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基于PLC的四层升降横移立体车库控制系统的优化设计
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更新于2024-06-24
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本篇学位论文主要探讨的是基于PLC(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)的立体车库控制系统设计。随着城市化进程加快和汽车保有量的增长,解决停车难题成为了关键问题。立体车库作为一种高效的停车解决方案,通过自动化技术和机械设计,能最大化利用空间,缓解城市静态交通压力。 研究的核心焦点是升降横移式立体车库,这是一种常见的机械式车库结构,通过升降和横向移动的方式存放和取出车辆。论文首先进行了详尽的市场调研,分析了国内外立体车库的现状和未来发展趋势,选择了四层三列式车库作为研究模型,这种结构在成本效益和运行效率之间寻求平衡。 PLC在系统中的应用至关重要,它负责整个车库的控制逻辑,包括车辆的出入库、定位、安全检测等功能。论文详细阐述了PLC如何通过接收到的信号处理和指令执行,实现对车库各部件如升降装置、移位轨道的精确控制,确保操作的可靠性和安全性。 设计过程中,可能涉及到PLC编程语言的选择,如 ladder logic(梯形图)、structured text(结构化文本)等,以及如何优化算法以降低能耗、提高系统响应速度。此外,论文还会讨论故障诊断和预防措施,因为保障系统的稳定运行是设计的关键。 在实施层面,可能还会涉及硬件选型,如选用哪种品牌的PLC,以及如何集成传感器、电机等设备。论文还可能涉及实际的搭建过程、调试方法和测试结果,这些都是衡量设计是否成功的重要指标。 总结起来,这篇论文不仅涵盖了理论分析,还深入到实际工程设计和实践操作,旨在提供一种基于PLC的高效、经济且可靠的立体车库控制系统的设计思路和技术方案,为解决城市停车问题提供了有价值的参考。
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之间电气上隔离。(2)各输入端均采用 R-C 滤波器,其滤波时间常数一般为 10~20ms。
(3)各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。(4)采用性能优良的开关电源。(5)
对采用的器件进行严格的筛选。(6)良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生
异常情况,CPU 立即采用有效措施,以防止故障扩大。(7)大型 PLC 还可以采用由双 CPU
构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2.通用性强,控制程序可变,使用方便
PLC 品种齐全的各种硬件装置,可以组成能满足各种要求的控制系统,用户不必自
己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后,在生产工艺流程改变或生产设备更新
的情况下,不必改变 PLC 的硬设备,只需改编程序就可以满足要求。因此,PLC 除应用
于单机控制外,在工厂自动化中也被大量采用。
3.功能强,适应面广
现代 PLC 不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能,还具有数字和模拟量的
输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机
械、一条生产线,又可控制一个生产过程。
4.编程简单,容易掌握
目前,大多数 PLC 仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制
线路的清晰直观,又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平,所以
非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理
图相当接近。通过阅读 PLC 的用户手册或短期培训,电气技术人员和技术工很快就能学
会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。
5.减少了控制系统的设计及施工的工作量
由于 PLC 采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计
数器等器件,控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时,PLC 的用户程序可以在实
验室模拟调试,更减少了现场的调试工作量。并且,由于 PLC 的低故障率及很强的监视
功能,模块化等等,使维修也极为方便。
6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便
PLC 是将微电子技术应用于工业设备的产品,其结构紧凑,坚固,体积小,重量轻,
功耗低,具有强抗干扰能力,易于装入设备内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
综上所述,本课题系统核心部分采用西门子 S-200 系列中的 CPU224 为控制元件,
CPU224 本机集成了 14 点输入/10 点输出,共有 24 个数字量 I/O。它可连接7个扩展模
块,最大扩展至 168 点数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。CPU224 有 13K字节程序和
数据存贮空间,6个独立的 30KHz高速计数器,2路独立的 20KHz高速脉冲输出,具
有 PID 控制器。CPU224 配有1个 RS-485 通讯/编程口,具有 PPI 通讯、MPI 通讯和自
由方式通讯能力,是具有较强控制能力的小型控制器。
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3.2.3 I/O 口分配表
