巷道式立体车库电气系统软件设计毕业设计说明书.doc

毕毕业业设设计计说说明明书书 设计题目 巷道式立体车库电气系统软件设计设计题目 巷道式立体车库电气系统软件设计 摘 要 I 摘 要 进入 21 世纪后 伴随着我国经济继续地大踏步前进和人民生活期望值的提 升 市民人均拥有私家车的数量逐年上升 加上我国近几年用地的紧张 于是 停车难的问题越发凸现 虽然立体车库的投入使用缓解了目前停车难的问题 但很多在役的立体车库存在的问题还是很多 例如 成本高 利用率低 不易 推广 安全性差等问题 结合目前市场上的立体车库现状和现实使用中的实际环境 本文主要针对 基于 PLC 的电气控制系统进行了理论研究和软件设计 本课题所研究的立体车 库具有开发难度小 制造成本低 能耗低等优点 尤其适合居民小区 工作单 位这样的场所需求 以上优点对立体车库的推广将起到积极的作用 关键词关键词 立体车库 电气控制系统 PLC 目 录 II Abstract After entering the 21st century the amount of the civil private car per capita is increasing year by year along with the rapid development of our nation s economy and the improvement of the civil life expectation value Adding the stress of our nation s land in recent years the problem of the parking difficulty is all the more protruding Although the employment of the stereo garage relieve the recent problem of the parking difficulty the in service stereo garages have many problems for example high cost low utilization ratio not easy to popularize low safety and so on Combined with the stereo garage s status in the market presently and practical environment in the realistic use the thesis mainly does the design and the theory research that are aimed at electrical control system based on the PLC The stereo garage researched by this issue has the advantages that are easy to develop low manufacturing cost low energy consumption and so on which especially fits the demand of the places that are residential area work units the merit above will play a positive role in the spread of the stereo garage Keyword Three dimensional garage Electric control system PLC 目 录 III 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪论 5 1 1 课题研究的背景 5 1 2 立体车库国内外的发展概况 5 1 2 1 立体车库国外发展概况 5 1 2 2 立体车库国内发展概况 6 1 3 立体停车库的研究现状 6 1 4 课题研究的目的及意义 7 1 5 本文研究主要内容和要解决的主要关键问题 8 1 5 1 课题研究主要内容 8 1 5 2 课题研究内容的技术指标 8 第 2 章 巷道式立体车库 PLC 控制系统的设计 10 2 1 车库的框架结构组成及实现原理 10 2 1 1 车库的框架结构组成 10 2 1 2 车库的整体控制原理 13 2 1 3 车库的运行原理 14 2 2 PLC 控制系统总体方案 17 2 2 1 PLC 控制系统 17 2 2 2 系统功能设计 17 2 2 3 PLC 控制系统结构组成 18 2 3 本章小结 20 第 3 章 巷道式立体车库控制系统软件部分的设计 21 3 1 PLC 编程环境介绍 21 3 1 1S7 300 程序结构 21 3 1 2S7 300 程序编译方式 22 3 1 3PLC 软件开发基本说明 22 3 2 S7 300 程序软件编程 23 3 2 1 绝对编码器 23 3 2 2 MM440 变频器使用介绍 25 3 3 S7 300 的软件程序编译 25 3 4 系统可靠性软件设计 31 3 5 本章小结 31 第 4 章 巷道式立体车库管理系统设计 