基于PLC的立体车库监控系统方案设计书.docx
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基于PLC的立体车库监控系统方案设计书
本科毕业设计(论文)
(2011届)
论文题目基于PLC的立体车库监控系统设计
(英文)
所在学院
专业班级
学生姓名学号
指导教师职称
指导教师职称
完成日期年月日
基于PLC的立体车库监控系统设计
2011年5月
摘要
立体车库在国内是个新兴行业,立体车库可缓解城市动、静态交通问题,改善居住环境,有效利用土地价值。
本系统采用PLC、计算机结合组态画面监控,按动按钮或控制组态画面即可完成汽车存取过程,操作简单,存取方便。
控制电路部分采用传统电气控制方式,使车库运行安全可靠。
设计采用可分组合,模块式安装,方便灵活,具有维护使用方便,造价低等特点。
采用三菱FX2N-40MRPLC和组态王6.53版监控软件实现基于PLC的立体车库监控系统,具有立体车库的监控、存取、管理等功能。
针对立体车库的特点,提出了各类提供监控系统运行可靠性的措施。
关键词:
立体车库;PLC控制;组态王
Abstract
Three-dimensionalgarageindomesticisanewprofession,three-dimensionalgaragecanrelieveurbandynamicandstatictrafficproblems,improvetheresidentialenvironment,theeffectiveutilizationoflandvalue.ThissystemusePLC,computercombinationconfigurationscreenmonitoring,pushbuttonsornormalcontrolgrouppicturecancompleteautomobileaccessprocess,theoperationissimple,accessconvenient.Controlcircuitpartadoptstraditionalelectricalcontrollingmethod,thegaragesafeandreliableoperation.Designusesdividecombination,moduletypeinstallation,flexibilityandwiththemaintenanceconvenience,costlowcharacteristic.
AdoptmitsubishiFX2N-40MRPLCandkingview6.53editionmonitoringsoftwarerealizationbasedonPLCthree-dimensionalgaragesupervisorysystem,withthree-dimensionalgaragemonitoring,access,management,andotherfunctions.Accordingtothecharacteristicsofthree-dimensionalgarage,putsforwardallkindsofprovidingmonitoringsystemoperationreliabilitymeasures.
KeyWords:
Three-dimensionalgarage;PLCcontrol;microprocessor
目录
1 立体车库概述
1.1立体车库的背景和意义
随着我国城市经济和汽车工业的迅速发展,拥有私家车的家庭越来越多,而与此相对应的是城市停车状况的尴尬。
停车问题是城市在发展过程中出现的静态交通(车辆停放状态)问题,静态交通是相对于动态交通(车辆行驶状态)而存在的一种交通形态,二者相互联系,互相影响,停车设施是城市静态交通的主要内容,随着城市的不断发展,各种车辆的不断增加,对停车设施的需求也在不断增加,如果两者之间失去平衡,城市里就会出现停车难的一系列问题。
数据显示,最近几年我国城市机动车辆平均增长速度在15%-20%,而同时期城市停车基础设施的平均增长速度只有2%-3%,特别是大城市的机动车拥有量的增长速度远远超过停车基础设施的增长速度,因此,我们必须重视城市停车难的问题,并积极探求解决的措施。
专家们指出,解决城市静态交通问题,大体分为软硬两种措施。
所谓软措施,就是通过政策法规,限制路面停车,提高停车场利用效率,使部分车主更愿意改乘公共交通工具,以减少机动车对停车场的需求。
而硬措施,主要包括增建停车场,建设地下及立体停车场、利用其它空间满足停车需求。
而无论采取什么措施,在规划后再收拾残局,于局限内弥补不足,政府和管理部门所需投入得精力和资金都不小。
图1.1国外现代立体车库
随着人类社会的不断进步和科学技术的发展,人类的生产、生活方式趋于集中,城市的规模越来越大,人们在城市里的生存空间却越来越小,于是出现了要利用空间的理念,城市中开始建设立体建筑、立体交通和立体停车。
作为现代大都市的标志,城市中心商住区高楼大厦林立,社区道路、高架交通干道、立交桥和地下铁路,编织出城市立体交通网,汽车的住宅——停车场也有了长足的发展,由平面停车向立体停车,由简单的机械车库向计算机管理高度自动化的现代立体停车演变,成为具有较强的实用性、观赏性和适合城市环境的建筑。
伴随着汽车进入家庭,城市动态、静态交通管理制度的不断完善和人们对居住环境要求的提高,给停车产业提供了前所未有发展机遇,停车产业市场前景广阔。
作为现代大都市的标志,立体建筑和立体交通都有了显著发展,道路拥挤、车满为患已成为当今快节奏社会中的最不和谐之音,发展立体停车已成为人们的共识。
目前我国经济正处在高速发展时期,随着人们生活水平的不断提高,汽车进入家庭的步伐正在加快,停车产业市场前景广阔。
机械式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。
当前,我国许多大城市如北京、上海、深圳都开始大力发展机械式立体停车产业。
机械车库与传统的自然地下车库相比,在许多方面都显示出优越性。
首先,机械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,可使地面的使用率提高80%—90%,如果采用地上多层(21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,这可以大大地节省有限的土地资源,并节省土建开发成本。
