自动立体停车库的控制系统设计说明.docx
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自动立体停车库的控制系统设计说明
第1章绪论
1.1本课题的研究意义、目的
随着社会发展和人民生活水平的提高,城市中的平面式停车场已经远不能满足越来越多的车辆需要,停车难造成的交通堵塞和废气污染问题日益严重。
据有关资料介绍,目前我国停车库面积与道路面积之比不足1:
100,而国外是1:
10,停车库严重不足;由于城市地价日益昂贵,修建大型露天停车场将越来越困难。
从中国重机协会停车设备管理委员会了解到,在日本等车位紧、地价昂贵的发达国家,立体停车产业已经发展成为年产值数十亿美元的大产业。
据专家初步分析,国市场目前每年需求电梯式自动化立体停车库在80~100座左右,21世纪初叶每年需求90~110座左右,市场的前景相当好。
解决城市停车难问题而采用立体化停车措施是世界各个国家的普遍做法,尤其是全自动化的机械式立体停车库得到了快速的发展。
立体停车充分迎合了城市发展的需要,确保汽车安全停放,创造了取车时的方便快捷,符合环保需要,减少了大气污染城市立体车库的广泛使用是对现代静态交通的全新革命,并能显著改善恶化的城市动态交通状况。
机械式立体停车库主要由机械式立体停车设备和其他相关的附属设施组成,其中机械式立体停车设备是集光、机、电和自动化技术于一体的成套设备,是车库的主体设施。
1.2自动化立体车库目前发展状况
立体车库自动化控制系统主要包含以下五个子系统:
自动收费管理系统,自动存取车系统,远程诊断系统,自动道闸,监控安保系统。
以上子系统均由中央控制室统一控制,可为客户规划停车库管理形式,发布车库库存容量,控制车流方案。
(一)自动收费管理系统
自动收费采用非接触式IC卡。
IC卡分长期卡与储值卡两种。
对固定用户,发行长期卡,费用可在固定用户交纳管理费用时一并交纳;对临时用户,发行储值卡,即:
用户交纳的费用存在卡,每次停车读卡自动从卡中扣除费用。
(二)自动存取车系统
自动存取车系统一般由小型可编程控制器PLC控制,包括卡号识别与移动载车盘两个过程。
用户进入车库时,在门口刷卡进入,读卡机自动把数据传送到PLC控制系统,PLC系统通过判断卡号,自动把对应的载车盘移动到人车交接的位置,开启车库门,缩短存取车的时间。
存车时,司机按照指示灯信号指引入库,只有当车辆停放在安全位置后,停车正常指示灯才会亮启。
存取车完成后,车库门自动关闭。
移动载车盘时,系统严格按照各种检测信号的状态进行移动,检测信号包括超长检测、到位检测、极限位置检测、人员误入检测、急停信号检测等。
若有载车盘运行不到位或车辆长度超出车库允许的长度,所有载车盘将不进行动作,若检测到急停信号,将停止一切动作,直至急停信号消失。
以上信号均为硬件信号,除此之外,还可从控制软件中设置保护信号,比如时间保护,以保证因硬件损坏而导致信号失灵时保证主体设备与车辆的安全。
(三)远程诊断系统
现场控制器可以通过网卡、Hub等网络设备与控制中心的局域网相连接,可以通过MODEN实现远程管理,监测现场运行情况,当现场出现故障时,在控制中心即可进行解决,方便管理人员、安保人员异地办公。
(四)自动道闸
在车库出入口处各设非接触式读卡器、感应线圈与道闸,用户在车库出入口处刷卡后,系统自动判别该卡是否有效,若有效,则道闸自动开启,通过感应线圈后,自动栅栏自动关闭;若无效,则道闸不开启,同时声光报警。
(五)监控安保系统
监控安保系统是指在中央控制室进行监视控制车库现场的运行状况。
它具有运动检测、车牌识别、网络连接、各种类型的报警系统实现连动等功能,可以实现无人看守。
系统简介:
视频监控功能:
在车库各出入口,值班室和车库主要区段安装定焦摄像机,在大围车位区安装球形云台,以便实现对车库全方位的实时监控。
如果在车库光照条件不好的情况下,可选用黑白摄像机。
