自动车库最新3陈廷海.docx

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自动车库最新3陈廷海

1绪论

随着生产力和科学技术的不断发展，人们的日常生活和生产活动大量的使用了自动化控制，不仅节约了人力资源，而且很大程度上提高了生产效率，又进一步的促进了生产力的快速发展，并不断的丰富着人们的生活。

近20年来，随着我国城市建设速度的加快，城市交通需求量也日益增大，城市人口相对密集，无论是私家车辆还是公交车辆都不能真正满足正常的停放，公交需求更很大。

因此车辆停放依旧是市民最关注的问题。

在超级市场、公共建筑、银行、别墅车库门，经常使用自动门控制系统。

早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，已经逐渐被淘汰。

后来出现了可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），其特点是：

具备逻辑控制、定时、计数、等功能，编程语言采用直观的梯形图语言，软件更改方便，通用性和灵活性好。

PLC控制自动门由于具有故障率低、可靠性高、维修方便等优点，因而得到广泛的应用。

所以在停车场智能管理领域，相应的也出现了PLC停车场智能管理的概念，即含有高科技的智能系统。

因此，在大力加强车辆停放智能管理的建设方面，尤其在实现快捷、便利、安全这一点上拥有很大的发展空间和潜力。

为此，本文对自动车库门智能控制管理上引入了PLC技术，对停车场进行了一个关于PLC为主的系统设计。

2车库门研究现状及意义

2.1车库门研究现状

车库的发展，应该说从第一辆汽车诞生以来就随之产生。

公安部交通管理局的统计显示，截至2006年底，我国汽\车保有量为2421万辆，与2005年相比，增长279万辆，增长率为13%。

在汽车快速增加的同时，“停车难”的问题越来越严重的凸显出来。

以上海市为例，截止2006年底，上海市己拥有机动车辆150万辆，其中汽车80万辆。

而目前全市各类停车场停车位加起来约为49万个。

而这种情况也挡不住上海市机动车辆以每年7万辆的数量迅猛增长。

据预测，到2012年机动车拥有量将达到200多万辆。

停车泊位的现状及发展速度远远不能适应客观发展的需求。

而对于快速发展的中国各个城市，停车难也随着城市经济的快速发展和汽车数量的激增接踵而来。

资料显示，全国36个大中城市停车位满足率不足20%，也就是说，目前我国城市每5辆机动车辆只有1个停车位。

国内家用汽车拥有量的迅速增加，使城市道路交通变得十分拥挤，各大城市高峰时塞车已经成为天天可见的一道景观。

家用汽车的停放也逐渐成为一个社会问题。

我国大城市中由于停车位少，而土地越来越紧缺的情况下，停车位价格十分昂贵，为解决城市停车难的问题，家用车库是必然出路。

我国家用车库发展虽经历了近几十年的发展，但仍处于初级的停车功能，是最原始的使用阶段，它的设计水平、经济价值还有待于完善和开发。

为此对家用车库设计方案优化具有重大的现实意义和潜在的市场经济效益。

2.2车库门研究意义

随着生产力和科学技术的不断发展，人们的日常生活和生产活动大量的使用了自动化控制，不仅节约了人力资源，而且很大程度上提高了生产效率，又进一步的促进了生产力的快速发展，并不断的丰富着人们的生活。

近20年来，随着我国城市建设速度的加快，城市交通需求量也日益增大，城市人口相对密集，无论是私家车辆还是公交车辆都不能真正满足正常的停放，公交需求更很大。

因此车辆停放依旧是市民最关注的问题。

在超级市场、公共建筑、银行、别墅车库门，经常使用自动门控制系统。

早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，已经逐渐被淘汰。

1969年，出现了可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），其特点是：

具备逻辑控制、定时、计数、等功能，编程语言采用直观的梯形图语言，软件更改方便，通用性和灵活性好。

PLC控制自动门由于具有故障率低、可靠性高、维修方便等优点，因而得到广泛的应用。

所以在停车场智能管理领域，相应的也出现了PLC停车场智能管理的概念，即含有高科技的智能系统，与普通的停车系统不同的是，它能以PLC技术为基础来解决停车难的问题，直接为目标安全、迅速地到达目的地。

