全自動立體停車庫控制系統(tǒng)設計,全自動,立體,車庫,控制系統(tǒng),設計 元件 型號 個數(shù) 廠家 S7-200 CPU226 ( 6ES 7216--2AD23--0XB0) 1 西門子 DC24V電源 PS207 （ 6EP1 332-1LA10） 1 西門子 MM440變頻器 6SE6440-2UD33-0EB1 1 西門子 PC 略 1 制動電阻 6SE6400-4BR24-0FA0 2 西門子(國產(chǎn)) 隔離變壓器 ABL6TS16U 1 施耐德 電抗器 6SE6400-3CR08-3ED0 1 西門子(國產(chǎn)) 設備清單 配件清單 元件 型號 個數(shù) 廠家 槽型光電開關 E3Z-GN11B 4 OMRON 擴散反射光電開關 E3FA-DN23 1 OMRON 極限開關 HL5000 7 OMRON 急停按鈕 1 超載檢測傳感器 1 三位四通換向閥 2 二位二通換向閥 1 曳引電機接觸器 Tesys 1 施耐德 橫移電機接觸器 Tesys 1 施耐德 舉升電機接觸器 Tesys 1 施耐德 曳引制動器接觸器 Tesys 1 施耐德 蜂鳴器 施耐德 施耐德 斷路器 Tesys 7 施耐德 接觸器 Tesys 8 施耐德 電磁繼電器 Tesys 3 施耐德 熱繼電器 Tesys 2 施耐德 風扇 維修燈 指示燈 電壓表 電流表 旋鈕開關 維修插座 全自動立體停車庫控制系統(tǒng)設計 本科畢業(yè)設計(論文) GRADUATION DESIGN(THESIS) 題目： 全自動立體停車庫控制系統(tǒng)設計 II 全自動立體停車庫控制系統(tǒng)設計 摘要 本文設計了一種垂直升降式立體停車庫，其機械部分主要采用小車作為橫移裝置，用舉升機實現(xiàn)載車板交換，用曳引系統(tǒng)完成垂直升降；車庫共8層，每層2個車位，共14個車位。本文的重點在于立體車庫控制系統(tǒng)的設計。 控制系統(tǒng)采用PLC作控制器，利用變頻器進行調速，用各種接近開關作檢測裝置。用功能分析的方法設計了詳細的控制方案、檢測方案，并進行了車庫的安全設計。對低速定位原理進行了數(shù)學分析，得出平方反比規(guī)律。提出變頻器分時驅動兩臺電機的思路。完成對主要元器件的選型，設計了控制系統(tǒng)的主電路，PLC I/O電路和變頻器接線電路。用順序控制的方法設計了PLC控制程序，提出監(jiān)控軟件的界面設計。 設計了控制柜的元件布置圖，完成控制柜的柜體結構設計。 關鍵詞：立體車庫 橫移小車 控制系統(tǒng) PLC 變頻器 控制柜  Design of an automatic stereo garage control system Abstract The thesis designs vertical lifting stereo garage,of which the mechanical part adapts A vehical as the sideslipping equipment,a hydraulic lifter to exchange the car carrying board,a traction system to lif vertically.There are 8 floors in the garage,two parking spots on each floor and 14 parking spots altogether.The thesis emphasize on the control system of stereo garage. The control system adapts PLC as the controller,the frequency converter as the speed regulator, proximity switch as the sensor.With the method of function-analyzing,design specific control and sensing and safety solutions.Analyze the principle of low speed positioning mathmatically and find the inverse-square?law.Propose an idea of time-sharing driving with one convertor.Select main equipments and design the power circuit and the control circuit of PLC and convertor.Design the control program of PLC using the sequential control method and design the control and monitor interface. Design the layout of elements of control cabinet,try the structure design. Key words：stereo garage sideslipping vechical control system PLC frequency converter control cabinet  目錄 第1章 緒論 1 1.1 研究背景及意義 1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展概況 1 1.3 立體車庫的種類 2 1.4 本文研究的內(nèi)容 3 第2章 總體設計及控制系統(tǒng)方案設計 4 2.1 立體車庫總體方案 4 2.1.1 立體車庫類別及基本參數(shù) 4 2.1.2 主功能原理設計 4 2.1.3 立體車庫的技術參數(shù) 7 2.1.4 車庫總體布置圖 