基于PLC的立体车库控制系统设计

基于PLC的立体车库控制系统设计摘要本次毕业设计课题为基于PLC的立体车库控制系统设计。机械式车库种类较多，主要有以下形式：升降横移类、垂直循环类、水平循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类、简易升降类等。通过对这些车库类型特点的比拟与分析，选择了三层三列升降横移车库结构为研究模型和设计内容。本设计论述了立体车库的开展与当今现状，论述分析了三层三列升降横移式立体车库的运行原理和结构特点，设计了立体车库的控制系统，并依据其运行原理设计了PLC程序。关键词：立体车库，升降横移式，控制系统，PLC目录1绪论11.1课题的背景和意义11.2课题的关键技术及其国内外研究开展现状31.2.1国外研究现状31.2.2国内研究现状42升降横移式立体车库的机械设计局部62.1立体车库的分类及其特点62.2升降横移式立体车库的工作原理82.3升降横移式立体车库的结构92.3.1升降横移式立体车库的主要构成92.3.2升降横移式立体车库的结构示意122.4升降横移式立体车库中的平安防护装置133立体车库电气控制系统设计153.1电气控制系统整体设计153.2电气系统关键局部设计183.2.1PLC接线设计183.2.2其他资源配置193.3PLC控制程序设计203.3.1PLC的选型223.3.2PLC的I∕O资源配置233.4电气平安装置244升降横移式立体车库监控系统的设计254.1立体车库自动化控制系统254.2基于Wincc的监控系统设计与实现284.1.1Wincc的概述284.1.2监控系统的功能284.1.3Wincc的组态295结论32参考文献33致谢34附录351绪论1.1课题的背景和意义随着我国城市经济和汽车工业的迅速开展，拥有私家车的家庭越来越多，而与此相对应的是城市停车状况的为难。停车问题是城市在开展过程中出现的静态交通〔车辆停放状态〕问题，静态交通是相对于动态交通〔车辆行驶状态〕而存在的一种交通形态，二者相互联系，互相影响，停车设施是城市静态交通的主要内容，随着城市的不断开展，各种车辆的不断增加，对停车设施的需求也在不断增加，如果两者之间失去平衡，城市里就会出现停车难的一系列问题。数据显示，最近几年我国城市机动车辆平均增长速度在15%-20%，而同时期城市停车根底设施的平均增长速度只有2%-3%，特别是大城市的机动车拥有量的增长速度远远超过停车根底设施的增长速度，因此，我们必须重视城市停车难的问题，并积极探求解决的措施。专家们指出，解决城市静态交通问题，大体分为软硬两种措施。所谓软措施，就是通过政策法规，限制路面停车，提高停车场利用效率，使局部车主更愿意改乘公共交通工具，以减少机动车对停车场的需求。而硬措施，主要包括增建停车场，建设地下及立体停车场、利用其它空间满足停车需求。而无论采取什么措施，在规划后再收拾残局，于局限内弥补缺乏，政府和管理部门所需投入得精力和资金都不小。随着人类社会的不断进步和科学技术的开展，人类的生产、生活方式趋于集中，城市的规模越来越大，人们在城市里的生存空间却越来越小，于是出现了要利用空间的理念，城市中开始建设立体建筑、立体交通和立体停车。作为现代大都市的标志，城市中心商住区高楼大厦林立，社区道路、高架交通干道、立交桥和地下铁路，编织出城市立体交通网，汽车的住宅停车场也有了长足的开展，由平面停车向立体停车，由简单的机械车库向计算机管理高度自动化的现代立体停车演变，成为具有较强的实用性、欣赏性和适合城市环境的建筑。伴随着汽车进入家庭，城市动态、静态交通管理制度的不断完善和人们对居住环境要求的提高，给停车产业提供了前所未有开展机遇，停车产业市场前景广阔。作为现代大都市的标志，立体建筑和立体交通都有了显著开展，道路拥挤、车满为患已成为当今快节奏社会中的最不和谐之音，开展立体停车已成为人们的共识。目前我国经济正处在高速开展时期，随着人们生活水平的不断提高，汽车进入家庭的步伐正在加快，停车产业市场前景广阔。机械式立体车库既可以大面积使用，也可以见缝插针设置，还能与地面停车场、地下车库和停车楼组合实施，是解决城市停车难最有效的手段，也是停车产业开展的必由之路。当前，我国许多大城市如北京、上海、深圳都开始大力开展机械式立体停车产业。机械车库与传统的自然地下车库相比，在许多方面都显示出优越性。首先，机械车库具有突出的节地优势。以往的地下车库由于要留出足够的行车通道，平均一辆车就要占据40平方米的面积，而如果采用双层机械车库，可使地面的使用率提高80％—90％，如果采用地上多层〔21层〕立体式车库的话，50平方米的土地面积上便可存放40辆车，这可以大大地节省有限的土地资源，并节省土建开发本钱。机械车库与地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆的平安，人在车库内或车不停准位置，由电子控制的整个设备便不会运转。应该说，机械车库从管理上可以做到彻底的人车分流。在地下车库中采用机械存车，还可以免除采暖通风设施，因此，运行中的耗电量比工人管理的地下车库低得多。机械车库一般不做成套系统，而是以单台集装而成。这样可以充分发挥其用地少、可化整为零的优势，在住宅区的每个组团中或每栋楼下都可以随机设立机械停车楼。这对眼下车库短缺的小区解决停车难的问题提供了方便条件。