停车场管理系统重点要做到准确指示车辆进出,车辆进入时给与司机准确的车位数量与具体位置,车辆进入车库后,记录车辆总量;车辆离开车库时,减少车辆数量。

车辆进出指示可完全由PLC进行中央控制处理,停车场空位指示可利用价格便宜的数码管显示。

因此，在大力加强车辆停放智能管理的建设方面，尤其在实现快捷、便利、安全这一点上拥有很大的发展空间和潜力。

3自动车库门控制系统设计

3.1车库门自动控制系统设计

3.1.1自动车库门简介

自动车库门从理论上讲应该是车库门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。

自动门是指：

可以将人或（车）接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启,在人或（车）离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。

随着经济的发展和人们生活水平的提高，自动门的应用也越来越广泛。

它现在为许多宾馆、超市、百货大楼等现代建筑所必备，不仅可以美化出入口环境，而且具有节能、防尘、隔音等功能，同时也是建筑物智能化的重要指标。

本文所设计的自动车库门是基于西门子PLC，应用PLC自动控制技术实现了自动控制车库门的打开和关闭。

其电路结构简单，单元电路分别通过原理图设计、由梯形图语言设计完成，利用PLC仿真软件来模拟和验证程序，非常适用于日常生活控制场合。

自动车库门的设计实质就是在适当的时候控制电机的正转和反转。

要实现自动控制首先要具备以下功能部件：

电动机、超声波开关、光电开关、限位开关。

自动车库门的平面图如图3.1所示：

图3.1自动车库门的平面图

3.1.2各部件的作用：

门位电动机：

采用交流驱动，按正负方向接入电源，电动机正转（门上升），反之，电动机反转（门下降）。

超声波开关：

在某一区域为超声波的感应范围，当小车进入到这个范围，超声波开关被触发，常闭变常开，常开变常闭。

它的初始状态是上面为常闭触点，下面为常开触点。

光电开关：

当有物体穿过开关，并遮住了光束，那么开关的状态常闭变常开，常开变常闭。

它的初始状态是上面为常闭触点，下面为常开触点。

门下限开关：

当门下降，碰到它时，门下限开关会有动作，那么开关的状态常闭变常开，常开变常闭。

由于现在门是关闭的，因此它的初始状态是上面为常开触点，下面为常闭触点。

门上限开关：

当门上升时，碰到它时，门上限开关会有动作，那么开关的状态常闭变常开，常开变常闭。

它的初始状态是上面为常闭触点，下面为常开触点。

3.2自动车库门的控制要求

PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。

库门设计为卷帘式，用一个电机来拖动卷帘。

正转接触器KM1使电机开门，反转接触器KM2使电机关门。

在库门的上方装设一个超声波探测开关S01，超声波开关发射超声波。

（1）按下启动按扭，当有人或车由外到内进入超声波发射范围时，超声波开关便检测出超声回波，从而产生输出电信号（S01=ON），由该信号启动接触器KM1，电机M正转使卷帘上升开门，当到达开门限位开关位置时，电机停止运行。

（2）如果此时车不想停入车库，需要离开，车离开超声波发射范围，3秒后，车库门自动关闭。

如果此时车又想开进车库，再次进入超声波发射范围，车库门停止关闭，进行开门动作。

（3）当车开到车库门下时，在库门的下方装设一套光电开关S02，用以检测是否有物体穿过库门。

光电开关由两个部件组成，一个是能连续发光的光源；另一个是能接收光束，并能将之转换成电脉冲的接收器。

若行车（人）遮断了光束，光电开关S02便检测到这一物体，产生电脉冲，在延时定时器3秒后，由该信号启动接触器KM2，使电机M反转，从而使卷帘开始下降关门，当门移动到关门限位开关时，电机停止运行。

