基于PLC与组态软件的升降横移式立体车库设计.docx
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基于PLC与组态软件的升降横移式立体车库设计
摘要
本文设计了一个三层七车位升降横移式立体车库的自动控制和监控系统。
它以可编程控制器（PLC）为控制核心，电机为升降横移动力，完成对升降和横移的准确控制，并通过组态软件设计监控系统和PLC之间建立通信，可以实现上位机对现场状况实时采集和远程控制功能。
最终实现一种多通道、多层次的存取车的方式。
通过对升降横移式立体车库的工作原理和控制过程的研究，探讨以西门子S7-200型号PLC控制立体车库的存取车过程的方法，实现3x3立体车库的存取车模型设计和控制系统设计。
监控系统是基于WINDOW平台的组态软件组态王。
通过组态软件建立数据词典、设计监控界面、动画连接、控制脚本编写、数据采集，在与PLC通信的基础上进行调试，完成组态监控系统的设计。
实现PLC和组态监控对立体车库的人机分离操作和双向控制的系统。
完成对升降横移式立体车库的自动存取车功能、升降横移系统、组态监控系统和安全防坠挂钩功能等的实现与模拟。
关键字:
立体车库；西门子PLC；升降横移；组态王
Abstract
Thispaperpresentsathree-dimensionalliftingandtransferringsevenparkinggarageautomaticcontrolandmonitoringsystems.Itisaprogrammablecontroller（PLC）tocontrolthecoremotorfortheliftingandtransferringpowertocompletetheliftingandtraversingaccuratecontrolandmonitoringsystemviatheconfigurationsoftwaredesignandestablishcommunicationbetweenthePLCcanbeachievedonthehostcomputersiteconditionsreal-timeacquisitionandremotecontrolfunctions.Ultimatelyachieveamulti-channel,multi-levelaccesscarapproach.
ByliftingandtransferringgarageworkingprincipleandcontrolprocessstudytolookattheSiemensS7-200PLCcontrolmodelcarstereogarageaccessprocessmethodstoachievethree-dimensionalgarageaccess3x3carmodeldesignandcontrolsystemdesign.ThemonitoringsystemisconfigurationsoftwarethatiskingviewbasedonWINDOWplatform.Throughtheconfigurationsoftwaretoestablishdatadictionary,themonitoringinterfacedesign,animation,thecontrolscript,dataacquisition,debuggingbasedoncommunicationwithPLC,completedthedesignofconfigurationmonitoringsystem.PLCandconfigurationmonitoringtoachievethree-dimensionalgaragehumanandequipmentseparationoperations,bi-directionalcontrolsystems.Completionoftheliftingandtransferringcargaragefeaturesanautomaticaccess,liftingandtransferringsystem,configuration,andsecuritymonitoringsystemssuchasanti-fallhookfunctionimplementationandsimulation.
Keywords:
three-dimensionalgarage；SiemensPLC；liftingandtransferring；Kingview
