本科毕业设计 基于PLC控制的立体车库.docx

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本科毕业设计基于PLC控制的立体车库

本科毕业论文（设计）

题目基于PLC控制的立体车库

专业机械设计制造及其自动化

作者姓名

学号

单位机械与汽车工程学院

指导教师

2015年5月

教务处编

原创性声明

本人郑重声明：

所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。

除文中已经引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均在文中以明确的方式表明。

本人承担本声明的相应责任。

学位论文作者签名：

日期：

指导教师签名:

日期：

摘要

在对国内外车库现状及发展趋势做了充分学习的基础上，选择两层三列式车库结构为研究模型。

在对升降横移式立体车库控制系统的设计中，采用了先进的PLC控制，运用编程软件编制了升降横移式立体车库控制系统的程序，并经调试、运行，证明采用可编程序控制器PLC作为控制系统简单易行。

为了使停车设备满足使用要求，在升降横移式立体车库中使用了一些必要的安全技术，这样保证了车辆的绝对安全，使得整个车库可以安全平稳的运行，根本解决停车难的问题。

关键词：

立体车库；控制系统；可编程序控制器；PLC

Abstract

Basedonthefullstudyofthegaragetothedomesticandforeignstatusanddevelopmenttrend,choosethetwolayerandthreeformulisticgaragestructureastheresearchmodel.Intheup-downandtranslationstereogaragecontrolsystemdesign,usingtheadvancedPLCcontrol,Usingsoftwaretoprogrammetheup-downandtranslationstereogaragecontrolsystemprogram,Aftercommissioning,operation,itisprovedthattheprogrammablecontrollerPLCascontrolsystemissimpleandeasy. Inordertomakeparkingequipmenttomeettheusingrequirements,Iaddsomenecessarysafetytechnologyintheup-downandtranslationstereogarage.Sothiscanensuretheabsolutesafetyofvehiclesandmakethewholegarageoperationsafelyandstably,andfinallysolvetheproblemofparkingultimatey.

Keywords：

Stereogaragecontrolsystem,；programmablecontroller； PLC,

基于plc控制的立体车库

1.绪论

1.1现状背景

改革开放以来，我国综合国力不断上升,社会生产力得到了解放并且人民的生活水平不断地提高。

衣、食、住都得到了解决慢慢的人们开始向“行”跃进了，随着生产技术的不断革新，汽车也不再是老百姓奢求的奢侈品了，慢慢的成为家家户户必备的工具,同时城市的停车压力也越来越大[1]。

虽然交管部门进行了一些灵活变通的尝试，例如主要是在尽量不影响交通、非机动车和行人的前提下，以及在临时空地上设立停车场，但是这些措施还远远不够，总体显示，2008年我国生产汽车达到934万辆，同比增长5.2%，而其销售量达到938.04万辆，同比增长了6.7%，汽车数量的增长远远大于停车位的增长，每年有高达300多万的车位缺口[2]。

城市的停车位远远不能满足现行的要求，而截至2011年我国的机动车保有量达到2.17亿辆，城市的停车问题愈加严重。

1.2国内现状

目前我国经济正处于高速发展时期，随着人们生活水平的不断提高，汽车进入家庭的步伐加快，停车产业市场前景非常广阔。

立体车库既可以大面积使用，也可以见缝插针设置，还能与地面停车场、地下车库和停车楼组合实施，是解决城市停车难最有效的手段也是停车产业发展的必由之路。

立体车库与传统的自然地下车库相比，在许多方面都有优越性。

首先，立体车库具有突出的节地优势。

以往的地下车库由于要留出足够的行车通道，平均一辆车就要占据40平方米的面积，而如果采用双层机械车库则可使地面的使用率提高80％—90％，如果采用地上多层立体式车库的话，50平方米的土地面积上便可存放40辆车，这可大大地节省有限的土地资源，并节省土建开发成本[3]。

1.3设计内容和思想

目前立体车库主要有以下几种形式：

升降横移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂直循环式、箱型水平循环式、圆形水平循环式等。

在对国内外各种同类产品进行分析的基础上，再结合造价、技术难度以及用户需求等各个方面的因素，可以发现升降横移式立体车库形式比较多，规模可大可小，而且对场地的适应性较强，同时采用这类设备的车库十分普遍。

