基于PLC的新型智能立體車庫的控制系統(tǒng)設計【三層七車位車庫】

基于PLC的新型智能立體車庫的控制系統(tǒng)設計【三層七車位車庫】,三層七車位車庫,基于PLC的新型智能立體車庫的控制系統(tǒng)設計【三層七車位車庫】,基于,plc,新型,智能,立體車庫,控制系統(tǒng),設計,三層,車位,車庫 基于PLC的新型智能立體車庫的控制系統(tǒng)設計 學 生：江 宇 指導老師：劉旭紅 (湖南農業(yè)大學工學院，長沙 410128) 摘 要：本文在對國內外車庫現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢做了充分調研的基礎上，選擇三層七車位車庫結構為研究模型。升降橫移式立體車庫就其組成部分而言，可分為三大部分：車庫結構部分、傳動機構部分和控制系統(tǒng)部分。為了使停車設備滿足使用要求，根據國家關于機械式停車設備通用安全要求的標準、升降橫移式立體車庫的實際，在升降橫移式立體車庫中使用了一些必要的安全技術，這樣保證了車輛的絕對安全，使得整個車庫可以安全平穩(wěn)的運行。 關鍵詞：立體車庫；控制系統(tǒng)；可編程序控制器 New Intelligent Three-dimensional Garage Control System Based On PLC Design Student: Jiang Yu Tutor: Liu Xuhong (College of Engineering,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China) Abstract：On the basis of investigation on current situation and developing trend of garage in domestic and abroad, we choose four-layer and Seven of the parking space garage structure as the research model. According to the form of the dragging-forms of multi player up-down and translation ear-base, it is made of three parts: part of ear-base structure、part of driving-framework and part of control system. In order to satisfy using demand in design stereo garage, according to criterion of mechanical parking systems-general safety requirement and the facts of the up-down and translation stereo garage the Paper introduced some safety technique which was used in the up-down and translation stereo garage. This can ensure absolute safety for Car and make the whole stereo garage safety and running smooth.． Key words：Stereo garage; Control system; PLC 1 前言 1.1 課題的研究背景和意義 隨著國民經濟的飛速發(fā)展以及城市現(xiàn)代化水平的不斷提高，我國的汽車保有量迅速增長，目前許多城市的車輛交通已遠遠超過現(xiàn)有道路設施的負荷，停車場建設滯后導致我國的靜態(tài)交通基礎設施嚴重落后于動態(tài)交通基礎設施，停車難的問題已逐漸成為影響和制約城市建設以及經濟發(fā)展的重要因素。傳統(tǒng)的平面停車場需要占用大量寶貴的土地資源，容納的車輛有限，無法有效解決這一問題，而先進的機械式立體停車庫，集機械、電子、液壓、光學、磁控和計算機等多種技術于一體，實現(xiàn)了地面停車向空間的擴展，具有節(jié)約空間、自動化操控、安全可靠、建設成本低、配置靈活等優(yōu)點，已成為未來車庫發(fā)展的必然趨勢。 1.1.1 機械式立體車庫的國內外發(fā)展現(xiàn)狀 機械式立體停車是解決各大城市停車難問題的有效途徑，最早起源于歐美國家。1920年，美國就建成第一座機械升降汽車庫，50年代后，隨著私人汽車的大量涌現(xiàn)，美國、西歐的國家相繼發(fā)明了多種形式的立體車庫。德國和意大利等歐洲國家從事停車設備的開發(fā)和生產也比較早，較好的公司有：意大利Sotefin、Interpark、德國Palis等，優(yōu)勢主要在于巷道堆垛類的產品。由于歐洲國家土地資源比較富余，停車問題表現(xiàn)不是很突出，因此立體停車設備的應用不是很多．產品形式多數為巷道堆垛式，多層升降橫移式產品應用也很好[1]。 由于土地資源緊張在亞洲某些國家的表現(xiàn)尤為突出，機械式立體車庫在亞洲的應用較為廣泛。亞洲的停車設備技術起源于日本，日本自20世紀60年代開始從事機械停車設備的開發(fā)、生產、銷售和服務，迄今已有近五十年的歷史。目前日本國內生產機械式停車設備的公司約100多家，比較大的公司有新明和、石川島播磨、日精、三菱重工等。自90年代起，日本每年投入運行的機械停車泊位都在10萬以上，目前已全部投入使用機械式停車位超過300多萬個，其中以升降橫移類為主。日本立體停車設備的技術優(yōu)勢主要在于多層升降橫移類、垂直升降類、水平循環(huán)類、垂直循環(huán)類、簡易升降類等產品上。韓國的機械停車設備技術是日本技術的派生，產業(yè)從20世紀70年代中期開始起步，80年代開始引進日本技術，經過消化生產，90年代開始進入供應使用階段。由于韓國政府的高度重視，各種機械停車設備得到普遍開發(fā)和利用，近幾年泊位增長速度都在30％左右，目前韓國立體停車設備行業(yè)進入穩(wěn)步發(fā)展階段。 