智能化立体车库的设计与研究毕业设计

摘要车辆无处停放的问题是城市的社会、经济、交通开展到一定程度产生的结果，本设计即是基于日趋成熟和自动化程度不断提高的PLC技术，针对目前车库管理系统存在的系统管理介质落后、集成自动化程度低、平安性差、人性化和运行效率低下的缺乏，结合目前科学技术领域的最新研究成果，设计了一种技术较先进、性能可靠、自动化程度较高的车库智能管理系统。本文主要内容是采用工业控制计算机作为调度、管理、监控主机，采用可编程控制器PLC作为控制器，设计了三层的升降横移式智能立体车库，采用现场总线完成工业控制计算机与PLC之间的数据通讯。根据智能立体车库应实现的功能和平安性要求，进行了电机及电机驱动器的选型，并给出了系统供电原理图以及局部设备接线图。然后利用西门子公司的编程软件Step7和监控组态软件设计了车库控制程序和上位机监控界面。最后通过利用组态王组态软件对其进行了模拟仿真。研究结果说明，该智能立体车库控制系统定位准确，平安可靠，能实现自动存取车功能。关键词：智能立体车库；可编程控制器PLC；组态软件AbstractNovehicleOfficeParkistheproblemofcitysociety,economy,trafficdevelopstoacertainextenttheresultofthedesign,whichisbasedonthematureandcontinuouslyimprovethedegreeofautomationofPLCtechnology,inviewofthepresentgaragemanagementsystemmanagementsystemlagsbehind,themediumofintegratedlowdegreeofautomation,poorsecurity,humanizationandrunningefficiencythedeficiencyofcurrentscienceandtechnology,combinedwiththelatestresearchresults,designakindofmoreadvancedtechnology,reliableperformance,highdegreeofautomationgarageintelligentmanagementsystem.Themaincontentofthisarticleisbasedonindustrialcontrolcomputerasscheduling,management,monitoringhost,usingtheprogrammablecontrollerPLCasthecontroller,thedesignofthreelayerliftingtransverse-movingtypeintelligentstereogarage,usingFieldbusIndustrialcontrolcomputerandPLCdatacommunicationbetweenthe.Accordingtotheintelligentstereogarageshouldachievethefunctionalandsafetyrequirements,themotorandthemotordrivestheselection,andgivesthesystempowersupplydiagramandpartoftheequipmentconnectiondiagram.ThenusingSiemensprogrammingsoftwareStep7andconfigurationsoftwaredesignthecontrolprogramandthemonitorinterface.Finally,throughtheuseofconfigurationsoftwarehascarriedonthesimulation.Theresultsshowthat,thisintelligentstereogaragecontrolsystemofaccuratepositioning,safeandreliablecanachieveautomaticvehicleaccess.Keywords：intelligentstereogarage；PLCprogrammablecontroller；configurationsoftware目录TOC\o"1-4"\h\z\u摘要IAbstractII1绪论11.1智能立体车库的概述11.2课题研究的意义21.3课题研究的方法21.4课题研究的主要内容32智能立体车库的总体设计42.1立体车库的分类42.2智能立体车库的过程72.3智能立体车库的设计要求72.4智能立体车库的控制系统方案确实定82.4.1电气控制方案确实定82.4.2电气控制系统的框架93升降横移式智能立体车库控制系统的硬件组成113.1可编程控制器的选择113.2工控计算机123.3电机133.4变频器143.5平安措施与可靠性154立体车库的软件设计164.1程序软件的设计164.1.1PLC工作过程164.1.2PLC程序编制原那么174.1.3程序设计流程及I/O点分配184.2组态软件204.2.1组态软件的控制功能、仿真实现的意义204.2.2组态软件的设计步骤204.2.3监控系统上位机功能的实现265总结与展望31参考文献32结束语33致谢34附录下位机PLC程序351绪论智能立体车库是一个新兴的行业，它以占地面积少、停车率高、平安可靠、高效低能等优点，越来越受到人们的青睐，具有很大的开展空间。