立体车库 I/O 分配表如表 2 所示
表 2 立体车库 I/O 分配表
输入口 名称
输出口 名称
I0.0
货台到位限位
Q0.0
横轴脉冲
I0.1
货台回位限位
Q0.1
竖轴脉冲
I0.2
货台是否有物
Q0.2
横轴方向 I/0
I0.3
自动/手动
Q0.3
竖轴方向 I/0
I0.4
键盘值 1 位
Q0.4
货台前升
I0.5
键盘值 2 位
Q0.5
货台退回
I0.6
键盘值 3 位
Q0.6
就绪
I0.7
键盘值 4 位
Q0.7
取
I1.0
横轴右限位
Q1.0
放
I1.1
横轴左限位
Q1.1
十位显示
I1.2
竖轴上限位
Q2.0
BCD 码 1 位
I1.3
竖轴下限位
Q2.1
BCD 码 2 位
Q2.2
BCD 码 3 位
Q2.3
BCD 码 4 位
注:PLC 主机输出的 1L、2L、输入 1M、2M、3M、4M 分别与电源 L+相连
输出的 3L、4L、5L、6L、1M、2M 与电源 M 相连
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3.3 步进驱动模块的设计
3.3.1 步进电动机的原理
步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中,执行元件是步进电机。
它受驱动控制线路的控制,将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小
和速度的机械转角位移,并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测
环节,它的精度较差,速度也受到步进电机性能的限制。但它的结构和控制简单、容易
调整,故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。步进电机的工作原理实
际上是电磁铁的作用原理。
3.3.2 步进电动机的选型
在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择,其次是具体的品种选择,
在该立体车库系统设计中要求步进电动机的电压低、电流小、有定位转矩和使用螺栓机
构的定位装置,确定步进电动机采用 2 相 8 拍混合式步进电动机;在进行步进电动机的
品种选择时,要综合考虑速比 i、轴向力 Tt、额定转矩 Tn 和运行频率 Fy,以确定不进
电动机的具体规格和控制装置。步进电动机有如下特点:
a、步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此,当它转一圈后,没有累计
误差,具有良好的跟随性。
b、由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统,既简单、廉价,叉非常可靠。同
时,它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
c、步进电动机的动态响应快,易于启停、正反转及变速。
d、速度可在相当宽的范围内平稳调整,低速下仍能获得较大转矩,因此一般可以不
用减速器而直接驱动负载。
e、步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行,不能直接使用交流电源和直流电源。
f、步进电机存在振荡和失步现象,必须对控制系统和机械负载采取相应措施。
3.3.3 步进驱动模块
步进驱动模块由步进电机和步进驱动器组成。仓库立体存储系统有两套步进驱动模
块,分别控制 X 轴、Y 轴的丝杆运动。步进驱动器接收 PLC 发出的高速脉冲信号及方向
电平信号,并将这些信号转换成驱动步进电机的信号。步进电机旋转方向由方向电平控
制,步进电机旋转速度由脉冲信号频率控制,步进电机旋转度由脉冲信号的数目控制。用
四相步进电机 42J1834-810,与之配套的驱动器选用美国 IMS 公司生产的 M415B 细分型
步进电机驱动器,其细分功能使步进电机运转精度提高,振动减小,杂讯降低,且具有
光隔离信号输入(抗干扰),静止时电流减半,电源接反保护功能等优点。42J1834-810
步进电机步距角为 1.8
o
,即在无细分的条件 下 , 200 个 脉 冲 使 步 进 电 机转一圈
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(200×1.8=360
o
)。通过驱动器设置细分精度,最高可以达到 12800 个脉冲电机转一
圈。步进电机驱动器 M415B 细分设定由拨码开关 SW4、SW5、SW6 设定,如表 1 所示。设
置 SW4=ON、SW5= OFF、SW6=ON,细分设置为 800 步数/圈,即 800 个脉冲使步进电机转
一圈,此时步距角为(800×0.45=360
o
)。步进电机传动组件采用联轴器直接带动螺旋
丝杠转动,螺旋丝杠的螺距为 5mm,即步进电机每转动一周,载物台位移 5mm。通过控
制载物台在 X-Z 轴平面的运动,从而把工件运送到仓库的指定位置。步进电机驱动器
M415B 输出相电流设定由拨码开关 SW1、SW2、SW3 设定,如表 5 所示。设置 SW1=OFF、
SW2=ON、SW3=OFF,输出相电流为 1.05A。
1.步进电机驱动器
步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。驱动器参数如
下列图表所示
表 3 电气规格
说明
最小值
典型值
最大值
单位
供电电压
18
24
40
V
均值输出电流
0.21
1
1.50
A
逻辑输入电流
6
15
30
mA
步进脉冲响应频
率
—
—
100
kHz
脉冲低电平时间
5
—
1
μs
表 4 电流设定
电流值
SW1
SW2
SW3
0.21A
OFF
ON
ON
0.42A
ON
OFF
ON
0.63A
OFF
OFF
ON
0.84A
ON
ON
OFF
1.05A
0FF
ON
OFF
1.26A
ON
OFF
OFF
1.50A
OFF
OFF
OFF
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