全自动立体停车库控制系统设计（全套含CAD图纸）

全自动立体停车库控制系统设计（全套含CAD图纸）,全自动,立体,车库,控制系统,设计,全套,CAD,图纸 毕业设计 题目： 全自动立体停车库控制系统设计 全自动立体停车库控制系统设计 摘要 本文设计了一种垂直升降式立体停车库，其机械部分主要采用小车作为横移装置，用举升机实现载车板交换，用曳引系统完成垂直升降；车库共8层，每层2个车位，共14个车位。本文的重点在于立体车库控制系统的设计。 控制系统采用PLC作控制器，利用变频器进行调速，用各种接近开关作检测装置。用功能分析的方法设计了详细的控制方案、检测方案，并进行了车库的安全设计。对低速定位原理进行了数学分析，得出平方反比规律。提出变频器分时驱动两台电机的思路。完成对主要元器件的选型，设计了控制系统的主电路，PLC I/O电路和变频器接线电路。用顺序控制的方法设计了PLC控制程序，提出监控软件的界面设计。 设计了控制柜的元件布置图，完成控制柜的柜体结构设计。 关键词：立体车库 横移小车 控制系统 PLC 变频器 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 目录 第1章 绪论 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外发展概况 1 1.3 立体车库的种类 2 1.4 本文研究的内容 3 第2章 总体设计及控制系统方案设计 4 2.1 立体车库总体方案 4 2.1.1 立体车库类别及基本参数 4 2.1.2 主功能原理设计 4 2.1.3 立体车库的技术参数 7 2.1.4 车库总体布置图 7 2.2 控制系统总体方案 8 2.2.1 控制系统功能分析 8 2.2.2 曳引控制方案设计 8 2.2.3 横移控制方案设计 14 2.2.4 举升控制方案设计 15 2.2.5 安全设计 17 2.2.6 控制系统总体结构方案 19 第3章 控制系统电器选型及电路设计 21 3.1 主电路设计 21 3.1.1 动力电路 21 3.1.2 直流供电电路 23 3.1.3 辅助电路 23 3.1.4 断路器设置 23 3.1.5 接地 23 3.2电气设备选型 24 3.2.1 执行电器选型 24 3.2.2 变频器选型 24 3.2.3 PLC选型 26 3.2.4 变频器选件选型 27 3.2.5 接近开关选型 27 3.2.6 设备和器件清单 28 3.3 PLC I/O接口电路设计 29 3.4 变频器电路设计 30 第4章 控制柜设计 32 4.1 控制柜元件布置图设计 32 4.2 控制柜结构设计 33 4.3 电源指示及控制面板设计 36 第5章 软件设计 37 5.1 控制软件流程图设计 37 5.2 控制软件程序设计 42 5.2.2自动程序总体设计方法 42 5.2.3自动程序的调用及结构设计思路 42 5.2.4与变频器的通信 44 5.3 监控软件界面设计 44 第6章 结论 45 结束语 46 参考文献 47 附录 48 全自动立体车库控制软件程序 48 VI 第1章 绪论 1.1 研究背景及意义 随着经济的快速发展，人们的生活水平逐渐提高，对汽车的需求量也逐渐升高；同时，汽车工业的蓬勃发展使得其价格被越来越多的人接受。于是，城市汽车保有量逐年增加，且势头越来越猛。然而，汽车保有量的提高在方便人们出行，提高生活质量的同时，也带来了一系列问题。除了造成交通拥堵外，停车难问题也越来越严重。目前我国各主要城市在停车设施的建设上远远落后于道路建设和汽车工业的发展，然而城市用地本身就比较紧张，通过建造大量传统的平面车库来缓解停车难问题是不现实的。因此，在停车难问题与越来越突出，土地面积有限的情况下，立体式车库开始得到人们的重视。 与传统的平面停车库相比，立体车库具有以下优势： （1）节约土地资源。 这是立体车库的最大优势，由于将停车位向上部空间发展，故在停车面积相同的情况下，立体车库的占地面积将大大减少，提高了土地利用率，特别适合土地资源紧缺的城市区域。 （2）方便和高效 由于立体车库往往只有少数入口，故省去了找车位的麻烦。同时由于立体车库存取车由机械设备完成，司机的停车任务变得简单方便。 （3）安全 立体车库停车区域集中，因此方便集中统一管理，且大部分时间车库封闭，车辆被盗或损坏的风险大大降低。 （4）投资效益明显 由于提高了土地利用率，车库的土地成本大大减少，同时车库管理方便，自动化程度高，人工费用也大大减少，其综合效益高于平面车库，在城市中心区域尤其如此。 （5）改善市容环境。 1.2国内外发展概况 上世纪50年代，机械式立体车库在欧洲一些发达国家，如德国、意大利取得较大发展，但由于欧洲人口较少，土地资源并不十分紧缺，停车问题并不突出，故应用并不广泛[1]。 60年代，日本开始研究立体车库。由于日本人口较大，且国土面积较小，故应用非常广泛，同时研究立体车库的企业较多，产品种类也比较丰富。 