全自動(dòng)立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（全套含CAD圖紙）
全自動(dòng)立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（全套含CAD圖紙）,全自動(dòng),立體,車庫(kù),控制系統(tǒng),設(shè)計(jì),全套,CAD,圖紙
畢業(yè)設(shè)計(jì)
題目：
全自動(dòng)立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
全自動(dòng)立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要
本文設(shè)計(jì)了一種垂直升降式立體停車庫(kù)，其機(jī)械部分主要采用小車作為橫移裝置，用舉升機(jī)實(shí)現(xiàn)載車板交換，用曳引系統(tǒng)完成垂直升降；車庫(kù)共8層，每層2個(gè)車位，共14個(gè)車位。本文的重點(diǎn)在于立體車庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
控制系統(tǒng)采用PLC作控制器，利用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用各種接近開(kāi)關(guān)作檢測(cè)裝置。用功能分析的方法設(shè)計(jì)了詳細(xì)的控制方案、檢測(cè)方案，并進(jìn)行了車庫(kù)的安全設(shè)計(jì)。對(duì)低速定位原理進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，得出平方反比規(guī)律。提出變頻器分時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)的思路。完成對(duì)主要元器件的選型，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了PLC控制程序，提出監(jiān)控軟件的界面設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)了控制柜的元件布置圖，完成控制柜的柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：立體車庫(kù) 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(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 1
1.3 立體車庫(kù)的種類 2
1.4 本文研究的內(nèi)容 3
第2章 總體設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 4
2.1 立體車庫(kù)總體方案 4
2.1.1 立體車庫(kù)類別及基本參數(shù) 4
2.1.2 主功能原理設(shè)計(jì) 4
2.1.3 立體車庫(kù)的技術(shù)參數(shù) 7
2.1.4 車庫(kù)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(shè)計(jì) 8
2.2.3 橫移控制方案設(shè)計(jì) 14
2.2.4 舉升控制方案設(shè)計(jì) 15
2.2.5 安全設(shè)計(jì) 17
2.2.6 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案 19
第3章 控制系統(tǒng)電器選型及電路設(shè)計(jì) 21
3.1 主電路設(shè)計(jì) 21
3.1.1 動(dòng)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(shè)置 23
3.1.5 接地 23
3.2電氣設(shè)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(kāi)關(guān)選型 27
3.2.6 設(shè)備和器件清單 28
3.3 PLC I/O接口電路設(shè)計(jì) 29
3.4 變頻器電路設(shè)計(jì) 30
第4章 控制柜設(shè)計(jì) 32
4.1 控制柜元件布置圖設(shè)計(jì) 32
4.2 控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33
4.3 電源指示及控制面板設(shè)計(jì) 36
第5章 軟件設(shè)計(jì) 37
5.1 控制軟件流程圖設(shè)計(jì) 37
5.2 控制軟件程序設(shè)計(jì) 42
5.2.2自動(dòng)程序總體設(shè)計(jì)方法 42
5.2.3自動(dòng)程序的調(diào)用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路 42
5.2.4與變頻器的通信 44
5.3 監(jiān)控軟件界面設(shè)計(jì) 44
第6章 結(jié)論 45
結(jié)束語(yǔ) 46
參考文獻(xiàn) 47
附錄 48
全自動(dòng)立體車庫(kù)控制軟件程序 48
VI
第1章 緒論
1.1 研究背景及意義
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平逐漸提高，對(duì)汽車的需求量也逐漸升高；同時(shí)，汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展使得其價(jià)格被越來(lái)越多的人接受。于是，城市汽車保有量逐年增加，且勢(shì)頭越來(lái)越猛。然而，汽車保有量的提高在方便人們出行，提高生活質(zhì)量的同時(shí)，也帶來(lái)了一系列問(wèn)題。除了造成交通擁堵外，停車難問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。目前我國(guó)各主要城市在停車設(shè)施的建設(shè)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于道路建設(shè)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(guò)建造大量傳統(tǒng)的平面車庫(kù)來(lái)緩解停車難問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的。因此，在停車難問(wèn)題與越來(lái)越突出，土地面積有限的情況下，立體式車庫(kù)開(kāi)始得到人們的重視。
與傳統(tǒng)的平面停車庫(kù)相比，立體車庫(kù)具有以下優(yōu)勢(shì)：
（1）節(jié)約土地資源。
這是立體車庫(kù)的最大優(yōu)勢(shì)，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(kù)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(kù)往往只有少數(shù)入口，故省去了找車位的麻煩。同時(shí)由于立體車庫(kù)存取車由機(jī)械設(shè)備完成，司機(jī)的停車任務(wù)變得簡(jiǎn)單方便。
（3）安全
立體車庫(kù)停車區(qū)域集中，因此方便集中統(tǒng)一管理，且大部分時(shí)間車庫(kù)封閉，車輛被盜或損壞的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。
（4）投資效益明顯
由于提高了土地利用率，車庫(kù)的土地成本大大減少，同時(shí)車庫(kù)管理方便，自動(dòng)化程度高，人工費(fèi)用也大大減少，其綜合效益高于平面車庫(kù)，在城市中心區(qū)域尤其如此。
（5）改善市容環(huán)境。
1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況
上世紀(jì)50年代，機(jī)械式立體車庫(kù)在歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如德國(guó)、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(wèn)題并不突出，故應(yīng)用并不廣泛[1]。
60年代，日本開(kāi)始研究立體車庫(kù)。由于日本人口較大，且國(guó)土面積較小，故應(yīng)用非常廣泛，同時(shí)研究立體車庫(kù)的企業(yè)較多，產(chǎn)品種類也比較豐富。
70年代，韓國(guó)開(kāi)始研究立體車庫(kù)，其技術(shù)主要源于日本，現(xiàn)已發(fā)展較成熟。
我國(guó)臺(tái)灣由于土地面積較小，停車問(wèn)題也較突出，于70年代從日本引進(jìn)技術(shù)，80年代開(kāi)始自主開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在技術(shù)也比較成熟，應(yīng)用較廣。
