【導(dǎo)讀】進(jìn)入21世紀(jì)后，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)繼續(xù)地大踏步前進(jìn)和人民生活期望值的提升，市民人均擁有私家車的數(shù)量逐年上升。加上我國(guó)近幾年用地的緊張，于是停車難的問(wèn)。雖然立體車庫(kù)的投入使用緩解了目前停車難的問(wèn)題，但很多在役的立體。車庫(kù)存在的問(wèn)題還是很多，例如：成本高、利用率低、不易推廣、安全性差等問(wèn)題。機(jī)械式立體車庫(kù)的設(shè)計(jì)構(gòu)想。本課題研究的立體車庫(kù)的整個(gè)結(jié)構(gòu)框架和控制系統(tǒng)基于。低成本、低能耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練等設(shè)計(jì)理念。的基礎(chǔ)上，本文主要針對(duì)基于PLC的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和理論研究。根據(jù)整個(gè)立體車庫(kù)系統(tǒng)控制要求，在基本電氣運(yùn)行線路設(shè)計(jì)后，加入了西門字?？刂葡到y(tǒng)各部分包。和人機(jī)交互單片機(jī)）之間的通信部分和聯(lián)調(diào)進(jìn)行了相關(guān)介紹。的場(chǎng)所需求，以上優(yōu)點(diǎn)對(duì)立體車庫(kù)的推廣將起到積極的作用。

　　

【正文】 的；根據(jù)車庫(kù)基本框架和客戶使用中的基本需求對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行原理進(jìn)行了設(shè)定，車庫(kù)運(yùn)行原理的提出在很大程度上對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)明確了過(guò)程和目標(biāo)，為后期系統(tǒng)中各模塊的開發(fā)和耦合提供了依據(jù)；其中 PLC 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)是本論文重點(diǎn)闡述的部分，在此章節(jié)對(duì)其整體設(shè)計(jì)思路做出相關(guān)的介紹，包括了其在整個(gè)系統(tǒng)中功能和作用描述， PLC 控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)原理圖和相關(guān)硬件器件的選型。 24 3 立體車庫(kù) PLC 控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì) PLC 在立體車庫(kù)系統(tǒng)控制中的應(yīng)用 PLC 介紹 在以前傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)中，繼電器控制系統(tǒng)占據(jù)著統(tǒng)治地位，但它僅限于在動(dòng)作流程或生產(chǎn)工藝固定不發(fā)生變化的情況下，進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的邏輯控制以及定時(shí)、計(jì)數(shù)等一些簡(jiǎn)單的控制。如此簡(jiǎn)單死板的工業(yè)控制系統(tǒng)和越來(lái)越強(qiáng)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)環(huán)境產(chǎn)生了很大的沖突。在這個(gè)時(shí)候以微處理器為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的可編程控制系統(tǒng)開始在工業(yè)控制領(lǐng)域嶄露頭角，一開始其也僅具備邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能；后來(lái)慢慢增加了很多特殊功能，如函數(shù)運(yùn)算、查表等；在微處理器高速發(fā)展的當(dāng)下，其具備 的功能也日益強(qiáng)大，不僅具備了高速計(jì)數(shù)、 PID 控制等功能，而且聯(lián)網(wǎng)通信能力也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步 。這都使可編程控制器在目前控制領(lǐng)域的存在感和價(jià)值感越來(lái)越強(qiáng) [20]。