我國是從20世紀80年代初開始研制和使用機械停車設備的。80年代尚處于起步階段，90年代以來，機械停車設備逐漸步入了技術引進與自主研發(fā)相結合的初步發(fā)展階段，得到了較快的發(fā)展，已經形成為新興的停車設備行業(yè)。據統(tǒng)計，1997年全國只有9個機械式停車設備生產企業(yè)，只有11個省、市、自治區(qū)的13個城市擁有機械式停車設備。而截至2006年底，全國的機械式停車設備生產企業(yè)已發(fā)展到100多家，已有27個省、市、自治區(qū)的94個城市興建機械式立體停車庫，全國機械式停車庫(泊位)擁有量達到284，752個。 目前，我國的機械停車設備在生產能力和產品質量方面，已接近國外先進水平。許多設備采用了當前機械、電子、光學、磁控、計算機等領域的先進技術，例如交流變頻調速技術、激光測距、PLC、IC卡、觸摸屏、總線控制技術等，大大提高了產品在技術含量、智能程度、運行可靠性等方面的性能。近年來，立體停車設備的自主研發(fā)工作也越來越被重視，國內許多研究機構都投入技術力量，對機械立體停車設備的各個方面，例如結構優(yōu)化、控制系統(tǒng)設計、存取策略優(yōu)化、可靠性分析、生產工藝等方面進行研究，取得了很多的成果。與此同時，國家也逐步配套與停車產業(yè)相關的法規(guī)和各項標準，先后制訂了多項停車設備的行業(yè)標準和行業(yè)規(guī)范，以加強規(guī)劃引導、技術開發(fā)和標準化工作。 雖然機械式立體停車庫在中國作為新興的產業(yè)，具有相當可觀的發(fā)展前景，但是目前仍未進入高速發(fā)展時期，主要因為我國的立體停車設備行業(yè)的發(fā)展存在著一些問題：首先，雖然行業(yè)里的企業(yè)已經形成一定的規(guī)模，但是發(fā)展不平衡，骨干的大中型企業(yè)在20家左右，其它的則是中小企業(yè)居多，中小企業(yè)技術力量薄弱，靠仿效或引進國外的技術，缺乏自主開發(fā)能力；其次，機械式立體車庫是對安全性能要求很高的機電一體化設備，但是有些自主研發(fā)的產品缺乏深入的研究，產品的可靠性、安全性、耐久性還不能完全保障；第三，市場競爭無序，目前總體生產能力過剩，價格偏低；政府在對立體停車產業(yè)發(fā)展的政策方面嚴重滯后；此外，平面停車場收費低廉以及人們在意識上尚未完全轉變，也是立體停車難以普及的重要原因。由此看來，為加快我國機械停車設備產業(yè)的發(fā)展，需要在政策、市場、管理和技術等多方面做出努力[2]： （1）政策是解決此問題的關鍵，政府的扶持對于新興產業(yè)的發(fā)展十分重要。政府應參照發(fā)達國家的相關政策法規(guī)，完善機械式停車設備的相關標準和規(guī)范，規(guī)劃專用和公共停車位數量，實現(xiàn)投資主體多元化，確定合理的停車收費標準，給予投資者和經營者優(yōu)惠政策等； （2）市場方面，可調高路面停車收費標準，利用價格杠桿刺激立體停車庫的市場需求；鼓勵市場規(guī)則與政府調控相結合，促進立體停車行業(yè)的良性發(fā)展； （3）提高機械停車設備的技術水平和產品質量，是解決問題的根本措施。鼓勵國內的科研機構在機械停車設備研究上投入更多的技術力量，開發(fā)出高效、節(jié)能、安全、符合本國國情的產品；鑒于目前很多中小企業(yè)采用的是從國外引進的技術，應提倡企業(yè)將技術引進與自主研發(fā)相結合，在消化吸收的基礎上注重技術創(chuàng)新，提升產品的競爭力。 1.1.2 機械式立體停車庫的特點 以立體化形式存放車輛的機械式停車庫叫做機械式立體停車庫，是一種技術密集型的機電一體化產品，發(fā)展?jié)摿艽?，具有很多?yōu)點： (1)節(jié)省占地面積。一般約為平面停車場的1/2—1/25，立體車庫最大的優(yōu)勢就是能夠向高空、地下發(fā)展，利用小的占地面積實現(xiàn)大的車輛存儲； (2)建設成本低。由于機械式立體停車庫主要向垂直空間擴展，雖然工程費用較高，但可省去大量的土地使用費等開支，因此就單個泊位的建設成本而言，一般低于同等規(guī)模的平面停車場； (3)自動化操控，使用方便。機械式立體停車庫自動化程度高，用戶通過簡單操作，就能實現(xiàn)車輛的自動存取；配備自動檢測系統(tǒng)以及安全保護措施，安全性能好； (4)配置靈活，適應性強。機械式立體停車庫具有多種類型，設計上具有較大的靈活性，可適應各種形式的地形或建筑物。 機械式立體停車庫在具有上述優(yōu)點的同時，也存在一些缺點，并且在一定程度上制約了其推廣和應用：首先，造價偏高，除了建筑和設備的投資費用，還需要維護的投入，以保障設備的安全、持久地運行；第二，進出車時間長，雖然各種類別的機械停車設備對單車最大進(出)時間一般控制在2分鐘以內，但由于單套設備往往只有一套執(zhí)行機構，不允許多輛車同時出入庫，如果面臨高峰期，勢必會出現(xiàn)等候現(xiàn)象。 1.2 機械式立體停車庫的主要類型 所謂機械式停車設備，是指將汽車搬運或存放到泊車位使用的機械設備的總稱，主要由鋼結構、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾個部分組成。根據我國發(fā)布的JB-T 8713-1998《機械式停車設備類別、型式與基本參數》標準，機械式停車設備的類別名稱及代號見表1．現(xiàn)介紹幾種具有一定代表性的類型[3]： 表1 機械式停車設備的類別名稱及代號 Table1 Mechanical parking equipment category name and code 類別 名稱 升降 橫移 垂直 循環(huán) 水平 循環(huán) 多層 循環(huán) 平面 移動 巷道 堆垛 垂直 升降 簡易 升降 代號 SH CX SX DX PY XD CS JS 升降橫移式停車設備利用載車板的升降或橫移來實現(xiàn)車輛的存取，此類停車庫將載運和存放汽車的載車板與升降裝置組合在一起使用，構成立體化存車的形式，多為中、小型車庫，泊位數目從幾輛至幾十輛不等，一般設計為2或3層，極少超過5層。結構上，除頂層外，每層均有一個空車位，作為交換車位；車輛進出層的載車板僅作橫移運動，最頂層或地下最底層的載車板只作升降運動，中間層既能升降也能橫移。