70年代，韩国开始研究立体车库，其技术主要源于日本，现已发展较成熟。 我国台湾由于土地面积较小，停车问题也较突出，于70年代从日本引进技术，80年代开始自主开发，现在技术也比较成熟，应用较广。 我国城市停车行业从80年代末起,经过十几年的发展,现在形成了一定的规模,但是还处于初始发展阶段,车库建设尚在起步阶段,在一些大城市中机械化车库仍然是空白[2]。 从总体来说，我国立体车库发展还处于初级阶段，面临着一系列的问题和挑战： （1）机械设备故障率较高 （2）存取车效率较低，停车等待时间较长 （3）车库的安全性有待提高，包括车辆、人员和设备 （4）车库的自动化程度不够高，需要较多人为确认和操作 （5）车库种类较少，层数较低 1.3立体车库的种类 立体停车库按其自动化程度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。根据立体停车停车方式的不同又可分：简易升降式、升降横移式、垂直升降式、垂直循环式、平面移动式、巷道堆垛式等[1]。 （1）简易升降式 简易升降机械式借助升降机构或俯仰机构存取汽车。其特点是停车设备的结构简单、操作方便，适用于私人住宅、小区、企事业单位等；可以增加二倍以上的停车位。但是车库的受力状况较差，限制了车库向高层发展，只适和小规模应用。 （2）升降横移式 采用模块化与集成化的设计，配置灵活，规模可随意设置，建设方便，成本低廉，同时消防，外装修，基建等投资比其他类设备少，适用于各种场合。这种设备目前占到了市场份额的 70%以上。 缺点：每组设备必须留空车位实现车辆的移动，设备的安全性还有待提高。 （3）垂直升降式 通过装在升降机上的横移机构将车辆或载车板横移，实现存取车辆的机械式停车设备。这种车库往往可以修建多达 20～25 层，停放 40～50 辆车，而占地却只有几辆车大小的面积，土地利用率最高。广泛应用于在城市的中心区域及人口车辆密集区域。这种停车设备造价高昂，结构复杂，存取车耗时较长。 1.4本文研究的内容 本课题设计了一种垂直升降式立体车库，其机械部分主要特点为采用小车作为横移装置，用举升机实现载车板交换，克服了叉架结构的一些缺点；用类似电梯的曳引系统完成垂直升降。本文的主要研究对象为上述车库的控制部分，具体如下： 1. 立体车库总体设计：对立体车库主功能进行功能分析，功能原理求解，提出立体车库的主要参数. 2. 控制系统方案设计: 对立体车库曳引、横移、举升、安全功能进行功能分析和方案综合，提出控制方案，检测方案的细节。提出变频器分时驱动两台电机的思路。对低速定位原理进行了数学分析，得出平方反比规律。最后提出控制系统总体结构。 3. 控制系统电器选型及电路设计：电气设备和元件的选型，主电路、PLC的I/O电路，变频器接线电路设计。 4. 立体车库控制系统控制柜设计：控制柜电气元件布置图设计，控制柜结构设计 5. 立体车库控制系统软件设计：控制软件流程图设计，控制软件程序设计，监控软件界面设计。 第2章 总体设计及控制系统方案设计 2.1立体车库总体方案 2.1.1 立体车库类别及基本参数 本文设计车库为垂直升降式立体车库，具体为纵向 并列车位型电梯式立体车库，如图。 本文设计车库基本参数如下： 图2-1 立体车库示意图 （1）适停车辆尺寸及质量 表2-1 立体车库适停车辆尺寸及质量 本文设计立体车库适用于T组及以下车辆。 组别代号 汽车长×车宽×车高/mm 质量/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辆 （3）单车最大进出时间：60s 2.1.2 主功能原理设计 立体车库相对与一般车库的主要特点是将停车位向竖直空间延伸，从而大大增加土地利用率，因此，其主功能是车辆搬运。对于电梯式立体车库，其搬运车辆功能可分解为三：垂直升降、水平横移、载车板交换。 图2-2 主功能分析图 （1）垂直升降功能原理设计 由于电梯式立体车库垂直升降高度较高，故参照一般电梯的成熟技术，采用钢丝绳曳引方式，车辆置于一轿厢内，通过曳引绳连接到曳引机，从而实现垂直升降。 图2-3 曳引系统示意图 （2）水平横移功能原理设计 一般采用多级叉架进行水平横移，但这种方式有以下缺点： 1.需设计复杂的多级叉架结构； 2.当叉架伸出时，叉架悬空，仅由轿厢支撑，为一悬臂梁结构，为承受车辆载荷，势必导致叉架结构尺寸较大，同时具有使轿厢侧翻的倾向，故需对轿厢进行可靠固定 3.实现两个方向的横移较困难。 所以，本文在此提出一种横移小车方案。即在轿厢内设有一横移小车，车辆停放于横移小车之上，小车在轿厢和车位的导轨上运动，实现车辆的水平横移。 图2-4 横移小车示意图 相对于叉架式，横移小车具有结构简单，受力状态良好，易实现两方向横移的优点。 （3）载车板交换功能原理设计 车库停车时，车辆先是停在轿厢中，而最终车辆需要停放到车位上，载车板就是为了实现车辆停放位置在轿厢与车位之间变换功能的一个构件。本文采用叉梳式载车板结构。