全自动立体停车场模拟控制系统设计2(1).docx
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1、 甘 肃 机 电 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 全自动立体停车场模拟系统设计 王娟霞 学校: 甘肃机电职业技学院 系部: 电气工程系 专业: 电气自动化 班级: G143403 指导教师: 刘祥祥 2017 年 5 月 22 日 1 摘 要 智能建筑将是信息社会最重要的基础设施之一。停车场管理控制系统则是现代建筑中不可或缺的一部分。随着计算机控制技术的发展,停车场管理控制系统的功能及软硬件设施也伴随其发展而不断改进。本文在对停车场管理及控制系统基本功能研究的基础上改进其系统构成及控制流程 ,应运 plc 作为现场控制器,对现场设备进行信号采集 与控制。研究了停车场及其控制系统在只能建
2、筑中的作用及其自身管理模式的发展,变化。对典型停车场的管理及控制功能需求进行进行分析与研究,在此基础上提出模块化控制管理流程。根据管理及控制功能需求,充分研究了相关系统组 件的工作原理及性能指标,据此进行系统功能设计及硬件选型。在选用 plc作为现场控制器的基础上,研究了 plc 网络的构成及其网络通信协议,采用 profibbus的通信协议,根据控制需求对 plc控制器的编程相关软件进行组态,并完成 plc 控制程序的设计。改进停车场车路控制系统并完成控制程序设计 关键词:停车场 、 plc、 控制系统、通信协议 2 目 录 摘 要 . 1 第 1 章绪论 . 4 1.1课题研究的意义 .
3、4 1.2智能立体停车场国内立体停车场发展现状 . 6 1.3本文研究的主要内容 . 7 第 2 章智能立体停车场控制系统的总 体设计 . 9 2.1智能立体停车场的选型和设计方案分析 . 9 2.1.1 立体停车场的型号选择 . 9 2.1.2 立体停车场的设计方案分析 . 10 2.2智能立体停车场的工作过程 . 11 2.3智能立体停车场的设计要求 . 14 2.4智能立体停车场的总 体设计 . 15 2.5智能立体停车场现场电气控制系统的设计方案 . 16 2.6本章小结 . 17 第 3 章智能立体停车场控制系统的硬件设计 . 18 3.1可编程控制器的选型 . 18 3.2 工控计
4、算机的选择 . 20 3.3 PLC 在立体停车场中的工 作过程 . 21 3.4升降横移装置的驱动方式 . 22 3.5变频器与电机选型 . 23 3.6位置检测装置和控制系统原理 . 24 3.7本章小结 . 25 第 4 章智能立体停车场监控系统的软件设计 . 26 4.1组态软件的 应用 . 26 4.1.1 开发工具概述 . 26 4.1.2 组态软件在立体停车场中的功能 . 27 4.2 组 态 软 件 的 设 计 步 骤 . 27 4.3监控系统上位功能的实现 . 28 4.3.1 存取车指令的编写 . 28 4.3.2 梯形图语言的编写 . 29 4.3.3 监控系统操作界面
5、. 29 4.3.4 系统运行前的调试 . 30 3 4.3.5 仿真测试 . 30 4.4本章小结 . 33 结 论 . 34 参考文献 . 35 附录 A 2号车位存取车命令语言 . 37 致 谢 . 39 4 第 1 章绪论 1.1 课题研究的意义 随着当下经济的改革与发展,城市化的趋势越来越明显,大众的生活质量也得到了明显改善,因此大多数家庭开始选择拥有一辆私人汽车。中国产业信息网发布的 2015-2020 年中国汽车整车制造市场评估及投资前景预测报告显示,截止到 2015 年 6 月,我国汽车保有量已经突破了 1.63 亿辆如图 1-1,保有量已经仅次于美国,成为全球第二 。 图 1
