毕业设计（论文）立体车库的PLC控制系统设计.doc

立体车库的PLC控制系统设计摘要 随着汽车工业的高速发展和人们消费水平的提高，汽车成为了日常生活中必不可少的部分。由于存在规划不合理与汽车数量爆炸式增长等原因，停车难已经成为广大车主所面临的首要问题。目前在城市中，土地资源显得尤为稀缺，传统的平面式停车场占地面积大，成本高，可停放车辆数量较少。立体车库一定程度上缓解了目前停车难的状况，现有的立体车库种类繁多，功能各不相同。 本文通过研究分析多种立体车库的优缺点，结合当前市场对立体车库的需求，选用堆垛式立体车库为研究对象。首先介绍了立体车库的控制系统，分为现场控制层和管理控制层。阐述了立体车库中的步进电机、步进电机驱动器、传感器以及控制核心PLC等主要部件的运行原理及功能，并绘制了PLC控制电路图。 本新型智能立体车库系统使用西门子S7-200 PLC 控制，根据立体车库实际运行要求，编写相应的软件程序。通过 MCGS 组态软件实时控制和管理两个立体车库，采集并存储立体车库的运行记录。经过实验测试，本系统安全性高，控制灵活，达到了预期目的。关键字：堆垛式立体车库，PLC，组态控制 Stereo garage PLC control system designAbstract With the rapid development of automobile industry and the improvement of people's consumption level,the car has become an essential part of everyday life. Due to existence of planning is not reasonable and the number of cars explosive growth,parking has become the most important issue facing the majority of owners. Currently in the city, land resource is very scarce, the traditional plane type parking lot covers an area of large, high cost, can park the vehicle number. Stereo garage to some extent alleviate the current parking, garage species existing kinds, different functions. This paper analyzes the advantages and disadvantages of various stereoscopic garage, combined with current market demand for the garage, selection of stowed stereoscopic garage as the object of study. First introduced the control system of stereo garage, divided into the field control layer and management layer. The operation principle and the function of the stereo garage in the stepper motor, stepper motor driver, sensor and control core of the main components such as PLC, and the PLC control circuit diagram. The new smart parking garage system has Siemens PLC control core, according to the three-dimensional garage actual operating