畢業(yè)設(shè)計（論文）-立體車庫PLC控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

編號： 商丘工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：立體停車場的PLC控制設(shè)計 系 別： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 成 績： 2012 年 月摘 要立體停車庫生產(chǎn)在中國是個新興行業(yè)，立體停車庫可緩解城市動、靜態(tài)交通問題，改善居住環(huán)境，有效利用土地價值。本系統(tǒng)采用PLC、計算機結(jié)合組態(tài)畫面監(jiān)控，按動按鈕或控制組態(tài)畫面即可完成汽車存取過程，操作簡單，存取方便。控制電路部分采用交流接觸器傳統(tǒng)方式，使運行安全可靠。設(shè)計采用可分組合，模塊式安裝，方便靈活，具備維護使用方便，造價低等特點。本設(shè)計主要的是對車庫的控制系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，確?？蛻敉＼嚾≤嚪奖憧旖莺桶踩?。詳細論述了控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，選擇兩層三列式車庫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)部分、傳動機構(gòu)部分和控制系統(tǒng)部分。依據(jù)升降橫移式立體車庫的運行原理，在對升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了先進的PLC控制，運用三菱公司的編程軟件編制了升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)的程序，并經(jīng)調(diào)試、運行，證明采用可編程序控制器(PLC)作為控制系統(tǒng)簡單易行。關(guān)鍵詞：立體車庫，控制系統(tǒng)，可編程序控制器，鋼結(jié)構(gòu) 緒論目 錄中文摘要1緒論11.1本題設(shè)計的背景11.2本題設(shè)計的內(nèi)容11.3本題設(shè)計的目的及意義22系統(tǒng)控制方案的設(shè)定3 2.1自動化立體車庫的描述3 2.2系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟33立體車庫系統(tǒng)硬件方面的設(shè)計5 3.1升降橫移式立體車庫的基本結(jié)構(gòu)5 3.2定位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計8 3.2.1定位控制系統(tǒng)的組成8 3.2.2立體車庫控制系統(tǒng)的原理8 3.3步進電動機的選擇10 3.3.1步進電動機的原理10 3.3.2步進電動機的選型134升降橫移式立體車庫系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計15 4.1可編程控制器的選擇15 4.1.1 PLC的概述15 4.1.2 PLC的選型及特點16 4.2定位控制系統(tǒng)程序設(shè)計17 4.2.1檢測點與控制點的分布17 4.2.2 電氣系統(tǒng)部分設(shè)計18 4.3 PLC定位控制系統(tǒng)的梯形圖設(shè)計設(shè)計19 4.4存取車信號處理操作205結(jié)束語21致 謝22參考文獻23附件1： PLC梯形圖設(shè)計241 緒論1 緒論1.1本題設(shè)計的背景隨著我國城市經(jīng)濟和汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，擁有私家車的家庭越來越多，而與此相對應(yīng)的是城市停車狀況的尷尬。以北京市為例，截止2007年底，市區(qū)僅有公共停車場828處，共計車位5.7萬個，僅占市區(qū)機動車擁有量的8.6，停車環(huán)境與城市規(guī)劃的矛盾十分突出。上海的情況也讓人無法樂觀，僅有的229個地下車庫使用面積不足60萬平方米，只能滿足1.3萬輛機動車停放的要求，路邊停車漸呈泛濫之勢，比例高達64，而且還有繼續(xù)上升之勢。據(jù)建設(shè)部城市交通工程技術(shù)中心對全國15個大城市停車現(xiàn)狀的調(diào)查，城市機動車保有量與停車位之比平均為4：84：1，這一比值對于渴望“車者有其位”的車主來說，形式不容樂觀。停車難產(chǎn)生最主要的原因是城市建設(shè)規(guī)劃上的準備不足。上世紀80年代初期，北京市權(quán)威部門對2000年北京汽車發(fā)展數(shù)的預(yù)測僅僅是70萬80萬輛，而事實上到新世紀鐘聲敲響之前，北京市汽車總量則足足比預(yù)期多了100萬輛，其中私人小客車的數(shù)量就高達45萬輛。面對迅速發(fā)展的城市車流，停車設(shè)施建設(shè)的落后也就不足為奇。據(jù)建設(shè)部停車技術(shù)開發(fā)推廣中心介紹，北京市停車設(shè)施的“欠賬”最保守估計應(yīng)為2030。停車問題是城市在發(fā)展過程中出現(xiàn)的靜態(tài)交通問題，靜態(tài)交通是相對于動態(tài)交通而存在的一種交通形態(tài)，二者相互聯(lián)系，互相影響，停車設(shè)施是城市靜態(tài)交通的主要內(nèi)容，隨著城市的不斷發(fā)展，各種車輛的不斷增加，對停車設(shè)施的需求也在不斷增加，如果兩者之間失去平衡，城市里就會出現(xiàn)停車難的一系列問題。