（交通信息工程及控制专业论文）升降横移式立体车库的控制研究与仿真实现.pdf

摘要 随着我国经济的飞速发展，城市人口日益增多，特别是随着改革开放以来， 我匡i 进入了汽车拥有率迅速上升时候。以往那种单层平面停车场也越来越不能满 足市场的需求。对多停车位、少占空间、使用操作简单、安全可靠的“立体停车 库”的建设，是解决目前寸土寸金的大都市内停车难的有效办法。 立体车库是一种以单层平面停车场为核心、多平面的空间停车车库，通过可 编程控制器( p r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c ) 控制车位空间位置的变动， 使车位能够实现空间到平面的转化，实现多重单层平面停车的功能。升降横移式 立体车库利用托盘移位产生垂直通道，实现多层车位的升降来存取车辆。 本文主要通过对升降横移式立体车库原理的研究，探讨了应用可编程控制器 p l c 实现车库控制系统的方法、步骤，结合k e y e n c ek z 一8 0 t 介绍了实现3 3 立体车库模型的设计和实现情况。控制系统的监控采用基于w i n d o w s 平台的 工控组态软件m c g s ，通过对组态软件数据库的构建、动画的连接及控制流程编 制、调试，实现了立体车库的监控系统，最后探讨了利用m c g s 实现远程控制 的网络功能。 本文的研究对p l c 在计算机自动化控制系统中的应用，以及利用m c g s 实现 工业工程实时监控，提高工业的自动化水平，都具有很重要的实践意义。 关键词：立体车库可编程控制器p l cm c g s 工控软件组态模拟仿真 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eo u rc o u n t r ye c o n o m yr a p i dd e v e l o p m e n t ，t h eu r b a np o p u l a t i o n i n c r e a s e sd a yb yd a y , s p e c i a l l ys i n c ea l o n gw i t ht h er e f o r ma n do p e np o l i c y , t h e a u t o m o b i l et o t a lq u a n t i t yi sm o r ea n dm o r e f o r m e r l yt h a tk i n do fs i n g l e - l a y e rp l a n e p a r k i n gl o tc o u l dn o ts a t i s f yt h ed e m a n do ft h em a r k e t t ot h em u l t i p a r k i n gs p o t s ， l i t t l eo c c u p i e so ft h es p a c e ，t h eu s eo p e r a t i o ni ss i m p l e ”t h r e e d i m e n s i o n a lg a r a g e ”， w h i c hi st h ee f f e c t i v es o l u t i o no f s t o p sd i f f i c u l ti nt h ep r e s e n tb i gc i t y t h et h r e e d i m e n s i o n a lg a r a g e ，w h i c ht a k e st h es i n g l e - l a y e rp l a n ep a r k i n gl o ta s t h ec o r e ，i st h em u l t i - d i m e n s i o n a ls p a c ep a r k i n gg a r a g e i tu s e st h ep r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ( p r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e r , a l s oc a l l e dp l c ) t or e a l i z em u l t i p l e m o n o l a y e rp l a n es t o p sb yc o n t r o l l i n g t h eb e r t h s p a c er o s i t i o n t h ec h a n g e v e r t i c a l - h o r i z o n t a lm o v i n gu n d e r g r o u n dc a rp a r k s ，w h i c hr e a l i z em u l t i l a y e rb e r t h f l u c t u a t i o nd e p o s i t sa n dw i t h d r a w st h ev e h i c l e sb ys h i f t i n gt h et r a yt op r o d u c et h e v e r t i c a lc h a n