车位上的载车板和横移小车上的载车板为叉梳式结构，且在竖直方向上，前者的梳齿正好与后者的梳齿缝隙重合，后者从高位下降到前者下面的同时，即完成了载车板的交换，车辆停放到了车位上。车库取车过程与之类似。 载车板交换的关键是实现载车板竖直位置的变化。由于本文采用小车横移，故采用在小车上装举升机的方式，完成载车板上下运动，从而实现载车板的交换。 图2-6 横移小车上载车板结构 图2-5 车位载车板结构 其中，载车板交换的原理如2-7所示。 图2-7 载车板交换原理 2.1.3 立体车库的技术参数 (1)层高:3m (2)层数:8层 (3)时间分配及速度 曳引往返最大时间：43s 横移往返最大时间：11s 举升往返最大时间：6s 曳引额定速度：1m/s 横移额定速度：0.5m/s 举升额定速度：0.1m/s （4）定位精度 曳引定位精度：± 10mm 横移定位精度：±20mm 图2-8 车库总体布置图 举升定位精度：±10mm 2.1.4 车库总体布置图 根据课题要求，现设计车库的整体结构，其布置图如图2-8 2.2 控制系统总体方案 2.2.1 控制系统功能分析 对立体车库控制系统进行功能分析如图所示，本文重点在车辆搬运和安全保障功能上，下面对此做出设计。 图2-9 立体车库控制系统总体功能分析图 而车辆搬运属于运动系统，其一般功能结构如下图： 图2-10 运动系统功能结构图 2.2.2 曳引控制方案设计 1. 性能要求 （1）平层精度：10mm; 横移小车顺利横移的前提是轿厢中导轨和车位中导轨基本齐平，如果两导轨竖直位置相差过大，则横移过程将会产生较大冲击，对设备寿命造成影响。故在此提出平层精度要求。 （2） 速度：额定速度1m/s。 （3） 加速度限制：1m/s^2。由于曳引系统是以钢丝绳和曳引轮之间的摩擦力为动力驱动的，若加速度过大，会发生打滑，对钢丝绳产生损害，甚至发生事故，故对曳引加速度做出限制[2]。 2.功能分析及方案综合 首先将曳引功能分解为四个功能元，同时列出了其对应的功能载体，如下表2-1所示。 表2-1 曳引功能方案综合 曳引功能元 功能载体 定位控制 低速定位 位置闭环 驱动与执行 位置闭环 直流调速 交流变频调速 变频调速控制方式 V/f控制 无速度传感器矢量控制 有速度传感器矢量控制 检测装置 接近开关 旋转编码器 （1） 定位控制 由于曳引额定速度较高，Ve=1m/s,且制动加速度a限制在1m/s^2以下，若直接高速制动，定位精度难以保证，显然是不可取的，必须采用一定的定位控制方式。 首先介绍低速定位方式。如下图所示，A为减速点，BC段为低速运行段，C为制动点。低速定位的基本思路是在到达定位点之前减速至一较低速度，在接近定位点时制动，由于制动前速度较低，故制动过程迅速，制动距离很小，具有一定精度。理论上其制动前速度越低，其定位精度越高。 图2-11 低速定位原理示意图 这种定位方式的优点是控制过程简单，对设备控制性能要求低，特别适合定位点固定，且定位精度要求不太高的场合，故被广泛使用在电梯和起重机的定位中[4]。 其次是位置闭环定位控制。这是自动控制系统中常用的定位控制方式，往往具有较高的定位高度，且定位速度较快。但相对于低速定位方式，其对控制设备要求较高，且控制过程复杂，适用于要求较高的场合。 基于以上分析，低速定位方式无疑是一种既能满足性能要求，且简单经济的定位方式，故本文采用低速定位方式。 低速定位精度分析： 理论制动距离 （2-1） 实际制动距离 （2-2） 令V的波动率为 ,a的波动率为 制动距离变化量 （2-3） （2-4） （2-5） 由于Ka较小，将近似为a,定位误差 （2-6） a=1m/s^2时, （2-7） 由此可知，定位误差以二次方关系随着速度降低而减小。 取 ，则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;故当V=0.25m/s时，即调速范围D=4时，基本可满足定位精度要求。 （2）驱动与执行 a.交流双速电机。三相异步电机:n0=60f/p交流双速电机调速原理是通过改变磁极对数p,从而改变n0实现调速，此种调速方法较简单经济，但一般调速范围在4以下，参考一般电梯交流双速电机驱动，定位误差在30mm左右[2]，故要实现预期调速要求较困难。同时，交流电机启动电流较大，对电网形成冲击，需要相应的启动电路或装置。 b.直流调速电机。直流电机调速性能优异，调速范围大，调速装置简单，但其换向器结构复杂，可靠性较低，需要定期维护。 c.交流变频调速。交流变频调速的基本原理是改变电机电源频率f, 从而改变n0实现调速。三相笼型电机由于结构简单，可靠性高，在工业中应用广泛，同时变频调速技术发展的发展已比较成熟，故交流变频调速技术已经在工业应用中逐渐普及，其调速性能可以与直流调速媲美。但变频器的价格比较高，调速成本不低。 首先为了保证满足调速要求，放弃交流双速电机方案。考虑到系统的可靠性和维护成本，决定采用交流变频调速方案。 