机械车库与地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆的安全,人在车库内或车不停准位置,由电子控制的整个设备便不会运转。
应该说,机械车库从管理上可以做到彻底的人车分流。
在地下车库中采用机械存车,还可以免除采暖通风设施,因此,运行中的耗电量比工人管理的地下车库低得多。
机械车库一般不做成套系统,而是以单台集装而成。
这样可以充分发挥其用地少、可化整为零的优势,在住宅区的每个组团中或每栋楼下都可以随机设立机械停车楼。
这对眼下车库短缺的小区解决停车难的问题提供了方便条件。
近年来,随着经济的发展,我国的城市化水平加快和人民生活水平的提高,汽车数量的不断增加。
截至2003年底,我国个人汽车保有量为12427672辆。
其中,个人轿车4890387辆,比2002年增加1462441辆,增长率为42.7%,但与此同时,汽车停车场地的增长却不能与之同步,汽车泊位与汽车数量的比例严重失调,由此带来停车难、违章停车、停车管理困难等一系列问题。
当以往的路边、人行道上停车、地下或地面停车场均解决不了上述问题时,采用机械式立体停车设备是一个非常有效的措施。
机械式立体停车设备又名立体车库,它占地空间小,并且可最大限度地利用空间,安全方便,是解决城市用地紧张,缓解停车难的一个有效手段。
国家计委已明确机械式立体停车设备及城市立体停车场为国家重点支持的产业,1998年1月1日起执行的《国家计委6号令》把机械式停车序和立体停车场列入“国家重点鼓励发展的产业、产品和技术日录”,国家海关总署对机械式停车产品规定“国内投资项目给予免征进口税”、上述措施为我国立体车库产业的成长提供了良好的条件、也为我国解决城市停车间题提供了机会。
可以预见立体车库具有非常广阔的市场前景。
1.1.1国内立体车库的现状
我国机械式车库的早期研究开发工作是从80年代中期开始,90年代开始引进和生产停车设备,在北京、上海、广州、深圳等地都有使用。
参照日本等国标准制定的我国行业标准也于近几年出台,目前停车设备生产厂已发展到几百家,生产各种类型的停车设备,有些停车设备已开始出口。
机械式立体车库是一种具有综合性能的建筑,不仅包含了机械停车设备,其规划建设涉及到区域整体景观、交通疏导、建筑结构、供电照明、通讯监视、通风排水、环境保护、安全消防、收费管理等各学科领域,就停车设备本身而言,其机械结构的发展已形成了停车设备独有的技术特征,需要多学科、多专业的复合型人才积极参与,把国外停车技术和各领域的成熟技术移植到我国停车产业,开发出安全、经济、高效、节能、省地的产品,满足国内外市场的需求。
在我国的停车产业发展中还存在一些问题,如没有统一的技术标准;多数产品是仿效或引进国外技术制造,技术水平低;缺少具有一定规模的企业,生产能力不足;市场竞争无序,个别企业为抢占市场,采取低价竞争;缺少科研设计单位的参与,技术创新能力严重不足;政策不配套,对停车产业发展和管理严重滞
后等。
解决上述问题,需要我们在政策市场、管理和技术多方面做出努力。
政策方面应参照发达国家的有关政策法规,规划确定出专用和公共停车位的合理数量,实现投资主体多元化,确定车库的管理属性和停车收费标准,给予投资和经营者相应的优惠政策,使其有利可图。
市场方面应建立车库市场运行机制,利用价格杠杆调高占路停车收费标准,逐步消除“路满库空”现象。
鼓励按市场规则经营车库,并实施政府监督和政策调控,使停车产业良性发展。
1.1.2升降横移式车库简介
升降横移式立体车库以钢结构框架为主题,采用电机驱动链条带动载车板做升降横移运动,实现存取车辆。
其工作原理为:
每个车位均有载车板,所需存取车辆的载车板通过升降横移运动到达地面层,驾驶员进入车库,存取车辆,完成存取过程。
停泊在车库内地面层的车辆:
只作横移,不必升降;而停泊在顶层的车辆:
只作升降,不作横移;中间层则通过升降横移运动为顶层车辆让出空位,或存取车辆。
三层升降横移式的运行原理:
该停车设备的出入口在第一层,最高层的停车板只可做升降动作,最底层的停车板只可做横移运动。
中间两层停车既可作升降动作又可做横移动作。
下上层均设有空位,停车板通过横移动作变换空位,降下空位上方的汽车,取出汽车,最底层汽车无需倒车,便可直接开出。
1.1.3升降横移式车库的安全装置
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。
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。
1.2立体车库监控系统
1.2.1立体车库监控系统的特点
Ø立体车库设备较多,相互连锁繁杂统。
Ø控制过程具有很强的时序性。
Ø现场环境恶劣,粉尘、潮湿、振动、噪声、电磁干扰都比较严重,给电设备运行及检修都带来不便。
Ø整个系统控制分散,覆盖距离远。
1.2.2立体车库监控系统的主要功能
为了保证一次设备运行的可靠与安全,需要有许多辅助电气设备为之服务,能够实现某项控制功能的若干个电器组件的组合,称为控制回路或二次回路。
这些设备要有以下功能:
1.自动控制功能
高压和大电流开关设备的体积是很大的,一般都采用操作系统来控制分、合闸,特别是当设备出了故障时,需要开关自动切断电路,要有一套自动控制的电气操作设备,对供电设备进行自动控制。
2.保护功能
电气设备与线路在运行过程中会发生故障,电流(或电压)会超过设备与线路允许工作的范围与限度,这就需要一套检测这些故障信号并对设备和线路进行自动调整(断开、切换等)的保护设备。
3.监视功能
电是眼睛看不见的,一台设备是否带电或断电,从外表看无法分辨,这就需要设置各种视听信号,如灯光和音响等,对一次设备进行电气监视。
4.测量功能
灯光和音响信号只能定性地表明设备的工作状态(有电或断电),如果想定量地知道电气设备的工作情况,还需要有各种仪表测量设备,测量线路的各种参数,如电压、电流、频率和功率的大小等。
1.2.3立体车库监控系统的系统组成
常用的控制线路的基本回路由以下几部分组成。
1.电源供电回路。
供电回路的供电电源有AC380V和220V等多种。
2.保护回路。
保护(辅助)回路的工作电源有单相220、36V或直流220、24V等多种,对电气设备和线路进行短路、过载和失压等各种保护,由熔断器、热继电器、失压线圈、整流组件和稳压组件等保护组件组成。
3.信号回路。
能及时反映或显示设备和线路正常与非正常工作状态信息的回路,如不同颜色的信号灯,不同声响的音响设备等。
4.自动与手动问路。
电气设备为了提高工作效率,一般都设有自动环节,但在安装、调试及紧急事故的处理中,控制线路中还需要设置手动环节,通过组合开关或转换开关等实现自动与手动方式的转换。