运动检测功能:
可以在夜间设置车库的运动检测区域,当检测区有移动目标时,运动检测功能发出报警信号,提醒值班人员。
车牌识别功能:
它能够设置车库参照车辆的车牌、车型。
当参照车辆进入车库监视区域,系统自动对比参照车辆图像,有异常情况,发出报警信号,并自动切换和记录相关图像。
报警连动功能:
可以连动各类报警主机,如启动继电器发出声光报警通知安保人员自动放下道闸拦截车辆出入。
数字录像功能:
可以连续记录一个同在车库所发生事件,可以同步回放多个图像,可选择任意图像进行整体放大和局部放大,记录、回放、备份可同步进行各种信息。
1.3本课题的主要问题
本课题的主要任务是:
设计魔方式自动化立体停车库的自动控制系统;确定自动控制系统方案;设计系统的电气线路并选择所用的元器件,画出其电气原理图;对车库与车库监控系统进行数据交换的数据格式与车库的人机界面进行分析和设计,对触摸屏进行组态;编制立体车库控制软件。
要求控制系统方案合理。
各车位托盘运行安全、正确、平稳,触摸屏操作界面直观易懂,操作简便,单动操作设置权限和密码。
确定车库设备与车库监控系统进行交换的容和格式。
第2章车库自动控制系统总体方案设计
2.1车库方案确定
目前的自动化立体车库主要有:
升降横移式、仓储式、垂直循环式、电梯式、简易式。
图2-1
(一)升降横移式
对不同要求的客户,其适应性很强,灵活性很大,根据地形,车的数量,可在室、室外设立二层至五层,可以建在地面、半地面或底下。
特点:
结构简单,安全可靠,运行平稳,噪声低,能耗小,寿命长。
图2-2
(二)仓储式
车库是由输送小车将待停泊的轿车自动送至库位,取车也是由输送小车从库位取出,自动送到取车点,这一过程全部由电脑与测检系统自动完成,无需人员参与。
是当今自动控制科技的结晶。
特点:
自动化程度高,运行速度快,存取方便运行平稳,存车量大,安全性好。
图2-3
(三)电梯式
车库是利用电梯将车送往塔的周边车位上,它所占地面积小、土地利用率高、存车容量大,特别适合于城市商业繁荣,停车流量大的中心区,可以独立成塔,也可以与高层大厦溶成一体,是地小车多的最佳选择。
特点:
外形美观,停车安全,运行迅速,振动小,噪声低。
图2-4
(四)简易式
车库结构简单,一般为两层,上层用机械或液压传动提升,而下层为自走进入,取上层车时,下层必须先开走因此,较适合于单家别墅式住宅,在已有单个车位情况下需增加车位或汽车商临时存放车辆用。
图2-5
我设计的立体停车库采用升降横移式(又称魔方式),上层托盘只能升降,下层托盘只能横移。
以PLC作为自动控制的控制系统,由触摸屏实现人机交互。
PLC通过传感器来监控车库中各种状况,收集各种信息。
然后由PLC来处理这些信息,控制车库的运行。
管理员可以通过触摸屏来了解车库状态,调整车库运行,对车库进行维护。
图2-6车库简图
图2-6为车库结构简图。
其中4、5号托盘可直接使用。
若要使用9、10号托盘,则只需要将4号、5号托盘向中间移动。
若要使用1号托盘,需要先将4号托盘向中间移动,再降下1号托盘。
而要使用6号托盘的话,需要将4号、9号托盘向中间移动后再降下6号托盘。
3号、8号托盘使用方式与1号、6号相似。
2号、7号托盘降下后即可使用。
2.2车库整体结构设计
整个立体停车库是由多个2排2层3列的车库单元形成的。
当用户来停车时,由管理员负责为其寻找车位,发放IC卡。
当车辆进入时,出入检测光电开关会检测信息:
包括车辆形状是否符合要求;车库目前的容量等。
上位机能够对车库目前容量进行判断,在放满的时候能够进行报警。
在用户停好车后,在出口处使用IC卡,此时车库各托盘复位,下一位用户可以进行存取。
在取车的时候,当车辆驶出车库时,通过PLC控制使车库自动复位,保证高效,安全。
考虑到在停车的时候,各人所需时间不一,安全检测不易,如果也采用自动复位的话,易引起事故。