而本車庫(kù)控制系統(tǒng)選用的 S7300PLC 特點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行周期短，運(yùn)算頻率大，指令豐富功能強(qiáng)大，信息處理能力強(qiáng)，模塊化結(jié)構(gòu)，安裝緊湊。 PLC 適合工控的原因 由儲(chǔ)存程序來(lái)實(shí)現(xiàn)具體控制功能的 PLC 在當(dāng)下控制領(lǐng)域扮演著很重要的角色，并且已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一，取得這樣的成績(jī)不是偶然。一方面是它還不斷處于為了適應(yīng)各種 控制要求而在完善自身的旅途中不曾停下腳步，另一方面他相比于其他的一些控制系統(tǒng)，確實(shí)有他獨(dú)特的令人折服的優(yōu)點(diǎn)。 ①適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境； ②程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，技術(shù)人員易懂； ③功能全面，靈活通用； ④網(wǎng)絡(luò)組態(tài)方便，通信穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)； ⑤占空間小，維護(hù)方便。 25 車庫(kù) PLC 的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu) 現(xiàn)在市場(chǎng)上生產(chǎn) PLC 的廠家有很多，這樣帶來(lái)了 PLC 的產(chǎn)品各類，但都是基于計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的各類 PLC 產(chǎn)品其內(nèi)部基本組成結(jié)構(gòu)類似，其中應(yīng)用到該課題中的 S7300 PLC 的內(nèi)部簡(jiǎn) 易結(jié)構(gòu)如圖 所示： 由圖可以看出， S7300 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)模塊化。各個(gè)單獨(dú)模塊之間可進(jìn)行廣泛組合和擴(kuò)展。它的組成主要電源模塊 (PS)、中央處理單元模塊 (CPU)、導(dǎo)軌 (BACK)、接口模塊 (IM)、信號(hào)模塊 (SM)、功能模塊 (FM)[27]等。下面主要對(duì)車庫(kù)控制系統(tǒng)用到的幾個(gè)模塊做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹： 1．電源模塊 該模塊將交流電源轉(zhuǎn)換成 PLC 所需要的直流電源，是整個(gè) PLC 系統(tǒng)的能量源，直接影響到 PLC 的工作性能，目前大多數(shù) PLC 采用高質(zhì)量的開關(guān)式穩(wěn)壓電源，相對(duì)于普通電源具有工 作穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。其將 220V 交流電源轉(zhuǎn)換成 24V 直流電源， S7300 電源通過(guò)電纜與其他信號(hào)各模塊相連所以在選擇相應(yīng)的備件時(shí)，一定要注意控制其電壓的是直流 24V，包括繼電器、指示燈、限位開關(guān)、接近開關(guān)等。 2． CPU S7300 的 CPU 具備 4 種運(yùn)行模式，每種運(yùn)行模式都有其獨(dú)有的作用和功能。而 CPU 的分類根據(jù)其不同的分類方式有很多種，但在本立體車庫(kù)控制系統(tǒng)中，我們 26 所選的 CPU 需要滿足以下幾個(gè)方面：適應(yīng)戶外惡劣的環(huán)境、對(duì) I/O 擴(kuò)展方便利于以后車庫(kù)規(guī)模的擴(kuò)展具備一定的 相關(guān)通信接口或是擴(kuò)展能力以便與其他控制系統(tǒng)的信息交換。 3．導(dǎo)軌 其主要用于組合 S7300 各類模塊的機(jī)架 (特制不銹鋼異型板 )，其長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況進(jìn)行選擇，一般有 160mm、 482mm、 530mm、 830mm、 2020mm 等。 I/O 擴(kuò)展模塊 S7300 有多種型號(hào)的數(shù)字量輸入 /輸出 (I/O)以供設(shè)計(jì)人員根據(jù)不同需要進(jìn)行選擇，其與 CPU 相應(yīng)的映象區(qū)都是通過(guò)背板總線相連，其輸入 /輸出電纜最長(zhǎng)可達(dá) 1000m(屏蔽電纜 )，其中較為常用的是輸入擴(kuò)展 SM32輸出擴(kuò)展 SM32輸入 /輸出擴(kuò)展 SM323。