综合以上分析，选用变频器为驱动装置，三相笼型异步电机为执行装置。 （3）变频调速控制方式 常用的变频调速控制方式可分为三种，现分别介绍如下： a.V/f 控制。包括基本V/f控制和各种补偿控制，其特点是控制算法相对简单，在基频以下，一般其调速范围最大可达10，其缺点是载荷过小时，由于补偿算法的缺陷，容易出现过励磁[4]故不适用于载荷变化较大的场合[5]。同时由于V/f控制基于电机的静态模型，故其调速的动态性能较差。 b.无速度传感器矢量控制。矢量控制基于电机动态模型，将交流电机等效为直流电机，得到静态，动态性能均较好的调速效果。无速度传感器矢量控制利用对电压电流等的检测，通过推算的方法得到近似的电机转速，相比转速开环的矢量控制，能在一定程度上提高调速性能，由于省去了测速装置，故在对调速性能不太高的场合得到广泛应用，其调速范围一般可达20. c.有速度传感器矢量控制。即直接通过测速装置获取电机转速，相对于推算的方式，其精度更高，故性能更好，常用在对调速静态动态性能较高的场合,调速范围在20以上，是一种高性能的调速方式。 已知曳引系统额定载荷为2.5t,设车辆质量在1.3t~2.5t之间变化，曳引系统中对重平衡的重量是轿厢重量加50%额定载荷，即对重可平衡掉1.25t的车辆质量，因此曳引系统净载荷变化范围为0.05t~1.25t,载荷变化很大，可以说出现了空载状况，故V/f控制难以胜任。由于立体车库曳引系统对调速性能要求并不太高，故无速度传感器矢量控制已经足够。 综合以上分析，本文选用无速度传感器矢量控制作为变频调速的控制方式。 （4）检测装置 曳引控制主要包括定位控制和选层控制，对应的需要一定的检测装置。 a.定位控制检测。根据上述对定位控制的介绍，主要需要两个信号：减速信号和制动信号；为了防止偶然因素引起的定位偏差过大，还可增加一平层检测，用以检测轿厢位置是否在预期范围内。不难发现，以上检测量均为开关量。 b.选层控制检测。立体车库的选层相对于电梯选层较为简单，其选层控制具体为从一楼到达某楼层，或者从某楼层到达一楼，选层控制的核心是对楼层位置的检测。由于耧层位置固定，故对楼层位置的检测亦为开关量检测。 接近开关是利用电子信号检测物体接近的开关量传感器，检测装置较为简单且较为可靠。 旋转编码器位置检测精度较高，可以作为连续量的检测。将旋转编码器装在曳引电机上，可以建立立体车库竖直位置坐标系，形成位置闭环[11],完全可以胜任上述检测任务。但其结构较为复杂，且安装较为麻烦。 综合以上分析，本文以简单经济为原则，选用接近开关作为检测装置。 3.控制方案细节 1：加速启动阶段，可通过设置变频器加速时间来控制加速度； 2：高速运行阶段 ，fh可由变频器设置，在此设为50Hz，对应曳引速度VH=1m/s; 3：减速阶段，可通过设置变频器加速时间来控制减速度； 4：低速运行阶段，fl可由变频器设置，在此设为5Hz, 对应曳引速度VL=0.1m/s; 图2-12 控制方案细节图示 5：制动阶段，由变频其控制制动，为电气制动，可通过设置变频器加速时间来控制制动加速度； A：开始启动，方向可由变频器直接控制； B：加速完成； C：开始减速，首先由检测装置确认已到达目的楼层，再由检测装置产生减速信号； D：减速完成； E：开始制动，由检测装置产生制动信号； F：制动完成 图2-13 制动与定位检测示意图 需要指出的是，由于本问设计立体车库曳引系统采用蜗轮蜗杆减速器，具备自锁能力，故不存在一般电梯曳引或起重设备中存在的“溜钩防止”问题[4]，即开始启动时和制动完成时驱动系统和制动器配合的问题，制动器的主要作用是在紧急状况下快速制动。所以，只要保证启动前制动器已松开，制动完成后制动器才合闸即可，因此正常情况下制动器不参与制动，损耗非常小，维护成本较低。 4.检测方案细节 由于低速定位时曳引速度VL=0.1m/s，理论制动距离 =5mm,定位误差ds=3mm，相对于定位精度要求±10mm小很多，故考虑将制动信号与定位检测信号合二为一，即将制动信号 产生点作为定位检测的起点。具体如下：如图所示，当从下往上曳引时，到达A点开始制动，轿厢停止时若位置在A、B范围内，则定位准确，否则定位错误；从上往下曳引时与之类似。 其检测装置布置示意图如下图2-14所示。 图2-14 曳引检测装置布置示意图 曳引时，先由右侧的选层控制挡块判断是否到达楼层，再由左侧的定位检测挡块控制定位。 2.2.3 横移控制方案设计 1. 性能要求 （1） 定位精度：±20mm （2） 额定速度：0.5m/s （3）加速度限制：1m/s^2 2. 功能分析及方案综合 横移亦属运动系统，其功能元及方案与曳引相似，在此只做必要的分析和区分。 （1）定位控制 由前文的定位误差分析得，横移运动a=1m/s^2，V=0.5m/s,ds=75mm，超过横移定位精度要求 ，故在此采用和曳引相同的低速定位方式。 （2）驱动与执行 横移的调速完全可以采用交流双速电机，但考虑到曳引已经使用了变频调速，且曳引和横移运动不可能同时进行，故在此提出同一台电机分时驱动曳引和横移电机的方案。