因此，最终确定研究对象为升降横移式立体车库。

（1）参阅了国内外的几种升降横移式立体车库的资料，对当前的车库技术发展有了大概的了解，从而把握国内外车库技术的发展趋势；了解建设立体车库的自动控制方式、控制元件、电机选择、建设方法等。

（2）根据据立体车库原型，再根据文献资料。

初步选择建造立体车库所需电机、检测元件、控制元件等组成。

（3）参阅西门子S7-200系列PLC相关资料,学习相关编程软件，运用西门子编程软件编写控制程序，并运用西门子S7-200仿真进行程序模拟。

（4）归纳、总结并完善报告。

整个车库设计由一台PLC对车库进行统一的管理和监控，通过PLC控制载车板纵横传动装置以完成对车辆的存取操作，即由PLC控制车位升降横移设备完成存取车操作。

2.可编程控制器PLC概述

可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC[5]。

2.1PLC发展历史

可编程控制器的兴起与美国代工业自动化生产发展的要求密不可分的。

PLC源起于1960年代，当时美国通用汽车公司，为解决工厂生产线调整时，继电器顺序控制系统之电路修改耗时，平时检修与维护不易等问题。

它们体积庞大、有着严重的噪音，不但每年的维护工作要耗费大量的人力物力，而且继电器-接触器系统的排线检修等工作对维护人员的熟练度也有着很高的要求。

图2-1常见的可编程逻辑控制器外观

针对这些问题，美国通用汽车公司在1968年向社会公开招标，要求设计一种新的系统来替换继电器系统。

随后，美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年研制成功了第一台PDP-14控制器，并在汽车自动装配线上使用并获得成功。

由于当时系统主要用于顺序控制、只能进行逻辑运算，所以被命名为可编程逻辑控制器。

最早期的PLC只具有简易之逻辑开/关（on/off）功能，但比起传统继电器之控制方式，已具有容易修改、安装、诊断与不占空间等优点。

1970年代初期，PLC引进微处理机技术，使得PLC具有算术运算功能与多比特之数字信号输出/输入功能，并且能直接以阶梯图符号进行程序之编写。

日本在1971年从美国引进了这项技术，并很快研制成功了自己的DCS-8可编程逻辑控制器，德、法在1973年至1974年间也相继有了自己的该项技术。

中国则于1977年研制成功自己的第一台可编程逻辑控制器，但是使用的微处理器核心为MC14500。

1980年代以后更引进PLC高速通讯网络功能，同时加入一些特殊输出/输入界面、人机界面、高功能函数指令、资料收集与分析能力等功能。

2.2PLC内部运作方式

虽然PLC所使用之阶梯图程序中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程序编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。

因此能大大减少控制器所需之硬件空间，如图2-2所示。

图2-2PLC内部运作架构

步骤一“输入状态检查”：

PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或感测器状态（1或0代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。

步骤二“程序执行”：

将阶梯图程序逐行取入CPU中运算，若程序执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。

输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。

步骤三“输出状态更新”：

将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。

此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC之反应时间，PLC输入信号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。

2.3硬件结构

一般讲，PLC分为箱体式和模组式两种。

但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。

对模组式PLC，有CPU模组、I/O模组、内存、电源模组、底板或机架。

无论哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合[5]。

2.3.1电源模组

有些PLC中的电源，是与CPU模组合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模组的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源如果为交流电源通常为220VAC或110VAC，若为直流电源常用的为24V[6]。

2.3.2中央处理单元

PLC中的CPU是PLC的核心，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和资料，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或资料，并存入规划的暂存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

2.3.3内存

内存主要用于存储程序及资料，是PLC不可缺少的组成单元。

PLC内部会存放撰写完成编辑的程序指令及资料，通常也可使用RAM或EEPROM等专用内存卡片方式扩充，但扩充能力得依各厂牌与型号有所不同。

2.3.4输入/输出单元

输入单元是用来连结撷取输入元件的信号动作并透过内部总线将资料送进内存由CPU处理驱动程序指令部分。

PLC输入模组PLC系统的架构和输入模组产品的选择端视需要被监测的输入信号位准而定。

输出单元是用来驱动外部负载的接口，主要原理是由CPU处理以书写在PLC里的程序指令，判断驱动输出单元在进而控制外部负载，如指示灯、电磁接触器、继电器、气（油）压阀等。