（4）在关门过程中，当有人员由外到内或由内到外进入超声波发射范围时，则立即停止关门，并自动进入开门程序。

（5）考虑到自动门在出现故障或在维修的时候，用自动控制存在一定问题，所以增加手动开门和关门开关。

4自动车库门系统硬件选型

4.1可编程控制器PLC的选型

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

1.最大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。

这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。

同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

2.保证PLC控制系统安全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。

例如：

应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。

3.力求简单、经济、使用及维修方便

一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。

因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。

这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

4.适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

4.1.1PLC的定义

PLC技术一经出现，立即引起了全世界的广泛关注，1969年首先将其进行

商品化并推向市场的是美国GOULD公司；1971年，在引进美国技术后，日木研制出了自己的第一台PLC；l973年，德国SIEMENS公司也研制出了欧洲第一台PLC；1974年，法国随之也研制出了PLC。

到了20世纪70年代中期，PLC开始采用微处理器。

PLC的功能也从最初的逻辑运算拓展到具有数据处理功能，并得到了更为广泛的应用。

由于当时的PLC功能已经不再局限于逻辑处理的范畴，为此，PLC也随之改称为可编程序控制器（ProgrammableController，简称PC）。

1980年，美国电气制造商协会（NationalElectronicManufactureAssociation，简称NEMA）对可编程序控制器进行了如下定义：

“可编程序控制器是一种带有指令储存器，数字或模拟输入/输出接口；以位运算为主；能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算功能；面向机器或生产过程的自动控制装置”。

并将其统一命名为ProgrammableController（PC）。

4.1.2PLC的产生

可编程序控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），是随着科学技术的进步与现代社会生产力式的转变，为适应多品种、小批量生产的需要而产牛、发展起来的一种新型的工业控制装置。

PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有道用灵活的控制性能、可以适应各种工业环境的可靠性与简单方便的使用性能，在工业自动化各领域取得了广泛的应用。

曾经有人将PLC技术与数控技术（CNC）、CAD／CAM技术、工业机器人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。

众所周知，制造业中使用的生产设备与生产过程的控制，一般都需要通过工作机构、传动机构、原动机以及控制系统等部分实现。

特别是当原动机为电动机时，还需要对电动机的启／制动、正反转、调速与定位等动作进行控制。

生产设备与生产过程的电器操作与控制部分，称为电气自动控制装置或电气自动控制系统。

最初的电气自动控制装置（包括日前使用的一些简单机械），只是一些简单的手动电器（如刀开关、正反转开关等）。

这些电器只适合于电机容量小、控制要求简单、动作单一的场合。

随着技术的进步，生产机械对电气自动控制提出了越来越高的要求，电气自动控制装置逐步发展成了各种形式的电气自动控制系统。

作为常用电气自动控制系统的一种，人们习惯上把以继电器、接触器、按钮、开关等为主要器件所组成的逻辑控制系统，称为“继电—接触器控制系统”。

“继电—接触器控制系统”的基本特点是结构简单、生产成本低、抗干扰能力强、故障检修立观方便、运用范围广。

它不仅可以实现生产设备、生产过程的自动控制，而且还可以满足大容量、远距离、集中控制的要求。

因此，直到今天“继电—接触器控制系统”仍是工业自动控制领域最基本的控制系统之一。

但是，出于“继电－接触器控制系统”的控制元件（继电器、接触器）均为独立元件，它决定了系统的“逻辑控制”与“顺序控制”功能只能通过控制元件间的不同连接实现，因此，它不可避免地存在以下不足：

1.通用性、灵活性差。

2.体积大，材料消耗多。

3.功能局限性大。

4.可靠性较低，性用寿命较短。

5.不具备现代工业控制所需要的数据通信、网络控制等功能。

正因为如此，“继电一接触器控制系统”难以适应现代复杂多变的生产控制要求与生产过程摔制集成化、网络化需要。

为了解决“继电一接触器控制系统”存在的通用性、灵活性关，功能局限性大与通信、网络方面欠缺的问题，20世纪50年代末，人们曾设想利用计算机功能先备、通用性和灵活性强的特点来解次以上问题。