這種類型的立體車庫造價不高，車位的布置緊湊，易于實現(xiàn)自動控制，在樓字地下室或住宅小區(qū)的空地上布置較為方便，特別適用于平面自走式停車庫的改造工程。 垂直升降類立體停車設備利用升降機構將車輛提升到目標層，再啟動橫移機構把車存入泊位中，工作方式類似于電梯。這種車庫有幾十米高，每層可設2個或多個泊位，可單獨建設或安裝于建筑物內，一般采用可編程序邏輯控制器構成其自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛的全自動存取、自動計費等功能。垂直升降式立體車庫的機械結構和控制系統(tǒng)更為復雜，對地基、消防、運行可靠性和安全性的要求也更高，因此造價較高。而且運行中會有一段空行程，效率不高。 垂直循環(huán)類機械式停車庫是采用垂直方向作循環(huán)運動的停車系統(tǒng)來存取車輛的停車設備。這種停車設備的工作原理是電機通過減速機帶動傳動機構，在牽引機構—鏈條上，每隔一定距離安裝一個存車托架，當電機啟動時，存車托架隨鏈條起做循環(huán)運動，達到存取車的目的。這種車庫由單一大型電機驅動，最大的優(yōu)點是電氣控制系統(tǒng)簡單，但缺點也很明顯，例如泊位數受電機功率及結構等因素限制、傳動噪音大、存取速度慢、能耗高等，因此呈逐步淘汰之勢。 水平循環(huán)類采用一個水平循環(huán)運動的車位系統(tǒng)來存取停放車輛的停車庫叫水平循環(huán)類停車庫。其工作原理是存取停放車輛的車位系統(tǒng)在水平面上作循環(huán)運動，將所需存取車輛的載車板移到出入口處，駕駛員再將汽車存入或取出。 多層循環(huán)類停車庫是通過使載車板作上下循環(huán)運動，而實現(xiàn)車輛多層存放的多層循環(huán)式停車設備，減少了占地面積，提高了存取車的自動化程度。 平面移動類停車庫采用在同一層上用搬運臺車或起重機平面移動車輛，或使載車板平面橫移實現(xiàn)存取車輛，亦可用搬運臺車和升降機配合實現(xiàn)多層平面移動來存取停放車輛的機械式停車設備。 巷道堆垛類立體停車設備是利用巷道堆垛機或橋式起重機作為搬運裝置，進入到搬運裝置中的車輛可同時進行兩維的運動，快速到達指定車位，再用存取機構將車存入泊位。這種車庫類似于立體倉庫，最早出現(xiàn)在美國，適合于上百個、甚至是上千個停車位的大型自動化立體停車庫，當然造價也是很高的。 1．3 論文的主要研究內容 本論文在查閱大量文獻資料的基礎上，以新型智能立體停車庫的控制系統(tǒng)為研究對象，著重于控制系統(tǒng)軟件方案的制定和具體實現(xiàn)，主要內容包括： （1)立體車庫的總體結構和運行原理分析； （2)立體車庫控制系統(tǒng)的硬件方案； （3)立體車庫控制系統(tǒng)的軟件主體方案制定及實現(xiàn)； （4)立體車庫的安全性問題保障。 2 立體車庫的總體結構和控制方案 2.1 車庫選型 升降橫移式立體車庫采用模塊化設計，每單元可設計成兩層、三層、四層、五層、半地下等多種形式，車位數從幾個到上百個。此立體車庫適用于地面及地下停車場，配置靈活，造價較低。產品特點： 1) 節(jié)省占地，配置靈活，建設周期短； 2) 價格低，消防、外裝修、土建地基等投資少； 3) 可采用自動控制，構造簡單，安全可靠； 4) 存取車迅速，等候時間短； 5) 運行平穩(wěn)，工作噪聲低； 6) 適用于商業(yè)、機關、住宅小區(qū)配套停車場的使用。 與其它幾種類型相比，由于升降橫移式立體車庫適應性強而備受青睞。該類車庫升降由一臺電機拖動，通過鋼絲繩拖動搬運器垂直升降，橫向移動的借助導軌，也是由一臺電機變可實現(xiàn)車位移動，它的主要優(yōu)點在于同一層的車位移動獨立，可以自由動作并且時間段，縮短了存取車的時間。通過分析比較各種類型的優(yōu)缺點，結合技術可行性和投資經濟性，本課題的立體車庫類型設計為升降橫移式。 2.2 立體車庫的結構 升降橫移式立體停車庫的主要包括主框架部分、載車板部分和傳動系統(tǒng)。主框架部分大多采用鋼板、型鋼連接而成的結構；載車板采用框架式，這種載車板的優(yōu)點是可按需要設置行車通道寬度，并具有較好的導入功能；傳動系統(tǒng)設計為每一個車位都有一搬運器，所需存取車輛的搬運器通過升降、橫移運動到達預定位置，進行車輛存取，完成存取全過程。 升降橫移類機械停車庫利用托盤移位產生垂直通道，實現(xiàn)高層車位升降存取車輛。其車位結構為 2 維矩陣形式，可設計為多層和多列。由于受收鏈裝置及進出車時間的限制，一般為 2～4 層(國家規(guī)定最高為 4 層)，2 層、3 層者居多，現(xiàn)在綜合考慮技術難度、占地面積、經濟實用性以及用戶需求等各種因素之后，決定選取以典型的地上 3×3 升降橫移式為例，說明停車庫的運行原理，其外觀見圖 1車庫結構示意圖。 圖1 車庫結構示意圖 Fig1 The garage structure diagram 2.3 立體車庫的控制總體方案 升降橫移立體停車庫以停放轎車為主，適用于地面及地下停車場，配置靈活。而且立體停車庫使用時涉及到人身和車輛的安全，所以對設備的安全性和可靠性要求非常高。PLC 采用了以計算機為核心的通用自動控制裝置，集微機技術、自動化技術、通訊技術為一體，可靠性強、性價比高、設計緊湊、擴展性好、操作方便，適用于頻繁啟動和惡劣的環(huán)境，因此在立體停車庫控制系統(tǒng)中通常采用 PLC 作為電控系統(tǒng)的核心[4]。 同時，本系統(tǒng)以 MCGS 組態(tài)軟件設計監(jiān)控界面，利用數據通信手段，實時接收和處理 PLC 從現(xiàn)場采集的各種狀態(tài)、控制、報警信號，并利用這些信號驅動 PC 控制界面中的各種圖形，實時顯示現(xiàn)場的各種狀況，在操作員和停車庫之間構造出形象、直觀的界面，對操作運行和故障給出提示、報警等。 2.3.1 系統(tǒng)的工作原理及過程 整個系統(tǒng)將由 PLC、變頻器、條碼打印機和條碼掃描器組合控制，用轉換開關來控制設備的手動運行、自動運行和正常停止[5]。 