【正文】 以安全可靠的上下運(yùn)動。 14 (4)載車板選擇機(jī)構(gòu)：該控制系統(tǒng)為了進(jìn)一步節(jié)省成本和減少能源消耗，提出了一個驅(qū)動電機(jī)通過類似離合器裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)控制三列載車板，通過單片機(jī)和 PLC 聯(lián)合驅(qū)動小型電機(jī)首先帶動圓柱凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，帶動凸輪機(jī)構(gòu)中的槽內(nèi)小滑塊向上滑行，從而帶動滑移齒輪與主動齒輪嚙合，其中單片機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控整個機(jī)動結(jié)構(gòu)，然后將完成信息狀態(tài)傳輸給 PLC，該裝置機(jī)械原理圖如圖 所示。包括： (1)用于人機(jī)交互作用的單片機(jī)控制系統(tǒng)，它包括電源模塊、鍵盤模塊、 LCD 顯模塊、語音提示模塊、通信模塊、車主刷卡模塊、卡號信息備份模塊等，其主要功能就是使得車主與整個立體車庫系統(tǒng)的交流更加順暢。 (2)用于現(xiàn)場監(jiān)控以及對信息進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理的上位機(jī)系統(tǒng) [2223]。主要用于給管理 人員更加游刃有余地對車庫進(jìn)行監(jiān)控管理以保證車庫系統(tǒng)安全運(yùn)行，同時它還具備存取車位優(yōu)化能力。這部分的內(nèi)容也是本篇論文的重點(diǎn)部分，這部分設(shè)計是否合理對立體車庫工作安全影響很大，一旦在電氣運(yùn)行部分出現(xiàn)故障或者是運(yùn)行結(jié)果不夠精確，那將造成設(shè)備損壞乃至人身安全。 PLC 與人機(jī)交互單片機(jī)之間都是通過 485 串口通信[2425]。 通過上面的介紹，結(jié)合三個控制部分在立體車庫起到的不同的作用以及三者之間通信形式和內(nèi)容，整個立體車庫控制機(jī)理見圖 所示： 16 車庫的運(yùn)行原理 該立體車庫控制系統(tǒng)為了車庫在任何情況下都能充分應(yīng)對作業(yè)需求，所以在設(shè)計系統(tǒng)時分為在線和離線兩種模式，這兩種模式的切換通過監(jiān)控上位機(jī) 的在線 /離線轉(zhuǎn)換按鈕進(jìn)行設(shè)定，在線模式下，在現(xiàn)場的車庫管理人員情況下通過操作監(jiān)控上位機(jī)軟件界面給 PLC 發(fā)送指令和提取 PLC 反饋信息以達(dá)到直接控制下位機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)而實現(xiàn)存取車過程的目的；離線模式下，這種情況適合車庫管理人員不在場的情況下，用戶通過人機(jī)交互直接進(jìn)行存取車操作，而監(jiān)控計算機(jī)這個時候只起到監(jiān)控車庫運(yùn)行是否處于安全狀態(tài)的作用。 以持有固定卡用戶的存取車過程對車庫運(yùn)用進(jìn)行實例說明，根據(jù)以上規(guī)定每張卡 17 對應(yīng)一個停車位號，假定該卡與 B 區(qū)第二列載車臺的第二層車位綁定。第四步，當(dāng)車主進(jìn)行取車動作，同樣先進(jìn)行刷卡動作，人機(jī)交互驗證卡是否有效，如果無效不給予取車動作并且 語音提，在判斷有效后，人機(jī)交互將得到的取車動作的車位號告知 PLC，通過對應(yīng)驅(qū)動電機(jī) PLC 將車位準(zhǔn)備就緒，并且車位擋桿給出提示燈指引車主進(jìn)行取車；第五步，取車完畢的車主再次進(jìn)行刷卡，車庫系統(tǒng)根據(jù)此次刷卡再次進(jìn)行車庫復(fù)位動作。該立體車庫分為在線 和離線兩種模式，所以設(shè)定 好在這兩種模式下的整個車庫控制系統(tǒng)的作業(yè)流程尤為重要，使得負(fù)責(zé)各個設(shè)計模塊的設(shè)計人員有一個共同的標(biāo)準(zhǔn)，知道自己所涉及的設(shè)計任務(wù)在整個控制過程的位置，以便更好地做好自己的研究設(shè)計工作，交出的結(jié)果符合車庫控制流程的要求。 18 19 PLC 控制系統(tǒng)總體方案 PLC 控制系統(tǒng) 立體車庫控制系統(tǒng)一定要根據(jù)實際使用場所的需求和投資成本的目前情況進(jìn)行設(shè)計。 20 立體車庫剛開始使用時，廣泛使用的是繼電器邏輯電路控制形式，它是通過繼電器、接觸器經(jīng)過控制需要的電氣原理連接而成。單片微機(jī)的出現(xiàn)一定程度上解決了繼電器控制中智能性不強(qiáng)的缺陷，同時還具備功耗小、成本低、體積小、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，但其軟件編程周期時間長，而且抗干擾程度低，不利用大范圍推廣。 