我國(guó)城市停車行業(yè)從80年代末起,經(jīng)過(guò)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(kù)建設(shè)尚在起步階段,在一些大城市中機(jī)械化車庫(kù)仍然是空白[2]。 從總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)立體車庫(kù)發(fā)展還處于初級(jí)階段，面臨著一系列的問(wèn)題和挑戰(zhàn)：
（1）機(jī)械設(shè)備故障率較高
（2）存取車效率較低，停車等待時(shí)間較長(zhǎng)
（3）車庫(kù)的安全性有待提高，包括車輛、人員和設(shè)備
（4）車庫(kù)的自動(dòng)化程度不夠高，需要較多人為確認(rèn)和操作
（5）車庫(kù)種類較少，層數(shù)較低
1.3立體車庫(kù)的種類
立體停車庫(kù)按其自動(dòng)化程度可分為自行式立體停車庫(kù)、半自動(dòng)立體停車庫(kù)和全自動(dòng)立體停車庫(kù)。根據(jù)立體停車停車方式的不同又可分：簡(jiǎn)易升降式、升降橫移式、垂直升降式、垂直循環(huán)式、平面移動(dòng)式、巷道堆垛式等[1]。
（1）簡(jiǎn)易升降式
簡(jiǎn)易升降機(jī)械式借助升降機(jī)構(gòu)或俯仰機(jī)構(gòu)存取汽車。其特點(diǎn)是停車設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(kù)的受力狀況較差，限制了車庫(kù)向高層發(fā)展，只適和小規(guī)模應(yīng)用。
（2）升降橫移式
采用模塊化與集成化的設(shè)計(jì)，配置靈活，規(guī)模可隨意設(shè)置，建設(shè)方便，成本低廉，同時(shí)消防，外裝修，基建等投資比其他類設(shè)備少，適用于各種場(chǎng)合。這種設(shè)備目前占到了市場(chǎng)份額的 70%以上。 缺點(diǎn)：每組設(shè)備必須留空車位實(shí)現(xiàn)車輛的移動(dòng)，設(shè)備的安全性還有待提高。
（3）垂直升降式
通過(guò)裝在升降機(jī)上的橫移機(jī)構(gòu)將車輛或載車板橫移，實(shí)現(xiàn)存取車輛的機(jī)械式停車設(shè)備。這種車庫(kù)往往可以修建多達(dá) 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(yīng)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(shè)備造價(jià)高昂，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存取車耗時(shí)較長(zhǎng)。
1.4本文研究的內(nèi)容
本課題設(shè)計(jì)了一種垂直升降式立體車庫(kù)，其機(jī)械部分主要特點(diǎn)為采用小車作為橫移裝置，用舉升機(jī)實(shí)現(xiàn)載車板交換，克服了叉架結(jié)構(gòu)的一些缺點(diǎn)；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(duì)象為上述車庫(kù)的控制部分，具體如下：
1. 立體車庫(kù)總體設(shè)計(jì)：對(duì)立體車庫(kù)主功能進(jìn)行功能分析，功能原理求解，提出立體車庫(kù)的主要參數(shù).
2. 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì): 對(duì)立體車庫(kù)曳引、橫移、舉升、安全功能進(jìn)行功能分析和方案綜合，提出控制方案，檢測(cè)方案的細(xì)節(jié)。提出變頻器分時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)的思路。對(duì)低速定位原理進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，得出平方反比規(guī)律。最后提出控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。
3. 控制系統(tǒng)電器選型及電路設(shè)計(jì)：電氣設(shè)備和元件的選型，主電路、PLC的I/O電路，變頻器接線電路設(shè)計(jì)。
4. 立體車庫(kù)控制系統(tǒng)控制柜設(shè)計(jì)：控制柜電氣元件布置圖設(shè)計(jì)，控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5. 立體車庫(kù)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：控制軟件流程圖設(shè)計(jì)，控制軟件程序設(shè)計(jì)，監(jiān)控軟件界面設(shè)計(jì)。
第2章 總體設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2.1立體車庫(kù)總體方案
2.1.1 立體車庫(kù)類別及基本參數(shù)
本文設(shè)計(jì)車庫(kù)為垂直升降式立體車庫(kù)，具體為縱向
并列車位型電梯式立體車庫(kù)，如圖。
本文設(shè)計(jì)車庫(kù)基本參數(shù)如下：
圖2-1 立體車庫(kù)示意圖
（1）適停車輛尺寸及質(zhì)量
表2-1 立體車庫(kù)適停車輛尺寸及質(zhì)量
本文設(shè)計(jì)立體車庫(kù)適用于T組及以下車輛。
組別代號(hào)
汽車長(zhǎng)×車寬×車高/mm
質(zhì)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(jìn)出時(shí)間：60s
2.1.2 主功能原理設(shè)計(jì)
立體車庫(kù)相對(duì)與一般車庫(kù)的主要特點(diǎn)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(yùn)。對(duì)于電梯式立體車庫(kù)，其搬運(yùn)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(shè)計(jì)
由于電梯式立體車庫(kù)垂直升降高度較高，故參照一般電梯的成熟技術(shù)，采用鋼絲繩曳引方式，車輛置于一轎廂內(nèi)，通過(guò)曳引繩連接到曳引機(jī)，從而實(shí)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(shè)計(jì)
一般采用多級(jí)叉架進(jìn)行水平橫移，但這種方式有以下缺點(diǎn)：
1.需設(shè)計(jì)復(fù)雜的多級(jí)叉架結(jié)構(gòu)；
2.當(dāng)叉架伸出時(shí)，叉架懸空，僅由轎廂支撐，為一懸臂梁結(jié)構(gòu)，為承受車輛載荷，勢(shì)必導(dǎo)致叉架結(jié)構(gòu)尺寸較大，同時(shí)具有使轎廂側(cè)翻的傾向，故需對(duì)轎廂進(jìn)行可靠固定
3.實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(shè)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(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車輛的水平橫移。
圖2-4 橫移小車示意圖
相對(duì)于叉架式，橫移小車具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力狀態(tài)良好，易實(shí)現(xiàn)兩方向橫移的優(yōu)點(diǎn)。
（3）載車板交換功能原理設(shè)計(jì)
車庫(kù)停車時(shí)，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(shí)現(xiàn)車輛停放位置在轎廂與車位之間變換功能的一個(gè)構(gòu)件。本文采用叉梳式載車板結(jié)構(gòu)。車位上的載車板和橫移小車上的載車板為叉梳式結(jié)構(gòu)，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(shí)，即完成了載車板的交換，車輛停放到了車位上。車庫(kù)取車過(guò)程與之類似。
載車板交換的關(guān)鍵是實(shí)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(jī)的方式，完成載車板上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)載車板的交換。
圖2-6 橫移小車上載車板結(jié)構(gòu)
圖2-5 車位載車板結(jié)構(gòu)