當把轉換開關置于手動運行檔時，手動指示燈亮，可通過按鈕和轉換開關來控制車位的上下和左右移動；在把轉換開關置于自動擋時，自動指示燈亮，按下存車按鈕，此時條碼打印機通過 PLC 傳來的指示打印條碼，然后把條碼上的車位移出讓你存車，最后可憑此條碼，在條碼掃描器上把信息傳到 PLC 中去，經過 PLC 的處理，就可把相應的車位移出，讓你取走，這樣便實現(xiàn)了自動存取車；在把轉換開關置于停止擋時，車位在完成移動后停下，接著停止指示燈亮。在運行過程中，當發(fā)生特殊情況或故障時，按下急停按鈕，車位瞬間停下，直到排除故障后，復位急停按鈕，車位又按原來停下的位置繼續(xù)運行下去。用 PLC 內的預置程序來控制整個系統(tǒng)的運行，用電機的正反轉來控制車位的上下左右移動，由變頻器的正反轉及輸出停止來控制電機移動和急停，存車則由條碼打印機來打出憑條，取車則把該憑條用條碼掃描器掃進 PLC，實現(xiàn)存取車的自動化。最后完成對 PLC、PC機、Profibus 總線、變頻器、條碼打印機、條碼掃描器電機、轉換開關、按鈕站、電控柜、光電傳感器、限位開關、車位和車庫的安裝及接線。 整個系統(tǒng)共有一個電控柜，一個存取車操作系統(tǒng)，另設一個按鈕站，操作及維護簡單，安全可靠性高。電氣控制系統(tǒng)的主電路供電為三相四線制 AC380V，控制回路用單相 220V 供電，信號電路由 PLC 可編程控制器本身提供 DC24V 供電。在確保各設備都正常的情況下[6]。 接通電源，電源指示燈亮。該設備有以下幾種工作情況： (1)手動運行：將電柜的“自動 停止 手動”選擇開關扳到“手動”位置時，手動指示燈亮，即可在電柜面板上選擇相應的手動按鈕及動作升降橫移選擇開關進行操作； (2)自動運行：將電柜的“自動 停止 手動”選擇開關扳到“自動”位置，“自動運行”指示燈亮，即可按下存車按鈕，此時條碼打印機通過 PLC 傳來的指示打印條碼，然后把條碼上的車位移出讓你存車。最后可憑此條碼，在條碼掃描器上把信息傳到 PLC中去，經過 PLC 的處理，就可把相應的車位移出，讓你取走，這樣便實現(xiàn)了自動存取車[7]； (3)正常停止：將電柜“自動 停止 手動”轉換開關扳到“停止”位置時，設備恢復到原位正常停止，關閉電柜電源開關，停止設備。 還有以下幾種保護功能[8]： (1)斷電保護：當設備突然斷電，恢復供電后，系統(tǒng)能按斷電前的動作繼續(xù)工作下去； (2)車子超長保護：當遇到車子過長時，將會報警提示，直到解除報警后，車位才回到原位等待下一輛車的到來； (3)急停保護：當發(fā)生特殊情況或故障需緊急停機時，按下急停按鈕開關，設備瞬時停止。當排除故障，將急停按鈕復位，設備將按照停止前的狀態(tài)繼續(xù)運行下去，直到按停止按鈕才恢復到原位正常停止； (4)離車保護：當駕駛員離車后走出黃色警戒線，車位才開始運轉，見圖2車庫原理圖[7]。 圖2 車庫原理圖 Fig2 The principle diagram of the garage 2.3.2 動畫監(jiān)控界面設計 用 MCGS 設計監(jiān)控界面，建立立體車庫控制系統(tǒng)工程，設計出立體車庫控制工程畫面，因軟件對象元件列表中無轎車，暫用拖車代替，見圖3。 圖3 動畫監(jiān)控界面 Fig3 Animation monitoring interface 3 立體車庫的控制系統(tǒng)的硬件方案 3．1 硬件系統(tǒng)的方案 立體車庫是一種順序控制、運動控制、過程控制相結合的機電一體化產品，在控制系統(tǒng)的管理下實現(xiàn)車輛的自動化存取。一般來說，基于PLC的控制系統(tǒng)能夠適應和滿足立體車庫高性能的使用要求。PLC是專門為順序生產過程而設計的可編程控制器，由微處理器、輸入／輸出設備、保護及抗干擾隔離電路等構成，具有順序、周期性的工作特征，優(yōu)點主要體現(xiàn)為[9]： （1）可靠性高：采取了光電隔離、濾波、穩(wěn)壓保護、故障診斷等多種保護措施，抗干擾能力強，系統(tǒng)故障自診斷能力突出，在惡劣的環(huán)境下仍能可靠工作； （2）體積?。翰捎么笠?guī)模集成電路和微處理器，相比傳統(tǒng)的繼電器電路，體積大大縮減，實現(xiàn)了小型化，便于安裝和使用； (3) 適用性好：采用模塊化設計，可根據不同的控制要求靈活組合，模塊之間采用的是總線連接器，安裝方便；當硬件結構選定后，如果需要作很小的變動，只需修改相應的接線和程序即可，無需對系統(tǒng)連線做出較大的修改； (4)指示性好：PLC的電源、CPU、I/O模塊等都設有各種狀態(tài)指示燈，反映了模塊的工作狀態(tài)，利于控制系統(tǒng)的現(xiàn)場調試。 3.2 PLC的選型及特點 1.可靠性高，抗干擾能力強 （1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內部電路之間電氣上隔離；（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數一般為10~20ms； （3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾；（4）采用性能優(yōu)良的開關電源；（5）對采用的器件進行嚴格的篩選；（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大；（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或有三CPU構成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。 2.通用性強，控制程序可變，使用方便 PLC品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設計和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產工藝流程改變或生產設備更新的情況下，不必改變PLC的硬設備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，PLC除應用于單機控制外，在工廠自動化中也被大量采用。 3.