結(jié)合本課題低成本、開放式立體車庫的現(xiàn)場環(huán)境和使用要求，本文選用更具智能化、開發(fā)周期短、抗干擾能力強(qiáng)的可編程控制器（ PLC）來設(shè)計終端控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能如下： (1)對存取車以及復(fù)位這三個主要車庫動作提供原始觸發(fā)信號，通過對應(yīng)的接觸器、繼電器以及電氣連接使得驅(qū)動傳動得以順利地工作，從而將動力傳給待使用的載車板以便載車板實現(xiàn)上下運(yùn)動，完成存取車、復(fù)位過程； (2)由于采用一臺電機(jī)選擇性地控制三列載車板的驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)，所以做為控制媒介的 PLC 控制部分對選擇哪列載車板也起著重要的作用。 (4)控制外圍設(shè)備，例如：停車指示燈、車庫大門擋桿、車位擋桿、系統(tǒng)緊急停止按鈕等一些輔助設(shè)施的控制； (5)與人機(jī)交互單片機(jī)和監(jiān)控計算機(jī)的通信部分的功能實現(xiàn)，以保證所傳信息的快速、準(zhǔn)確，其中 S7300 與人機(jī)交互單片機(jī)經(jīng)由 CP340 串行通信模塊實現(xiàn)。 (2)對應(yīng)電氣輸出控制對應(yīng)曳引電機(jī)、轉(zhuǎn)動電機(jī)、指示燈的電氣線路的安全連接，包括在這其中接入的主接觸器，輔助接觸器，繼電器的在控制柜中電氣位置的合理安排。 PLC 控制系統(tǒng)主要以可編程控制器 (PLC)為核心，配有存取車指示燈、載車板運(yùn)動限位的接近開關(guān)和防止超程運(yùn)行的限位開關(guān)，還配有曳引電機(jī)、轉(zhuǎn)動電機(jī)、指示燈以及相關(guān)的電氣連接，控制電機(jī)通斷電的接觸器組、繼電器組，控制曳引電機(jī)的速度調(diào)節(jié)的變頻器，以及采集曳引電機(jī)速度的光電編碼器，此編碼器還可以精確地控制電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動位置，使得主曳引電機(jī)的定位更加精準(zhǔn)和安全，這樣載車板可以與地面以接近零的誤差保持在同一個平面上，方便了車主存取車，同時增強(qiáng)了車庫設(shè)備所提供服務(wù)的人性化 。 繼電器、接觸器選用法國的施耐德公司產(chǎn)品，該產(chǎn)品在同類產(chǎn)品中具有制造設(shè)計更精細(xì)，用料充實，安全系數(shù)高。 變頻器選用西門子產(chǎn)品中的 MICROMASTER 440，與 S7300 PLC 能夠達(dá)到很大的兼容性，方便了對 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計，這樣更加縮短了整個開發(fā)周期，并且在使用中保證了其在工作中與 S7300 PLC 信息交換的可靠性安全性。 編碼器選用帶有 DP 通信接口的絕對式編碼器，該型號的編碼器采用獨(dú)特的二進(jìn)制編碼圖案，在旋轉(zhuǎn)時不會重復(fù)，所以其位置指示具備絕對屬性，即使斷電，位置信息也不會丟失，使用 DP 總線通信。 23 本章小結(jié) 本章主要通過對立體車庫的基本結(jié)構(gòu)框架、車庫運(yùn)行原理和 PLC 控制系統(tǒng)總體設(shè)計分別進(jìn)行了介紹。 24 3 立體車庫 PLC 控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計 PLC 在立體車庫系統(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)行一些簡單的邏輯控制以及定時、計數(shù)等一些簡單的控制。在這個時候以微處理器為基礎(chǔ)發(fā)展起來的可編程控制系統(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、計數(shù)等順序控制功能；后來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，不僅具備了高速計數(shù)、 PID 控制等功能，而且聯(lián)網(wǎng)通信能力也取得了長足的進(jìn)步 。而本車庫控制系統(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。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)，確實有他獨(dú)特的令人折服的優(yōu)點(diǎn)。 25 車庫 PLC 的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu) 現(xiàn)在市場上生產(chǎn) PLC 的廠家有很多，這樣帶來了 PLC 的產(chǎn)品各類，但都是基于計算機(jī)結(jié)構(gòu)而設(shè)計的各類 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 易結(jié)構(gòu)如圖 所示： 由圖可以看出， S7300 機(jī)構(gòu)設(shè)計呈現(xiàn)模塊化。