近年来，随着经济的开展，我国的城市化水平加快和人民生活水平的提高，汽车数量的不断增加。但与此同时，汽车停车场地的增长却不能与之同步，汽车泊位与汽车数量的比例严重失调，由此带来停车难、违章停车、停车管理困难等一系列问题。当以往的路边、人行道上停车、地下或地面停车场均解决不了上述问题时，采用机械式立体停车设备是一个非常有效的措施。机械式立体停车设备又名立体车库，它占地空间小，并且可最大限度地利用空间，平安方便，是解决城市用地紧张，缓解停车难的一个有效手段。国家计委已明确机械式立体停车设备及城市立体停车场为国家重点支持的产业，1998年1月1日起执行的《国家计委6号令》把机械式停车序和立体停车场列入“国家重点鼓励开展的产业、产品和技术日录〞，国家海关总署对机械式停车产品规定“国内投资工程给予免征进口税〞。上述措施为我国立体车库产业的成长提供了良好的条件、也为我国解决城市停车间题提供了时机。可以预见立体车库具有非常广阔的市场前景。1.2课题的关键技术及其国内外研究开展现状1.2.1国外研究现状早在50多年前，立体停车就在国外有所开展，先后出现了针对家庭使用的双层停车设备；利用住宅空地建起2-4层升降横移停车设备；适合城市中心商住区使用的停车楼和停车塔；利用广场、建筑物下面的空间建设地下车库。自70年代末起，世界经济高速开展，汽车逐渐普及，保有量不断增加，迫使地少人多、车多的国家、地区和一些兴旺国家积极开展了机械式停车技术的研究开发和制造应用。以日本、美国、德国等为代表的兴旺国家在停车技术领域的研究处于世界领先水平，韩国和我国的港、澳、台地区的停车业也通过引进--移植制造，得到了蓬勃开展，较好地解决了本地区的停车难，并开始向外输出技术和出口产品。图1-1国外高容量的立体车库目前世界停车产业正向多元化开展，其停车技术几乎包含了当今机械、电子、液压、光学、磁控和计算机技术等领域的所有成熟先进技术。机械方面，应用了许多新材料、新工艺。设备结构采用模块化设计，便于组合使用，易于安装拆卸。钢结构选用新型优质钢材，既提高了设备的强度和刚度，又使设备轻巧美观，载车板采用一次成型的镀锌板或彩涂板组装，美观、强韧、耐用。控制技术方面，广泛采用可编程序控制器和矢量变频变压调速闭环控制技术，使运行高速平稳，节省电力，振动和噪音也趋于最小。控制形式有，按钮式、锁匙式、IC卡式、键盘式、触摸屏式、遥控式等。平安元件采用各种光栅显示屏、光电管、机械式行程开关、磁性接近开关、光敏感应开关等，平安保护装置日臻完善，如汽车出入声光引导和定位、汽车尺寸和重量自动识别、限速保护与多重机构互锁、停车泊位自动跟踪、链条和钢丝绳长度超范围报警和弹性变形自动补偿、汽车图象摄影比照平安检测、自动消防灭火系统等。日本是最早应用机械式车库的国家之一，其在上世纪60年代初就开发并使用可最大限度的利用空间的机械式停车设备。当时日本全国汽车保有量大约为500万辆，大多采用的是垂直循环式停车设备。从80年代开始，日本开始向亚洲地区的韩国、中国及台湾地区出口产品及技术。韩国机械车库技术是日本机械停车技术的派生。其机械停车产业从20世纪70年代中期开始起步，80年代开始引进日本技术，经过消化生产和外乡化，90年代开始为供给使用阶段。由于这几个阶段得到政府的高度重视，各种机械停车设备得到普遍开发和利用，韩国近几年增长速度都在30%左右。目前韩国停车设备行业进入稳步开展阶段。1.2.2国内研究现状我国机械式车库的早期研究开发工作是从80年代中期开始，90年代开始引进和生产停车设备，在北京、上海、广州、深圳等地都有使用。参照日本等国标准制定的我国行业标准也于近几年出台，目前停车设备生产厂已开展到几百家，生产各种类型的停车设备，有些停车设备已开始出口。机械式立体车库是一种具有综合性能的建筑，不仅包含了机械停车设备，其规划建设涉及到区域整体景观、交通疏导、建筑结构、供电照明、通讯监视、通风排水、环境保护、平安消防、收费管理等各学科领域，就停车设备本身而言，其机械结构的开展已形成了停车设备独有的技术特征，需要多学科、多专业的复合型人才积极参与，把国外停车技术和各领域的成熟技术移植到我国停车产业，开发出平安、经济、高效、节能、省地的产品，满足国内外市场的需求。在我国的停车产业开展中还存在一些问题，如没有统一的技术标准；多数产品是仿效或引进国外技术制造，技术水平低；缺少具有一定规模的企业，生产能力缺乏；市场竞争无序，个别企业为抢占市场，采取低价竞争；缺少科研设计单位的参与，技术创新能力严重缺乏；政策不配套，对停车产业开展和管理严重滞后等。解决上述问题，需要我们在政策市场、管理和技术多方面做出努力。政策方面应参照兴旺国家的有关政策法规，规划确定出专用和公共停车位的合理数量，实现投资主体多元化，确定车库的管理属性和停车收费标准，给予投资和经营者相应的优惠政策，使其有利可图。市场方面应建立车库市场运行机制，利用价格杠杆调高占路停车收费标准，逐步消除“路满库空〞现象。鼓励按市场规那么经营车库，并实施政府监督和政策调控，使停车产业良性开展。图1-2在我国广泛使用的升降横移式立体车库2升降横移式立体车库的机械设计局部2.1立体车库的分类及其特点机械式车库种类较多，主要有以下形式：升降横移类、垂直循环类、水平循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类、简易升降类等。下面介绍其中几种类型及其特点。