7 2.2 控制系統(tǒng)總體方案 8 2.2.1 控制系統(tǒng)功能分析 8 2.2.2 曳引控制方案設計 8 2.2.3 橫移控制方案設計 14 2.2.4 舉升控制方案設計 15 2.2.5 安全設計 17 2.2.6 控制系統(tǒng)總體結構方案 19 第3章 控制系統(tǒng)電器選型及電路設計 21 3.1 主電路設計 21 3.1.1 動力電路 21 3.1.2 直流供電電路 23 3.1.3 輔助電路 23 3.1.4 斷路器設置 23 3.1.5 接地 23 3.2電氣設備選型 24 3.2.1 執(zhí)行電器選型 24 3.2.2 變頻器選型 24 3.2.3 PLC選型 26 3.2.4 變頻器選件選型 27 3.2.5 接近開關選型 27 3.2.6 設備和器件清單 28 3.3 PLC I/O接口電路設計 29 3.4 變頻器電路設計 30 第4章 控制柜設計 32 4.1 控制柜元件布置圖設計 32 4.2 控制柜結構設計 33 4.3 電源指示及控制面板設計 36 第5章 軟件設計 37 5.1 控制軟件流程圖設計 37 5.2 控制軟件程序設計 42 5.2.2自動程序總體設計方法 42 5.2.3自動程序的調用及結構設計思路 42 5.2.4與變頻器的通信 44 5.3 監(jiān)控軟件界面設計 44 第6章 結論 45 結束語 46 參考文獻 47 附錄 48 全自動立體車庫控制軟件程序 48 V 第1章 緒論 1.1 研究背景及意義 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活水平逐漸提高，對汽車的需求量也逐漸升高；同時，汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展使得其價格被越來越多的人接受。于是，城市汽車保有量逐年增加，且勢頭越來越猛。然而，汽車保有量的提高在方便人們出行，提高生活質量的同時，也帶來了一系列問題。除了造成交通擁堵外，停車難問題也越來越嚴重。目前我國各主要城市在停車設施的建設上遠遠落后于道路建設和汽車工業(yè)的發(fā)展，然而城市用地本身就比較緊張，通過建造大量傳統(tǒng)的平面車庫來緩解停車難問題是不現(xiàn)實的。因此，在停車難問題與越來越突出，土地面積有限的情況下，立體式車庫開始得到人們的重視。 與傳統(tǒng)的平面停車庫相比，立體車庫具有以下優(yōu)勢： （1）節(jié)約土地資源。 這是立體車庫的最大優(yōu)勢，由于將停車位向上部空間發(fā)展，故在停車面積相同的情況下，立體車庫的占地面積將大大減少，提高了土地利用率，特別適合土地資源緊缺的城市區(qū)域。 （2）方便和高效 由于立體車庫往往只有少數(shù)入口，故省去了找車位的麻煩。同時由于立體車庫存取車由機械設備完成，司機的停車任務變得簡單方便。 （3）安全 立體車庫停車區(qū)域集中，因此方便集中統(tǒng)一管理，且大部分時間車庫封閉，車輛被盜或損壞的風險大大降低。 （4）投資效益明顯 由于提高了土地利用率，車庫的土地成本大大減少，同時車庫管理方便，自動化程度高，人工費用也大大減少，其綜合效益高于平面車庫，在城市中心區(qū)域尤其如此。 （5）改善市容環(huán)境。 1.2國內(nèi)外發(fā)展概況 上世紀50年代，機械式立體車庫在歐洲一些發(fā)達國家，如德國、意大利取得較大發(fā)展，但由于歐洲人口較少，土地資源并不十分緊缺，停車問題并不突出，故應用并不廣泛[1]。 60年代，日本開始研究立體車庫。由于日本人口較大，且國土面積較小，故應用非常廣泛，同時研究立體車庫的企業(yè)較多，產(chǎn)品種類也比較豐富。 70年代，韓國開始研究立體車庫，其技術主要源于日本，現(xiàn)已發(fā)展較成熟。 我國臺灣由于土地面積較小，停車問題也較突出，于70年代從日本引進技術，80年代開始自主開發(fā)，現(xiàn)在技術也比較成熟，應用較廣。 我國城市停車行業(yè)從80年代末起,經(jīng)過十幾年的發(fā)展,現(xiàn)在形成了一定的規(guī)模,但是還處于初始發(fā)展階段,車庫建設尚在起步階段,在一些大城市中機械化車庫仍然是空白[2]。 從總體來說，我國立體車庫發(fā)展還處于初級階段，面臨著一系列的問題和挑戰(zhàn)： （1）機械設備故障率較高 （2）存取車效率較低，停車等待時間較長 （3）車庫的安全性有待提高，包括車輛、人員和設備 （4）車庫的自動化程度不夠高，需要較多人為確認和操作 （5）車庫種類較少，層數(shù)較低 1.3立體車庫的種類 立體停車庫按其自動化程度可分為自行式立體停車庫、半自動立體停車庫和全自動立體停車庫。根據(jù)立體停車停車方式的不同又可分：簡易升降式、升降橫移式、垂直升降式、垂直循環(huán)式、平面移動式、巷道堆垛式等[1]。 （1）簡易升降式 簡易升降機械式借助升降機構或俯仰機構存取汽車。其特點是停車設備的結構簡單、操作方便，適用于私人住宅、小區(qū)、企事業(yè)單位等；可以增加二倍以上的停車位。但是車庫的受力狀況較差，限制了車庫向高層發(fā)展，只適和小規(guī)模應用。 （2）升降橫移式 采用模塊化與集成化的設計，配置靈活，規(guī)?？呻S意設置，建設方便，成本低廉，同時消防，外裝修，基建等投資比其他類設備少，適用于各種場合。這種設備目前占到了市場份額的 70%以上。 缺點：每組設備必須留空車位實現(xiàn)車輛的移動，設備的安全性還有待提高。 （3）垂直升降式 通過裝在升降機上的橫移機構將車輛或載車板橫移，實現(xiàn)存取車輛的機械式停車設備。這種車庫往往可以修建多達 20～25 層，停放 40～50 輛車，而占地卻只有幾輛車大小的面積，土地利用率最高。廣泛應用于在城市的中心區(qū)域及人口車輛密集區(qū)域。這種停車設備造價高昂，結構復雜，存取車耗時較長。 