第一章绪论
1.1课题研究的背景和意义
随着我国经济和汽车工业的迅速发展，拥有私家车的家庭越来越多，车辆的急剧增长与城市规划车位较少的现状之间产生的矛盾越演越烈，很多城市的停车状况已经陷入困境。
据中国汽车工业协会公布的数据表明，1998年轿车生产量50万辆，1999年55万辆，2000年57万辆，2002年中国汽车年产达到了325万辆，比上年增长38%，汽车拥有量的全球排位也由2001年的第八位上升至第五位。
2005年的轿车保有量已达到1108万辆。
另一方面由于中国加入世贸关税进一步降低，我国的汽车工业仍将具有很大的发展空间并且这个数字将保持快速平稳发展。
从上面的数据可以看出，对于车位的需求与日俱增，在我国的大型城市如北京、上海，更是出现“一位难求”的现状，停车难问题不容忽视。
立体车库是一种以单层平面停车场为基础、向多平面空间停车发展的一种新型车库，通过可编程控制器控制车位载车板的空间位置变动，使车位能够实现空间到平面的转化，实现多重层平面移动停车的功能。
立体车库又名机械式立体停车设备，它占地空间小，且可最大化地利用空间，安全方便，是解决城市车位用地紧张，缓解停车压力、解决交通问题的一个长远而有效手段。
目前，立体车库主要有以下九种类型：
升降横移类（PSH）、巷道堆垛类（PXD）、垂直升降类（PCS）、垂直循环类（PCX）、水平循环类（PSX）、多层循环类（PDX）、简易升降类（PJS）、平面移动类（PPY）、汽车升降机（PQS）[1]。
立体车库与传统的地下车库相比，在许多方面都显示出优越性。
首先，是占地少优势，选择机械自动化方式，平均可以减少40%传统停车方式所需要的立体空间，而更客观的优势是占地面积的减少，传统的10层楼停车占地面积为2.5平米/车位，而30层的机械自动化停车库只占0.7平米/车位[2]。
大幅度地节省土地资源和减少土建开发的成本。
其次，机械车库采用中央系统控制功能，可以做到彻底的人车分流的方式，只需要远程监控，所以机械车库与地下车库相比更加有效地保证人身和车辆的安全，从人力资源方面看，自动化的系统也节省了大量的人力资源。
最后，机械车库通常是不会被做成整套系统，而是以单台集装而成的。
这样可以更加充分发挥其用地少、可化整为零的优势，在住宅区，办公区的每栋楼下都可以随机设立机械立体停车楼阁。
这样，对眼下车库短缺的小区和办公区解决停车难的问题提供了便利的条件。
在时代需求的背景下，可以预见机械立体车库在我国这样地大物博，人口众多的国情下，具有非常广阔的市场前景。
1.2立体车库的研究和发展现状
目前世界停车产业正向多元化方向发展，如图1-1所示，国外高容量的立体车库，现在的立体车库技不局限于机械的自动化，其停车技术几乎包括了机械、电子、液压、光学、磁控和计算机技术等各个领域的所有成熟先进技术。
停车方式也在不停的改变。
设备结构采用模块化的设计，而不是整套的生产，便于组合使用，也易于安装拆卸，增加了立体车库的随意性。
控制技术方面，广泛采用可编程序控制器（PLC）和矢量变频变压调速闭环控制技术，使系统运行高速平稳，这些技术不仅节省电力，而且振动和噪音也相对趋于最小化。
在安全方面也采用很多高新技术，安全保护装置也更加完善，如汽车出入都会由声光引导和定位系统、汽车尺寸和重量自动识别系统、限速保护与多重机构互锁系统、停车泊位自动跟踪功能、链条和钢丝绳的长度，若超出范围则报警和弹性变形自动补偿功能、汽车图像摄影对比、安全检测、自动消防灭火系统等。
立体车库在发展技术正在趋于成熟，系统功能更加人性化、现代化。
图1-1国外高容量的立体车库
我国机械式立体车库的早期研究开发始于80年代中期，90年代开始引进和生产停车设备，在北京、上海、广州、深圳等一些大型人口密集的城市，都得到推广使用，如图1-2所示是一个简单的机械车库。
就停车设备本身来说，其机械结构的发展已经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和研究，还有就是把国外的停车技术和各领域的成熟技术移植和本土化到我国停车产业，在我国市场上得到广泛的推广应用，开发出安全、经济、高效、节能、省地的停车产品，满足和适应国内外市场的需求。
在国内，停车行业还需要不断的努力完善，其还属于起步产业，具有巨大的发展前景。
据我国情况而言，停车产业发展中还存在一些问题，比如没有统一的技术标准，因为多数停车行业的产品是仿效或引进国外技术制造，自身的技术水平比较低。
