全自動立體停車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全自動立體停車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),全自動,立體,車庫,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 英文文獻(xiàn)翻譯城鎮(zhèn)地下智能立體停車庫停車引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析摘要論文調(diào)查了應(yīng)用于城鎮(zhèn)商業(yè)區(qū)的地下立體停車庫智能測控系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件。首先，對車輛存儲和智能監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成進(jìn)行了探索，方案涉及倉庫引導(dǎo)，存取模式和傳動系統(tǒng)。其次，成功地對車輛引導(dǎo)系統(tǒng)的超限檢測模塊和停車位置檢測模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。第三，應(yīng)用半導(dǎo)體激光及外圍電路采集存儲車輛的三維信息（例如，長、寬、高）和位置。采用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行信號采集，聲光引導(dǎo)信息的控制及其輸出。完成了基于上述信息的控制程序的編程、調(diào)試和測試。對城鎮(zhèn)商業(yè)區(qū)停車只能引導(dǎo)控制的研究一定程度上降低了車庫的控制成本，提高了成本效益，對立體車庫的普及和應(yīng)用有重要意義。關(guān)鍵詞：智能立體車庫 半導(dǎo)體激光 停車引導(dǎo) 超限檢測 1. 介紹作為一種交通運(yùn)輸方式，汽車已經(jīng)廣泛普及，其銷量逐年迅速增加。各種品牌和型號的汽車出現(xiàn)在我們身邊且影響著我們的生活。越來越多的人認(rèn)為智能立體停車庫是一種緩解停車難問題的有效方式，尤其在城鎮(zhèn)區(qū)域1。入庫、存儲、出庫的安全性成為人們最終接受立體車庫停車的關(guān)鍵因素2。目前，智能立體車庫的應(yīng)用在我國內(nèi)陸城市還處于初級階段3。發(fā)展低成本、易于實(shí)現(xiàn)的智能立體車庫控制系統(tǒng)具有重要的實(shí)踐意義。本文以城鎮(zhèn)商業(yè)區(qū)為背景，應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)、聲音報(bào)警技術(shù)、激光傳感器及其外圍電路，設(shè)計(jì)了自動引導(dǎo)車輛進(jìn)入特定位置的城鎮(zhèn)智能立體車庫智能控制系統(tǒng)。汽車超限檢測和停車位置檢測保障了車輛和人的安全。2. 測控方案和原理立體車庫是一種智能邏輯運(yùn)輸系統(tǒng)，是機(jī)械、電子、液壓、光學(xué)、磁控、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的集合4。它的主要測控系統(tǒng)可分解為倉庫引導(dǎo)、自動存取模式和傳輸?shù)?。倉庫引導(dǎo)：當(dāng)一輛汽車進(jìn)入車庫入口，檢測裝置檢測其外形尺寸，同時(shí)將檢測信號傳送到STC89C52單片微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）。如果檢測到的長、寬、高超過范圍，單片機(jī)控制系統(tǒng)報(bào)警且向計(jì)算機(jī)發(fā)送停止信號；其它設(shè)備停止動作，提示車輛出庫。對于尺寸適合的車輛，停車位置檢測模塊檢測車輛的位置，通過語音提示系統(tǒng)和引導(dǎo)燈引導(dǎo)車輛進(jìn)入特定位置。存取模式：在交通繁忙的城鎮(zhèn)商業(yè)區(qū)，車輛進(jìn)出車庫頻繁甚至交叉進(jìn)出。為了避免連續(xù)存取車期間載車板上無車的情況，本系統(tǒng)選用了更加高效的叉梳式存取模式。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，傳動部件少，維護(hù)成本低，運(yùn)行效率高。這里，叉梳式指停車位為一固定叉梳，電梯為一運(yùn)動的叉梳。固定叉梳和運(yùn)動叉梳的結(jié)構(gòu)正好互補(bǔ)，例如，一個梳齒對應(yīng)另一梳齒間的空隙。當(dāng)電梯到達(dá)目的樓層，設(shè)備上的運(yùn)動叉梳橫移，通過相同的運(yùn)動停車或取車。車輛存取是通過固定叉梳和運(yùn)動叉梳的相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，所以必須設(shè)計(jì)允許運(yùn)動叉梳上下運(yùn)動的充足空間。固定叉梳的一邊如圖1所示。圖1 固定叉梳的一邊傳輸設(shè)備：傳輸設(shè)備分為鏈傳動和鋼絲繩傳動。鏈傳動簡單可靠，便于維護(hù)，成本較低，沖擊相對較高且提升高度有限5。需要注意咬鏈的發(fā)生。鋼絲繩驅(qū)動不受限制的底盤可以增加車庫高度，降低成本，但是需要附加的鋼絲繩斗和和剎車盤，又增加了安裝調(diào)試的時(shí)間和成本6。考慮到土地和安裝成本，選用鋼絲繩曳引方式。3. 倉庫引導(dǎo)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)倉庫引導(dǎo)系統(tǒng)分為兩個階段：即超限檢測和停車位置檢測。超限檢測通過傳感器獲取車輛長、寬、高參數(shù)，確保車輛尺寸符合規(guī)格限制要求。單片機(jī)接收檢測信號。當(dāng)檢查失敗，聲光報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號，通知主控系統(tǒng)，停止接下來的動作。如果檢測都通過，車輛將允許進(jìn)入存儲，伴隨著后續(xù)操作。停車為檢測使用激光傳感器在車庫入口檢測車輛，單片機(jī)根據(jù)接收到的信號，通過燈光信號和語音提示模塊，引導(dǎo)車輛至目的位置。圖2是該系統(tǒng)的框圖。 超限檢測和停車位置檢測基于光電檢測方式。利用車體遮擋光線，通過同步回路選通電路檢測信號有無。多組傳輸和接收設(shè)備判斷車輛是否超限或者判斷車輛位置。采用半導(dǎo)體激光二極管作光源發(fā)射信號，因?yàn)榧す庀喔尚院头较蛐院?，發(fā)散角小，亮度高，易于調(diào)節(jié)。激光發(fā)射主要由激光調(diào)制器，驅(qū)動電路和半導(dǎo)體激光二極管等組成。激光調(diào)制管等效為一集成電路，它有一個鎖相環(huán)電路，自動增益控制。給激光管發(fā)送一特定頻率的振蕩波后，經(jīng)芯片放大，激光管發(fā)光。選用日本的三洋紅光半導(dǎo)體激光二極管DL-3147-3147作為激光傳輸器。激光接收器主要由接收電路、放大電路、解調(diào)電路、驅(qū)動電路、執(zhí)行電路等組成。激光接收裝置接收波長500nm500nm,頻率范圍160KHZ到200KHZ的光波，占空比調(diào)制范圍2030%。輸出的數(shù)字電壓信號經(jīng)電容濾波，送至單片機(jī)作后續(xù)處理。單片機(jī)通過接收到的信號判斷車輛信息，控制語音提示和引導(dǎo)燈。激光發(fā)射器和接收器組成了激光傳感器。激光發(fā)射電路如圖3所示。圖3 激光發(fā)射電路A. 車輛超限檢測激光傳感器測量車輛尺寸，以確保存儲車輛未超過車庫規(guī)格限制。這一模塊由5對激光傳感器組成，檢測車輛的長、寬和高。兩對傳感器安裝在倉庫兩側(cè)墻面某高度位置。兩對傳感器（C1和C2）檢測車輛長度；兩對傳感器（D1和D2）加測檢測車輛寬度；傳感器E檢測車輛高度，檢測電路如圖4所示。當(dāng)接收到激光，常低的接收器輸出一高電平信號。圖4 超限檢測與單片機(jī)接口電路 定位檢測和超限檢測激光傳感器布局如圖5.當(dāng)一汽車到達(dá)，單片機(jī)控制激光傳感器。如果P2.0為低電平，認(rèn)為車輛超限。根據(jù)接收到的信號，單片機(jī)控制引導(dǎo)燈，蜂鳴器和語音提示系統(tǒng)。圖5 激光傳感器布局B. 停車位置檢測在單片機(jī)的控制下，車庫入口的引導(dǎo)燈和語音提示的組合引導(dǎo)駕駛員將車輛停放至以特定位置。單片機(jī)根據(jù)接收到的信號判斷車輛位置，然后同步語音提示和車輛向前、向后或停車完成的引導(dǎo)燈。八個激光傳感器被水平安裝在車庫入口兩邊前面上適宜高度位置，分為兩組。根據(jù)車輛方向好，激光接收器編號為A3A0和B0B3。A3A0形成一四位二進(jìn)制碼A，A3為高位，A0為低位，B0B3形成一四位二進(jìn)制碼B，B3為高位，B0為低位。