〔1〕升降横移式停车位为两层或多层，有假设干层的同层置车板可左右横向移位，通过升降机构改变置车板的高度。可为地上式或带地坑式。特点：①有效利用空间，提高空间利用率达数倍。②存取车快捷便利，独特跨梁设计，车辆出入无障碍。③采用PLC控制，自动化程度高。④环保节能，低噪音。⑤人机界面好，多种操作方式可选配，操作简便。〔2〕垂直循环式通过传动机械，驱使以垂直方式排列的各置车板作连续环形运动。车辆出入口位于设备最下面的称为下出入口式，位于中间局部的称为中出入口式，位于最上面的称为上出入口式。可为封闭式高塔或敞开式低塔。特点：①使用PLC自动调车，一次按键即可完成存取车。②可设置在地面上或半地上半地下，可独立或附设在建筑物内，还可多台组合。③可省去购置土地的大量费用，有利于合理规划和优化设计。〔3〕巷道堆垛式采用巷道堆垛机和搬运器，将进到搬运器上的车辆一起作平面移动且垂直升降到停车位旁，再用存取机构将车辆送入停车位。特点：①全封闭管理，平安、防盗、为车辆提供最正确防护。②可设置于地上或地下，充分利用有效空间。③载车板的升降和行走同时运行，存取车方便快捷。全封闭式管理，平安可靠，保障人、车平安。④通过升降机、行走台车及横移装置输送载车板实现存取车操作，整个过程全自动完成。⑤固定式升降机＋各层行走台车的配置形式，可实现多个人同时存取车。〔4〕垂直升降〔塔库〕式停放车辆的停车位和车辆升降机以立体方式组成的高层停车设备。通过搬运机械将车辆或载有车辆的置车板横向或纵向地从车辆升降机搬运至停车位。停车位分横置式、纵置式和圆周式三种。特点：①占地少，容车量大，高层设计最高能够到达平均一辆车仅占一平方米的空间。②可同时提供多车位进出口，等待时间短。③智能化程度高，可预约存取车及空车位导向。④利用车库外形的空隙空间可以进行绿化，使车库变成一个立体的绿化体，有利于美化城市和环境。〔5〕平面移动式在同一层面上，用搬运台车平面移动车辆，或使置车板平面横移。可为单层平面横移、单层〔多层〕平面往返以及门式起重机多层平移。特点：①每层车台和升降机分别动作，提高出入库速度，可利用地下空间，停车规模可到达数千台。②局部区域发生故障时，不影响其他区域的正常运行。③通过计算机和触屏界面进行综合管理，可全面监视设备的运行状况，并且操作简单。〔6〕简易升降式停车位为两层或三层，通过升降机构或俯仰机构改变置车板的高度或倾斜角度，供车辆出入。可为地上式或带地坑式。特点：①构造简单实用，无需特殊地面根底要求。适合装置于工厂、别墅、住宅停车场。②可任意迁移，搬迁安装容易或根据地面情况，独立及多台设备。③备有专用锁匙开关，防止外人开动设备。④车板防下滑保险装置。〔7〕其他水平循环类：各置车板以两列或多列方式水平排列，并循环移动。置车板以圆弧运动方式循环者称为圆形循环式；以直线运动方式循环者称为箱形循环式。多层循环式：各置车板以两层或多层方式排列，在相邻两层间的两端设有车辆升降机，同层置车板可在该层内作水平循环移动。置车板在设备两端以圆弧运动方式升降者称为圆形循环式；以垂直运动方式升降者称为箱形循环式。车辆入库方式与水平循环相同。通过对各类立体车库的分析并结合本次设计的车库容量，可以得出选用升降横移式立体车库为最正确选择方案。2.2升降横移式立体车库的工作原理升降横移式立体车库每个车位都有载车板，车辆就停在载车板上，最下层的载车板只做左右横移，不能升降，中间层车位可以左右横移和升降，上层车位只能升降，不能横移，假设中间层车位需要存取车，那么需下层车位移出空位，才能降至底层，上层车位需要存取车，那么需要中间层车位和下层车位移出空位方能下降至底层，存车时，当载车板到位后，驾驶员将车开上载车板后下车离开，中间层和上层载车板自动升至所在层位，取车时，下层车位直接开出，上层和中间层那么是载车板降至底层后，等驾驶员进入车库开走汽车后，载车板自动回至所在层位。图2-1为一个地上7车位的升降横移式停车设备，其工作原理是：三层三个车位可以升降，二层两个车位可以升降和平移，一层的两个车位只能横向横移，空车位供三层和二层的车位下降时借用。1、2号车位可以直接存放车辆；7号车位需下降后再存放车辆；3号车位那么需先将1号和2号载车板右移，再将3号载车板下降；4号车位那么需先将2号载车板右移，再将4号存车板下降；5号车位需要先将1、2、3、4号四个载车板右移，再将5号载车板下降；6号车位那么需要先将2、4号载车板右移，再将6号载车板降下。图2-1七车位升降横移式立体车库工作原理图2.3升降横移式立体车库的结构2.3.1升降横移式立体车库的主要构成以三层三列式立体车库为模型建立研究对象。升降横移式立体车库主要由钢结构、传动机构、载车板、电气控制系统、平安装置五大局部组成。〔1〕钢结构图2-2钢结构简单示意图具有如下特点：①可靠性高钢材在生产时，整个过程可严格控制，质量比拟稳定，性能可靠。钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体。钢材的物理力学特性与工程力学对材料性能所作的根本假定符合较好。钢结构的实际工作性能比拟符合目前采用的理论计算结果，计算结果可靠，所以说钢结构的可靠性高②材料的强度高，钢结构自重小与混凝土等材料相比，虽然钢材的重力密度大，但它的强度和弹性模量较高，而且强度与重力密度之比也高得多。钢结构自重小，从而便于运输与安装，可减轻根底的负荷，降低地基和根底局部的造价。