數(shù)據(jù)顯示，最近幾年我國城市機動車輛平均增長速度在15%-20%，而同時期城市停車基礎(chǔ)設(shè)施的平均增長速度只有2%-3%，特別是大城市的機動車擁有量的增長速度遠遠超過停車基礎(chǔ)設(shè)施的增長速度，因此，我們必須重視城市停車難的問題，并積極探求解決的措施。專家們指出，解決城市靜態(tài)交通問題，大體分為軟硬兩種措施。所謂軟措施，就是通過政策法規(guī)，限制路面停車，提高停車場利用效率，使部分車主更愿意改乘公共交通工具，以減少機動車對停車場的需求。而硬措施，主要包括增建停車場，建設(shè)地下及立體停車場、利用其它空間滿足停車需求。而無論采取什么措施，在規(guī)劃后再收拾殘局，于局限內(nèi)彌補不足，政府和管理部門所需投入得精力和資金都不小1.2本題設(shè)計的內(nèi)容本課題的主要內(nèi)容是基于三菱FX2N系列PLC的立體車庫控制系統(tǒng)的設(shè)計，升降橫移類機械停車庫利用托盤移位產(chǎn)生垂直通道,實現(xiàn)高層車位升降存取車輛。其車位結(jié)構(gòu)為2維矩陣形式,可設(shè)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24層(國家規(guī)定最高為4層),2層、3層者居多,現(xiàn)以典型的地上23升降橫移式為例,說明停車庫的運行原理。立體車庫結(jié)構(gòu)特點是：底層只能平移,頂層只能升降。除頂層外,底層都必須預(yù)留一個空車位,供進出車升降之用。當(dāng)?shù)讓榆囄贿M出車時,無需移動其他托盤就可直接進出車;頂層進出車時,先要判斷其對應(yīng)的下方位置是否為空,不為空時要進行相應(yīng)的平移處理,直到下方為空才可進行下降動作,進出車完成后再上升回到原位置。其運動的總原則是：升降復(fù)位,平移不復(fù)位。1.3本題設(shè)計的目的及意義作為現(xiàn)代大都市的標(biāo)志，城市中心商住區(qū)高樓大廈林立，社區(qū)道路、高架交通干道、立交橋和地下鐵路，編織出城市立體交通網(wǎng)，汽車的住宅-停車場也有了長足的發(fā)展，由平面停車向立體停車，由簡單的機械車庫向計算機管理高度自動化的現(xiàn)代立體停車演變，成為具有較強的實用性、觀賞性和適合城市環(huán)境的建筑。作為現(xiàn)代大都市的標(biāo)志，立體建筑和立體交通都有了顯著發(fā)展，道路擁擠、車滿為患已成為當(dāng)今快節(jié)奏社會中的最不和諧之音，發(fā)展立體停車已成為人們的共識。目前我國經(jīng)濟正處在高速發(fā)展時期，隨著人們生活水平的不斷提高，汽車進入家庭的步伐正在加快，停車產(chǎn)業(yè)市場前景廣闊。機械式立體車庫既可以大面積使用，也可以見縫插針設(shè)置，還能與地面停車場、地下車庫和停車樓組合實施，是解決城市停車難最有效的手段，機械車庫與傳統(tǒng)的自然地下車庫相比，在許多方面都顯示出優(yōu)越性。首先，機械車庫具有突出的節(jié)地優(yōu)勢。以往的地下車庫由于要留出足夠的行車通道，平均一輛車就要占據(jù)40平方米的面積，而如果采用雙層機械車庫，可使地面的使用率提高8090，如果采用地上21層立體式車庫的話，50平方米的土地面積上便可存放40輛車，這可以大大地節(jié)省有限的土地資源，并節(jié)省土建開發(fā)成本。機械車庫與地下車庫相比可更加有效地保證人身和車輛的安全，人在車庫內(nèi)或車不停準位置，由電子控制的整個設(shè)備便不會運轉(zhuǎn)。應(yīng)該說，機械車庫從管理上可以做到徹底的人車分流。在地下車庫中采用機械存車，還可以免除采暖通風(fēng)設(shè)施，因此，運行中的耗電量比工人管理的地下車庫低得多。機械車庫一般不做成套系統(tǒng)，而是以單臺集裝而成。這樣可以充分發(fā)揮其用地少、可化整為零的優(yōu)勢，在住宅區(qū)的每個組團中或每棟樓下都可以隨機設(shè)立機械停車樓。這對眼下車庫短缺的小區(qū)解決停車難的問題提供了方便條件。當(dāng)以往的路邊、人行道上停車、地下或地面停車場均解決不了上述問題時，采用機械式立體停車設(shè)備是一個非常有效的措施。機械式立體停車設(shè)備又名立體車庫，它占地空間小，并且可最大限度地利用空間，安全方便，立體車庫的設(shè)計目的：是解決城市用地緊張，緩解停車難的一個有效手段。可以預(yù)見立體車庫具有非常廣闊的市場前景。2 系統(tǒng)控制方案的設(shè)定2 系統(tǒng)控制方案的設(shè)定 2.1 自動化立體車庫的描述目前，立體車庫主要有以下幾種形式：升降橫移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂直循環(huán)式、箱型水平循環(huán)式、圓形水平循環(huán)式等。在對國內(nèi)外各種同類產(chǎn)品進行分析的基礎(chǔ)上，再結(jié)合造價、技術(shù)難度以及用戶需求等各個方面的因素，可以發(fā)現(xiàn)升降橫移式立體車庫形式比較多，規(guī)?？纱罂尚?，而且對場地的適應(yīng)性較強，同時采用這類設(shè)備的車庫十分普遍。因此，最終確定研究對象為升降橫移式立體車庫。2.2系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟 立體車庫系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的主要步驟，如圖2.1所示 圖2.1 立體車庫控制系統(tǒng)的修訂步驟在本次課題設(shè)計過程中主要考慮以下幾點：1深入的了解 和分析立體車庫的工藝條件和控制要求。