6、-1历年汽车保有量 面对着 “ 城市 ” 这样一个受到空间限制的地域,在空间利用方面出现了很多亟待解决的难题,这当中,属 “ 停车场 ” 问题最为紧迫也最为严重,是急需要措施解决的一个重要难题,原因有两点,其一:由于经济发展,大分市民为了出行方便购买汽车,车辆的数量不断增长,特别是居民区、娱乐场所、公司大厦的高速增长导致周边人流居多,停车时没有车位成为一个难题。其二:城市土地资源匮乏,价格不菲,地面停车场因占用土地较多,其发展受到较大限制。智能化的 5 停车场的建造,不仅仅是对当下城市里有车无处停放问题的最好解决手段之一,也能够在一定程度上缓解其心 地面积大的难题,为本来就狹小的城市区域节省空
7、间。 未來几年,从城市需求的角度上讲,中国需要智能立体停车场数量明显高于其他发达国家。中国关于这方的发展是源于九十年代开始,之后到了二十一世纪开始借鉴国外的科学经验,并自主进行研制相应设施,同时在北京、上海、香港等比较发达的城市开始投入使用。升降式自动立体停车场是一种性价比极高的建筑物,不仅包括了升降式停车设备,其规划建设涉及领域较多,例如城市整体景观、建筑结构、照明供电、安全消防、通讯监查、收费管理等,机械停车设备的发展已经具备了停车设备屮最为先进的技术,为了使 我国停车技术更加完善,需要社会上的精英踊跃参与,把国外先进成熟的停车设备技术成功的运用到我国的停车设备技术上,从而开发出安全,可靠
8、,性能良好,自动化高,存取速度快的停车设备来满足我国目前的市场需求。除此外,中国的停车设备在研发中还存在着许多难以解决的问题,因为没有统一规范的技术准则,绝大多数的停车场设备都是模仿或者引进国外的技术进行制造,缺少一些有能力的研发团队,生产技术水平较低,造成我国自动化停车场发展进步缓慢;有的公司为了抢占市场,增加经济收入,采用了错误的竞争手段;所以,没有权威的科研单位参与,无创新 能力,政策相对发达国家不成熟,管理制度不完善等。都是 目 前存在的问题,要想解决以上的问题,需要在立体停车场的政策上、市场上、管理上与技术上寻求更多的方法进行相应完善,进而使得难题都被攻克。 停车场政策方面可以按照发
9、达国家的政策及法规来形成我国有效的停车场政策,规划出我国停车位需求的大概数量,制定相关的停车收费标准,确定立体停车场的管理规定,对投资赞助的相关企业提供一定福利,从而激发投资者的热情。而市场方面应成立一套有法律依据的规定,对违章停车的行为加大惩罚,从而逐渐减少或彻底解决“ 路满库空 ” 的现象。鼓励有实力的公司来管理运作停车场,加大贯彻政府管理和监督机制,使我国停车产业稳定发展。 本课题设计是利用 PLC 技术的自动化特点,来应对目前我国智能立体停车场所存在的管理繁杂,智能化水平不足,安全性低 的缺点,参照目前世界上成熟的停车场技术,设计了一种技术较为先进、安全性能高、自动化系数高的立体停车场
10、系统 。 6 1.2 智能立体停车场国内立体停车场发展现状 我国智能立体停车场设备研发工作开始于 1980 年代中期, 90 年代以后才得飞速发展。目前全国已成功建成的智能立体停车场有 8000多个,当下在上海、北京、深圳、广州、天津、成都、大连、南京、济南、福州、沈阳 等大中型城市都接二连三的出现了立体停车场,其中因为场地 或者是经济条件的限制,依旧以规模较小的立体停车场占据主 体地位,一百个车位以下的占据了 64%,超过了半数之 多,一百至五百车位的有 33%,五百个以上车位的仅仅有3%。其中按建设区 域划分,将近一半都是建设在商业住宅小区,而企事业单位进行 占地的占据 30%,用于公共领
11、域的则有 20%,如图 1-2 所示。 图 1-2 立体车停车场建设区域比例 当下国内已建成的立体停车场中升降横移类占据了大部分,达到了总的 84%,在这之外还有像垂直升降类与平面移动类。从相关技术层面来看,则是由一开始的机械传动式渐渐转变成为了液压传动式、机械液压传动式、电传动式这几种,呈现着智能化的趋势。其中使用的相关操作方式也由一开始的手动操作开始慢慢演化成为电气操作、企事业单位 公共区域 商业住宅小区 7 PLC 操作与现场总线操作,同时在和美国、澳大利亚、瑞士等发达国家进行比较时,中国的技术方面依旧有着很大不足,因此,中国的智能停车场的开发与研究还有更大的进步空间。 中国对设备这方面