故采用读卡机检测信号使其复位,而读卡机安放的位置选在出口处,因为只使用一台读卡机的话,出口处是最佳位置。
安装在此处虽然可能使车库的运行效率降低,但是可以方便管理员进行管理防止客户忘记拉卡等事情发生。
此外,在车库中还可以安装摄像头,对车库进行安全监测。
在车库中采用非接触式读卡机,来实现车库的计时与收费。
用户在存车、取车时,只需要在读卡机面前晃动一下IC卡,读卡机就会将信息送到上位机,由上位机进行收费计算,保证准确,快捷。
同时上位机也将信息送到PLC,控制车库的运行。
图2-7车库整体结构图
图2-8车库使用流程图
2.3托盘的初定位和形状设计
托盘初定位就是车库在使用前,各托盘所处在的位置。
当车库的电源一旦接通时,由PLC自动将各托盘置于初始位置。
合理的初始位置的选择不仅可以提高车库的运行效率,在编制控制程序时也能使控制程序简化。
本课题车库具体方案为2排2层3列式,因此有以下几种初始车位方案:
图2-9托盘初定位方案A
A方案4号、5号托盘可直接使用。
若要使用2号托盘,需要现将5号托盘移开,再将2号托盘降下。
若要使用1号托盘,则需要将4号、5号托盘移开,再降下1号托盘。
由于A方案在使用中涉与到的托盘比较多,故不采用此方案。
图2-10托盘初定位方案B
B方案4号、5号托盘也可直接使用。
当要使用上层任一托盘时,下层只需要移动1个托盘即可,这样可以提高车库运行的效率。
简化车库控制程序的编制,故本设计采用B方案的托盘初定位。
自动化立体停车库中,对于托盘形状也有特殊要求。
由于整个自动化过程由光电开光检测信号量,托盘必须便于光电开关的检测。
另外,托盘也应该便于用户停放车辆。
图2-11托盘形状设计
托盘形状设计如上图所示,在托盘上设计前后2个凸起的部位。
一方面,司机停车的时候可以自觉的减速,保证安全。
另一方面,可以保证司机顺利,准确的停好车。
同时可以在停好车后,对车辆有一定的保护功能。
此外,在托盘前方也有一处凸出部位,这是下层托盘左右移动时,让光电开关检测的部分。
上层托盘不用此部分。
2.4托盘上的信号检测方案
图2-12托盘上的光电开关安装图
上文已经提与,整个自动化过程由光电开关检测信号量。
在一个车位上,应该具备的信息包括:
托盘是否到位;托盘上车辆有无;车辆停放是否准确。
另外还应该进行一些安全方面的措施。
本设计中采用了如图2-12的信号检测方式。
其中,2号为上下限光电开关,控制托盘的上升、下降位置。
3号为下位托盘检测光电开关,控制下层托盘的左右移动。
4号为车辆检测光电开关,用于检测托盘上的车辆。
考虑到车辆停放时位置变化,车辆底盘高度不一,故采用斜线式检测。
1号为接近传感器,有过位保护作用,万一上限光电开关失灵,接近传感器可以保证托盘上升时不至于发生事故。
此外在托盘入口处还安装安全检测光电开关(5号),检测车辆是否停放准确,如果没有正确停放,车库的机能将停止,同时触摸屏将报警。
2.5托盘升降方案确定
一般来说,托盘的升降方式有2种:
铰链式和钢丝绳式。
由于铰链式在使用过程中可能会引起铰链缠绕在一起,从而有事故隐患。
故本方案采用钢丝绳式,并且在上层托盘下方设置安全钩。
安全钩的作用设计为:
平时以它的重心保持在竖直位置或偏里一些的位置。
当上层托盘需要下降时,电磁铁先得电,将安全钩打开,此时托盘能顺利的下降。
在上升时,则无需启动电磁铁就可以直接上升到指定位置。
当电机发生故障或钢丝绳突然断裂时,安全钩能对上、下层托盘起到保护作用,防止上层托盘的落下,提高安全系数。
安全钩的示意图如下:
图2-13安全钩形状示意图
第3章车库控制系统硬件选择
为了实现车库的自动化控制,必须选择相应的元器件来进行信号的检测、处理与电机的控制。
本设计中采用光电开关进行信号检测,通过PLC处理信号,再由接触器来控制电机的运转。
3.1PLC模块选取
PLC是一种通用型的工业控制设备,PLC控制系统的规模、模块的划分、功能的设置是面向各种各样的应用。