1.4本文研究的內(nèi)容 本課題設計了一種垂直升降式立體車庫，其機械部分主要特點為采用小車作為橫移裝置，用舉升機實現(xiàn)載車板交換，克服了叉架結構的一些缺點；用類似電梯的曳引系統(tǒng)完成垂直升降。本文的主要研究對象為上述車庫的控制部分，具體如下： 1. 立體車庫總體設計：對立體車庫主功能進行功能分析，功能原理求解，提出立體車庫的主要參數(shù). 2. 控制系統(tǒng)方案設計: 對立體車庫曳引、橫移、舉升、安全功能進行功能分析和方案綜合，提出控制方案，檢測方案的細節(jié)。提出變頻器分時驅動兩臺電機的思路。對低速定位原理進行了數(shù)學分析，得出平方反比規(guī)律。最后提出控制系統(tǒng)總體結構。 3. 控制系統(tǒng)電器選型及電路設計：電氣設備和元件的選型，主電路、PLC的I/O電路，變頻器接線電路設計。 4. 立體車庫控制系統(tǒng)控制柜設計：控制柜電氣元件布置圖設計，控制柜結構設計 5. 立體車庫控制系統(tǒng)軟件設計：控制軟件流程圖設計，控制軟件程序設計，監(jiān)控軟件界面設計。  第2章 總體設計及控制系統(tǒng)方案設計 2.1立體車庫總體方案 2.1.1 立體車庫類別及基本參數(shù) 本文設計車庫為垂直升降式立體車庫，具體為縱向 并列車位型電梯式立體車庫，如圖。 本文設計車庫基本參數(shù)如下： 圖2-1 立體車庫示意圖 （1）適停車輛尺寸及質量 表2-1 立體車庫適停車輛尺寸及質量 本文設計立體車庫適用于T組及以下車輛。 組別代號 汽車長×車寬×車高/mm 質量/kg X ≤4400×1750×1450 ≤1300 Z ≤4700×1800×1450 ≤1500 D ≤5000×1850×1550 ≤1700 T ≤5300×1900×1550 ≤2350 C ≤5600×2050×1550 ≤2350 K ≤5000×1850×2050 ≤1850 （2）存容量：14輛 （3）單車最大進出時間：60s 2.1.2 主功能原理設計 立體車庫相對與一般車庫的主要特點是將停車位向豎直空間延伸，從而大大增加土地利用率，因此，其主功能是車輛搬運。對于電梯式立體車庫，其搬運車輛功能可分解為三：垂直升降、水平橫移、載車板交換。 圖2-2 主功能分析圖 （1）垂直升降功能原理設計 由于電梯式立體車庫垂直升降高度較高，故參照一般電梯的成熟技術，采用鋼絲繩曳引方式，車輛置于一轎廂內(nèi)，通過曳引繩連接到曳引機，從而實現(xiàn)垂直升降。 圖2-3 曳引系統(tǒng)示意圖 （2）水平橫移功能原理設計 一般采用多級叉架進行水平橫移，但這種方式有以下缺點： 1.需設計復雜的多級叉架結構； 2.當叉架伸出時，叉架懸空，僅由轎廂支撐，為一懸臂梁結構，為承受車輛載荷，勢必導致叉架結構尺寸較大，同時具有使轎廂側翻的傾向，故需對轎廂進行可靠固定 3.實現(xiàn)兩個方向的橫移較困難。 所以，本文在此提出一種橫移小車方案。即在轎廂內(nèi)設有一橫移小車，車輛停放于橫移小車之上，小車在轎廂和車位的導軌上運動，實現(xiàn)車輛的水平橫移。 圖2-4 橫移小車示意圖 相對于叉架式，橫移小車具有結構簡單，受力狀態(tài)良好，易實現(xiàn)兩方向橫移的優(yōu)點。 （3）載車板交換功能原理設計 車庫停車時，車輛先是停在轎廂中，而最終車輛需要停放到車位上，載車板就是為了實現(xiàn)車輛停放位置在轎廂與車位之間變換功能的一個構件。本文采用叉梳式載車板結構。車位上的載車板和橫移小車上的載車板為叉梳式結構，且在豎直方向上，前者的梳齒正好與后者的梳齒縫隙重合，后者從高位下降到前者下面的同時，即完成了載車板的交換，車輛停放到了車位上。車庫取車過程與之類似。 載車板交換的關鍵是實現(xiàn)載車板豎直位置的變化。由于本文采用小車橫移，故采用在小車上裝舉升機的方式，完成載車板上下運動，從而實現(xiàn)載車板的交換。 圖2-6 橫移小車上載車板結構 圖2-5 車位載車板結構 其中，載車板交換的原理如2-7所示。 圖2-7 載車板交換原理 2.1.3 立體車庫的技術參數(shù) (1)層高:3m (2)層數(shù):8層 (3)時間分配及速度 曳引往返最大時間：43s 橫移往返最大時間：11s 舉升往返最大時間：6s 曳引額定速度：1m/s 橫移額定速度：0.5m/s 舉升額定速度：0.1m/s （4）定位精度 曳引定位精度：± 10mm 橫移定位精度：±20mm 圖2-8 車庫總體布置圖 舉升定位精度：±10mm 2.1.4 車庫總體布置圖 根據(jù)課題要求，現(xiàn)設計車庫的整體結構，其布置圖如圖2-8  2.2 控制系統(tǒng)總體方案 2.2.1 控制系統(tǒng)功能分析 對立體車庫控制系統(tǒng)進行功能分析如圖所示，本文重點在車輛搬運和安全保障功能上，下面對此做出設計。 圖2-9 立體車庫控制系統(tǒng)總體功能分析圖 而車輛搬運屬于運動系統(tǒng)，其一般功能結構如下圖： 圖2-10 運動系統(tǒng)功能結構圖 2.2.2 曳引控制方案設計 1. 性能要求 （1）平層精度：10mm; 橫移小車順利橫移的前提是轎廂中導軌和車位中導軌基本齊平，如果兩導軌豎直位置相差過大，則橫移過程將會產(chǎn)生較大沖擊，對設備壽命造成影響。故在此提出平層精度要求。 （2） 速度：額定速度1m/s。 （3） 加速度限制：1m/s^2。由于曳引系統(tǒng)是以鋼絲繩和曳引輪之間的摩擦力為動力驅動的，若加速度過大，會發(fā)生打滑，對鋼絲繩產(chǎn)生損害，甚至發(fā)生事故，故對曳引加速度做出限制[2]。 2.功能分析及方案綜合 首先將曳引功能分解為四個功能元，同時列出了其對應的功能載體，如下表2-1所示。 