n e l t h ea r t i c l er e s e a r c h e st h et h e o r yo ft h et h r e e d i m e n s i o n a lg a r a g e ，i th a s d i s c u s s e dt h em e t h o da n dt h es t e po fu s i n gp r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e rp l ct or e a l i z e t h e g a r a g ec o n t r o ls y s t e m a n du n i f i e d k e y e n c ek z 8 0 tt o i n x o d u c et h e r e a l i z a t i o n3 x 3t h r e e d i m e n s i o n a lg a r a g em o d e ld e s i g na n dt h er e a l i z a t i o ns i t u a t i o n t h es y s t e ms i m u l a t i o nu s e sc o n t r o l sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r em c g s ，w h i c hi sb a s e do n t h ew i n d o w sp l a t f o r m t h r o n g he s t a b l i s h i n gt h ed a t a b a s e o fc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ec o n s t r u c t s ，c o n n e c t i n gt h e a n i m a t i o n ，p r e p a r i n gt h ec o n t r o l f l o wa n d d e b u g g i n gt h ep r o c e d u r e s ，i th a sr e a l i z e dt h et h r e e d i m e n s i o n a lg a r a g em o n i t o r i n g s y s t e m t h ea r t i c l er e s e a r c hh a st h ec e r t a i np r a c t i c es i g n i f i c a n c ei nt h ea r e ao fa p p l y i n g t h ep l ci nt h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma sw e l la su s i n gm c g st oa c h i e v er e a l t i m e m o n i t o r i n go fi n d u s t r i a lp r o j e c t s ，w h i c hr a i s e st h el e v e lo fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n k e y w o r d ：t h r e e d i m e n s i o n a lg a r a g e ， c o n tr o lg e n e r a t e ds y s t e m ( m c g s ) ， 2 p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r , m o n i t o r a n d s i m u l a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 寥主荨 纱。g 年岁月f 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 沦文作者签名： 导师签名： 7 、主￥ 煮害 扣年细，同 k6 年r 月卜日 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 立体停车起源于2 0 世纪加年代的美国，是为了解决大城市内停车难的问题。 目前，土地资源紧张是大城市的现状，在亚洲各国表现尤其突出，因此，它的应 用在亚洲各国比较广泛，目前统计表明，立体车库在日本、韩国、中国等地应用 很多。 在欧洲，德国、意大利等国家从事停车设备的开发和生产比较早。比较有名 的公司有：意大利的s o t c f i n 、i n t c r p a r k 、德国p a l i s 等。由于欧洲国家的土地资 源比较富有，停车问题不是很突出。停车设备的生产量不是很大，停车设备多数 采用巷道堆跺式产品，立体车库的主要优势式在巷道堆跺式立体车库上。 在亚洲，停车设备技术起源于日本，日本从2 0 世纪6 0 年代就开始从事立体 车库的研究，目前全日本已经投入使用的立体车位超过3 0 0 万个，其中以升降横 移类为主。 1 1 韩国立体车库设备技术是日本技术的派生。