2根據(jù)立體車庫的控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。3根據(jù)所設(shè)計的場所，選擇電動機的類型。4根據(jù)I/O的點數(shù)選擇合適的PLC的類型。5分配I/O點，分配PLC的輸入、輸出點。6設(shè)計立體車庫系統(tǒng)的梯形圖設(shè)計。7將程序輸入PLC程序進行調(diào)試，查出錯誤，讓程序更加完善。3 立體車庫系統(tǒng)硬件方面的設(shè)計3 立體車庫系統(tǒng)硬件方面的設(shè)計 3.1升降橫移式立體車庫的基本結(jié)構(gòu)升降橫移式立體車庫是指利用載車板的升降或橫向平移存取停放車輛的機械式停車設(shè)備。升降橫移式立體車庫每個車位均有載車板，所需存取車輛的載車板通過升、降、橫移運動到達地面層，駕駛員進入車庫，存取車輛，完成存取過程。停泊在這類車庫地面的車只作橫移，不必升降，上層車位要將載車板升或降到地面層，駕駛員才可進入車庫內(nèi)將汽車開進或開出車庫。圖3.1 為一個地上5車位的升降橫移式停車設(shè)備，其工作原理是：第二層三個車位可以升降，一層的兩個車位只能橫向橫移，空車位供二層的車位下降時借用。1 、2號車位可以直接存放車輛;5號車位需下降后再存放車輛;3號車位，則需先將1 號和2號載車板右移，再將3號載車板下降; 4 號車位，則需先將2 號載車板右移，再將4號存車板下降；由于升降橫移式停車設(shè)備對場地的適應(yīng)性強，介紹系統(tǒng)各機械部分部件結(jié)構(gòu)和功能 可根據(jù)不同的地形和空間進行任意的組合、排列，規(guī)?？纱罂尚?，對土建的要求比較低，因此，應(yīng)用非常廣泛。 圖 3.1 五車位升降橫移式立體車庫工作原理圖本設(shè)計以兩層三列式立體車庫為模型建立研究對象。升降橫移式立體車庫主要由結(jié)構(gòu)框架部分、載車板部分、橫移系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)六大部分組成。下面我們重點對車庫的主要組成(圖3.2所示)進行分析。圖 3.2 升降橫移式立體車庫主要組成1結(jié)構(gòu)框架立體車庫一般主要以鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土為主，在升降橫移式車庫中我們選用鋼架結(jié)構(gòu)(如圖3.3所示)。鋼架結(jié)構(gòu)與其它建筑結(jié)構(gòu)相比，具有如下特點：圖3.3 立體車庫的結(jié)構(gòu)框架a可靠性高鋼材在生產(chǎn)時，整個過程可嚴格控制，質(zhì)量比較穩(wěn)定，性能可靠。鋼材組織均勻，接近于各向同性勻質(zhì)體;鋼材的物理力學(xué)特性與工程力學(xué)對材料性能所作的基本假定符合較好;鋼結(jié)構(gòu)的實際工作性能比較符合目前采用的理論計算結(jié)果，計算結(jié)果可靠，所以說鋼結(jié)構(gòu)的可靠性高。b材料的強度高，鋼結(jié)構(gòu)自重小與混凝土等材料相比，雖然鋼材的重力密度大，但它的強度和彈性模量較高，而且強度與重力密度之比也高得多。鋼結(jié)構(gòu)自重小，從而便于運輸與安裝，可減輕基礎(chǔ)的負荷，降低地基和基礎(chǔ)部分的造價。c材料的塑性和韌性好鋼材的塑性好，鋼結(jié)構(gòu)在一般條件不會因超載等而突然斷裂。破壞前一般都會產(chǎn)生顯著的變形，易于被發(fā)現(xiàn)，可及時采取補救措施，避免重大事故發(fā)生。鋼材的韌性好，鋼結(jié)構(gòu)對動力荷載的適應(yīng)性強，具有良好的吸能能力，抗震性能優(yōu)越。d鋼結(jié)構(gòu)制造簡便，施工工期短鋼結(jié)構(gòu)一般在專業(yè)工廠制造，易實現(xiàn)機械化，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度高，質(zhì)易于保證，是工程結(jié)構(gòu)中工業(yè)化程度最高的一種結(jié)構(gòu)。構(gòu)件制造完成后，運至施工現(xiàn)場拼裝成結(jié)構(gòu)。拼裝可采用安裝方便的螺栓連接，有時還可在地面拼裝成較大的單元，再進行吊裝。施工工期短，可盡快發(fā)揮投資的經(jīng)濟效益。由于鋼結(jié)構(gòu)具有連接的特性，故易于加固、改建和拆遷。e鋼結(jié)構(gòu)密閉性好鋼結(jié)構(gòu)采用焊接連接可制成水密性和氣密性較好的常壓和高壓結(jié)構(gòu)、管道等。f鋼材的耐銹蝕性差在沒有腐蝕介質(zhì)的一般環(huán)境中，普通鋼材制成的鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)除銹后再涂上合格的防銹涂料，銹蝕問題并不嚴重。立體車庫多在沒有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中，所以對鋼結(jié)構(gòu)本身的維護費用低。結(jié)構(gòu)主體采用熱制H 型鋼、槽鋼、角鋼和鋼板等型材制造，具有較好的強度和剛度，輕巧、美觀，并可二次拆卸安裝，運輸方便。2上載車板及其提升系統(tǒng)每塊上載車板都配有一套獨立的電機減速機與鏈傳動組合的傳動系統(tǒng)。其工作原理如圖3.1所示，電機順時針旋轉(zhuǎn)時，載車板上升，電機逆時針旋轉(zhuǎn)時，載車板下降。根據(jù)載車板及車重確定鏈條所需的傳動力。根據(jù)傳動力及載車板的移動速度確定電機功率。根據(jù)車身高度確定上下載車板間的距離，根據(jù)這個距離確定鏈條的長度，最后根據(jù)傳動力確定鏈輪大小，鏈節(jié)形狀及大小。