下面对分时驱动的可行性做出简单分析： 首先变频器选型的主要依据是电机最大电流，故只要以曳引和横移电机电流中较大者为选型依据即可。其次一些变频器具有同时存储多组驱动和控制数据组的功能，只要在使用时切换到对应数据组即可分别完成控制。因此分时驱动的方案应当是可行的。 图2-15 变频器分时驱动示意图 横移变频控制方式可以选择V/f控制或矢量控制，均可满足要求，为简单起见，选择V/f控制。 （3）检测装置 横移运动主要是从轿厢移动到车位，或从车位移动到轿厢，故主要控制内容为定位控制。与曳引类似，在此选择接近开关为检测装置。 （4）控制方案细节 与曳引类似，不同之处为fh=25Hz,对应横移速度0.5m/s，fl=5Hz, 对应横移速度0.1m/s。 （5）检测方案细节 与曳引类似，将制动信号与定位检测信号合二为一。 图2-16 横移检测装置布置图 所以，横移检测装置的布置图如下图所示。 2.2.4 举升控制方案设计 （1） 性能要求 1.定位精度：±10mm 2.额定速度：0.1m/s （2）定位控制 由前文的定位误差分析得，a=1V=0.1m/s,ds=3mm,故只需要正常制动即可达到精度要求。 （3）驱动与执行 拟采用液压举升装置，实现举升运动，结构简单，且液压汽车举升机的技术已比较成熟，可加以参考，减小设计难度。故举升控制系统的执行装置为液压阀。下图为某液压汽车举升机原理图。 图2-17 某液压汽车举升机原理图 （4）检测装置 采用接近开关作为举升上下位置到位检测信号。 （5） 控制方案细节 举升控制过程如下： 举升：a.电机通电，泵空载启动；b.延时3s；c.1YA，2YA，4YA通电。 停止：a.1YA，2YA，4YA断电；b.3分钟后电机断电。 下降控制过程如下： 下降：a.电机通电，泵空载启动；b.延时3s；c.1YA，3YA，5YA通电。 停止：a.1YA，3YA，5YA断电；b.3分钟后电机断电。 （6）检测方案细节 向上运动时，收到接近开关信号，则制动；向下运动亦然。 图2-18 举升检测装置布置图 2.2.5 安全设计 （1）功能分析 对安全功能分析如下： 图2-19 安全功能分析图 人的安全主要通过库门和补偿板，实现。库门在车库机械系统运行时关闭，防止人的进入，从而防止事故；补偿板是轿厢在一楼时与载车板互补的构件，两者互补后在一楼形成完整地面，防止危险发生。库门和补偿板均涉及机械装置，故与车和设备的安全一起分析，统称为运行安全。对运行安全功能分析如下： 图2-20 运行安全功能分析图 （2）功能求解 电气安全方面，主要在电路设计部分考虑，详见第三章；本文对库门、补偿板和举升系统只做概念设计，故在此不加求解；机械安全方面，横移、曳引、举升的到位联锁保护通过检测装置检测位置和软件联锁完成，详见第五章；横移、曳引、举升的动作联锁可通过电气联锁和软件联锁完成，详见第三章和第五章。 1.曳引安全 主要参考电梯曳引系统的机械安全进行设计。超速保护和冲顶或撞底保护主要参照电梯设计，属于机械部分，本文不加讨论。在此主要讨论超载保护和端站保护。 图2-21 超载检测示意图 a.超载保护可通过安装在绳头组合中的接近开关进行检测，如上图所示，本文只采用一个称重传感开关。 b.端站保护：参照电梯端站保护，主要包括强制减速开关，强制平层开关和极限开关[2]。当正常减速或平层检测故障时，强制减速、平层开关发挥作用，起到双重检测作用，保证曳引系统正常运行。但上述检测均失效时，极限开关动作，控制曳引系统停止。其布置如下图所示。 图2-22 终端保护装置布置图 2. 横移安全 车位有车保护是防止在车位有车时、将车辆存入同一车位，从而避免事故发生。 图2-23 横移车位有车检测示意图 在此设计在轿厢上安装一光电开关，完成对车位是否有车的检测，极限保护参考一般设备极限保护，在此不加讨论。 2.2.6 控制系统总体结构方案 本文设计立体车库主要为开关量控制，且对运动控制要求不高，属于小型系统，故选用西门子S7-200PLC作为控制器；考虑到立体车库操作需要丰富的人机界面，同时需要一定的管理功能，也为了节省I/O 点数，采用PC机作为上位机，负责车库的管理和控制系统的控制和监视[10]。PLC与变频器采用通信方式连接，简化硬件电路，同时可完成丰富的控制功能。S7-200 一些CPU模块具备两个RS485通信接口，正好可满足与PC上位机和变频器的通信。变频器采用西门子MM440通用变频器，其功能丰富，具备矢量控制功能，且相对专用变频器成本较低。 图2-24 控制系统总体结构图 第3章 控制系统电器选型及电路设计 3.1主电路设计 3.1.1 动力电路 动力电路主要包括变频调速系统主电路，曳引电机制动器电路，举升系统动力电路。 1.变频调速系统主电路 变频调速系统的主电路可分为三个部分：电源输入电路、到电动机的输出电路、制动电路。 （1）输入输出电路主体功能设计 a.