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(kù)的技術(shù)參數(shù)
(1)層高:3m
(2)層數(shù):8層
(3)時(shí)間分配及速度
曳引往返最大時(shí)間：43s
橫移往返最大時(shí)間：11s
舉升往返最大時(shí)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(kù)總體布置圖
舉升定位精度：±10mm
2.1.4 車庫(kù)總體布置圖
根據(jù)課題要求，現(xiàn)設(shè)計(jì)車庫(kù)的整體結(jié)構(gòu)，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(duì)立體車庫(kù)控制系統(tǒng)進(jìn)行功能分析如圖所示，本文重點(diǎn)在車輛搬運(yùn)和安全保障功能上，下面對(duì)此做出設(shè)計(jì)。
圖2-9 立體車庫(kù)控制系統(tǒng)總體功能分析圖
而車輛搬運(yùn)屬于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其一般功能結(jié)構(gòu)如下圖：
圖2-10 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖
2.2.2 曳引控制方案設(shè)計(jì)
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(dǎo)軌和車位中導(dǎo)軌基本齊平，如果兩導(dǎo)軌豎直位置相差過(guò)大，則橫移過(guò)程將會(huì)產(chǎn)生較大沖擊，對(duì)設(shè)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)的，若加速度過(guò)大，會(huì)發(fā)生打滑，對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生損害，甚至發(fā)生事故，故對(duì)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(gè)功能元，同時(shí)列出了其對(duì)應(yīng)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(qū)動(dòng)與執(zhí)行
位置閉環(huán)
直流調(diào)速
交流變頻調(diào)速
變頻調(diào)速控制方式
V/f控制
無(wú)速度傳感器矢量控制
有速度傳感器矢量控制
檢測(cè)裝置
接近開(kāi)關(guān)
旋轉(zhuǎn)編碼器
（1） 定位控制
由于曳引額定速度較高，Ve=1m/s,且制動(dòng)加速度a限制在1m/s^2以下，若直接高速制動(dòng)，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(diǎn)，BC段為低速運(yùn)行段，C為制動(dòng)點(diǎn)。低速定位的基本思路是在到達(dá)定位點(diǎn)之前減速至一較低速度，在接近定位點(diǎn)時(shí)制動(dòng)，由于制動(dòng)前速度較低，故制動(dòng)過(guò)程迅速，制動(dòng)距離很小，具有一定精度。理論上其制動(dòng)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(diǎn)是控制過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備控制性能要求低，特別適合定位點(diǎn)固定，且定位精度要求不太高的場(chǎng)合，故被廣泛使用在電梯和起重機(jī)的定位中[4]。
其次是位置閉環(huán)定位控制。這是自動(dòng)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(duì)于低速定位方式，其對(duì)控制設(shè)備要求較高，且控制過(guò)程復(fù)雜，適用于要求較高的場(chǎng)合。
基于以上分析，低速定位方式無(wú)疑是一種既能滿足性能要求，且簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)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(dòng)距離
（2-1）
實(shí)際制動(dòng)距離
（2-2）
令V的波動(dòng)率為 ,a的波動(dòng)率為 制動(dòng)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(shí),
（2-7）
由此可知，定位誤差以二次方關(guān)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(dāng)V=0.25m/s時(shí)，即調(diào)速范圍D=4時(shí)，基本可滿足定位精度要求。
（2）驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行
a.交流雙速電機(jī)。三相異步電機(jī):n0=60f/p交流雙速電機(jī)調(diào)速原理是通過(guò)改變磁極對(duì)數(shù)p,從而改變n0實(shí)現(xiàn)調(diào)速，此種調(diào)速方法較簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但一般調(diào)速范圍在4以下，參考一般電梯交流雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定位誤差在30mm左右[2]，故要實(shí)現(xiàn)預(yù)期調(diào)速要求較困難。同時(shí)，交流電機(jī)啟動(dòng)電流較大，對(duì)電網(wǎng)形成沖擊，需要相應(yīng)的啟動(dòng)電路或裝置。
b.直流調(diào)速電機(jī)。直流電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)異，調(diào)速范圍大，調(diào)速裝置簡(jiǎn)單，但其換向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較低，需要定期維護(hù)。
c.交流變頻調(diào)速。交流變頻調(diào)速的基本原理是改變電機(jī)電源頻率f, 從而改變n0實(shí)現(xiàn)調(diào)速。三相籠型電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，同時(shí)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的發(fā)展已比較成熟，故交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)應(yīng)用中逐漸普及，其調(diào)速性能可以與直流調(diào)速媲美。但變頻器的價(jià)格比較高，調(diào)速成本不低。
首先為了保證滿足調(diào)速要求，放棄交流雙速電機(jī)方案?？紤]到系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)成本，決定采用交流變頻調(diào)速方案。
綜合以上分析，選用變頻器為驅(qū)動(dòng)裝置，三相籠型異步電機(jī)為執(zhí)行裝置。
（3）變頻調(diào)速控制方式
常用的變頻調(diào)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(bǔ)償控制，其特點(diǎn)是控制算法相對(duì)簡(jiǎn)單，在基頻以下，一般其調(diào)速范圍最大可達(dá)10，其缺點(diǎn)是載荷過(guò)小時(shí)，由于補(bǔ)償算法的缺陷，容易出現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁[4]故不適用于載荷變化較大的場(chǎng)合[5]。同時(shí)由于V/f控制基于電機(jī)的靜態(tài)模型，故其調(diào)速的動(dòng)態(tài)性能較差。
b.無(wú)速度傳感器矢量控制。矢量控制基于電機(jī)動(dòng)態(tài)模型，將交流電機(jī)等效為直流電機(jī)，得到靜態(tài)，動(dòng)態(tài)性能均較好的調(diào)速效果。無(wú)速度傳感器矢量控制利用對(duì)電壓電流等的檢測(cè)，通過(guò)推算的方法得到近似的電機(jī)轉(zhuǎn)速，相比轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的矢量控制，能在一定程度上提高調(diào)速性能，由于省去了測(cè)速裝置，故在對(duì)調(diào)速性能不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用，其調(diào)速范圍一般可達(dá)20.