其中要注意的是 I/O 點(diǎn)數(shù)在使用時(shí)我們要考慮一定的裕量，不考慮一定的裕量而滿負(fù)荷運(yùn)行，就有可能影響控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度和可靠性，給整個(gè)控制帶來(lái)安全隱患，由于 S7300 具備很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，所以即使車庫(kù)控制系統(tǒng)要進(jìn)行后期擴(kuò)展，對(duì)于 I/O 擴(kuò)展模塊的使用也是綽綽有余的。 5．通信接口 在該立體車庫(kù)控制系統(tǒng)中， S7300 涉及到與人機(jī)交互單片機(jī)之間的通信實(shí)現(xiàn)，而所選用的 CPU3152DP 型 CPU 僅含有 DP 接口和 MPI 接口，所以在與人機(jī)交互單片機(jī)通信需 要擴(kuò)展串口通信模板 CP340。 PLC 的運(yùn)行原理 上電后處于正常工作的 PLC，它將處于不斷的循環(huán)掃描中，如果我們暫且對(duì)遠(yuǎn)程I/O、特殊模塊、更新時(shí)鐘、其他通信服務(wù)等分支功能模塊置于分析之外，掃描過(guò)程就分為以下三個(gè)階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段，而這三個(gè)階段恰恰是 PLC 運(yùn)行過(guò)程的中心內(nèi)容。這三個(gè)階段的循環(huán)也是 PLC 工作原理的實(shí)質(zhì)所在[28]。 1. 外部信息輸入 外部信息的輸入處于主動(dòng)地位是 PLC，由 PLC 掃描其所有的輸入端子，并且以 27 結(jié)果刷新對(duì)應(yīng)的 映像寄存器?？梢缘玫捷斎胫芷谝欢ㄒ∮趻呙柚芷?，這樣才能防止輸入信號(hào)的丟失。 2. 用戶程序運(yùn)行 PLC 程序如果是用梯形圖編寫，它的運(yùn)行順序是從左到右，由上即下進(jìn)行。當(dāng)程序中需要用到對(duì)應(yīng)的 I/O 狀態(tài)，就從相應(yīng)的寄存器中導(dǎo)入，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算將結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的寄存器。在程序不斷運(yùn)行過(guò)程中，每個(gè)元件的狀態(tài)都會(huì)隨著相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行更新改變，以便下個(gè)運(yùn)行過(guò)程的順利運(yùn)行。 3. 輸出狀態(tài)更新 PLC 用戶程序運(yùn)行完，所有的邏輯結(jié)果將以一定的形式存放入輸出鎖存器中，以相應(yīng)的形式輸出，這樣就可以通過(guò)輸出端子驅(qū)動(dòng)對(duì) 應(yīng)的外部設(shè)備。同樣，在下個(gè)刷新周期來(lái)之前，其狀態(tài)不會(huì)改變，進(jìn)而與之對(duì)應(yīng)的輸出端子的狀態(tài)也不會(huì)發(fā)生變更。 在包含于中心內(nèi)容的三個(gè)階段外，還有系統(tǒng)初始化、內(nèi)部處理、通信處理階段，內(nèi)部處理對(duì) PLC 各個(gè)部件和功能進(jìn)行自我診斷，確定 PLC 自身動(dòng)作不正常，即強(qiáng)行將 CPU 置于 STOP 狀態(tài)；通信階段一般在程序執(zhí)行后進(jìn)行，通過(guò)對(duì)各種通信端口自檢查找是否有數(shù)據(jù)需要進(jìn)行通信，如果有即進(jìn)行相應(yīng)的操作。 概括以上，我們得知 PLC 以周期性掃描的方式工作，而在一個(gè)掃描周期內(nèi)完成的全部工作和流程如圖 所示。 28 并且我們同樣可以總結(jié)出 PLC 對(duì)輸入 /輸出的幾點(diǎn)處理原則： ①上一周期的輸入端子各個(gè)數(shù)字開關(guān)量決定著導(dǎo)入映像寄存器的數(shù)據(jù)； ②程序結(jié)果取決于用戶自編程序；輸入 /輸出映像寄存器中的狀態(tài)及其他元件映像寄存器中的狀態(tài)。 ③輸出寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸出指令對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果； ④輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)直接決定于輸出映像寄存器的數(shù)據(jù)內(nèi)容； ⑤輸出端子的通 /斷狀態(tài)由輸出鎖存器直接控制。 