基于PLC控制的立体车库设计组态仿真.docx

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基于PLC控制的立体车库设计组态仿真

本科生毕业论文（设计）

PLC控制的立体车库设计

独创性声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导老师指导下取得的研究成果。

除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。

与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在论文（设计）中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：

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授权声明

本人完全了解许昌学院有关保留、使用本科生毕业设计的规定，即：

有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业设计被查阅和借阅。

本人授权许昌学院可以将毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编论文（设计）。

本人论文（设计）中有原创性数据需要保密的部分为：

学生签名：

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指导教师签名：

　　　　　　　　　　　　　　　　年　　月　　日

PLC控制的立体车库设计

摘要

立体车库是专门实现各种车辆的自动停车及科学寄存的车库设施。

城市发展，汽车不断增加，停车难问题是现在一个很突出的问题。

针对这种现象，本文提出采用西门子S7-200系列的PLC作为主控制器实现立体车库控制系统统的设计。

立体车库能够很好的利用地面以上的空间，成为解决城市静态交通问题的有效的途径。

该论文描述了3×6升降横移式立体车库的运行原理和结构特点，介绍了其控制系统的硬件组成、软件编程设计。

在此基础上，利用MCGS组态软件进行动画仿真。

关键词:

立体车库；PLC；MCGS；升降横移式立体车库

TheStereoGarageDesignofPLCControl

ABSTRACT

Stereogarageisaspecializedimplementationofvehicleautomaticparkingandscientificcheckgaragefacilities.Urbandevelopment,thecarkeepsincreasing,theparkingproblemisaveryprominentproblemnow.Accordingtothisphenomenon,inthispaper,adoptingSiemensS7-200seriesPLCasthemaincontrollertorealizethethree-dimensionalgaragecontrolsystemdesignofthesystem.Stereogaragecanverygooduseofthespaceabovetheground,becometheeffectivewaytosolvetheproblemofurbanstatictraffic.Thepaperdescribesthe3*6liftingandmovingtheoperationprincipleandstructurecharacteristicsofthree-dimensionalgarage,introducesthehardwarecompositionandsoftwareprogrammingofthecontrolsystemdesign.Onthisbasis,usingMCGSconfigurationsoftwaretosimulationanimation.

Keywords:

StereoGarage;PLC;MCGS;LiftingandMovingStereoGarage

PLC控制的立体车库设计

前言

近几年来，中国经济快速发展，人们生活水平得到很大提高，汽车数量也在不断增加，截至到2011年6月份中国有汽车9846万辆，其中私家车7206万辆，占汽车保有量的73.2%。

2012年中国市场汽车销售2000万辆，比2011年增长8%。

到2013年初，国内汽车总数已过亿万辆。

汽车泊车位的增长却不能与之同步，汽车车位与汽车数量严重失调。

由此带来了停车难、违章停车、停车管理困难等一系列问题。

随着人类社会的不断发展和科学的进步，人们的生活和生产趋于集中。

土地资源变得更加宝贵，更加加剧了停车难。

为了解决矛盾，开始利用空间来泊车，建立机械式立体车库。

在现在大都市发展的道路上，道路拥挤、车多位少，已经变成城市的发展的一大障碍。

随着人们的生活水平不断提高，汽车进入家庭的步伐加快，解决停车难的问题也更加迫切，停车产业变得更加广阔。

建立一个混合的停车场，这是解决城市停车难有效途径，也是停车产业发展的必由之路。

1.绪论

1.1课题研究的背景及意义

随着社会的发展，汽车数量不断增加，在中国汽车市场上以每年5%--7%的速度增加。

而停车位的增加速度在2%--3%。

车辆的增加，必然造成道路的拥挤，特别是在酒店，商场附近，由于车多，车位少，很多车主为停车而发愁，有些车主干脆就把车停在路上，更加加剧了道路的拥挤。

普通的露天停车场和地下停车场虽然停车方便，可以快速的存取，但占地面积广，且停车数量有限，特别是现在，土地价格暴涨。

投资商就不得不考虑土地占有的成本。

为了缓解车多位少的矛盾，一些大城市现在已经开始对建设立体车库给予一定的补贴，比如许昌，南昌，杭州等地。

杭州市近几年来一直致力于解决停车难问题，鼓励了社会人士投资建设立体车库。

1.2立体车库概述

所谓立体车库就是利用机械设备将汽车存放到立体空间中。

立体车库是近几十年来蓬勃发展起来的一种新型停车系统。

与传统停车场不同，在用地紧张，车多位少的状况下，它顺应市场的发展。

最大效率的利用有效的土地资源，将土地资源最大化利用。

将停车位建在空间或者地下，利用机械存取车，自动化程度高，是停车场的发展方向。

1.3立体车库的类型及特点

在国家质量监督检验总局颁布的《特种设备目录》中，将立体车库分为九大类，具体是：

升降横移类、简易升降类、垂直循环类、水平循环类、多层循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类和汽车专用升降机[1]。