c.有速度傳感器矢量控制。即直接通過(guò)測(cè)速裝置獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速，相對(duì)于推算的方式，其精度更高，故性能更好，常用在對(duì)調(diào)速靜態(tài)動(dòng)態(tài)性能較高的場(chǎng)合,調(diào)速范圍在20以上，是一種高性能的調(diào)速方式。
已知曳引系統(tǒng)額定載荷為2.5t,設(shè)車輛質(zhì)量在1.3t~2.5t之間變化，曳引系統(tǒng)中對(duì)重平衡的重量是轎廂重量加50%額定載荷，即對(duì)重可平衡掉1.25t的車輛質(zhì)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(shuō)出現(xiàn)了空載狀況，故V/f控制難以勝任。由于立體車庫(kù)曳引系統(tǒng)對(duì)調(diào)速性能要求并不太高，故無(wú)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(wú)速度傳感器矢量控制作為變頻調(diào)速的控制方式。
（4）檢測(cè)裝置
曳引控制主要包括定位控制和選層控制，對(duì)應(yīng)的需要一定的檢測(cè)裝置。
a.定位控制檢測(cè)。根據(jù)上述對(duì)定位控制的介紹，主要需要兩個(gè)信號(hào)：減速信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)；為了防止偶然因素引起的定位偏差過(guò)大，還可增加一平層檢測(cè)，用以檢測(cè)轎廂位置是否在預(yù)期范圍內(nèi)。不難發(fā)現(xiàn)，以上檢測(cè)量均為開(kāi)關(guān)量。
b.選層控制檢測(cè)。立體車庫(kù)的選層相對(duì)于電梯選層較為簡(jiǎn)單，其選層控制具體為從一樓到達(dá)某樓層，或者從某樓層到達(dá)一樓，選層控制的核心是對(duì)樓層位置的檢測(cè)。由于耬層位置固定，故對(duì)樓層位置的檢測(cè)亦為開(kāi)關(guān)量檢測(cè)。
接近開(kāi)關(guān)是利用電子信號(hào)檢測(cè)物體接近的開(kāi)關(guān)量傳感器，檢測(cè)裝置較為簡(jiǎn)單且較為可靠。
旋轉(zhuǎn)編碼器位置檢測(cè)精度較高，可以作為連續(xù)量的檢測(cè)。將旋轉(zhuǎn)編碼器裝在曳引電機(jī)上，可以建立立體車庫(kù)豎直位置坐標(biāo)系，形成位置閉環(huán)[11],完全可以勝任上述檢測(cè)任務(wù)。但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且安裝較為麻煩。
綜合以上分析，本文以簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)為原則，選用接近開(kāi)關(guān)作為檢測(cè)裝置。
3.控制方案細(xì)節(jié)
1：加速啟動(dòng)階段，可通過(guò)設(shè)置變頻器加速時(shí)間來(lái)控制加速度；
2：高速運(yùn)行階段 ，fh可由變頻器設(shè)置，在此設(shè)為50Hz，對(duì)應(yīng)曳引速度VH=1m/s;
3：減速階段，可通過(guò)設(shè)置變頻器加速時(shí)間來(lái)控制減速度；
4：低速運(yùn)行階段，fl可由變頻器設(shè)置，在此設(shè)為5Hz, 對(duì)應(yīng)曳引速度VL=0.1m/s;
圖2-12 控制方案細(xì)節(jié)圖示
5：制動(dòng)階段，由變頻其控制制動(dòng)，為電氣制動(dòng)，可通過(guò)設(shè)置變頻器加速時(shí)間來(lái)控制制動(dòng)加速度；
A：開(kāi)始啟動(dòng)，方向可由變頻器直接控制；
B：加速完成；
C：開(kāi)始減速，首先由檢測(cè)裝置確認(rèn)已到達(dá)目的樓層，再由檢測(cè)裝置產(chǎn)生減速信號(hào)；
D：減速完成；
E：開(kāi)始制動(dòng)，由檢測(cè)裝置產(chǎn)生制動(dòng)信號(hào)；
F：制動(dòng)完成
圖2-13 制動(dòng)與定位檢測(cè)示意圖
需要指出的是，由于本問(wèn)設(shè)計(jì)立體車庫(kù)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(shè)備中存在的“溜鉤防止”問(wèn)題[4]，即開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)和制動(dòng)完成時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)器配合的問(wèn)題，制動(dòng)器的主要作用是在緊急狀況下快速制動(dòng)。所以，只要保證啟動(dòng)前制動(dòng)器已松開(kāi)，制動(dòng)完成后制動(dòng)器才合閘即可，因此正常情況下制動(dòng)器不參與制動(dòng)，損耗非常小，維護(hù)成本較低。
4.檢測(cè)方案細(xì)節(jié)
由于低速定位時(shí)曳引速度VL=0.1m/s，理論制動(dòng)距離 =5mm,定位誤差ds=3mm，相對(duì)于定位精度要求±10mm小很多，故考慮將制動(dòng)信號(hào)與定位檢測(cè)信號(hào)合二為一，即將制動(dòng)信號(hào)
產(chǎn)生點(diǎn)作為定位檢測(cè)的起點(diǎn)。具體如下：如圖所示，當(dāng)從下往上曳引時(shí)，到達(dá)A點(diǎn)開(kāi)始制動(dòng)，轎廂停止時(shí)若位置在A、B范圍內(nèi)，則定位準(zhǔn)確，否則定位錯(cuò)誤；從上往下曳引時(shí)與之類似。
其檢測(cè)裝置布置示意圖如下圖2-14所示。
圖2-14 曳引檢測(cè)裝置布置示意圖
曳引時(shí)，先由右側(cè)的選層控制擋塊判斷是否到達(dá)樓層，再由左側(cè)的定位檢測(cè)擋塊控制定位。
2.2.3 橫移控制方案設(shè)計(jì)
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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)a=1m/s^2，V=0.5m/s,ds=75mm，超過(guò)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(qū)動(dòng)與執(zhí)行
橫移的調(diào)速完全可以采用交流雙速電機(jī)，但考慮到曳引已經(jīng)使用了變頻調(diào)速，且曳引和橫移運(yùn)動(dòng)不可能同時(shí)進(jìn)行，故在此提出同一臺(tái)電機(jī)分時(shí)驅(qū)動(dòng)曳引和橫移電機(jī)的方案。下面對(duì)分時(shí)驅(qū)動(dòng)的可行性做出簡(jiǎn)單分析：
首先變頻器選型的主要依據(jù)是電機(jī)最大電流，故只要以曳引和橫移電機(jī)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(shí)存儲(chǔ)多組驅(qū)動(dòng)和控制數(shù)據(jù)組的功能，只要在使用時(shí)切換到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)組即可分別完成控制。因此分時(shí)驅(qū)動(dòng)的方案應(yīng)當(dāng)是可行的。