本章就智能立体车库的概述、立体车库的意义、以及课题研究的方法和内容做了简单介绍。1.1智能立体车库的概述智能立体停车库系统是集设备、操作、平安、监控、维护、管理为一体的智能化系统。它最大的特点就是分时控制功能，实现分时段、分层停车控制，有效提高车位利用率。智能化智能立体车库是利用计算机智能控制，实现自动存、取车业务，并可实现一系列的智能化功能的立体停车库系统，是集自动化技术、计算机技术为一体的智能化、立体化的物流储运系统，能够自动而可靠地完成车辆的存取以及相关信息的管理。当车辆到达停车库入口时，系统自动识别车型，给来车分配一个最正确车位，控制传送系统传送车辆到停车位，并给存车人出据存车卡。取车时，取车人输入卡，计算机自动识别，显示存车费用，用户交费后，计算机控制传送车完成取车操作。除占地面积小容量大以外，智能化智能立体车库还具有以下特点：1.系统结构性能稳定、信号传输速度快，自动化程度高智能化智能立体车库采用计算机控制，工作中所需人员少，车辆通过传送装置移动，车位分配通过计算机寻求优化方案，大大降低运营本钱，系统可实现手动控制和电脑自动控制两种方式，智能化程度高。2.结构配置灵活，性能平安可靠智能化智能立体车库存车数量不等，有仅存放两辆汽车的微型车库，也有能存放上千辆汽车的大型车库，还有适用于小区的中型车库。建造方式比较灵活，可建于地上、半地上、地下，可构成垂直式也可建成水平式。智能化智能立体车库是一个封闭的系统，在管理上采取专人负责，除设备维护、维修人员外，其他人员是禁止入内。对于汽车的平安问题，车库采用计算机智能化管理，有效解决汽车防盗；对于车库下层的车辆，为防止上层托盘或车辆的降落砸到车辆，在每层车库的托盘下设置检测开关和防砸车装置，以及严格的互锁装置，有效保障车辆平安，确保系统的可靠性。3.经济效益好随着国内私家车的增加，在中心城区、商场、人员密度大的场所建设智能立体车库，费用的投入远高于其它形式的停车场，但这些区域车辆流动大，对车位的需求量高，对车库的运营企业会带来良好的经济效益。1.2课题研究的意义车辆无处停放的问题是城市的社会、经济、交通开展到一定程度产生的结果，车辆的增加，交通拥挤所造成的商场、酒店车位限制，使得车主为停车而发愁，扩展停车场引起人们的广泛关注。普通露天停车场和建筑物下的停车库虽然停放方便，但占地面积广，且停车数量有限，尤其是土地价格突飞猛进增长的今天，投资商不得不考虑土地占用的本钱，为了充分利用立体空间，标准和科学管理汽车的停放，建造智能立体车库已刻不容缓[2]。目前，在国内一些经济较兴旺、人口密度较大的城市中，己经着手开发推广立体停车库。本设计即是基于日趋成熟和自动化程度不断提高的PLC技术，针对目前车库管理系统存在的系统管理介质落后、集成自动化程度低、平安性差、人性化和运行效率低下的缺乏，结合目前科学技术领域的最新研究成果，设计了一种技术较先进、性能可靠、自动化程度较高的车库智能管理系统。具有智能化的智能立体车库占用土地少、充分利用空间，缓解了城市中道路空间小的矛盾，又适应了城市高节奏快速开展的需要，更重要的是顺应社会的开展，减少了污染，为城市向更大规模开展提供有利的条件。随着微电子技术、通讯技术、控制技术的迅猛开展，计算机更加广泛的进入工业控制的各个领域，并正发挥着越来越重要的作用。计算机技术在车库系统中的应用，可使设施集自动化、系统化、综合化为一体，提高智能立体车库的中存取车辆的速度，提高智能立体车库工作的可靠性。利用计算机进行实时控制和管理车库运行成为开展趋势，降低车库的投资本钱，实现无人化管理，增强车库的智能化程度，将会对我国智能立体车库的开展起到很好的推动作用。而且智能立体车库技术空间利用率高，智能化控制，平安可靠等优点为解决停车难问题也有一定的促进作用。1.3课题研究的方法本课题通过对升降横移式智能化智能立体车库的研究，采用综合比较的方法进行型与控制系统方案确实定，并实现对系统的智能化设计。本论文主要是探讨可编器(PLC)作为控制核心在智能化智能立体车库系统中的应用。1.收集和整理有关国内外智能立体车库的开展情况、控制系统设计方案及其监系统的研究现状的相关资料，分析智能化智能立体车库在设计中的影响因素及控制系系统实现的各种功能。2.详细分析升降横移式智能化智能立体车库设计中控制系统的主要影响因素之系，建立智能立体车库的智能化设计方案。3.分析智能化监控管理系统，用组态软件实现存取车的系统监控。4.确定智能立体车库控制系统方案，用PLC编制控制系统相关局部程序。5.针对存取车过程，通过人机界面设计，实现智能化与便捷化的设计目的。1.4课题研究的主要内容智能化智能立体车库是随智能化技术的开展而出现的高效停车技术，包括智能停车管理系统、信息系统、导引系统和设备等。本课题研究的主要目的是通过升降横移智能化智能立体车库的分析，研究智能化智能立体车库的设计方案。本研究有利于降低设计本钱，提高车库作业效率，进而有利于智能化智能立体车库的推广使用，同时促进智能立体车库随汽车行业同步开展。