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一、引言
机械式停车设备行业在我国是近十几年来发展起来的新兴行业。随着我国人民生活的不断提高和汽车工业的高速发展，机械式停车设备以其独有的优越性，近几年得到了广泛的应用。智能电梯式机械停车设备是自动化程度较高的机械式停车设备，为了能在提高空间利用率的又保证较高的存取车效率，对停车设备的设计、制造、安装都要求有更高的标准，电气控制系统也更具难度。本文介绍了我单位改造的上海国际金陵大厦智能化电梯式机械停车设备电气控制系统的设计。
二、总体方案设计
智能化电梯式机械停车设备采用目前国内先进的智能控制系统，司机只要将车开到旋转升降台上，控制系统便自动安全地将其输送到指定的空车位，完成整个停车过程。采用电梯式停车设备，无论从高度、技术水平还是整个建设规模，是创造更多空间的佳选择。上海国际金陵大厦的电梯式机械停车设备的停车层采用钢结构，分布在电梯行走的中央通道的两侧，每层停车层由左右各2个停车位组成，每个车位上均设置有停车定位架。升降机的总提升高度达42米。电梯式立体车库平面总图如图1所示。
图1 电梯式立体车库平面总图
1．主要技术性能指标设计
（1）停车标准尺寸（L×W×H）：5050mm×1850mm×1550mm。
（2）停车数量：46。
（3）停车重量：1700Kg。
（4）升降电机功率：22kW；速度：120m/min。横移电机功率：2.2?kW；速度：20m/min。转台电机功率：1.5kW；速度：4r/min。
（5）控制方式：PLC控制。
（6）操作方式：IC卡、触摸屏、按钮箱。
（7）存取时间：平均85s。
2．设备特点分析
（1）占地少，容车量大，高层设计高能够达到平均一辆车仅占一平方米的空间。
（2）安全性好，采用多重安全保护装置确保设备运行安全。
（3）车辆存取速度快、效率高，车辆存取长时间≤120秒。
（4）采用变频调速技术，智能化程度高，可预约存取车、上下班高峰存取车和空车位导向。
（5）存取车辆均向前开，无需倒车。
（6）计费、监控、检测全智能化，管理人员少。
三、控制系统工作原理
这套全自动化系统的技术核心设备是升降机和铲车，司机存取车时，操作员不必具备技能，只需将车开到进出口层的旋转工作台上，控制系统将自动发出指令，旋转工作台自动旋转到升降机位置，升降机上升至要停放的楼层，升降机上的铲车把车辆送到规定的停车位置，完成存车动作。取车过程则由于在车库的进出口室设置了一部自动转盘，使司机取车时不用倒车出库。整个停车库系统还配有停车收费管理系统，停车监控系统，停车报表打印系统等。控制系统总体方案图如图2所示。
图2 控制系统总体方案图
四、控制系统硬件设计
控制器采用三菱AnS系列的PLC，它是专为顺序控制和数学运算而开发的控制器。AnS系列的PLC提供多种网络系统组合和特殊功能组件，使其更完美地适用于过程控制、定位控制和其它各种类型的控制。本系统中下位机PLC模块和各部件的功能：底板（A1S38B）、电源模块（A1S61PN）、控制单元（A2USH-CPU-S1）、输入模块：A1SX42（传感器和按钮输入信
号）、输出模块（A1SY10—控制输出的信号）、网络通信模块（A1SJ71AP21—进行网络通信）、高速计数模块（A1SD62—编码器读数计数）、模拟量输入模块（A1S64AD—变频反馈信号）、模拟量输出模块（A1S62DA—变频输出信号）、串口通讯组件（A1SJ71UC24-R2—触摸屏连接的通讯接口）；上位机PLC模块和功能：底板（A1S38B）、电源模块（A1S61PN）、控制单元（A2USH-CPU-S1）、输入模块（A1SX42-传感器和按钮输入信号）、输出模块（A1SY10—控制输出的信号）、网络模块（A1SJ71AP21—进行网络通信）、通讯组件（A1SJ71UC24-R2—操作界面连接的通讯接口）、通讯组件（A1SJ71UC24-R2—打印机连接的通讯接口）。