圖2-15 變頻器分時(shí)驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單起見(jiàn)，選擇V/f控制。
（3）檢測(cè)裝置
橫移運(yùn)動(dòng)主要是從轎廂移動(dòng)到車位，或從車位移動(dòng)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(kāi)關(guān)為檢測(cè)裝置。
（4）控制方案細(xì)節(jié)
與曳引類似，不同之處為fh=25Hz,對(duì)應(yīng)橫移速度0.5m/s，fl=5Hz, 對(duì)應(yīng)橫移速度0.1m/s。
（5）檢測(cè)方案細(xì)節(jié)
與曳引類似，將制動(dòng)信號(hào)與定位檢測(cè)信號(hào)合二為一。
圖2-16 橫移檢測(cè)裝置布置圖
所以，橫移檢測(cè)裝置的布置圖如下圖所示。
2.2.4 舉升控制方案設(shè)計(jì)
（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(dòng)即可達(dá)到精度要求。
（3）驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行
擬采用液壓舉升裝置，實(shí)現(xiàn)舉升運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且液壓汽車舉升機(jī)的技術(shù)已比較成熟，可加以參考，減小設(shè)計(jì)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(jī)原理圖。
圖2-17 某液壓汽車舉升機(jī)原理圖
（4）檢測(cè)裝置
采用接近開(kāi)關(guān)作為舉升上下位置到位檢測(cè)信號(hào)。
（5） 控制方案細(xì)節(jié)
舉升控制過(guò)程如下：
舉升：a.電機(jī)通電，泵空載啟動(dòng)；b.延時(shí)3s；c.1YA，2YA，4YA通電。
停止：a.1YA，2YA，4YA斷電；b.3分鐘后電機(jī)斷電。
下降控制過(guò)程如下：
下降：a.電機(jī)通電，泵空載啟動(dòng)；b.延時(shí)3s；c.1YA，3YA，5YA通電。
停止：a.1YA，3YA，5YA斷電；b.3分鐘后電機(jī)斷電。
（6）檢測(cè)方案細(xì)節(jié)
向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，收到接近開(kāi)關(guān)信號(hào)，則制動(dòng)；向下運(yùn)動(dòng)亦然。
圖2-18 舉升檢測(cè)裝置布置圖
2.2.5 安全設(shè)計(jì)
（1）功能分析
對(duì)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(guò)庫(kù)門(mén)和補(bǔ)償板，實(shí)現(xiàn)。庫(kù)門(mén)在車庫(kù)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)關(guān)閉，防止人的進(jìn)入，從而防止事故；補(bǔ)償板是轎廂在一樓時(shí)與載車板互補(bǔ)的構(gòu)件，兩者互補(bǔ)后在一樓形成完整地面，防止危險(xiǎn)發(fā)生。庫(kù)門(mén)和補(bǔ)償板均涉及機(jī)械裝置，故與車和設(shè)備的安全一起分析，統(tǒng)稱為運(yùn)行安全。對(duì)運(yùn)行安全功能分析如下：
圖2-20 運(yùn)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(shè)計(jì)部分考慮，詳見(jiàn)第三章；本文對(duì)庫(kù)門(mén)、補(bǔ)償板和舉升系統(tǒng)只做概念設(shè)計(jì)，故在此不加求解；機(jī)械安全方面，橫移、曳引、舉升的到位聯(lián)鎖保護(hù)通過(guò)檢測(cè)裝置檢測(cè)位置和軟件聯(lián)鎖完成，詳見(jiàn)第五章；橫移、曳引、舉升的動(dòng)作聯(lián)鎖可通過(guò)電氣聯(lián)鎖和軟件聯(lián)鎖完成，詳見(jiàn)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(jī)械安全進(jìn)行設(shè)計(jì)。超速保護(hù)和沖頂或撞底保護(hù)主要參照電梯設(shè)計(jì)，屬于機(jī)械部分，本文不加討論。在此主要討論超載保護(hù)和端站保護(hù)。
圖2-21 超載檢測(cè)示意圖
a.超載保護(hù)可通過(guò)安裝在繩頭組合中的接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，如上圖所示，本文只采用一個(gè)稱重傳感開(kāi)關(guān)。
b.端站保護(hù)：參照電梯端站保護(hù)，主要包括強(qiáng)制減速開(kāi)關(guān)，強(qiáng)制平層開(kāi)關(guān)和極限開(kāi)關(guān)[2]。當(dāng)正常減速或平層檢測(cè)故障時(shí)，強(qiáng)制減速、平層開(kāi)關(guān)發(fā)揮作用，起到雙重檢測(cè)作用，保證曳引系統(tǒng)正常運(yùn)行。但上述檢測(cè)均失效時(shí)，極限開(kāi)關(guān)動(dòng)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(hù)裝置布置圖
2. 橫移安全
車位有車保護(hù)是防止在車位有車時(shí)、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(cè)示意圖
在此設(shè)計(jì)在轎廂上安裝一光電開(kāi)關(guān)，完成對(duì)車位是否有車的檢測(cè)，極限保護(hù)參考一般設(shè)備極限保護(hù)，在此不加討論。
2.2.6 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案
本文設(shè)計(jì)立體車庫(kù)主要為開(kāi)關(guān)量控制，且對(duì)運(yùn)動(dòng)控制要求不高，屬于小型系統(tǒng)，故選用西門(mén)子S7-200PLC作為控制器；考慮到立體車庫(kù)操作需要豐富的人機(jī)界面，同時(shí)需要一定的管理功能，也為了節(jié)省I/O 點(diǎn)數(shù)，采用PC機(jī)作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)車庫(kù)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(jiǎn)化硬件電路，同時(shí)可完成豐富的控制功能。S7-200 一些CPU模塊具備兩個(gè)RS485通信接口，正好可滿足與PC上位機(jī)和變頻器的通信。變頻器采用西門(mén)子MM440通用變頻器，其功能豐富，具備矢量控制功能，且相對(duì)專用變頻器成本較低。
圖2-24 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
第3章 控制系統(tǒng)電器選型及電路設(shè)計(jì)