本课题以升降横移式智能立体车库系统作为研究对象，通过对智能立体车库的主体结构进行电气控制系统的硬件和软件设计，探讨智能化智能立体车库的存取车的原理、智能化的设计方案。对升降横移式智能化智能立体车库通过采用可编程序控制器完成对车辆自动存取功能的实现，用组态软件通过上位机实现存取过程的实时监控仿真研究，最后提出系统的外围局部人机界面的实现方案，突出了操作的便捷性、简单化，从而实现智能立体车库的智能化设计。1.绪论指出课题的研究意义与研究方法和主要内容。2.介绍智能立体车库的分类及各种类型智能立体车库的主要优缺点，针对升降横移式智能立体车库进行结构分析，指出存取车的原理与流程，提出总体设计方案。3.根据智能立体车库控制要求，确定各硬件的型号。4.针对智能化升降横移式智能立体车库进行软件程序编写，并对上位机、下位机进行相关的设计，采用组态软件实现监控系统。对智能立体车库系统进行人机界面设计。2智能立体车库的总体设计在智能立体车库中，电控系统起着极其重要的作用，控制技术己成为现代工业生产中不可缺少的重要组成局部。在本章中，首先介绍了立体车库的分类，然后对智能立体车库存取车的流程进行分析，而后根据系统运行特点依次对智能立体车库的设计要求、电气控制方案确实定、以及电气控制系统的框架进行介绍。2.1立体车库的分类停车库系统就其结构特征来分类，可分为平面式和立体式两种，平面式又分为地下平面式停车库、地上平面式停车库；立体式停车库又可分为自行式立体停车库、半自动立体停车库和全自动立体停车库，而全自动立体停车库还可分为两层或多层平面式全自动立体停车库、竖向密集型全自动立体停车库以及特殊造型结构全自动立体停车库。目前，立体车库主要有以下几种形式：升降横移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂直循环式、箱型水平循环式、圆形水平循环式[3]。1.升降横移式立体车库升降横移式立体车库采用以载车托盘升降或横移存取车辆的立体停车设备叫做升降横移类停车场[4]，如图2.1所示。图2.1升降横移式立体车库升降横移式立体车库配置灵活，造价较低。每单元可设计成多层结构，车位可从几个到上百个。其突出特点是节省占地，配置灵活，存取车迅速，等候时间短，价格低，消防、外装修、土建地基等投资少；采用自动控制系统，构造简单，平安可靠，运行平稳，工作噪声低。车库主要停车托板、机械传动、电气传动、自动控制、平安防护几局部组成，主要适用于商业、机关、住宅小区配套停车场的使用。一般升降横移式单车位造价仅为的垂直升降类或巷道堆垛类的1/6—1/3，非常适合我国现阶段国情。2.巷道堆垛式立体车库巷道堆垛式立体车库利用堆垛机或者桥式启动机作为存取车辆的工具，如图2.2所示。它在垂直和水平方向的负荷运动将车辆快速送进或取出。这种车库不需要车道，而且出入口设置灵活，所有车辆均由堆垛机进行存取，对堆垛机的技术要求较高，单台堆垛机本钱较高，但该立体车库容积率高，适合于用地紧张，绿化要求高，停车相对密集的场所。图2.2巷道堆垛式立体车库3.垂直提升式立体车库垂直提升式立体车库又称为电梯式车库，因其独立的车库像塔而又被称为塔库，如图2.3所示。这种类型的车库空间利用率很高，在50平方米的地面使用垂直提升式立体车库，可以建造一座25层的塔库，存车辆可达到达50辆，平均每平方米停放1辆车。这种车库通过提升机的升降和装在升降平台上的横移机构将车辆或载车托盘横移，实现车辆存取，具有省电，噪音小，运行速度快以及操作简单维护方便等独特优点。该立体车库采用回转盘技术，车辆可以直进直出，使用便捷，对于城市繁华区域或其他停放车辆较为集中的地方，采用这种类型的车库更是适宜。车库一般较高，但占地却最小，对设备的平安性、加工安装精度等要求都很高，所以造价较高。图2.3垂直提升式立体车库4.垂直循环式立体车库垂直循环式立体车库外观像垂直升降类的车库，通过巨型链轮和链条带动存车拖降做垂直方向的循环运动来到达存取车的目的，如图2.4所示。这种车库设备动力单一，控制简单，维护方便、故障少。该类大型车库一般为封闭式建筑结构，停放车辆可达40以上，小型车库可以根据地理条件单独设定，也可以多台设备连台设定。垂直循环式车库占地少，两个泊位面积可停6—10辆车；价格低，投资少，建设周期短。图2.4垂直循环式立体车库2.2智能立体车库的过程升降横移式智能立体车库每个车位均有载车托盘，所需存取车辆的载车托盘通过升降、横移运动到达地面层，驾驶员进入车库，存取车辆，完成存取过程。停泊在车库内地面的车只作横移，不必升降，上层车位或下层车位需通过中间层横移出空位，将载车托盘升或降到地面层，驾驶员才可以进入车库内将汽车开进或开出车库，升降由电机驱动，通过钢丝绳拖动载车托盘，利用一台电机便可实现车位的移动。如3*3智能立体车库的存取车图2.5。假设车位己满共7辆，欲取2车位上的车辆。第一步，将5和7车位的车向右分别移至空位1和空位2，即空出2车位下的车位；第二步，将2车位上的托盘直接下降至底层，完成取车；第三步将原2号车位的托盘上移至原来的位置；第四步将原5和7车位上的车左移回至原位置。同理，其他位置的车辆也如此遵循该原那么，即：顶层车位只能上下移，一层车位只能左右移动，中间车位既可上下移动也可左右移动。