本次设计采用升降横移式立体车库，所谓升降横移式立体车库就是通过托盘升、降、横移来存取车。

地面一层只需要横移，不需要升降。

上层的车位需要通过下层车位的横移让出空道，然后在升、降存取。

升降横移式立体车库的适应性比较强，车库可设在地下，可设在地上，也可一半地上一半地下[2]。

根据不同条件来组合布置，配置特别灵活。

1.4升降横移式立体车库的构成

立体车库主要是由框架部分、传动部分、载车板部分、控制部分、安全防护措施五大部分组成[3]。

（1）框架部分

立体车库的框架主要是由钢结构构成，钢结构包括横梁、纵梁、托盘等。

框架结构是立体车库的支撑部分。

其中主框架是由垂直方向和水平方向的梁通过刚性节点连接而成。

钢结构框架主要是由角钢、槽钢、钢板焊接而成的，具有很强的强度和刚度。

（2）传动部分

传动部分是升降横移式立体车库的一个重要组成部分。

它控制载车板的运行。

在整个车库中传动有横移传动和升降传动部分。

横移传动系统主要负责车库的横向移动。

横向传动一般是由电机、减速器、驱动轮和从动轮导轨组成。

除了顶层不需要横移外其它层都需要横移。

升降传动主要负责托盘的上下移动。

主要是由电机、减速机、链条等构成。

由链条来拉着托盘上下移动，除了最底层的的不需要垂直移动其他的都需要上下移动。

（3）载车板部分

载车板主要是是用来存放车的装置。

对于载车板的材料和制造要求较高，因为载车板需要承载车体的重量，如果材料不好，车板很容易变形。

载车板底部一般是波浪板做成的，具有防滑和导流作用。

（4）控制系统

升降横移式立体车库的控制系统主要是由主回路和控制回路构成。

主回路主要控制载车板的升降和横移，其主要是控制横移小电机和升降大电机的运行。

控制回路是控制车库的运行情况，存取车位的选择以及该怎么运行的控制，还有一些安全控制，控制系统主要是围绕控制核心进行的，控制核心可以是继电器组，也可以是PLC,由现场采集的信息输入控制核心。

再由控制核心进行逻辑分析，运算，得出运行方式，再控制主回路运行。

（5）安全防护

为了保证车库的安全运行，系统采取安全挂钩和传动系统互锁保护设计。

系统中必须有光电传感器，反馈元件，上下限位开关，横移限位开关等组成。

存取车时，根据输入的控制信息，综合各限位开关、行程开关、光电开关、反馈元件等反馈给PLC的信息，由PLC控制继电器，再由继电器控制接触器的闭断，进而控制电机的启停及运行方式，从而控制载车板的升降和横移，系统要求各开关严格互锁，保证存取车的安全可靠。

1.5升降横移立体车库的车位结构

用N表示车库的层数，M表示车库的列数，则车库容量P=N×M-（N-1）。

由于立体车库受到收链装置及存取车时间的限制，一般为2-6层，以2,3层者居多，可根据泊车的多少决定停车位的规模。

设计一座16车位的三层车库。

有公式可知：

N=3，P=16则M=6，即设计为3×6立体车库就可以满足要求。

本设计就是以3×6地面上布置的升降横移式立体车库为例介绍其运行原理。

升降横移式立体车库的结构及其运行规律。

如图1-1是3×6的升降横移式立体车库基本框架，共有18个空位，16个托盘，最多存停16辆车，车库的运行条件为：

一层的1、2、3、4、5号车位上的车可以直接存取。

二层的6、7、8、9、10号车位上的车需要先通过1、2、3、4、5号车位横移让出空位后才可以通过升降存取。

三层的11、12、13、14、15、16号车位上的车需要通过1、2、3、4、5号车位和6、7、8、9、10号车位的横移让出空车位后才可以通过升降存取。

图1-13×6升降横移式立体车库框架图

1.6升降横移式立体车库系统

广义上，车库系统主要由控制核心元件、驱动单元、接口和人机界面。

控制核心单元式整个控制系统的“大脑”。

它可以是可编程控制器PLC（ProgrammableLogicController）或者单片机控制，也可以是有继电器控制组成的逻辑电路。

PLC是现在车库的首选。

图1-2是车库控制原理图。

图1-2车库控制原理

人通过界面，输入想要存取的车位号到控制系统，控制系统是以PLC为核心单元，通过PLC逻辑判定、运算后，控制执行机构（电机）来实现车库的运行，车库现场运行的同时，检测系统检测车库的运行情况，并反馈给控制系统。