requirements,namely preparation of the corresponding software program. MCGS configuration software via real-time control and management of the two-dimensional garage,collecting and storing the recorded stereo garage.After experimental tests the system safe flexible control to achieve the desired Keywords: Stacking stereo garage, PLC, Configuration control目录引言- 1 -第一章 绪论- 2 -1.1 立体车库概述- 2 -1.2 立体车库发展现状- 3 -1.3 主要研究内容- 4 -第二章 设计方案的比较与选择- 5 -2.1 立体车库的分类及比较- 5 -2.2 巷道堆垛式立体车库- 8 -第三章 立体车库控制系统设计- 10 -3.1 立体车库的控制要求- 10 -3.2 智能立体车库的总体设计- 10 -3.3 智能立体车库硬件设计- 11 -3.3.1 步进电机选择- 11 -3.3.2 步进电机驱动系统- 13 -3.3.3 传感器型号选择- 14 -3.3.4 直流电动机选型- 14 -3.4 S7-200 PLC 简介- 15 -3.5 硬件连接图- 17 -第四章 智能立体车库软件设计- 18 -4.1 软件设计概述- 18 -4.2 I/O地址分配表及符号表- 20 -4.2.1 I/O地址分配表- 20 -4.2.2 符号表- 20 -4.3 立体车库程序设计- 21 -4.3.1 系统初始化- 21 -4.3.2 限位程序- 22 -4.3.3 键盘装置及显示程序- 22 -4.3.4 车位坐标定位- 24 -4.3.5 绝对坐标程序- 24 -4.3.6 系统主程序- 25 -第五章 组态控制及通信- 26 -5.1 组态控制简介- 26 -5.2 组态设计- 26 -5.2.1 建立新工程- 27 -5.2.2 实时数据库- 27 -5.2.3 运行策略- 28 -5.3 PLC 与上位机通信- 29 -第六章 总结与展望- 30 -致谢- 31 -参考文献- 32 -附录A 系统主程序- 33 -附录B 外文文献及译文- 41 -插图清单图2-1 升降横移类立体车库图2-2 垂直循环类立体车库图2-3 水平循环类立体车库图2-4 多层循环类立体车库图2-5 平面移动类立体车库图2-6 巷道堆垛类立体车库图2-7 垂直升降类立体车库图2-8 巷道堆垛式立体车库图3-1 车路总体设计图3-2 管理控制系统图3-3 现场控制系统图3-4 步进电机性能参数图图3-5 步进电机驱动器图3-6 单轴速度控制图3-7 直流无刷电机图3-8 西门子S7-200 PLC图3-9 硬件连接图图4-1 系统框架图图4-2 立体车库流程示意图图4-3 车位示意图图5-1 组态软件整体结构图图5-2 用户窗口图图5-3 PLC与上位机通信插表清单表2-1 立体车库类别及代码表2-2 新型车库与传统车库比较表4-1 西门子车库 I/O 分配表表4-2 系统符号表表5-1 参数分析引言近年来随着社会经济的快速发展，机动车数量快速增长，停车位的严重短缺问题和越来越多。随着房地产行业的蓬勃发展，城市用地开始出现“寸土寸金”的症状，建造大量的传统形式地上停车场，在土地资源十分紧张的城市，显然是不切实际的。解决的这个问题的有效办法就是实现在有限的土地上尽可能多的停放车辆，就是将停车场向空间拓展或者向地下延伸，建造立体车库切实可行。相对于传统的停车设施，智能化立体车库具有不可代替、得天独厚的优势。随着整个立体车库行业的不断发展，新型智能立体车库必将代替旧的停车形式，整个停车行业也向舒适、环保、节约土地资源、节约能源和人性化的方向发展。立体停车可最大限度地利用空间，相同占地面积，立体车库比传统平面停车库多容纳23倍的车辆，有些甚至高68倍。