基于PLC的升降横移式立体车库.docx
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基于PLC的升降横移式立体车库
基于PLC的升降横移式立体车库
毕业设计（论文）
题 目：
基于PLC的升降横移式立体车库
系（部）：
机械电子工程系
专业班级：
机电10-1班
姓名：
王旭
学号：
201031003
指导教师：
陶国清
2013年5月29日
摘要
本文介绍了升降横移式立体车库的工作原理，确定了以PLC为主控单元的控制方案,并对控制系统的输入、输出进行了详细分析，完成了控制系统的输入、输出分配和PLC选型，设计了控制系统的程序流程图，完成了立体车库控制系统设计。
关键词：
升降横移式；立体车库；PLC
Abstract
The principle of the up-down and translation cubic garage is introduced. The
control project that PLC is used as the main control unit is designed. By analyzing
inputs and outputs of the control system, the inputs and outputs distribution of the
control system is finished and the type of PLC is selected. Moreover, the program flowchart of the control system is designed and the control system of cubic garage is
implemented.
Key words:
up-down and translation; cubic garage; PLC
1引言1
1.1立体车库概述1
1.1.1概述1
1.1.2立体车库的分类1
1.2立体车的国内外发展情况1
2升降横移式立体车库控制方式3
2.1升降横移式立体车库的控制形式3
2.2升降横移式立体车库的特点3
2.3选择设计的立体车库3
3升降横移式立体车库5
3.1升降横移式立体车库的主要组成部分5
3.2升降横移式立体车库车位结构5
3.3升降横移式立体车库的结构及运行规图5
4升降横移式立体停车库的硬件系统6
4.1控制系统控制核心单元的选择6
4.2传感器的选择6
4.3行程开关7
4.4驱动元件8
5升降横移式立体停车库的控制系统9
5.1软件所要完成的控制任务9
5.1.1升降横移式立体停车库控制系统的控制任务9
5.1.2升降横移式立体停车库控制系统的基本要求9
5.2控制程序流程图10
5.3PLC的I/O口资源配置12
5.4升降横移类立体车库的梯形图14
总结25
致谢26
6参考文献27
附录AI/O控制原理图28
附录B立体车库运行梯形图及说明29
1引言
1.1立体车库概述
1.1.1概述
机械式立体车库就是以立体化的方式用机构来存取、停放车辆的整个停车设施，即用机械设备将汽车存放到立体化的停车位或从停车位元取出的方式。
机械式立体停库是近几十年顺应市场经济发展，在市场需求的迫切影响下应用而生的一种新型停车系统，与传统的自走式停车库不同，用地紧张、车多地少的状况下，将车辆多层存放，其最大优点是能够大量节省有限的地表面积，将停车位向空间和地下发展，采用光机电方式存取汽车，自动化程度较高，代表了停车场的发展方向。
1.1.2立体车库的分类
机械式立体车库种类较多运行原理和组成结构各有特点，目前我国把机械式停车设备共分为八大类，即：
升降横移式（psh）、垂直循环式（pcs）、简易升降式（pjs）、垂直升降式（pcs）、平面移动式（ppy）、巷道堆垛式（pxd）、多层循环式（pds）、汽车专用升降机式（pqs）。
上述各类型的停车设备，采用不同的工作原理和技术，适用于不同的场地条件，各有特点和优势。
1.2立体车的国内外发展情况
停车难已成为城市难题，因涉及民生而倍受关注，随着各方向的关注加深，机械式立体停车设备在城市建设中的广泛应用在解决停车难问题上呈现出了较为明显的趋势。
机械式停车设备的应用已有30多年的历史了。
发展较早、较好的有日本、韩国、德国等。
在亚洲，机械式停车设备采用较早、应用较普遍的是日本、韩国和我国台湾省。
日本从20世纪60年代初就开发并使用可最大限度利用空间的机械式停车设备。
80年代开始向韩国、中国和我国台湾省出口产品和技术。
随着各国汽车保有量的增加，立体车库逐年增多，品种也从单一垂直循环式发展为多种形式，至今已开发生产出八大类近百年品种。
韩国机械式停车设备行业的发展历程比较平稳。
20世纪70年代中期为起步阶段，80年代为引进阶段，90年代为供应使用阶段。
由于这几个阶段受到了政府的高度重视，各种机械式停车设备得到了普遍的开发和利用，年递增速度达到30%；2000-2010年为发展阶段，自动化停车设备将随供应量不断的扩大而得到迅猛发展[1]。
由于欧洲国家土地资源比较富余，停车问题表现不是很突出，停车设备应用不是很多，
立体车库的发展在国外，尤其在日本已有近50年的历史，1960年以后，立体车库逐年增多，品种也发展为多种形式。