图2.53*3智能立体车库的存取车2.3智能立体车库的设计要求智能立体车库在设计中要显示出智能化、人性化和便利化的特点。因此，系统要求如下：1.采用工控机控制，在工控机上显示当前车位状态和车主存放位置。2.取车人在屏上输入车位号后，该系统在选定的路径下自动到达地面，当取车人进入车库取车时，所有升降和平移系统都处于停止状态。3.当控制系统发生故障或车辆超重时，能发出报警提示，在工控机上显示故障。2.4智能立体车库的控制系统方案确实定2.4.根据升降横移式智能立体车库结构特点，除顶层外的其它层都必须留出一个空位，供载车托盘上升和下降用。当车辆位于底层时，无需移动其他托盘就可直接取出车；假设准备将车存于底层，同样不需要移动其它层的载车盘，直接将车驶入即可。但假设车辆存于中间层或顶层，在存取车时，那么需要通过横移将该车位以下的托盘位置调整为空，才可进行车辆的下降上升，车辆驶入后再上升回到原位置。整体操作时，遵循底层托盘只进行平移操作，顶层托盘只能进行升降操作，中间层既可平移又可升降操作的原那么。升降横移式智能立体车库的控制系统是整个车库的核心，设计的优劣直接影响到设备的平安性能和工作性能，影响到系统智能化程度的上下。所以在进行设计时，要求一定要考虑到控制系统平安可靠性与操作方便性。单片机在精度和速度要求很高的地方适用性较好，但要面对外围电路和干扰，程序混乱等的必须考虑的问题[5]。PLC是建立在单片机之上的产品，从工程的角度，采用PLC是由于其可靠性强、稳定性好、操作方便灵活，是集计算机技术、自动化技术、通讯技术为一体的通用工业控制装置，在实现工业现场控制上有着不可比较的优势，对一些大型、稳定性要求很高的控制比较适用[6]。在升降横移式智能立体车库中选择PLC作为控制系统核心。图2.6智能立体车库系统逻辑框图智能立体车库根据库容量情况，如3*3或3*4或3*5智能立体车库最大存车数分别为7、10、13，根据设备的控制要求，都可选择德国西门子公司生产的S7—200为主控单元口，最大控制点数可到达256点。升降横移智能立体车库系统逻辑框图如图2.6所示。控制系统中主控单元的主要控制对象首先是车库内的横移电机和升降电机，控制系统使它们在不同的时间内实现正反转；其次是车库内的各种辅助装置，如：指示灯及其各种平安设施等。为了保证搬运器能将托盘能横移到预定位置以及使托盘能上升或下降到指定位置，采用了行程开关。2.4.升降横移式智能立体车库控制系统由上位机和下位机共同组成。其中，上位机以工控计算机为核心，处于监控室或值班室中，主要起监控和管理作用等；下位机采用PLC，实现对现场进行直接的控制。如果车库的规模足够大，还可以考虑配备操作器、触摸屏等来实现智能化自动控制[7]，在本设计中没有涉及到。在本系统中，利用系统中上位机的监控作用，通过数据处理、图形显示和多媒体技术，显示出各种现场的状况，将PLC从现场采集的各种不同的开关信号、报警信号等，从控制界面显示出来，从而在监控人员和智能立体车库之间以及在操作人员和智能立体车库之间都可构造出直观形象的界面，对系统的正常运行和系统故障进行提示或报警。图2.7升降横移式智能立体车库整体结构升降横移式智能立体车库整体结构如图2.7所示。上位机与显示器、打印机、收款机相连，通过键盘鼠标可进行直接的信息输入。PLC主要完成对托盘位置及运行状态的检测和存取车的操作，将限位开关、平安挂钩等相关信号，通过计算机处理输出信号控制接触器、电磁铁等动作，对拖动电机的起停进行控制。智能立体车库的操作分为三类，包括故障诊断和处理、联系现场状况的数据I/O操作、执行用户程序以及响应与PLC相连的外部设备的命令操作[8]。在系统运行过程中，当出现存取操作时，PLC会接收人员在上位机或触摸屏的输入指令，经过分析判断检测元件的状态、读取机械驱动的信息后，将输入信号的信息反应到执行机构如电磁铁、继电器、平安装置、显示指示灯等，实现电机的正反转、托盘的升降横移运动、限位开关的动作等，完成信号的显示与车辆的存取操作。3升降横移式智能立体车库控制系统的硬件组成在工业自动化领域，工控机和可编程控制器是人们不得不提的两类控制设备，它们是大多数自动化系统的根底设备；变频器可以方便、可靠的对交流电机进行无级调速控制；而行程开关、光电开关等开关器件，可以探测到系统的当前情况，给出相应的开关量，提供应控制器件进行处理。本章主要对组成系统的硬件进行简要介绍，说明这些器件在系统中的用途。3.1可编程控制器的选择基于设计和调试的方便，本次设计采用德国西门子公司生产的S7—200系列。S7—200性价比高，结构小巧、运行速度高、价格低廉及多功能多用途，在当今的很多企业得到广泛的使用。由于本设计采用了26个输入I/O点，18个输出I/O点，采用的输入输出点数较多，所以该设计选用的中央处理器是S7-200系列中的CPU226，同时又扩展了一个数字量混合模块EM223，通信模块采用了EM277模块。1.如图3.1所示，CPU226本机集成了24点输入和16点输出，共有40个数子量I/O，可连接7个扩展模块，最大可扩展至248点数字量I/O或35路模拟量I/O。CPU226有13KB程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出[9]。CPU226配有两个RS-485通信/编程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，适合本设计的要求。