立体停车设施的优越性主要表现在：品种多，适应性强，可利用狭小空间建设一定量的停车泊位，用地省、效率高；技术先进，性能可靠，噪音和震动较小，对环境影响小；拆卸方便，对土地改造过程中临时停车点建设和更新非常有利。立体停车库起源于20世纪的美国，目的是为了解决大城市内停车难的问题。现在，土地资源紧张是各大城市的现状，在亚洲各国问题尤其突出，因此，立体车库的应用在亚洲各国比较广泛，有数据表明，立体车库在日本、韩国、中国等地应用很多。国外发展立体车库较早的有日本、韩国、德国等国家，在停车技术领域的研究处于世界领先水平，韩国和我国的港、澳、台地区的停车业也通过引进移植制造得到了蓬勃发展，较好地解决了本地区的停车难的问题，并开始向外输出技术和出产品。我国国内关于立体车库的研究开始于20世纪80年代末，距今已有二十年余的发展历程。近年来，近几年停车行业依靠技术改造、科技创新等，行业进步成效明显提高。通过采用焊接机器人、自动化电泳、边梁数控弯成型生产线等先进的新技术、新设备、新工艺对传统的生产过程进行改造，提升了行业的产能规模，提高了产品质量，降低了生产成本。在我国立体车库是一个集机电一体化、仓储物流、车辆诱导、物业管理等涉及多学科多领域的新兴产业。它是为了解决汽车快速增长带来的'停车难"而出现的。随着中国经济和购买力的日益壮大，立体车库的发展逐渐呈现大型化、智能化、家庭化的发展趋势。 本课题对于当前智能立体车库进行研究分析，针对我国立体车库自动化水平相对落后的情况，设计了基于PLC的智能立体车库控制系统。主要研究内容如下： （1）简述智能立体车库研究背景，国内外发展现状。 （2）立体车库结构的选择。 （3）控制系统设计。 （4）分析现代控制理论在车库调度中的应用。实验结果的仿真分析。 （5）结合智能立体车库的控制要求，编写相关程序。 （6）对车库的实际运行状况进行运行监控。第一章 绪论1.1 立体车库概述21世纪以来，全球经济高速发展，汽车工业不断进步，人民生活水平不断提高，汽车开始向普通家庭普及。在2004年至2014年10年间，私人汽车保有量快速增长，私人汽车从2400多万辆一直增长到1.37亿辆，近十年汽车年均增加1100多万辆，是2003年汽车数量的5.7倍，占全部机动车比率达到54.9%，较十年以前增加了29.9%。宏观角度上看，2014年我国汽车数量和驾驶人仍在快速增长，至2014年底，全国机动车数量突破2.5亿辆。根据中国社科院发布的中国汽车社会发展报告20122014，国内私家车拥数量已经过亿，每百户居民汽车数量已经达到60辆。但是随着私人汽车的不断增加，停车难的问题也就随之而来。在全国各大中小城市中，31个城市的汽车数量已经超过100万辆，其中北京、天津、成都、深圳、上海、广州、苏州、杭州这8个城市汽车已经超过200万辆，北京的汽车数量甚至已经达到500万辆。在私家车的普及给人们带来便利的同时，也产生了越来越多的交通拥堵和停车难的问题，在人口密集的大城市中停车常常是让人感到万分苦恼。随着交通拥堵日益严重、停车难问题的不断凸显以及越来越多违规停车现象的出现，严重影响了城市交通秩序，停车难甚至成为阻碍城市规划和发展的严重问题。房地产行业的迅猛发展也让城市用地越来越紧张，多数城市都已经出现“寸土寸金”的现象，在这样的现实条件下，在土地资源匮乏的城市之中再去建造以往使用的的地上停车场，明显是不切实际的。解决的这个问题的有效办法就是实现在有限的土地上尽可能多的停放车辆，就是将停车场向空间拓展或者向地下延伸，建造立体车库切实可行。和传统的停车设施相比较，智能化立体车库无与伦比的巨大优势。随着立体车库行业的高速发展和相关技术的不断提升，智能立体车库必然会取代过去的停车设施，停车设施也会向环保、经济、以及人性化的方向发展。立体停车库可最大限度地利用空间，在相同面积的情况下，智能立体车库会比普通的平面停车库多容纳2到3倍的车辆，有些甚至可以高达6到8倍。立体停车设施的优越性主要表现在：品种多，适应性强，可利用狭小空间建设一定量的停车泊位，用地省、效率高；技术先进，性能可靠，噪音和震动较小，对环境影响小；拆卸方便，对土地改造过程中临时停车点建设和更新非常有利。