3下載車板及其橫移系統(tǒng)由于下載車板不需懸掛鏈條，所以為了節(jié)省材料，下載車板比上載車板要短。每塊下載車板后部都配有一套獨立的電機減速機傳動系統(tǒng)，藏于載車板內(nèi)。在下載車板底部裝有四只鋼輪，可以在導(dǎo)軌上行走，其中兩只為主動輪，裝于長傳動軸兩端，另兩只為獨立安裝的從動輪。電機減速機驅(qū)動長傳動軸運轉(zhuǎn)，長傳動軸上的主動鋼輪在導(dǎo)軌上滾動行走從而使下載車板作橫向平移運動。根據(jù)載車板及車輛的重量、行走速度、滾輪與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)確定橫移電機的驅(qū)動功率。4安全裝置上載車板上裝有上下行程極限開關(guān)和防墜落安全裝置。防墜落安全裝置裝在縱梁與上載車板上停位之間，在縱梁兩測各裝兩只掛鉤，上載車板兩側(cè)相應(yīng)位置處各裝兩只耳環(huán)，當(dāng)上載車板上升到位后，縱梁下面的四只掛鉤便自動套入四只耳環(huán)內(nèi)，以防止升降電機常閉制動器慢釋放后，上載車板在汽車和載車板本身的重力作用下慢慢下滑，壓壞下層汽車。另外也防止制動器一旦失靈，上載車板從上停車位墜落，砸壞下層汽車。下載車板的安全裝置主要是行程極限開關(guān)和防碰撞板。行程極限開關(guān)的作用是使載車板橫移到位后自動停止。防碰撞板的作用是：下載車板橫移時，如果碰撞到人、遺留行李或車主寵物時，切斷橫移電機電源，橫移停止。5控制系統(tǒng)升降橫移式立體停車設(shè)備的控制系統(tǒng)采用PLC 可編程序控制器控制，主要有手動、自動、復(fù)位、急停四種控制方法。自動控制應(yīng)用于平時的正常工作狀態(tài)，手動控制應(yīng)用于調(diào)試、維修狀態(tài)，復(fù)位應(yīng)用于排除故障場合，急停應(yīng)用于發(fā)現(xiàn)異常的緊急場合。對于本文中所列的5車位升降橫移式立體停車設(shè)備，PLC 主要要控制二層三個升降電機的正反轉(zhuǎn)和一層橫移電機的正反轉(zhuǎn)。此外要控制上層車位上安全鉤的電磁鐵和系統(tǒng)報警顯示裝置等。3.2定位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2.1定位控制系統(tǒng)的組成系統(tǒng)主要由：PLC、組態(tài)監(jiān)控部分、電氣傳動部分、檢測部分、手動控制部分、支架模型組成。PLC程序設(shè)計要求：a號車位、2號車位、3號車位只能上下移動，不能左右移動；b4號車位、5號車位只能左右移動，不能上下移動；c下排車位上的汽車可以直接開出；d上排車位的汽車，要想開出需要先按下相應(yīng)車位標(biāo)號呼叫按鍵，再按下叫車按鍵，然后下排車位先左右移動，讓出位置，上排車位降至下層，再進出車輛。3.2.2立體車庫控制系統(tǒng)的原理整個車庫設(shè)計由一臺PLC對車庫進行統(tǒng)一的管理和監(jiān)控，通過PLC控制載車板縱橫傳動裝置以完成對車輛的存取操作。各車位內(nèi)車輛的調(diào)入調(diào)出由PLC根據(jù)當(dāng)前各車位的車輛存放情況，按照相應(yīng)的調(diào)度策略調(diào)度車輛進出。立體車庫的自動存取車控制系統(tǒng)包括弱電與強電兩套系統(tǒng)。弱電系統(tǒng)主要包括各種信號的采集、報警與控制輸出。PLC輸出信號給接觸器線圈，控制接觸器的接通與關(guān)斷。強電系統(tǒng)包括載車板電機控制線路、控制電機正反轉(zhuǎn)接觸器、到位限位及載車板的上下行程限位。車庫采用車位檢測裝置代替人工找位，用升降裝置輸送汽車到位。系統(tǒng)在面板處設(shè)有急停開關(guān)，當(dāng)發(fā)生意外時，按下急停開關(guān)，斷掉所有電機的電源，使載車盤無法繼續(xù)運行，以保護人員及設(shè)備的安全。系統(tǒng)輸出控制信號包括控制電機運行方向信號，控制電機運行信號，控制電磁鐵得、失電信號，控制燈光報警信號，控制車庫照明信號。升降橫移式立體車庫是一種比較典型的跨學(xué)科機電一體化產(chǎn)品，集機械、電子、信息技術(shù)于一體。其中，電子技術(shù)、信息技術(shù)和傳感技術(shù)的合理運用與組合構(gòu)成了車庫的控制系統(tǒng)。升降橫移式立體車庫的控制系統(tǒng)是整個車庫系統(tǒng)的重要組成部分，也是車庫系統(tǒng)的核心。執(zhí)行機構(gòu)是“四肢”，框架是“軀體”，那么控制系統(tǒng)就是“大腦”。它指揮著車庫的每個運作過程，并對整個系統(tǒng)的狀態(tài)過程進行監(jiān)控。升降橫移式立體車庫的系統(tǒng)控制原理：操作者(人)要通過控制系統(tǒng)信息交流的平臺(界面)把操作信息傳送給控制系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)處理后，系統(tǒng)把可識別的控制信息通過輔助設(shè)備驅(qū)動執(zhí)行結(jié)構(gòu)，來完成車庫現(xiàn)場的運作。其系統(tǒng)控制原理框圖，如圖3.4所示。由于PLC的可靠性、抗干擾能力強。國內(nèi)外現(xiàn)有的升降橫移式立體車庫，它們的系統(tǒng)控制形式大都采用可編程控制器控制，特別是應(yīng)用在智能化要求程度高、多車尾、大容量的現(xiàn)代化升降橫移式立體車庫中。PLC的可靠性、抗干擾能力強。圖 3.4 車庫系統(tǒng)控制原理框圖在升降橫移式立體車庫中，控制系統(tǒng)中主控單元的主要控制對象首先是車庫內(nèi)的橫移電機和升降電機，控制系統(tǒng)就是使它們在不同的時間內(nèi)實現(xiàn)正反轉(zhuǎn);其次是車庫內(nèi)的各種輔助裝置，如指示燈及其各種安全設(shè)施等。