32 4 1 软件开发工具简介 32 4 1 1 软件实现平台 32 4 1 2 后台数据库使用 32 4 2 管理系统软件的实现 33 4 3 车库车位占用分布图 35 4 4 本章小节 39 目 录 IV 第 5 章 车库控制系统调试 40 5 1 S7 300 控制系统调试内容 40 5 2 调试结果 41 5 3 本章小结 41 第 6 章 结论与展望 42 6 1 结论 42 6 2 展望 42 参 考 文 献 43 谢 辞 45 河北联合大学轻工学院 5 第 1 章 绪论 1 1 课题研究的背景 进入 21 世纪 我国经济通过不断完善其发展模式依然保持良好稳定的前 进速度 1 人民生活的期望值随之提升 加上汽车工业迅猛发展和良好的消费 环境 人均拥有汽车的数量逐年上升 私人汽车保有量增长依然显著 2012 年中国私人轿车保有量 5308 万辆 增长 22 8 汽车保有量的快速上升与有 限的停车位之间的矛盾越发的明显 经常出现上班找不到车位 回家无处停车 的窘况 生活小区 工作单位停车难的问题在大中型城市尤为明显 虽然很多城市 在停车管理上投入了大量的精力 适度地减缓了停车难 但没有从根本上解决 问题 高峰期随意占用道路和居民区绿地停车的现象依然很严重 从而加剧了 交通管理的负担 降低了居民生活的品质 另外 由于停车场的严重不足 导 致部分大城市的停车费用极其高昂 一个停车位的年收入高达几万元 如此某 种程度上阻碍了城市的发展 目前的停车难 乱停车日益严重的现象早已引起 各方面的关注 部分城市已经开始投入使用用地效率更高的立体车库 其他一 些城市也在积极地引进立体车库 2 3 很多在役的立体车库在改善停车环境的同时 凸显的问题还是比较多的 例如 收费较传统车位高导致利用率低 能耗大 结构复杂 管理繁琐 不太 满足生活小区以及相应工作单位需要的配套的小面积停车库 在这种情况下 立体车库的经济效益将大打折扣 收回投资更是遥遥无期 使很多投资人望而 却步 资金很难落实到位 以此造成所建立体车库质量大打折扣 这样本来可 以有效解决问题的立体车库很难大范围的推广使用 本课题提出的低成本 机械式立体车库具有成本低 能耗低的特点 能够 使立体停车设备在生活小区 相应的工作单位 医院 事业机关等 得到推广使 用 与此同时其立足于低成本这个立项思想也正合投资人的意愿 有利于立体 车库在停车难这个大环境下的推广使用 这种低成本 机械式立体车库也响应 国家十二五期间提出的绿色发展的号召 1 2 立体车库国内外的发展概况 1 2 1 立体车库国外发展概况 立体车库在国外起步早 这些国家和地区包括欧洲 日本 美国和韩国 4 巷道式立体车库电气系统软件设计 6 这些国家的很多产品中的技术都处于领先地位 而国内一开始有很多立体停车 库是引进这些国家 主要集中于日本 德国和韩国 国土面积小的日本是亚洲 立体停车设备的鼻祖 在汽车保有量逐年上升的背景下 从 1959 年引进机械式 立体车库技术后 经过 40 余年时间 从最初的单一垂直循环发展到垂直升降类 水平循环类 垂直循环类 简易升降类等多种型式 其中生产机械式停车设备 的公司约 100 多家 比较大的公司有新明和 石川岛播磨 日精 三菱重工等 韩国立体车库产业在很大程度上得益于政府在每个环节上的关注和支持 虽然一开始也是走引进吸收的战略 但现在也能开发和利用各种型号的机械停 车设备 目前韩国的机械立体停车设备进入稳步发展阶段 5 7 欧洲国家现状 是由于土地规划做的比较好 表现在目前土地还不是特别的紧张 其立体车库 中多层升降横移式产品占有很大的比重 集中体现在巷道堆垛类产品上 国外立体车库的主要特点 一是技术含量高 日本和德国的车库行业将已 成型的机电技术成果转化和移植到车库产品中 使车库产品更新很快 在车库 的存取车速度 存车量方面的改进相当快速 进而逐步代替老式车库 二是车 库产品朝着性价比更高的方向发展 不但重视停车密度和高性能 更讲究产品 的经济实用性及单车位造价 三是立体车库的选型更加合乎于现场情况 以保 证解决停车难问题的同时能做到不浪费多余 1 2 2 立体车库国内发展概况 我国机械停车设备的研制和使用同样是走引进 吸收 开发 制造发展道 路 目前停车设备行业在我国已经逐步走向成熟 2003 年以来 进入稳步发展 和快速增长的我国机械式停车行业不仅在车库种类上有了很大的提高 并且更 可贵的是很多车库使用了当前机械 结构 光电 变频调速等先进技术 这样 在车库安全管理和运行稳定上都得到了很大的保障 传动结构的进一步优化也 给车库装置带来了很大的进步 其中通过内藏式传动装置进而提高了设备的耐 久性 8 对机械结构进行模块化设计更加便于组合使用和安装拆卸 缩短施工 周期 采用新材料 新工艺 如钢结构采用 H 型钢 载车板采用整体成型镀锌 板 车辆采用声光引导精确定位 保护方面采用感应自动消防灭火系统 1 3 立体停车库的研究现状 国外立体车库目前以形成技术密集型产品 就其所使用技术包含了机械 电子 液压 磁控合计算机技术等领域等先进技术 我国的立体停车产业虽已 河北联合大学轻工学院 7 步入较好的发展态势 但还是存在了一些尚待解决的问题 9 比如前期建造的 立体车库存在自动化程度较低 安全信任度偏低等一些问题 再加上我国的立 体车库相关的政策管理还不够完善 使得我国的立体车库这一新兴行业还有很 