3.1主電路設(shè)計(jì)
3.1.1 動(dòng)力電路
動(dòng)力電路主要包括變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路，曳引電機(jī)制動(dòng)器電路，舉升系統(tǒng)動(dòng)力電路。
1.變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路
變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路可分為三個(gè)部分：電源輸入電路、到電動(dòng)機(jī)的輸出電路、制動(dòng)電路。
（1）輸入輸出電路主體功能設(shè)計(jì)
a.保護(hù)功能
現(xiàn)代數(shù)字式變頻器本身具備較完善的保護(hù)功能。 以電動(dòng)機(jī)溫升模型為依據(jù)的過(guò)載保護(hù)能夠?yàn)殡妱?dòng)機(jī)提供優(yōu)于常規(guī)熱保護(hù)的電子過(guò)載保護(hù)、這個(gè)保護(hù)功能同時(shí)也部分保護(hù)了變頻器自身；逆變器教熱片溫度保護(hù)功能為變頻器自身提供了完善的過(guò)載保護(hù)，因?yàn)樽冾l器自身過(guò)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(dòng)機(jī)并不缺相工作，因此不需要一般意義上針對(duì)電動(dòng)機(jī)的過(guò)電壓、欠電壓、缺相和逆相序保護(hù)，針對(duì)直流母線電壓的過(guò)電壓和欠電壓保護(hù)保證逆變器處于正常的工作條件；瞬間電流超限保護(hù)主要是針對(duì)逆變器件的，但同時(shí)也就為輸出線路和電動(dòng)機(jī)提供了短路保護(hù)[4]。
故外部電路上的保護(hù)主要為后備短路保護(hù)，本文采用空氣斷路器作為后備短路保護(hù)元件，防止變頻器內(nèi)部短路保護(hù)失效時(shí)事故擴(kuò)大。考慮到變頻器的過(guò)載能力一般為150%，1min,為了防止誤動(dòng)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(shè)計(jì)
采用接觸器作為電源控制器件。
由于采用分時(shí)驅(qū)動(dòng)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(jī)運(yùn)行時(shí)接觸器切斷電流會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，對(duì)逆變器件造成損害，故不允許在電機(jī)運(yùn)行時(shí)切斷接觸器。同時(shí)為了防止兩接觸器同時(shí)接通，兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)而造成事故，需設(shè)計(jì)電氣互鎖，詳見(jiàn)本章3.3節(jié)。
輸入接觸器選型可按照AC3負(fù)載選型；輸出接觸器負(fù)載為AC3類別，但由于不承擔(dān)切除負(fù)載電流功能，只需考慮電流通過(guò)能力，故可按AC1負(fù)載選取[4]。
（2）主電路抗干擾設(shè)計(jì)
參考一般工程應(yīng)用的變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路抗干擾設(shè)計(jì)，在此采用輸入電抗器抑制變頻器輸入側(cè)諧波干擾，提高功率因素。
（3）制動(dòng)電路設(shè)計(jì)
表3-1 變頻電氣制動(dòng)性能特點(diǎn)圖
變頻電氣制動(dòng)電路主要有三種形式：能耗制動(dòng)、直流制動(dòng)、回饋制動(dòng)[5]。其性能和特點(diǎn)如下圖所示：
電氣制動(dòng)種類
制動(dòng)方式
功率/kw
用途
能耗制動(dòng)
消耗在制動(dòng)電阻上
50
一般要求的制動(dòng)設(shè)備，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不平衡有沖擊，有低速爬行可能
直流制動(dòng)
動(dòng)能變電能產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩
50~100
要求平穩(wěn)無(wú)沖擊，停車準(zhǔn)確
回饋制動(dòng)
動(dòng)能變電能回饋電網(wǎng)
>100
高低速交叉，正反轉(zhuǎn)交替
由于本文曳引系統(tǒng)采用低速平層的方式，故對(duì)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高，且系統(tǒng)功率相對(duì)較小，故采用能耗制動(dòng)方式。
圖3-1 變頻器負(fù)載分析圖
能耗制動(dòng)利用電阻將電機(jī)回饋的能量消耗掉。能耗制動(dòng)電路主要涉及制動(dòng)電阻阻值、功率，制動(dòng)單元功率、控制方式。對(duì)于功率不太大的變頻器，制動(dòng)單元集成在變頻器內(nèi)部，故不需考慮制動(dòng)單元功率、控制方式。
制動(dòng)電阻阻值限制了最大制動(dòng)力矩，主要與變頻器額定電流和直流回路最大電壓有關(guān)，一般可按變頻器廠家推薦的選擇。
制動(dòng)電阻功率決定其消耗回饋能量的能力。負(fù)載分析：曳引系統(tǒng)為位能負(fù)載，
當(dāng)向下曳引時(shí)，重力勢(shì)能全部回饋給變頻器，功率較大；橫移系統(tǒng)為反抗性負(fù)載，功率較小，且只在制動(dòng)時(shí)有能量回饋給變頻器，與曳引相比可忽略不計(jì)。 變頻器負(fù)載周期分析如圖:
制動(dòng)電阻功率
P=（25*21.5/60）kw=8.96kw （3-1）
另外，設(shè)置在制動(dòng)回路上設(shè)置熱敏開(kāi)關(guān)，當(dāng)制動(dòng)電阻過(guò)載時(shí)，熱敏開(kāi)關(guān)動(dòng)作，由PLC控制切斷變頻器電源，詳見(jiàn)本章3.3節(jié)。
2.曳引電機(jī)制動(dòng)器電路
由于本文設(shè)計(jì)立體車庫(kù)采用成套曳引機(jī)，其自帶電機(jī)制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路，故控制部分只需設(shè)計(jì)其電源開(kāi)關(guān)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(jī)和閥兩部分。電機(jī)電路比較常規(guī)，不再贅述；液壓閥部分，由于YA2、YA4同時(shí)通斷、YA3與YA5同時(shí)通斷，故分別用同一個(gè)繼電器的不同觸點(diǎn)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(cè),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(gè)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(kāi)關(guān)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(shè)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(shè)備和散熱風(fēng)扇等。