目前我国缺少具有一定规模的企业支持停车产业的发展，生产能力相对不足；在市场方面，我的停车行业市场竞争处于无序状态，个别企业为了抢占市场份额，采取低价竞争和山寨产品，缺少自主研发的科研设计单位参与，技术创新能力严重不足；国家在停车行业上，对停车产业的发展和管理严重滞后等。
目前升降横移式立体车库较多采用PLC控制电动机恒速运行，速度过低则车库运行效率低，速度过高则易造成车位晃动与撞击，而且大多没有监控系统或监控系统还不够完善[3]。
图1-2在我国广泛使用的升降横移式立体车库
以上的一系列的问题都是停车产业在我国长期发展的绊脚石。
要解决上述问题，需要我们在政策引导、市场规划、科学管理和自主研发技术等多方面做出努力。
在政策方面应参照发达国家的有关政策法规，在将其本土化，规划确定出合理的车位数量和建设地点，实现投资主体的多元化，制定车库的管理属性和停车收费标准，鼓励投资，给予投资和经营者相应的优惠政策，使适应市场的前提下互惠互利。
市场方面应建立完善的车库市场运行机制，利用价格的杠杆调高占路停车收费标准，逐步消除“路满库空”拥堵交通的现象。
鼓励投资者按市场规则经营车库，政府实施有效的监督和政策调控，使停车产业良性发展。
1.3课题研究内容
立体车库是以单层面向多层面发展的立体空间停车库，所以主要的研究对象以立体车库的车位载车板控制为主。
通过对可编程逻辑控制器PLC以及组态软件组态王的学习和探讨，实现PLC对升降横移式立体车库的控制和使用组态王软件设计监控系统。
立体车库系统的主要功能有自动存取车、组态监控、升降横移电机的运行、安全措施防坠挂钩以及系统紧急停止等。
研究主要内容包括横移式立体车库的存取方案的确定、可编程逻辑控制器对立体车库的控制和实现、升降横移系统的运行、组态软件设计监控界面设计且实现对整个系统的监控。
1.4文章组织结构
第一章主要介绍研究立体车库的时代背景及其研究意义，国内外对于立体车库的研究和发展现状，以及当今社会发展立体车库遇到的问题。
对本文所言研究的内容简单介绍。
第二章为系统整体设计部分。
介绍升降横移式立体车库结构，以及本次系统的整体设计，以及车位控制方案的确定。
第三章为立体车库的控制系统设计。
主要包括控制系统的硬件设计和软件部分设计。
硬件部分主要对系统所用的硬件的选型和介绍，系统子电路设计设计。
软件设计部分主要是对PLC的控制方案的设计、立体车库的PLC控制程序的编写。
第四章为组态软件的监控系统设计。
主要是对组态王的数据词典的建立、组态监控界面的设计、监控界面的动画连接以及组态控制系统的程序编辑。
第五章主要是整个PLC控系统和组态软件的通信调试过程，最终完成基于PLC和组态软件的升降横移式立体车库的设计。
第二章系统整体设计
2.1立体车库结构及原理
机械式立体车库的整个系统组成其实是多个系统的组合，立体车库的主要组成包括控制住框架、控制系统、升降横移系统、载车板和安全防护防坠挂钩等。
立体车库结构如图2-1所示。
立体车库的核心在于载车板的移动，控制系统控制升降横移系统实现载车板移动，以实现存取车。
基于PLC和组态的升降横移式立体车库，在立体车库的控制系统中，把上位机作为系统监控机器，利用组态王的数据通信功能，完成数据处理和图形显示效果，通过现场总线，实时接收和处理下位机PLC从现场采集的各种设备状态、控制信号、报警信号等,并利用这些信号驱动组态监控界面中的图形，实时显示和反应现场的各种状况，形成友好的人机界面，对现场进行监控，对操作运行和故障给出提示、报警等[4]。
图2-1升降横移式立体车库主要组成
立体车库的控制系统原理，由PLC和组态构成完整的监控系统，上位机由组态软件设计，上位机给出存取命令，控制PLC去执行，同时车库的运行状态实时被上位机采集，实时反映在上位机上[5]。
实现车位的载车板根据呼叫信息完成移动，实现自动存取车过程，以及防坠挂钩的弹出和收回保证载车板的安全。
立体车库的控制系统采用了上位机和下位机双向控制，实现完全的人机分离操作，安全性更高，系统的可靠性也得到了大大的提升。
2.2总体控制方案
升降横移式立体停车库是通过升降或横移载车板的方式来存/取车辆。
在系统整体框架下，主要的控制系统是载车板的升降横移，来实现存/取车。
所以以载车板控制为主要研究对象，组态软件为监控系统设计整个系统总体控制方案。
图2-2系统整体设计
具体的系统整体设计如图2-2所示。
当组态界面的相应车位按钮的存/取车按钮时，由上位机给PLC发送呼叫车位信号，当PLC接收来自上位机的车位位移指令后，在可编程控制器里编辑程序控制载车板的移动的方向，确定移动载车板的信息，及电机的正反转运行等相应动作后，在PLC的输出端口，利用西门子编程的数据传输指令，将数字量的数据输入端口，到达上位机，组态控制程序内。