將A和B放入74LS85四位數(shù)字比較器，輸出分別連接到單片I/O端口，如圖6。單片機(jī)通過處理I/O端口信息判斷車輛是否停在指定位置，然后發(fā)送信號至指示燈和語音提示系統(tǒng)。74LS85為一高電平有效邏輯芯片，高電平代表“1”，低電平代表“0”。如果P2.3為低電平，例如AB，代表車輛停在指定位置前面，則“向后”指示燈亮起，語音提示車輛后退。確認(rèn)車輛到位后，單片機(jī)發(fā)送請求至其他系統(tǒng)，叉梳開始運(yùn)動并將車輛運(yùn)送至分配好的車位進(jìn)行存儲。C：語音提示 語音提示模塊實(shí)現(xiàn)自動語音提示功能。語音模塊采用ISD公司的ISD1420語音芯片。低功耗ISD1420芯片待機(jī)功率0.5W,播放時(shí)間為20s。可連續(xù)播放或分段播放。整個時(shí)間可被分為160段，最小一段：20s/160 段=0.125s，信息存儲無需供電。按鈕S1，S2,S3主要實(shí)現(xiàn)模塊芯片的手動錄音調(diào)試，單片機(jī)通過P0端口選擇播放內(nèi)容。ISD1420的PLAYL引腳和REC引腳分別通過上拉電阻連接到單片機(jī)的P2.7和P2.6引腳，從而控制語音提示的播放。語音提示和單片機(jī)接口電路如圖7.。圖6 定位檢測和單片機(jī)接口電路圖7 語音提示和單片機(jī)接口電路4.倉庫引導(dǎo)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)系統(tǒng)程序主要由初始化、超限檢測、位置檢測、引導(dǎo)指示、語音提示等組成。程序流程圖如圖8。初始化主要設(shè)置通信、中斷、定時(shí)器初始狀態(tài)等。5. 結(jié)論論文研究了應(yīng)用于城鎮(zhèn)商業(yè)區(qū)的立體車庫的車輛停車引導(dǎo)系統(tǒng)的智能控制方法。智能停車引導(dǎo)系統(tǒng)利用激光傳感器判斷車輛是否超限和指定位置，STC89C52單片微型計(jì)算機(jī)控制語音提示模塊和引導(dǎo)燈模塊，引導(dǎo)車輛進(jìn)入指定位置，實(shí)現(xiàn)車輛存儲引導(dǎo)的智能運(yùn)行。系統(tǒng)亦可使用在于其他定位和引導(dǎo)應(yīng)用。叉梳式存取方式能有效避免存取車時(shí)的空行程，提高存取效率。系統(tǒng)的不同部分相互配合以實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)商業(yè)去立體車庫的高效、安全、智能存取。致謝感謝第三屆儀器測量、計(jì)算機(jī)、通信和控制國際會議的支持。圖8 程序流程圖參考文獻(xiàn)1 Manli Cha, Mingxing Lin, Monitoring system for stereo garage, J Chinese Journal of scientific instrument, vol. 27 No. 6, 2006, pp. 140141. 2 Yubin Zhang, Yunping Yao, Zhengang Wu, Intelligent Infusion Device Control System Based on Chip Microcomputer. In International Forum on Information Technology and Applications.Kunming, 2010, pp. 301304. 3 Mingsheng Qu,Sun Wei, Deqiang Jing, Car storage-retrieval safety problems in up-and-down translation parking equipmentJ Hoisting and Conveying Machinery, vol.10, 2012, pp. 107109. 4 Dusan Teodorovic, Panta Lucic, Intelligent parking systems, J EuroPean Journal of Operational Research, vol. 175, 2006, pp. 1666-16815 Holton, Amy E., Fisher, Donald L, Advanced parking management systems:Models of driversParking strategies,J Proeeedings of the Human Factors and Ergonomies Society, vol. 3, 2003,pp. 3437. 6 He Jun, Fangkui Chen, Application of intelligent accessing & handover carrier in high-rise parking equipment, J Hoisting and Conveying Machinery, vol.9, 2012, pp. 7982.第8頁 共8頁元件型號個數(shù)廠家S7-200 CPU226 ( 6ES 7216-2AD23-0XB0)1西門子DC24V電源PS207 （ 6EP1 332-1LA10）1西門子MM440變頻器6SE6440-2UD33-0EB11西門子PC略1制動電阻6SE6400-4BR24-0FA02西門子(國產(chǎn))隔離變壓器ABL6TS16U1施耐德電抗器6SE6400-3CR08-3ED01西門子(國產(chǎn))設(shè)備清單配件清單元件型號個數(shù)廠家槽型光電開關(guān)E3Z-GN11B4OMRON擴(kuò)散反射光電開關(guān)E3FA-DN231OMRON極限開關(guān)HL50007OMRON急停按鈕1超載檢測傳感器1三位四通換向閥2二位二通換向閥1曳引電機(jī)接觸器Tesys1施耐德橫移電機(jī)接觸器Tesys1施耐德舉升電機(jī)接觸器Tesys1施耐德曳引制動器接觸器Tesys1施耐德蜂鳴器施耐德施耐德斷路器Tesys7施耐德接觸器Tesys8施耐德電磁繼電器Tesys3施耐德熱繼電器Tesys2施耐德風(fēng)扇維修燈指示燈電壓表電流表旋鈕開關(guān)維修插座全自動立體停車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)GRADUATION DESIGN(THESIS)題目：全自動立體停車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)II全自動立體停車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本文設(shè)計(jì)了一種垂直升降式立體停車庫，其機(jī)械部分主要采用小車作為橫移裝置，用舉升機(jī)實(shí)現(xiàn)載車板交換，用曳引系統(tǒng)完成垂直升降；車庫共8層，每層2個車位，共14個車位。本文的重點(diǎn)在于立體車庫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)采用PLC作控制器，利用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用各種接近開關(guān)作檢測裝置。用功能分析的方法設(shè)計(jì)了詳細(xì)的控制方案、檢測方案，并進(jìn)行了車庫的安全設(shè)計(jì)。對低速定位原理進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，得出平方反比規(guī)律。提出變頻器分時(shí)驅(qū)動兩臺電機(jī)的思路。完成對主要元器件的選型，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的主電路，PLC I/O電路和變頻器接線電路。