从2 0 世纪7 0 年代中期起步，在 8 0 年代开始引进日本技术，经过消化生产和本土化，在9 0 年代开始进入使用阶 段。由于在这几个阶段得到了政府的重视，因此各类立体车库的开发和应用，韩 国近几年增长率都在3 0 左右。目前韩国立体车库行业进入了稳步发展阶段。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始从日本引进停车设备产品和相关技术，开发工作 从8 0 年代中期开始，9 0 年代以来，随着汽车工业和建筑业的发展，特别是轿车 进入家庭后，停车设备的应用逐步推广，已经形成了新兴的停车设备行业，步入 引进、生产、研制、使用相结合的初步发展阶段，现在我国从事立体车库设备制 造的企业约有1 0 0 家，其中主机生产超过5 0 家。一些企业经过长期积累发展壮 大，已稳居行业前列，一些中小型企业抢抓机遇在发展中崭露头角，一些大型集 团公司开始跨行业进入停车领域，如北京恩菲科技产业集团、西安斯达机电有限 责任公司等。 在1 9 9 6 年以前，我国停车设备的年生产能力仅为4 0 0 0 个泊位。2 0 0 3 年国 内新建机械式立体停车库3 0 3 个，新增停车泊位3 37 5 6 个，较2 0 0 2 年增长3 7 7 。据不完全统计，截至2 0 0 3 年底，国内机械式立体停车泊位已累计达8 27 6 4 个，分布在3 1 个省市自治区的5 6 个城市。2 0 0 3 年市场增长最快的地区是江苏、 山东、浙江，泊位分别增长5 1 2 、3 6 4 和1 l l ，此外上海增长3 7 ，广东 增长1 0 3 ，北京与上年持平。以上6 个省市泊位量占到全国新建泊位总量的 8 7 ，成为国内机械式立体停车库发展最热的地区。【6 】 尽管如此，目前我国各主要城市停车设施的建设仍远远落后于道路建设和汽 车工业的发展。据资料表明，现有停车位总数不到需求的7 。因此立体式停车 库在我国有很大的市场，它的研究与建设在我国还有很长的路要走。 1 2 自动化立体车库主要结构组成和类型 1 2 1 自动化立体车库类型及特点 根据立体车库的修建位置及在空间伸缩方向的不同，立体停车库的主要类型 有：升降横移式，垂直升降式、巷道堆垛式和地下停车场等。它们的类型众多， 设计各有不同，库容量变化比较大，可满足不同用户要求。但它们都具有建筑面 积小，停车层数多，地上和地下空间利用率高的优点。停相同数量车的情况下， 在车辆流量大的繁华地段建一座立体停车库比建一地面停车场节省将近5 0 7 0 的投资。严格的车库管理还保证了车库运行的安全性和可靠性，为存车人 提供了最大的方便，存车人只需把车开到指定位置，下面的事都可由车库控制系 统来完成【锄。 ( 1 ) 升降横移式：多层升降横移式立体停 车库采用卷筒、滑轮和钢丝绳进行升降，在整个 机构中有交流减速横移电机和升降电机、钢丝 绳、停车位框架、搬运器和横移导轨等。它的运 行原理是取上层车时，将下层车板移开留出空 位。该设备下层为左右横移，上层为上下升降。 升降横移式立体车库如图1 1 所示。图1 1 升降横移式立体车学图 ( 2 ) 垂直升降式：也就是电梯式结构，一般以两辆车为一个层面，中间部 分是升降机，左右两旁是车架。工作原理是：用升降机将车辆或载车板升降到指 2 定层，然后用安装在提升机械上的横移机械将车辆 或载车板送入存车位；或是相反，通过横移机械将 指定存车位上的车辆或载车板送入升降机，升降机 降到车辆出入口处，打丌库门，驾驶员将车辆开走。 如图1 2 所示。 4 3 1 ( 3 ) 巷道堆跺式：它的工作原理和堆跺式自 l -i ! = ! _ 盆嘲 嘲0 喇 p p o 试目 盆 嘲 动化仓库很相近，升降机构可以上升和水平移动， 图1 - - 2 乖直升降式立体车库 在运行到停车位时，通过伸缩机构的伸缩，完成在车架上存取车工作。 ( 4 ) 地下停车场：它是为宾馆，商厦等原有的停车场专门设计的，原有的 停车场一般只能存放一层车辆，经过改建加上专用设备后，可放置上下两层车。 有些地下停车场本身是专门设计与环境协调的立体自动化车库。【3 l 其它的立体车库还有垂直循环类停车设备、水平循环类停车设备、简易升 降类停车设备等。 。 垂直升降式特点：占地面积少，耗能低，但是智能化程度最高，对地基，消 防要求很高，车位造价高。 巷道堆跺式特点：低噪声、低耗能、智能化程度高，等待时间长，进出口少 水平循环式特点：结构简单，但是占地面积大，目前应用较少。 多层升降横移式立体停车库( 如图1 一l 所示) 是中小型车库的一种典型机电 一体化产品，与其它车库相比：它属于中低密度经济型停车库，规模可大可小( 从 2 层n 6 层) ；对场地的适应性较强、可同时移动多个车板，提高了工作效率，减 少了运行时间；控制系统采用可编程控制器( p l c ) ，操作管理简便明了，易于操 作维护。总之，结构简单，柔性好，启动平稳，噪声小，且安全可靠、同一层的 车位移动独立，可以自由动作，并且动作时间短，是升降横移式立体车库最大的 优点。i 刎 根据场地大小及客户需要，该设备可实现2 6 层的多车位设计。由于占地面 积小且动作灵活、易操作、造价低，因此是公司及单位在建造立体停车库时的理 想选择。以三层三排存车为例，可存车7 辆，且占地面积仅有2 0m 2 左右。 另外，目前国内售价在每车位3 5 - - 5 万元，而我国的车库行业刚刚起步，汽 车，尤其是轿车正逐步走入家庭，购车与停车的矛盾已逐渐变大，立体车库正是 3 为克服这一矛盾走向市场的。