上位机接收PLC的升降横移信息，在组态里显示其整个监控过程，完成一个存/取车位系统的控制和组态过程，同时实现上位机和下位机的相互控制过程。
系统整体设计中每个模块实现的功能。
控制按钮模块：
在呼叫信号给出以后，系统能自动完成存取车动作，且组态软件要实现监控作用。
组态监控模块：
组态软件的监控界面设有立体车库的控制面板和车位指示灯，及一些系统按钮如系统开关、复位按钮、急停按钮等。
不仅能实现对PLC现场执行的实时监视又要实现对其控制功能。
车位指示模块：
立体车库相应车位在执行存取车动作时，系统应有闪烁指示灯提示系统正在存取，且车位指示灯要显示当前车位状态是否被占用。
防坠挂钩模块：
安全措施防坠挂钩在车位载车板移动时应自动弹出，当存取结束时应收回。
2.3立体车库的车位移动方案
车库设计为三层七车位的立体车库，在3x3的立体空间里，要实现车位的移动，最多可设计七个移动车位，两个空位，空位的主要是为载车板的移动，车位信息如图2-3所示。
一般的立体车库的特点是顶层的车位只能升降，底层的车位只能横移，车位的移动方案如下：
图2-3车位示意图
二号车位存/取时，五号和七号车位同时右移一个车位，二号车位开始下降至七号车位的原始车位点，小车上载车板，二号载车板上升至起始位置，五号、七号载车板同时左移一个车位，回到起始点，二号存/取完成。
三号车位的存/取时，由于下方五车位，所以三号板呼叫时，三号载车板直接下降到一层，小车上载车板，然后三号载车板上升至起始位置，三号存/取完成。
四号车位存/取时，六号车位和七号车位右移一个车位，四号车位下降，存/取车，四号车位上升，然后六号七号车位左移一个车位回到起始点。
五号车位存/取时，下方的七号车位有一个车位，五号下降，到达一层，开始存/取，五号车位上升，七号车位左移回到起始位置。
六号和七号车位的存/取车不要移动载车板，直接延时进行存/取车即可。
每次存取车后的其它载车板都要归位，以便系统的下次移动确定。
以上移动方案比较与其他移动方案优点在于其下方载车板可以实现整体移动，以便编程及监控实现。
第三章立体车库控制系统设计
3.1系统硬件设计
立体车库的硬件设计主要包括硬件的选型和主要电路的设计。
根据之前的整体系统设计的方案，本次立体车库的主要应用的硬件如表3-1所列出的。
表3-1硬件型号
名称
数量
型号
备注
PLC
1
西门子S7-200
CPU型号226CN
PPI通信线
1
USB转PPI
电机
5
三相异步电机
计算机
1
带编程软件
导线
若干
中间继电器
5
指示灯
10
24V电源灯
3.1.1PLC简介
PLC是英文单词ProgrammableLogicController的缩写，意思为可编程逻辑控制器，最早的为了应用与工业工程的控制而产生的，本次设计选用的是西门子S7-200型号的小型控制系统，S7系列PLC是西门子公司生产的小型可编程控制器，S7-200是S7系列中的小型PLC，常在小型自动化设备中使用。
可以根据使用的CPU模块不同而进行分类，其他类型也可以通过扩展模块来增加其功能。
在综合考虑上，S7-200在工业工程的环境下，且相对而言的小型系统控制应用比较合适，很适用于一般的工业控制的小型系统，在一般的工作环境下系统运行稳定，学习使用相比于其他的PLC来说简单方便，更加适合初学者的使用。
但S7-200属于小型控制系统，I/O点数比较有限，不能应用于复杂的工业控制，以及对运算精度不苛刻。
在输入输出点的选择上是而可行的，考虑点配置的基础上，PLC的CPU型号选择为226CN，这个型号的CPU有24/16的点配置，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。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的控制器。
3.1.2系统子电路设计
升降横移系统主要是对电机的正反转控制。
为了在系统运行时候，实现载车板的恒速平稳的运行，电机采用变频调速，变频调速主要应用在本次系统的电机启动和启停的速度控制上。
它与传统的交流电机拖动系统相比较，利用变频器对交流电动机进行调速控制有许多优点，例如节省电力、对于电机的调速容易实现且可以实现连续控制的特点、速度控制的精确比较高等。
在本次设计重要的是容易实现电动机的正反转切换，可以进行快速起/停转动。
这些优点可以让立体车库系统的存取车效率更高，系统的性能更加优越。
立体车库系统主电路是对电机的控制，如图3-1是一个电机的控制硬件接线图，如图，当KM1闭合时，电机正转；当KM2闭合时，电机反转；当KM1、KM2都断开时，电机停转，立体车库系统处于停止运行，在KM1和KM2之间形成互锁环节。