12、给与越来越多的关注,在 2004 年之 后,相关检测机构就对立体停车场生产运营企业进行相应的检查,同时给出明确要求,在 2005 年 3 月 31 日之前没有得到许可证的相关企业不能从事立体停车场生产建设的工作,不能出现无牌照经营的状况,保证经由检查的产品才能够流向市场。而在 _内其他很多学院与研究机构也给与了很多技术方向的支持,在对包括结构、系统、存取形式、系统稳定性、工艺性等各种方向进行的研究分析,进而研发相关技术得到应用。在另一方面 W 家也对规章制度进行相应的完善调整,上至中央,下至地方,都进行了一系列法律条文的制定,进而使得立体车停车场市场能够得到有效的 管理,减少出现市场混乱的状况
13、。 即使在一定程度上我国在立体停车场方面已经有明显进步,其实和真正的市场需要还有着很大的差距。相关设备依旧需要对成本问题进行进一步改善,改良技术使设备变得价格低廉且更加安全也尤为重要。 1.3 本文研究的主要内容 本文以智能立体停车场的控制系统为研究对象,研究智能立体停车场的主体结构,通过对电气系统控制的硬件和软件分析,探讨其智能立体停车场的存取车原理,从而设计出理想方案,使可编程控制器PLC 控制立体停车场完成对车辆自动存取功能的实现。用组态软件监控仿真研究上位机实现实时存取过程, 最后提出人机界面系统的合理方案,展现了该课题的简洁操作,而实现立体停车场的智能化设计。其主要研究内容如下: 阐
14、述智能立体停车场的设计理念,主要针对于升降横移式智能立体停车场予以控制系统构造方面的深入研究,指出存取车的原理与流程,提出总体设计方案。 通过对停车场排队算法和存取车策略的研究,得到了停车场系统的各项运行指标。为达到能源消耗与效率方面最为优化的目的,对停车场存取车策略进行了分析。 对 PLC 进行了选型分析,根据智能立体停车场控制要求,确定各硬件的型号,针对立体停车场控制系统的总体设计方案,对 PLC 的 8 I/O口进行了分配。 针对智能立体停车场进行软件程序编写,对上位机进行相关的设计,采用组态软件实现监控系统,并进行仿真测试。 9 第 2 章智能立体停车场控制系统的总体设计 在本章论文研
15、究中,首先介绍了智能立体停车场的分类,然后对立体停车场存车取车的流程进行研究分析,再根据系统运行中的特性,分别介绍与分析了智能立体停车场立体电气控制系统架构、电气控制方案以及设计要求。 2.1 智能立体停车场的选型和设计方案分析 2.1.1立体停车场的型号选择 由结构特性来区分,立体停车场可分为平面型和立体型两种,平面型又可分成地下平面型和地上平面型;立体式停车场又可由控制类型划分为为自动型、半自动型和全自动型立体停车场。当今,智能立体停车场的种类发展多样, 主要的有:垂直循环形式、垂直提升形式、箱型水平循环形式、圆形水平循环形式、巷道堆垛形式、升降横移形式等。本文采用实际运用最多的的升降横移
16、式立体停车场来进行分析研究,如图 2-1 所示。 图 2-1 升降横移式立体停车场 升降横移式立体停车场的整体构造可设计成多层停车,停车位可根据需要建成数十个到上百个。升降横移式立体停车场的主要特点是空间占用少,土建地基、外装修、消防投资少,成本费用低,取车存车时间短,配置灵活;引入具有较高智能的控制系统,结构简单,安全性能高,工作过程稳定,运行时噪声低。 10 2.1.2立体停车场的设计方案分析 1) 智能立体停车场的运行原则 升降横移立体停车场以 NxM二维矩阵为基础建立其车位结构,依据此特征,在设计立体停车场时将包含多个列与多个层,其中, M 表示其列数,而 N 则表示其具有的层数。因此
17、通过此原则便可计算得到立体停车场所能提供的总车位数为: P=NXM-(N-1) (2-1) 式 (2-1)中 : N表示停车场的层数 (即矩阵的行 ) M表示停车场的列数 (即矩阵的列 ) P表示车位数 假如先需要建设出一座可以停下 18 辆车的三层升降横移立体停车场,由公式 (2-1)可得出, N=3, P=18, 则 M=7。 2) 智能立体停车场的设计流程 下面将详细的介绍设计开发停车场控制系统的主要思路与过程: 确定被控对象的型号,分析智能立体停车场的工作流程,明确被控对象的控制要求和控制方式,最后阐述现场电气控制系统方案。 在明确了控制系统大致的设计方向后,将如下两个方面展开以进行深