保护功能 现代数字式变频器本身具备较完善的保护功能。 以电动机温升模型为依据的过载保护能够为电动机提供优于常规热保护的电子过载保护、这个保护功能同时也部分保护了变频器自身；逆变器教热片温度保护功能为变频器自身提供了完善的过载保护，因为变频器自身过载总是要反映在逆变器件的温度升高上；输出电压和相序都受控于变频器．电源缺相只影响直流部分，电动机并不缺相工作，因此不需要一般意义上针对电动机的过电压、欠电压、缺相和逆相序保护，针对直流母线电压的过电压和欠电压保护保证逆变器处于正常的工作条件；瞬间电流超限保护主要是针对逆变器件的，但同时也就为输出线路和电动机提供了短路保护[4]。 故外部电路上的保护主要为后备短路保护，本文采用空气断路器作为后备短路保护元件，防止变频器内部短路保护失效时事故扩大。考虑到变频器的过载能力一般为150%，1min,为了防止误动作断路器额定电流为变频器额定电流。 b.电源控制和切换功能设计 采用接触器作为电源控制器件。 由于采用分时驱动方式，故需考虑变频器输出切换功能。在此采用接触器完成切换功能，考虑到电机运行时接触器切断电流会产生过电压，对逆变器件造成损害，故不允许在电机运行时切断接触器。同时为了防止两接触器同时接通，两台电机同时运转而造成事故，需设计电气互锁，详见本章3.3节。 输入接触器选型可按照AC3负载选型；输出接触器负载为AC3类别，但由于不承担切除负载电流功能，只需考虑电流通过能力，故可按AC1负载选取[4]。 （2）主电路抗干扰设计 参考一般工程应用的变频调速系统主电路抗干扰设计，在此采用输入电抗器抑制变频器输入侧谐波干扰，提高功率因素。 （3）制动电路设计 表3-1 变频电气制动性能特点图 变频电气制动电路主要有三种形式：能耗制动、直流制动、回馈制动[5]。其性能和特点如下图所示： 电气制动种类 制动方式 功率/kw 用途 能耗制动 消耗在制动电阻上 50 一般要求的制动设备，制动转矩不平衡有冲击，有低速爬行可能 直流制动 动能变电能产生制动转矩 50~100 要求平稳无冲击，停车准确 回馈制动 动能变电能回馈电网 >100 高低速交叉，正反转交替 由于本文曳引系统采用低速平层的方式，故对制动转矩要求不高，且系统功率相对较小，故采用能耗制动方式。 图3-1 变频器负载分析图 能耗制动利用电阻将电机回馈的能量消耗掉。能耗制动电路主要涉及制动电阻阻值、功率，制动单元功率、控制方式。对于功率不太大的变频器，制动单元集成在变频器内部，故不需考虑制动单元功率、控制方式。 制动电阻阻值限制了最大制动力矩，主要与变频器额定电流和直流回路最大电压有关，一般可按变频器厂家推荐的选择。 制动电阻功率决定其消耗回馈能量的能力。负载分析：曳引系统为位能负载， 当向下曳引时，重力势能全部回馈给变频器，功率较大；横移系统为反抗性负载，功率较小，且只在制动时有能量回馈给变频器，与曳引相比可忽略不计。 变频器负载周期分析如图: 制动电阻功率 P=（25*21.5/60）kw=8.96kw （3-1） 另外，设置在制动回路上设置热敏开关，当制动电阻过载时，热敏开关动作，由PLC控制切断变频器电源，详见本章3.3节。 2.曳引电机制动器电路 由于本文设计立体车库采用成套曳引机，其自带电机制动器驱动电路，故控制部分只需设计其电源开关即可，在此采用接触器控制其电路通断。 3.举升系统主电路 主要分为电机和阀两部分。电机电路比较常规，不再赘述；液压阀部分，由于YA2、YA4同时通断、YA3与YA5同时通断，故分别用同一个继电器的不同触点控制。 3.1.2 直流供电电路 直流供电电路主要为PLC为核心的控制电路供电。 由于交流电网中存在着大量的谐波、雷击浪涌、高频干扰等噪声[6]，由于电网电压瞬间变化较难监测,这些干扰在同一供电回路传播是十分难于克服的。为提高整个系统的可靠性和抗干扰能力, 需采取一定的干扰抑制措施,PLC控制系统供电系统一般采用隔离变压器、交流稳压器、UPS电源、开关电源等[7]。在此采用隔离变压器作为直流电路电源的干扰抑制设备。 采用24V直流稳压电源作为电源。 3.1.3 辅助电路 辅助电路主要包括电源指示和控制电路，维修辅助设备和散热风扇等。 将主电路按电压分为三部分：380V、220V、24V，对应采用三套电源指示和控制电路，用旋钮开关和接触器实现电源开关。380V电源为总电源，故在其对应电源开关处设置急停开关，用以在紧急情况下切断系统电源。 3.1.4 断路器设置 考虑到电路各部分的额定电压电流差别较大，同时也为了防止发生短路时故障扩大，减小损失，故考虑在多个回路中设置断路器。 3.1.5 接地 各主要设备的外壳均需可靠接地，防止人为操作时发生触电事故。 3.2电气设备选型 3.2.1 执行电器选型 执行电器选择主要属于机械系统设计，在此直接列出参数。 曳引电机：三相笼型异步交流电机，额定功率P=25kw,额定转速n=1470r/min,额定电流=48A,极数p=4，额定电压Ued=380V。 