功能強，適應面廣 現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運算、計時、計數、順序控制等功能，還具有數字和模擬量的輸入輸出、功率驅動、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺生產機械、一條生產線，又可控制一個生產過程。 4.編程簡單，容易掌握 目前，大多數PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數工廠企業(yè)電氣技術人員的讀圖習慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形圖語言的編程元件的符號和表達方式與繼電器控制電路原理圖相當接近。通過閱讀PLC的用戶手冊或短期培訓，電氣技術人員和技術工很快就能學會用梯形圖編制控制程序。同時還提供了功能圖、語句表等編程語言。 5.減少了控制系統(tǒng)的設計及施工的工作量 由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，控制柜的設計安裝接線工作量大為減少。同時，PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調試，更減少了現(xiàn)場的調試工作量。并且，由于PLC的低故障率及很強的監(jiān)視功能，模塊化等等，使維修也極為方便。 6.體積小、重量輕、功耗低、維護方便 PLC是將微電子技術應用于工業(yè)設備的產品，其結構緊湊，堅固，體積小，重量輕，功耗低，具有強抗干擾能力，易于裝入設備內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。 PLC選型是既要滿足控制系統(tǒng)的功能要求，還要考慮工藝改進后控制系統(tǒng)升級的需要，更要兼顧控制系統(tǒng)的制造成本，選擇可靠、維護使用最方便以及性能價格比最優(yōu)的機型。著重以PLC的機型結構、I/O、存儲器類型及容量、編程器和外部設備、PLC的處理速度等幾個因素來考慮[10]。 本文將采用三菱公司的可編程控制器 FXN2微型系列可編程控制器進行設計。FX2n系列PLC是FX系列中最高級的模塊。它擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點，F(xiàn)X2n是從16到256路輸入/輸出的多種應用的選擇方案。根據 I/O 分配表選用繼電器輸出的001MR128FXN2，輸入輸出點數都為 64，擴展模塊可用點數為 48～64。 3.3 電動機的選擇 （1）根據機械的負載性質和生產工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調速等要求，選擇電動機類型； （2）根據負載轉矩、速度變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升 限制、過載能力和啟動轉距，選擇電動機功率，并確定冷卻通風方式。所選電機應留有余量，負荷率一般取 0.8～0.9。過大的備用功率會使電機效率低，對于感應電機，其功率因數將變壞，并使按電動機最大轉矩校驗強度的生產機械造價提高； （3）根據使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護方式，選擇電動機的結構型式； （4）根據具體的電網電壓標準和對功率因數的要求，確定電動機的電壓等級和類型； （5）根據生產機械的最高轉速和對電力調速系統(tǒng)的過渡過程性能的要求，以及機械減速機構的復雜程度，選擇電動機額定轉速。除此之外，選擇電動機還必須符合節(jié)能要求，考慮運行可靠性、設備的供貨情況、備品備件的通用性、安裝檢修的難易，以及產品價格、建設費用、運行和維修費用、生產過程中前后期電動機功率變化關系等各種因素[11]。 升降橫移式立體停車庫控制系統(tǒng)的控制核心單元確定與控制任務有關，三層七車位橫移式立體停車庫有6個提升大電機，3個橫移小電機，由控制單元的輸出點控制，并要求實現(xiàn)正反轉。 由于立體停車庫的控制核心單元選用可編程控制器，可編程控制器內部驅動都是弱電直流器件，內部最大的電壓不超過±24V，所以電機應外接電源380V工頻交流電。對于每一部電機，可編程控制器的輸出單元都有兩個輸出點，分別驅動。 在此驅動元件是完成車庫車盤的橫移和升降的專用減速電機，查閱相關資料得知，升降速度>10m/min；橫移速度>13m/min；最大提升重量2800kg；由P=FV所知，升降機構電機功率4-5.5kw；橫移機構電機功率0.37-0.55kw。 據以上計算和實際需要，升降電機選擇 Y132S2-2三相異步電動機。電機額定功率為 5kw，額定電流為8.A，轉速為1440r/min，效率為84%，功率因數為0.82，最大轉矩與額定轉矩之比為2.3，最小轉矩與額定轉矩之比為1.5 ，堵轉轉矩與額定轉矩之比為2.3，堵轉電流與額定電流之比為7.0。橫移電機選用Y8012-2三相異步電動機。 三相異步電動機應用非常廣泛，它具有結構簡單、制造容易、價格低廉、運行可靠、維護方便和效率較高等一系列優(yōu)點。和同容量的直流電動機相比，異步電動機的重量約為直流電動機的一半，其價格僅為直流電動機的1/3左右。且由于異步電動機的交流電源可直接取自電網，用電既方便又經濟。Y 系列型號為Y2-112M-4 的三相異步電動機的主要性能及結構特點為，效率高，耗電少，性能好，噪聲低，振動小，體積小，重量輕，運行可靠，維修方便。為 B 級絕緣。結構為全封閉、自扇冷式，能防止灰塵、鐵屑、雜物侵入電動機內部。。 實現(xiàn)正反轉的兩個接觸器如圖4。 圖4 控制系統(tǒng)電機示意圖 Fig4 The diagram of electrical control system 3.4 傳感器的選擇 本升降橫移式立體停車庫控制系統(tǒng)要完成對車庫現(xiàn)場的監(jiān)控、運動位置的檢測等任務，需要大量的檢測傳感裝置。在選擇檢測傳感裝置時，其裝置一般要符合以下要求[12]： （1）輸入輸出信號之間要求一定的函數關系。經常要求時單值、直線性的函數關系，即符合Sc=ASr+K（Sc-傳感器的輸出值；A-靈敏度系數；Sr-傳感器輸入值；K-零點輸出）； （2）有較高的靈敏度和較大的信噪比。靈敏度搞，意味著被測量有微小變化時傳感器就有較大的輸出，但又要求傳感器本身噪聲小，且不易從外界引進干擾噪聲； （3）響應速度快又不失真。