根据专家建议，我国目前的机械式立体停车库价格 应在6 万车位以下，最好在4 万车位以下，而升降横移式停车库正好适应这一 价格定位。因此以“安全、快速、经济”著称的升降横移式立体车库，已成为一 个新的“热点”。目前采用这类设备的停车库被普遍看好，具有良好的市场前景。 1 2 2 升降横移式立体车库主要结构组成 升降横移式立体车库主要由三部分组成：机械部分、电机驱动部分和控制 管理部分。 ( 1 ) 机械部分：由车架、起升结构和双向平移结构组成，它是车库的主架。 ( 2 ) 电机驱动部分：由多个电机组组成，由它来带动平移机构和升降机构的 运行，完成搬运器的上下和左右移动，以完成存取车过程。 ( 3 ) 控制管理部分：立体车库控制系统随着它所采用的控制器智能化程度的 不同而不同，参见下节内容。【2 4 i 1 3 论文的主要目的和意义 随着社会的发展，城市人口的日益增多，楼房和车辆也越来越多。特别是改 革开放以来，国民经济的飞速发展为汽车工业注入了强劲的动力。 在2 0 0 1 年，我国通过了国民经济和社会发展十五计划纲要，在纲要 中提及到“鼓励轿车进入家庭”。这是建国五十余年来官方文件中第一次明确“轿 车进入家庭”这样的提法，我国进入了汽车拥有率迅速上升时期。据统计，1 9 8 5 年我国汽车拥有量为3 2 1 1 2 万辆，1 9 9 0 年为5 5 1 3 6 万辆，1 9 9 7 年全国汽车保有 量1 1 0 0 万辆，2 0 0 0 年达至i j l 6 0 8 9 1 万辆。我国在2 0 0 1 年为全球第7 大汽车销售市场， 2 0 0 3 年全国汽车销售达到4 3 9 万辆，全球排名上升到第5 位，仅列美国、日本、德 国、法国之后。年销售将有望在2 0 1 0 年达到7 0 0 万辆，将成为全球第3 大市场1 3 1 在2 0 0 5 年我国轿车保有量达1 0 0 0 万辆，到2 0 1 0 年将达2 0 0 0 万辆。根据 交通规划专家的总体测算：一个城市停车位数量与机动车数量之比至少为1 2 ： 1 ，才能基本满足城市的停车需要，也就是说一辆车除去应该拥有一个固定停车 位之外，包括工作、娱乐、消费还至少应该有0 2 个停车位。从2 0 0 5 年到2 0 1 0 年，我国将总共增加停车位4 8 0 万个，平均每年要9 6 万个。1 3 】 表1 1 几个主要城市汽车保有阜及停车位现状( 2 0 0 5 ) 城市 汽车总晕( 万辆)停乍位数量( 万)所缺车位数量( 万) 北京 2 4 11 0 9 81 3 1 2 广州 6 6 82 1 64 5 2 天津1 0 41 3 59 0 5 沈阳 7 056 5 从以上数据可以看出，有一大半的机动车的停放处于无序状态。据统计： 2 0 0 1 年的上海，每天停在马路上的汽车就多达3 5 力辆，广州每天也有3 5 万辆 机动车“露宿”街头，北京更有9 0 万辆之多，这些车大都停在马路上、绿化隔 离带、胡同、非机动车道、消防通道等非停车地带。1 5 1 致使本来就紧张的交通 更拥挤不堪，严重滞后了城市交通的发展。行车难、停车难、乱停车，加剧交通 拥堵、降低生活质量、恶化投资环境，成为城市经济发展的障碍，大大降低了城 市的文明程度。 为了缓解这种局面，城市停车场所的建设，尤其是多停车位、少占空间、使 用操作简单、安全可靠的“立体停车库”的建设，对现在寸土寸金的大都市有着 不可替代的价值。自动立体车库已成为城市交通一个研究热点，并且国家将其列 入了重点科技攻关项目之一。1 3 j 1 4 本论文主要完成的工作 立体车库是一种多平面的空间立体停车车库，它以单层平面停车场为核心， 通过可编程控制器( p r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c ) 控制车位的空阃位 置变动，使车位能够实现空间到平面的转化，实现多重单层平面停车的功能。 论文在查阅大量资料的基础上，以立体车库车位设备控制为研究对象，通过 对可编程控制器p l c 以及m c g s 组态软件的学习和研究，实现了用可编程控制器p l c 对3 x 3 升降横移式立体车库模型控制系统的控制，对车库的监控采用组态软件 眦g s ，实现监控系统的模拟仿真。 主要研究的内容包括： ( 1 ) 升降横移式立体车库存取车策略的研究。 ( 2 ) 可编程控制器p l c 在升降横移式立体车库模型中的研究与实现。 5 ( 3 ) 应用组态软件m c g s 实现升降横移式立体车库监控系统的模拟仿真。 本章小结 本章介绍了机械式立体车库的定义和分类，立体车库停车设备在国内外的应 用情况、国内外停车行业的研究现状，总结了本论文研究的目的、意义及主要完 成的工作。 6 第2 章车库控制系统的可行性分析与研究 2 1 计算机控制类型 计算机控制系统有多种分类方法，根据设计方法的不同，有以单片机为核心 的控制系统、以i p c ( 工业p c 机或称工业控制计算机) 为核心的计算机控制系 统和以p l _ c ( 可编程控制器) 为核心的计算机控制系统。 ( 一) 单片机控制系统 以单片机为核心的计算机控制系统，突出优点是结构小型、价格低廉，广泛 应用于智能仪器、仪表、及小规模的控制系统上。 由于它的硬件电路和软件都要单独设计，不能充分利用普通p c 机提供的各 种软硬件资源，对设计人员要求较高。