接口是立体车库控制系统中非常重要的一部分。

接口是驱动单元与控制单元以及执行元件与驱动单元之间的桥梁。

升降横移式立体车库控制系统使用的接口电路是开关量接口电路，它主要包括一些行程开关，开关按钮，光电开关等开关信号的输入接口和控制输出接口。

驱动电路车库控制系统的最后一个重要部分，驱动电路种类很多。

但在停车库系统中，驱动单元比较单一，只需要驱动一个专用的减速机。

智能化车库库系统的运动是靠驱动元件来控制运动的。

界面是操作人员与停车库控制核心元件交流的平台。

操作人员可以通过控制界面来向车库控制系统发送自己的意图。

界面也可向操作人员反馈车库的运行情况。

简单的一些界面只有一个操作盒控制，但一些复杂的界面却由微机控制的专用的应用软件控制的人机界面。

升降横移式立体车库的控制界面要根据具体情况来确定。

1.7升降横移立体车库的控制系统的控制形式

车库的控制系统控制核心元件的选取要综合考虑其规模、应用现场的条件等各方面的因素，比较常见的车库控制单元主要有三种：

单片机控制、可编程控制器控制、继电器逻辑电路控制。

1.单片机控制

单片机是将CPU,ROM,RAM，定时器/计数器和I/O接口集成在一个很小的硅片上来实现控制功能。

由于它的控制功能强大、功耗低、成本低、体积小，在仪器中使用比较方便，在20世纪80年代以来得到快速的发展。

理论上也可以用在立体车库的控制上，来控制车库的运行。

但实际在立体车库的控制系统中并没有得到广泛的应用，很多原因决定了它不适合用在车库的控制上。

主要原因是其抗干扰能力比较弱，而车库的运行现场复杂。

系统调试耗费时间太长，其驱动环节比较复杂。

单片机如果在车库的控制系统中的应用，会很大程度的节约车库的造价。

这可以作为一个今后单片机系统开发研究的方向。

2.继电器控制

在机械式立体车库的初期，继电器在控制系统中比较常用。

随着电子技术的发展，诞生了许多其他形式的控制元件来代替继电器控制车库，但在小型的立体车库中继电器依然继续被使用。

继电器控制有很多缺陷：

第一，难以实现智能控制：

第二，不适合应用在大容量大规模的立体车库；第三，其元件毁坏率较高，可靠性低；继电器控制在一些家用的车库中比较常见。

3.可编程控制器（ProgrammableLogicController）控制

国内外现有的的大部分升降横移立体车的控制系统的控制核心大都采用PLC控制，特别是大规模，智能化程度高的升降横移式立体车库。

可编程控制器在立体车库控制中具有很多优点：

（1）可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是立体车库控制的首要因素。

PLC利用软件编程的方法来代替传统的继电器，故障率明显降低。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间可以高达30万小时[4]。