目前国内全部的基本停车位和大部分的公共停车位都是由地产商投资建设的，这部分停车泊位占城市停车泊位供给的90%多，而这类企业主业是地产开发，只把停车场作为规划配套部分来建设。因此，必须要催生新型的专业化的停车场投资运营企业，这些企业才是停车场投资建设的主体。土地资源十分匮乏，土地成本高昂的环境下，立体停车设备无疑可以节约大笔的土地成本。尤其在商业中心、写字楼、医院、银行等人流量、车流量大的公共场所，充分利用垂直空间的立体停车设备显然是缓解停车难的较好方法。随着技术的不断进步，电子智能立体车库必将在未来取得更大的进步，逐渐地向高智能化、人性化的方向发展，实现更大突破。1.2 立体车库发展现状国内汽车产业的迅速发展使城市汽车保有量飞速增长，传统的汽车停车位在数量上、布局上已不能满足和适应现代人们的需要，严重阻碍了城市现代化的发展。智能立体车库结构简单，安装方便，功能全面，定位准确，停车位较多，外观简易大方，智能化程度高，运行稳定，存车取车便捷等一系列的因素，使得立体车库越来越得到人们的认可，具有很大的市场应用前景。智能立体车库具有以下几大优点： （1）节省空间，立体车库的占地面积仅仅为相同停车量的平面停车场所需面积的十分之一到二分之一，空间利用率相对于地面停车场提高了四分之三，在人流量和车流量较大的公共场所，如商业中心区域、办公楼、医院、银行、学校等，都可以发挥很大的作用。 （2）自动化程度高，智能立体停车库采用全自动控制，存车取车更加方便，车主在进入车库后只需刷卡或缴费后，即可享受全自动存车或取车服务，避免了长时间在停车场的找车位及取车时间，安全便捷。（3）性价比高，立体车库占地面积小，大大节省了土地的使用费用，在寸土寸金的现代都市，这点显得尤为重要。立体车库结构简单，工程量小，消防等其他额外投资很少，而且在运行过程中用电量少、能耗低、工作人员少、成本低，这样智能车库车位投资价格是传统车位的五分之一左右，造价很低。（4）设计灵活，立体车库可以单独建造，也可以建造在现有的建筑物内，可设在地上、地下或半地下，形式多变，应用性较广。（5）改善环境，立体车库有效的改善了停车环境，同事减少废气排放和土地占用量，相对可以增加绿化面积，改善人们的生活环境。 立体停车库起源于20世纪的美国，目的是为了解决大城市内停车难的问题。现在，土地资源紧张是各大城市的现状，在亚洲各国问题尤其突出，因此，立体车库的应用在亚洲各国比较广泛，有数据表明，立体车库在日本、韩国、中国等地应用很多。 国外发展立体车库较早的有日本、韩国、德国等国家，在停车技术领域的研究处于世界领先水平，韩国和我国的港、澳、台地区的停车业也通过引进移植制造，得到了蓬勃发展，较好地解决了本地区的停车难的问题，并开始向外输出技术和出口产品。 日本是亚洲最早研究立体车库的国家。从20世纪60年代开始，日本从事机械停车设备的开发、生产、销售和服务，至今已有半个世纪的历史。目前在日本从事机械式立体车库及其设备开发、制造的公司约有 200 多家，其中较大的公司有新明和、石川岛播磨、日精、三菱重工等。从90年代起日本每年投入运行的机械停车泊位都在10万以上。 韩国机械停车设备技术是日本技术的派生，从20世纪70年代中期开始起步，80年代开始引进日本技术，经过消化生产和本土化，90年代开始为供应使用阶段，2000年后为发展阶段。制造厂约有近百家，已进入我国的有现代集团、LG公司、德山公司(DuksAnEng&M，Co.，Ltd)、真山公司(JinsanPlant，Co.，Ltd)、东洋公司、乐天公司等。由于这几个阶段得到政府的高度重视，各种机械停车设备得到普遍开发和利用，韩国近几年增长速度都在 30% 左右。目前韩国停车设备行业进入稳步发展阶段，自动化停车设备随供应量的扩大技术也得到迅猛发展。 德国和意大利等欧洲国家从事停车设备开发和生产也比较早。较好的公司有：意大利 Sotefin、Interpark、德国 Palis 等。由于欧洲国家土地资源比较充足，停车问题表现不是很突出，停车设备应用不是很多，产品形式多数为巷道堆垛式，多层升降横移式产品应用也很好。德国的停车业很发达，生产停车设备的厂商约有24家，其中KLAUS和OTTO WOHR两家公司的产量约占德国总产量的80%。德国和意大利等欧洲国家的停车库优势在巷道堆垛类产品上。 