用順序控制的方法設(shè)計(jì)了PLC控制程序，提出監(jiān)控軟件的界面設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了控制柜的元件布置圖，完成控制柜的柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：立體車庫 橫移小車 控制系統(tǒng) PLC 變頻器 控制柜Design of an automatic stereo garage control systemAbstractThe thesis designs vertical lifting stereo garage,of which the mechanical part adapts A vehical as the sideslipping equipment,a hydraulic lifter to exchange the car carrying board,a traction system to lif vertically.There are 8 floors in the garage,two parking spots on each floor and 14 parking spots altogether.The thesis emphasize on the control system of stereo garage.The control system adapts PLC as the controller,the frequency converter as the speed regulator, proximity switch as the sensor.With the method of function-analyzing,design specific control and sensing and safety solutions.Analyze the principle of low speed positioning mathmatically and find the inverse-squarelaw.Propose an idea of time-sharing driving with one convertor.Select main equipments and design the power circuit and the control circuit of PLC and convertor.Design the control program of PLC using the sequential control method and design the control and monitor interface.Design the layout of elements of control cabinet,try the structure design.Key words：stereo garage sideslipping vechical control system PLC frequency converter control cabinet 目錄第1章 緒論1 1.1 研究背景及意義1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展概況1 1.3 立體車庫的種類2 1.4 本文研究的內(nèi)容3第2章 總體設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)4 2.1 立體車庫總體方案4 2.1.1 立體車庫類別及基本參數(shù)4 2.1.2 主功能原理設(shè)計(jì)4 2.1.3 立體車庫的技術(shù)參數(shù)7 2.1.4 車庫總體布置圖7 2.2 控制系統(tǒng)總體方案8 2.2.1 控制系統(tǒng)功能分析8 2.2.2 曳引控制方案設(shè)計(jì)8 2.2.3 橫移控制方案設(shè)計(jì)14 2.2.4 舉升控制方案設(shè)計(jì)15 2.2.5 安全設(shè)計(jì)17 2.2.6 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案19第3章 控制系統(tǒng)電器選型及電路設(shè)計(jì)21 3.1 主電路設(shè)計(jì)21 3.1.1 動力電路21 3.1.2 直流供電電路23 3.1.3 輔助電路23 3.1.4 斷路器設(shè)置23 3.1.5 接地23 3.2電氣設(shè)備選型24 3.2.1 執(zhí)行電器選型24 3.2.2 變頻器選型24 3.2.3 PLC選型26 3.2.4 變頻器選件選型27 3.2.5 接近開關(guān)選型27 3.2.6 設(shè)備和器件清單28 3.3 PLC I/O接口電路設(shè)計(jì)29 3.4 變頻器電路設(shè)計(jì)30第4章 控制柜設(shè)計(jì)32 4.1 控制柜元件布置圖設(shè)計(jì)32 4.2 控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)33 4.3 電源指示及控制面板設(shè)計(jì)36第5章 軟件設(shè)計(jì)37 5.1 控制軟件流程圖設(shè)計(jì)37 5.2 控制軟件程序設(shè)計(jì)42 5.2.2自動程序總體設(shè)計(jì)方法42 5.2.3自動程序的調(diào)用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路42 5.2.4與變頻器的通信44 5.3 監(jiān)控軟件界面設(shè)計(jì)44 第6章 結(jié)論45結(jié)束語46 參考文獻(xiàn)47附錄48 全自動立體車庫控制軟件程序48V 第1章 緒論1.1 研究背景及意義隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平逐漸提高，對汽車的需求量也逐漸升高；同時(shí)，汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展使得其價(jià)格被越來越多的人接受。于是，城市汽車保有量逐年增加，且勢頭越來越猛。然而，汽車保有量的提高在方便人們出行，提高生活質(zhì)量的同時(shí)，也帶來了一系列問題。除了造成交通擁堵外，停車難問題也越來越嚴(yán)重。目前我國各主要城市在停車設(shè)施的建設(shè)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于道路建設(shè)和汽車工業(yè)的發(fā)展，然而城市用地本身就比較緊張，通過建造大量傳統(tǒng)的平面車庫來緩解停車難問題是不現(xiàn)實(shí)的。因此，在停車難問題與越來越突出，土地面積有限的情況下，立體式車庫開始得到人們的重視。與傳統(tǒng)的平面停車庫相比，立體車庫具有以下優(yōu)勢：（1）節(jié)約土地資源。這是立體車庫的最大優(yōu)勢，由于將停車位向上部空間發(fā)展，故在停車面積相同的情況下，立體車庫的占地面積將大大減少，提高了土地利用率，特別適合土地資源緊缺的城市區(qū)域。（2）方便和高效由于立體車庫往往只有少數(shù)入口，故省去了找車位的麻煩。同時(shí)由于立體車庫存取車由機(jī)械設(shè)備完成，司機(jī)的停車任務(wù)變得簡單方便。（3）安全立體車庫停車區(qū)域集中，因此方便集中統(tǒng)一管理，且大部分時(shí)間車庫封閉，車輛被盜或損壞的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。（4）投資效益明顯由于提高了土地利用率，車庫的土地成本大大減少，同時(shí)車庫管理方便，自動化程度高，人工費(fèi)用也大大減少，其綜合效益高于平面車庫，在城市中心區(qū)域尤其如此。（5）改善市容環(huán)境。1.2國內(nèi)外發(fā)展概況上世紀(jì)50年代，機(jī)械式立體車庫在歐洲一些發(fā)達(dá)國家，如德國、意大利取得較大發(fā)展，但由于歐洲人口較少，土地資源并不十分緊缺，停車問題并不突出，故應(yīng)用并不廣泛1。60年代，日本開始研究立體車庫。由于日本人口較大，且國土面積較小，故應(yīng)用非常廣泛，同時(shí)研究立體車庫的企業(yè)較多，產(chǎn)品種類也比較豐富。70年代，韓國開始研究立體車庫，其技術(shù)主要源于日本，現(xiàn)已發(fā)展較成熟。我國臺灣由于土地面積較小，停車問題也較突出，于70年代從日本引進(jìn)技術(shù)，80年代開始自主開發(fā)，現(xiàn)在技術(shù)也比較成熟，應(yīng)用較廣。我國城市停車行業(yè)從80年代末起,經(jīng)過十幾年的發(fā)展,現(xiàn)在形成了一定的規(guī)模,但是還處于初始發(fā)展階段,車庫建設(shè)尚在起步階段,在一些大城市中機(jī)械化車庫仍然是空白2。從總體來說，我國立體車庫發(fā)展還處于初級階段，面臨著一系列的問題和挑戰(zhàn)：（1）機(jī)械設(shè)備故障率較高（2）存取車效率較低，停車等待時(shí)間較長（3）車庫的安全性有待提高，包括車輛、人員和設(shè)備（4）車庫的自動化程度不夠高，需要較多人為確認(rèn)和操作（5）車庫種類較少，層數(shù)較低1.3立體車庫的種類立體停車庫按其自動化程度可分為自行式立體停車庫、半自動立體停車庫和全自動立體停車庫。根據(jù)立體停車停車方式的不同又可分：簡易升降式、升降橫移式、垂直升降式、垂直循環(huán)式、平面移動式、巷道堆垛式等1。（1）簡易升降式簡易升降機(jī)械式借助升降機(jī)構(gòu)或俯仰機(jī)構(gòu)存取汽車。其特點(diǎn)是停車設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，適用于私人住宅、小區(qū)、企事業(yè)單位等；可以增加二倍以上的停車位。但是車庫的受力狀況較差，限制了車庫向高層發(fā)展，只適和小規(guī)模應(yīng)用。