即要求輸出信號隨輸入信號變化的響應時間越短越好； （4）線性范圍寬。任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內輸出與輸入成正比關系。線性范圍越寬，表明傳感器的工作量程越大； （5）穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，穩(wěn)定性指傳感器經過長期使用后其輸出特性不發(fā)生變化。影響傳感器穩(wěn)定性的是時間和環(huán)境，環(huán)境又包括濕度、溫度、塵埃、振動、電場、磁場干擾等因素； （6）有較高的精確度。傳感器的精確度表明傳感器輸出與被測量之間的對應程度以及重復一致的程度； （7）輸出信號易于微機接口。對于控制系統(tǒng)而言，要求傳感器的輸出信號盡量符合計算機控制系統(tǒng)輸入通道的信號要求； （8）結構要簡單，易于安裝更換，易于維護，性價比要好。 在選擇傳感器監(jiān)測裝置時，要以上述要求為依據。本車庫控制系統(tǒng)中所涉及到的傳感監(jiān)測裝置-紅外探測器。 停車庫安裝紅外探測器有兩種功能：車庫在運行時，不允許有其它物體進入車庫工作區(qū)域，例如人和寵物；在夜間或者無管理員時，防止偷盜和蓄意破環(huán)等違法行為。在自然界，任何高于絕對溫度的物體（例如人和小寵物），其釋放的紅外能量的波長是不一樣的，因此紅外波長與溫度的高低是相關的。在被動紅外探測器中有兩個關鍵性的元件，一個是熱釋紅外傳感器（PTR），它能將波長為8-12um之間的紅外信號變化轉變?yōu)殡娦盘?，并能對自然界的白光信號具有抑制作用，因此在被動紅外探測器的警戒區(qū)內，當無人體移動時，熱釋電紅外感應器感應到的只是背景溫度，當人體或小寵物進入車庫運行警戒區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋點紅外感應器感應器感應到的是人體溫度與背景溫度的差異信號，因此，紅外探測器的紅外探測基本概念就是感應移動物體與背景物體的溫度的差異。另外一個器件就是菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡有兩種形式，即折射式和反射式。菲涅爾透鏡作用有兩個；一是聚焦作用，即將熱釋的紅外信號折射（反射）在PTR上，第二個作用是將警戒區(qū)內分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入警戒區(qū)的移動物體能以溫度變化的性是在PTR上產生變化熱釋紅外信號，這樣PTR就能產生變化的電信號。 3.5 行程開關 本升降橫移式立體停車庫橫移和升降定位所運用的檢測器件為行程開關。行程開關是將機械位移轉變?yōu)殡娦盘?，以實現(xiàn)對機械運動的電氣控制，應用于車庫系統(tǒng)的限位保護和行程控制。行程開關靠外加機械力使觸電動作，可分為三種：快速動作、非快速動作和微動。當運動部件移動速度小小于0.4m/min時應當選用快速動作的行程開關。停車庫中部件的運動均大于這個速度，使用的均為非快速行程開關。 3.6 I/O點的編號分配 編寫表2輸入分配表與表 3輸出分配表。根據 I/O 分配表，我們也能確認選用繼電器輸出的001MR128FXN2三菱PLC，輸入輸出點數都為 64，擴展模塊可用點數為 48～64[13]。 表2 輸入分配表 Table2 Input distribution list 序號 輸入地址 說明 序號 輸入地址 說明 1 X0 存車按鈕 2 X1 停止 3 X2 自動 4 X3 手動 5 X4 急停 6 X5 車位上升 7 X6 車位下降 8 X7 車位左移 9 X10 車位右移 10 X11 101車位按鈕 11 X12 201車位按鈕 12 X13 202車位按鈕 13 X14 203車位按鈕 14 X15 301車位按鈕 15 X16 302車位按鈕 16 X17 303車位按鈕 17 X20 101車位光電傳感器 18 X21 201車位光電傳感器 19 X22 202車位光電傳感器 20 X23 203車位光電傳感器 21 X24 301車位光電傳感器 22 X25 302車位光電傳感器 23 X26 303車位光電傳感器 24 X27 101左限位開關 25 X30 101下限位開關 26 X31 102左限位開關 27 X32 102右限位開關 28 X33 102下限位開關 29 X34 103右限位開關 30 X35 103下限位開關 31 X36 201上限位開關 32 X37 201下限位開關 33 X40 202上限位開關 34 X41 202下限位開關 35 X42 203上限位開關 36 X43 203下限位開關 37 X44 301上限位開關 38 X45 302上限位開關 39 X46 303上限位開關 40 X47 101位置的測長傳感器 41 X50 102位置的測長傳感器 42 X51 103位置的測長傳感器 43 X52 101位置的離車檢測傳感器 44 X53 102位置的離車檢測傳感器 45 X54 103位置的離車檢測傳感器 表3 輸出分配表 Table3 Output distribution list 序號 輸出地址 說明 序號 輸出地址 說明 1 Y0 停止指示燈 2 Y1 自動運行指示燈 3 Y2 手動運行指示燈 4 Y3 上升指示燈 5 Y4 下降指示燈 6 Y5 左移指示燈 續(xù)表3 序號 輸出地址 說明 序號 輸出地址 說明 7 Y6 右移指示燈 8 Y7 提示離車報警 9 Y10 提示離車報警指示燈 10 Y11 車身過長報警 11 Y12 101車位左移 12 Y13 101車位右移 13 Y14 201車位左移 14 Y15 201車位右移 15 Y16 202車位左移 16 Y17 202車位右移 17 Y20 203車位左移 18 Y21 203車位右移 19 Y22 201車位上升 20 Y23 201車位下降 21 Y24 202車位上升 22 Y25 202車位下降 23 Y26 203車位上升 24 Y27 203車位下降 25 Y30 301車位上升 26 Y31 301車位下降 27 Y32 302車位上升 28 Y33 302車位下降 29 Y34 303車位上升 30 Y35 303車位下降 3.7 生成控制系統(tǒng)PLC硬件接線圖 根據上述停車庫控制系統(tǒng)的各部分控制硬件及停車庫的具體結構和運動規(guī)律，以及在滿足現(xiàn)有技術和實際功能的情況下，生成控制系統(tǒng)PLC硬件接線圖如圖5所示。 