表2-1 曳引功能方案綜合 曳引功能元 功能載體 定位控制 低速定位 位置閉環(huán) 驅動與執(zhí)行 位置閉環(huán) 直流調速 交流變頻調速 變頻調速控制方式 V/f控制 無速度傳感器矢量控制 有速度傳感器矢量控制 檢測裝置 接近開關 旋轉編碼器 （1） 定位控制 由于曳引額定速度較高，Ve=1m/s,且制動加速度a限制在1m/s^2以下，若直接高速制動，定位精度難以保證，顯然是不可取的，必須采用一定的定位控制方式。 首先介紹低速定位方式。如下圖所示，A為減速點，BC段為低速運行段，C為制動點。低速定位的基本思路是在到達定位點之前減速至一較低速度，在接近定位點時制動，由于制動前速度較低，故制動過程迅速，制動距離很小，具有一定精度。理論上其制動前速度越低，其定位精度越高。 圖2-11 低速定位原理示意圖 這種定位方式的優(yōu)點是控制過程簡單，對設備控制性能要求低，特別適合定位點固定，且定位精度要求不太高的場合，故被廣泛使用在電梯和起重機的定位中[4]。 其次是位置閉環(huán)定位控制。這是自動控制系統(tǒng)中常用的定位控制方式，往往具有較高的定位高度，且定位速度較快。但相對于低速定位方式，其對控制設備要求較高，且控制過程復雜，適用于要求較高的場合。 基于以上分析，低速定位方式無疑是一種既能滿足性能要求，且簡單經(jīng)濟的定位方式，故本文采用低速定位方式。 低速定位精度分析： 理論制動距離 （2-1） 實際制動距離 （2-2） 令V的波動率為 ,a的波動率為 制動距離變化量 （2-3） （2-4） （2-5） 由于Ka較小，將近似為a,定位誤差 （2-6） a=1m/s^2時, （2-7） 由此可知，定位誤差以二次方關系隨著速度降低而減小。 取 ，則ds=0.3,V=1m/s,ds=0.3m;V=0.5m/s,ds=75mm; V=0.25m/s,ds=18.75mm; V=0.1m/s,ds=3mm;故當V=0.25m/s時，即調速范圍D=4時，基本可滿足定位精度要求。 （2）驅動與執(zhí)行 a.交流雙速電機。三相異步電機:n0=60f/p交流雙速電機調速原理是通過改變磁極對數(shù)p,從而改變n0實現(xiàn)調速，此種調速方法較簡單經(jīng)濟，但一般調速范圍在4以下，參考一般電梯交流雙速電機驅動，定位誤差在30mm左右[2]，故要實現(xiàn)預期調速要求較困難。同時，交流電機啟動電流較大，對電網(wǎng)形成沖擊，需要相應的啟動電路或裝置。 b.直流調速電機。直流電機調速性能優(yōu)異，調速范圍大，調速裝置簡單，但其換向器結構復雜，可靠性較低，需要定期維護。 c.交流變頻調速。交流變頻調速的基本原理是改變電機電源頻率f, 從而改變n0實現(xiàn)調速。三相籠型電機由于結構簡單，可靠性高，在工業(yè)中應用廣泛，同時變頻調速技術發(fā)展的發(fā)展已比較成熟，故交流變頻調速技術已經(jīng)在工業(yè)應用中逐漸普及，其調速性能可以與直流調速媲美。但變頻器的價格比較高，調速成本不低。 首先為了保證滿足調速要求，放棄交流雙速電機方案?？紤]到系統(tǒng)的可靠性和維護成本，決定采用交流變頻調速方案。 綜合以上分析，選用變頻器為驅動裝置，三相籠型異步電機為執(zhí)行裝置。 （3）變頻調速控制方式 常用的變頻調速控制方式可分為三種，現(xiàn)分別介紹如下： a.V/f 控制。包括基本V/f控制和各種補償控制，其特點是控制算法相對簡單，在基頻以下，一般其調速范圍最大可達10，其缺點是載荷過小時，由于補償算法的缺陷，容易出現(xiàn)過勵磁[4]故不適用于載荷變化較大的場合[5]。同時由于V/f控制基于電機的靜態(tài)模型，故其調速的動態(tài)性能較差。 b.無速度傳感器矢量控制。矢量控制基于電機動態(tài)模型，將交流電機等效為直流電機，得到靜態(tài)，動態(tài)性能均較好的調速效果。無速度傳感器矢量控制利用對電壓電流等的檢測，通過推算的方法得到近似的電機轉速，相比轉速開環(huán)的矢量控制，能在一定程度上提高調速性能，由于省去了測速裝置，故在對調速性能不太高的場合得到廣泛應用，其調速范圍一般可達20. c.有速度傳感器矢量控制。即直接通過測速裝置獲取電機轉速，相對于推算的方式，其精度更高，故性能更好，常用在對調速靜態(tài)動態(tài)性能較高的場合,調速范圍在20以上，是一種高性能的調速方式。 已知曳引系統(tǒng)額定載荷為2.5t,設車輛質量在1.3t~2.5t之間變化，曳引系統(tǒng)中對重平衡的重量是轎廂重量加50%額定載荷，即對重可平衡掉1.25t的車輛質量，因此曳引系統(tǒng)凈載荷變化范圍為0.05t~1.25t,載荷變化很大，可以說出現(xiàn)了空載狀況，故V/f控制難以勝任。由于立體車庫曳引系統(tǒng)對調速性能要求并不太高，故無速度傳感器矢量控制已經(jīng)足夠。 綜合以上分析，本文選用無速度傳感器矢量控制作為變頻調速的控制方式。 （4）檢測裝置 曳引控制主要包括定位控制和選層控制，對應的需要一定的檢測裝置。 a.定位控制檢測。根據(jù)上述對定位控制的介紹，主要需要兩個信號：減速信號和制動信號；為了防止偶然因素引起的定位偏差過大，還可增加一平層檢測，用以檢測轎廂位置是否在預期范圍內(nèi)。不難發(fā)現(xiàn)，以上檢測量均為開關量。 b.選層控制檢測。立體車庫的選層相對于電梯選層較為簡單，其選層控制具體為從一樓到達某樓層，或者從某樓層到達一樓，選層控制的核心是對樓層位置的檢測。由于耬層位置固定，故對樓層位置的檢測亦為開關量檢測。 接近開關是利用電子信號檢測物體接近的開關量傳感器，檢測裝置較為簡單且較為可靠。 旋轉編碼器位置檢測精度較高，可以作為連續(xù)量的檢測。將旋轉編碼器裝在曳引電機上，可以建立立體車庫豎直位置坐標系，形成位置閉環(huán)[11],完全可以勝任上述檢測任務。但其結構較為復雜，且安裝較為麻煩。 綜合以上分析，本文以簡單經(jīng)濟為原則，選用接近開關作為檢測裝置。 3.