但由于当时的汁算机原理复杂，生产成术高，程序编制难度大，加工业上控制需要大量的外围接口设备，可靠性问题突出，使得它在面广量大的一般工业控制领域难以普及与应用。

到了20世纪60年代木，有人这样设想：

能否把计算机通用、灵活、功能完善的特点与“继电一接触器控制系统”的简单易懂、使用方便、生产成本低的特点结合起来，生产出一种而向生产过程顺序控制，PLC利用简单语言编程，能让完全不熟悉计算机的人也能方便使用的控制器呢？

这一设想最早由美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM公司）于1968年提出。

当时，该公司为了适应汽车市场多品种、小批量的生产要求需

要解决汽车生产线继电一接触器控制系统”中普遍存在的通用性、灵活性问题，

提到了对一种新颖控制器的九大技术要求，并面向社会进行招标。

九大技术要求具体如下：

（1）编样方使，从可以在现场方便地编辑、修改控制程序；

（2）价格便宜，性能价格比要而于继电器系统；

（3）体积要明显小于继电器控制系统；

（4）可靠性要明显高于继电器控制系统；

（5）具有数据通信功能；

（6）输入可以是AC115V；

（7）输出驱动能力在AC115V/2A以上；

（8）硬件维护方便，最好采即“插接式”结构；

（9）扩展时，只需要对原系统进行很小的改动；

根据以上要求，美国数字设备公司（DEC公司）在1969年首先研制比了全世界第一台可编程序控制器，并称之为“可编程序逻辑制器”〔ProgrammableLogicController，简称PLC）。

试样机在GM公司的应用获得了成功。

此后，PLC得到了快速发展，并被广泛用于各种开义量逻辑运算与处理的场合。

早期PLC的硬件主要由分立元件与小规模集成电路构成，它虽然采用了计算机技术，但指令系统、软件与功能相对较简单，一般只能进行逻辑运算的处理，同时通过简化计算机的内部结构与改进可靠性等措施，使之能与工业环境相适应。

正因为如此，在20世纪70年代初期曾经出现过一些出二极管矩阵、集成电路等器件组成的所谓“顺序控制器”；20世纪70年末期曾经出现过以MCl4500工业控制单元（Industrialcontrolunit，简称ICU）为核心。

出8通道数据选择器〔MCl4512）、指令计数器（MCl4516）、8位可寻址双向锁存器（MCl4599）、存储器（2732）等组成的“可编程序控制器”等产品。

这些产品与PLC相比，虽然具有一定的价格优势，但最终还是因可靠性、功能等多方面的原因，未能得到进一步的推广与发展；而PLC则随着微处理器价格的全面下降，最终以其优良的性能价格比，得到了迅速发展，并最终成为了当代工业自动控制技术的重要支柱枝术之一。

4.1.3PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图4.1所示：

图4.1PLC硬件结构

1.中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：

检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误，当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，灵活性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

2.存储器（Memory）

可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入的信号的状态写入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。

CPU常用的微处理器有通用型微处理器，单片机和位片式计算机等。

小型PLC的CPU多采用单片机或专用的CPU。

大型PLC的CPU多用位片式结构，具有高速数据处理能力。

3.基本I/O接口电路

（1）输入接口单元。

PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的，符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至PLC内部电路。

输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.1~15ms之间。

多数PLC的输入接口单元都相同，通常有两种类型。

一种是直流输入，一种是交流输入。

（2）输出接口单元。

PLC输出电路用来将CPU运算的结果变换成一定形式的功率输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。

PLC输出电路结构形式分为继电器式、晶闸管式和晶体管输出型等三种。

4.接口电路

PLC接口电路分为I/O扩展接口电路和外设通信接口电路两类

（1）I/O扩接口电路

I/O扩展接口电路用连接I/O扩展单元，可以用来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。

I/O扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。

根据被控制对象对PLC控制系统的技术和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。

（2）外设通信接口电路

通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能组成PLC的控制网络。

PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口和电缆与计算机连接，可以实现编程、监控、联网等功能。