大的发展空间 所以我们需要国家设定更加合理的立体车库行业管理的法律法 规 以及加大对立体停车设备行业的政策扶持 与此同时需要科研设计单位和 相应高校的参与 以此增强设备上技术创新 就立体车库技术方面 目前我国主要在下面几个方面上与国外领先技术存在差距 10 12 1 前期投资过高和后期经济效益差让投资人望而却步 2 建成后的维护费用也不菲 而且有些车库维护工作比较繁琐 3 控制系统设计繁琐造成操作不便捷 设备结构复杂给使用者不安全感 4 为了减少成本 厂家对载车板设计考虑不周全造成车辆的停放困难 5 实用效果不好 科技成分比重不足造成安全可靠性技术 模块化技术 防护采光技术以及经济效益相对国外领先产品还不太成熟 1 4 课题研究的目的及意义 该课题所研究的低成本 机械式立体车库采用开放式的机械结构框架 省 去了传统车库的通风 照明设施 因而进一步节省了成本 13 两排垂直升降车 库共用一个出入车通道进一步节约了土建用地 载车板采用垂直升降已达到整 个车库结构简单 操作便捷 能耗低 可靠性好 控制系统中不管是用于人机 交互系统的单片机还是执行控制所采用的西门子 S7 300 PLC 都是目前应用很成 熟的开发技术 这样使得整个开发周期短 后期升级便捷 本课题所研究的立 体车库较适宜于居民小区 工作单位 购物超市等一些不适合建大中型车库的 场所 低成本 开放式立体车库有以下优点 1 需求量大 己建和在建住宅小区的配套车位很多都是传统车位 而且 很难满足停车需要 造成小区居民生活品质的下降 2 前期投资低 不易推广 大型全自动立体车库平均每个车位约 20 万 元 中型车库一般在 10 万元左右 而小型车库一般在 3 万元左右 低成本 开 放型机械式立体车库是适合目前立体车库发展形势的 也易于推广 3 开发难度小 相比较而言 采用成熟的 PLC 和单片机控制技术 开发 周期短 开发难度小 4 能耗低 因为车库为开放型 不需要照明 通风 消防等设备 大大 降低了能耗 同时积极响应国家十一五期间提出的节能减排的号召 如果本课 题所设计的低成本 机械式立体车库可以得到大范围的推广 不仅可以改善目 前城市车辆带来的拥挤现象 为城市更加和谐地发展做出一定的贡献 也可以 巷道式立体车库电气系统软件设计 8 在政府良好政策的引导下带动一大批第三产业的兴起 同时也借着国家西部大 开发这个良好的投资环境 对装备制造业和民族信息产业的振兴都有积极地推 动作用 从以上介绍可以看出这样立体车库的建设有着重要的社会意义和经济 意义 1 5 本文研究主要内容和要解决的主要关键问题 1 5 1 课题研究主要内容 本课题研究的内容涉及的学科和门类还是很多的 包括 工控机监控技 术 组态技术 人机交互单片机研发 PLC 电气部分开发 视频图像采集技术 ID 卡数据库管理 通信安全等 具有很强的技术创新性 对学科的综合应用起 到很好的示范作用 本文从工程的实际应用出发 主要侧重基于 PLC 的电气控 制部分的设计 针对低成本 机械式立体车库自动控制的作业流程 结合 PLC 控制技术 特点以及与其他控制部分的关联 本文研究的主要内容涉及 1 立体车库总体框架结构及工作原理 2 立体车库控制系统作业流程及 PLC 电气部分在其中的作用实现 3 信息导入 数据传输与系统处理的实现 4 PLC 电气控制执行机构能耗优化 5 立体车库的 PLC 电气控制部分与其他控制部分的通信实现 6 系统单独调试和联调实现以及相关注意事项 1 5 2 课题研究内容的技术指标 基于本课题设计思想和最终实现目标 本文主要解决的关键问题应该达 到以下标准 1 整个控制网络组态的实现 14 15 主要包括 西门子 S7 300 PLC 系统 通过串行通信模块实现与人机交互的单片机系统之间 通过 PROFIBUS 总线 实现对编码器信息的提取以便通过变频器精确对电机实现控制 2 基于西门子 S7 300 系列 PLC 的现场执行控制机构的设计开发 采用 PLC 硬件连接的联锁 软件程序互锁双重设置来实现对升降执行机构与立体车 库保护装置的监控 3 合理分配人机交互 上位机监控和 PLC 电气控制执行的工作关系 设 定好低成本 开放型机械式立体车库存取车作业方式 以及离线和在线两种模 河北联合大学轻工学院 9 式下具体的工作流程 4 实现 S7 300PLC 变频器与绝对编码器组成闭环结构以此对电机转速 实现控制要求的控制 从而使载车板运动更加精确 平稳 5 编写基于 STEP 7 V5 4 的西门子 S7 300 PLC 软件程序 主要包括与 上位机和起到人机交互作用的单片机的通讯程序 自身对现场数据采集和对现 场执行机构操作的程序以及相关安全监控程序的编写等 6 最后进行 PLC 系统的单机自身调试 联机调试 进而对巷道式立体车 库控制系统功能的联合调试和测试 以达到现场使用的要求 巷道式立体车库电气系统软件设计 10 第 2 章 巷道式立体车库 PLC 控制系统的设计 2 1 车库的框架结构组成及实现原理 2 1 1 车库的框架结构组成 立体车库的基本框架选用共用一个入库车道的双面对开的结构 平面结构 示意图如图 2 1 所示 立体框架示意图如图 2 2 所示 图 2 1 车库结构俯面示意图 图 2 2 车库立体框架示意图 河北联合大学轻工学院 11 结构俯面示意图与立体框架示意图以双面对开 