控制方案細節(jié) 1：加速啟動階段，可通過設置變頻器加速時間來控制加速度； 2：高速運行階段 ，fh可由變頻器設置，在此設為50Hz，對應曳引速度VH=1m/s; 3：減速階段，可通過設置變頻器加速時間來控制減速度； 4：低速運行階段，fl可由變頻器設置，在此設為5Hz, 對應曳引速度VL=0.1m/s; 圖2-12 控制方案細節(jié)圖示 5：制動階段，由變頻其控制制動，為電氣制動，可通過設置變頻器加速時間來控制制動加速度； A：開始啟動，方向可由變頻器直接控制； B：加速完成； C：開始減速，首先由檢測裝置確認已到達目的樓層，再由檢測裝置產(chǎn)生減速信號； D：減速完成； E：開始制動，由檢測裝置產(chǎn)生制動信號； F：制動完成 圖2-13 制動與定位檢測示意圖 需要指出的是，由于本問設計立體車庫曳引系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿減速器，具備自鎖能力，故不存在一般電梯曳引或起重設備中存在的“溜鉤防止”問題[4]，即開始啟動時和制動完成時驅動系統(tǒng)和制動器配合的問題，制動器的主要作用是在緊急狀況下快速制動。所以，只要保證啟動前制動器已松開，制動完成后制動器才合閘即可，因此正常情況下制動器不參與制動，損耗非常小，維護成本較低。 4.檢測方案細節(jié) 由于低速定位時曳引速度VL=0.1m/s，理論制動距離 =5mm,定位誤差ds=3mm，相對于定位精度要求±10mm小很多，故考慮將制動信號與定位檢測信號合二為一，即將制動信號 產(chǎn)生點作為定位檢測的起點。具體如下：如圖所示，當從下往上曳引時，到達A點開始制動，轎廂停止時若位置在A、B范圍內(nèi)，則定位準確，否則定位錯誤；從上往下曳引時與之類似。 其檢測裝置布置示意圖如下圖2-14所示。 圖2-14 曳引檢測裝置布置示意圖 曳引時，先由右側的選層控制擋塊判斷是否到達樓層，再由左側的定位檢測擋塊控制定位。 2.2.3 橫移控制方案設計 1. 性能要求 （1） 定位精度：±20mm （2） 額定速度：0.5m/s （3）加速度限制：1m/s^2 2. 功能分析及方案綜合 橫移亦屬運動系統(tǒng)，其功能元及方案與曳引相似，在此只做必要的分析和區(qū)分。 （1）定位控制 由前文的定位誤差分析得，橫移運動a=1m/s^2，V=0.5m/s,ds=75mm，超過橫移定位精度要求 ，故在此采用和曳引相同的低速定位方式。 （2）驅動與執(zhí)行 橫移的調速完全可以采用交流雙速電機，但考慮到曳引已經(jīng)使用了變頻調速，且曳引和橫移運動不可能同時進行，故在此提出同一臺電機分時驅動曳引和橫移電機的方案。下面對分時驅動的可行性做出簡單分析： 首先變頻器選型的主要依據(jù)是電機最大電流，故只要以曳引和橫移電機電流中較大者為選型依據(jù)即可。其次一些變頻器具有同時存儲多組驅動和控制數(shù)據(jù)組的功能，只要在使用時切換到對應數(shù)據(jù)組即可分別完成控制。因此分時驅動的方案應當是可行的。 圖2-15 變頻器分時驅動示意圖 橫移變頻控制方式可以選擇V/f控制或矢量控制，均可滿足要求，為簡單起見，選擇V/f控制。 （3）檢測裝置 橫移運動主要是從轎廂移動到車位，或從車位移動到轎廂，故主要控制內(nèi)容為定位控制。與曳引類似，在此選擇接近開關為檢測裝置。 （4）控制方案細節(jié) 與曳引類似，不同之處為fh=25Hz,對應橫移速度0.5m/s，fl=5Hz, 對應橫移速度0.1m/s。 （5）檢測方案細節(jié) 與曳引類似，將制動信號與定位檢測信號合二為一。 圖2-16 橫移檢測裝置布置圖 所以，橫移檢測裝置的布置圖如下圖所示。 2.2.4 舉升控制方案設計 （1） 性能要求 1.定位精度：±10mm 2.額定速度：0.1m/s （2）定位控制 由前文的定位誤差分析得，a=1V=0.1m/s,ds=3mm,故只需要正常制動即可達到精度要求。 （3）驅動與執(zhí)行 擬采用液壓舉升裝置，實現(xiàn)舉升運動，結構簡單，且液壓汽車舉升機的技術已比較成熟，可加以參考，減小設計難度。故舉升控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置為液壓閥。下圖為某液壓汽車舉升機原理圖。 圖2-17 某液壓汽車舉升機原理圖 （4）檢測裝置 采用接近開關作為舉升上下位置到位檢測信號。 （5） 控制方案細節(jié) 舉升控制過程如下： 舉升：a.電機通電，泵空載啟動；b.延時3s；c.1YA，2YA，4YA通電。 停止：a.1YA，2YA，4YA斷電；b.3分鐘后電機斷電。 下降控制過程如下： 下降：a.電機通電，泵空載啟動；b.延時3s；c.1YA，3YA，5YA通電。 停止：a.1YA，3YA，5YA斷電；b.3分鐘后電機斷電。 （6）檢測方案細節(jié) 向上運動時，收到接近開關信號，則制動；向下運動亦然。 圖2-18 舉升檢測裝置布置圖 2.2.5 安全設計 （1）功能分析 對安全功能分析如下： 圖2-19 安全功能分析圖 人的安全主要通過庫門和補償板，實現(xiàn)。庫門在車庫機械系統(tǒng)運行時關閉，防止人的進入，從而防止事故；補償板是轎廂在一樓時與載車板互補的構件，兩者互補后在一樓形成完整地面，防止危險發(fā)生。庫門和補償板均涉及機械裝置，故與車和設備的安全一起分析，統(tǒng)稱為運行安全。對運行安全功能分析如下： 圖2-20 運行安全功能分析圖 （2）功能求解 電氣安全方面，主要在電路設計部分考慮，詳見第三章；本文對庫門、補償板和舉升系統(tǒng)只做概念設計，故在此不加求解；機械安全方面，橫移、曳引、舉升的到位聯(lián)鎖保護通過檢測裝置檢測位置和軟件聯(lián)鎖完成，詳見第五章；橫移、曳引、舉升的動作聯(lián)鎖可通過電氣聯(lián)鎖和軟件聯(lián)鎖完成，詳見第三章和第五章。 1.曳引安全 主要參考電梯曳引系統(tǒng)的機械安全進行設計。超速保護和沖頂或撞底保護主要參照電梯設計，屬于機械部分，本文不加討論。在此主要討論超載保護和端站保護。 圖2-21 超載檢測示意圖 a.