為了保證載車板能橫移到預(yù)定位置以及載車板能上升或下降到指定位置，采用了行程開關(guān)。為了判斷載車板上有無車輛，采用了光電開關(guān)。一般小型車庫選用按鈕操作，界面清楚，易于操作，但對于大型車庫來說要用上位機來進行對其控制。同時在車庫中還采用了一些傳感器如煙溫傳感器以及安全預(yù)警裝置，因本系統(tǒng)只有開關(guān)量輸入而無模擬量輸入，憑可編程序控制器本身的抗干擾能力和隔離變壓器就能滿足要求，因此可不必再另外增加其它抗干擾措施。3.3步進電動機的選擇3.3.1步進電動機的原理步進式伺服驅(qū)動系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，執(zhí)行元件是步進電機。它受驅(qū)動控制線路的控制，將代表進給脈沖的電平信號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，它的精度較差，速度也受到步進電機性能的限制。但它的結(jié)構(gòu)和控制簡單、容易調(diào)整，故在速度和精度要求不太高的場合具有一定的使用價值。步進電機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理。目前，我國使用的步進電機多為反應(yīng)式步進電機。在反應(yīng)式步進電機中，有軸向分相和徑向分相兩種，圖3.1是一典型的單定子、徑向分相、反應(yīng)式伺服步進電機的結(jié)構(gòu)原理圖。它與普通電機一樣，分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，其形狀如圖中所示。定子繞組是繞置在定子鐵心6個均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。圖3.5所示的步進電機可構(gòu)成三相控制繞組，故也稱三相步進電機。若任一相繞組通電，便形成一組定子磁極，其方向即圖中所示的NS極。在定子的每個磁極上，即定子鐵心上的每個齒上又開了5個小齒，齒槽等寬，齒間夾角為9，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，只有均勻分布的40個小齒，齒槽也是等寬的，齒間夾角也是9，與磁極上的小齒一致。此外，三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開1/3齒距。 圖3.5單定子徑向分相反應(yīng)式伺服步進電機結(jié)構(gòu)原理圖步進電機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理。圖3.2是一種最簡單的反應(yīng)式步進電機，下面以它為例來說明步進電機的工作原理。圖3.6()中，當(dāng)A相繞組通以直流電流時，根據(jù)電磁學(xué)原理，便會在AA方向上產(chǎn)生一磁場，在磁場電磁力的作用下，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的齒與定子AA磁極上的齒對齊。若A相斷電，B相通電，這時新的磁場其電磁力又吸引轉(zhuǎn)子的兩極與BB磁極齒對齊，轉(zhuǎn)子沿順時針轉(zhuǎn)過60。通常，步進電機繞組的通斷電狀態(tài)每改變一次，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。因此，圖3.6()所示步進電機的步距角等于60。如果控制線路不停地按ABCA的順序控制步進電機繞組的通斷電，步進電機的轉(zhuǎn)子便不停地順時針轉(zhuǎn)動。若通電順序改為ACBA，同理，步進電機的轉(zhuǎn)子將逆時針不停地轉(zhuǎn)動。上面所述的這種通電方式稱為三相三拍。還有一種三相六拍的通電方式，它的通電順序是：順時針為A AB B BC C CA A ；逆時針為A AC C CB B BA A。若以三相六拍通電方式工作，當(dāng)A相通電轉(zhuǎn)為A和B同時通電時，轉(zhuǎn)子的磁極將同時受到A相繞組產(chǎn)生的磁場和B相繞組產(chǎn)生的磁場的共同吸引，轉(zhuǎn)子的磁極只好停在A和B兩相磁極之間，這時它的步距角等于30。當(dāng)由A和B兩相同時通電轉(zhuǎn)為B相通電時，轉(zhuǎn)子磁極再沿順時針旋轉(zhuǎn)30，與B相磁極對齊。其余依此類推。采用三相六拍通電方式，可使步距角縮小一半。圖3.6()中的步進電機，定子仍是A ，B ，C三相，每相兩極，但轉(zhuǎn)子不是兩個磁極而是四個。當(dāng)A相通電時，是1和3極與A相的兩極對齊，很明顯，當(dāng)A相斷電、B相通電時，2和4極將與B相兩極對齊。這樣，在三相三拍的通電方式中，步距角等于30，在三相六拍通電方式中，步距角則為15。圖3.6 步進電機工作原理圖 (1) 步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即步進電機的步距角；(2) 改變步進電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變； (3) 步進電機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；(4) 步進電機步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)，可用下式表示：=360(mzk)式中m相m拍時，k=1；m相2m拍時，k=2；依此類推。