两面称为 A B 区 每面 六列 每列三个停车位 共 36 个停车位 的初始结构画出 以地面为分界地 上三层地下两层 也即一列三层的载车板在下面两层载车板运动到地下时 最 上面一层的载车板就会与地面平行以方便存取车 两面停车库共用一个行车通 道 进一步达到节约用地的目的 16 载车板设有停车导槽 方便车辆的安全停 放和保证车辆随库运动的安全系数 整个框架结构根据实际应用场所 可以减 少或者增加对应列数用以满足不同的数量需求 所以本课题研究的巷道式立体 车库的框架结构实际是以模块化形式组合而成 方便了设备的优化改造 框架结构包括以下几部分 1 主体结构 选用开放型机械式作为主框架 采用热扎 H 型钢 槽钢 角钢和钢板焊接成型 用高强度螺栓连接 以便停车设备结构部分以更好的刚 度和强度承载包括来自用户车辆的重量和自身各个部件的重量 由于采用开放 型结构从而可以省去通风 照明设备从而可以节约开发成本 2 载车板 载车板采用 Q235B 型钢材 采用一体冲压工艺成型 厚度为 2mm 上下连接采用活动是连接件 考虑到现有小轿车的高度大约在 1550mm 所以我们将载车板之间的高度间隙设定为 1600mm 载车板的尺寸为 5500mm 1870mm 并且充分考虑载车板在车子驶入开始 驶入中 驶入结束 这三个工作状态对载车板端部 拖拽钢丝与整个载车板连接处以及载车板之间 的连接处等进行受力分析以便更好的进行后期机械框架设计 3 传动结构 通过对液压传动 链传动 钢丝绳传动的优缺点总结 以及 结合现场使用的需求最终选用了钢丝绳传动的方式 17 18 以驱动电机为动力源 经由传动轴 配重 导向轮以及钢丝绳等构成整个传动系统 并且采用导向槽 和安在载车板四个角上的导向靴机械器件使得载车板可以安全可靠的上下运动 载车板示意图如图 2 3 所示 巷道式立体车库电气系统软件设计 12 图 2 3 载车板示意图 4 载车板选择机构 该控制系统为了进一步节省成本和减少能源消耗 提出了一个驱动电机通过类似离合器装置的机械结构控制三列载车板 通过单 片机和 PLC 联合驱动小型电机首先带动圆柱凸轮机构转动 带动凸轮机构中 的槽内小滑块向上滑行 从而带动滑移齿轮与主动齿轮啮合 其中单片机负责 监控整个机动结构 然后将完成信息状态传输给 PLC 该装置机械原理图如图 2 4 所示 河北联合大学轻工学院 13 图 2 4 载车板与相应传动机构原理图 2 1 2 车库的整体控制原理 本课题立体车库控制主要分为四部分 19 21 包括 1 用于人机交互作用的单片机控制系统 它包括电源模块 键盘模块 LCD 显示模块 语音提示模块 通信模块 车主刷卡模块 卡号信息备份模块 等 其主要功能就是使得车主与整个立体车库系统的交流更加顺畅 方便车主 进行存取车动作 让车主切实体会到该套停车设备的优越性 2 用于现场监控以及对信息进行数据库管理的上位机系统 22 23 它包括卡 号相关信息的数据库管理模块 现场视屏监控管理模块 车位使用信息显示模 块 通信模块等 主要用于给管理人员更加游刃有余地对车库进行监控管理以 保证车库系统安全运行 同时它还具备存取车位优化能力 3 用于现场执行机构操作控制的 PLC 电气控制系统 它包括对驱动电机 的控制 车位使用信息提取 载车板走位精确定位 存取车指示灯 继电器控 制原理图 与人机交互单片机的通信等设计 这部分的内容也是本篇论文的重 点部分 这部分设计是否合理对立体车库工作安全影响很大 一旦在电气运行 部分出现故障或者是运行结果不够精确 那将造成设备损坏乃至人身安全 4 各个控制部分通信实现 其中作为直接对现场执行机构操纵的 PLC 电 气控制系统为控制的核心部分 PLC 与人机交互单片机之间都是通过 485 串 口通信 24 25 它从单片机接受到对应哪个车位处于工作状态 然后再将目前车 库内车位停车情况反馈给人机交互单片机 通过上面的介绍 结合三个控制部分在立体车库起到的不同的作用以及三 巷道式立体车库电气系统软件设计 14 者之间通信形式和内容 整个立体车库控制机理见图 2 5 所示 图 2 5 立体车库控制机理 2 1 3 车库的运行原理 该立体车库控制系统为了车库在任何情况下都能充分应对作业需求 所以 在设计系统时分为在线和离线两种模式 这两种模式的切换通过监控上位机的 在线 离线转换按钮进行设定 在线模式下 在现场的车库管理人员情况下通过 操作监控上位机软件界面给 PLC 发送指令和提取 PLC 反馈信息以达到直接控 制下位机执行机构而实现存取车过程的目的 离线模式下 这种情况适合车库 管理人员不在场的情况下 用户通过人机交互直接进行存取车操作 而监控计 算机这个时候只起到监控车库运行是否处于安全状态的作用 用户卡 ID 卡 按照用户使用意愿的不同分为三类 永久卡 固定卡 年卡 季卡 月卡等 临时卡 一张卡对应独有的卡号 在单片机 RAM 和监控计 算机数据库中通过制卡过程对其相关信息 卡号 卡类别 制卡日期 停车位号 予 以存储 以卡号作为所有存储信息的关键字 当用户存取车进行刷卡动作时 显示屏将通过卡号调用对应该卡的相关信息并且显示以供用户查看 当然车库 管理人员也可以通过实际情况需要通过监控计算机软件界面修改对应卡号的相 关信息并且同时对人机交互相关数据进行改动 以持有固定卡用户的存取车过程对车库运用进行实例说明 根据以上规定 