超載保護可通過安裝在繩頭組合中的接近開關進行檢測，如上圖所示，本文只采用一個稱重傳感開關。 b.端站保護：參照電梯端站保護，主要包括強制減速開關，強制平層開關和極限開關[2]。當正常減速或平層檢測故障時，強制減速、平層開關發(fā)揮作用，起到雙重檢測作用，保證曳引系統(tǒng)正常運行。但上述檢測均失效時，極限開關動作，控制曳引系統(tǒng)停止。其布置如下圖所示。 圖2-22 終端保護裝置布置圖 2. 橫移安全 車位有車保護是防止在車位有車時、將車輛存入同一車位，從而避免事故發(fā)生。 圖2-23 橫移車位有車檢測示意圖 在此設計在轎廂上安裝一光電開關，完成對車位是否有車的檢測，極限保護參考一般設備極限保護，在此不加討論。 2.2.6 控制系統(tǒng)總體結構方案 本文設計立體車庫主要為開關量控制，且對運動控制要求不高，屬于小型系統(tǒng)，故選用西門子S7-200PLC作為控制器；考慮到立體車庫操作需要豐富的人機界面，同時需要一定的管理功能，也為了節(jié)省I/O 點數(shù)，采用PC機作為上位機，負責車庫的管理和控制系統(tǒng)的控制和監(jiān)視[10]。PLC與變頻器采用通信方式連接，簡化硬件電路，同時可完成豐富的控制功能。S7-200 一些CPU模塊具備兩個RS485通信接口，正好可滿足與PC上位機和變頻器的通信。變頻器采用西門子MM440通用變頻器，其功能豐富，具備矢量控制功能，且相對專用變頻器成本較低。 圖2-24 控制系統(tǒng)總體結構圖  第3章 控制系統(tǒng)電器選型及電路設計 3.1主電路設計 3.1.1 動力電路 動力電路主要包括變頻調速系統(tǒng)主電路，曳引電機制動器電路，舉升系統(tǒng)動力電路。 1.變頻調速系統(tǒng)主電路 變頻調速系統(tǒng)的主電路可分為三個部分：電源輸入電路、到電動機的輸出電路、制動電路。 （1）輸入輸出電路主體功能設計 a.保護功能 現(xiàn)代數(shù)字式變頻器本身具備較完善的保護功能。 以電動機溫升模型為依據(jù)的過載保護能夠為電動機提供優(yōu)于常規(guī)熱保護的電子過載保護、這個保護功能同時也部分保護了變頻器自身；逆變器教熱片溫度保護功能為變頻器自身提供了完善的過載保護，因為變頻器自身過載總是要反映在逆變器件的溫度升高上；輸出電壓和相序都受控于變頻器．電源缺相只影響直流部分，電動機并不缺相工作，因此不需要一般意義上針對電動機的過電壓、欠電壓、缺相和逆相序保護，針對直流母線電壓的過電壓和欠電壓保護保證逆變器處于正常的工作條件；瞬間電流超限保護主要是針對逆變器件的，但同時也就為輸出線路和電動機提供了短路保護[4]。 故外部電路上的保護主要為后備短路保護，本文采用空氣斷路器作為后備短路保護元件，防止變頻器內(nèi)部短路保護失效時事故擴大?？紤]到變頻器的過載能力一般為150%，1min,為了防止誤動作斷路器額定電流為變頻器額定電流。 b.電源控制和切換功能設計 采用接觸器作為電源控制器件。 由于采用分時驅動方式，故需考慮變頻器輸出切換功能。在此采用接觸器完成切換功能，考慮到電機運行時接觸器切斷電流會產(chǎn)生過電壓，對逆變器件造成損害，故不允許在電機運行時切斷接觸器。同時為了防止兩接觸器同時接通，兩臺電機同時運轉而造成事故，需設計電氣互鎖，詳見本章3.3節(jié)。 輸入接觸器選型可按照AC3負載選型；輸出接觸器負載為AC3類別，但由于不承擔切除負載電流功能，只需考慮電流通過能力，故可按AC1負載選取[4]。 （2）主電路抗干擾設計 參考一般工程應用的變頻調速系統(tǒng)主電路抗干擾設計，在此采用輸入電抗器抑制變頻器輸入側諧波干擾，提高功率因素。 （3）制動電路設計 表3-1 變頻電氣制動性能特點圖 變頻電氣制動電路主要有三種形式：能耗制動、直流制動、回饋制動[5]。其性能和特點如下圖所示： 電氣制動種類 制動方式 功率/kw 用途 能耗制動 消耗在制動電阻上 50 一般要求的制動設備，制動轉矩不平衡有沖擊，有低速爬行可能 直流制動 動能變電能產(chǎn)生制動轉矩 50~100 要求平穩(wěn)無沖擊，停車準確 回饋制動 動能變電能回饋電網(wǎng) >100 高低速交叉，正反轉交替 由于本文曳引系統(tǒng)采用低速平層的方式，故對制動轉矩要求不高，且系統(tǒng)功率相對較小，故采用能耗制動方式。 圖3-1 變頻器負載分析圖 能耗制動利用電阻將電機回饋的能量消耗掉。能耗制動電路主要涉及制動電阻阻值、功率，制動單元功率、控制方式。對于功率不太大的變頻器，制動單元集成在變頻器內(nèi)部，故不需考慮制動單元功率、控制方式。 制動電阻阻值限制了最大制動力矩，主要與變頻器額定電流和直流回路最大電壓有關，一般可按變頻器廠家推薦的選擇。 制動電阻功率決定其消耗回饋能量的能力。負載分析：曳引系統(tǒng)為位能負載， 當向下曳引時，重力勢能全部回饋給變頻器，功率較大；橫移系統(tǒng)為反抗性負載，功率較小，且只在制動時有能量回饋給變頻器，與曳引相比可忽略不計。 變頻器負載周期分析如圖: 制動電阻功率 P=（25*21.5/60）kw=8.96kw （3-1） 另外，設置在制動回路上設置熱敏開關，當制動電阻過載時，熱敏開關動作，由PLC控制切斷變頻器電源，詳見本章3.3節(jié)。 2.曳引電機制動器電路 由于本文設計立體車庫采用成套曳引機，其自帶電機制動器驅動電路，故控制部分只需設計其電源開關即可，在此采用接觸器控制其電路通斷。 3.舉升系統(tǒng)主電路 主要分為電機和閥兩部分。電機電路比較常規(guī)，不再贅述；液壓閥部分，由于YA2、YA4同時通斷、YA3與YA5同時通斷，故分別用同一個繼電器的不同觸點控制。 3.1.2 直流供電電路 直流供電電路主要為PLC為核心的控制電路供電。 由于交流電網(wǎng)中存在著大量的諧波、雷擊浪涌、高頻干擾等噪聲[6]，由于電網(wǎng)電壓瞬間變化較難監(jiān)測,這些干擾在同一供電回路傳播是十分難于克服的。