图3.1CPU226实物图2.如图3.2所示，输入/输出扩展模块EM223有6种类型，包括24VDC4入/4出,24VDC4入/继电器4出,24VDC8入/8出,24VDC8入/继电器8出,24VDC16入/16出,24VDC16入/继电器16出。6种类型均有隔离，本设计采用的是24VDC16入/继电器16出。图3.2EM223数字量混合模块3.如图3.3所示，EM277模块是PROFIBUS-DP从站模块，该模块可以作为PROFIBUS-DP从站和MPI从站，其通信特性为：一个通信口，接口类型为RS-485，协议为PROFIBUS-DP从站和MPI从站。图3.3EM277模块3.2工控计算机工业控制机即工业控制计算机，也叫做工业个人计算机，英文简称IPC〔IndustrialPersonalComputer〕。工业控制机是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机。工控机由计算机根本系统和过程I/O系统组成，计算机根本系统由系统总线、主机模板、存储器板、人机接口板与CRT、磁盘机、打印机等通用外设组成[10]。过程I/O系统由输入信号调理板和A/D转换器，将现场传测量的物理信号转变为电信号，模拟量经模数转换〔A/D转换器〕，变成数字量输入计算机，计算机输出信号经数模〔D/A〕转换和输出调理〔隔离放大〕成执行机构的功率驱动信号控制执行机构。早在80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM7532。由于IPC的性能可靠、软件丰富。价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。目前，工控机已被广泛应用于通讯、工业控制现场、路桥收费、医疗及生活的方方面面。工控机能够适应工业应用的需要，比常用计算机更强的抗干扰能力与可靠性，以保证系统平安、稳定运行。根据立体车库的系统要求，本设计采用了具有主流配置高、处理速度快、可靠性较好的工业控制计算机-“研华”工业控制计算机〔如图3.4〕：型号IPC-610MB，CPU为Intel-PIV3.0G，1G内存，160G硬盘，配以三星17寸液晶显示器，鼠标，键盘等。图3.4研华IPC-610MB3.3电机电动机种类繁多，可按各种方法分类，如按外壳保护，安装方式，绝缘等级，功率大小，电源电压，电源频率、运行特性、结构、用途等各种分类方法，但不同分类之间都有复杂的内在联系[11]。我国目前是以功率大小作为大类来总划分，而以主要性能、用途和结构特征、型式等作为补充来适当细分。电动机由变频器驱动控制，参数均由变频器数据设定完成，从而控制了停车板的“启动、加速、正常运行、减速、停车、检修运行”的速度曲线，变频器输入信号端口也由变频器参数设定，PLC控制变频器完成相应的动作。对于三层三列立体车库的电机安装原那么是：底层两个车板各自装有一个电动机，以控制车板的左右水平移动；中间层的两个车板每个装有两个电动机，分别控制车板在中间层导轨上的左右水平移动和垂直方向上的升降移动；顶层的三个车板不需要做左右水平移动，只需要在相应列的下两层空出车位时做升降移动，所以，这三个车板分别只装有控制升降运动的电动机。在升降横移式智能立体车库中采用三相异步电动机。选择水平横移控制电机的额定功率为0.55kw，满载转速为1390r/min，升降控制电机额定功率为2.2kw，满载转速为1470r/min。3.4变频器变频器是运动控制系统中的功率变换器，运动控制系统是控制机电能量变换器的电气传动技术，变频器作为系统的重要功率变换部件，因提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛开展。变频器技术的开展趋势经历大约三十年的研发与应用实践，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的开展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而且仍在不断地提高可靠性和进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化。交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大局部。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬、软件开发问题。在本系统设计中，我们所选用的是西门子MM440变频器〔如图3.5〕，它主要是用于控制三相交流电动机的速度，而且额定功率范围可从120W调节到250kW，调节范围广，能够满足立体车库系统的实际运行。图3.5MM440变频器3.5平安措施与可靠性智能立体车库在运行中要保障人员、设备的平安，这是设计者进行系统设计的很重要内容之一。首先是通过在电路中设置的断电保护保护装置，确保在电路主电源发生缺相故障时，相应的保护器件如继电器等动作，切断设备主电源，到达保护人员、设备平安的目的。