③材料的塑性和韧性好钢材的塑性好，钢结构在一般条件不会因超载等而突然断裂。破坏前一般都会产生显著的变形，易于被发现，可及时采取补救措施，防止重大事故发生。钢材的韧性好，钢结构对动力荷载的适应性强，具有良好的吸能能力，抗震性能优越。④钢结构制造简便，施工工期短钢结构一般在专业工厂制造，易实现机械化，生产效率和产品精度高，质量易于保证，是工程结构中工业化程度最高的一种结构。构件制造完成后，运至施工现场拼装成结构。拼装可采用安装方便的螺栓连接，有时还可在地面拼装成较大的单元，再进行吊装。施工工期短，可尽快发挥投资的经济效益。由于钢结构具有连接的特性，故易于加固、改建和拆迁。⑤钢结构密闭性好钢结构采用焊接连接可制成水密性和气密性较好的常压和高压结构、管道等。⑥钢材的耐锈蚀性差在没有腐蚀介质的一般环境中，普通钢材制成的钢结构经除锈后再涂上合格的防锈涂料，锈蚀问题并不严重。立体车库多在没有腐蚀介质的环境中，所以对钢结构本身的维护费用低。结构主体采用热制H型钢、槽钢、角钢和钢板等型材制造，具有较好的强度和刚度，轻巧、美观，并可二次拆卸安装，运输方便。〔2〕传动机构每块上载车板都配有一套独立的电机减速机与链传动组合的传动系统。其工作原理如图2-3，电机顺时针旋转时，载车板上升，电机逆时针旋转时，载车板下降。根据载车板及车重确定链条所需的传动力。根据传动力及载车板的移动速度确定电机功率。根据车身高度确定上下载车板间的距离，根据这个距离确定链条的长度，最后根据传动力确定链轮大小，链节形状及大小。图2-3链传动简单示意图〔3〕载车板由于下载车板不需悬挂链条，所以为了节省材料，下载车板比上载车板要短。每块下载车板后部都配有一套独立的电机减速机传动系统，藏于载车板内。在下载车板底部装有四只钢轮，可以在导轨上行走，其中两只为主动轮，装于长传动轴两端，另两只为独立安装的从动轮。电机减速机驱动长传动轴运转，长传动轴上的主动钢轮在导轨上滚动行走从而使下载车板作横向平移运动。根据载车板及车辆的重量、行走速度、滚轮与导轨间的摩擦系数确定横移电机的驱动功率。图2-4平板式载车板及拼合示意图〔4〕平安装置在立体车库上层停车位和下层停车位的纵梁处装有上下行程极限开关，在中间层和底层车库横梁两端装有左右行程极限开关。上载车板上装有防坠落平安装置,防坠落平安装置安装在纵梁和上载车板停泊位置之间，在纵梁两边各安装两只电磁铁控制的挂钩，上载车板两侧相应位置出个装两只勾环，当上载车板上升到位后，纵梁上安装的四只挂钩便会自动勾住四只勾环，以防止当升降电机制动器失灵后，上载车板汽车和上载车板坠落，从而压毁下层的汽车。行程极限开关的作用是当载车板到达位置是自动停止。图2-5平安装置简单示意图〔5〕控制系统升降横移式立体车库的控制系统采用PLC控制，主要有自动，急停，手动三种控制方式，立体车库一般采用自动控制方式工作，当出现紧急异常的情况时候使用急停控制，当故障排除或急停取消后，可以用手动按钮使车库复位。2.3.2升降横移式立体车库的结构示意本论文具体选用三层七位升降横移式自动化立体车库进行研究和设计，其设备结构示意如图2-6：图2-6升降横移式立体车库设备结构示意图〔1〕立体车库模型本立体车库的建筑模型为一个三层七车位立体车库，车库平面设计示意图如图2-7所示，车库立体模型示意图如图2-8所示。〔2〕立体车库设计指标本车库以中型轿车尺寸长〔4800mm〕×宽〔1800mm〕×高〔1800mm〕为标准进行设计，据此每个停车位的尺寸应为长〔5000-6000mm〕×宽(2500-3000mm)×高〔2000-2500mm〕，经考虑停车平安预留空间，本车库的几何空间尺寸设计为：=1\*GB3①长度=25000mm，宽度=18000mm=2\*GB3②车库前留有>6000mm宽车道；=3\*GB3③一层净高：2200mm；=4\*GB3④二层净高：2200mm；⑤三层净高：2200mm；⑥最大存车长度：5500mm；⑦最大存车宽度：2000mm；⑧最大存车高度：1800mm。图2-7立体车库平面示意图图2-8立体车库立体模型示意图2.4升降横移式立体车库中的平安防护装置车库是用来存放汽车的，汽车的价格是很昂贵的，所以车库一旦发生事故，所造成的损失会很大，为此，我们要将事故防范于未然。为此车库的平安防护措施应该做到以下几点，并安装相应的防护设备。〔1〕急停措施：在控制盒上安装红色的紧急停止开关，当发生异常情况时，按下急停开关能使立体车库立即停止运转。〔2〕阻车装置：为了防止汽车在载车板上发生滑动，应该在载车板后端和前端安装一高25mm以上的阻车挡块，司机在停车时应将汽车停在载车板适宜的位置上，并拉好手刹。〔3〕限位保护：立体车库的载车板在升降和横移过程中是靠定位开关来定位的，为了防止定位开关出现故障而导致事故，所以在上升定位上方，下降定位下方，左移定位左边，右移定位右边分别装有限位开关。当定位开关出现故障时，一旦限位开关触碰到载车板时，限位开关立即使车库停止工作。〔4〕门前光电检测装置：在车库运行过程中，不能有人或物进入车库的工作区，所以要在车库入口处安装一个红外装置，一旦在车库工作时有人或物进入车库，系统将立即停止工作。〔5〕载车板固定装置：当载车板到达指定位置后，为防止载车板下滑或因故坠落，损害其下方的车或人，所以安装电磁铁控制的挂钩形式的防坠装置。当载车板停靠到位时，电磁铁由通电状态转为失电状态，驱动挂钩勾住铁环。