4 立體車庫控制系統(tǒng)軟件的主體方案設計和具體實現(xiàn) 4.1 軟件所要完成的控制任務 在升降橫移式停車庫控制系統(tǒng)分析中，硬件配置部分已在前面章節(jié)詳細的進行了說明，并提出硬件配置的一局基本上是要根據停車庫所要完成的控制任務來確定，包括控制核心器件、傳感器檢測裝置等。同樣，在現(xiàn)有控制硬件的條件下，如何來完成控制任務，這就要通過軟件系統(tǒng)對控制的實現(xiàn)。本節(jié)講要詳細的明確軟件所要完成的控制任務?？傮w來說軟件系統(tǒng)就是在硬件系統(tǒng)的支撐下，向驅動但愿發(fā)出控制指令，使執(zhí)行機構在預想的過程中，準確無誤的完成所要完成的控制任務。而控制硬件和軟件都有自己的控制任務。本立體車庫中的軟件系統(tǒng)就是要運用自身的編程語言（梯形圖）以及相關的功能塊語言，進行合理的排序和邏輯運算，再通過合理的判斷和掃描程序運算結果，由硬件系統(tǒng)向驅動單元輸出最終的判斷結果，從而完成軟件控制。 4.2 系統(tǒng)的操作過程 4.2.1 開機準備 接通電源，將電控柜的左側面電源控制開通，主空氣開關閉合接通，電柜有電時， 電源指示燈亮。 圖5 立體車庫硬件接線圖 Fig5 The diagram of stereo garage hardware wiring 4.2.2 手動操作 將電柜的（自動、停止、手動）轉換開關置于“手動”位置，“手動運行”指示燈亮，即可在電柜面板上選擇相應的手動按鈕及動作升降橫移選擇開關進行操作。另外取車之前要保證各車位與車盤在相對應的位置上，即 101 車盤在 101 車位，其余類同，才能按照下面的操作方法進行操作，否則要根據實際情況進行相對應的手動操作。車庫位置圖見圖6。 圖6 車庫位置圖 Fig6 The garage site plan （1）取201車盤上的車，手動操作過程如下： 將“左移 右移”選擇開關扳到右移，按下101車盤按鈕，直至101車盤行到102車位停止；再將“上升 下降”轉換開關扳到下降，按下201車盤按鈕，直至201車盤降到101車位停止。開走所要取的車之后再進行如下操作。 將“上升 下降”轉換開關扳到上升，按下201車盤按鈕，直至201車盤升到201 車位停止。將“左移 右移”選擇開關扳到左移，按下101車盤按鈕，直至101車盤返回 101車位停止。這樣就完成了201車盤車位取車的手動操作全過程。 （2）取202車盤上的車，手動操作過程如下： 將“上升下降”轉換開關扳到下降，按下202車盤按鈕，直至202車盤降到102車位停止。開走所要取的車之后再進行如下操作。 將“上升下降”轉換開關扳到上升，按下202車盤按鈕，直至202車盤升到202車位停止。這樣就完成了202車盤車位取車的手動操作過程。 （3）取203車盤上的車，手動操作過程如下： 將“上升下降”轉換開關扳到下降，按下203車盤按鈕，直至203車盤降到103車位停止。開走所要取的車之后再進行如下操作。 將“上升下降”轉換開關扳到上升，按下203車盤按鈕，直至203車盤升到203車位停止。這樣就完成了202車盤車位取車的手動操作過程。 （4）取301車盤上的車，手動操作過程如下： 將“左移右移”選擇開關扳到右移，按下101車盤按鈕，直至101車盤行到103車位停止；再將“上升下降”轉換開關扳到下降，按下201車盤按鈕，直至201車盤降到101車位停止；然后將“左移右移”選擇開關扳到右移，按下201車盤按鈕，直至201車盤行到102車位停止；最后將“上升下降”轉換開關扳到下降，按下301車盤按鈕，直至301車盤降到101車位停止。開走所要取的車之后再進行如下操作。 將“上升下降”轉換開關扳到上升，按下301車盤按鈕，直至301車盤升到301車位停止；再將“左移右移”選擇開關扳到左移，按下201車盤按鈕，直至201車盤返回101車位停止；然后將“上升下降”轉換開關扳到上升，按下201車盤按鈕，直至201車盤升到201車位停止；最后將“左移右移”選擇開關扳到左移，按下101車盤按鈕，直至101車盤返回101車位停止。這樣就完成了301車盤車位取車的手動操作全過程。 （5）取302車盤上的車，手動操作過程如下： 將“上升下降”轉換開關扳到下降，按下202車盤按鈕，直至202車盤降到102車位停止；再將“左移右移”選擇開關扳到右移，按下202車盤按鈕，直至202車盤行到103車位停止；最后將“上升下降”轉換開關扳到下降，按下302車盤按鈕，直至302車盤降到102車位停止。開走所要取的車之后再進行如下操作。 將“上升下降”轉換開關扳到上升，按下302車盤按鈕，直至302車盤升到302車位停止；再將“左移右移”選擇開關扳到左移，按下202車盤按鈕，直至202車盤返回102車位停止；最后將“上升下降”轉換開關扳到上升，按下202車盤按鈕，直至202車盤升到202車位停止。這樣就完成了302車盤車位取車的手動操作過程。 （6）取 303 車盤上的車，手動操作過程如下： 將“上升下降”轉換開關扳到下降，按下203車盤按鈕，直至203車盤降到103車位停止；再將“左移右移”選擇開關扳到左移，按下203車盤按鈕，直至203車盤行到102車位停止；最后將“上升下降”轉換開關扳到下降，按下303車盤按鈕，直至303車盤降到103車位停止。開走所要取的車之后再進行如下操作。 將“上升下降”轉換開關扳到上升，按下303車盤按鈕，直至303車盤升到303車位停止；再將“左移右移”選擇開關扳到右移，按下203車盤按鈕，直至203車盤返回103車位停止；最后將“上升下降”轉換開關扳到上升，按下203車盤按鈕，直至203 車盤升到203車位停止。這樣就完成了303車盤車位取車的手動操作過程。 4.2.3 自動運行 將電柜的“自動 停止 手動”選擇開關扳到“自動”位置，“自動運行”指示燈亮。即可按下存車按鈕，此時條碼打印機通過 PLC 傳來的指示打印條碼，然后把條碼上的車位移出讓你存車。