S7300 PLC 的技術(shù)參數(shù) 由于市場(chǎng)上現(xiàn)在 PLC 種類很多，并且各具特點(diǎn)，本課題立體車庫(kù)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)綜合 考慮選用了西門子 S7300 PLC，下面簡(jiǎn)單中也側(cè)重了本控制系統(tǒng)選用的 CPU3152 DP 型 PLC。 ①接線端子排（ I/O 端子數(shù)），其為 PLC 比較重要的一項(xiàng)實(shí)用性指標(biāo)，其 I/O 端子數(shù)越多，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能也越強(qiáng)。 CPU3152 DP 型有多大 8192 個(gè)數(shù)字 I/O， 29 完全可以滿足車庫(kù)各部分的監(jiān)控信息輸入輸出，也便于以后車庫(kù)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)展和控制系統(tǒng)的升級(jí)。 ②存儲(chǔ)器和寄存器。其中 CPU3152DP 的工作存儲(chǔ)器具有 64KB 的存儲(chǔ)量，完全可以滿足用戶的程序編譯。當(dāng)然其還有 很多用于存放變量狀態(tài)、中間結(jié)果、數(shù)據(jù)的內(nèi)部?jī)?chǔ)存器，與此同時(shí)還有很多具有特殊功能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和寄存器。 ③掃描頻率。 PLC 運(yùn)行速度的快慢與其自身性質(zhì)之一的掃描頻率 (掃描周期 )有很大的關(guān)系。掃描周期受到多方面因素的影響，所以直觀量掃描速度我們采取執(zhí)行 1000 步指令所需時(shí)間作為定義 PLC 速度快慢的一項(xiàng)指標(biāo)，單位是毫秒 /千步。有時(shí)也以執(zhí)行一步的時(shí)間計(jì)算，單位為微秒 /步。 ④指令條數(shù)。此時(shí)反應(yīng) PLC 軟件編譯功能的重要組成部分， CPU3152DP 指令豐富，完全能夠滿足本立體車庫(kù)控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè) 計(jì)。 ⑤編譯語(yǔ)言及編譯方式。 S7300 編程語(yǔ)言一般有梯形圖、語(yǔ)句表、控制系統(tǒng)流程圖這三類，對(duì)于該車庫(kù)控制系統(tǒng)選用更為形象的梯形圖；編程方式選用 STEP 7 編程軟件對(duì) PLCD 的監(jiān)控程序進(jìn)行編譯，然后通過(guò) PC/MPI 適配器將 CPU3152DP 上的 MPI 口和計(jì)算機(jī)的 RS232 接口連接，將用戶程序和組態(tài)信息下載入程序存儲(chǔ)器中。 ⑥智能模塊。 PLC 為可滿足工控系統(tǒng)中的各種不同的需求，后期還不斷加入了很多使用方便的智能模塊，并且很智能化地實(shí)現(xiàn)了一些工控現(xiàn)場(chǎng)特殊的監(jiān)控任務(wù)，這 些在車庫(kù)控制系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)時(shí)肯定會(huì)派上用場(chǎng)。 30 PLC 控制各部分硬件實(shí)現(xiàn) 載車板停車狀態(tài)檢測(cè) 準(zhǔn)確檢測(cè)載車板上是否停車對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)得以順暢工作起著比較重要的作用，如果誤檢不管對(duì)車庫(kù)管理還是車主存取車將造成不好的影響。在本立體車庫(kù)控制系統(tǒng)中采用相應(yīng)的傳感器提取載車板有無(wú)車信息，然后將信息反饋給 PLC 進(jìn)行存儲(chǔ)。其中檢測(cè)傳感器選用上海奧圖電氣有限公司研制的 BEN10MTFR 型的光電開關(guān)，此光電開關(guān)檢測(cè)距離為 10 米，檢測(cè)方式為對(duì)射型，電源 電壓 24V240V，以上參數(shù)滿足 PLC 控制系統(tǒng)的需求，而且不管從機(jī)械還是電氣方面其使用壽命都滿足車庫(kù)使用標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于光電開關(guān)擺放位置，如圖所示，在載車板前后端各有一對(duì)，前后兩對(duì)間的距離為 3 米，略小于一般私家車的長(zhǎng)度，一對(duì)光電開關(guān)之間寬度為，大于一般私家車的寬度。