系统通过精确定位来提高人员在存取车过程中的平安可靠性，如行程开关的设置保证托板能平移到预定位置以及托盘能上升或下降到准确位置，行程开关逻辑要严格互锁控制，如急停按钮按下，立即断所有电机电源；任何载车盘触发上、下极限限位开关，立即断所有电机电源；上层载车盘不在上位或运行不到上位，中层载车盘不能运行；中层载车盘运行不到位，上下层载车盘不能运行；下层载车盘不在下位或运行不到下位中层载车盘不能运行；平安挂钩不在开启位置，无下降动作；前后超长开关被遮挡，所有载车盘都不能动作；入口处人员误入被遮挡，所有载车盘都不能动。4立体车库的软件设计4.1程序软件的设计4.1.1PLC工作过程PLC的工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段[12]。1.输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，那么该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2.用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的但凡用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。3.输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。值得注意的是，西门子公司1998年10月份之后生产的PLC，在循环处理顺序上做了局部调整，将输出刷新阶段提前到输入刷新阶段之前。这一点需要用户在编程时格外注意。具体调整如表4.1所示。表4.1西门子PLC循环处理顺序的调整步骤98年10月之前的CPU中的顺序98年10月之后的CPU中的顺序1操作系统启动周期监视时间。操作系统启动周期监视时间。2CPU读取输入模块的输入状态，并更新输入的过程映像表。CPU将来自输出过程映像表的值写入到输出模块。3CPU处理用户程序并执行程序所包含的指令。CPU读取输入模块的输入状态，并更新输入的过程映像表。4CPU将来自输出过程映像表的值写入到输出模块。CPU处理用户程序并执行程序所包含的指令。5在周期结束时，操作系统执行未决的任务，例如下载和删除块、接受和发送全局数据。在周期结束时，操作系统执行未决的任务，例如下载和删除块、接受和发送全局数据。6最后，CPU返回周期开始，并重新开始周期监视时间。最后，CPU返回周期开始，并重新开始周期监视时间。4.1.2PLC程序编制原那么设计PLC应用程序的根本原那么是：第一，最大限度满足车库的控制要求，即完整性原那么。第二，确保计算机控制系统的可靠性。第三，力求控制系统简单、实用、合理。第四，考虑到扩展的需要，即接口和通信等留有适当的余地。例如，系统为3*3立体车库，即三层三列立体车库，最多存放量7辆车。存取车控制只针对上层(二、三层)车位，而对于下层车位，存取车只需直接开进开出即可，采用梯形图语言编写。对车位的操作就是控制横移小电机和升降大电机，使它们在不同时间实现正反转。上层升降动作和以下各层的横移动作必须是互锁的，即当上层车位在升降时，下面各层车位不能移动，当下层车位在进行升降动作时，上层车位也不能移动，并且每次升降只能有一个车位进行上下运动。程序设计要求：1.下层停车板左右横方向移动，上层停车板上下升降运动实现存取车；2.手动状态时能够对每个车位单独启动和停止；3.自动状态时，送车时控制系统能够自动寻找车位，取车时，控制系统能够自动将车辆送到地面。4.1.3程序设计流程及I/O点分配该系统中PLC主要完成对托盘的位置及运行状态的检测和存取车的操作。所用状态元件、定时器及数据存储器均选用具有掉电保护功能的元件，当系统掉电时元件保持掉电前的状态，以保存现场信息；当发生意外情况时，按下急停按钮中止系统的运行并保存现场断点信息。立体车库存车I/O分配表如表4.2，流程见图4.1。PLC程序见附录[13]~[15]。表4.2立体车库存车I/O分配输入作用输入作用输出作用输出作用I0.0叫车按钮I1.56号限位开关Q0.01号上升Q1.55号右移I0.11号车呼叫I1.67号限位开关7Q0.11号下降Q1.67号左移I0.22号车呼叫I1.78号限位开关Q0.22号上升Q1.77号右移I0.33号车呼叫I2.09号限位开关Q0.32号下降Q2.08号左移I0.44号车呼叫I2.1一层西Q0.43号上升Q2.18号右移I0.55号车呼叫I2.2一层中Q0.53号下降Q2.2报警I0.6急停I2.3一层东Q0.64号上升Q2.3运行灯I0.7手动/自动I2.4二层西Q0.74号下降I1.01号限位开关I2.5二层中Q1.05号上升I1.12号限位开关I2.6二层东Q1.15号下降I1.23号限位开关I2.7三层西Q1.24号左移I1.34号限位开关I3.0三层中Q1.34号右移I1.45号限位开关I3.1三层东Q1.45号左移图4.1流程图4.2组态软件4.2.1组态软件的控制功能、仿真实现的意义对于一个完整的监控系统，上位机尤为重要，因为上位机〔人机界面〕是操作人员与控制系统之间交互的纽带，良好的人机界面可以让操作人员的操作更为容易，工作效率更加提高。现在，一般监控系统的上位机均采用组态软件。