對于圖3.1所示的單定子、徑向分相、反應(yīng)式伺服步進電機，當(dāng)它以三相三拍通電方式工作時，其步距角為 =360(mzk)=360(3401)=3若按三相六拍通電方式工作，則步距角為=360(mzk)=360(3402)=1.54.步進電機的主要特性 (1) 步距角。步進電機的步距角 是反映步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它是決定步進伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)。數(shù)控機床中常見的反應(yīng)式步進電機的步距角一般為 。步距角越小，數(shù)控機床的控制精度越高。(2) 矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax和啟動轉(zhuǎn)矩Mq。矩角特性是步進電機的一個重要特性，它是指步進電機產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 與失調(diào)角 的變化規(guī)律。(3) 啟動頻率fq?？蛰d時，步進電機由靜止突然啟動，并進入不丟步的正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能正常啟動?？蛰d啟動時，步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。(4) 連續(xù)運行的最高工作頻率fmax。步進電機連續(xù)運行時，它所能接受的，即保證不丟步運行的極限頻率，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進電機的最高轉(zhuǎn)速。(5)加減速特性。步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。當(dāng)要求步進電機啟動到大于突跳頻率的工作頻率時，變化速度必須逐漸上升；同樣，從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時，變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和下降的加速時間、減速時間不能過小，否則會出現(xiàn)失步或超步。我們用加速時間常數(shù)Ta和減速時間常數(shù)Td來描述步進電機的升速和降速特性，如圖 3.7所示。圖 3.7加減速特性曲線3.3.2步進電動機的選型在選擇步進電動機時首先考慮的是步進電動機的類型選擇，其次是具體的品種選擇，在該立體車庫系統(tǒng)設(shè)計中要求步進電動機的電壓低、電流小、有定位轉(zhuǎn)矩和使用螺栓機構(gòu)的定位裝置，確定步進電動機采用2相8拍混合式步進電動機；在進行步進電動機的品種選擇時，要綜合考慮速比i、軸向力Tt、額定轉(zhuǎn)矩Tn和運行頻率Fy，以確定不進電動機的具體規(guī)格和控制裝置。步進電動機有如下特點：1、步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比。因此,當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后,沒有累計誤差,具有良好的跟隨性。2、由步進電動機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng),既簡單、廉價,叉非常可靠。同時,它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。3、步進電動機的動態(tài)響應(yīng)快,易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。4、速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整,低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)矩,因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。5、步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行,不能直接使用交流電源和直流電源。6、步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象,必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應(yīng)措施。 4 升降橫移式立體車庫系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計 4 升降橫移式立體車庫系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計 4.1可編程控制器的選擇系統(tǒng)核心部分采用三菱FX2N為控制元件，它是FX系列中功能最強、速度最高的微型可編程控制器。它的基本指令執(zhí)行時間高達0.08us，遠遠超過了很多大型可編程控制器。它功能強大實用，價格便宜，工作穩(wěn)定可靠，24點輸入，16點輸出，采用繼電器輸出形式，可驅(qū)動交直流負載，負載電流在2A左右。220V AC供電。并且輸入端內(nèi)部自帶24V直流電源，還可為負載提供直流電源。4.1.1 PLC的概述PLC英文全稱Programmable Logic Controller ,中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 可編程序控制器是六十年代末在美國首先出現(xiàn)的，目的是用來取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能，由此日本稱它為順序控制器（Sequence Controller)。 