（2）升降橫移式采用模塊化與集成化的設(shè)計(jì)，配置靈活，規(guī)?？呻S意設(shè)置，建設(shè)方便，成本低廉，同時(shí)消防，外裝修，基建等投資比其他類設(shè)備少，適用于各種場合。這種設(shè)備目前占到了市場份額的 70%以上。 缺點(diǎn)：每組設(shè)備必須留空車位實(shí)現(xiàn)車輛的移動，設(shè)備的安全性還有待提高。（3）垂直升降式通過裝在升降機(jī)上的橫移機(jī)構(gòu)將車輛或載車板橫移，實(shí)現(xiàn)存取車輛的機(jī)械式停車設(shè)備。這種車庫往往可以修建多達(dá) 2025 層，停放 4050 輛車，而占地卻只有幾輛車大小的面積，土地利用率最高。廣泛應(yīng)用于在城市的中心區(qū)域及人口車輛密集區(qū)域。這種停車設(shè)備造價(jià)高昂，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存取車耗時(shí)較長。1.4本文研究的內(nèi)容本課題設(shè)計(jì)了一種垂直升降式立體車庫，其機(jī)械部分主要特點(diǎn)為采用小車作為橫移裝置，用舉升機(jī)實(shí)現(xiàn)載車板交換，克服了叉架結(jié)構(gòu)的一些缺點(diǎn)；用類似電梯的曳引系統(tǒng)完成垂直升降。本文的主要研究對象為上述車庫的控制部分，具體如下：1. 立體車庫總體設(shè)計(jì)：對立體車庫主功能進(jìn)行功能分析，功能原理求解，提出立體車庫的主要參數(shù).2. 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì): 對立體車庫曳引、橫移、舉升、安全功能進(jìn)行功能分析和方案綜合，提出控制方案，檢測方案的細(xì)節(jié)。提出變頻器分時(shí)驅(qū)動兩臺電機(jī)的思路。對低速定位原理進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，得出平方反比規(guī)律。最后提出控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。3. 控制系統(tǒng)電器選型及電路設(shè)計(jì)：電氣設(shè)備和元件的選型，主電路、PLC的I/O電路，變頻器接線電路設(shè)計(jì)。4. 立體車庫控制系統(tǒng)控制柜設(shè)計(jì)：控制柜電氣元件布置圖設(shè)計(jì)，控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5. 立體車庫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：控制軟件流程圖設(shè)計(jì)，控制軟件程序設(shè)計(jì)，監(jiān)控軟件界面設(shè)計(jì)。第2章 總體設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1立體車庫總體方案2.1.1 立體車庫類別及基本參數(shù)本文設(shè)計(jì)車庫為垂直升降式立體車庫，具體為縱向并列車位型電梯式立體車庫，如圖。 本文設(shè)計(jì)車庫基本參數(shù)如下：圖2-1 立體車庫示意圖（1）適停車輛尺寸及質(zhì)量表2-1 立體車庫適停車輛尺寸及質(zhì)量本文設(shè)計(jì)立體車庫適用于T組及以下車輛。組別代號汽車長車寬車高/mm 質(zhì)量/kgX4400175014501300Z4700180014501500D5000185015501700T5300190015502350C5600205015502350K5000185020501850（2）存容量：14輛（3）單車最大進(jìn)出時(shí)間：60s2.1.2 主功能原理設(shè)計(jì)立體車庫相對與一般車庫的主要特點(diǎn)是將停車位向豎直空間延伸，從而大大增加土地利用率，因此，其主功能是車輛搬運(yùn)。對于電梯式立體車庫，其搬運(yùn)車輛功能可分解為三：垂直升降、水平橫移、載車板交換。圖2-2 主功能分析圖（1）垂直升降功能原理設(shè)計(jì) 由于電梯式立體車庫垂直升降高度較高，故參照一般電梯的成熟技術(shù)，采用鋼絲繩曳引方式，車輛置于一轎廂內(nèi)，通過曳引繩連接到曳引機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)垂直升降。圖2-3 曳引系統(tǒng)示意圖（2）水平橫移功能原理設(shè)計(jì)一般采用多級叉架進(jìn)行水平橫移，但這種方式有以下缺點(diǎn)：1.需設(shè)計(jì)復(fù)雜的多級叉架結(jié)構(gòu)；2.當(dāng)叉架伸出時(shí)，叉架懸空，僅由轎廂支撐，為一懸臂梁結(jié)構(gòu)，為承受車輛載荷，勢必導(dǎo)致叉架結(jié)構(gòu)尺寸較大，同時(shí)具有使轎廂側(cè)翻的傾向，故需對轎廂進(jìn)行可靠固定3.實(shí)現(xiàn)兩個方向的橫移較困難。所以，本文在此提出一種橫移小車方案。即在轎廂內(nèi)設(shè)有一橫移小車，車輛停放于橫移小車之上，小車在轎廂和車位的導(dǎo)軌上運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)車輛的水平橫移。圖2-4 橫移小車示意圖相對于叉架式，橫移小車具有結(jié)構(gòu)簡單，受力狀態(tài)良好，易實(shí)現(xiàn)兩方向橫移的優(yōu)點(diǎn)。（3）載車板交換功能原理設(shè)計(jì)車庫停車時(shí)，車輛先是停在轎廂中，而最終車輛需要停放到車位上，載車板就是為了實(shí)現(xiàn)車輛停放位置在轎廂與車位之間變換功能的一個構(gòu)件。本文采用叉梳式載車板結(jié)構(gòu)。車位上的載車板和橫移小車上的載車板為叉梳式結(jié)構(gòu)，且在豎直方向上，前者的梳齒正好與后者的梳齒縫隙重合，后者從高位下降到前者下面的同時(shí)，即完成了載車板的交換，車輛停放到了車位上。車庫取車過程與之類似。載車板交換的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)載車板豎直位置的變化。由于本文采用小車橫移，故采用在小車上裝舉升機(jī)的方式，完成載車板上下運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)載車板的交換。圖2-6 橫移小車上載車板結(jié)構(gòu)圖2-5 車位載車板結(jié)構(gòu)其中，載車板交換的原理如2-7所示。圖2-7 載車板交換原理2.1.3 立體車庫的技術(shù)參數(shù)(1)層高:3m(2)層數(shù):8層(3)時(shí)間分配及速度曳引往返最大時(shí)間：43s橫移往返最大時(shí)間：11s舉升往返最大時(shí)間：6s曳引額定速度：1m/s橫移額定速度：0.5m/s舉升額定速度：0.1m/s（4）定位精度曳引定位精度： 10mm橫移定位精度：20mm圖2-8 車庫總體布置圖舉升定位精度：10mm2.1.4 車庫總體布置圖根據(jù)課題要求，現(xiàn)設(shè)計(jì)車庫的整體結(jié)構(gòu)，其布置圖如圖2-82.2 控制系統(tǒng)總體方案2.2.1 控制系統(tǒng)功能分析 對立體車庫控制系統(tǒng)進(jìn)行功能分析如圖所示，本文重點(diǎn)在車輛搬運(yùn)和安全保障功能上，下面對此做出設(shè)計(jì)。圖2-9 立體車庫控制系統(tǒng)總體功能分析圖而車輛搬運(yùn)屬于運(yùn)動系統(tǒng)，其一般功能結(jié)構(gòu)如下圖：圖2-10 運(yùn)動系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖2.2.2 曳引控制方案設(shè)計(jì)1. 性能要求（1）平層精度：10mm;橫移小車順利橫移的前提是轎廂中導(dǎo)軌和車位中導(dǎo)軌基本齊平，如果兩導(dǎo)軌豎直位置相差過大，則橫移過程將會產(chǎn)生較大沖擊，對設(shè)備壽命造成影響。故在此提出平層精度要求。（2） 速度：額定速度1m/s。 （3） 加速度限制：1m/s2。由于曳引系統(tǒng)是以鋼絲繩和曳引輪之間的摩擦力為動力驅(qū)動的，若加速度過大，會發(fā)生打滑，對鋼絲繩產(chǎn)生損害，甚至發(fā)生事故，故對曳引加速度做出限制2。2.功能分析及方案綜合首先將曳引功能分解為四個功能元，同時(shí)列出了其對應(yīng)的功能載體，如下表2-1所示。表2-1 曳引功能方案綜合曳引功能元功能載體定位控制低速定位位置閉環(huán)驅(qū)動與執(zhí)行位置閉環(huán)直流調(diào)速交流變頻調(diào)速變頻調(diào)速控制方式V/f控制無速度傳感器矢量控制有速度傳感器矢量控制檢測裝置接近開關(guān)旋轉(zhuǎn)編碼器（1） 定位控制由于曳引額定速度較高，Ve=1m/s,且制動加速度a限制在1m/s2以下，若直接高速制動，定位精度難以保證，顯然是不可取的，必須采用一定的定位控制方式。