硬件上采用屏蔽，多级滤波、隔离等技术，使PLC有很强的抗干扰能力。

（2）功能完善，适用性强

PLC现在已经发展成各种系列的产品，可以应用到各种规模的工业控制现场。

不仅具有有很强的逻辑能力，还有很强的运算能力，可应用到各种数字控制领域[5]。

同时，PLC也具有很强的通讯能力。

在车库系统的运行中，PLC可以很好的采集车库现场的的信息，并通过分析运算，做出相应的输出。

（3）易学易用，很容易上手

PLC中内置很多种编程方式，其中梯形图与传统的继电器相似，对编程人员来说，很容易上手[6]。

（4）建造工作量小，维护方便，容易改造

应用PLC只需要利用几个按钮，便可以控制一个复杂的控制过程，既节省硬件设备，也精简线路的复杂程度，便于维护与检修[7]。

（5）体积小，重量轻，能耗低

PLC外型小巧，便于安装，同时，PLC重量比较轻，其中超小型PLC的质量只有150g。

功耗小，节省能源。

2.3×6升降横移式立体车库

2.1主要器件

3×6升降横移式立体车库有11个提升大电机，10个横移小电机，有控制单元的输出点控制正反转。

故需要42个点。

托盘行程开关的位置检测信号可作为控制系统的输入，横移定位开关20个，升降定位有22个，即需要42个输入点。

另外控制系统还要对车库进行检测，和安全控制等。

所以控制系统的I/O点至少有100个以上，需要这么多的I/O点，单片机和继电器都难以实习，但使用PLC就很容易是实现。

本设计3×6升降横移车库总共需要97个数量输入，63个数字量输出。

1.PLC

本设计采用西门子S7-200系列的的CPU226控制，图2-1是西门子CPUCPU226的外观图。

有24输入点和16个输出点。

另外选用五个扩展模块，其中2个数字量输入模块EM221，其类型为16点24VDC输入；3个数字量输入/输出模块EM223，其类型为16点24VDC输入/16点24VDC输出。

图2-1西门子CPU226PLC

PLCCUPU226参数：

◆晶体管输出

◆输入电压：

20.4-28.8VDC；

◆输出电流：

0.5A；

◆功耗：

11W；

◆数据存储器：

24KB；

◆I/O特性：

24输入/16输出；

◆模块扩展：

最多扩展7个；

◆定时器总数：

256个；

◆接口：

两个RS-485接口；

2.红外探测器

红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。

检测人体运动、非法入侵并报警[8]，如图2-2.在停车现场使用，当正在进行存取车时，如果有人接近到一定距离时，就会触动报警,距离再近些就会自动停止存取车，来增加车库现场的安全。