每张卡对应一个停车位号 假定该卡与 B 区第二列载车台的第二层车位绑定 持卡用户过来存车 第一步进行用户刷卡 人机交互得到的卡号与自身数据库 河北联合大学轻工学院 15 信息对比验证卡是否有效 如果无效进行语音提示并且不予停车 在判断有效 后 人机交互将该卡对应的车位号传给 PLC 收到正确车位号的 PLC 操纵驱 动电机来控制对应载车板上的停车位运行至与地面平行的适合位置 停止电机 转动 并且给出存车提示灯并且打开车库和车位挡杆 语音提示用户开车入库 第二步 在车位光电检测开关检测到停车合适无误后语音告知车主停车完毕 可以下车出库 第三步 车主在离开车库时再次刷卡确认 这时车库进行复位 动作 第四步 当车主进行取车动作 同样先进行刷卡动作 人机交互验证卡 是否有效 如果无效不给予取车动作并且语音提 在判断有效后 人机交互将 得到的取车动作的车位号告知 PLC 通过对应驱动电机 PLC 将车位准备就绪 并且车位挡杆给出提示灯指引车主进行取车 第五步 取车完毕的车主再次进 行刷卡 车库系统根据此次刷卡再次进行车库复位动作 对立体车库控制系统进行设计时一定要将设备各个影响工作安全的细节都 要考虑到位 并且将处理手段反应到系统设置当中 充分挖掘各个控制系统的 利用点 同时将监控计算机 人机交互单片机 PLC 控制系统的之间有效整合 以达到控制系统的最优化 从而保证车库设备工作时的绝对安全 该立体车库 分为在线和离线两种模式 所以设定 好在这两种模式下的整个车库控制系统的 作业流程尤为重要 使得负责各个设计模块的设计人员有一个共同的标准 知 道自己所涉及的设计任务在整个控制过程的位置 以便更好地做好自己的研究 设计工作 交出的结果符合车库控制流程的要求 低成本 开放式立体车库整 个控制流程在线如图 2 6 所示 巷道式立体车库电气系统软件设计 16 图 2 6 在线控制作业流程原理图 河北联合大学轻工学院 17 2 2 PLC 控制系统总体方案 2 2 1 PLC 控制系统 立体车库控制系统一定要根据实际使用场所的需求和投资成本的目前情况 进行设计 市场上现在用的比较多的控制系统有三大类 继电器控制 单片微 机控制 可编程控制器 PLC 26 立体车库刚开始使用时 广泛使用的是继电器逻辑电路控制形式 它是通 过继电器 接触器经过控制需要的电气原理连接而成 其优点是电路简易 开 发成本低 缺点主要是智能性不强 难以实现复杂的控制要求 单片微机的出 现一定程度上解决了继电器控制中智能性不强的缺陷 同时还具备功耗小 成 本低 体积小 操作简单等优点 但其软件编程周期时间长 而且抗干扰程度 低 不利用大范围推广 而直接面向控制过程的可编程控制器 PLC 的出现 不仅同时具备以上两种控制系统的优点 同时也具备以上两者没有的优势 比 如 直接面对问题的编程语言使得开发周期大大减小 而且可靠性非常强 所 组成的电气控制线路也简单明了 很容易被开发人员学习并且掌握 从一定程 度上增强了其可以被广泛使用度 结合本课题巷道式立体车库的要求 本文选用更具智能化 开发周期短 抗干扰能力强的可编程控制器 PLC 来设计终端控制系统 2 2 2 系统功能设计 PLC 控制做为整个控制系统与驱动传动部分的衔接部分 决定了其在立体 车库设备中有着不可取代的地位 它所要达到的功能以及如何无缝地接入车库 控制流程都是以保证车库运行绝对安全为标准 系统主要实现的功能如下 1 对存取车以及复位这三个主要车库动作提供原始触发信号 通过对应的 接触器 继电器以及电气连接使得驱动传动得以顺利地工作 从而将动力传给 待使用的载车板以便载车板实现上下运动 完成存取车 复位过程 2 由于采用一台电机选择性地控制三列载车板的驱动传动机构 所以做为 控制媒介的 PLC 控制部分对选择哪列载车板也起着重要的作用 在 PLC 从 监控计算机或是人机交互那边得到待使用车位号后以及单片机控制对应的驱动 机构选择好对应电机控制的载车板列并且告知 PLC 就要有目的地选择目标电 机对目标载车板提供动力 从而为车主提供待使用车位或是对车库进行复位 3 立体车库控制很重要的而一部分就是对待使用载车板运动的电气控制 要使载车板运动精确 平稳 安全 本文对此设计了两套监控系统 变频器 巷道式立体车库电气系统软件设计 18 编码器的加入与 PLC 的联合工作来控制对应的电机 使得电机的启动 运行 停止这三个动作满足立体车库存取车效率 运动精度 稳定性和安全性的要求 PLC 控制还通过光电编码器对电 机执行机构的位置进行检测及时反馈给 PLC PLC 然后通过变频器已达到对电机的闭环控制 辅助设施为通过对应合 适的接近开关和限位开关对载车板运动给出第二道控制手段以达到对车库运动 的双重监控 4 控制外围设备 例如 停车指示灯 车库大门挡杆 车位挡杆 系统紧 急停止按钮等一些辅助设施的控制 5 与人机交互单片机和监控计算机的通信部分的功能实现 以保证所传信 息的快速 准确 其中 S7 300 与人机交互单片机经由 CP340 串行通信模块实 现 2 2 3 PLC 控制系统结构组成 根据立体车库总体控制标准 再结合可编程控制器 PLC 在监控领域所具 备的特点 本文设计的 PLC 控制结构组成如下 1 PLC 输出输入信号 载车板运动的接近开关 限位开关 挡杆打开 关闭的接近开关 停车位是否有车停入的光电开关 