智能化立体车库的设计与研究毕业设计(编辑修改稿)

智能化立体车库的设计与研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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；若准备将车存于底层，同样不需要移动其它层的载车盘，直接将车驶入即可。 但若车辆存于中间层或顶层，在 存 取车时，则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则。 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安全性能和工作性能，影响到系统智能化程度的高低。 所以在进行设计时，要求一定要考虑到控制系统安全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拟的优势， 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。 输 入 电 路可 编 程 序 存 储 器 P L C输 出 电 路用 户 程 序 存储 器用 户 程 序 存储 器用 户 程 序 存储 器驱 动 电 路 显 示 电 路 报 警 电 路 图 智能立体车库系统逻辑框图 宁夏理工学院毕业设计 9 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 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，最大控制点数可达到 256点。 升降横移智能立体车库系 统逻辑框图如图。 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 ： 指示灯及其各种安全设施等。 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。 电气控制系统的框架 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。 键 盘 鼠 标操 作 器打 印 机上 位 工 控 机收 款 机P L C P L C P L C变 频 器电 机限 位 开 关控 制 面 板 按 钮接 触 器执 行 电 磁 铁继 电 器显 示 器 指 示 灯安 全 装 置P R O F I B U S D P 图 升降横移式智能立体车库整体结构 宁夏理工学院毕业设计 10 升降横移式智能立体车库整 体结构如图。 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、安全挂钩等相关信号，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馈到执行机构如电磁铁、继电器、安全装置、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。 宁夏理工学院毕业设计 11 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基础设备；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，提供给控制器件进行处理。 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。 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 S7200 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。 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 RS485 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 CPU226实物图 ， 输入 /输出扩展模块 EM223有 6种类型，包括 24V DC4入 /4出 ,24V DC4宁夏理工学院毕业设计 12 入 /继电器 4 出 , 24V DC8 入 /8 出 ,24V DC8 入 /继电器 8 出 , 24V DC16 入 /16 出 ,24V DC16 入/继电器 16 出。 6 种类型均有隔离，本设计采用的是 24V DC16 入 /继电器 16 出。 图 EM223数字量混合模块 所示， EM277 模块 是 PROFIBUSDP 从站模块，该模块可以作为PROFIBUSDP 从站和 MPI 从站，其通信特性为：一个通信口，接口类型为 RS485，协议为 PROFIBUSDP 从站和 MPI 从站。 图 EM277模块 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（ Industrial Personal Computer）。 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。 工控机由计算机基本系统和过程 I/O 系统组成，计算机基本系统由系统总线、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 系统由宁夏理工学院毕业设计 13 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 MAC150 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，以保证系统安全、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 ） ： 型号IPC610MB， CPU 为 IntelPIV ， 1G内存 ， 160G 硬盘 ，配以三星 17 寸液晶显示器，鼠标，键盘等。 图 IPC610MB 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则是 ： 底宁夏理工学院毕业设计 14 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 ，满载转速为 1390r/min，升降控制电机额定功率为 ，满载转速为 1470r/min。 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发展。 变频器技术的发展趋势经历大 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发展，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部分。 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 ） ，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 MM440变频器 宁夏理工学院毕业设计 15 安全措施与可靠性 智能立体车库在运行中要保障人员、设备的安全，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，达到保护人员、设备安全的目的。 系统通过精确定位 来提高人员在存取车过程中的安全可靠性，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 ； 安全挂钩不在开启位置，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。 宁夏理工学院毕业设计 16 4 立体车库的软件设计 程序软件的设计 PLC 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]。 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，则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。 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。