最后可憑此條碼，在條碼掃描器上把信息傳到 PLC 中去，經過 PLC 的處理，就可把相應的車位移出，讓你取走，這樣便實現(xiàn)了自動存取車[13]。 4.2.4 流程圖設計 由于存車跟取車過程相似，這里以取車流程為例，見圖7。 圖7 取車流程圖 Fig7 Take car flow chart 4.2.5 停機 （1）正常停機 將電柜“自動 停止 手動”轉換開關轉向“停止”位置，“停止運行”指示燈亮，設備恢復到原位正常停止，關閉電柜電源開關，停止設備。 （2）特殊停機 當發(fā)生特殊情況或故障需緊急停機時，按下急停按鈕開關，設備瞬時停止。當排除故障，將急停按鈕復位，設備將按照停止前的狀態(tài)繼續(xù)運行下去，直到按停止按鈕才恢復到原位正常停止。 4.3 PLC 控制梯形圖的簡要說明 圖8 梯形圖1 Fig8 Ladder diagranm1 如圖8梯形圖1所示： 0—當X003狀態(tài)為ON，SET S20置位并保持，整個系統(tǒng)處于手動控制狀態(tài)； 3—當S20、X011、X010狀態(tài)為ON，101車位右移；若X032狀態(tài)也同時為ON，102 車位限制右移； 10—當S20、X013、X006狀態(tài)為ON，手動運行指示燈；若X033狀態(tài)也同時為ON，SET S31置位并保持； 16—當S20、X014、X006狀態(tài)為 ON，203車位下降；若X035狀態(tài)也同時為 ON，SET S36置位并保持； 22—當S21、X034狀態(tài)為ON，SET S24置位并保持； 26—當S21、X012、X006 狀態(tài)為 ON，201車位下降；若X030 狀態(tài)也同時為ON，SET S22置位并保持； 32—當S22、X012、X005 狀態(tài)為ON，201車位上升；若X036狀態(tài)也同時為ON，SET S23置位并保持。 圖9 梯形圖2 Fig9 Ladder diagranm2 如圖9梯形圖2所示： 33—當S23、X011、X007狀態(tài)為ON，101車位左移，SET S20置位并保持； 45—當S24、X012、X006狀態(tài)為ON，201車位下降；若X030狀態(tài)也同時為ON，SET S25置位并保持； 52—當S25、X012、X010狀態(tài)為ON，201車位右移；若X032狀態(tài)也同時為ON，SET S26置位并保持； 59—當S26、X015、X006 狀態(tài)為ON，301車位下降；若X030狀態(tài)也同時為ON，SET S27置位并保持； 66—當S27、X015、X005狀態(tài)為ON，301車位上升；若X044狀態(tài)也同時為ON，SET S28 置位并保持； 73—當S28、X012、X007狀態(tài)為ON，201車位左移；若X027狀態(tài)也同時為ON，SET S29置位并保持； 80—當S29、X012、X005狀態(tài)為ON，201車位上升；若X036狀態(tài)也同時為ON，SET S30置位并保持； 87—當S30、X011、X007狀態(tài)為ON，101車位左移，SET S20置位并保持； 93—當S37、X013、X005狀態(tài)為ON，202車位上升，SET S20置位并保持；若X010 狀態(tài)也同時為ON，202車位右移；若X034狀態(tài)還為ON，SET S32置位并保持。 圖10 梯形圖3 Fig10 Ladder diagranm3 如圖10梯形圖3所示： 106—當S32、X016、X006 狀態(tài)為ON，302車位下降；若X038狀態(tài)也同時為ON，SET S33置位并保持； 113—當S33、X016、X005 狀態(tài)為ON，302車位上升；若X045狀態(tài)也同時為 ON，SET S34置位并保持； 120—當S34、X013、X007狀態(tài)為ON，202車位左移；若X031狀態(tài)也同時為ON，SET S3置位并保持； 127—當S35、X013、X005 狀態(tài)為ON，202車位上升；若X040狀態(tài)也同時為ON，SET S20 置位并保持； 134—當S36、X014、X005 狀態(tài)為ON，203車位上升；若X042狀態(tài)也同時為ON，SET S20置位并保持。當S36、X014、X007狀態(tài)為ON，203車位左移；若X031狀態(tài)也同時為ON，SET S37置位并保持。 圖11 梯形圖4 Fig11 Ladder diagranm4 如圖11梯形圖4所示： 148—當S37、X017、X006 狀態(tài)為ON，303車位下降；若 X034狀態(tài)也同時為ON，SET S38置位并保持； 155—當S38、X017、X005狀態(tài)為ON，303車位上升；若X046狀態(tài)也同時為ON，SET S39置位并保持； 162—當S39、X014、X010狀態(tài)為ON，203車位右移；若X034狀態(tài)也同時為ON，SET S40置位并保持； 169—當S40、X014、X005狀態(tài)為ON，203車位上升；若X042狀態(tài)也同時為ON，SET S20置位并保持。 5 升降橫移式立體車庫的安全性問題 5.1 防干擾和電力超載裝置 此裝置可防止外界干擾，使得PLC得到正確的信號，而且在電力超載的情況下可以自動斷電。 5.2 光電檢測 （1）存車時，檢測搬運器上車輛停放是否到位，采用光電開關在底層進行掃描， 光電開關的接收器與發(fā)射器分別安裝在底層左右兩邊，對搬運器前后位置進行檢測。 當車輛停放不到位時，車輛就將光電開關光源擋住，此時系統(tǒng)就會警告;只有當車輛 停放到位后，系統(tǒng)才正常工作[14]； （2）調動搬運器時，要檢測搬運器停放是否到位； （3）檢測搬運器上有無車輛，可在每個搬運器的一條對角線上安裝一套光電開關，用于檢測其上有無車輛； （4）光電開關安裝于立體停車庫的車輛進出口、車庫內部兩側，立體停車庫車輛進出口的光電開關防止在車庫運動過程中有人進入而發(fā)生意外，車庫內部兩側的光電開關是檢測車輛是否超高，搬運器上的光電開關是檢測車輛是否超長。假如車輛超高或