因此产品通常没有通用性，目前在工控( 即 工业控制) 领域应用最多的是各种智能仪器显示调节仪表和智能传送器。 ( 二) t 业控制计算机( i p c ) 工业控制计算机( 简称工控机) 是一种应用于工业生产过程控制的专用计算 机，它能将生产的过程和管理调度相结合，从而使工业在就地控制加集中控制的 基础上，进一步向自动化方向发展。 模拟量输入 通道( a i ) 模拟量输出 通道( a o ) 数字量输入 通道( d 1 ) 数字蕈输出 通道( d o ) 总线 内部总线 图2 - - 1 工业控制计算机的硬件组成结构 工控机系统包括硬件和软件两部分。硬件由主机板、外部总线、内部总线、 人机接口，通讯接口等组成。软件包括系统软件、支持软件和应用软件。 硬件组成如图2 1 所示： 其中： 7 ( 1 ) 主机板主机板由c p u 和内存( r o m 、r a m ) 等部件组成，它是工业 控制机的核心。 ( 2 ) 外部总线和内部总线内部总线是工控机内部各组成部分进行信息传 送的的公共通道，由一组信号线组成，常用的信号线有i b m - p c 总线和s t d 总线。 外部总线是工控机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道。常用 的外部总线有r s 2 3 2 和i e e e - - 4 8 8 通信总线。 i p c 控制系统的优点是可以充分利用一般计算机提供的各种软件和硬件资 源，利用w i n d o w s 或其它操作系统，方便地对系统的进行控制。但是它要求设计 人员单独设计系统的i 0 接口电路，独立开发系统软件，编制软件的人员素质水 平对系统控制有很大影响，因此它不具有通用性。 ( 三) 可编程序控制器( p l j c ) 系统 由继电器控制系统发展而来的p l c ，是以开关信号为主，控制方式以逻辑控 制为主、连续控制为辅的离散量控制系统。它集微机技术、自动化技术、通讯技 术为一体，可靠性强、性价比高、扩展性好、操作方便，广泛应用于工业生产的 各个领域，特别是在以开关变量为主的系统中，已成为控制领域的重要手段。p l c 主要的工作原理将在第3 章介绍。 全是开关量输入输出的多层升降横移式立体停车库，要求每一个车位都能准 确地停靠到位，控制准确、安全；对操作人员以及维护人员的要求不能太高，安 装、调试应该比较简单。因此采用操作维护比较简单、程序直观、设计周期短、 稳定性比较高、技术比较成熟、易实现逻辑控制的p l c 作为控制系统不失为一种 行之有效的方法。 2 2 升降横移式立体车库运行原理 升降横移立体车库车位结构为n x m 二维矩阵形式，可设计为多层、多列， 车库提供的总车位容量为：p - n x m 一( 一1 ) ( 2 1 ) 其中：y 为二维矩阵的行，即车库的层数 m 为二维矩阵的列，即车库的列数 由于受收链装置及进出车时间的限制，一般为2 - - 4 层( 国家规定最高为4 层) ，以2 、3 层者居多，可根据泊车的多少决定停车库的规模。假如要设计一座 8 能提供5 0 车位的4 层升降横移式立体车库。由公式2 - - l 可知，n 一4 ，p 一5 0 则m 1 4 ，即设计4 x 1 4 立体车库完全可满足要求。 车库可设在地上，也可设在地下，或一半设在地下一半设在地上。其钢结构 框架按一定规格的分格单元进行组合，可纵向延伸、分段集中控制，也可横向并 列，分排单独控制。车库组合却冒的不同形式可适应不同场地条件的需要，配置 非常灵活。图2 - _ 2 为3 3 升降横移立体车库运动原理图。 进车方向 - - - 一 图2 - - 2 为3x3 升降横移立体车库运动原理图 哲 升降横移停车库利用托盘移位产生垂直通道，实现高层车位升降存取车辆， 全部逻辑过程均由p l c 进行控制。 地面上布置的升降横移立体车库结构特点是：底层只能平移，顶层只能升降， 中间层既可平移又可升降。除顶层外，中间层和底层都必须预留一个空车位，供 进出车升降之用。当底层车位要存取车时，无需移动其它托盘就可直接进出车； 中间层、项层进出车时，先要判断其对应的下方位置是否为空，不为空时要进行 相应的平移处理，直到下方为空才可进行下降和进出车动作，进出车后托盘再上 升回到原位置。其运动总原则是：升降复位，平移不复位。地下布置、半地上半 地下布置车库的结构与此类似。【3 l l 如图2 3 所示，第一层和第二层都有两个停车位，一个空位；第三层有三个 停车位，无空位。 假如停车库的状态如图( a ) 所示，除了a 3 2 是空的，其它车位有车。现在要 把车停放到a 3 2 停车位上，则首先应将a 3 2 停车位下的车位移开，即将a 1 2 ，a 2 2 ， 向左移，如图( b ) ，最后将a 3 2 降至底层，如图( c ) ，车停到a 3 2 上，然后托 盘复位，如图( d ) 图2 3 为停车全过程的运动示意图，同样n 层m 排的存取 车原理相刚9 1 。 9 ( b ) ( c )( d ) 图2 - - 3 三层升降横移式立体停车库运动示意图 2 3 立体车库控制系统的组成 立体车库控制系统由上位机监控系统和下位机p l c 控制系统组，图2 _ _ 4 为 该系统结构框图。控制系统由“上 1 五互爵磊磊葛夏j 级总线机或网络( 可选) 4 - 上位机 一。下一。一 。+ 。；。