横移电机：三相笼型异步交流齿轮减速电机，额定功率P=4kw, 额定电压Ued=380V，额定输出转速n=36r/min。 曳引电机制动器：直流，额定电压110V，额定电流1.2A。采用常闭式，即在断电时合闸制动，通电时才开闸。防止正在曳引时突然停电造成事故[2]。 举升部分不做具体设计，故举升电机及其电磁阀未加选择。 3.2.2 变频器选型 已知电机电压Ued=380V，曳引电机功率明显大于横移电机，选用其额定电流=48A作为选型依据。变频器额定电流应满足[5] （3-2） 为变频器额定电流，为电机最大电流。 由于曳引电机主要在额定电流以下运行，故可令，则 =52.8A. （3-3） 表3-2 变频器选型表 综上以Un380V， 为依据，选择西门子MiroMaster440(MM440)变频器 额定输出 /kw 额度输入电流 /A 额度输出电流 /A 重量 /kg 订货号 30 59 62 20 6SE6440-2UD33-0EB1 图3-3 变频器选型图 MM440带有一个RS485接口，可与PLC通信，具备多种V/f控制功能和矢量控制功能，同时具备存储三组驱动和命令数据组的功能，可满足分时驱动不同电机要求。 其变频器快速调试参数设定如下表所示。 表3-3 变频器快速调试参数设定 P0003 参数 内容 默认值 设置值 说明 曳引和横移电机 1 P0100 使用地区 0 0 欧洲：功率单位kw,频率默认值为50Hz 3 P0205 应用领域 0 0 恒转矩 2 P0300 电动机类型 1 1 异步电动机 1 P0304 电动机额定电压 230 400 额定电压为400V 2 P0310 额定频率 50.00 50.00 额定频率为50.00Hz 2 P0335 电动机冷却方式 0 0 电动机冷却方式为自冷 1 P0700 命令源 2 5 COM链路的USS设置 1 P1000 频率设定选择 2 5 通过COM链路的USS设定 1 P1080 最小频率 0.00 0.00 允许最低的电动机频率 1 P1082 最高频率 50.00 50.00 允许最高的电动机频率 1 P1120 斜坡上升时间 10.00 1.00 电动机从静止状态加速到最高频率所用的时间 1 P1121 斜坡下降时间 10.00 1.00 电动机从最高频率减速到静止状态所用的时间 2 P1135 OFF3斜坡下降时间 5.00 0.50 参数发出OFF3命令后，电动机从最高频率减速到静止状态所用的时间 2 P1500 转矩设定值 0 0 无主设定值 2 P1910 自动检测方式 0 0 2 P0308 电动机功率因素 0.00 （数据暂缺） 3 P0320 电动机磁化电流 0.0 由变频器自行计算 曳引电机 1 P0305 电动机额定电流 3.25 48 48A 1 P0307 电动机额定功率 0.75 25 25kw 1 P0311 电动机额定转速 0 1470 1470r/min 2 P0640 过转因子 150 150 电动机过载电流限幅值为额定电流的150% 2 P1300 电动机控制方式 0 20 无传感器矢量控制 横移电机 1 P0305 电动机额定电流 3.25 （数据暂缺） 1 P0307 电动机额定功率 0.75 4 4kw 1 P0311 电动机额定转速 0 1470 （数据暂缺） 2 P0640 电动机过载因子 150 150 电动机过载电流限幅值为额定电流的150% 2 P1300 电动机控制方式 0 1 带磁通电流控制的V/f控制 涉及变频器驱动数据组切换的设置 3 P0820 DDS位0 722.0 722.0 以DIN1为DDS位0的命令源 2 P0701 数字输入1的功能 1 99 使能BICO参数化 图3-2 变频器数据组切换示意图 由于未找到通信方式切换变频器驱动数据组的方法，从而分时驱动曳引电机和横移电机，故在此采用数字输入端子1（DIN1）控制数据切换。当DDS位0为0时，切换到DDS1数据组，即为曳 引电机驱动数据组；当DDS位0为1时，切换到DDS2数据组，即为横移电机驱动数据组。 3.2.3 PLC选型 如下表所示是PLC I/O分配表，根据PLC点数 、输出类型 、功能要求等要求，可选用西门子S7-200。 表3-4 PLC I/O分配表 DI DO I0.0 曳引定位开关 Q0.0 曳引电机接触器 I0.1 指层开关 Q0.1 曳引制动接触器 I0.2 横移定位开关 Q0.2 举升电机接触器 I0.3 举升定位开关 Q0.3 横移电机接触器 I0.4 车位有车开关-左 Q0.4 变频器电源 I0.5 车位有车开关-右 Q0.5 备用 I0.6 上强制减速开关 Q0.6 备用 I0.7 上强制平层开关 Q0.7 备用 I1.0 上极限开关 Q1.0 向上举升 I1.1 下强制减速开关 Q1.1 向下举升 I1.2 下强制平层开关 Q1.2 举升辅助 I1.3 下极限开关 Q1.3 变频器数据组切换 I1.4 横移极限开关-左 Q1.4 声光报警器 I1.5 横移极限开关-右 Q1.5 备用 I1.6 超载开关 Q1.6 备用 I1.7 制动电阻热敏开关 Q1.7 备用 I2.0 急停开关 I2.1 备用 … 备用 由上表可知，输入点数DI=17，输出点数DO=9，选择输出类型为 晶体管型，功能要求：通信接口2个 ，据此选择CPU类型为CPU 226； 表3-5 PLC选型 CPU CPU供电 数字量输入 数字量输出 通讯口 订货号 CPU226 24VDC 24×24VDC 16×24VDC 2 6ES 7216-2AD23-0X80 3.2.4 变频器选件选型 由于MM440 变频器0.12kw-75kw型号集成了制动斩波单元，故不必另选。