首先介紹低速定位方式。如下圖所示，A為減速點(diǎn)，BC段為低速運(yùn)行段，C為制動點(diǎn)。低速定位的基本思路是在到達(dá)定位點(diǎn)之前減速至一較低速度，在接近定位點(diǎn)時(shí)制動，由于制動前速度較低，故制動過程迅速，制動距離很小，具有一定精度。理論上其制動前速度越低，其定位精度越高。圖2-11 低速定位原理示意圖這種定位方式的優(yōu)點(diǎn)是控制過程簡單，對設(shè)備控制性能要求低，特別適合定位點(diǎn)固定，且定位精度要求不太高的場合，故被廣泛使用在電梯和起重機(jī)的定位中4。其次是位置閉環(huán)定位控制。這是自動控制系統(tǒng)中常用的定位控制方式，往往具有較高的定位高度，且定位速度較快。但相對于低速定位方式，其對控制設(shè)備要求較高，且控制過程復(fù)雜，適用于要求較高的場合?；谝陨戏治?，低速定位方式無疑是一種既能滿足性能要求，且簡單經(jīng)濟(jì)的定位方式，故本文采用低速定位方式。低速定位精度分析：理論制動距離 （2-1）實(shí)際制動距離 （2-2）令V的波動率為 ,a的波動率為制動距離變化量 （2-3） （2-4） （2-5）由于Ka較小，將近似為a,定位誤差 （2-6）a=1m/s2時(shí), （2-7）由此可知，定位誤差以二次方關(guān)系隨著速度降低而減小。取 ，則ds=0.3,V=1m/s,ds=0.3m;V=0.5m/s,ds=75mm; V=0.25m/s,ds=18.75mm; V=0.1m/s,ds=3mm;故當(dāng)V=0.25m/s時(shí)，即調(diào)速范圍D=4時(shí)，基本可滿足定位精度要求。（2）驅(qū)動與執(zhí)行a.交流雙速電機(jī)。三相異步電機(jī):n0=60f/p交流雙速電機(jī)調(diào)速原理是通過改變磁極對數(shù)p,從而改變n0實(shí)現(xiàn)調(diào)速，此種調(diào)速方法較簡單經(jīng)濟(jì)，但一般調(diào)速范圍在4以下，參考一般電梯交流雙速電機(jī)驅(qū)動，定位誤差在30mm左右2，故要實(shí)現(xiàn)預(yù)期調(diào)速要求較困難。同時(shí)，交流電機(jī)啟動電流較大，對電網(wǎng)形成沖擊，需要相應(yīng)的啟動電路或裝置。b.直流調(diào)速電機(jī)。直流電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)異，調(diào)速范圍大，調(diào)速裝置簡單，但其換向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較低，需要定期維護(hù)。c.交流變頻調(diào)速。交流變頻調(diào)速的基本原理是改變電機(jī)電源頻率f, 從而改變n0實(shí)現(xiàn)調(diào)速。三相籠型電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，同時(shí)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的發(fā)展已比較成熟，故交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)應(yīng)用中逐漸普及，其調(diào)速性能可以與直流調(diào)速媲美。但變頻器的價(jià)格比較高，調(diào)速成本不低。首先為了保證滿足調(diào)速要求，放棄交流雙速電機(jī)方案?？紤]到系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)成本，決定采用交流變頻調(diào)速方案。綜合以上分析，選用變頻器為驅(qū)動裝置，三相籠型異步電機(jī)為執(zhí)行裝置。（3）變頻調(diào)速控制方式常用的變頻調(diào)速控制方式可分為三種，現(xiàn)分別介紹如下：a.V/f 控制。包括基本V/f控制和各種補(bǔ)償控制，其特點(diǎn)是控制算法相對簡單，在基頻以下，一般其調(diào)速范圍最大可達(dá)10，其缺點(diǎn)是載荷過小時(shí)，由于補(bǔ)償算法的缺陷，容易出現(xiàn)過勵磁4故不適用于載荷變化較大的場合5。同時(shí)由于V/f控制基于電機(jī)的靜態(tài)模型，故其調(diào)速的動態(tài)性能較差。b.無速度傳感器矢量控制。矢量控制基于電機(jī)動態(tài)模型，將交流電機(jī)等效為直流電機(jī)，得到靜態(tài)，動態(tài)性能均較好的調(diào)速效果。無速度傳感器矢量控制利用對電壓電流等的檢測，通過推算的方法得到近似的電機(jī)轉(zhuǎn)速，相比轉(zhuǎn)速開環(huán)的矢量控制，能在一定程度上提高調(diào)速性能，由于省去了測速裝置，故在對調(diào)速性能不太高的場合得到廣泛應(yīng)用，其調(diào)速范圍一般可達(dá)20. c.有速度傳感器矢量控制。即直接通過測速裝置獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速，相對于推算的方式，其精度更高，故性能更好，常用在對調(diào)速靜態(tài)動態(tài)性能較高的場合,調(diào)速范圍在20以上，是一種高性能的調(diào)速方式。已知曳引系統(tǒng)額定載荷為2.5t,設(shè)車輛質(zhì)量在1.3t2.5t之間變化，曳引系統(tǒng)中對重平衡的重量是轎廂重量加50%額定載荷，即對重可平衡掉1.25t的車輛質(zhì)量，因此曳引系統(tǒng)凈載荷變化范圍為0.05t1.25t,載荷變化很大，可以說出現(xiàn)了空載狀況，故V/f控制難以勝任。由于立體車庫曳引系統(tǒng)對調(diào)速性能要求并不太高，故無速度傳感器矢量控制已經(jīng)足夠。綜合以上分析，本文選用無速度傳感器矢量控制作為變頻調(diào)速的控制方式。（4）檢測裝置曳引控制主要包括定位控制和選層控制，對應(yīng)的需要一定的檢測裝置。a.定位控制檢測。根據(jù)上述對定位控制的介紹，主要需要兩個信號：減速信號和制動信號；為了防止偶然因素引起的定位偏差過大，還可增加一平層檢測，用以檢測轎廂位置是否在預(yù)期范圍內(nèi)。不難發(fā)現(xiàn)，以上檢測量均為開關(guān)量。b.選層控制檢測。立體車庫的選層相對于電梯選層較為簡單，其選層控制具體為從一樓到達(dá)某樓層，或者從某樓層到達(dá)一樓，選層控制的核心是對樓層位置的檢測。由于耬層位置固定，故對樓層位置的檢測亦為開關(guān)量檢測。接近開關(guān)是利用電子信號檢測物體接近的開關(guān)量傳感器，檢測裝置較為簡單且較為可靠。旋轉(zhuǎn)編碼器位置檢測精度較高，可以作為連續(xù)量的檢測。將旋轉(zhuǎn)編碼器裝在曳引電機(jī)上，可以建立立體車庫豎直位置坐標(biāo)系，形成位置閉環(huán)11,完全可以勝任上述檢測任務(wù)。但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且安裝較為麻煩。綜合以上分析，本文以簡單經(jīng)濟(jì)為原則，選用接近開關(guān)作為檢測裝置。3.控制方案細(xì)節(jié)1：加速啟動階段，可通過設(shè)置變頻器加速時(shí)間來控制加速度；2：高速運(yùn)行階段 ，fh可由變頻器設(shè)置，在此設(shè)為50Hz，對應(yīng)曳引速度VH=1m/s;3：減速階段，可通過設(shè)置變頻器加速時(shí)間來控制減速度；4：低速運(yùn)行階段，fl可由變頻器設(shè)置，在此設(shè)為5Hz, 對應(yīng)曳引速度VL=0.1m/s;圖2-12 控制方案細(xì)節(jié)圖示5：制動階段，由變頻其控制制動，為電氣制動，可通過設(shè)置變頻器加速時(shí)間來控制制動加速度；A：開始啟動，方向可由變頻器直接控制；B：加速完成；C：開始減速，首先由檢測裝置確認(rèn)已到達(dá)目的樓層，再由檢測裝置產(chǎn)生減速信號；D：減速完成；E：開始制動，由檢測裝置產(chǎn)生制動信號；F：制動完成圖2-13 制動與定位檢測示意圖需要指出的是，由于本問設(shè)計(jì)立體車庫曳引系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿減速器，具備自鎖能力，故不存在一般電梯曳引或起重設(shè)備中存在的“溜鉤防止”問題4，即開始啟動時(shí)和制動完成時(shí)驅(qū)動系統(tǒng)和制動器配合的問題，制動器的主要作用是在緊急狀況下快速制動。所以，只要保證啟動前制動器已松開，制動完成后制動器才合閘即可，因此正常情況下制動器不參與制動，損耗非常小，維護(hù)成本較低。