18、入的开发工作,首先是设计开发控制系统硬件部分,其次是对智能立体停车场模型进行仿真和测试。 硬件层次:首先是选定主控制器的型号,分配 PLC 的 I/O 地址,并且规划外部连接线路。同时还要设计报警电路,设计手动、自动控制电路及动力主电路,连接运行显示,安全联锁联动等。 软件层次:使用模块化的方式,开发的程序易于后期修正,内容包括了有初始化程序,主程序,载车板复位及自动取车存车子程序,运行显示子程序。 其立体停车场控制系统的总体设计方案流程如图 2-2 所示。 11 图 2-2 立体停车场控制系统的设计方案流程 2.2 智能立体停车场的工作过程 智能立体停车场的每个车位下面都有一个用于承载车辆的
19、载车板,当立体停车场存取车的过程中,需要通过载车板的升降和横移到达指定位置,其移动由停车场的电机驱动,在钢丝绳的拉伸下载车板受到曳引而进行升降动作,仅靠一台电机就能够移动载车板。 如图 2-3 所示即为在九宫格立体停车场中进行取车与存车作业过程。假设立体停车场内车位己达到 7 辆满载,当要取出 1 号停车位上的车辆时,可分为以下几步: 将 5 号、 7 号车位上车辆分别向右移动至 1 号空位和 2 号空位,再将 4 号、 6 号车位上的车辆移动到 5 号、 7 号原来车位,即 1 号车位下方将有下降的空 间; 将 1 号车位上的载车托 盘从三 层下降到一层,此时 1 号车位载车板上的车可离开,
20、即完成了该车辆的取车流程; 12 将 1 号车位的载车板向上复位到最开始的位置; 将原 4 号, 5 号, 6 号, 7 号车位上的载车板平行向左移回到原始车位。 综上所述,其他车位的车辆也按照此原则,即:最上层的载车板只能上下垂直移动,一层的载车板只能左右平行移动,而中间的载车板既可上下移动,也能左右移动。此外其他车位同样有复位功能。 13 图 2-3 智能立体停车场的存取车 14 2.3 智能立体停车场的设计要求 在开发设计智能立体停车场时,要充分的体现其便利性、人性化以及较高的智能化。所以提出如下要求: 1) 采用 PC端控制,在 PC上显示车辆存放的位置和车位号码,以及当前车位是否有车
21、的状态。 2) 存车时车主在电脑屏幕上输入自己车辆想要存入的车位号码,按照规定的程序,此载车板会通过移动进入最下层,使车辆存入车库,当车主存车完毕离开停车场时按下复位按钮,车辆载车盘会恢复到初始位置。 3)当车辆超重或者停车场控制系统产生故障之时,电脑上发出警报提示并且在屏幕上显示,在 PC上显示该停车场发生的故障。 程序设计要求如下: 1) 下层车位上的载车板向左右方向移动,上层车位上的载车板上下升降运动,來完成停车场的存车取车: 2) 在人工操纵时可以停止或者启动各个的载车板; 3) 在寻觅空车位的过程中,车主可以依靠电脑系统自动操纵,并且控制车辆前往空闲的位置;而等到其需要取车时,该系统
22、可以将车辆送达至一层以方便车主取用。 单个车位存取控制流程图如图 2-4. 15 图 2-4单个车位存取车流程图 2.4 智能立体停车场的总体设计 立体停车场是功能丰富的大型设备,其中应用了先进的机械工程、电子技术、计算机、通信工程领域的技术,立体停车场将结合系统的需求分析,进行管理控制系统的设计。 PLC(可编程控制器 )的功能已经能够基本地满足立体停车场的控制管理需求。 不过 PLC控制的也存在一定的缺陷,表现为不具备处理大型数据的能力,并且在文字显示与处理方面没有达到预期的要求,因此为了更好地管理与维护,同时实现网络化管理以及通信,该系统的控制端 16 将通过 PC 来实现,系统的上位机
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