根据实际应用情况，现场传感器网络设计包括16路传感器输入点信号连接到4个TM-4NC输入单元，通过长距离通讯线连接到TM-S16通讯单元，连接到PLC的输入模块，注意配置正确的通讯单元参数。升降电机的变频器采用富士公司的矢量变频器FVRVG5S-2A-37?kW，铲车变频器采用三菱公司的FR-A520-5.5kW。
五、控制系统软件设计
软件部分的中心任务是上位PLC操作程序和下位PLC操作程序设计。上位PLC操作程序包括：操作显示数据程序、存取报表打印程序、数据维护程序。下位操作程序包括：自动存车操作子程序（P101）、自动取车操作子程序（P102）、自动存入空板子程序（P105）、自动取出空板子程序（P106）、维修手柄操作程序、手动操作存取程序、触摸屏操作程序。软件流程图如图3所示。
图3 软件流程图
存取车程序操作设计了自动、手动、检修、只存、只取操作方式。“只存”操作方式应用在上班高峰时，此时主要是存入车辆；“只取”操作方式应用在下班高峰时，此时主要是取出车辆。上位机的应用软件对系统的报警和实时工作状态进行处理分析使操作管理人员充分了解停车场车位的可用数量、具体位置及用户分类等，使操作管理人员合理调度，合理科学地对车场进行管理。
六、控制系统关键技术说明
1．升降机定位设计
升降机采用高速变频矢量控制。采用编码器（1200P/R）和定位地址芯片技术，应用输入中断处理，并根据不同的存取层调用不同的速度曲线数据，每层的定位精度可达到±5mm，平均存取车辆时间为98秒。低速定位时矢量变频的速度为50Hz～10Hz，矢量变频高速运行时的速度为700Hz，加减速时变频输出速度按PLC数据运算表输出，保证加减速平稳。升降机矢量变频控制如图4所示。
图4 升降机矢量变频控制图
矢量变频控制符号说明：
FWD——PLC输出控制的变频正转指令（升降机上升）；
REV——PLC输出控制的变频反转指令（升降机下降）；
X1——PLC输出控制的变频预激磁指令；
X2——PLC输出控制的变频停止指令；
X3——PLC输出控制的负载补偿偏置（+）指令；
X4——PLC输出控制的负载补偿偏置（-）指令；
RYA——变频器运行有速度时，输出信号到PLC；
30B——变频器运行错误时，输出报警信号到PLC；
I2、I1——PLC特殊功能模块A1S62DA输出模拟信号（0～10V）控制矢量变频速度；
A0、N——变频负荷反馈信号（0～10V）输入到PLC特殊功能模块A1S64AD。
2．高速计数模块应用设计
选用高速计数特殊功能模块A1SD62。当接通电源或PLC复位时，初始值被写入缓存中，它有2个通道的高速计数，A1SD62共使用32点输入和32点输出信号，比如系统使用X20-X3F、Y20-Y3F，那么Y34是CH1计数允许命令，Y3B是CH2计数允许命令。CH1?的采样计数值缓存地址是4、5，CH2?的采样计数值缓存地址是36、37。两个通道高速计数的程序如图5所示。
图5 高速计数程序
3．数字-模拟变换模块应用设计
选用D/A特殊功能模块A1S62DA。它有2个通道的D/A转换，并设定数值的分辨率为1/4000，当数值为4000时，对应的模拟输入值为10V，数值为2000时，对应的模拟输入值为5V；数值为0时，对应的模拟输入值为0V。A1S62DA共使用32点输入和32点输出信号，比如系统使用X0-X1F、Y00-Y1F，那么X1是D/A变换器准备好标志，X2是出错标志，Y10是CH1?D/A变换值输出允许标志，Y11是CH2?D/A变换值输出允许标志，Y18是D/A模块出错复位标志，比如两个通道模拟量输出的程序如图6所示。
图6 模拟量输出程序
4．上位机和下位机通讯网络设计
上位机和下位机的通讯通过网络通讯模块A1SJ71AP21连接。需要在软件中设置网络参数。选择MelsecNet网络，上位机设置网络类型是MNET?II-主站点，起始I/O号为0120总站数为1。进行网络范围分配，设置主站的发信范围为W0000～W01FF，从站的发信范围为W0200～W03FF。下位机设置网络类型是MNET?II-本地站点，起始I/O号为0120。