因此选择一台合适的PLC组成经济实用的控制系统尤为重要。
3.1.1PLC模块介绍
(1)主控模块
主控模块就是人们通常所说的CPU模块。
在计算机系统中,CPU是整个系统的核心,控制着整个系统有条不紊的进行工作。
同样在PLC控制系统中,主控模块也是系统中最重要的模块,绝对不可缺少,PLC程序的输入、运行和输出都离不开该模块。
主控模块包括CPU、存储器、通信口、电池和LED指示器。
(2)开关量I/O模块
PLC最擅长的控制就是开关量顺序控制,在工业领域中,大多数控制也是开关量控制,因此I/O模块是最常用的模块。
通常开关量I/O模块的产品分为:
输入模块、输出模块以与输入/输出模块。
(3)模拟量I/O模块
在工业控制中,除了大量的开关量控制以外,还有许多模拟量控制,例如对电压、电流、湿度、压力、流量的控制。
有时,在同一个控制系统中既要对开关量控制还要对某些模拟量进行控制。
因此为了适应生产实际的要求,PLC各生产厂家各种专用的模拟量输入模块和模拟量输出模块。
模拟量I/O模块的主要功能就是完成模数(A/D)转换和数模(D/A)转换,一般都自带CPU和存储器,只要PLC一上电,PLC主控模块就将控制字装入其部存储器中,模拟量I/O模块就能独立工作并且与主控模块共享存储器,主控模块只需用读写指令便可对模拟量I/O模块进行操作。
一般来讲模拟量I/O模块提供有一定数量的I/O点,可供用户使用。
(4)智能模块
模块化后的PLC除了主控模块外,还配备各种专用的、高级的智能模块,以适应现代工业大型系统的快速、复杂的控制和管理的要求。
常用的有:
温度控制模块、高速计数模块、位置控制模块以与用于联网通信的LINK模块等。
3.1.2PLC模块选取的基本原则
对主控模块的选择之前,应对被控对象和生产过程的生产工艺与PLC的工作环境有足够的了解,明确控制要求,确定控制输入、输出点数和性质等,然后才能针对具体的实际情况选择PLC的主控模块。
对于以开关量为主,只有少数的模拟量控制,可以考虑采用小容量、高性能的PLC,如:
西门子公司的S7-200系列或OMRON公司的CQM1。
对于比较复杂的控制系统,开关量数目较多,对模拟量要求也较高,并且要求较快的相应速度。
此时可以考虑较高档的PLC,如:
西门子S7-300或S7-400。
对于控制要求很复杂,控制点数多并且分布较分散,不仅要进行快速的实时处理和控制,而且要求PLC控制系统能够进行分析、决策和具有一定生产管理功能,这是必须考虑采用多个PLC此外在选择主控模块时,还必须考虑用户程序存储器容量,通信联网功能,通信口,外围设备借口等等。
3.1.3车库PLC的选择
在立体停车库中,PLC的功能主要是接收由光电开关检测到的开关量信号,然后通过部程序的处理,以此来顺序控制托盘的升降横移,实现车库自动化。
由于其要求输入的信号并不复杂,数量也不多;其输出主要是控制接触器,通过接触器控制电机的正转反转。
因此选用小型PLC即可。
此外,PLC中还需要存储一些车库相关信息,如托盘上车辆的有无,各托盘在程序中的代码等等。
但是,PLC对模拟量的检测几乎没有要求。
因此在PLC的选择上选取了OMRON的C200Hα,配合CPU模块C200HW-CPU34-E,电源模块C200HW-PD024以与底板C200HW-BC081。
如果要进行模拟量检测,也可通过增加模块达到目的。
3.2开关的选择
按钮和开关时自动控制系统中常用的元器件,由于按钮、开关常用于发送控制指令,所以常称他们为主令电器。
用于开关量控制的PLC控制系统的信号输入部分,就是由主令电器构成的。
3.2.1控制按钮
控制按钮常常用作短时间接通或断开小电流电路的开关。
通常将用于紧急故障处理按钮的帽子做成蘑菇形状,配以醒目的红色。
将电源总开关做成钥匙形状的旋式按钮。
一般来说,红色作为停止按钮,绿色作为启动按钮。
在立体停车库的控制电路设计中,需要有总电源开关、启动开关和紧急故障处理开关。