4.檢測方案細(xì)節(jié)由于低速定位時(shí)曳引速度VL=0.1m/s，理論制動距離 =5mm,定位誤差ds=3mm，相對于定位精度要求10mm小很多，故考慮將制動信號與定位檢測信號合二為一，即將制動信號產(chǎn)生點(diǎn)作為定位檢測的起點(diǎn)。具體如下：如圖所示，當(dāng)從下往上曳引時(shí)，到達(dá)A點(diǎn)開始制動，轎廂停止時(shí)若位置在A、B范圍內(nèi)，則定位準(zhǔn)確，否則定位錯誤；從上往下曳引時(shí)與之類似。其檢測裝置布置示意圖如下圖2-14所示。圖2-14 曳引檢測裝置布置示意圖曳引時(shí)，先由右側(cè)的選層控制擋塊判斷是否到達(dá)樓層，再由左側(cè)的定位檢測擋塊控制定位。2.2.3 橫移控制方案設(shè)計(jì)1. 性能要求（1） 定位精度：20mm（2） 額定速度：0.5m/s（3）加速度限制：1m/s22. 功能分析及方案綜合橫移亦屬運(yùn)動系統(tǒng)，其功能元及方案與曳引相似，在此只做必要的分析和區(qū)分。（1）定位控制由前文的定位誤差分析得，橫移運(yùn)動a=1m/s2，V=0.5m/s,ds=75mm，超過橫移定位精度要求 ，故在此采用和曳引相同的低速定位方式。（2）驅(qū)動與執(zhí)行橫移的調(diào)速完全可以采用交流雙速電機(jī)，但考慮到曳引已經(jīng)使用了變頻調(diào)速，且曳引和橫移運(yùn)動不可能同時(shí)進(jìn)行，故在此提出同一臺電機(jī)分時(shí)驅(qū)動曳引和橫移電機(jī)的方案。下面對分時(shí)驅(qū)動的可行性做出簡單分析：首先變頻器選型的主要依據(jù)是電機(jī)最大電流，故只要以曳引和橫移電機(jī)電流中較大者為選型依據(jù)即可。其次一些變頻器具有同時(shí)存儲多組驅(qū)動和控制數(shù)據(jù)組的功能，只要在使用時(shí)切換到對應(yīng)數(shù)據(jù)組即可分別完成控制。因此分時(shí)驅(qū)動的方案應(yīng)當(dāng)是可行的。圖2-15 變頻器分時(shí)驅(qū)動示意圖橫移變頻控制方式可以選擇V/f控制或矢量控制，均可滿足要求，為簡單起見，選擇V/f控制。（3）檢測裝置橫移運(yùn)動主要是從轎廂移動到車位，或從車位移動到轎廂，故主要控制內(nèi)容為定位控制。與曳引類似，在此選擇接近開關(guān)為檢測裝置。（4）控制方案細(xì)節(jié)與曳引類似，不同之處為fh=25Hz,對應(yīng)橫移速度0.5m/s，fl=5Hz, 對應(yīng)橫移速度0.1m/s。（5）檢測方案細(xì)節(jié)與曳引類似，將制動信號與定位檢測信號合二為一。圖2-16 橫移檢測裝置布置圖所以，橫移檢測裝置的布置圖如下圖所示。2.2.4 舉升控制方案設(shè)計(jì)（1） 性能要求1.定位精度：10mm2.額定速度：0.1m/s（2）定位控制由前文的定位誤差分析得，a=1V=0.1m/s,ds=3mm,故只需要正常制動即可達(dá)到精度要求。（3）驅(qū)動與執(zhí)行擬采用液壓舉升裝置，實(shí)現(xiàn)舉升運(yùn)動，結(jié)構(gòu)簡單，且液壓汽車舉升機(jī)的技術(shù)已比較成熟，可加以參考，減小設(shè)計(jì)難度。故舉升控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置為液壓閥。下圖為某液壓汽車舉升機(jī)原理圖。圖2-17 某液壓汽車舉升機(jī)原理圖 （4）檢測裝置采用接近開關(guān)作為舉升上下位置到位檢測信號。（5） 控制方案細(xì)節(jié)舉升控制過程如下：舉升：a.電機(jī)通電，泵空載啟動；b.延時(shí)3s；c.1YA，2YA，4YA通電。停止：a.1YA，2YA，4YA斷電；b.3分鐘后電機(jī)斷電。下降控制過程如下：下降：a.電機(jī)通電，泵空載啟動；b.延時(shí)3s；c.1YA，3YA，5YA通電。停止：a.1YA，3YA，5YA斷電；b.3分鐘后電機(jī)斷電。（6）檢測方案細(xì)節(jié)向上運(yùn)動時(shí)，收到接近開關(guān)信號，則制動；向下運(yùn)動亦然。圖2-18 舉升檢測裝置布置圖2.2.5 安全設(shè)計(jì)（1）功能分析對安全功能分析如下：圖2-19 安全功能分析圖人的安全主要通過庫門和補(bǔ)償板，實(shí)現(xiàn)。庫門在車庫機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)關(guān)閉，防止人的進(jìn)入，從而防止事故；補(bǔ)償板是轎廂在一樓時(shí)與載車板互補(bǔ)的構(gòu)件，兩者互補(bǔ)后在一樓形成完整地面，防止危險(xiǎn)發(fā)生。庫門和補(bǔ)償板均涉及機(jī)械裝置，故與車和設(shè)備的安全一起分析，統(tǒng)稱為運(yùn)行安全。對運(yùn)行安全功能分析如下：圖2-20 運(yùn)行安全功能分析圖（2）功能求解電氣安全方面，主要在電路設(shè)計(jì)部分考慮，詳見第三章；本文對庫門、補(bǔ)償板和舉升系統(tǒng)只做概念設(shè)計(jì)，故在此不加求解；機(jī)械安全方面，橫移、曳引、舉升的到位聯(lián)鎖保護(hù)通過檢測裝置檢測位置和軟件聯(lián)鎖完成，詳見第五章；橫移、曳引、舉升的動作聯(lián)鎖可通過電氣聯(lián)鎖和軟件聯(lián)鎖完成，詳見第三章和第五章。1.曳引安全主要參考電梯曳引系統(tǒng)的機(jī)械安全進(jìn)行設(shè)計(jì)。超速保護(hù)和沖頂或撞底保護(hù)主要參照電梯設(shè)計(jì)，屬于機(jī)械部分，本文不加討論。在此主要討論超載保護(hù)和端站保護(hù)。圖2-21 超載檢測示意圖a.超載保護(hù)可通過安裝在繩頭組合中的接近開關(guān)進(jìn)行檢測，如上圖所示，本文只采用一個稱重傳感開關(guān)。b.端站保護(hù)：參照電梯端站保護(hù)，主要包括強(qiáng)制減速開關(guān)，強(qiáng)制平層開關(guān)和極限開關(guān)2。當(dāng)正常減速或平層檢測故障時(shí)，強(qiáng)制減速、平層開關(guān)發(fā)揮作用，起到雙重檢測作用，保證曳引系統(tǒng)正常運(yùn)行。但上述檢測均失效時(shí)，極限開關(guān)動作，控制曳引系統(tǒng)停止。其布置如下圖所示。圖2-22 終端保護(hù)裝置布置圖2. 橫移安全車位有車保護(hù)是防止在車位有車時(shí)、將車輛存入同一車位，從而避免事故發(fā)生。圖2-23 橫移車位有車檢測示意圖在此設(shè)計(jì)在轎廂上安裝一光電開關(guān)，完成對車位是否有車的檢測，極限保護(hù)參考一般設(shè)備極限保護(hù)，在此不加討論。2.2.6 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案本文設(shè)計(jì)立體車庫主要為開關(guān)量控制，且對運(yùn)動控制要求不高，屬于小型系統(tǒng)，故選用西門子S7-200PLC作為控制器；考慮到立體車庫操作需要豐富的人機(jī)界面，同時(shí)需要一定的管理功能，也為了節(jié)省I/O 點(diǎn)數(shù)，采用PC機(jī)作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)車庫的管理和控制系統(tǒng)的控制和監(jiān)視10。PLC與變頻器采用通信方式連接，簡化硬件電路，同時(shí)可完成豐富的控制功能。S7-200 一些CPU模塊具備兩個RS485通信接口，正好可滿足與PC上位機(jī)和變頻器的通信。變頻器采用西門子MM440通用變頻器，其功能豐富，具備矢量控制功能，且相對專用變頻器成本較低。圖2-24 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖第3章 控制系統(tǒng)電器選型及電路設(shè)計(jì)3.1主電路設(shè)計(jì)3.1.1 動力電路動力電路主要包括變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路，曳引電機(jī)制動器電路，舉升系統(tǒng)動力電路。1.變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路可分為三個部分：電源輸入電路、到電動機(jī)的輸出電路、制動電路。（1）輸入輸出電路主體功能設(shè)計(jì)a.保護(hù)功能現(xiàn)代數(shù)字式變頻器本身具備較完善的保護(hù)功能。 