当载车板要下脱离铁环。电磁铁由失电状态转为通电状态，报警灯闪烁，按下急停按钮使车库立即停止。3立体车库电气控制系统设计3.1电气控制系统整体设计在工业自动化控制中，最常用的三种控制方式有继电器控制、单片机控制和可编程控制器控制，这三种控制方式各有优缺点。〔1〕继电器控制系统控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。继电器控制系统的延时控制是靠时间继电器的滞后动实现，精度不高且易受环境温度和湿度的影响，调整时间困难。由于继电器的触点有限，其灵活性和扩展性也受到制约。〔2〕单片机控制单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。单片机应用范围主要是大批量重复生产的民用消费品以及小批量产品，特别是仪器仪表，家电以及小型控制系统。但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。〔3〕可编程序控制器控制可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬茧配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。此外，PLC还有以下优点：〔1〕可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间那么更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。〔2〕配套齐全，功能完善，适用性强PLC开展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的开展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。〔3〕易学易用，深受工程技术人员欢送PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制翻开了方便之门。〔4〕系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。〔5〕体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。根据对几种常见控制方式进行比照，再结合本设计可以得出使用PLC来控制立体车库时最适宜的。整个车库由一台PLC对其进行管理和监控，由PLC来控制载车板升降横移传动装置，完成车辆的存取操作，各车位车辆的存取由PLC根据当前各车位的停放情况，按照相应的策略来调动载车板，以存取车辆。立体车库的自动控制系统包括弱电和强电两套系统，弱电系统主要是各种信号的采集和控制输出，例如：通过PLC输出信号给接触器线圈，以此来控制接触器的通断，从而来控制强电系统。强电系统主要包括载车板电机控制线路，控制电机正反转的接触器等。车库采用面板按钮呼叫车位存取车，用升降横移装置将汽车输送到位。控制系统在面板上设有急停按钮，当发生意外时，按下急停按钮将使车库立即停止运行。系统输出控制信号包括控制电机运行和方向的信号，控制电磁铁得、失电信号。升降横移式立体车库是一种比拟典型的跨学科机电一体化产品，集机械、电子、信息技术于一体。其中，电子技术、信息技术和传感技术的合理运用与组合构成了车库的控制系统。升降横移式立体车库的控制系统是整个车库系统的重要组成局部，也是车库系统的核心。执行机构是“四肢〞，框架是“躯体〞，那么控制系统就是“大脑〞。它指挥着车库的每个运作过程，并对整个系统的状态过程进行监控。升降横移式立体车库的系统控制原理：操作者通过控制面板把操作信息传送给控制系统，经过系统处理后通过辅助设备驱动执行结构，来完成车库的运作。立体车库系统控制原理框图如图3-1所示。图3-1立体车库系统控制原理框图3.2电气系统关键局部设计3.2.1PLC接线设计在升降横移式立体停车库中，控制系统中主控单元的主要控制对象首先是车库内的横移电机和升降电机，控制系统就是使它们在不同的时间内实现正反转，其次是车库内的各种辅助装置，如指示灯及其各种平安设施等，这些辅助装置帮助我们更好的控制立体车库。为了保证载车板能横移到预定位置以及载车板能上升或下降到指定位置，采用了行程开关。为了判断载车板上有无车辆，采用了光电开关。同时在车库中还采用了一些传感器如烟温传感器以及平安预警装置。在此图中只是简单的画出了三层七位升降横移式立体车库的一些其简单的功能。根据这些功能我们可以很直观的观察出三层七位升降横移式立体车库的工作。接线图见图3-2。图3-2简化PLC接线图电机控制及接线设计：在存取车时车位的升降不能同时进行，车位的升降和横移也不能同时进行，这两个动作必须是互锁的，即当上层车位在升降时，地面层车位不能移动，反之亦然，并且上层车位每次只能有一个车位进行上下升降运动。这些在程序中可采用联锁和互锁的方法来解决。如图3-3所示。图3-3电机控制原理图3.2.2其他资源配置〔1〕检测点分布①载车板上汽车停放到位否检测采用光电开关在底层进行扫描检测。光电开关的接收器和发射器分别安装在底层左右两边，在载车板前后位置均进行检测，当有车辆停放不到位时，车就把光电关光源挡住，此时系统不能动作，只有车辆停放到位后，系统才能正常工作。