2.3.5通讯

现在PLC大多具有可扩充通信网络模组的功能，简单的PLC以BUS缆线或RS-232方式通讯连结，较高阶的PLC会采用USB或以太网路方式做通讯连结。

它使PLC与PLC之间、PLC与个人电脑以及其他智慧设备之间能够交换资讯，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

PLC通讯协定规格可分为RS-232、RS-422、RS-432、RS-485。

图2-3底板上由左至右分别是：

电源模块、处理器模块、接口模块和通讯处理器模块

2.3.6外部设备

外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类

∙编程设备：

有简易编程器和智慧图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。

∙监控设备：

资料监视器和图形监视器。

直接监视资料或通过画面监视资料。

∙存储设备：

有存储卡、存储磁带、软碟或只读存储器，用于永久性地存储用户资料，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。

∙输入输出设备：

用于接收信号或输出信号，一般有条码读入器，输入模拟量的电位器，打印机等。

2.4程序设计

PLC的编程编程语言与一般电脑编程语言相比，具有明显的特点，它既不同于高阶语言，也不同与一般的组合语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。

目前，还没有一种对各厂家产品都能相容的编程语言。

IEC61131-3是一个国际标准，它规范了PLC相关之软件硬件的标准，其最终的目的是可以让PLC的使用者在不更改软件设计的状况下可以轻易更换PLC硬件。

其程序设计图如图2-4所示。

图2-4PLC程序设计示意图

2.4.1 指令表

类似组合语言的描述文字。

由指令语句系列构成，如MitsubishiFX2的控制指令LD、LDI、AND、ANI、OR、ORI、ANB、ORB、MMP、MMS与OUT等，一般配合书写器写入程序，而书写器只能输入简单的指令，与计算机程序中的阶梯图比较起来简单许多。

书写器不太直观，可读性差，特别是遇到较复杂的程序，更难读；但其优点就是不需要电脑就可以更改或察看PLC内部程序。

使用书写器时，必须注意的是PLC指令中输出有优先次序，其中若有输出至相同的单元时（如Y000），输出的优先次序以位址越大优先次愈越高，一般不容易从书写器中察觉所输入的单元[7]。