以電動機(jī)溫升模型為依據(jù)的過載保護(hù)能夠?yàn)殡妱訖C(jī)提供優(yōu)于常規(guī)熱保護(hù)的電子過載保護(hù)、這個保護(hù)功能同時(shí)也部分保護(hù)了變頻器自身；逆變器教熱片溫度保護(hù)功能為變頻器自身提供了完善的過載保護(hù)，因?yàn)樽冾l器自身過載總是要反映在逆變器件的溫度升高上；輸出電壓和相序都受控于變頻器電源缺相只影響直流部分，電動機(jī)并不缺相工作，因此不需要一般意義上針對電動機(jī)的過電壓、欠電壓、缺相和逆相序保護(hù)，針對直流母線電壓的過電壓和欠電壓保護(hù)保證逆變器處于正常的工作條件；瞬間電流超限保護(hù)主要是針對逆變器件的，但同時(shí)也就為輸出線路和電動機(jī)提供了短路保護(hù)4。故外部電路上的保護(hù)主要為后備短路保護(hù)，本文采用空氣斷路器作為后備短路保護(hù)元件，防止變頻器內(nèi)部短路保護(hù)失效時(shí)事故擴(kuò)大。考慮到變頻器的過載能力一般為150%，1min,為了防止誤動作斷路器額定電流為變頻器額定電流。b.電源控制和切換功能設(shè)計(jì)采用接觸器作為電源控制器件。由于采用分時(shí)驅(qū)動方式，故需考慮變頻器輸出切換功能。在此采用接觸器完成切換功能，考慮到電機(jī)運(yùn)行時(shí)接觸器切斷電流會產(chǎn)生過電壓，對逆變器件造成損害，故不允許在電機(jī)運(yùn)行時(shí)切斷接觸器。同時(shí)為了防止兩接觸器同時(shí)接通，兩臺電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)而造成事故，需設(shè)計(jì)電氣互鎖，詳見本章3.3節(jié)。輸入接觸器選型可按照AC3負(fù)載選型；輸出接觸器負(fù)載為AC3類別，但由于不承擔(dān)切除負(fù)載電流功能，只需考慮電流通過能力，故可按AC1負(fù)載選取4。（2）主電路抗干擾設(shè)計(jì)參考一般工程應(yīng)用的變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路抗干擾設(shè)計(jì)，在此采用輸入電抗器抑制變頻器輸入側(cè)諧波干擾，提高功率因素。（3）制動電路設(shè)計(jì)表3-1 變頻電氣制動性能特點(diǎn)圖變頻電氣制動電路主要有三種形式：能耗制動、直流制動、回饋制動5。其性能和特點(diǎn)如下圖所示：電氣制動種類制動方式功率/kw用途能耗制動消耗在制動電阻上50一般要求的制動設(shè)備，制動轉(zhuǎn)矩不平衡有沖擊，有低速爬行可能直流制動動能變電能產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩50100要求平穩(wěn)無沖擊，停車準(zhǔn)確回饋制動動能變電能回饋電網(wǎng)100高低速交叉，正反轉(zhuǎn)交替由于本文曳引系統(tǒng)采用低速平層的方式，故對制動轉(zhuǎn)矩要求不高，且系統(tǒng)功率相對較小，故采用能耗制動方式。圖3-1 變頻器負(fù)載分析圖能耗制動利用電阻將電機(jī)回饋的能量消耗掉。能耗制動電路主要涉及制動電阻阻值、功率，制動單元功率、控制方式。對于功率不太大的變頻器，制動單元集成在變頻器內(nèi)部，故不需考慮制動單元功率、控制方式。制動電阻阻值限制了最大制動力矩，主要與變頻器額定電流和直流回路最大電壓有關(guān)，一般可按變頻器廠家推薦的選擇。制動電阻功率決定其消耗回饋能量的能力。負(fù)載分析：曳引系統(tǒng)為位能負(fù)載，當(dāng)向下曳引時(shí)，重力勢能全部回饋給變頻器，功率較大；橫移系統(tǒng)為反抗性負(fù)載，功率較小，且只在制動時(shí)有能量回饋給變頻器，與曳引相比可忽略不計(jì)。 變頻器負(fù)載周期分析如圖:制動電阻功率P=（25*21.5/60）kw=8.96kw （3-1）另外，設(shè)置在制動回路上設(shè)置熱敏開關(guān)，當(dāng)制動電阻過載時(shí)，熱敏開關(guān)動作，由PLC控制切斷變頻器電源，詳見本章3.3節(jié)。2.曳引電機(jī)制動器電路由于本文設(shè)計(jì)立體車庫采用成套曳引機(jī)，其自帶電機(jī)制動器驅(qū)動電路，故控制部分只需設(shè)計(jì)其電源開關(guān)即可，在此采用接觸器控制其電路通斷。3.舉升系統(tǒng)主電路主要分為電機(jī)和閥兩部分。電機(jī)電路比較常規(guī)，不再贅述；液壓閥部分，由于YA2、YA4同時(shí)通斷、YA3與YA5同時(shí)通斷，故分別用同一個繼電器的不同觸點(diǎn)控制。3.1.2 直流供電電路 直流供電電路主要為PLC為核心的控制電路供電。由于交流電網(wǎng)中存在著大量的諧波、雷擊浪涌、高頻干擾等噪聲6，由于電網(wǎng)電壓瞬間變化較難監(jiān)測,這些干擾在同一供電回路傳播是十分難于克服的。為提高整個系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力, 需采取一定的干擾抑制措施,PLC控制系統(tǒng)供電系統(tǒng)一般采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、UPS電源、開關(guān)電源等7。在此采用隔離變壓器作為直流電路電源的干擾抑制設(shè)備。采用24V直流穩(wěn)壓電源作為電源。3.1.3 輔助電路 輔助電路主要包括電源指示和控制電路，維修輔助設(shè)備和散熱風(fēng)扇等。將主電路按電壓分為三部分：380V、220V、24V，對應(yīng)采用三套電源指示和控制電路，用旋鈕開關(guān)和接觸器實(shí)現(xiàn)電源開關(guān)。380V電源為總電源，故在其對應(yīng)電源開關(guān)處設(shè)置急停開關(guān)，用以在緊急情況下切斷系統(tǒng)電源。3.1.4 斷路器設(shè)置考慮到電路各部分的額定電壓電流差別較大，同時(shí)也為了防止發(fā)生短路時(shí)故障擴(kuò)大，減小損失，故考慮在多個回路中設(shè)置斷路器。3.1.5 接地各主要設(shè)備的外殼均需可靠接地，防止人為操作時(shí)發(fā)生觸電事故。3.2電氣設(shè)備選型3.2.1 執(zhí)行電器選型執(zhí)行電器選擇主要屬于機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在此直接列出參數(shù)。曳引電機(jī)：三相籠型異步交流電機(jī)，額定功率P=25kw,額定轉(zhuǎn)速n=1470r/min,額定電流=48A,極數(shù)p=4，額定電壓Ued=380V。橫移電機(jī)：三相籠型異步交流齒輪減速電機(jī)，額定功率P=4kw, 額定電壓Ued=380V，額定輸出轉(zhuǎn)速n=36r/min。曳引電機(jī)制動器：直流，額定電壓110V，額定電流1.2A。采用常閉式，即在斷電時(shí)合閘制動，通電時(shí)才開閘。防止正在曳引時(shí)突然停電造成事故2。舉升部分不做具體設(shè)計(jì)，故舉升電機(jī)及其電磁閥未加選擇。3.2.2 變頻器選型已知電機(jī)電壓Ued=380V，曳引電機(jī)功率明顯大于橫移電機(jī)，選用其額定電流Ied=48A作為選型依據(jù)。變頻器額定電流應(yīng)滿足5 In1.1IMmax （3-2） In為變頻器額定電流，IMmax為電機(jī)最大電流。由于曳引電機(jī)主要在額定電流以下運(yùn)行，故可令I(lǐng)Mmax=Ied，則 In1.1Ied=52.8A. （3-3）表3-2 變頻器選型表綜上以Un380V，In52.8A 為依據(jù)，選擇西門子MiroMaster440(MM440)變頻器額定輸出/kw額度輸入電流/A額度輸出電流/A重量/kg訂貨號305962206SE6440-2UD33-0EB1圖3-3 變頻器選型圖MM440帶有一個RS485接口，可與PLC通信，具備多種V/f控制功能和矢量控制功能，同時(shí)具備存儲三組驅(qū)動和命令數(shù)據(jù)組的功能，可滿足分時(shí)驅(qū)動不同電機(jī)要求。其變頻器快速調(diào)試參數(shù)設(shè)定如下表所示。