②载车板上有无车检测在每个载车板上的一条对角线上安放一套光电开关，用于检测载车板上有无车。③载车板平移运动是否到位检测只有下层载车板有平移运动，在每个车位上分别安装一只限位开关，用于检测载车板平移运动是否到位。④载车板升降是否到位检测只有上层载车板有升降运动，在每个载车板垂直运动的轨道上，在低层和上层分别安装一只限位开关，用于检测载车板下降和上升是否到位。⑤上层载车板吊钩是否挂好检测控制吊钩动作的电磁铁上有一反应信号，可用于指示吊钩是否已把载车板挂好。〔2〕控制点分布①一层载车板左右平移控制一层载车板只有两个，每个载车板只有左右移动两个动作，采用带自动抱闸的三相交流电机控制。②二层载车板升降横移运动控制二层载车板有两个，每个载车板有横移、升降四个动作，采自动抱闸的三相交流电机控制。③三层载车板升降运动控制三层载车板有三个，每个载车板只有升降两个动作，采用带自动抱闸的三相交流电机控制。④吊钩动作控制只有二、三层的载车板使用吊钩，每个载车板用2套吊钩，吊钩用电磁铁控制。〔3〕电机的选择Y系列的三相异步电机具有效率高，噪声低，振动小，且体积小重量轻，运行可靠安装维护方便，升温低等特点。所以选用Y801-4三相异步电机。额定功率：P=0.55KW；额定转矩：Y=2.2N.m；额定转速n=1390r/min；质量17Kg。根据所设计车库容量选择五个升降电机，四个横移电机。3.3PLC控制程序设计本文所设计的PLC存取车控制系统只针对上2层和3层的车位，而对于1层车位，存取车直接开进开出即可。控制软件采用梯形图语言编写。程序流程见图3-4。需要说明的是，载车板用链条依靠载车板上的吊点悬吊在托架上，在静止状态时，防坠〔平安〕挂钩挂住载车板。在设计不同层进出车程序时运用了“并行分支与集合〞的技巧，所谓并行分支指的是各分支流程可同时执行待各流程动作全部结束后，根据相应执行条件，集合状态动作。即如果选择第3层载车板进出车，可以使一层二层同时平移左移或右移，这样，控制系统能自动处理设备动作顺序之间的联锁或双重输出，而且控制系统的试运行及故障检查非常方便，可节约大量时间，提高工作效率。图3-4存取车程序流程图程序设计方案如下：〔1〕初始化程序提出系统的控制信息，扫描各到位开关信号。〔2〕主控制程序按照进车优先的原那么，将最多的车位保持在进车位置。每个载车板运动之前，需要先判断目的地是否有空位，有空位才可以动作，前后动作互锁。判断是否有空位是根据横移电机所对应的到位行程开关动作信息来确定的。液压升降系统启、停动作也是根据相应的到位行程开关来确定。〔3〕故障报警程序故障报警程序能够实时地采集设备异常信息，及时发出声光报警信号，提醒司机和管理人员进行处理。假设在程序执行过程中，有人、物侵入车库空间或车辆超长，PLC将按照闭锁关系停止设备运行，同时发出故障报警。该程序完整而高效的完成了二层升降平移式车库全部动作，具有平安可靠性。完全到达了作为民用机电一体化设备所应具备的条件，充分发挥了它的作用，让我们更好的操作。3.3.1PLC的选型目前市面上主要的PLC有西门子、三菱、欧姆龙、施耐德等。其中西门子的功能强大，系统稳定，性能质量好，市场占有率最高。基于西门子结构化的编程方式，开放性好，支持多种通信协议。另外西门子适用多种人机界面和监控组态软件利于多厂家设备的通讯与集成，西门子做了很多功能块，减少了设计人员的负担。因此，本设计选用了西门子公司的PLC。西门子S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能价格比。S7-200有5种CPU模块，分别是CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226；CPU221集成了6输入，4输出共10个数字量I∕O点，无I∕O扩展能力。CPU222集成了8输入，6输出共14个数字量I∕O点，可连接两个扩展模块；CPU224集成了14输入，10输出共24个数字量I∕O点，可连接7个扩展模块，最人扩展至168路数字量I∕O点或35路模拟量I∕O点；CPU224XP集成了14输入，10输出共24个数字量I∕O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I∕O点或38路模拟量I∕O点；CPU226集成了24输入，16输出共40个数字量I∕O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I∕O点或35路模拟量I∕O点。根据本设计车库的输入和输出，采用CPU226模块为PLC控制系统的核心控制器是最适宜的。3.3.2PLC的I∕O资源配置根据立体车库控制系统的要求功能与选定的PLC，对PLC进行I∕O分配，具体分配如下。