為提高整個系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力, 需采取一定的干擾抑制措施,PLC控制系統(tǒng)供電系統(tǒng)一般采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、UPS電源、開關電源等[7]。在此采用隔離變壓器作為直流電路電源的干擾抑制設備。 采用24V直流穩(wěn)壓電源作為電源。 3.1.3 輔助電路 輔助電路主要包括電源指示和控制電路，維修輔助設備和散熱風扇等。 將主電路按電壓分為三部分：380V、220V、24V，對應采用三套電源指示和控制電路，用旋鈕開關和接觸器實現(xiàn)電源開關。380V電源為總電源，故在其對應電源開關處設置急停開關，用以在緊急情況下切斷系統(tǒng)電源。 3.1.4 斷路器設置 考慮到電路各部分的額定電壓電流差別較大，同時也為了防止發(fā)生短路時故障擴大，減小損失，故考慮在多個回路中設置斷路器。 3.1.5 接地 各主要設備的外殼均需可靠接地，防止人為操作時發(fā)生觸電事故。 3.2電氣設備選型 3.2.1 執(zhí)行電器選型 執(zhí)行電器選擇主要屬于機械系統(tǒng)設計，在此直接列出參數(shù)。 曳引電機：三相籠型異步交流電機，額定功率P=25kw,額定轉速n=1470r/min,額定電流=48A,極數(shù)p=4，額定電壓Ued=380V。 橫移電機：三相籠型異步交流齒輪減速電機，額定功率P=4kw, 額定電壓Ued=380V，額定輸出轉速n=36r/min。 曳引電機制動器：直流，額定電壓110V，額定電流1.2A。采用常閉式，即在斷電時合閘制動，通電時才開閘。防止正在曳引時突然停電造成事故[2]。 舉升部分不做具體設計，故舉升電機及其電磁閥未加選擇。 3.2.2 變頻器選型 已知電機電壓Ued=380V，曳引電機功率明顯大于橫移電機，選用其額定電流Ied=48A作為選型依據(jù)。變頻器額定電流應滿足[5] In≥1.1IMmax （3-2） In為變頻器額定電流，IMmax為電機最大電流。 由于曳引電機主要在額定電流以下運行，故可令IMmax=Ied，則 In≥1.1Ied=52.8A. （3-3） 表3-2 變頻器選型表 綜上以Un≥380V，In≥52.8A 為依據(jù)，選擇西門子MiroMaster440(MM440)變頻器 額定輸出 /kw 額度輸入電流 /A 額度輸出電流 /A 重量 /kg 訂貨號 30 59 62 20 6SE6440-2UD33-0EB1 圖3-3 變頻器選型圖 MM440帶有一個RS485接口，可與PLC通信，具備多種V/f控制功能和矢量控制功能，同時具備存儲三組驅動和命令數(shù)據(jù)組的功能，可滿足分時驅動不同電機要求。 其變頻器快速調試參數(shù)設定如下表所示。 表3-3 變頻器快速調試參數(shù)設定 P0003 參數(shù) 內(nèi)容 默認值 設置值 說明 曳引和橫移電機 1 P0100 使用地區(qū) 0 0 歐洲：功率單位kw,頻率默認值為50Hz 3 P0205 應用領域 0 0 恒轉矩 2 P0300 電動機類型 1 1 異步電動機 1 P0304 電動機額定電壓 230 400 額定電壓為400V 2 P0310 額定頻率 50.00 50.00 額定頻率為50.00Hz 2 P0335 電動機冷卻方式 0 0 電動機冷卻方式為自冷 1 P0700 命令源 2 5 COM鏈路的USS設置 1 P1000 頻率設定選擇 2 5 通過COM鏈路的USS設定 1 P1080 最小頻率 0.00 0.00 允許最低的電動機頻率 1 P1082 最高頻率 50.00 50.00 允許最高的電動機頻率 1 P1120 斜坡上升時間 10.00 1.00 電動機從靜止狀態(tài)加速到最高頻率所用的時間 1 P1121 斜坡下降時間 10.00 1.00 電動機從最高頻率減速到靜止狀態(tài)所用的時間 2 P1135 OFF3斜坡下降時間 5.00 0.50 參數(shù)發(fā)出OFF3命令后，電動機從最高頻率減速到靜止狀態(tài)所用的時間 2 P1500 轉矩設定值 0 0 無主設定值 2 P1910 自動檢測方式 0 0 2 P0308 電動機功率因素 0.00 （數(shù)據(jù)暫缺） 3 P0320 電動機磁化電流 0.0 由變頻器自行計算 曳引電機 1 P0305 電動機額定電流 3.25 48 48A 1 P0307 電動機額定功率 0.75 25 25kw 1 P0311 電動機額定轉速 0 1470 1470r/min 2 P0640 過轉因子 150 150 電動機過載電流限幅值為額定電流的150% 2 P1300 電動機控制方式 0 20 無傳感器矢量控制 橫移電機 1 P0305 電動機額定電流 3.25 （數(shù)據(jù)暫缺） 1 P0307 電動機額定功率 0.75 4 4kw 1 P0311 電動機額定轉速 0 1470 （數(shù)據(jù)暫缺） 2 P0640 電動機過載因子 150 150 電動機過載電流限幅值為額定電流的150% 2 P1300 電動機控制方式 0 1 帶磁通電流控制的V/f控制 涉及變頻器驅動數(shù)據(jù)組切換的設置 3 P0820 DDS位0 722.0 722.0 以DIN1為DDS位0的命令源 2 P0701 數(shù)字輸入1的功能 1 99 使能BICO參數(shù)化 圖3-2 變頻器數(shù)據(jù)組切換示意圖 由于未找到通信方式切換變頻器驅動數(shù)據(jù)組的方法，從而分時驅動曳引電機和橫移電機，故在此采用數(shù)字輸入端子1（DIN1）控制數(shù)據(jù)切換。