將主電路按電壓分為三部分：380V、220V、24V，對(duì)應(yīng)采用三套電源指示和控制電路，用旋鈕開(kāi)關(guān)和接觸器實(shí)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)。380V電源為總電源，故在其對(duì)應(yīng)電源開(kāi)關(guān)處設(shè)置急停開(kāi)關(guān)，用以在緊急情況下切斷系統(tǒng)電源。
3.1.4 斷路器設(shè)置
考慮到電路各部分的額定電壓電流差別較大，同時(shí)也為了防止發(fā)生短路時(shí)故障擴(kuò)大，減小損失，故考慮在多個(gè)回路中設(shè)置斷路器。
3.1.5 接地
各主要設(shè)備的外殼均需可靠接地，防止人為操作時(shí)發(fā)生觸電事故。
3.2電氣設(shè)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(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在此直接列出參數(shù)。
曳引電機(jī)：三相籠型異步交流電機(jī)，額定功率P=25kw,額定轉(zhuǎn)速n=1470r/min,額定電流=48A,極數(shù)p=4，額定電壓Ued=380V。
橫移電機(jī)：三相籠型異步交流齒輪減速電機(jī)，額定功率P=4kw, 額定電壓Ued=380V，額定輸出轉(zhuǎn)速n=36r/min。
曳引電機(jī)制動(dòng)器：直流，額定電壓110V，額定電流1.2A。采用常閉式，即在斷電時(shí)合閘制動(dòng)，通電時(shí)才開(kāi)閘。防止正在曳引時(shí)突然停電造成事故[2]。
舉升部分不做具體設(shè)計(jì)，故舉升電機(jī)及其電磁閥未加選擇。
3.2.2 變頻器選型
已知電機(jī)電壓Ued=380V，曳引電機(jī)功率明顯大于橫移電機(jī)，選用其額定電流=48A作為選型依據(jù)。變頻器額定電流應(yīng)滿足[5]
（3-2）
為變頻器額定電流，為電機(jī)最大電流。
由于曳引電機(jī)主要在額定電流以下運(yùn)行，故可令，則
=52.8A. （3-3）
表3-2 變頻器選型表
綜上以Un380V， 為依據(jù)，選擇西門(mén)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(hào)
30
59
62
20
6SE6440-2UD33-0EB1
圖3-3 變頻器選型圖
MM440帶有一個(gè)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(shí)具備存儲(chǔ)三組驅(qū)動(dòng)和命令數(shù)據(jù)組的功能，可滿足分時(shí)驅(qū)動(dòng)不同電機(jī)要求。
其變頻器快速調(diào)試參數(shù)設(shè)定如下表所示。
表3-3 變頻器快速調(diào)試參數(shù)設(shè)定
P0003
參數(shù)
內(nèi)容
默認(rèn)值
設(shè)置值
說(shuō)明
曳引和橫移電機(jī)
1
P0100
使用地區(qū)
0
0
歐洲：功率單位kw,頻率默認(rèn)值為50Hz
3
P0205
應(yīng)用領(lǐng)域
0
0
恒轉(zhuǎn)矩
2
P0300
電動(dòng)機(jī)類型
1
1
異步電動(dòng)機(jī)
1
P0304
電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)冷卻方式
0
0
電動(dòng)機(jī)冷卻方式為自冷
1
P0700
命令源
2
5
COM鏈路的USS設(shè)置
1
P1000
頻率設(shè)定選擇
2
5
通過(guò)COM鏈路的USS設(shè)定
1
P1080
最小頻率
0.00
0.00
允許最低的電動(dòng)機(jī)頻率
1
P1082
最高頻率
50.00
50.00
允許最高的電動(dòng)機(jī)頻率
1
P1120
斜坡上升時(shí)間
10.00
1.00
電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到最高頻率所用的時(shí)間
1
P1121
斜坡下降時(shí)間
10.00
1.00
電動(dòng)機(jī)從最高頻率減速到靜止?fàn)顟B(tài)所用的時(shí)間
2
P1135
OFF3斜坡下降時(shí)間
5.00
0.50
參數(shù)發(fā)出OFF3命令后，電動(dòng)機(jī)從最高頻率減速到靜止?fàn)顟B(tài)所用的時(shí)間
2
P1500
轉(zhuǎn)矩設(shè)定值
0
0
無(wú)主設(shè)定值
2
P1910
自動(dòng)檢測(cè)方式
0
0
2
P0308
電動(dòng)機(jī)功率因素
0.00
（數(shù)據(jù)暫缺）
3
P0320
電動(dòng)機(jī)磁化電流
0.0
由變頻器自行計(jì)算
曳引電機(jī)
1
P0305
電動(dòng)機(jī)額定電流
3.25
48
48A
1
P0307
電動(dòng)機(jī)額定功率
0.75
25
25kw
1
P0311
電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速
0
1470
1470r/min
2
P0640
過(guò)轉(zhuǎn)因子
150
150
電動(dòng)機(jī)過(guò)載電流限幅值為額定電流的150%
2
P1300
電動(dòng)機(jī)控制方式
0
20
無(wú)傳感器矢量控制
橫移電機(jī)
1
P0305
電動(dòng)機(jī)額定電流
3.25
（數(shù)據(jù)暫缺）
1
P0307
電動(dòng)機(jī)額定功率
0.75
4
4kw
1
P0311
電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速
0
1470
（數(shù)據(jù)暫缺）
2
P0640
電動(dòng)機(jī)過(guò)載因子
150
150
電動(dòng)機(jī)過(guò)載電流限幅值為額定電流的150%
2
P1300
電動(dòng)機(jī)控制方式
0
1
帶磁通電流控制的V/f控制
涉及變頻器驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組切換的設(shè)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(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組的方法，從而分時(shí)驅(qū)動(dòng)曳引電機(jī)和橫移電機(jī)，故在此采用數(shù)字輸入端子1（DIN1）控制數(shù)據(jù)切換。當(dāng)DDS位0為0時(shí)，切換到DDS1數(shù)據(jù)組，即為曳
引電機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組；當(dāng)DDS位0為1時(shí)，切換到DDS2數(shù)據(jù)組，即為橫移電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)數(shù) 、輸出類型 、功能要求等要求，可選用西門(mén)子S7-200。
表3-4 PLC I/O分配表