提出PLC 概念的是美國通用汽車公司。當(dāng)時，根據(jù)汽車制造業(yè)生產(chǎn)線的需要，希望用電子化的新型控制器替代繼電器控制盤，以減少汽車改型時，重新設(shè)計制造繼電器控制盤的成本和時間。隨著半導(dǎo)體技術(shù)尤其是微處理器和微型計算機技術(shù)的發(fā)展， 到七十年代中期以后，PLC已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出組件和外圍電路也都采用了中 、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時的“PLC”已不再是僅有邏輯 （Logic）判斷功能了，同時具有數(shù)據(jù)處理、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通訊功能。 美國電氣制造商協(xié)會NEMA（ National Electrical Manu-factory Association）從1976年開始，經(jīng)過四年的調(diào)查，于1980年把它正式命名為可編程序控制器，簡稱“PC”. 可編程序控制器硬件由六部分構(gòu)成: 中央處理器（ Central Processor Unit 簡稱CPU）：它是可編程序控制器的心臟部分。CPU由微處理器（Microproce-ssor）存儲實際控制邏輯的程序存儲器和存儲數(shù)據(jù)、變量的數(shù)據(jù)儲器構(gòu)成。 電源 （Power Supply）：給中央處理器提供必需的工作電源。 輸入組件（Inputs）：輸入組件的功能是將操作開關(guān)和現(xiàn)場信號送給中央處理器?，F(xiàn)場信號可能是開關(guān)量、模擬量或針對某一特定目的使用的特殊變量。 輸出組件（Outputs）：輸出組件接收CPU的控制信號，并把它轉(zhuǎn)換成電壓或電流等現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)所能接收的信號后，傳送控制命令給現(xiàn)場設(shè)備的執(zhí)行器。 輸入輸出（簡稱I/O）是可編程序控制器的“手”和“腳”或者叫作系統(tǒng)的“眼睛”和“視覺”。輸入信號包括按扭開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電傳感器、熱電偶、熱電阻、位置檢測開關(guān)和編碼器等。輸出信號包括繼電器、指示燈、顯示器、電機啟動等直流和交流設(shè)備。 編程器（Programmer）：在正常情況下，編程器用于系統(tǒng)初始狀態(tài)的配置，控制邏輯程序編制和加載，不能對系統(tǒng)操作。編程器也可用于控制程序的調(diào)試和控制系統(tǒng)故障時作為檢查故障的有效工具。4.1.2 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(nèi)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(shù)一般為1020ms。 （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(guān)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(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)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(shè)計和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變PLC的硬設(shè)備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，PLC除應(yīng)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(yīng)面廣現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺生產(chǎn)機械、一條生產(chǎn)線，又可控制一個生產(chǎn)過程。4.編程簡單，容易掌握目前，大多數(shù)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(shù)工廠企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)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(dāng)接近。通過閱讀PLC的用戶手冊或短期培訓(xùn)，電氣技術(shù)人員和技術(shù)工很快就能學(xué)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(shè)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(shù)器等器件，控制柜的設(shè)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(diào)試，更減少了現(xiàn)場的調(diào)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(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)緊湊，堅固，體積小，重量輕，功耗低。