表3-1I/O分配输入表输入地址功能输入地址功能I0.0启动I2.2门前光电开关I0.13号载车板呼叫I2.31号载车板横移到位I0.24号载车板呼叫I2.42号载车板横移到位I0.35号载车板呼叫I2.53号载车板横移到位I0.46号载车板呼叫I2.64号载车板横移到位I0.57号载车板呼叫I2.7手动/自动I0.63号载车板平层I3.0上升按钮I0.74号载车板平层I3.1下降按钮I1.05号载车板平层I3.2左移按钮I1.16号载车板平层I3.3右移按钮I1.27号载车板平层I3.41号载车板呼叫I1.3车库平层减速I3.52号载车板呼叫I1.43号载车板光电开关I3.6载车板挂钩到位I1.54号载车板光电开关I3.73号车位载车板检测I1.65号载车板光电开关I4.04号车位载车板检测I1.76号载车板光电开关I4.15号车位载车板检测I1.77号载车板光电开关I4.26号车位载车板检测I2.0载车板横移限位开关I4.37号车位载车板检测I2.1载车板升降限位开关表3-2I/O分配输出表输出地址功能输出地址功能Q0.03号载车板升降Q1.63号载车板防坠电磁铁Q0.14号载车板升降Q1.74号载车板防坠电磁铁Q0.25号载车板升降Q2.05号载车板防坠电磁铁Q0.36号载车板升降Q2.16号载车板防坠电磁铁Q0.47号载车板升降Q2.27号载车板防坠电磁铁Q0.51号载车板左移Q2.33号载车板有车Q0.61号载车板右移Q2.44号载车板有车Q0.72号载车板左移Q2.55号载车板有车Q1.02号载车板右移Q2.66号载车板有车Q1.13号载车板左移Q2.77号载车板有车Q1.23号载车板右移Q3.0正转Q1.34号载车板左移Q3.1反转Q1.44号载车板右移Q1.5报警灯梯形图附于附录。3.4电气平安装置在立体车库中平安是非常重要的，因此做好平安防护十分有必要。以下是电气平安中的的一些重要装置。〔1〕设有断电、缺相、断相和相序保护：在主电源发生缺相，设备发生断相、反相时，保护器动作切断设备主电源。〔2〕延时保护：当车停不进设备时，设备将自动停止任何操作。试进入〔设定〕三次自动停止，处于保护状态，停止任何操作。〔3〕防人、异物误闯入红外线检测装置：设置自动锁闭系统，当设备运转时，如有人或异物进入设备中，设备将会自动急停。待人员或异物离开设备后，按动“复位〞按钮，设备将恢复运行。保证设备平安运转，以防误伤人员。用光电开关检测。〔4〕车辆定位：载车板的末端装有前、后、左、右限位装置。〔5〕防止载车板坠落装置：设置防坠落装置，载载车板运行到停车位后，为防止载车板因故突然落下，设防止坠落装置，保证入库车辆平安。〔6〕汽车长度限制装置：设置超长光电检测装置。当进入设备的车辆超过适停车辆尺寸时，设备自动锁闭并报警提示。〔7〕紧急停止装置：设置紧急制动开关，当出现异常情况时，能使停车设备立即停止运转。〔8〕防止超限运行装置：设置限位开关，包括，上限位开关，下限位开关，左限位开关，右限位开关，极限开关等。当到位开关出现故障时，超限位开关能使设备停止工作。〔9〕警示灯及警示蜂鸣器：设置设备运转信号显示。提示设备处于运转状态及对异常情况报警。〔10〕电机自带刹车装置：防止载车板自动滑。4升降横移式立体车库监控系统的设计4.1立体车库自动化控制系统现代大型建筑的主流是智能化大厦和小区，因此自动化立体停车设备或车库的自动控制系统将成为智能化大厦和小区的一个重要组成局部。操作简单、迅速，使用方便，平安可靠，维护量小，为用户提供一个平安、简易的使用环境，这是自动化立体停车设备的根本特点。停车设备的一切运行状况，车辆停放的时间，车辆存放交费情况，车库库容量，车辆存放高、低峰情况，等信息均可通过网络传送到智能化控制中心，通过智能化控制中心运算处理，与播送系统和各分部管理办公室相连，到达提前发布相关控制、管理信息，从而全部实现智能化管理。通过大厦和小区的智能化控制中心还可与社会相关职能部门联网，将有关信息发布出去或收集进来，扩大车库的社会利用率和经济效益。这将是自动化车库的开展方向。图4-1为立体车库监控的一个简易示意图。图4-1立体车库监控示意图立体车库自动化控制系统主要包含以下五个子系统：自动收费管理系统，自动存取车系统，远程诊断系统，自动道闸，监控安保系统。以上子系统均由中央控制室统一控制，可为客户规划停车库管理形式，发布车库库存容量，控制车流方案。〔1〕自动收费管理系统自动收费采用非接触式IC卡。IC卡分长期卡与储值卡两种。对固定用户，发行长期卡，费用可在固定用户交纳管理费用时一并交纳；对临时用户，发行储值卡，即：用户交纳的费用存在卡内，每次停车读卡自动从卡中扣除费用。〔2〕自动存取车系统自动存取车系统一般由小型可编程控制器PLC控制，包括卡号识别与移动载车盘两个过程。用户进入车库时，在门口刷卡进入，读卡机自动把数据传送到PLC控制系统，PLC系统通过判断卡号，自动把对应的载车盘移动到人车交接的位置，开启车库门，缩短存取车的时间。存车时，司机按照指示灯信号指引入库，只有当车辆停放在平安位置后，停车正常指示灯才会亮启。存取车完成后，车库门自动关闭。移动载车盘时，系统严格按照各种检测信号的状态进行移动，检测信号包括超长检测、到位检测、极限位置检测、人员误入检测、急停信号检测等。假设有载车盘运行不到位或车辆长度超出车库允许的长度，所有载车盘将不进行动作，假设检测到急停信号，将停止一切动作，直至急停信号消失。以上信号均为硬件信号，除此之外，还可从控制软件中设置保护信号，比方时间保护，以保证因硬件损坏而导致信号失灵时保证主体设备及车辆的平安。〔3〕远程诊断系统现场控制器可以通过网卡、Hub等网络设备与控制中心的局域网相连接，可以通过MODEN实现远程管理，监测现场运行情况，当现场出现故障时，在控制中心即可进行解决，方便管理人员、安保人员异地办公。〔4〕自动道闸在车库出入口处各设非接触式读卡器、感应线圈及道闸，用户在车库出入口处刷卡后，系统自动判别该卡是否有效，假设有效，那么道闸自动开启，通过感应线圈后，自动栅栏自动关闭；假设无效，那么道闸不开启，同时声光报警。