通过它们来控制整个控制电路。
3.2.2接近开关
接近开关是无触点开关。
按照接近开关的工作原理,可以分为电容型、霍尔效应型、感应电桥型、高频振荡型、磁铁型等多种。
高频振荡型接近开关是人们常常选用的一种接近开关,其工作原理是当装在运动部件上的金属体接近高频振荡器的感应头(振荡线圈)时,由于金属体部产生涡流损耗,使振荡回路的等效电阻变大,能量损耗增加,从而使振荡变弱,直至停止,于是开关输出控制信号。
接近开关工作稳定可靠、寿命长、重复定位精度高、动作迅速、操作频率高,在PLC控制系统中广泛应用。
在本设计中,考虑到接近开关工作稳定可靠、寿命长、定位精度高,因此将它作为托盘上升
项目/型号
型号:
TL-W20ME1
型号:
TL-W20ME2
检测距离
20mm±10%
设定距离
0~16mm
应差距离
检测距离的1~15%
检测物体
响应频率
40Hz以上
电源电压
(使用电压围)
DC12~24V
脉动(p~p)10%以下
消耗电流
15Ma/12V,15Ma/24V
控制输出
开关容量
DC12V时100mA以下
DC24V时200mA以下
残留电压
1V以下(负载电流200mA)
时的保护开关。
我采用了OMRON的TL-W20ME1接近传感器,其主要技术指标如下表所示:
表3-1接近传感器主要技术指标
此接近传感器检测距离为20mm,误差10%,在检测到物体时,输出为“0”,这样就可以作为安全保护开关。
它的电源电压是24VDC,输出方式为NPN,这便于安装人员的操作。
此外,其工作环境温度为-25℃~75℃,对于车库这种热源较多场所能够适应,因此作出上述选择。
3.2.3光电开关
光电开关可分为两类:
透射型和反射型。
透射型是发射器(光源)与接收器相对放置,发射器发射的红外线直接照射到接收器上,当有物体将红外线光源切断时,接收器收不到红外光,于是就发出一个信号。
反射型根据红外光反射方式的不同,又分为镜反射(简称反射型)和被测物体反射(简称散射型)两种。
反射型的接受部分和发射部分合做在一起,发射部分发射红外光,由反射镜反射回来,被接收部分接收。
散射型是依靠被测物体对光的反射,接收器接收到物体反射的红外线,从而给出信号。
散射型安装简单,不仅可以检测物体的有无,还可以检测物体的颜色,但是它的检测距离最小。
透射型检测距离较大,但是调整频繁。
在本设计中,需要用光电开关检测的量比较多,如托盘是否到位,车辆的有无,车辆是否停放准确等等。
其中,对于车辆是否停放准确的检测可使用安全光幕,它的工作原理同光电开关。
但考虑到成本关系,并且用光电开关同样可以达到一样的功能,所以本设计中均采用光电开关代替。
由于车库中托盘的反复运动势必带来震动,因此在选择光电开关时需考虑防震性。
在检测托盘是否到位时,光电开关的响应速度必须快速、准确。
此外所选元器件最好能使用统一电源,方便接线。
因此,我选择了OMRON的E3G-R13回归反射型光电开关,其主要性能指标如下:
其相应速度快,动作、复位各1ms,耐震动(10~55Hz),并且带有安全保护结构。
其最大特点是输出方式PNP/NPN可调,并且LIGHTON/DARKON可调,这在程序设计和电器原理图设计上都带来了便利。
(具体调节方式可参考OMRON官方资料)
检测方式
回归反射型(带反射板)
项目型号
E3G-R13
E3G-R17
E3G-MR19
E3G-MR19T
设定距离
/
标准检测物体
Φ18mm以上的不透明时
应差距离
/
指向角
本体1~5°
反射率物性(黑白误差)
/
光源(发光波长)
红色发光二极管(700mm)
投光光点直径
/
电源电压
DC10~30V
包括脉动(p~p)10%
DC12~240V±10%
脉动(p~p)10%以下
AC12~240V±10%50/60Hz
消耗电流/电力
50mA以下
2W以下
控制输出
负荷电源电压DC30V以下
负荷电流100mA以下