测量电机转速的光电编码 器等 载车板曳引电机启动 停止信号输出 挡杆转动电机启动 停止信号输 出 存取车提示灯的输出等 2 对应电气输出控制对应曳引电机 转动电机 指示灯的电气线路的安 全连接 包括在这其中接入的主接触器 辅助接触器 继电器的在控制柜中电 气位置的合理安排 3 涉及 PLC 与监控计算机 人机交互单片机的通信实现部分 与两者 的通信都是基于 485 串口 根据实际要求合理对 485 串口通信的硬件连接实 现做出正确连接 PLC 控制系统主要以可编程控制器 PLC 为核心 配有存取车指示灯 载 车板运动限位的接近开关和防止超程运行的限位开关 还配有曳引电机 转动 电机 指示灯以及相关的电气连接 控制电机通断电的接触器组 继电器组 控制曳引电机的速度调节的变频器 以及采集曳引电机速度的光电编码器 此 编码器还可以精确地控制电机轴的转动位置 使得主曳引电机的定位更加精准 和安全 这样载车板可以与地面以接近零的误差保持在同一个平面上 方便了 车主存取车 同时增强了车库设备所提供服务的人性化 整个 PLC 系统机构 原理图如图 2 7 所示 河北联合大学轻工学院 19 图 2 7PLC 系统机构原理图 选用的 PLC 是德国西门子 S7 300 PLC 其适用于各种场合中的检测 检测及相应控制的自动化 其中 CPU 采用的是可以满足中小型控制系统需求的 CPU315 2DP 相比小型 微型 PLC 它不仅具备更多的输入 输出点 I O 点 数在 128 2048 之间 更强的模块扩展能力 更快的运行速度和功能更强的内 部集成特殊功能 继电器 接触器选用法国的施耐德公司产品 该产品在同类产品中具有 制造设计更精细 用料充实 安全系数高 完全满足立体车库电气控制设计要 求和相关标准 变频器选用西门子产品中的 MICROMASTER 440 与 S7 300 PLC 能够 达到很大的兼容性 方便了对 PLC 控制系统的设计 这样更加缩短了整个开发 周期 并且在使用中保证了其在工作中与 S7 300 PLC 信息交换的可靠性安全 性 接近开关采用的是 Autonics 公司研制的 PR30 15DP 型传感器 限位开 关选用的是欧姆龙公司研制的 D4A 3104N 型开关 光电开关采用的是上海奥途 公司研制的 BEN10M TFR 根据各个公司所提供的对应传感器使用资料 比较关 键的参数都满足现场使用的需要 编码器选用带有 DP 通信接口的绝对式编码器 该型号的编码器采用独 特的二进制编码图案 在旋转时不会重复 所以其位置指示具备绝对属性 即 使断电 位置信息也不会丢失 使用 DP 总线通信 存取车提示灯选取的是江苏平潮电器二厂研制型号为 YT 信号灯 其大 小等参数可以根据现场实际情况跟供应商联系定制 巷道式立体车库电气系统软件设计 20 2 3 本章小结 本章主要通过对立体车库的基本结构框架 车库运行原理和 PLC 控制系 统总体设计分别进行了介绍 其中在基本结构中提出一台电机驱动三列载车板 的装置可以进一步地优化结构框架和达到节能的目的 根据车库基本框架和客 户使用中的基本需求对系统运行原理进行了设定 车库运行原理的提出在很大 程度上对整个控制系统的设计明确了过程和目标 为后期系统中各模块的开发 和耦合提供了依据 其中 PLC 控制系统总体设计是本论文重点阐述的部分 在 此章节对其整体设计思路做出相关的介绍 包括了其在整个系统中功能和作用 描述 PLC 控制系统机构原理图和相关硬件器件的选型 河北联合大学轻工学院 21 第 3 章 巷道式立体车库控制系统软件部分的设计 3 1 PLC 编程环境介绍 3 1 1S7 300 程序结构 一个系统的控制功能往往由相应的用户程序决定 而此逻辑对于 PLC 也是 同样成立的 用户需要在硬件系统搭建完成的情况下 编译相应的程序来控制 PLC 以循环扫描的方式执行从而实现对应的工作流程 在 S7 300 中 采取的 结构是将程序分成若干个部分 这些各自具有特定功能的部分称之为 块 其 为程序的核心部分 包括用户块和系统块 在 S7 300 中根据逻辑功能的不同 程序块又分为组织块 OB 功能块 FB 功能 FC 数据块 DB 各个软 件块的相互关系如图 3 1 所示 图 3 1 各个模块之间的关系 下面各个模块的功能做一个简单的介绍 组织块 OB 用户可以将整个运行程序放入其中循环运行 也可以在组 织块 OB1 中调用不同的功能进行对应软件运行 此外 S7 300 中还配有其它功 能的组织块 功能块 FB 通过数据块参数调用 其有一个变量存储区放在 DB 中每个数据块可以用不同的具体数值但数据结构相同的数据块 如同 C 语 言中形参和实参之间的关系一样 一个功能块可以有很多背景数据块 使功能 块用于不同的被控对象 功能 FC 没有指定的数据块 因而不能存储信息 常常用于编译重复发生且复杂的自动化过程 巷道式立体车库电气系统软件设计 22 系统块 包括系统功能 SFC 系统功能块 SFB 和系统数据块 SDB 其是 S7 300 在 CPU 中预定义的功能和功能块 用户在编写程序时可以根据不同需 求进行相应的调用 数据块 DB 它有一个固定的范围 可以用来对其他功能 的数据参数进行存储 可以进行相应的读写 3 1 2S7 300 程序编译方式 一般 S7 300 程序编译有三种 1 线性化编程 2 