2.4.2结构式文件编程语言

类似PASCAL与C语言的语法，适合撰写较复杂的算法，除错上也比阶梯图要容易得多。

ST语言类似于编程语言的特性，因此可利用与微电脑及个人电脑相同的程序设计技术进行阶梯式语言所难以执行的复杂计算，完成程序的建立。

2.4.3 阶梯图

类似于传统上以继电器控制接触器的阶梯图，梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。

它的连线有两种：

一为母线，另一为内部横竖线。

内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。

最后为输出类指令，实现输出控制，或为资料控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。

例如图2-5所示的自保持回路的阶梯图，当开关ON触动后，电灯即自我保持在输出，直到开关OFF触动才会切断

图2-5自保持回路的阶梯图

2.4.4 顺序功能流程图

类似于流程设计，流程图中的步骤组合而完成，主要是规划动作顺序的流程图，故谓之顺序功能流程图。

所谓步序式控制，即是一步一步控制，而这一步与上一步是有关连性的，有顺序性的。

必须有上一个动作（STL），才会启动（SET）下一个动作（STL）。

2.4.5功能区块图

以画电路图的方式来写PLC程序。

常用的程序及回路可透过FB（功能区块）的建立轻易地重复利用。

其他一些高档的PLC还具有与电脑相容的C语言、BASIC语言、专用的高阶语言，还有用布尔逻辑语言、通用电脑相容的组合语言等。

2.4.6内部元件

PLC在程序设计过程中，会利用到内部内存，规划许多顺序控制程序上常会使用到的元件，这些元件包括：

输入接点与输出接点：

用于PLC与外部元件之间的状态传送。

辅助继电器：

用来取代传统顺序控制中的继电器。

计数器：

在程序中被用来计算重复动作的次数。

计时器：

用来计算动作的时间长短。

资料暂存器：

用来储存字元组之数值或字元资料。

3.横移式立体停车库设计

3.1立体车库的分类及特点

目前立体停车库主要有以下几种形式：

（1）升降横移式如图：

采用模块化的设计，变化灵活可以设计两层、三层、四层等多种形式。

车位从几个到上百，规模可大可小，对场地的适应性强应用最为广泛，如图3-1所示。

图3-1升降横移式

（2）垂直循环式：

是用一个垂直循环运动的载车板系统存取停放汽车的机械式停车设备，特点占地面积小，场地利用率高，结构简单，操作方便，安全性高，但存车速度较慢，如图3-2所示。

图3-2垂直循环式

（3）简易升降式：

由电力或者液压传动，设备可安装在地面，也可沉入地坑，使结构器件不外露，更易与地面环境协调，特点是能充分利用空间，节省场地，多重保护，安全可靠，存取更容易，运行平稳，噪声低，耗能省等，如图3-3所示。

图3-3简易升降式

（4）平面移动式：

平面移动类停车设备通过升降机的垂直升降和搬运机（输送车）的平面往返移动，把车辆自动移送到布置成多层平面的停车区域，如图3-4所示。

图3-4平面横移式

（5）巷道堆垛式：

大型巷道堆垛停车设备，采用多种提升、搬运装置、包括堆垛机、升降机、机械手、运送车、转台等。

通过电脑智能化集成控制，快速调度，自动存取车辆但对堆垛机的技术要求较高，投资成本大，如图3-5所示。

图3-5巷道堆垛式

3.2升降横移式立体车库的工作原理

升降横移式立体停车库以钢结构框架为主题，采取电机驱动链条或者是钢丝绳带动载车板使其横移升降运动，实现车辆的存取，其属于机电一体化的产品，其主要由主体钢框架、载车板装置、传动装置、安全检测装置、电气控制装置、安全保护装置等组成[8]，如图3-6所示。

图3-6升降横移式立体停车库主要组成

立体停车库通过检测系统检测车库状态信息，反馈到控制系统，通过电机驱动链条或者钢丝绳，从而带动载车板，在检测控制系统的帮助下达到安全停车，升降横移式立体停车库采用M×N维的形式，每层设一空位，作为交换车位，除底层以外的所有车位均能自行升降，除顶层以外的所有车位均能自行横移，当某一车位需存取车辆时，该车位下方到空位之间的所有车位向空位方向横移一个车位的距离，此时该车位下方形成一升降通道，此时该车位便可自由升降，当车位降至地面时，车辆便可开进或开出，本次设计采取2×3维的横移式立体停车库为例，采用如图的车位停放方式[9]。

图3-7立体车库车位停放方式

本次设计的两层三列式立体车库是升降横移式停车库的一种类型，此类型的停车要求：

（1）立体停车库的一层留出来一个空车位，为其他车位的升降横移留出空间。

（2）101号车位、103号车位只能左右移动，不能上下移动。

（3）201号车位、202号车位、203号车位不能左右移动只能上下移动。

（4）最下面的车辆可以直接开出。

（5）上层的车辆需要先让下层的车辆左右移动腾出空位，才能下降到最下面车位，然后再进出车辆。

3.3升降横移式立体车库的结构与功能

升降横移式立体车库主要由结构框架部分、载车板部分、横移系统、提升系统、控制系统、安全防护系统六大部分组成。

图3-8升降横移式车库机构图

3.3.1上载车板及其提升系统

每块上载车板都配有一套独立的电机减速机与链传动组合的传动系统。

其工作原理是电机顺时针旋转时，载车板上升，电机逆时针旋转时，载车板下降。

3.3.2下载车板及其横移系统

每块下载车板后部都配有一套独立的电机减速机传动系统，藏于载车板内。

在下载车板底部装有四只钢轮，可以在导轨上行走，其中两只为主动轮，装于长传动轴两端，另两只为独立安装的从动轮。

根据载车板及车辆的重量、行走速度、滚轮与导轨间的摩擦系数确定横移电机的驱动功率。

3.3.3安全装置

上载车板上装有上下行程极限开关和防坠落安全装置。

防坠落安全装置装在纵梁与上载车板上停位之间，在纵梁两测各装两只挂钩，上载车板两侧相应位置处各装两只耳环，当上载车板上升到位后，纵梁下面的四只挂钩便自动套入四只耳环内，以防止升降电机常闭制动器慢释放后，上载车板在汽车和载车板本身的重力作用下慢慢下滑，压坏下层汽车[9]。