七、结束语
通过调试运行，整个停车设备的结构紧凑、设计合理、运行良好，充分发挥了AnS系列PLC控制器的高可靠性、强功能性等特点，特别是AnS系列PLC的特殊功能模块在停车设备中的应用具有推广价值，对同行业的机械式智能化电梯式停车设备的设计具有借鉴意义。这种类型的停车设备，不仅在有效节约地域空间基础上科学解决了停车占地难题，还提升主体建筑的价值。高智能化、自动化程度高、绿色环保等特征在行业中都有较的优势，特别使用于城市立体车库的建造。
0 引 言
金相切割机是金相取样分析过程中的重要设备之一，主要用于金相试样的截取和各种材料的下料、切口等，广泛应用于机械、冶金、汽车、航空航天等领域。目前，国内金相试样切割设备形式多样，以微处理器为基础的各种制样设备代表着金相制备的先进技术，自动化程度较低，不能直接对较大零件进行取样。为了满足行业的要求，促进金相事业的发展，需要设计高精度、高性能和方便操作的金相切割控制系统。这里根据金相取样的特殊要求，设计以PLC为核心的控制系统，采用触摸屏作为人机交互设备，弥补了PLC在人机交互方面的不足，大大减少了输入／输出点数，方便操作与维修，为用户提供了友好的人机界面。
1 工作原理
金相切割机控制系统是金相取样的专用设备。为了保护金属试样的组织结构和特性，对于不同属性的金属应采取不同的切割速度和切割模式。在该系统中，设置了三个操作窗口(测试操作、手动操作、自动操作)和一个设置窗口，一个切割过程观察窗口。其中，自动操作包括三种模式：匀速切割、进三退一切割、逐层切割。不同切割模式的用户可以在触摸屏的不同窗口设定需要的切割工艺参数，再通过PLC设定与之相应的参数调用控制指令，驱动切割机按照要求对金相试样进行切割。其中，PLC与变频器通过串行通信方式对三相异步电机调速，采用USS协议对电机的运行状态进行控制和监视。
2控制系统的设计要求及思路
根据金相切割机发展状况和市场需求，本着提高效率，增强可靠性能，提高性价比的原则，设计的金相切割机应实现以下功能：能够根据零件尺寸的不同选择不同的切割方式；在过程控制中，能够根据不同的切割材料、硬度、尺寸调节切割速度；根据零件宽度或长度，确定砂轮的进刀速度、轴的运动速度和位移量；根据砂轮片磨损情况和零件直径，确定砂轮切割的快进位置和退刀位置；能自动控制监控切割量、进给速度、主电机转速等切割参数；人机交流界面便捷、美观。
为了满足切割及控制的技术要求，也为了提高机械产品的自动化程度，这里着重从PLC控制和触摸屏设计两方面对金相试样切割机进行了研究。
3 硬件系统设计
切割机系统的主要组成见图1所示的系统整体设计框图。
系统的执行部件主要包括一台三相异步电机和三台步进电机。三相异步电机采用变频器进行变频调速，步进电机由专用的驱动器驱动，控制系统核心PLC控制器发出控制命令信号，使异步电机和步进电机协调运动，完成切割过程。
3．1 主控制系统
PLC是整个控制系统的核心。PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式输入／输出，控制各种类型的机械和生产过程。它具有体积小，功能强，编程方便，可靠性高，耐恶劣环境能力强等优点，已广泛应用于工业自动化生产的各个领域。该系统采用OM-RON公司的CP1HX40DT-D程序一体化PLC。可实现高速计数器4轴、脉冲输出4轴；通过扩展CPM1A系列的扩展I／O单元。CP1H整体可以达到大320点的输入／输出；通过安装选件板，可进行RS232C通信或RS 422A／485通信。
3．2 变频器调速系统
在进行电机调速时，电机磁通量是需要考虑的一个重要因素，如果磁通量太弱，电机会出现欠磁通，势必会给电机输出转矩带来很大影响。因为：
式中：Tm是电磁转矩；KT为比例系数；φm是主磁通量；I2是转子电流；cosψ2是转子回路的功率因数。