在電氣檢測(cè)過(guò)程中，只有前后兩對(duì)光電開關(guān)都有信號(hào)輸入時(shí)，才認(rèn)為此時(shí)載車板上有車輛停入，這樣在也確保了車主基本上把車停在了載車板的中央地帶，下面對(duì)立體圖和平面俯視圖進(jìn)行介紹，其中平面俯視圖對(duì)整個(gè)載車板各方面的尺寸進(jìn)行設(shè)定，光電傳感器高，前后距離 ，左右距離數(shù)值都在平面圖中標(biāo)出，單位為 cm。載車板立體圖，平面俯視圖如圖 和圖 所示。 31 載車板運(yùn)動(dòng)控制與定位 在實(shí)現(xiàn)存取車和車庫(kù)復(fù)位過(guò)程中，都要涉及到載車板在牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的作用下做上升或下降的運(yùn)動(dòng)。如何讓載車板精確穩(wěn)定地停止在控制系統(tǒng)希望它停在的地方是載車板運(yùn)動(dòng)必須要解決的問(wèn)題?？紤]到載車板的所停位置是否精確對(duì)用戶存車 /取車便捷度影響還是很大的，如果一旦載車板所停位置與地面不再一個(gè)水平面上，那么對(duì)車主存車或是取車將造成很大麻煩和難度，甚至存在一定的安全隱患。載車板 安全、平穩(wěn)、精確地停止在合適的位置對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。 首先是存車或取車后載車板都要復(fù)位，所以存車和取車都涉及到一列載車位最低層、中間層、最高層這三層載車板準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)到與地面平行的位置；而復(fù)位動(dòng)作要考慮的是如何將一列載車位精確地運(yùn)動(dòng)到初始位置；還要考慮如果在發(fā)生超程運(yùn)動(dòng)后，怎樣防止運(yùn)動(dòng)冒頂。 本立體車庫(kù)控制系統(tǒng)對(duì)控制載車板的合理運(yùn)動(dòng)從兩個(gè)方面考慮，一是通過(guò)對(duì)應(yīng)的接近開關(guān)檢測(cè)到載車板已運(yùn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)位置，然后將信息傳給 PLC， PLC 對(duì)對(duì)應(yīng)的繼電器進(jìn)行斷電控制，進(jìn)而控制控制電機(jī)的接觸器斷電，從而掐斷控 制載車板運(yùn)動(dòng)的電機(jī)動(dòng)力源頭；二是從動(dòng)力源頭曳引電機(jī)的運(yùn)動(dòng)考慮，本文采用了 PLC、西門子 MM440 變頻器、絕對(duì)編碼器成控制電機(jī)運(yùn)行速度和精確定位的閉環(huán)系統(tǒng)。這兩者之間的在控制系統(tǒng)中以第二種采用變頻器和旋轉(zhuǎn)編碼器的方式為主，而以光電開關(guān)傳感器系統(tǒng)作為 32 輔助裝置，只有在前者發(fā)生故障的情況下才會(huì)采取后者，同時(shí)在框架頂部和底部都裝上檢測(cè)能力更強(qiáng)的限位開關(guān)，防止載車板運(yùn)動(dòng)“冒頂”或是“冒底”。如此此控制系統(tǒng)就具備了三重保險(xiǎn)，更加保證了車庫(kù)運(yùn)行時(shí)的絕對(duì)安全，確保設(shè)備和車輛不發(fā)生毀滅性事故。 1. 變頻器和編碼器構(gòu) 成的定位系統(tǒng) 通過(guò) PLC、西門子 MM440 矢量控制、絕對(duì)編碼器構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的精確定位。首先對(duì)車庫(kù)控具體設(shè)計(jì)過(guò)程做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，載車板初始狀態(tài)是一列三層載車板都處于地面上面，并且每次進(jìn)行存取車動(dòng)作后，控制系統(tǒng)都要把載車板復(fù)位到初始狀態(tài)，其中第一層載車板因其就與地表面平行，所以存取車不需要車庫(kù)控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)作，而第二層、第三層一開始都懸于地表面以上，所以勢(shì)必控制系統(tǒng)要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的下降控制。進(jìn)而載車板運(yùn)動(dòng)包括了四種情況：第二層運(yùn)動(dòng)到地面（存取車），第二層回到初始