i 堑! ! ! h 主 r 1 童堕丝墨l + p l c + 现场操作机构”构成以e l e = d 三i 辜l _ _ f _ 司l 葫 f显示器卜h工世上拦移卜h 键盘、鼠标l p c 机为核心，配备有打印机、音二= i i 1 i = 二二二= 。 效设备、收款机、显示器等。上级 一土一一 lp l ci 总线控制机或网络、操作器、触摸 检测部分订控制部分 屏、i c 卡磁卡机都是可选部分， 1 1 为进一步开发掩可根据车库规i 耋湍：篓露1l 瀚絮黛瓢l 模以及实际情况合理选用。例如多 一一 图2 4 控制系统结构图 个3 3 单元组合车库，我们可以 用一个p l c 控制一个车库单元，多个p l c 共同构成多点结构的局域网。如果车 库的规模足够大，还可以考虑配备操作器、触摸屏和i c 卡磁卡机实现智能化自 动控制。 车库控制方式分为3 级手动、半自动和全自动。手动是在现场用手操作 器对每个托板进行点动控制：半自动为操作p l c 控制面板上的按钮由p l c 实现 自动逻辑控制；全自动是由计算机给出存取命令由p l c 执行( 要求配备“操作 器”) 。手动方式主要用于维修调试或异常情况处理，为最高优先级；半自动或 全自动方式用于正常进出车处理，其中半自动方式优先级高于全自动。在计算机 脱机情况下，p l c 控制面板可以完成所有存取车操作。手动、半自动、全自动之 间必须能够互锁。【捌 采用上位机技术，上位p c 机向p l c 发出控制指令，再 h p l c 控制车库执行机构 的运作，从而完成上位机对整个升降横移式立体车库系统的控制与管理，达到全 自动化的控制水平。 上位机与p l c 的通信是应用上位机中通信软件对串口状态及串口通信的信 息格式和协议进行设置，以实现上位机串行口和p l c 上的通讯单元之间的通讯 连接。 2 4 车库模型仿真软件的选择 组态软件的概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，其含义是使用软件工具对计算 机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特 定任务，以满足使用的要求。一般英文简称有三种，分别为h m i m m i s c a d a ，对 应全称为h u m a na n dm a c h i n ei n t e r f a c e m a na n dm a c h i n ei n t e r f a c e s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，中文翻译为：人机界面监视控 制数据采集软件。 目前在工业领域应用较广的组态软件有国外w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 软 件、i n t e l l u t i o n 公司的f i x 组态软件、t i t 公司的c i t e c h 、国内的组态王和m c g s 等。i n t o u c h 、f i x 、c i t e c h 是最早出现的组态软件，它们能提供强大的组态功 能，但是其不具有通用性，比如i n t o u c h 提供了丰富的图库，但是驱动程序通信 性能较差；f i x 的o p c 组件和驱动程序需要单独购买，不具有兼容性；c i t e c h 具有简洁的操作方式，但它提供进行二次开发的脚本语言类似c 语言，其操作方 式更多的是面向程序员，而不是工控用户，这无疑为用户进行二次开发增加了难 度。另外价格贵也是国外组态软件的另一大缺点。组态王和m c g s 提供资源管理 l l 器式的操作主界面，提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，价格也低，因此 目前在国内应用较多。 2 4 1m c g s 工控组态软件简介 全中文工控组态软件m c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ) 是 一套3 2 位工控组态软件，它基于w i n d o w s 平台，可在w i n d o w s 9 5 9 8 n t 操作系 统中稳定运行。 m c g s 系统包括组态环境和运行环境两个部分。 用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的 工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个 数据库文件，称为组态结果数据库。 运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式 进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义， 必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工 作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算 机上。 