5.电源

PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电源需要的工作电源（5V直流）。

当输入端子为非干接点结构时，为外部输入元件提供24V直流电源（仅供输入点使用）。

4.1.4PLC的特点

1．软硬件功能强

2．使用维护方便

3．运行稳定可靠

4．组织灵活

4.1.5PLC的发展趋势

从当前产品来看，PLC的发展仍然主要体现在提及的缩小与性能的提高两大方面。

1．向高速度、大容量方向发展

2．向超大型、超小型两个方向发展

3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力

4．增强外部故障的检测与处理能力

5．编程语言多样化

4.1.6PLC的分类

按I/O点数容量分类：

1．小型机（I/O点数小于256点）

典型的小型机有SIEMENS公司的S7-200系列。

2．中型机（I/O点数在256—1024之间）

典型的中型机有SIEMENS公司的S7-300系列、OMRON公司的C200H系列。

3．大型机（I/O点数在1024点以上）

典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400、OMRON公司的CVM1和CS1系列。

按结构形式分：

根据PLC结构形式的不同，PLC主要可分为整体式和模块式两类。

1．整体式结构

微型和小型PLC一般为整体式结构。

如西门子的S7-200。

2．模块式结构

目前大、中型PLC都采用这种方式。

如西门子的S7-300和S7-400系列。

S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

1.极高的可靠性；

2.极丰富的指令集；

3.易于掌握；

4.便捷的操作；

5.丰富的内置集成功能；

6.实时特性；

7.强劲的通讯能力；

8.丰富的扩展模块。

所以在此次自动车库门的设计中选择S7-200型号的可编程控制器。

4.2电动机的选型

并励或他励直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调速性能上有其独特的优点。

因为鼠笼式电动机在一般情况下是不能调速的，更不能无级调速，因此，对调速要求高的设备，均采用直流电动机。

这是因为直流电动机能无级调速，机械传动机构比较简单。

由直流电动机的转速公式：

n=（U-IaRa）/KEΦ

可知，Ra、Φ和U中的任意一个值，都可使转速改变，改变电枢电路中外电阻的方法也可进行调速。

但其缺点是耗电多，电机机械特性软，调速范围小，且只能进行有级调速，故这种方法目前已较少采用。

现常用的对直流电动机调速的方法有调磁法和调压法。

（1）调磁法

即改变磁通量Φ。

当保持电源电压U为额定值时，调节Rf，改变励磁电流If以改变磁通量，如图13所示。

由于

n=U/KEΦ-Ra/KTKEΦ·T

可知磁通Φ减少时，n0升高，转速降△n增大，但后者与Φ2成反比，所以磁通愈小，机械特性曲线愈陡，但仍具有一定硬度，如图14所示。

在一定负载下，Φ愈小，则n愈高。

由于电动机在额状态运行时，它的磁路已接近饱和，所以通常都是减小磁通（Φ＜Φn），将转速往上调（n＞nn）。

调速的过程是：

当电压U保持恒定时，减小磁通Φ。

由于机械惯性，转速产立即发生变化，于是反电动势E=KE·Φ·n就减小，Ia随之增加。

由于Ia增加的影响超过Φ减小的影响，所以转矩T=KTΦIa也就增加。

如果阻转矩Tc未变，则T＞Tc转速n上升。

随着n的升高，反电动势E增大，Ia和T也着减小，直到T=Tc时为止。

但这时转速已比原来升高了。

必须指出，若电动机在额定状态下运行，则电枢电流Ia为额定值，如果调速时负载转矩仍旧保持不变（为额定值），由于T=KTΦIa，故减小磁通量Φ后Ia必然超过额定值，因此调速后负载转矩必须减小。

这种调速方法适用于转矩与转速成反比而输出功率基本不变（恒功率调速）的场合。

这种调速方法有3个优点：

（1）调速平滑，可无级调速；

（2）调速经济，控制方便；

（3）机械特性较硬，稳定性较好。

这种调速方法的局限是转速只能升高，即调速后的转速要超过额定转速。

因为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。

在实际工作中，这种方法常作为电压调速的一种补充手段。

（2）调压法

即改变电压U。

当保持他励电动机的励磁电流If为额定值时，降低电枢电压U，则由

n=U/KT·Φ-Ra/KE·KT·Φ2·T

可见，n0变低了，但△n未改变。

因此改变U可得出一组