另外也防止制动器一旦失灵，上载车板从上停车位坠落，砸坏下层汽车。

下载车板的安全装置主要是行程极限开关和防碰撞板。

行程极限开关的作用是使载车板横移到位后自动停止。

防碰撞板的作用是：

下载车板横移时，如果碰撞到人、遗留行李或车主宠物时，切断横移电机电源，横移停止。

3.3.4控制系统

升降横移式立体停车设备的控制系统采用PLC可编程序控制器控制，主要有手动、自动、复位、急停四种控制方法。

此外要控制上层车位上安全钩的电磁铁和系统报警显示装置等。

3.4.升降横移立体车库控制系统设计

3.4.1立体停车库控制系统的原理

整个立体停车库控制系统设计由一台西门子S7-200PLC对停车库进行统一的管理和监控，通过PLC控制驱动电机来控制传动装置，从而来完成对汽车的存取工作[10]。

图3-9车库系统控制原理框图

立体停车库控制系统的原理是：

操作者可以通过控制面板输入需要停放的车号位置，控制系统信息交流平台将信息传送到控制系统PLC，控制系统通过分析处理信息，将处理结果分配到驱动电机，保护装置动作，从而带动车库的正常运行，其控制流程原理简图如图3-10所示。

图3-10立体车库升降横移过程

3.4.2升降横移立体车库的电器控制系统

立体车库的自动存取车控制系统包括弱电与强电两套系统。

弱电系统主要包括各种信号的采集、报警与控制输出。

PLC输出信号给接触器线圈，控制接触器的接通与关断。

强电系统包括载车板电机控制线路、控制电机正反转接触器、到位限位及载车板的上下行程限位[11]。

车库采用车位检测装置代替人工找位，用升降装置输送汽车到位。

系统在面板处设有急停开关，当发生意外时，按下急停开关，如图3-11所示车库控制原理图。

图3-11车库系统控制原理框图

升降横移式立体车库的系统控制原理：

操作者（人）要通过控制系统信息交流的平台（界面）把操作信息传送给控制系统，经系统处理后，系统把可识别的控制信息通过辅助设备驱动执行结构，来完成车库现场的运作。

由于PLC的可靠性、抗干扰能力强。

它们的系统控制形式大都采用可编程控制器控制，特别是应用在智能化要求程度高、大容量的现代化升降横移式立体车库中。

图3-12PLC的硬件系统结构框图

在升降横移式立体车库中，控制系统中主控单元的主要控制对象首先是车库内的横移电机和升降电机，控制系统就是使它们在不同的时间内实现正反转;其次是车库内的各种辅助装置，如指示灯及其各种安全设施等。

为了保证载车板能横移到预定位置以及载车板能上升或下降到指定位置，采用了行程开关。

为了判断载车板上有无车辆，采用了光电开关[12]。

同时在车库中还采用了一些传感器如烟温传感器以及安全预警装置，因本系统只有开关量输入而无模拟量输入，凭可编程序控制器本身的抗干扰能力和隔离变压器就能满足要求，因此可不用再另外增加其它抗干扰措施。

3.4.3.PLC控制系统设计

PLC是车库控制系统的核心，其操作分为3类:

（1）以故障诊断和处理为主的操作;

（2）联系现场状况的数据操作;（3）执行用户程序和服务及外部设备的命令操作[13]。

当进行存取操作时，PLC接收和分析操作人员在控制面板按钮输人的指令，做出合理的工控安排:

判断检测元件的状态，读取车库机械驱动部分的信息，反馈信息到执行元件，拖动车位板，实现其位置移动，完成车辆的存取操作和信号显示。

通过光电检测、软硬件信号联锁、限位、防坠保护、过载保护等装置，来确保整个系统的安全、平稳运行[14]。

其控制原理如图3-13。

图3-13PLC控制原理图

该系统中PLC主要完成对托盘、托板位置及运行状态的检测和存取车的操作。

用各种光电开关、行程开关检测位置状态，用接触器、继电器控