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)、信號模塊 (SM)、功能模塊 (FM)[27]等。其將 220V 交流電源轉(zhuǎn)換成 24V 直流電源， S7300 電源通過電纜與其他信號各模塊相連所以在選擇相應(yīng)的備件時，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。而 CPU 的分類根據(jù)其不同的分類方式有很多種，但在本立體車庫控制系統(tǒng)中，我們 26 所選的 CPU 需要滿足以下幾個方面：適應(yīng)戶外惡劣的環(huán)境、對 I/O 擴(kuò)展方便利于以后車庫規(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。 I/O 擴(kuò)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(jìn)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(kuò)展 SM32輸出擴(kuò)展 SM32輸入 /輸出擴(kuò)展 SM323。 5．通信接口 在該立體車庫控制系統(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。這三個階段的循環(huán)也是 PLC 工作原理的實質(zhì)所在[28]?？梢缘玫捷斎胫芷谝欢ㄒ∮趻呙柚芷?，這樣才能防止輸入信號的丟失。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(yùn)算將結(jié)果存入對應(yīng)的寄存器。 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，這樣就可以通過輸出端子驅(qū)動對 應(yīng)的外部設(shè)備。 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(jìn)行自我診斷，確定 PLC 自身動作不正常，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，通過對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。 28 并且我們同樣可以總結(jié)出 PLC 對輸入 /輸出的幾點(diǎn)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)。 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(diǎn)，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。 CPU3152 DP 型有多大 8192 個數(shù)字 I/O， 29 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(jìn)一步擴(kuò)展和控制系統(tǒng)的升級。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。 ③掃描頻率。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。 ④指令條數(shù)。 ⑤編譯語言及編譯方式。 ⑥智能模塊。 30 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。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(jī)械還是電氣方面其使用壽命都滿足車庫使用標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)行介紹，其中平面俯視圖對整個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。 31 載車板運(yùn)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(yùn)動?？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。 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(yùn)動到初始位置；還要考慮如果在發(fā)生超程運(yùn)動后，怎樣防止運(yùn)動冒頂。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采取后者，同時在框架頂部和底部都裝上檢測能力更強(qiáng)的限位開關(guān)，防止載車板運(yùn)動“冒頂”或是“冒底”。 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(jī)運(yùn)行的精確定位。進(jìn)而載車板運(yùn)動包括了四種情況：第二層運(yùn)動到地面（存取車），第二層回到初始位置（復(fù)