模块化编程 3 结构化编 程 1 线性化编程 将控制程序全部放入组织块 OB1 中 在操作系统工作时循环执行 OB1 中 的程序 特点是程序架构明了 但缺点就是程序过于臃肿不够灵活 2 模块化编程 这种编程方式根据系统控制过程将其分为不同的功能块 这样由 OB1 根据 控制要求调用对应的功能块 各个模块功能明确 也给调试过程带来了很大的 便利 3 结构化编程 这个方式在复杂的控制系统中用的比较多 其原理就是将任务进行关联性 分类 并且根据各个分类提出相应的几个解决方案 而本文采用的是模块化编程 其工作原理是用户通过组织块 OB1 编译相应 的程序来决定什么时候该用哪个对应的块 这样结构清晰 也便于后期软件的 升级和维护 3 1 3PLC 软件开发基本说明 PLC 控制系统的软件设计和硬件设计是相辅相成的 设计人员在工作过程 中选好合适的硬件配件后 然后将硬件的各部件按照控制要求进行相应的功能 连接 再配以电气走线和相应的控制柜的设计 在这些工作有了基本肯定的结 果后 就要考虑软件部分的设计 软件部分相当于给这些冷冰冰的硬件配件注 入 思想 当然设计好的控制系统是否能够具备相应的功能 还需要软件和硬 件部分能够在各个环节配合好 其中软件设计流程如图 3 2 所示 河北联合大学轻工学院 23 3 2 S7 300 程序软件编程 3 2 1 绝对编码器 图 3 2 PLC 软件设计过程 巷道式立体车库电气系统软件设计 24 绝对编码器的特点是轴对应的每一个角度位置都可以有唯一的码序列对应 输出 即使没有电源供应也可以测量到位置变化 在上电以后就可以将角度位 置传送给上一级控制系统 下面对编码器的使用过程进行相关介绍 主要分为两个方面 一方面是编 码器设备初始安装清零 第二方面是编码器内部参数意义及使用规范 1 编码器设备的安装清零 编码器在使用前一定要注意对应的设备初始清零 一般有下面的几种方 法 1 机械式地转动编码器轴找零 即在编码器安装过程中找到对应的零位 缺点是精度比较低 2 对电机上电使传送机械部分移动到与编码器零点位置对应并且进行安 装 3 通过外部触发从而进行智能地清零 此过程的编码器一定要是带有一 定智能化的编码器 通过外部的设置置位功能 例如 附带的按键智能化外部 置零或是通过自身的软件功能进行清零 4 偏置计算 该置零设置不需要机械部分或是编码器参与 而是根据编 码器对应的数值与实际位置之间的差值通过计算得到偏置量 在以后编码器工 作中通过得到的对应的数值后减去计算得到的偏置量 一般现场要求控制精度 较高的情况应该考虑采用该方法对相应的编码器进行清零动作 而本控制系统中的编码器所控制的载车板运动需要进行高精度的定位 所以该编码器选用的清零方式是上文所提到的第四种方法 也即偏置计算 2 所选编码器具体使用 由于我们只需要知道所控制对象的在一定情况下所处的位置 所以本系 统编码器选用的是一类编码器 在正常运行下 该类编码器通过两个字进行位 置信息的传输 该系统所选编码器是多圈 在其中我们的采用的是 25 位来对 具体位置进行量化 所以在本系统中每个位的具体意义如表 3 1 所示 表 3 1 控制字各位代表的意义 编码器 也即编码器通过实际过程值对所测位置进行检测和传输 然后上位机对接 收到的控制字信息进行对应的分析得出目前所控制传送机构的当前位置信息 组态时选用的是 class 2 Multiturn 工作方式 存储编译并下载到 PLC 河北联合大学轻工学院 25 3 2 2 MM440 变频器使用介绍 其中采用的是 D 型 MM440 其规格特点是三相交流电压输入 三相电压输 出 输入电压为 380V 480V 功率在 15 22kW 之间 MM440 支持 PP01 PP04 这四种模式类型 其中各个模式类型中涉及到的控制字作用如下图 4 3 所示 本系统选用 PP01 模式类型 其中 PKW 的 4 个控制字用来设定对应的变频器 的参数值 而 PZD1 和 PZD2 控制并且修改变频器的输出频率等 变频器在使用前要根据所使用的电机并且通过 P0003 进行访问级别转换进 行相应参数的设定 其中对几个固定的参数的设定如下表 3 2 所示 表 3 2 变频器初始参数设定 该控制系统所选用的西门子 MM440 变频器通过对应的 DP 通讯扩展模块与 上位机进行 DP 总线的信息交换 其中涉及到的几个重要的参数如下 最低频率的设定 P1080 最高频率的设定 P1120 斜坡上升时间 P1121 斜坡下降时间 P1121 斜坡上升曲线的起始圆弧 P1130 斜坡上升曲线的结 束圆弧 P1131 斜坡下降曲线的起始圆弧 P1132 斜坡下降曲线的结束圆弧 P1133 通过这些参数的组合设定完成对应的控制功能 通常 S7 300 通过系统功能 SFC14 与 SFC15 对 MM440 变频器的实现信息 交换 MM440 的报文结构由两部分组成 即设定参数识别 ID 的 PKW 区和设定 过程数据的 PZD 区 通过这两部分再结合具体的参数值设定就可以对以上的参 数进行数值传输 3 3 S7 300 的软件程序编译 该控制程序有一个主循环组织块 OB1 使整个程序在运行时段里不断的循 巷道式立体车库电气系统软件设计 26 环 还包括无参功能 FC2 FC5 用于车库第一层 地面层 存取车 复位动作 无 参功能 FC6 FC13 