表3-3 變頻器快速調(diào)試參數(shù)設(shè)定P0003參數(shù)內(nèi)容默認(rèn)值設(shè)置值說明曳引和橫移電機(jī)1P0100使用地區(qū)00歐洲：功率單位kw,頻率默認(rèn)值為50Hz3P0205應(yīng)用領(lǐng)域00恒轉(zhuǎn)矩2P0300電動機(jī)類型11異步電動機(jī)1P0304電動機(jī)額定電壓230400額定電壓為400V2P0310額定頻率50.0050.00額定頻率為50.00Hz2P0335電動機(jī)冷卻方式00電動機(jī)冷卻方式為自冷1P0700命令源25COM鏈路的USS設(shè)置1 P1000頻率設(shè)定選擇25通過COM鏈路的USS設(shè)定1P1080最小頻率0.000.00允許最低的電動機(jī)頻率1P1082最高頻率50.0050.00允許最高的電動機(jī)頻率1P1120 斜坡上升時(shí)間10.001.00電動機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到最高頻率所用的時(shí)間1P1121 斜坡下降時(shí)間10.001.00電動機(jī)從最高頻率減速到靜止?fàn)顟B(tài)所用的時(shí)間2P1135OFF3斜坡下降時(shí)間5.000.50參數(shù)發(fā)出OFF3命令后，電動機(jī)從最高頻率減速到靜止?fàn)顟B(tài)所用的時(shí)間2P1500轉(zhuǎn)矩設(shè)定值00 無主設(shè)定值2P1910自動檢測方式002P0308電動機(jī)功率因素0.00（數(shù)據(jù)暫缺）3P0320電動機(jī)磁化電流0.0由變頻器自行計(jì)算曳引電機(jī)1P0305電動機(jī)額定電流3.254848A 1P0307電動機(jī)額定功率0.752525kw1 P0311電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速014701470r/min2P0640過轉(zhuǎn)因子150150電動機(jī)過載電流限幅值為額定電流的150%2P1300電動機(jī)控制方式020無傳感器矢量控制橫移電機(jī)1P0305電動機(jī)額定電流3.25（數(shù)據(jù)暫缺）1P0307電動機(jī)額定功率0.7544kw1 P0311電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速01470（數(shù)據(jù)暫缺）2P0640電動機(jī)過載因子150150電動機(jī)過載電流限幅值為額定電流的150%2P1300電動機(jī)控制方式01帶磁通電流控制的V/f控制涉及變頻器驅(qū)動數(shù)據(jù)組切換的設(shè)置3P0820DDS位0722.0722.0 以DIN1為DDS位0的命令源2P0701數(shù)字輸入1的功能199使能BICO參數(shù)化圖3-2 變頻器數(shù)據(jù)組切換示意圖由于未找到通信方式切換變頻器驅(qū)動數(shù)據(jù)組的方法，從而分時(shí)驅(qū)動曳引電機(jī)和橫移電機(jī)，故在此采用數(shù)字輸入端子1（DIN1）控制數(shù)據(jù)切換。當(dāng)DDS位0為0時(shí)，切換到DDS1數(shù)據(jù)組，即為曳引電機(jī)驅(qū)動數(shù)據(jù)組；當(dāng)DDS位0為1時(shí)，切換到DDS2數(shù)據(jù)組，即為橫移電機(jī)驅(qū)動數(shù)據(jù)組。3.2.3 PLC選型如下表所示是PLC I/O分配表，根據(jù)PLC點(diǎn)數(shù) 、輸出類型 、功能要求等要求，可選用西門子S7-200。表3-4 PLC I/O分配表DIDOI0.0曳引定位開關(guān)Q0.0曳引電機(jī)接觸器I0.1指層開關(guān)Q0.1曳引制動接觸器I0.2橫移定位開關(guān)Q0.2舉升電機(jī)接觸器I0.3舉升定位開關(guān)Q0.3橫移電機(jī)接觸器I0.4車位有車開關(guān)-左Q0.4變頻器電源I0.5車位有車開關(guān)-右Q0.5備用I0.6上強(qiáng)制減速開關(guān)Q0.6備用I0.7上強(qiáng)制平層開關(guān)Q0.7備用I1.0上極限開關(guān)Q1.0向上舉升I1.1下強(qiáng)制減速開關(guān)Q1.1向下舉升I1.2下強(qiáng)制平層開關(guān)Q1.2舉升輔助I1.3下極限開關(guān)Q1.3變頻器數(shù)據(jù)組切換I1.4橫移極限開關(guān)-左Q1.4聲光報(bào)警器I1.5橫移極限開關(guān)-右Q1.5備用I1.6超載開關(guān)Q1.6備用I1.7制動電阻熱敏開關(guān)Q1.7備用I2.0急停開關(guān)I2.1備用備用由上表可知，輸入點(diǎn)數(shù)DI=17，輸出點(diǎn)數(shù)DO=9，選擇輸出類型為 晶體管型，功能要求：通信接口2個 ，據(jù)此選擇CPU類型為CPU 226；表3-5 PLC選型CPUCPU供電數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出通訊口訂貨號CPU22624VDC2424VDC1624VDC26ES 7216-2AD23-0X803.2.4 變頻器選件選型由于MM440 變頻器0.12kw-75kw型號集成了制動斬波單元，故不必另選。其選件主要包括制動電阻和進(jìn)線電抗器。（1）制動電阻選型在變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)部分已分析了制動回路的設(shè)計(jì)，制動電阻阻值采用廠家推薦值15，但廠家提供的制動電阻功率只有2.2kw，即使使用兩個阻值為8 ，功率為4kw的制動電阻串聯(lián)功率依然不夠。故只能選擇其他廠家的制動電阻。在此不做具體展開。（2）進(jìn)線電抗器選型選用廠家提供的進(jìn)線電抗器，訂貨號為6SE6400-3CR08-3ED。3.2.5 接近開關(guān)選型在此將本文涉及接近開關(guān)按功能分為三部分：定位接近開關(guān)、超重檢測接近開關(guān)、車位有車檢測接近開關(guān)。（1）定位接近開關(guān)選用槽型光電開關(guān)，用于曳引定位、曳引選層、橫移定位、舉升定位檢測。選用OMORON的定位用槽型光電開關(guān),信號為E3Z-GN11B，重復(fù)精度0.5mm完全可滿足定位要求。（2）超重檢測接近開關(guān)由于繩頭組合變形量難以得到，故在此不做選型。（3）車位有車檢測接近開關(guān)考慮到橫移小車在轎廂時(shí)與車位中的汽車有一定距離，故選用擴(kuò)散反射型光電開關(guān)，其檢測距離較長，可完成檢測。具體選用OMRON的E3FA-DN23型，檢測距離為1m。3.2.6設(shè)備和器件清單表3-6 設(shè)備清單表元件型號個數(shù)廠家S7-200 CPU226( 6ES 7216-2AD23-0XB0)1西門子DC24V電源PS207 （ 6EP1 332-1LA10）1西門子MM440變頻器6SE6440-2UD33-0EB11西門子PC略1制動電阻略隔離變壓器ABL6TS16U1施耐德電抗器6SE6400-3CR08-3ED01西門子表3-7 器件選清單元件型號個數(shù)廠家槽型光電開關(guān)E3Z-GN11B4OMRON擴(kuò)散反射光電開關(guān)E3FA-DN232OMRON極限開關(guān)HL50008OMRON急停按鈕1超載檢測傳感器略1三位四通換向閥略2二位二通換向閥略1斷路器Tesys7施耐德接觸器Tesys8施耐德繼電器Tesys3施耐德熱繼電器Tesys2施耐德聲光報(bào)警器1施耐德風(fēng)扇維修燈1指示燈2電壓表2電流表2旋鈕開關(guān)3維修插座13.3 PLC I/O接口電路設(shè)計(jì)PLC的I/O分配表參見表3-4，在此對電氣聯(lián)鎖進(jìn)行分析，詳見圖3-3（1）曳引電機(jī)和橫移電機(jī)聯(lián)鎖主電路設(shè)計(jì)分析中提到，為了保證曳引電機(jī)接觸器（KM3）和橫移電機(jī)接觸器(KM4)不同時(shí)接通，對其控制電路設(shè)置電氣互鎖（2）曳引電機(jī)和曳引制動器聯(lián)鎖保證曳引電機(jī)制動器接觸器未動作，即制動器未松開時(shí)，曳引電機(jī)不通電。（3）橫移電機(jī)和舉升動作連鎖PLC電源，輸入輸出點(diǎn)的電源均由DC24V電源提供。圖3-3 PLC I/O接口電路圖3.4 變頻器電路設(shè)計(jì)主要分為三部分：動力電路，控制電路，通信電路，其中動力部分已在主電路設(shè)計(jì)中分析，在此不贅述。電路如圖3-4（1）控制電路由于采用通信連接，故其通信電路較為簡單，將s7-200CPU的Q1.0端口與MM440的DIN1端口相連即可。該電路主要功能是切換變頻器驅(qū)動數(shù)據(jù)組，是筆者未找到對應(yīng)通信控制方式而采用的權(quán)宜之計(jì)。（2）通信電路S7-200CPU226有兩個RS485接口，選擇其中的Port0與MM440的RS485端子連接。采用PROFIBUS電纜進(jìn)行連接，CPU226端用網(wǎng)絡(luò)插頭連接，MM440端則直接接端子。接線如圖。由于是高速通信，故電纜的屏蔽層需雙端接地；CPU226的M端與MM440的0V連接為通信口的等電位連接，可以保護(hù)通信口不致因共模電壓差損壞或通信中斷8表3-8 MM 440 的 USS 通信相關(guān)端子端子號名稱功能1-電源輸出 10 V2-電源輸出 0 V29P+RS 485 信號 +30N-RS 485 信號 -表3-9 變頻器通信配置參數(shù)表P003/P004參數(shù)內(nèi)容默認(rèn)值設(shè)置值說明