〔5〕监控安保系统监控安保系统是指在中央控制室进行监视控制车库现场的运行状况。它具有运动检测、车牌识别、网络连接、各种类型的报警系统实现连动等功能，可以实现无人看守系统简介如下：视频监控功能：在车库各出入口，值班室和车库内主要区段安装定焦摄像机，在大范围车位区安装球形云台，以便实现对车库全方位的实时监控。如果在车库光照条件不好的情况下，可选用黑白摄像机。运动检测功能：可以在夜间设置车库的运动检测区域，当检测区有移动目标时，运动检测功能发出报警信号，提醒值班人员。车牌识别功能：它能够设置车库参照车辆的车牌、车型。当参照车辆进入车库监视区域，系统自动比照参照车辆图像，有异常情况，发出报警信号，并自动切换和记录相关图像。报警连动功能：可以连动各类报警主机，如启动继电器发出声光报警通知安保人员自动放下道闸拦截车辆出入。数字录像功能：可以连续记录一个同在车库所发生事件，可以同步回放多个图像，可选择任意图像进行整体放大和局部放大，记录、回放、备份可同步进行各种信息。图4-2为立体车库的一些监控设备。应用这些监控设备我们能更好的对立体车库停放车进行安排。图4-2立体车库监控设备4.2基于Wincc的监控系统设计与实现4.1.1Wincc的概述西门子公司的工业组态控制软件SIMATICWinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，是世界上第一个集成的人机界面(HMl)软件系统，具有良好的开放性和灵活性用来处理生产和过程自动化WinCC代表WindowsControlCenter，即视窗控制中心，它是西门子公司与微软公司联合开发的产物，在Windows98或NT4.0以及基于NT核心的Windows2000/xp/2003操作系统下运行。WinCC是在生产过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术系统。它提供了适用于工业的图形显示、信息、归档以及报表的功能模板。高性能的过程藕合、快速的画面更新、以及可靠的数据传送使其具有高度的实用性。除了这些系统功能外，WinCC还提供了开放的界面用于用户解决方案。这使得将WinCC参与复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。突出的优点：通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展；“全集成自动化〞的组成局部，适用于所有工业和技术领域的解决方案。WinCC集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明，包括：汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供给和分配、贸易和效劳行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。WinCC是SIMATICPCS7过程控制系统及其它西门子控制系统中的人机界面组件。WinCC还为垂直市场解决方案提供有丰富的选件和附加件。我们学过WinCC软件，对它有一定的认识和了解，所以我选择它做为我设计的监控画面。4.1.2监控系统的功能〔1〕应用程序管理器是提供给用程序的搜索、备份、解压缩、建立新应用等功能的专用管理工具。在自动化工程设计工程师应用组态软件进行工程设计时，经常会遇到下面一些烦恼：经常要进行组态数据的备份；经常需要引用以往成功应用工程中的局部组态成果〔如画面〕；经常需要迅速了解计算机中保存了哪些应用工程。虽然这些要求可以用手工方式实现，但效率低下、极易出错。有了应用程序管理器的支持，这些操作将变得非常简单。〔2〕图形界面开发程序图形界面开发程序是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在图形编辑工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供图形运行环境运行时使用。〔3〕图形界面运行程序在系统运行环境下，图形目标应用系统被图形界面运行程序装入计算机内存并投入实时运行。实时监视整个立体车库中各系统的运行情况。动态显示和出入库传输设备以及各车辆的运行位置。显示所有作业指令的当前运行状态。出错报警，并能够在紧急情况下，控制各设备的运行，系统必须在明显处设有急停开关，当发生意外时，按下急停开关，断所有电机的电源，使载车盘无法继续运行，以保护人员及设备的平安。〔4〕实时数据库系统组态程序有的组态软件只在图形开发环境中增加了简单的数据管理功能，因而不具备完整的实时数据库系统。目前比拟先进的组态软件都有独立的实时数据库组件，以提高系统的实时性，增强处理能力。实时数据库系统组态程序是建立实时数据库的组态工具，可以定义实时数据库的结构、数据来源、数据连接、数据类型及相关的各种参数。〔5〕实时数据库系统运行程序在系统运行环境下，目标实时数据库及其应用系统被实时数据库系统运行程序装入计算机内存并执行预定的各种数据计算、数据处理任务。历史数据的查询、检索、报警的管理都是在实时数据库系统运行程序中完成的。4.1.3Wincc的组态此车库为三层三列升降横移式