组态软件〔ConfigurableSoftware〕是一种基于计算机操作系统的软件平台，一般由大的专业软件公司开发，并经过正规的严格测试，其可靠性高；通过更换不同的驱动程序和板卡，可以方便地与不同厂家生产的PLC组成一个控制系统，解决以往工业监控软件编写工作量大、可靠性低、通用性差等问题，为整个工业控制系统的设计与应用注入了新的活力。著名的组态软件有Intellution公司的Fix；Wonderware公司的InTouch，Rockwell公司的RSView32和北京亚控公司的“组态王”等[16]。本系统中所用的组态软件为北京亚控公司开发的运用于MicrosoftWindows98/XP中文平台的全中文界面的组态软件——组态王〔KingView〕6.5。组态软件是一些数据采集与过程控制的专用软件，使用灵活的组态方式，用于自动控制系统的监控。组态软件能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常提供分布式数据管理和网络功能。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购置专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现后，利用其的功能，构建出一套适合自己的应用系统。随着组态软件的快速开展，实时数据库、实时控制、通讯及联网、开放数据接口、对FO设备的广泛支持已经成为它的主要内容，现代技术的开展，监控组态软件技术的应用将会不断被赋予新的内容。4.2.2组态软件的设计步骤在进行组态软件设计时要先建立一个工程，然后在该工程里进行设计。建立组态软王工程的一般过程是：设计图形界面〔定义画面〕、定义设备、构造数据库〔定义变量〕、建立动画连接、运行和调试，这五个步骤并不是完全独立的，事实上，这五个局部常常是交错进行的。在用组态王画面开发系统编制工程时，要依据此过程考虑三个方面：图形：也就是通过抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备，从而进行画面设计。数据：也就是创立一个具体的数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，比方水位、温度等。连接：也就是画面上的图素以怎样的动画来模拟县城设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。下面主要介绍一下设计的具体步骤：1.新建一个工程：利用向导新建工程，在工程管理器中单击“新建”按钮，弹出新建工程向导一，如图4.2所示，然后点击下一步，在弹出的新建工程向导二中对工程的描述〔如：智能立体车库监控系统〕，然后点击浏览设定保存的地址，如图4.3所示。图4.2新建工程向导一图4.3新建工程向导二2.创立组态画面进入新建的组态工程后，选择工程浏览器左侧大纲项的“文件-画面”，在工程浏览器右侧双击“新建”图标，弹出新建画面对话框，如图4.4所示，可以在里面设置画面的大小等，在画面名称中输入要设计画面的名称〔如智能立体车库监控系统〕，然后点击确定按钮进入内嵌的组态王画面开发系统，如图4.5所示。进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富的图形对象组成的。系统为用户提供了矩形〔圆角矩形〕、直线、椭圆〔圆〕、扇形〔圆弧〕、点位图、多边形〔多边线〕、文本等根本图形对象，及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象。提供了对图形对象在窗口内任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作，全面支持键盘、鼠标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工具。“组态王”采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时支持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发结果。图4.4新建画面对话框图4.5组态王画面开发系统3.定义设备组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备包括：下位机〔PLC、仪表、模块、板卡、变频器等〕，它们一般通过串行口和上位机交换数据；其他Windows应用程序，它们之间一般通过DDE交换数据；外部设备还包括网络上的其他计算机。只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过I/O变量和它们交换数据。为方便定义外部设备，组态王设计了“设备配置向导”引导用户一步步完成设备的连接。在本设计中用西门子S7-200PLC和组态王通信。PLC可以模拟PLC为组态王提供数据。在工程浏览器左侧大纲项选择“设备”，在工程浏览器右侧双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，如图4.6所示，在设备配置向导中选择“西门子S7-200”的“Profibus”项，单击“下一步”对每一项设置后点击“确定”。图4.6设备配置向导4.