由式(1)可知，电机磁通量的降低直接影响电磁转矩的减小。在改变电机频率时，应该对电机电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。根据切割机的主电机参数，该系统选用Siemens公司的MM420变频器，通过设定变频器输出功率的变化来控制主电机转速的变化，两者之间近似呈线性关系，从而实现了无级调速的目的。PLC为漏型晶体管输出，与变频器的通讯采用基于USS协议的串行口RS485通信方式。这里，为了确保系统安全运行，必须将变频器接地端可靠接地。
3．3 步进电机驱动系统
步进电机是可以将电脉冲信号转变为角位移或线位移的电磁机械装置。给电机加一个脉冲信号，电机按照设定方向转动一个步距角。电机转速与输入脉冲频率保持同步。该系统中通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到定位jingque的目的；通过控制脉冲频率控制电机转动速度，从而达到调速的目的。x，y，z三向步进电机分别由3个MS-2H090M型步进电机驱动器来驱动，每向步进电机驱动器包括使能输入端EN，步进脉冲输入端CP和方向电平信号输入端DIR。
4 软件系统设计
4．1主控制系统软件程序设计
软件程序主要完成系统初始化，设定切割参数，启动切割机控制系统，并将切割参量送往触摸屏上实时显示。控制系统主程序流程如图2所示。
系统初始化主要完成软件初值、内存、I／O口以及硬件电路状态的初始化，使PLC及其连接的外围电路处于准备工作状态。主要包括PLC内部RAM单元的初始化，触摸屏上电的初始化，I／O端口方式的初始化等。
在启动切割之前，需要对相应的切割工艺参数进行正确设置。其中，自动操作包括三种模式(匀速切割、进三退一切割、逐层切割)，每种模式根据具体需要还可以设置相应的设置选项和加密操作选项，在方便操作的增强了安全性。
4．2触摸屏人机界面程序设计
输入和显示系统是控制系统的重要组成部分，是实现操作人员与机器设备之间双向沟通的桥梁。切割机控制系统选用深圳人机电子有限公司的eViewMT508S触摸屏作为人机交互界面，主要完成对切割各个参数的设置和实时显示等功能。PLC与触摸屏的通信采用基于Hostbbbb协议的串行口RS 232通信方式传达用户指令，根据需要设定系统的运行状态。
MT500系列触摸屏是专门面向PLC应用的，具有32位RISC处理器和256色显示方式，可弹出6个窗口。它功能非常强大，用户可以自由组合文字、按钮、图形、数字等，以处理或监控管理以及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕；它拥有和bbbbbbs95／98系列一样的任务栏和快选窗口工作按钮，可实现窗口的快速切换，使用方便，非常适合现代工业的需要。
该系统触摸屏界面的开发，使用了专用组态工具EasyBuilder500。开发的各界面如图3所示。当系统上电后，触摸屏启动初始化界面，点击“进入”按钮，输入密码，验证正确后即可选择下方三种操作。图4～图6分别为三种操作界面的示意图。
设置和加密操作是为一些需要保密的参数设定的，触击“设置”按钮，只有当输入的密码完全正确时，才可以进入设置界面进行保密参数的设定；当所有参数设置完成后，点击“启动”按钮，开始自动切割，进入切割过程观察窗口，用条形棒图准确清晰地再现了切割过程，箭头标示出了工进切割位置，如图7所示。
5 结 语
根据金相切割机的控制要求，采用PLC作为控制系统核心，触摸屏作为人机交互界面，研制出多模式下对不同属性金属切割的控制系统。显著特点主要有：选用PLC模块化设计，编程方便，可靠性高，丰富的I／O口解决了多路输入／输出的难题；触摸屏的应用不仅大大节省了空间，还为用户提供了便捷、直观、友好的人机交互界面；采用USS协议控制变频器，实现了系统的自适应调节。经现场实际测验，此切割机控制系统运行性能稳定，实用性强，可靠性高，有较高的性价比，控制精度已经达到用户要求。