當DDS位0為0時，切換到DDS1數(shù)據(jù)組，即為曳 引電機驅動數(shù)據(jù)組；當DDS位0為1時，切換到DDS2數(shù)據(jù)組，即為橫移電機驅動數(shù)據(jù)組。 3.2.3 PLC選型 如下表所示是PLC I/O分配表，根據(jù)PLC點數(shù) 、輸出類型 、功能要求等要求，可選用西門子S7-200。 表3-4 PLC I/O分配表 DI DO I0.0 曳引定位開關 Q0.0 曳引電機接觸器 I0.1 指層開關 Q0.1 曳引制動接觸器 I0.2 橫移定位開關 Q0.2 舉升電機接觸器 I0.3 舉升定位開關 Q0.3 橫移電機接觸器 I0.4 車位有車開關-左 Q0.4 變頻器電源 I0.5 車位有車開關-右 Q0.5 備用 I0.6 上強制減速開關 Q0.6 備用 I0.7 上強制平層開關 Q0.7 備用 I1.0 上極限開關 Q1.0 向上舉升 I1.1 下強制減速開關 Q1.1 向下舉升 I1.2 下強制平層開關 Q1.2 舉升輔助 I1.3 下極限開關 Q1.3 變頻器數(shù)據(jù)組切換 I1.4 橫移極限開關-左 Q1.4 聲光報警器 I1.5 橫移極限開關-右 Q1.5 備用 I1.6 超載開關 Q1.6 備用 I1.7 制動電阻熱敏開關 Q1.7 備用 I2.0 急停開關 I2.1 備用 … 備用 由上表可知，輸入點數(shù)DI=17，輸出點數(shù)DO=9，選擇輸出類型為 晶體管型，功能要求：通信接口2個 ，據(jù)此選擇CPU類型為CPU 226； 表3-5 PLC選型 CPU CPU供電 數(shù)字量輸入 數(shù)字量輸出 通訊口 訂貨號 CPU226 24VDC 24×24VDC 16×24VDC 2 6ES 7216-2AD23-0X80 3.2.4 變頻器選件選型 由于MM440 變頻器0.12kw-75kw型號集成了制動斬波單元，故不必另選。其選件主要包括制動電阻和進線電抗器。 （1）制動電阻選型 在變頻調速系統(tǒng)主電路設計部分已分析了制動回路的設計，制動電阻阻值采用廠家推薦值15Ω，但廠家提供的制動電阻功率只有2.2kw，即使使用兩個阻值為8 Ω ，功率為4kw的制動電阻串聯(lián)功率依然不夠。故只能選擇其他廠家的制動電阻。在此不做具體展開。 （2）進線電抗器選型 選用廠家提供的進線電抗器，訂貨號為6SE6400-3CR08-3ED。 3.2.5 接近開關選型 在此將本文涉及接近開關按功能分為三部分：定位接近開關、超重檢測接近開關、車位有車檢測接近開關。 （1）定位接近開關 選用槽型光電開關，用于曳引定位、曳引選層、橫移定位、舉升定位檢測。選用OMORON的定位用槽型光電開關,信號為E3Z-GN11B，重復精度0.5mm完全可滿足定位要求。 （2）超重檢測接近開關 由于繩頭組合變形量難以得到，故在此不做選型。 （3）車位有車檢測接近開關 考慮到橫移小車在轎廂時與車位中的汽車有一定距離，故選用擴散反射型光電開關，其檢測距離較長，可完成檢測。具體選用OMRON的E3FA-DN23型，檢測距離為1m。  3.2.6設備和器件清單 表3-6 設備清單表 元件 型號 個數(shù) 廠家 S7-200 CPU226 ( 6ES 7216--2AD23--0XB0) 1 西門子 DC24V電源 PS207 （ 6EP1 332-1LA10） 1 西門子 MM440變頻器 6SE6440-2UD33-0EB1 1 西門子 PC 略 1 制動電阻 略 隔離變壓器 ABL6TS16U 1 施耐德 電抗器 6SE6400-3CR08-3ED0 1 西門子 表3-7 器件選清單 元件 型號 個數(shù) 廠家 槽型光電開關 E3Z-GN11B 4 OMRON 擴散反射光電開關 E3FA-DN23 2 OMRON 極限開關 HL5000 8 OMRON 急停按鈕 1 超載檢測傳感器 略 1 三位四通換向閥 略 2 二位二通換向閥 略 1 斷路器 Tesys 7 施耐德 接觸器 Tesys 8 施耐德 繼電器 Tesys 3 施耐德 熱繼電器 Tesys 2 施耐德 聲光報警器 1 施耐德 風扇 維修燈 1 指示燈 2 電壓表 2 電流表 2 旋鈕開關 3 維修插座 1  3.3 PLC I/O接口電路設計 PLC的I/O分配表參見表3-4，在此對電氣聯(lián)鎖進行分析，詳見圖3-3 （1）曳引電機和橫移電機聯(lián)鎖 主電路設計分析中提到，為了保證曳引電機接觸器（KM3）和橫移電機接觸器(KM4)不同時接通，對其控制電路設置電氣互鎖 （2）曳引電機和曳引制動器聯(lián)鎖 保證曳引電機制動器接觸器未動作，即制動器未松開時，曳引電機不通電。 （3）橫移電機和舉升動作連鎖 PLC電源，輸入輸出點的電源均由DC24V電源提供。 圖3-3 PLC I/O接口電路圖  3.4 變頻器電路設計 主要分為三部分：動力電路，控制電路，通信電路，其中動力部分已在主電路設計中分析，在此不贅述。電路如圖3-4 （1）控制電路 由于采用通信連接，故其通信電路較為簡單，將s7-200CPU的Q1.0端口與MM440的DIN1端口相連即可。該電路主要功能是切換變頻器驅動數(shù)據(jù)組，是筆者未找到對應通信控制方式而采用的權宜之計。 （2）通信電路 S7-200CPU226有兩個RS485接口，選擇其中的Port0與MM440的RS485端子連接。采用PROFIBUS電纜進行連接，CPU226端用網(wǎng)絡插頭連接，MM440端則直接接端子。接線如圖。由于是高速通信，故電纜的屏蔽層需雙端接地；CPU226的M端與MM440的0V連接為通信口的等電位連接，可以保護通信口不致因共模電壓差損壞或通信中斷[8] 表3-8 MM 440 的 USS 通信相關端子 端子號 名稱 功能 1 - 電源輸出 10 V 2 - 電源輸出 0 V 29 P+ RS 485 信號 + 30 N- RS 485 信號 - 表3-9 變頻器通信配置參數(shù)表 P003/P004 參數(shù) 內(nèi)容 默認值 設置值 說明