构造数据库数据库是“组态王”软件的核心局部，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在TouchView运行时，它含有全部数据变量的当前值。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义，定义时要指定变量名和变量类型，某些类型的变量还需要一些附加信息。在工程浏览器左侧大纲项选择“数据库-数据词典”，在右侧双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框，如图4.7所示，此对话框可以对数据变量完整定义、修改等操作，以及数据库的管理工作。在对话框中将“变量名”、“变量类型”等都设置完后点击确定。图4.7定义变量对话框表4.3组态王动态连接方式属性变化线属性变化、填充属性变化、文本色变化位置与大小变化填充、缩放、旋转、水平移动、垂直移动值输出模拟值输出、离散值输出、字符串输出值输入模拟值输入、离散值输入、字符串输入特殊闪烁、隐含滑动杆输入水平、垂直命令语言按下时、弹起时、按住时5.建立动画连接定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，或者由软件使用者通过图形对象改变数据变量的值，组态王提供了21种动画连接方式，如表4.3。6.运行和调试组态王工程已经初步建立起来，进入到运行和调试阶段。在组态王开发系统中选择“文件\切换到View”菜单命令，进入组态王运行系统。在运行系统中选择“画面\翻开”命令，从“翻开画面”窗口选择“Test”画面。显示出组态王运行系统画面，即可看到矩形框和文本在动态变化。4.2.3监控系统上位机功能的实现1.主界面如图4.8所示，主界面中操作界面、自动控制界面、手动控制界面、实时报警界面、实时曲线界面、退出界面六项界面组成，登入主界面后点击某个菜单可以连接到相应的界面。图4.8主界面2.手动控制界面如图4.9所示，更真实的再现现场的情况，该界面也可显示车位占用情况，可以根据上升、下降、右移、左移按钮，控制“水平移动”和“垂直移动”的一系列变量，从而实现载车托盘的运动，支持手动存取车操作。图4.9手动控制界面3.自动控制界面该界面可以实现自动存取车的功能，该界面受操作界面的控制，主要是利用画面命令语言[18],对控制车位水平移动和垂直移动的变量进行控制,以实现自动存取的功能，如图4.10所示，自动操作界面如图4.11所示。图4.10画面命令语言图4.11自动控制界面4.操作界面如图4.12所示，通过操作界面可以进行自动手动选择，通过按钮导航，可进入自动控制界面或手动控制界面。可以控制自动存取不同车位的车，同时也能完成自动控制界面和手动控制界面的载车托盘复位。图4.12操作界面5.实时报警窗口实时报警窗口如图4.13所示，用来显示系统所有故障的状态，有故障时，会有相应的文字描述。该界面可用来监控整个运行系统运行是否正常。图4.13实时报警窗口4.2.4组态系统的通信设计1.组态王的通讯机制图4.14组态王与外部设备通讯示意图组态王把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现和外部设备的通讯，组态王内置有大量的设备驱动作为外部设备的通讯接口。在开发过程中，只需根据工程浏览器提供的“设备配置向导”，一步步完成连接过程，即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。在运行期间，组态王可以通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据或指令。组态王的驱动程序采用ActiveX技术，每一驱动都是一个COM对象，这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统，从而保证运行系统的高效率，如图4.14所示。因此，组态王可以与一些常用I/O设备直接进行通讯，如可编程控制器〔PLC〕、智能模块、板卡、智能仪表等。组态王与I/O设备之间的数据交换采用五种方式：串行通讯方式、DDE方式、板卡方式、网络节点方式、人机接口卡方式。2.组态王与S7-200的PROFIBUS通信方式PROFIBUS通信方式使用西门子PLC上的DP接口，使用该方式通讯时，需要在本机上安装S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN32，并通过STEP7-Micro/WIN32编程软件为PLC进行参数选择、设定参数和测试参数，将DP接口配置为PROFIBUS-DP协议。在本设计中，我们对立体车库中的载车托盘进行实时监控，考虑到硬件接线的简易性，我们在通讯接口的安装中，选择了安装通信硬件CP5511，并为硬件设置通信属性，采用了PROFIBUS-DP通信协议，以便完成工程的运行与监控。5总结与展望目前，立体车库正向大型化、复杂化、智能化、人性化的方向开展，系统的管理更开放、更灵活，整个系统朝着可实现控制与管理一体化的方向开展，系统操作方便，功能强大。智能立体停车系统设计的总体目标是高效、低耗、平安、可靠、自动化、智能化。对在未来一定范围内的停车场可以相互联系在一起，建立总的车位查询情况，便