图2-2红外探测器

3.行程开关

行程开关又称限位开关，它是利用运动物体的碰撞来实现控制，当运动物体碰到它，就会产生一个信号，并将信号传输到需要采集的部件上，实现需要控制的功能[9]。

本设计采用LX19-001，如图2-3。

图2-3行程开关LX19-001

4.光电开关

光电开关的工作原理是利用被检测物体对光束的遮挡或反射，然后经过同步回路选通电路，来检测物体有无的[10]。

车库设计中主要是检测车库中是否有车和车是否停到位。

本设计采用欧姆龙系列的E3S-2E4，如图2-4。

图2-4光电开关E3S-2E4

5.接触器

接触器是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，达到控制负载的电器元件。

接触器由电磁系统，触头系统和灭弧装置组成[11]，如图2-5是西门子3TF系列的一种接触器。

立体车库采用接触器来控制电机的转动，从而带动托盘的移动。

图2-5西门子3TF系列接触器

6.驱动元件

驱动元件是来完成车库的升降和横移的专用减速电机。

一辆汽车的重量一般为1T-2T，升降电机的功率在4-7.5kw即可，升降速度>10m/min；横移电机的功率0.37-0.55kw。

车库托盘的左右上下移动主要是控制横移电机和升降电机的正反转。

可以通过PLC两输出点来驱动两个接触器分别控制电机的正反转。

实现电机正反转的驱动示意图如图2-6。

图2-6电机正反转控制

2.2车库的PLC控制流程

该系统存取车只针对二、三层，一层的车可以直接存取。

图2-7为自动存车流程图，编程时采用子程序调用，把手动存取、自动存取、报警、左移、右移、上升、下降等分别编写为子程序，然后通过调用子程序。

简化了程序，数据均具有掉电保护，当发生意外情况时，按下急停按钮，系统会自动保存断电信息。

当发生故障时也可以转入手动方式来进行故障处理。

图2-7自动存车流程图

2.3电气控制的I/O连接

如图2-8是电气连接的I/O连接图,为了简化，中间连续I/O连接，扩展模块电源及接地已省略。

图2-8电气控制的I/O连接图

2.4PLC的I/O口资源配置

表2-1和表2-2分别是车库的输入点、输出点的对应分配。

表2-1输入点分配

控制开关I/O口控制开关I/O口

启动I0.0故障输入I1.4

停止I0.1安全停车I1.5

手动I0.2轮廓检测I1.6

自动I0.3报警复位I1.7

上移I0.41-16按钮I2.0-I3.7

下移I0.56-10托盘是否有车I4.0-I5.2

左移I0.6101-206车位是否有托盘I5.3-I6.6

右移I0.71-10号托盘左限位开关I6.7-I8.0

存车I1.01-10号托盘右限位开关I8.1-I9.2

取车I1.16-16号托盘上限位开I9.3-I10.5

复位I1.26-16号托盘下限位开关I10.6-I12.0

车未到位I1.3安全检测I12.1

表2-2输出点分配

输出控制I/O口输出控制I/O口

运行指示灯Q0.0安全报警Q1.0

手动指示灯Q0.1轮廓超限灯Q1.1

自动指示灯Q0.21-10号托盘左移Q1.2-Q2.3

存车指示灯Q0.31-10号托盘右移Q2.4-Q3.5

取车指示灯Q0.46-16号托盘上移Q3.6-Q5.0

可存取指示灯Q0.56-16号托盘下移Q5.1-Q6.3

车位到位Q0.66-16号挂钩Q6.4-Q7.6

故障报警Q0.7

2.5控制程序

程序见附录。

3.基于MCGS组态软件的仿真

MCGS是一套32位的工控组态软件，它可以在MicrosoftWindow95/98/Me/NT/2000/XP等操作系统中稳定运行。

MCGS系统包括运行环境和组态环境两个部分[12]。

利用MCGS，可以很方便的采集和监控现场的数据，对采集的的数据进行比较，同时也可以对前端数据进行处理和控制。

在计算机上可以实现动画仿真仿真，用户可以根据需要直接修改各种仿真参数，来实现自己的模拟测试，从而可以大大降低开发费用和难度，达到在一个较短开发周期内以较少的代价完成一个最优方案。

仿真如下：

1.新建项目

新建一个项目，重命名为立体车库，如图3-1。

图3-1新建项目

2.绘制组态仿真画面

绘制一个仿真画面，如图3-2。

图3-2组态仿真画面

3.数据库的建立

数据类型如图3-3。

图3-3数据类型

4.动画连接

图3-4和图3-5分别是左移和取车按钮的连接设置。

图3-4左移连接图3-5取车按钮连接

5.编写脚本程序

IF取车=1AND复位=0THEN

IF按钮12=1THEN

存取车号=2

ENDIF

IF光电开关4=1THEN

空位1=4

ENDIF

IF光电开关12=1THEN

空位2=6

ENDIF

IF自动=1THEN

IF存取车号<>空位2THEN

IF存取车号>空位2THEN

空位2右车左移=1

IF空位2右车左限开关=1THEN

空车2右车左移=0

ENDIF

空位2=空位2+1

ELSE

空位2左车右移=1

IF空位2左车右限开关=1THEN

空车2左车右移=0

ENDIF

空位2=空位2-1

ENDIF

ENDIF

IF存取车号<>空位1THEN

IF存取车号>空位1THEN

空位1右车左移=1

IF空位1右车左限开关=1THEN

空车1右车左移=0

ENDIF

空位1=空位1+1

ELSE

空位1左车右移=1

IF空位1左车右限开关=1THEN

空车1左车右移=0

ENDIF

空位1=空位1-1

ENDIF

ENDIF

IF存取车号=空位1AND存取车号=空位2THEN

存取车下降=1

IF存取车下限开关=1THEN

存取车下降=0

ENDIF

ENDIF

ENDIF

ENDIF

IF复位=1THEN

存取车上升=1

IF存取车上限开关=1THEN

存取车上升=0

ENDIF

ENDIF

6.组态仿真结果

以12号托盘上的车为例，现在要将其取出。

则需要先将第二层的7、8、9、10号车位右移和第一层的2、3车位右移。

建立垂直通道后，12号车位下降到地面。

待车取出后，12号托盘复位到第三层，完成取出。

图3-6到图3-10为12号车的取车过程。

图3-6取车状态1

图3-7取车状态2图3-8取车状态3

图3-9取车状态4图3-10取车状态5

4.总结

通过查阅资料，了解立体车库的运行原理，运用所学的知识，设计一个3×6的升降横移式立体停车库。

本设计采用S7-200系列的PLC编程，来实现存车和取车的控制。

并通过MCGS对控制系统实现虚拟仿真，比较直观的了解车库的控制功能及原理。

在设计的过程中遇到了许多许多的问题最后通过在网上查阅资料，和同学和老师讨论得到解决。

由于自己知识面的不够，还不能够设计出一个全自动化的立体停车系统。

全自动化智能停车系统是未来停车系统的一个发展方向，在此领域我还要不断的学习。

中国的立体车库现在还处于一个初级阶段，大部分都需要操作人员的参与。

随着技术的发展，对智能模块和检测系统的不断更新，控制系统将向全自动智能化方