组态结果数据库完成了m c g s 系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之 间的关系如图2 5 所示： 图2 5m c g s 组态环境与运行环境的关系 由m c g s 生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、 实时数据库和运行策略五个部分构成，如图2 _ 6 所示： 窗口是屏幕中的一块空间，是一个。容器”，直接提供给用户使用在窗口 内，用户可以放置不同的构件，创建图形对象并调整画面的布局，组态配置不同 的参数以完成不同的功能。 在m c g s 的单机版中，每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口， 图2 6m c g s 的构成 但可以有多个用户窗口和多个运行策略，实时数据库中也可以有多个数据对象。 m c g s 用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界 面，组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据进行可视 化处理。 。 一个应用系统由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五 个部分组成。组态工作开始时，系统只为用户搭建了一个能够独立运行的空框架， 提供了丰富的动画部件与功能部件。如果要完成一个实际的应用系统，则要完成 以下工作： 首先，像搭积木一样，在组态环境中用系统提供的或用户扩展的构件构造应 用系统，配置各种参数，形成一个有丰富功能可实际应用的工程。 其次，用户对构件的系统进行脚本的设置，使其达到用户要求的功能。 最后，把组态环境中的组态结果提交给运行环境。运行环境和组态结果一起 就构成了用户自己的应用系统。 2 4 2m c g s 的系统需求 ( 1 ) 硬件需求 m c g s 系统最低要求在i b mp c 4 8 6 以上的微型机或兼容机上运行，以 m i c r o s o f t 的w i n d o w s 9 5 、9 8 、m e 、n t 或w i n d o w s 2 0 0 0 为操作系统。为了充分 利用高档p c 兼容机的低价格、高性能来为工业应用级的用户提供安全可靠的服 务，计算机用户的推荐配置要求是： ( 1 ) c p u ：使用相当于i n t e l 公司的p e n t i u m 2 3 3 或以上级别的c p u ； ( 2 ) 内存：当使用w i n d o w s 9 x 操作系统时，系统内存应在3 2 m b 以上； 当选用w i n d o w sn t 操作系统时，系统内存应在6 4 m b 以上：当选用 w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统时，系统内存应在1 2 8 m b 以上； ( 3 ) 显卡：w i n d o w s 系统兼容，含有1 m b 以上的显示内存，可工作于 8 0 0 * 6 0 0 分辨率，6 5 5 3 5 色模式下； ( 4 ) 硬盘：m c g s 5 1 0 通用版组态软件占用的硬盘空间约为8 0 m b 。 ( 2 ) 软件需求 m c g s 组态软件可以在以下操作系统下运行： ( 1 ) 中文m i c r o s o f tw i n d o w sn t s e r v e r4 0 ( 需要安装s p 3 ) 或更高版本； ( 2 ) 中文m i c r o s o f tw i n d o w sb i tw o r k s t a t i o n4 0 ( 需要安装s p 3 ) 或更 高版本； ” ( 3 ) 中文m i c r o s o f tw i n d o w s 9 5 、9 8 、m e 、2 0 0 0 ( w i n d o w s 9 5 建议安装 i e 5 o ) 或更高版本； 总之，在工程控制中使用m c g s 组态软件的仿真使技术人员避开了复杂的 计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身。另一方面，从管理的角度 来看，用组态软件开发的系统具有与w i n d o w s 一致的图形化操作界面，非常便 于生产的组织与管理。1 3 2 1 本章小结 本章分析了升降横移式立体车库的运行原理以及车库控制系统的组成，通过 对不同控制系统的比较、分析，得出用p l c 作为车库的控制系统、采用m c g s 组态 软件进行仿真的可行性。 1 4 第3 章p l c 的研究及在车库控制系统中的应用 3 1 可编程控制器 可编程控制器( 英文为p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，简称p c ) ，它最初称为可 编程逻辑控制器( p r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l o ，在1 9 8 0 年正式命名 为可编程控制器( 简称p c ) ，但是由于p c 常常用束称呼个人计算机( p e r s o n a l c o m p u t e r ) ，为了避免混淆，因此仍常用p l c 来表示可编程控制器。