用于车库第二层 正一层 存取车 复位动作 无参功能 FC14 FC20 用于车库第三层 正二层 存取车 复位动作 采用 CP341 串口通信模块接 收和发送数据的功能块 FB7 和 FB8 FB7 和 FB8 自带的背景数据块 DB7 DB8 以及与单片机通信收发数据信息存储数据块 DB1 DB2 DB10 DB11 程序编译和各个模块之间的关系如下图 3 3 与图 3 4 所示 图 3 3 软件编程各个模块 它们之间的关系如下图所示 图 3 4 各个模块之间的关系 首先介绍作为组织块 OB1 的编程思路 最为整个程序组织块 它控制着整 河北联合大学轻工学院 27 个程序的逻辑思想 相应功能的调用以及相关数据块的处理 主要是做好从单 片机人机交互系统接收对应的控制信息 然后进行分析对比得知该信息控制的 车位以及车库对应的控制动作 存取车 复位 进而选取对应的功能进行对车库 进行控制 而其中很重要的一点是从 CP341 串口传入的信息遵循的是 ASCII 码协议 所以要进行对应的转化 此过程也是在 OB1 中直接进行 其中实现的 程序代码如图 3 5 图 3 5 ASCII 码转换为整型算法 将成功转化成的整型数据进行上面所说的信息对比处理 而立体车库控制 中可以将车库内的载车板运动根据相似情况进行不同的分类 其中二层和三层 的载车板根据上面的介绍有两套控制系统 首先是变频器和编码器构成的调速 控制系统 再是处于辅助地位的接近开关位置感应控制系统 而在程序编译时 也是以第一套控制系统为主 在第一套控制系统失效的情况下 第二套控制系 统就会进行相应的控制 而其中很重要的点就是 S7 300 与变频器和编码器通 过 DP 总线构成的速度控制系统 27 29 第一类 其中位于第一层的 12 处载车板并为一类 因为此类载车板位于 地面层 不需要所在载车板列进行运动 而只需要进行大门挡杆 载车列挡杆 存取车指示灯的相应控制即可 第二类 其中位于第二层的 12 处载车板并为一类 因为此类载车板的车 库控制除了对应辅助设置的控制 还包括主曳引电机运动 而运动轨迹遵循以 上篇幅介绍的由编码器和变频器调控的二层车位的运动轨迹 巷道式立体车库电气系统软件设计 28 第三类 其中位于第三层的 12 处载车板并为一类 因为此类载车板的车 库控制除了对应辅助设置的控制 还包括主曳引电机运动 而运动轨迹与第二 层不同 遵循以上篇幅介绍的三层车位的运动轨迹 下面以各类中举出对应一处载车板的控制程序功能为例 分别是 CA 区第 一列第一层载车板 CA 区第一列第二层载车板和 CA 区第一列第三层载车板的 存取车以及复位动作 图 3 6 图 3 7 图 3 8 分别是各个功能编程的介绍 图 3 6 CA 区第一列第一层载车板存取车 复位 河北联合大学轻工学院 29 图 3 7 CA 区第一列第二层载车板存取车 巷道式立体车库电气系统软件设计 30 图 3 8 CA 区第一列第三层载车板存取车 以上的功能程序是也即上面所述提到的具有代表性的三类 其中对第二层 和第三层存取车 复位 注意的是由于其涉及到主曳引电机的动作 其中主曳引 电机通过对应的减速机构将动力输出 并且通过固定在低速端绝对编码器将电 机轴的位置信息收集传给 PLC 通过设定好的位置信息进行对比 如果是对应 的换速的位置点 PLC 将控制对应的变频器进行相应的参数设定来控制电机的 转速 从而实现载车板运行的平稳和定位的精确 其中第二层存取车运动位置 信息存放在数据块 DB4 中 第二层复位的位置信息存放在数据块 DB5 中 第 三层存取车位置信息存放在数据块 DB6 中 第三层复位的位置信息存放在数据 块 DB9 中 而这些数据信息都是通过很多次模拟试验的数据汇总并且根据选定 的速度曲线而确定下来 同时将它反应成对应的控制数据储存在对应的数据块 河北联合大学轻工学院 31 中 3 4 系统可靠性软件设计 虽然 S7 300PLC 相比于一般的电气控制设备具有更强的抗外界干扰能力 其各个扩展模块的输入输出端口在设计时都加入了高抗干扰技术 但也不能就 彻底忽略了外电强电磁的干扰 我们还应当在编写程序时加入对应的功能块 比如 电源故障组织块 OB81 扩展机架或是 DP 主站系统组织块 OB86 通讯故 障组织块 OB88 I O 访问故障组织块 OB121 等 这些组织块通过自身临时变 量监控系统中的各种故障 并且以对应固定的数值进行显示 从而方便技术人 员排查出错误 减少故障造成的损害 进而这些功能块从软件角度加强了控制 系统的稳定性 同时在涉及到具体模块程序编程时 一定要注意其前后的逻辑性 也即该 结果发生前的限制条件 发生后会对哪些逻辑参数起作用 这些都是我们编程 时应该反复斟酌的 如果一旦设计出的软件程序逻辑不合理 那么在实地使用 中将会对人员和设备造成很大的安全隐患 还有我们在设计输入输出信号时 在干扰无法排除时 我们可以通过延时手段让系统对信号的采集和发送有个时 间的缓冲 以保证信号处理的正确 减少程序的不可靠性 当然此处的设定要 根据现场的实际情况和系统的功能需要设定 3 5 本章小结 本章通过西门子 S7 300 应用中的编程特点和相关附属硬件之间的逻辑关 系 再根据车库系统控制流程 对 PLC 控制系统中的软件部分进行了系统说明 对基于 DP 总线结构的 PLC 控制系统中各处细节都给予