我国国内关于立体车库的研究开始于20世纪80年代末，距今已有二十年余的发展历程。近年来，国内机械式停车行业发展迅速，多个停车设备公司脱颖而出，国内较大的企业有：杭州西子石川岛、江苏金冠、江苏启良，唐山通宝、上海赐宝等。2013年全国新安装机械式停车泊位505647个，同比增长25.1%，项目总数1812个（不含汽车专用升降机），同比增长11.4%，国内销售总额94.1 亿元，同比增长23.5%。国内新增项目中，住宅小区配套占57.4%，泊位344171个，同比增长35.7%；城市公共配套车库项目占19.8%，泊位88783个，同比增长 15.1%；单位自用车库项目占22.8%，泊位72693个，同比增长3.8%。2013年出口项目较2012年略有减少，但出口泊位和出口额分别增长2.9%和23.3%，达到23637个泊位、6.95亿元，出口27个国家和地区，主要是美、欧和亚洲国家。 近年来，国内停车设备市场发展平稳，形成了以住宅小区车库配套为主体的格局，新建的住宅小区选用机械停车库的比率较高。2014年一线、二线城市机械式停车设备需求大，增长很快。其中二线城市尤其是省会城市新增量很高，例如西安、合肥、太原、南京、郑州等省会城市，新增机械式停车泊位过万，西安新增泊位甚至超过4万个。 近几年停车行业依靠技术改造、科技创新等，行业进步成效明显提高。通过采用焊接机器人、自动化电泳、边梁数控弯成型生产线等先进的新技术、新设备、新工艺对传统的生产过程进行改造，提升了行业的产能规模，提高了产品质量，降低了生产成本。同时据不完全统计，2013年15家生产企业申请了157项停车设备相关的实用新型专利，有10家企业申请了66项发明专利，国内停车设备行业技术创新和专利保护的意识在不断增强。 但是立体停车行业主要存在以下几方面的问题： （1）立体车库的推广角度不够准，设备选型存在比较严重的问题。 （2）立体车库取车时间长：一般只有一个出入口，所以存取车时间较长，高峰取车时间依次取车时间过长，依次取车第20辆约需30分钟以上。 （3）停车位宽度太小，进入车库需要很高的驾驶技术。 （4）立体停车场项目投资大、回收期长，前期很难靠自身发展壮大。 （5）立体车库的技术要求高、维修、保养成本高。 1.3 主要研究内容 本课题对于当前智能立体车库进行研究分析，针对我国立体车库自动化水平相对落后的情况，设计了基于 PLC 的智能立体车库控制系统。主要研究内容如下： （1）简述智能立体车库研究背景，国内外发展现状。 （2） 介绍智能立体车库及其优点，分析现有的智能立体车库的分类及特点，并选用合适的立体车库结构作为研究对象。 （3）根据智能立体车库的工作原理，明确智能立体车库的控制要求，选用适合的控制系统硬件组成，如步进电机、传感器、步进电机驱动器、直流电机、PLC 等。 （4）结合智能立体车库的控制要求，编写相关程序。按照智能立体车库的运行流程分析车库整体运行流程，对 PLC 进行编程。 （5）对车库的实际运行状况进行运行监控，设计对应的组态程序。根据 PLC与上位机的通信协议，配置相关协议参数，完成组态控制。第二章 设计方案的比较与选择2.1 立体车库的分类及比较 立体车库是停放车辆的机械设备系统，广泛用于日常生活中。按照JB/T8713-1998的机械行业标准来划分，立体车库可以分为八大类。其类别名称及类别代码如表 2-1所示。 表2-1立体车库类别及代码类别升降横移垂直循环水平循环多层循环平面移动巷道堆垛垂直升降简易升降代码SHCXSXDXPYXDCSJS升降横移类立体车库。该立体车库一般采用以载车板升降或横移来存取车辆的停车设备，通常为准无人方式，即人离开车以后，设备自动运行，将车辆停放。优点是存取车速度较快，操作简单，成本低，能耗低。如图2-1所示。图2-1升降横移类立体车库垂直循环类立体车库。该立体车库一般是指搬运器在垂直作业面内做循环动作的停车设备，由搬运器、驱动系统、控制系统、金属结构框架、安全和检测系统组成。小型循环设备多安装在建筑物外，大型循环设备通常与主体建筑连接。垂直循环类立体车库优点是占地面积小，操作简单，稳定性高，易于管理，但能耗较高。如图2-2示。 图2-2垂直循环类立体车库 水平循环类立体车库。