【1 8 l 3 1 1 可编程控制器的简介 1 9 8 0 年，美国电气制造商协会( n e m an a t i o n a le l e c t r i c a lm a n u f a c t u r e s a s s o e i a t i o n ) 定义了可编程控制器p l c ：p l c 是一种数字式电子装置，它使用了 薯 可编程的记忆体存储指令，用于诸如逻辑、顺序、实时计数及演算等功能，并通 过数字或类似的输入输出模块，来控制各种机械或者工作程序。 国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 在1 9 8 5 年 颁却的可编程控制器标准草案第二稿修改的基础上，于1 9 8 7 年2 月进一步完善 了p l c 的定义，也就是目前被大家认同并且所接受的定义：可编程控制器是一 种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下的应用而设计，它采用可编程的存 储器，用柬执行内部的逻辑运算、顺序控制、定时、计数或算术运算等操作指令， 并通过数字式或模拟式输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及 其相关的外围设备，都是按照易与工业控制系统联成一个整体、易于扩充的原则 而设计。i s l 由此可知，可编程控制器p l c 的本质就是一台为实现机械工业或生产过程 而专门设计的、具有独特功能的软硬件系统的电子计算机。它是基于电子计算机， 但不是普通的计算机，普通的计算机进行输入输出信息的变换，多只考虑信息的 本身，信息的输入输出，只要人机界面友好，如使用多媒体就可以了，而p l c 则重点考虑输入输出信息的可靠性、实时性，以及信息的实际应用，另外还必须 考虑所使用的环境，便于安装维护、抗干扰等问题。 p l c 的产生源于继电器装置。在早期，继电器控制系统广泛应用在工业生产 中，它用不同的连接来反映不同的触点与电器问的逻辑关系，如图3 一l 所示。 继电器控制系统具有电路直观、结构简单、价格低廉等优点，但是随着工业 的飞速发展，控制系统对复杂性和可靠性的要求越来越高，而靠触点的通断来实 现控制的继电器控制系统在实际的应用中不可避免有如下缺点： 图3 一l 继电器控制电路图 其中： k ：输出 s b l 、s b 2 ：接触开关 r ：负载 ( 1 ) 因为触点的转换总是需要时间，因此总存在电流滞后或机械滞后，这 两个滞后加起来有时长达几十毫秒甚至更多，由滞后带来的不及时、不同步不但 降低了控制的精度，而且会使电路的工作出现竞态。 ( 2 ) 消耗电能多，触点频繁通断，易于受点火烧蚀及机械的磨蚀，在大功 率高电压场合，容易带来非常大的安全隐患。 。 ( 3 ) 体积大，难于实现复杂的逻辑关系控制，并且不同继电器电路不通用， 多种电路需要单独设计，应用过程中更改困难。 在继电器控制电路之后，出现过可编程序逻辑控制器、顺序控制器。在2 0 世纪6 0 年代，将小型电子计算机通过改变程序( 软件) 用来做机械工作或生产 过程的逻辑控制，但是逻辑控制器综合较难，实现复杂。特别是时序、逻辑关系 处理复杂，顺序控制的编程功能靠硬件实现，无法在大规模的集成电路上应用， 而基于小型电子计算机的逻辑控制编程复杂，要求编程人员有非常高的编程水 平，对工作环境的要求也非常高，无法普及到工控及生产过程中，并且造价昂贵。 1 9 6 8 年，美国通用汽车公司( g m ) 为适应汽车工业的生产发展的需要，提 出了一种新型的控制器代替传统的继电器控制系统的设想，并提出了1 0 条指标： ( 1 ) 编程简单，可在现场修改程序； ( 2 ) 维护方便，最好是插件式； ( 3 ) 可靠性高于继电器控制： ( 4 ) 体积小于继电器控制柜； ( 5 ) 可将数据直接送入到管理计算机； ( 6 ) 在成本上可与继电器竞争； ( 7 ) 输入可以是交流1 1 5 v ( 美国市电) ： ( 8 ) 输出为交流1 1 5 v 、2 a 以上，能直接驱动电磁阀和接触器等； ( 9 ) 在扩展时，原有的系统只需做很小的变更； ( 1 0 ) 用户程序存储器容量至少能扩展到4 k ； 以上1 0 条，就是著名的g m l 0 条，实际上它说明了现在可编程控制器最基 本的功能： ( 1 ) 用计算机系统代替继电器控制装置； ( 2 ) 用软件程序代替硬件接线； ( 3 ) 输入输出信号可以直接和外界设备相连； ( 4 ) 结构易于扩展； 1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c ) 制成了世界上第一台可编程控制器 ( p l c ) ，并且在美国通用汽车公司生产线上成功使用，从此，开创了p l c 的新 时代。1 1 3 1 1 9 7 1 年和1 9 7 3 年，日本和欧洲开始生产可编程控制器。目前，世界上有成 百家公司生产可编程控制器，竞争激烈，p i c 的规格、品种和数量都得到了高速 的发展。现在，p l c 已经广泛应用在生产中，据美国麻省的市场调查公司a r c 最新公布，p l c 应用市场正以4 6 的年增长率增加，2 0 0 3 年的全球p l c 市场总 额超出6 0 亿美金，到2 0 0 8 年将达到7 5 亿美金。1 5 1 l 3 1 2 可编程控制器的组成及控制原理 ( 1 ) p l c 的组成 可编程控制器p l c 一般由主机、扩展单元及外设组成。主机是必不可少的