并且由于PLC的強抗干擾能力，易于裝入設(shè)備內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。以三菱公司的F1-40M型PLC為例：其外型尺寸僅為305110110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、適應(yīng)環(huán)境溫、濕度變化的能力。現(xiàn)在三菱公司又有FX系列PLC，與其超小型品種F1系列相比：面積為47%,體積為36%，在系統(tǒng)的配置上既固定又靈活，輸入輸出可達24128點。4.2定位控制系統(tǒng)程序設(shè)計4.2.1檢測點與控制點發(fā)分布 1 檢測點分布：（1）載車板上汽車停放到位否檢測采用光電開關(guān)在底層進行掃描檢測。光電開關(guān)的接收器和發(fā)射器分別安裝在底層左右兩邊，在載車板前后位置均進行檢測，當(dāng)有車輛停放不到位時，車就把光電關(guān)光源擋住，此時系統(tǒng)不能動作，只有車輛停放到位后，系統(tǒng)才能正常工作。（2）載車板上有無車檢測在每個載車板上的一條對角線上安放一套光電開關(guān)，用于檢測載車板上有無車。（3）車板平移運動是否到位檢測只有下層載車板有平移運動，在每個車位上分別安裝一只限位開關(guān)，用于檢測載車板平移運動是否到位。（4）載車板升降是否到位檢測只有上層載車板有升降運動，在每個載車板垂直運動的軌道上，在低層和上層分別安裝一只限位開關(guān)，用于檢測載車板下降和上升是否到位。（5）上層載車板吊鉤是否掛好檢測控制吊鉤動作的電磁鐵上有一反饋信號，可用于指示吊鉤是否已把載車板掛好。2 控制點分布（1）一層載車板左右平移控制 一層載車板只有兩個，每個載車板只有左右移動兩個動作，采用帶自動抱閘的三相交流電機控制。（2）二層載車板升降橫移運動控制二層載車板有三個，每個載車板有橫移、升降四個動作，采自動抱閘的三相交流電機控制。（3）吊鉤動作控制只有二的載車板使用吊鉤，每個載車板用2 套吊鉤，吊鉤用電磁鐵控制。根據(jù)依據(jù)需要控制的電機、電磁鐵和檢測點等條件，建立電氣線路。4.2.2 電氣系統(tǒng)部分設(shè)計PLC接線設(shè)計：在升降橫移式立體停車庫中，控制系統(tǒng)中主控單元的主要控制對象首先是車庫內(nèi)的橫移電機和升降電機，控制系統(tǒng)就是使它們在不同的時間內(nèi)實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，其次是車庫內(nèi)的各種輔助裝置，如指示燈及其各種安全設(shè)施等。為了保證載車板能橫移到預(yù)定位置以及載車板能上升或下降到指定位置，采用了行程開關(guān)。為了判斷載車板上有無車輛，采用了光電開關(guān)。同時在車庫中還采用了一些傳感器如煙溫傳感器以及安全預(yù)警裝置，其簡化接線圖見圖4.2所示。圖 4.2 簡化PLC接線圖電機控制及接線設(shè)計：在存取車時車位的升降不能同時進行，車位的升降和橫移也不能同時進行，這兩個動作必須是互鎖的，即當(dāng)上層車位在升降時，地面層車位不能移動，反之亦然，并且上層車位每次只能有一個車位進行上下升降運動。這些在程序中可采用聯(lián)鎖和互鎖的方法來解決。如圖4.3所示。圖 4.3 電機控制原理圖本文所設(shè)計的PLC存取車控制系統(tǒng)只針對上層的車位，而對于1層車位，存取車直接開進開出即可?？刂栖浖捎锰菪螆D語言編寫。程序流程見圖。需要說明的是，載車板用鏈條依靠載車板上的吊點懸吊在托架上，在靜止?fàn)顟B(tài)時，防墜（安全）掛鉤掛住載車板。在設(shè)計不同層進出車程序時運用了“并行分支與匯合”的技巧，所謂并行分支指的是各分支流程可同時執(zhí)行，待各流程動作全部結(jié)束后，根據(jù)相應(yīng)執(zhí)行條件，匯合狀態(tài)動作。即如果選擇第二層載車板進出車，可以使一層平移左移或右移，這樣，控制系統(tǒng)能自動處理設(shè)備動作順序之間的聯(lián)鎖或雙重輸出，而且控制系統(tǒng)的試運行及故障檢查非常方便，可節(jié)約大量時間，提高工作效率。本設(shè)計的動作規(guī)則：1、2、3號車位的車只能上下移動，不可橫移。5、6號車位只能橫移，不可上下。因為車位只有1到6號，所以鍵盤只可輸入1到6當(dāng)中的數(shù)字。輸入其他數(shù)字無效，同時只能輸入一個數(shù)字，新輸入的數(shù)字將覆蓋舊的輸入值。4.3 PLC定位控制系統(tǒng)的梯形圖設(shè)計設(shè)計見附錄1 4 升降橫移式立體車庫系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計4.4存取車信號處理操作自動存取車系統(tǒng)一般由小型可編程控制器PLC控制，包括卡號識別與移動載車盤兩個過程。用戶進入車庫時，在門口刷卡進入，讀卡機自動把數(shù)據(jù)傳送到PLC控制系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)通過判斷卡號，自動把對應(yīng)的載車盤移動到人車交接的位置，開啟車庫門，縮短存取車的時間。存車時，司機按照指示燈信號指引入庫，只有當(dāng)車輛停放在安全位置后，停車正常指示燈才會亮啟。存取車完成后，車庫門自動關(guān)閉。移動載車盤時，系統(tǒng)嚴格按照各種檢測信號的狀態(tài)進行移動，檢測信號包括超長檢測、到位檢測、極限位置檢測、人員誤入檢測、急停信號檢測等。若有載車盤運行不到位或車輛長度超出車庫允許的長度，所有載車盤將不進行動作，若檢測到急停信號，將停止一切動作，直至急停信號消失。以上信號均為硬件信號