点，同时考虑到安全性等特性，故选用16点继电器输出可直接驱动接触器220V的数字量输出模块SM322。硬件接线图如图4-1所示:图4-1硬件接线图4.3PLC程序设计本文在设计PLC存取车控制系统的程序仿真时采用了西门子公司的STEP-7编程软件编程仿真，用于该公司系列工业控制的产品如SIMATICS7、M7的编程及参数设置。该软件具有强大的编程、测试、诊断等功能。具备含有STL(语句表)、LAD(梯形图)、FBD(梯形图)三种相互转换的基本编程语言，本文主要采用其中的LAD梯形图语言进行程序的设计。4.3.1参数设置编程前首先建立一个新项目，建立SIMATIC300站点，选取CPU类型，添加编程的OB模块，如图4-2所示。然后对系统相应参数设置，控制程序采用梯形图语言编写，电源使用380三相交流电，PLC部分采用S7-300的314C-2-DP型可编程序控制器。参数设置如图4-3所示。图4-2建立新工程图4-3S7-300的314C-2-DP型可编程序控制器参数4.3.2程序编写本程序主要使用通过STEP7软件的梯形图语言编写程序，打开选择的程序编辑块OB1组织块开始进行编程。程序中首先编写了存取车时所用到的自锁按钮程序和编写了“确定”按钮的自锁程序，然后编写了车停好后按钮的自动复位程序和复位与存车进行的机械互锁程序。之后编写了升降电机的启动程序、传感器的联动程序和速度传感器与载车板传感器的联动程序；还有车位外侧传感器工作时，触发对应车位指示灯的程序；当外侧传感器动作横移电机停止时，内侧传感器动作横移电机启动程序；各车位在取车时，车位外侧传感器动作车位指示灯亮，车移出灯灭的程序；最后编写了当取车后到达最底层时该车位的指示灯熄灭的程序。具体编写的程序梯形图如附录中所示。4.4PLC仿真运行当编程结束后，需对程序进行仿真运行，打开SIMATICManager软件编程的仿真器，插入程序对应输入变量和输出变量，本系统有4个IB位的输入变量，2个QB位的输出变量，下载完程序后点击“RUN”按钮开始运行。首先进行存车过程的仿真。载车板传感器动作（连续），准备存车，首先按下1号车位按钮（点动），然后按下“存车”按钮（点动）；接着按下“确定”后（点动），升降电机启动运行；当1号车位传感器动作后，升降电机停止运行，横移电机启动；最后当1号车位外侧传感器动作，1号车位指示灯亮表示车已停好。存车过程结束，传感器依次复位。其过程结果如图4-4所示。4-4存车过程仿真模拟然后进行取车过程的仿真。载车板传感器复位后，可以准备取车；首先按下“取车”按钮（点动）；然后按下“确定”按钮（点动）；接着按下“1号车位按钮”（连续），升降电机开始启动运行；1号车位传感器开始动作时，升降电机停止运行，横移电机启动运行；在车移出车位后，1号车位传感器复位，横移电机停止，升降电机运行；在速度接触传感器动作后，电机停止动作，车位信号灯熄灭；松下“1号车位按钮”即可取车驾驶。取车过程结束。其过程结果如图4-5所示。4-5取车过程仿真模拟4.5组态系统设计组态系统的完成过程和监控画面的设计：在立体车库控制系统当中，需要有监控画面，也就是要有人机交互画面来让用户直观地对立体车库操作运行。MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)组态软件有简单灵活的操作画面、监控设计简单、画面感强等诸多优点，因此本系统拟采用MCGS组态监控软件来实现用户的人机交互操作[20]。MCGS组态有五个部分，分别为主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略[20]，如图4-6所示。要建立一个新的组态工程，就要对这五部分进行相应的设置。首先设置主控窗口和设备窗口，主要作用是设置构件属性和连接设备通道，建立相应串口父设备和子设备。然后在用户窗口设计相应的用户操作画面，本文设计的立体车库的操作画面如图4-7所示。在设计用户窗口时，要对窗口中出现的按钮、图片、指示灯等输入输出变量进行相应的属性设计，包括响应输入方式属性、填充颜色属性、响应动画属性等。在设计完监控画面后，对系统和用户窗口中的输入输出变量要将其添加到实时数据库内，实时数据库如同PLC的地址分配，可根据PLC地址分配设置实施数据库。数据分配完后，还需要建立运行策略，在运行策略中已经有系统建立的启动策略、退出策略、循环策略，需对其进行脚本程序编辑才能使用。除此之外，还可以添加新的策略行。在脚本程序编辑时，本文主要运用了MCGS的汇编语言程序中内置的类C/Basic语言，程序编写较为简单，直观。在编写完程序后且无错误后，即可下载过程并进入到运行环境中，组态软件会自动检测系统有无错误，并给予提示和警告。打开MCGS模拟运行环境即可进行存取车操作。在实际操作时，用户可直接根据监控画面中设置好的的提示，自行完成存取车的操作。图4-6建立MCGS组态工程4-7用户存取车操作画面4.6调试结果分析在PLC仿真中存车的过程按键都是自锁，按键完成后需要手动复位，而速度接触传感器的工作原理是：当快要接触到物体时速度在短时间内降为零，当取车完毕后，该车位上的灯会自动熄灭。在监控仿真中，由于个人技术的局限性，横移装置和升降装置并不是自动触发，而是需要人为的点击，但在仿真过程中能直观地向别人展示升降系统和横移系统的工作工程。还有也没有制作出三维的动画效果，升降系统和横移系统也只能用提示灯代替，没有完成最终的横移和升降动画过程。总之，两个仿真过程都能实现基本的存取车过程，基本功能算是实现了。但总体目标要求只有一点没有达到，由于个人能力有限和本文中用到的两个软件厂家权限的设置，没能将仿真软件和监控组态软件结合起来，也无法完成实物的仿真操作。4.7本章小结本章主要完成了系统的软件设计。主要完成了PLC仿真和监控仿真，包括接口分配、接线设计、程序设计，仿真运行等，完成了立体车库的基本过程，最后还对中仿真过程中存在的问题做了调试分析。

5结论本文设计立体车库控制系统目的是缓解当前社会上停车不方便的问题，本文根据现市场较为流行且方便使用的垂直升降式立体车库设计了其控制系统，优化了其控制方案。具体研究内容和设计过程如下：（1）确定了本文设计设计的立体车库形式，并详细介绍了该系统的内外结构，采用复合金属材料设计外部结构，升降装置用电机驱动钢丝绳的方法驱动，用叉梳式结构设计横移装置，还为系统思考设计出其合理的工作流程。（2）基于车库控制形式，本文确定了以PLC为主控制器的立体