5.制动停车回路。
切断电路的供电电源,并采取某些制动措施,使电动机迅速停车的控制环节,如能耗制动、电源反接制动,倒拉反接制动和再生发电制动等。
6.自锁及闭锁同路。
启动按钮松开后,线路保持通电,电气设备能继续工作的电气环节叫自锁环节,如接触器的动合触点串联在线圈电路中。
两台或两台以上的电气装置和组件,为了保证设备运行的安全与可靠,只能一台通电启动,另一台不能通电启动的保护环节,叫闭锁环节。
如两个接触器的动断触点分别串联在对方线圈电路中。
图1.2
电气控制原理图
1.3PLC控制系统
1.3.1PLC的概念
PLC是ProgrammablelogicController的缩写,即可编程逻辑控制器,是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
1.3.2PLC的特点
1、可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2、配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3、易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4、系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5、体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
1.3.3PLC的内部工作方式
图1.3小型可编程控制器结构框图
PLC采用循环扫描的工作方式,包括内部处理、通讯操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
当处于
RUN状态时,上述扫描周期不断循环,扫描过程。
虽然PLC所使用之阶梯图程式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,而是以内存与程式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。
实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU中并最后执行控制运作。
在整个的扫描过程包括三大步骤:
图1.4扫描过程
1、输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。
2、用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。
在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即,在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
3、输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。
这时,才是PLC的真正输出。
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输入讯号之时间若小于此反应时间,则有误读的可能性。
每次程式执行后与下一次程式执行前,输出与输入状态会被更新一次,因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。
1.3.4PLC的应用
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。
1、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量控制
在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。
3、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5、数据处理
现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6、通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
2 基于三菱PLC和组态王的监控系统
日本三菱公司的FX2N系列是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。
具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点,为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
三菱FXPLC是小形化,高速度,高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置,除输入出16~25点的独立用途外,还可以适用于多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
组态王(Kingview)是亚控公司推出的第一款针对中小型项目推出的用于监视与控制自动化设备和过程的SCADA产品,也是亚控公司的第一款产品。
组态王软件是一种通用的工业监控软件,他融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体,将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起,实现最优化管理。
他基于MicrosoftWindowsXP/NT/2000操作系统,用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。
采用组态王软件开发工业监控工程,可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。
他适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断,到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。
2.1三菱FX2N系列的编程元件
三菱FX系列产品,它内部的编程元件,也就是支持该机型编程语言的软元件,按通俗叫法分别称为
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