DI
DO
I0.0
曳引定位開(kāi)關(guān)
Q0.0
曳引電機(jī)接觸器
I0.1
指層開(kāi)關(guān)
Q0.1
曳引制動(dòng)接觸器
I0.2
橫移定位開(kāi)關(guān)
Q0.2
舉升電機(jī)接觸器
I0.3
舉升定位開(kāi)關(guān)
Q0.3
橫移電機(jī)接觸器
I0.4
車位有車開(kāi)關(guān)-左
Q0.4
變頻器電源
I0.5
車位有車開(kāi)關(guān)-右
Q0.5
備用
I0.6
上強(qiáng)制減速開(kāi)關(guān)
Q0.6
備用
I0.7
上強(qiáng)制平層開(kāi)關(guān)
Q0.7
備用
I1.0
上極限開(kāi)關(guān)
Q1.0
向上舉升
I1.1
下強(qiáng)制減速開(kāi)關(guān)
Q1.1
向下舉升
I1.2
下強(qiáng)制平層開(kāi)關(guān)
Q1.2
舉升輔助
I1.3
下極限開(kāi)關(guān)
Q1.3
變頻器數(shù)據(jù)組切換
I1.4
橫移極限開(kāi)關(guān)-左
Q1.4
聲光報(bào)警器
I1.5
橫移極限開(kāi)關(guān)-右
Q1.5
備用
I1.6
超載開(kāi)關(guān)
Q1.6
備用
I1.7
制動(dòng)電阻熱敏開(kāi)關(guān)
Q1.7
備用
I2.0
急停開(kāi)關(guān)
I2.1
備用
…
備用
由上表可知，輸入點(diǎn)數(shù)DI=17，輸出點(diǎn)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(gè) ，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(hào)
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(hào)集成了制動(dòng)斬波單元，故不必另選。其選件主要包括制動(dòng)電阻和進(jìn)線電抗器。
（1）制動(dòng)電阻選型
在變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)部分已分析了制動(dòng)回路的設(shè)計(jì)，制動(dòng)電阻阻值采用廠家推薦值15，但廠家提供的制動(dòng)電阻功率只有2.2kw，即使使用兩個(gè)阻值為8 ，功率為4kw的制動(dòng)電阻串聯(lián)功率依然不夠。故只能選擇其他廠家的制動(dòng)電阻。在此不做具體展開(kāi)。
（2）進(jìn)線電抗器選型
選用廠家提供的進(jìn)線電抗器，訂貨號(hào)為6SE6400-3CR08-3ED。
3.2.5 接近開(kāi)關(guān)選型
在此將本文涉及接近開(kāi)關(guān)按功能分為三部分：定位接近開(kāi)關(guān)、超重檢測(cè)接近開(kāi)關(guān)、車位有車檢測(cè)接近開(kāi)關(guān)。
（1）定位接近開(kāi)關(guān)
選用槽型光電開(kāi)關(guān)，用于曳引定位、曳引選層、橫移定位、舉升定位檢測(cè)。選用OMORON的定位用槽型光電開(kāi)關(guān),信號(hào)為E3Z-GN11B，重復(fù)精度0.5mm完全可滿足定位要求。
（2）超重檢測(cè)接近開(kāi)關(guān)
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(cè)接近開(kāi)關(guān)
考慮到橫移小車在轎廂時(shí)與車位中的汽車有一定距離，故選用擴(kuò)散反射型光電開(kāi)關(guān)，其檢測(cè)距離較長(zhǎng)，可完成檢測(cè)。具體選用OMRON的E3FA-DN23型，檢測(cè)距離為1m。
3.2.6設(shè)備和器件清單
表3-6 設(shè)備清單表
元件
型號(hào)
個(gè)數(shù)
廠家
S7-200 CPU226
( 6ES 7216--2AD23--0XB0)
1
西門(mén)子
DC24V電源
PS207 （ 6EP1 332-1LA10）
1
西門(mén)子
MM440變頻器
6SE6440-2UD33-0EB1
1
西門(mén)子
PC
略
1
制動(dòng)電阻
略
隔離變壓器
ABL6TS16U
1
施耐德
電抗器
6SE6400-3CR08-3ED0
1
西門(mén)子
表3-7 器件選清單
元件
型號(hào)
個(gè)數(shù)
廠家
槽型光電開(kāi)關(guān)
E3Z-GN11B
4
OMRON
擴(kuò)散反射光電開(kāi)關(guān)
E3FA-DN23
2
OMRON
極限開(kāi)關(guān)
HL5000
8
OMRON
急停按鈕
1
超載檢測(cè)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(bào)警器
1
施耐德
風(fēng)扇
維修燈
1
指示燈
2
電壓表
2
電流表
2
旋鈕開(kāi)關(guān)
3
維修插座
1
3.3 PLC I/O接口電路設(shè)計(jì)
PLC的I/O分配表參見(jiàn)表3-4，在此對(duì)電氣聯(lián)鎖進(jìn)行分析，詳見(jiàn)圖3-3
（1）曳引電機(jī)和橫移電機(jī)聯(lián)鎖
主電路設(shè)計(jì)分析中提到，為了保證曳引電機(jī)接觸器（KM3）和橫移電機(jī)接觸器(KM4)不同時(shí)接通，對(duì)其控制電路設(shè)置電氣互鎖
（2）曳引電機(jī)和曳引制動(dòng)器聯(lián)鎖
保證曳引電機(jī)制動(dòng)器接觸器未動(dòng)作，即制動(dòng)器未松開(kāi)時(shí)，曳引電機(jī)不通電。
（3）橫移電機(jī)和舉升動(dòng)作連鎖
PLC電源，輸入輸出點(diǎn)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(shè)計(jì)
主要分為三部分：動(dòng)力電路，控制電路，通信電路，其中動(dòng)力部分已在主電路設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組，是筆者未找到對(duì)應(yīng)通信控制方式而采用的權(quán)宜之計(jì)。
（2）通信電路
S7-200CPU226有兩個(gè)RS485接口，選擇其中的Port0與MM440的RS485端子連接。采用PROFIBUS電纜進(jìn)行連接，CPU226端用網(wǎng)絡(luò)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(hù)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(guān)端子
端子號(hào)
名稱
功能
1
-
電源輸出 10 V
2
-
電源輸出 0 V
29
P+
RS 485 信號(hào) +
30
N-
RS 485 信號(hào) -
表3-9 變頻器通信配置參數(shù)表
P003/P004
參數(shù)
內(nèi)容
默認(rèn)值
設(shè)置值
說(shuō)明
2/20
P2010
USS波特率
6
7
設(shè)置波特率為19200bit/s
2/20
P2011
USS地址
0
1
設(shè)置MM440的地址為1
3/20
P2009
USS規(guī)格化
0
0
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