【正文】 S7300 各類模塊的機架(特制不銹鋼異型板)，其長度根據(jù)現(xiàn)場使用情況進行選擇，一般有 160mm、482mm、530mm、830mm、2000mm 等。 I/O 擴展模塊 S7300 有多種型號的數(shù)字量輸入/輸出(I/O)以供設(shè)計人員根據(jù)不同需要進行選擇，其與 CPU 相應(yīng)的映象區(qū)都是通過背板總線相連，其輸入/輸出電纜最長可達(dá) 1000m(屏蔽電纜)，其中較為常用的是輸入擴展 SM32輸出擴展 SM32輸入/輸出擴展 SM323。其中要注意的是 I/O 點數(shù)在使用時我們要考慮一定的裕量，不考慮一定的裕量而滿負(fù)荷運行，就有可能影響控制系統(tǒng)的運行速度和可靠性，給整個控制帶來安全隱患，由于S7300 具備很強的擴展能力，所以即使車庫控制系統(tǒng)要進行后期擴展，對于 I/O 擴展模塊的使用也是綽綽有余的。 5．通信接口 在該立體車庫控制系統(tǒng)中，S7300 涉及到與人機交互單片機之間的通信實現(xiàn)，而所選用的 CPU3152DP 型 CPU 僅含有 DP 接口和 MPI 接口，所以在與人機交互單片機通信需要擴展串口通信模板 CP340。 PLC 的運行原理 上電后處于正常工作的 PLC，它將處于不斷的循環(huán)掃描中，如果我們暫且對遠(yuǎn)程I/O、特殊模塊、更新時鐘、其他通信服務(wù)等分支功能模塊置于分析之外，掃描過程就分為以下三個階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段，而這三個階段恰恰是 PLC 運行過程的中心內(nèi)容。這三個階段的循環(huán)也是 PLC 工作原理的實質(zhì)所在[28]。 1. 外部信息輸入 外部信息的輸入處于主動地位是 PLC，由 PLC 掃描其所有的輸入端子，并且以結(jié)果刷新對應(yīng)的映像寄存器。可以得到輸入周期一定要小于掃描周期，這樣才能防止輸入信號的丟失。 2. 用戶程序運行 PLC 程序如果是用梯形圖編寫，它的運行順序是從左到右，由上即下進行。當(dāng)程序中需要用到對應(yīng)的 I/O 狀態(tài)，就從相應(yīng)的寄存器中導(dǎo)入，再經(jīng)過運算將結(jié)果存入對應(yīng)的寄存器。在程序不斷運行過程中，每個元件的狀態(tài)都會隨著相應(yīng)結(jié)果進行更新改變，以便下個運行過程的順利運行。 3. 輸出狀態(tài)更新 PLC 用戶程序運行完，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，這樣就可以通過輸出端子驅(qū)動對應(yīng)的外部設(shè)備。同樣，在下個刷新周期來之前，其狀態(tài)不會改變，進而與之對應(yīng)的輸出端子的狀態(tài)也不會發(fā)生變更。 在包含于中心內(nèi)容的三個階段外，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 PLC 各個部件和功能進行自我診斷，確定 PLC 自身動作不正常，即強行將 CPU置于 STOP 狀態(tài)；通信階段一般在程序執(zhí)行后進行，通過對各種通信端口自檢查找是否有數(shù)據(jù)需要進行通信，如果有即進行相應(yīng)的操作。概括以上，我們得知 PLC 以周期性掃描的方式工作，而在一個掃描周期內(nèi)完成的全部工作和流程如圖 所示。并且我們同樣可以總結(jié)出 PLC 對輸入/輸出的幾點處理原則：①上一周期的輸入端子各個數(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)取決于輸出指令對應(yīng)的計算結(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) 由于市場上現(xiàn)在 PLC 種類很多，并且各具特點，本課題立體車庫控制系統(tǒng)經(jīng)過綜合考慮選用了西門子 S7300 PLC，下面簡單中也側(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 比較重要的一項實用性指標(biāo)，其 I/O 端子數(shù)越多，控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能也越強。CPU3152 DP 型有多大 8192 個數(shù)字 I/O，完全可以滿足車庫各部分的監(jiān)控信息輸入輸出，也便于以后車庫規(guī)模進一步擴展和控制系統(tǒng)的升級。 ②存儲器和寄存器。其中 CPU3152DP 的工作存儲器具有 64KB 的存儲量，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)部儲存器，與此同時還有很多具有特殊功能的數(shù)據(jù)存儲器和寄存器。 ③掃描頻率。PLC 運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 步指令所需時間作為定義 PLC 速度快慢的一項指標(biāo)，單位是毫秒/千步。有時也以執(zhí)行一步的時間計算，單位為微秒/步。 ④指令條數(shù)。此時反應(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控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計。 ⑤編譯語言及編譯方式。S7300 編程語言一般有梯形圖、語句表、控制系統(tǒng)流程圖這三類，對于該車庫控制系統(tǒng)選用更為形象的梯形圖；編程方式選用 STEP 7 編程軟件對 PLCD 的監(jiān)控程序進行編譯，然后通過 PC/MPI 適配器將 CPU3152DP 上的 MPI口和計算機的 RS232 接口連接，將用戶程序和組態(tài)信息下載入程序存儲器中。 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，并且很智能化地實現(xiàn)了一些工控現(xiàn)場特殊的監(jiān)控任務(wù)，這些在車庫控制系統(tǒng)進一步優(yōu)化升級時肯定會派上用場。 PLC 控制各部分硬件實現(xiàn) 載車板停車狀態(tài)檢測 準(zhǔn)確檢測載車板上是否停車對整個控制系統(tǒng)得以順暢工作起著比較重要的作用，如果誤檢不管對車庫管理還是車主存取車將造成不好的影響。在本立體車庫控制系統(tǒng)中采用相應(yīng)的傳感器提取載車板有無車信息，然后將信息反饋給 PLC 進行存儲。其中檢測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)檢測距離為 10 米，檢測方式為對射型，電源電壓 24V240V，以上參數(shù)滿足 PLC 控制系統(tǒng)的需求，而且不管從機械還是電氣方面其使用壽命都滿足車庫使用標(biāo)準(zhǔn)。對于光電開關(guān)擺放位置，如圖所示，在載車板前后端各有一對，前后兩對間的距離為 3 米，略小于一般私家車的長度，一對光電開關(guān)之間寬度為，大于一般私家車的寬度。在電氣檢測過程中，只有前后兩對光電開關(guān)都有信號輸入時，才認(rèn)為此時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，下面對立體圖和平面俯視圖進行介紹，其中平面俯視圖對整個載車板各方面的尺寸進行設(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 所示。 載車板運動控制與定位 在實現(xiàn)存取車和車庫復(fù)位過程中，都要涉及到載車板在牽引傳動系統(tǒng)的作用下做上升或下降的運動。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動必須要解決的問題?？紤]到載車板的所停位置是否精確對用戶存車/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水平面上，那么對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)確運動到與地面平行的位置；而復(fù)位動作要考慮的是如何將一列載車位精確地運動到初始位置；還要考慮如果在發(fā)生超程運動后，怎樣防止運動冒頂。 本立體車庫控制系統(tǒng)對控制載車板的合理運動從兩個方面考慮，一是通過對應(yīng)的接近開關(guān)檢測到載車板已運動到對應(yīng)位置，然后將信息傳給 PLC，PLC 對對應(yīng)的繼電器進行斷電控制，進而控制控制電機的接觸器斷電，從而掐斷控制載車板運動的電機動力源頭；二是從動力源頭曳引電機的運動考慮，本文采用了 PLC、西門子 MM440 變頻器、絕對編碼器成控制電機運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)作為輔助裝置，只有在前者發(fā)生故障的情況下才會采取后者，同時在框架頂部和底部都裝上檢測能力更強的限位開關(guān)，防止載車板運動“冒頂”或是“冒底”。如此此控制系統(tǒng)就具備了三重保險，更加保證了車庫運行時的絕對安全，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 PLC、西門子 MM440 矢量控制、絕對編碼器構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，以此實現(xiàn)對電機運行的精確定位。首先對車庫控具體設(shè)計過程做一個簡單的介紹，載車板初始狀態(tài)是一列三層載車板都處于地面上面，并且每次進行存取車動作后，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控制系統(tǒng)進行動作，而第二層、第三層一開始都懸于地表面以上，所以勢必控制系統(tǒng)要對其進行相應(yīng)的下降控制。進而載車板運動包括了四種情況：第二層運動到地面（存取車），第二層回到初始位置（復(fù)位），第三層運動到地面（存取車），第三層回到初始位置（復(fù)位），由于每層存取車和復(fù)位走的路段都是一樣的，只是方向不一樣，但在對應(yīng)速度性質(zhì)上是同樣的，所以只存在兩種速度曲線模式。根據(jù)結(jié)合運動距離和合適的速度選取，以時間為橫坐標(biāo)設(shè)定好對應(yīng)速度曲線，再將對應(yīng)的曲線相關(guān)數(shù)據(jù)在變頻器中進行參數(shù)設(shè)定，這樣載車板兩種運動預(yù)定模式就設(shè)置好了。