(残留电压NPN出力,1.2V以下PNP出力,2V以下)
集电极开路
NPN/PNP输出关转换式
L.ON/D.ON开关转换式
继电路出口
1C接点AC250V3A
(COSΦ=1)以下
DC30V3A以下
L.ON/D.ON开关转换式
寿命
(继电器输出)
机械式
/
5000万次以上
(开关频率18000次/h)
电动式
/
10万次以上
(开关频率18000次/h)
保护回路
电源逆相连接保护
负荷短路保护
防止相互干扰功能
防止相互干扰功能
响应时间
动作/复位:
各1ms
动作/复位:
各30ms
灵敏度调节
单转可调式
表3-2光电开关性能指标
3.3执行装置
3.3.1电机选择
电机是最终的执行机构,最终功能的实现要依靠电机。
由于所需功率不同,在水平和垂直托盘上采用不同的电机。
本设计中水平托盘要求的功率为0.2KW,升降托盘要求的功率为2.2KW。
根据功率选择三相异步电机Y801-2,额定功率0.75KW,额定电流1.83A和Y90L-2,额定功率2.2KW,额定电流4.83A(大中电机)。
3.3.2接触器
接触器的选择是根据所控制的电动机和负载的电流类型,即交流负载使用交流接触器,直流负载使用直流接触器。
一般触点的额定电流应选大一点。
由于本设计中采用三项异步电机,额定电流分别为1.83A和4.83A.因此选用接触器CJX2-09-32(人民电器公司)。
3.3.3热继电器
热继电器用于保护电机,防止电机过热烧坏。
其工作原理为:
一般为双金属片式,热元件与被保护对象的主电路串接,负载电流通过热元件和双金属片(复式加热)利用热效应使双金属片弯曲,当负载电流达到预置值的1.2倍或发生断相时,热继电器的动作机构脱扣将电源切断,使被保护对象得到保护。
一般所选择热继电器的额定电流为电路的额定电流的1.5倍左右。
由额定电流来选择热继电器。
在本设计中对于升降电机选用的热继电器为LR2(JR28)-8(人民电器公司),额定电流8A。
对于水平移动的电机,选择额定电流小一些的热继电器。
另外电路中还要配以熔断器,选择熔断器时只需将电流与安全系数相乘,通常取5-6倍的安全系数因此选择熔断器为RT1600-20(人民电器公司),额定电流20A。
3.4其他装置选择
本设计中还需要运用的有读卡机、蜂鸣器、触摸屏。
其中读卡机选用玺玛克智能科技的SKRD-M1/R1读卡机。
这是一种非接触式(Mifare)读卡机,采用12V电源,有防水设计,ABS树脂密封,比较适用于停车场的环境。
蜂鸣器采用华颖电器公司的24V电源的产品。
触摸屏采用easyview公司的MT510T。
第4章车库电气原理图的绘制
车库的电气原理图主要有PLC的信号输入、控制输出图,电机接线图,控制电路图。
4.1PLC
信号输入图PLC的信号输入主要有:
托盘是否到位,车辆的有无,车辆是否停放安全,车库车辆的计数,车辆过高检测。
对于各信号设定如下:
对于托盘到位检测,在托盘不到位时,信号输入“0”,反之为“1”;对于车辆有无的检测,托盘上无车时信号输入“0”,反之为“1”;对于车辆是否停放安全的检测,信号输入“0”为安全,“1”为不安全;对于车辆过高检测,信号输入“0”为可以通行,“1”为车辆过高,不可停放;对于车库车辆的计数,在出入口分别安装了光电开关对应PLC部计数器的加减,当有车辆通过的时候计数器就会工作。
各信号的输入采用NPN输入方式。
(见附录1PLC信号输入图)
4.2PLC的控制输出
PLC的输出方式可分为:
晶体管输出和继电器输出。
PLC的输出为晶体管时,阻断状态也有漏电流通过,为了避免对负载的影响,可并联电阻R把漏电流I减小为I1,如图4-1所示:
图4-1减小漏电流对负载的影响
PLC的输出为继电器时,为了减小火花放电对接点的损害,可以在继电器
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