该立体车库一般采用一个水平循环运动的存取车辆的机械停车设备，主要构成部分有：钢结构、载车板、控制系统、循环驱动系统、消防系统及安全设施等。优点是灵活设置，可以省去传统停车场的进出车道，提高土地利用率，减少尾气排放，但取其中某一辆车时需要整体移动，能耗大。如图2-3所示。图2-3水平循环类立体车库 多层循环类立体车库可分为中间乘入式、端部乘入式和直接乘入式三种。该立体车库通过载车板作水平上下循环运动，以实现车辆多层存放的机械停车设备。主要由升降系统，水平循环系统，控制系统等组成。优点是节省占地面积，自动化程度高，容量大，但存取车时需要车辆整体移动，能耗大。如图2-4所示。 图2-4多层循环类立体车库平面移动类立体车库。该立体车库采用搬用小车移动车辆，或使用载车板实现车辆的横移操作。单层的平面移动类停车设备可以减少车道面积，增加停车密度，提高空间利用率。多层平面移动类停车设备建造地点灵活，设施安全可靠、自动化程度高、存取车效率高，使用较为广泛。如图2-5所示。 图2-5平面移动类立体车库 巷道堆垛类立体车库。该立体车库一般采用巷道堆垛机或桥式起重机将放置在载车板上的车辆水平且垂直移动到指定车位，并用相同设备取车。主要构成部分有：进出口设备、库内搬运设备、车辆存放设备、电力系统、控制系统、安全装置等。其优点是车辆容积率大，智能化程度高，安全性高，但由于要求空间相对独立，无其他设备干扰，建设成本较高。如图2-6所示。 图2-6巷道堆垛类立体车库垂直升降类立体车库。该立体车库通过升降系统垂直升降，并通过搬运器实现横移，然后将车辆停放在井道两侧。主要组成部分有：框架结构、升降系统、搬运器、旋转装置、控制系统、安全和检测系统。优点是可采用混凝土或金属结构，外观大方，占地面积小，容车率高，适宜老城区改造及城市中心地带建造。如图2-7所示。图2-7垂直升降类立体车库简易升降类立体车库。该立体车库一般指在同一层采用升降机械或起重设备来搬运车辆，一般为两层。简易升降立体车库结构简单，操作简单，无特殊要求。不再做说明。2.2 巷道堆垛式立体车库 根据不同的城市地理位置，周边建筑物及场地限制等因素，需要对多种立体车库选型，巷道堆垛式立体车库由其独特的合理性、科学性、低成本等多种优点，使得在解决城市停车问题中表现突出。将巷道堆垛式车库与传统停车库比较，具体分析如下表2-2。 表2-2 新型车库与传统车库比较巷道堆垛类立体车库传统地下停车库特点车主随到随停，缩短车主存车取车时间。车主需要花费很多时间寻找车位。 空间利用率及土建空间利用率高，通常相同车位与相同土地面积，采用新型立体车库可节省一半以上土地面积。 层高只需 2 米。无坡道设计。土建工期大大减少。坡道及通道占据大量的土地面积。 层高 3.3 米以上。 土建费用相对较高。无人化停车实现无人化与全封闭停车。无法实现无人化与全封闭停车。消防安全无人化与全封闭停车，大大降低了诱发火灾的因素。 消防设施要求较低。 通风等消防设施造价高。 车主入库，增加火灾隐患。存取车速度存车时，将车辆停放在指定位置后即可离开；取车时，由堆垛机运送车辆，时间短。存车需要花费大量时间寻找空闲车位，取车时需要步行到停车位，费时很长。安全与环保车辆存取高度自动化，无需车辆运行，减少废气排放。停车场内环境较差，易发生事故，且伴随有噪音与废气的产生。 综合比较各类车库的特点，巷道堆垛类立体车库是一种集机、光、电、自动控制等为一体的全自动立体停车设备，具有空间利用率高、稳定性高、运行平稳、自动化程度高等优点。而且巷道堆垛类立体车库的出现使大量车辆密集停放问题得到一定程度缓解，具有很大的市场应用与发展前景。本文采用巷道堆垛类立体车库作为研究对象，设计了三列四层的巷道堆垛式立体车库。如图2-8所示。图2-8 巷道堆垛式立体车库 第三章 立体车库控制系统设计3.1 立体车库的控制要求 智能立体车库在实际运行过程中要求能够实现快速存取车辆为其核心的目的，在设计智能立体车库时，在保证系统稳定的情况下，要求控制系统简单、可靠，兼顾操作安全与维护方便。我们在设计控制系统时要注意以下几点： （1）存取车自动化。当车主将车辆停入指定地点后，车主离开车辆，车库将车辆自动送到某车位；当车主取车时，通过刷卡或其他指令方式将车主车辆自动送出至立体车库出口位置。 （2）存取车时间。