而 PLC 在其中起到的作用是根據(jù)上位機（人機交互單片機/監(jiān)控計算機）得到的動作信息（存/取車、復(fù)位）進行兩方面的控制，一是通過控制對應(yīng)的繼電器和接觸器對電機的轉(zhuǎn)動方向進行控制，以實現(xiàn)載車板上升/下降方向選取的正確；二是通過從絕對編碼器得到的電機位置信息再對相應(yīng)的連接接口控制變頻器選取正確的速度曲線實現(xiàn)載車板在正確的方向以平穩(wěn)的速度運動和精確的定位。 通過以下幾部分內(nèi)容對此控制系統(tǒng)做詳細(xì)說明：① 速度曲線的設(shè)定 根據(jù)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，兩個相鄰上下載車板之間的距離為 2000mm，而第二層載車板運動到地面所花的時間是 20s，第三層載車板運動到地面所花的時間是 40s。在得知兩次車庫核心運動的時間與路程。由此我們?nèi)ヒ?guī)定在這期間速度曲線該如何去選擇[2930]。 目前用的比較多的速度曲線模型有：①梯形型②拋物線型③拋物線直線型。三種速度模式見圖。比較這三種，最簡單的是第一種，但是其對機械結(jié)構(gòu)的沖擊力比后兩者大，與之相對的減小機械沖擊力最小是拋物線型，但是我們可以觀察到到在整個運動時間里電機處于不斷的加速減速之中，欠缺穩(wěn)定的運行部分，從而導(dǎo)致運行效率不如第一種。而第三種既能減小對機械的沖擊力，又具備一定的系統(tǒng)運行效率，但是還是避免不了加速度處于不斷的變化之中，系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜。綜合以上三種速度曲線模型的特點再結(jié)合本系統(tǒng)選取的編碼器和變頻器控制與定位系統(tǒng)，本文設(shè)計了如圖 所示的速度控制曲線，本控制曲線在保證一定的運行效率和易實現(xiàn)性前提下，對機械的沖擊力也做了滿足控制結(jié)構(gòu)的適當(dāng)?shù)母纳?。選取的速度模型特點除了在幾處換速點具備圓弧緩沖，整個圖形成對稱，在 0t1，t1t2，t3t4，t4t5為勻加速過程 t1t2段是 0t1加速度的三倍，其中在再根據(jù)第二層和第三層各自的運行時間、運行路程值和在整個運行路程中幾個換速點，我們注意到在每次進行換速都有緩沖圓弧，此處設(shè)計就是為了減少對機械的沖擊力而設(shè)定。而此緩沖圓弧在速度處于上坡時設(shè)定占用的時間是 ，在下坡時設(shè)定為 。而此曲線設(shè)計各有 3 處這樣的設(shè)計，所以用于緩沖圓弧占用的時間是 ，而換速點通過編碼器反饋給 PLC 電機具體固定位置作為觸發(fā)信息。根據(jù)以上分析詳細(xì)地設(shè)計出對應(yīng)的各自速度時間函數(shù)，算出的結(jié)果，此處計算出的數(shù)據(jù)都是載車板上下運動的技術(shù)數(shù)值，在實際編程時還需根據(jù)具體電機選型和變速箱特點將對應(yīng)的技術(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)換成電機運動的數(shù)值，其中載車板上下運動的數(shù)值計算過程如下。 首先是第二層載車板動作時的速度時間計算： 其中運動總時間是 20s(其中圓弧處的加速度近似為恒定),在此我們?nèi)?t1=3s，t2=6s，t3=14s，t4=17s，t5=20s。假設(shè)在第三秒時具備的速度為 V，由于在二處的加速度為第一處的三倍，整個運動路程為 2000mm。所以可以分析得到以下等式 03s 時間段的運動的路程為：S1=3*(V+0)/2=3/2V。 3s6s 時間段的運動的路程為：S2=3* (4V+V)/2=15/2V。 6s14s 時間段的運動的路程為：S3=8*4V=32V 根據(jù)圖形，我們可以看出 t3t4，t4t5段的路程分別與 t1t2，t2t3的路程相等。 這樣我們可以得出等式： (3/2V+15/2V)*2+32V=2000 經(jīng)過計算可以得到 V=40mm/s 根據(jù)以上計算結(jié)果得到第二層載車板動作時其速度時間圖 為：第三層載車板運動時的速度時間計算： 其中運動的總時間是 40s，我們?nèi)?t1=6s，t2=12s，t3=28s，t4=34s，t5=40s。同樣假設(shè)在第六秒時具備的速度為 V，而整個運動路程為 4000mm。 03s 時間段的運動的路程為：S1=6*(V+0)/2=3V。 3s6s 時間段的運動的路程為：S2=6* (4V+V)/2=15V。 6s14s 時間段的運動的路程為：S3=16*4V=64V 根據(jù)圖形，我們可以看出 t3t4，t4t5段的路程分別與 t1t2，t2t3的路程相等。這樣我們可以得出等式： (3V+15V)*2+64V=4000 經(jīng)過計算可以得到 V=40mm/s 第三層載車板動作時其速度時間圖 為：②變頻器與 PLC 聯(lián)合控制系統(tǒng)設(shè)計通過測量范圍更大的多圈絕對編碼器（最高達(dá)到 4096 圈），可以完全實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的位置智能監(jiān)控，其中需要設(shè)定的幾個位置點包括：⑴載車板初始狀態(tài)電機所處位置 ⑵第二層載車板第一、二、三、四次變速(如果反轉(zhuǎn)車庫復(fù)位順序相反) ⑶第二層載車板存取車停止點 ⑷第三層載車板第一、二、三、四次變速點(如果反轉(zhuǎn)車庫復(fù)位順序相反) ⑸第三層載車板存取車停止點。絕對編碼器如果檢測到這幾個位置，將實時反饋給 PLC，PLC