图3-1电机控制主电路
安全设备主要是对防坠挂钩的设计，防坠挂钩的控制是用一个电磁铁动作实现的控制功能，如图3-2所示防坠挂钩的原理图。
由一个电磁铁开关的控制挂钩的弹出和收回，通过牵引绳索到挂钩，当电磁铁得电时，拉动挂钩，挂钩弹出，载车板可以移动，当电磁铁失电时，绳索牵引力消失，挂钩收回，锁定载车板的移动，防止载车板的下落。
防坠挂钩的硬件设计使用中间继电器实现，用线圈得电和失电模拟防坠挂钩的动作。
图3-2防坠挂钩原理图
3.1.3系统硬件总体设计
硬件整体包括主电路和辅助电路的接线图，PLC主要控制电机的正反转以实现载车板的移动，还有防坠挂钩的动作以及系统开关、急停开关、复位开关。
图3-3硬件接线图
根据以上的整体设计思想，整体的硬件接线图如3-3所示。
在整个PLC的控制器上，PLC的供电电源是220V电源，接地端直接接地，在一些外围电路指示灯这些硬件的供电电压都为+24V的。
且要共用COM口。
硬件部分的元件功能说明如表3-2所示。
表3-2硬件定义对照表
电气符号
功能说明
电气符号
功能说明
SB1
系统按钮
SB2
复位按钮
K1
急停开关
L1
车位一指示灯（绿色无车，有车红色）
L2
车二指示灯（绿色无车，有车红色）
L3
车位三指示灯（绿色无车，有车红色）
L4
车位四指示灯（绿色无车，有车红色）
L5
车位五指示灯（绿色无车，有车红色）
L6
车位六指示灯（绿色无车，有车红色）
L7
车位七指示灯（绿色无车，有车红色）
KM1
电机1正转
KM2
电机1反转
KM3
电机2正转
KM4
电机2反转
KM5
电机3正转
KM6
电机3反转
KM7
电机4正转
KM8
电机4反转
KM9
电机5正转
KM10
电机5反转
KA1
防坠挂钩1
KA2
防坠挂钩2
KA3
防坠挂钩3
KA4
防坠挂钩4
KA5
防坠挂钩5
3.2控制系统软件设计
在升降横移式立体停车库系统中，控制系统的主要控制对象首先是对车库内框架上的横移电机和升降电机的控制，使电机在不同的时间内实现正转和反转，以电机带动载车板的升降横移过程，实现立体车库的存取车，其次是车库内的辅助装置的控制，如对于车位的指示灯及其各种安全设施等。
为了保证在载车板升降横溢的过程安全，采用了防坠挂钩；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，采用了时序判定法。
电机控制及方案设计，在存/取车时车位的上升和下降是不能同时进行，车位载车板的升降和横移也不能同时进行，这两个动作之间必须是互锁的，即当上层车位在升降时，地面层车位不能移动，反之亦然，并且上层车位每次只能有一个车位进行上下升降运动。
PLC程序只要控制其输出信号的变化，PLC程序使用行程开关，在整个呼叫周期里，不同时间给电机的不同信号来控制电机的正反，从而带动载车板的升降横移。
电机的正反转也会在组态里模拟实现运行。
主体的PLC存车和取车控制程序只针对第二层和第三层的载车板，而对于底层车位载车板，存取车直接开进开出即可，在程序中只需要一个延时计时器即可实现。
PLC程序设计思想，时序判定法，每个车位载车板的呼叫产生后，设置一个呼叫周期，整个呼叫周期可以用一个计时器实现，从开始的呼叫计时器开始计时，通过编程判断在计时器到达不同的时间点，来执行相应的电机启/停带动载车板移动。
主程序的设计应该包括系统的启停功能、系统的急停功能、系统的复位功能、PLC和上位机的数据传输程序功能、车位的防坠挂钩功能。
3.2.1系统流程图
图3-4立体车库流程图
立体车库的存取车过程，以存取车复位规则，存、取车操作的车位升降动作达成了一致，即无论存车还是取车操作，车位都是先从所在层位下降到地面层，等存/取车动作完成后，及时上升恢复到原来的层位[6]。
因此，只要在车位呼叫的同时判断呼叫车位的占用情况，就可以用相同的控制程序实现同一车位的存取车控制，这样不仅提高了控制程序的执行效率，而且节省了存储空间。
存取车流程图如图3-4所示。
当有车位呼叫按钮按下时，不管存取车车位都要下降到底层，所以先执行横移电机启动，下方载车板移开，高层载车板移动时，防坠挂钩会自动弹出，载车板可以移动，下方载车板移开后，升降电机正转，被呼叫载车板下降到底层，让后延时一段时间，以便存取车动作，当存取车结束后，升降电机反转，被呼叫载车板上升，被呼叫载车板归位后，下方载车板回到原来车位，每个高层载车板的防坠挂钩失电，
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