其选件主要包括制动电阻和进线电抗器。 （1）制动电阻选型 在变频调速系统主电路设计部分已分析了制动回路的设计，制动电阻阻值采用厂家推荐值15，但厂家提供的制动电阻功率只有2.2kw，即使使用两个阻值为8 ，功率为4kw的制动电阻串联功率依然不够。故只能选择其他厂家的制动电阻。在此不做具体展开。 （2）进线电抗器选型 选用厂家提供的进线电抗器，订货号为6SE6400-3CR08-3ED。 3.2.5 接近开关选型 在此将本文涉及接近开关按功能分为三部分：定位接近开关、超重检测接近开关、车位有车检测接近开关。 （1）定位接近开关 选用槽型光电开关，用于曳引定位、曳引选层、横移定位、举升定位检测。选用OMORON的定位用槽型光电开关,信号为E3Z-GN11B，重复精度0.5mm完全可满足定位要求。 （2）超重检测接近开关 由于绳头组合变形量难以得到，故在此不做选型。 （3）车位有车检测接近开关 考虑到横移小车在轿厢时与车位中的汽车有一定距离，故选用扩散反射型光电开关，其检测距离较长，可完成检测。具体选用OMRON的E3FA-DN23型，检测距离为1m。 3.2.6设备和器件清单 表3-6 设备清单表 元件 型号 个数 厂家 S7-200 CPU226 ( 6ES 7216--2AD23--0XB0) 1 西门子 DC24V电源 PS207 （ 6EP1 332-1LA10） 1 西门子 MM440变频器 6SE6440-2UD33-0EB1 1 西门子 PC 略 1 制动电阻 略 隔离变压器 ABL6TS16U 1 施耐德 电抗器 6SE6400-3CR08-3ED0 1 西门子 表3-7 器件选清单 元件 型号 个数 厂家 槽型光电开关 E3Z-GN11B 4 OMRON 扩散反射光电开关 E3FA-DN23 2 OMRON 极限开关 HL5000 8 OMRON 急停按钮 1 超载检测传感器 略 1 三位四通换向阀 略 2 二位二通换向阀 略 1 断路器 Tesys 7 施耐德 接触器 Tesys 8 施耐德 继电器 Tesys 3 施耐德 热继电器 Tesys 2 施耐德 声光报警器 1 施耐德 风扇 维修灯 1 指示灯 2 电压表 2 电流表 2 旋钮开关 3 维修插座 1 3.3 PLC I/O接口电路设计 PLC的I/O分配表参见表3-4，在此对电气联锁进行分析，详见图3-3 （1）曳引电机和横移电机联锁 主电路设计分析中提到，为了保证曳引电机接触器（KM3）和横移电机接触器(KM4)不同时接通，对其控制电路设置电气互锁 （2）曳引电机和曳引制动器联锁 保证曳引电机制动器接触器未动作，即制动器未松开时，曳引电机不通电。 （3）横移电机和举升动作连锁 PLC电源，输入输出点的电源均由DC24V电源提供。 图3-3 PLC I/O接口电路图 3.4 变频器电路设计 主要分为三部分：动力电路，控制电路，通信电路，其中动力部分已在主电路设计中分析，在此不赘述。电路如图3-4 （1）控制电路 由于采用通信连接，故其通信电路较为简单，将s7-200CPU的Q1.0端口与MM440的DIN1端口相连即可。该电路主要功能是切换变频器驱动数据组，是笔者未找到对应通信控制方式而采用的权宜之计。 （2）通信电路 S7-200CPU226有两个RS485接口，选择其中的Port0与MM440的RS485端子连接。采用PROFIBUS电缆进行连接，CPU226端用网络插头连接，MM440端则直接接端子。接线如图。由于是高速通信，故电缆的屏蔽层需双端接地；CPU226的M端与MM440的0V连接为通信口的等电位连接，可以保护通信口不致因共模电压差损坏或通信中断[8] 表3-8 MM 440 的 USS 通信相关端子 端子号 名称 功能 1 - 电源输出 10 V 2 - 电源输出 0 V 29 P+ RS 485 信号 + 30 N- RS 485 信号 - 表3-9 变频器通信配置参数表 P003/P004 参数 内容 默认值 设置值 说明 2/20 P2010 USS波特率 6 7 设置波特率为19200bit/s 2/20 P2011 USS地址 0 1 设置MM440的地址为1 3/20 P2009 USS规格化 0 0