传统的立体车库在存取车高峰时，存取车等待时间过长，给车主造成很大影响，新型立体车库需要在整体控制系统、电机运行系统、传动系统等多方面改进，尽力减少存取车时间。 （3）运行安全性。当车辆进入立体车库以后，在整个车库内的运行都要保证车辆不受损坏，避免由人为或者系统出错而带来的影响，需要从硬件设施和程序设计两个方面加强对系统的保护。 3.2 智能立体车库的总体设计 巷道堆垛式立体车库是一种典型的多学科机电一体化的设备，集电子、通信、机械等技术于一体。控制系统是整个立体车库的核心部分，根据本文所要实现的总体目的，将整个控制系统分为两个层次：管理控制层，现场控制层。控制系统接受来自现场的各种信息，并作出反应，控制车库的每个运行动作，保证车库平稳运行。如图3-1所示。 图3-1车路总体设计管理控制系统主要是通过上位机对完成立体车库的存取车功能，与现场设备进行数据通信，监控立体车库运行现状，记录车库运行的相关数据，打印与查询车库具体运行事件，出现故障时及时报警，并能处理车库故障。如图3-2所示。图3-2管理控制系统 现场控制系统主要是采用以PLC为核心，步进电机、直流电机、传感器、步进电机驱动器等设备共同完成车辆的存取动作。现场控制系统采集立体车库现场数据，反馈到管理控制层，并接受来自上层的控制指令，来控制步进电机的转速以及方向，完成相应命令的动作如图3-3所示。图3-3现场控制系统3.3 智能立体车库硬件设计3.3.1 步进电机选择 步进电机是一种特殊类型的电动机，不需要复杂的反馈回路和相关的伺服系统就可以实现很高的定位精度，常用于定位控制和速度控制中，在医疗器械、航天航空、计量仪器、工业制造等多个领域都得到了广泛的应用。 步进电动机按照构造不同可分为永磁式步进电机（Permanent Magnet）、反应式步进电机（Variable Reluctance）和混合式步进电机（Hybrid Stepping）；其中永磁式步进电机是两相电机，转矩较小；反应式步进电机一般为三相电机，转矩输出较大，但震动和噪声也较大；混合式步进电机融合了反应式和永磁式的特点，应用比较广泛。步进电机的优点有：（1）步进电动机在各种开环控制中得到广泛应用，步进电机接受步进电机驱动器信号，旋转是以步距角逐步运行，故其精度为100，没有积累误差。（2）步进电机的转速正比与脉冲信号的频率，转速调整范围较宽。（3）步进电机不易受到外界电气、负载、环境条件等条件变化而改变，抗干扰能力强，可靠性高。 （4）成本较低，易于使用。步进电机存在以下缺点：效率较低，且需要驱动器；步进电机负载惯性能力较弱，在超过负载时会破坏同步；步进电机存在失步和共振现象，使步进电机的控制方法复杂而且多变。 在本文中，步进电机作为控制系统中的执行电机，完成巷道堆垛机在水平方向、垂直方向的移动。当控制系统将不同的脉冲信号通过步进驱动器加到步进电机上时，电机动作情况不同，通过改变输入脉冲信号的数目、通电相序、频率等，就可以改变步进电机的位移、方向、转速等。通过步进电机特殊的定位功能，保证巷道堆垛机可以准确定位到指定的车位上。根据设计要求，确定采用NEMA09 两相混合式电机，其特点是结构简单、电压低、电流较小、分别率高等，步距角为1.8度。该型步进电机的具体性能如图3-.4所示。 图 3-4 步进电机性能参数图3.3.2 步进电机驱动系统 电机的种类有很多，按照电压种类可分为AC驱动与DC驱动；按照电源频率域旋转速度可分为同步电机与异步电机。步进电机属于DC驱动的同步电机，但无法直接使用DC或AC电源来驱动，所以步进电机在运行的时候需要一个驱动系统。驱动系统的组成部分有：确定电动机转速和旋转角度的脉冲发生器，在本立体车库设计中进行位置控制的脉冲发生器是可编程逻辑控制器；脉冲分配器，其作用是保证电动机绕组电流按规定次序通断；功率放大器，将电源功率转化为系统所需要的电流；直流功率电源等。 步进电机的驱动方法主要有：恒压驱动（单电压驱动和高低压驱动）、恒流斩波驱动（自激式和它激式）以及细分驱动。在本文中，细分驱动做为步进电机的驱动方法。使用细分驱动器降低了步进电机的低频振动，提高了步进电机的输出转矩，定位精度。步进电机接受自控制系统的脉冲信号，按顺序指令切换DC电源的电流，进入步进电机的各相线圈，步进电机的角位移由该脉冲信号转确定，从而控制步进电机动作。 在本文中采用的步进电机驱动器是日本山社步进电机驱动器MD-2522，该驱动器属于细分型驱动器，性能表现优越，具有以下特点：抗干扰性强、噪音小、发热量小、运行平稳等，同时拥有过压保护、欠压保护、相电流过流保护等措施。MD-2522驱动器的信号输入均为光电隔离，拥有两个调整输入口SPEP和DIR，使能端口EN。其中信号输入口含有调整数字滤波器，脉冲信号为下降沿有效.DIR 电平信号控制电机运转方向，当DIR端口信号为低电平时，电机顺时针运转；DIR 端口信号为高电平时，电机反方向运转。EN 端控制驱动器的功率部分，EN 端口信号光耦不导通时（低电平），驱动器正常工作，电机正常运转；EN 端口信号为光耦导通时（高电平），驱动器锁定，电机停止运转； EN 端还具有重启驱动器功能。进电机驱动器如图 3.5 所示。 图3-5 步进电机驱动器当处于自动运行状态时，堆垛机需要运动至某同轴的位置时，传统的控制方式是脉冲发生器以一定的脉冲数发出，则堆垛机以一定的速度运行至某一位置。本程序中采用PT0/PWM手段，即堆垛机在不同位置处，采用不同的运行速度。以图3-6运行方式为例说明。当车库运行后，堆垛机从初始位置以 500Hz 速度移动 5cm，接着以 1000Hz 速度移动 5cm，然后以 1500Hz 速度移动 5cm，最后以 500Hz 速度移动 5cm 到达目标位置。之后，堆垛机回到初始位置。 采用步进指令完成上述动作，首先初始化脉冲发生器 PT00，脉冲发生器的单脉冲输出依靠控制字节 SMB67 传送 16#8D 来实现，扫描时间为 1 毫秒，脉冲总数 SMD72置零，改变 PT0/PWM 周期值 SMW68，并且考虑行进的时序性。按照步进指令，分别将控制字送入脉冲发生器中，确定每个步进指令中脉冲发生器的持续时间、脉冲个数、脉冲频率。 图3-6 单轴速度控制3.3.3 传感器型号选择 传感器常用于从被测物体获得有效信息，其能将光、力、磁、热、气体等物理学、光学、等待测量转换成与之相应的电量或其他信号。传感器按照工作原理可分为：电阻式、电容式、电感式等，按输入物理量可分为：位移传感器、压力传感器、温度传感器等。在本文中使用的是光电式传感器，为OMRON传感器中的EE-SPW311和EE-SPW411长距离对射光微型光电传感器。本文中采用的对射式传感器是NPN 输出型,是EE-SPW311/411的两款传感器，输出配置分别是遮光时ON、入光时ON。在本立体车库控制系统中，限位控制由8个对射式传感器完成，其中6个对射式光电传感器作为 X、Y、Z 轴的限位控制，表现为入光时输出晶体管ON；2只对射式光电传感器做为堆垛机在 X 轴和Y轴的定位检测，表现为遮光时输出晶体管ON，若堆垛机未到达准确位置，Z轴电机将停止运行，保证当系统出错时不会损坏相关设备。3.3.4 直流电动机选型 直流无刷电动机属于同步电机中的一种，由于该电动机的机械结构中没有换向器和电刷，直接使用磁极位置传感器，与机械结构没有直接接触，故其具有综合效率高、使用寿命长、转速精度高、成本低等特点。直流无刷电动机主要由定子、转子、霍尔传感器、电子开关线路等构成，其主体结构类似于永磁同步电机。无刷直流电机将电枢安装在定子上，同时将转子制造为永磁体，区别于普通直流电机电枢在转子上安装，通过换向器和定子产生的固定磁场，从而产生恒定的电流。同时无刷直流电机在运行时，不断的在定子电枢各相绕组中换相通电，保证其能正常工作。 伸叉机在Z轴方向的运动由直流电动机控制的，例如在停车时，堆垛机移动至立体车库入口，直流电动机控制伸叉装置延伸至车辆下方，然后伸叉装置上升，当其与停车入口分离后，将伸叉装置收回到堆垛机。控制系统通过发出不同的脉冲信号，控制直流电机，从而使伸叉机能后前后伸缩，完成车辆的停放及取出任务。在本文中使用的是日本信浓公司的DR-24312直流无刷电动机，该型号电动机具有反应速度快、高效率、体积小、节能高等特点，具体参数信息如图3-7 所示。 图3-7 直流无刷电机3.4 S7-200 PLC 简介可编程逻辑控制器于1969年在美国问世，世界上第一台可编程逻辑控制器是由美国数据设备公