自70年代末起，世界经济高速发展，汽车保有量不断增加，迫使很多国家、地区开展机械式停车技术的研究。
以日本、美国、德国等为代表的发达国家在停车技术领域的研究处于世界领先水平，韩国和港、澳、台地区的停车业也通过引进技术得到了蓬勃的发展，较好地解决了本地区的停车难问题，并开始向外输出技术和出口产品。
受人口、土地面积等因素的影响，国外这些停车设备大部分都是面向轿车设计的。
我国城市停车设施建设还处在初级阶段，停车位数量与合理的车位数量相差甚远，停车难是一个普遍的问题。
目前我国的停车场仍以平面停车场、路上停车场、路外停车场等为主，立体停车库和机械式停车库的设计研发虽然已有很长一段时间，但目前的使用数量很少，尤其是公交车立体停车库的设计研发还处于刚起步的阶段。
随着城市交通问题的日益严重，以及土地问题的加剧，立体停车库的发展将会有很大的空间。
经国务院批准，国家计委、国家经贸委令第7号发布，自2000年9月1日起施行的《当前国家重点鼓励的产业、产品和技术目录》，已明确将城市立体停车场建筑为国家重点支持的产业，为我国立体停车库产业的成长提供了良好条件，也为我国解决城市停车问题提供了机会，因此立体停车库具有非常广阔的发展前景。
2升降横移式立体车库控制方式
2.1升降横移式立体车库的控制形式
车库控制形式是根据车库的具体情况选定，要综合考虑到其规模、应用场合等各方面因素而定，在车库众多的控制系统中有三种比较常见的控制形式:
继电器逻辑电路控制、可程序设计控制器控制、单片机控制。
我所学习的是第二种控制形式。
2.2升降横移式立体车库的特点
升降横移式立体车库采用模块化设计，每单元可设计成两层、三层、四层、五层、半地下等多种形式，车位数从几个到上百个。
此立体车库适用于地面及地下停车场，配置灵活，造价较低。
产品特点：
（1）节省占地，配置灵活，建设周期短。
（2）价格低，消防、外装修、土建地基等投资少。
（3）可采用自动控制，构造简单，安全可靠。
（4）存取车迅速，等候时间短。
（5）运行平稳，工作噪声低。
（6）适用于商业、机关、住宅小区配套停车场的使用。
2.3选择设计的立体车库
由于升降横移式立体车库由于适应性强而倍受青睐，该类车库每个车位均有在载板（即托盘），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。
停泊在这类车库地面的车辆只做横移，不必升降，上层车位或下层车位需通过中间层移出车位，将载车板升或降到地面层，驾驶员才可以进入车库内将汽车开进或者开出车库，升降由一台电机拖动，通过钢丝绳拖动搬运器垂直升降，横向移动的借助导轨，也是利用一台电机便可实现车位移动，它的主要优点在于同一层的车位移动独立，可以自由动作并且时间短，缩短了存取车的时间。
因此，本文选择升降横移式立体车库进行设计。
图2-1升降横移式立体车库
3升降横移式立体车库
3.1升降横移式立体车库的主要组成部分
升降横移式立体车库主要由主框架部分、载车板部分、传动系统、控制系统、安全防护措施五大部分组成。
本文主要研究其控制系统。
3.2升降横移式立体车库车位结构
升降横移式立体车库结构为N×M二维矩阵模式，可设计为多层、多列，车库提供总容量车位元为：
P=N×M-（N-1）
其中：
N为二维矩阵的行，即车库的层数
M为二维矩阵的列，即车库的列数
3.3升降横移式立体车库的结构及运行规图
由于受收链装置及进出车时间的限制，一般为2-4层（因为国家规定最高为4层），以2、3层居多，可根据泊车的多少决定停车库的规模。
假如设计一个双层5车位的升降横移式立体车库，两层平面为：
上平面U和下层平面M。
上平面U只能进行升降动作，下层平面M只能进行平移动作。
立体车库中总共有6个车位，其中一个为空位向载车盘提供上升和下降的通道，另外5个车位用于存放车辆。
当下层平面M车位进出车时，不需要移动其他托盘就可直接进行进出车处理。
当上平面U车位进出车时，首先要判断其对应的下方位置是否为空，不为空时要进行相应的平移处理，直到下方为空才可进行下降动作到达下层平面M，进行进出车处理，进出车完毕后上升回到原位置。
根据运动的规律存取车的过程主要包括:
1.为了让出空位，载车板需要横移;
2.为了存取车，需要载车板的升降;
3.载车板左右横移一个准确的停车位行程和升降到准确的位置。
下图是一个两层平面立体车库的结构示意图
图2-1立体停车库示意图
4升降横移式立体停车库的硬件系统
控制系统硬件确定主要包括系统控制形式及控制核心单元的选择、输入参量的检测和传感器的选择、输出驱动方式和驱动组件的选择、人机联系方式的选择，最后生成硬件接线图。
介绍下主要元器件的选择。
4.1控制系统控制核心单元的选择
升降横移式立体停车库控制系统的控制核心单元确定与控制任务有关，在本次立体停车场的设计中是选用S7—200系列中的CPU226DC/DC/DC，它的可用输入点数为24，可用输出点数为16。
系统CPU采用的是24输入／16输出的西门子S7-200系列PLC中的226DC／DC／DC。
PLC采用典型的计算机结构，其实质就是一种工业控制计算机。
PLC主要由中央处理单元、存储器、输入/输出接口、编程器、电源以及其他电路组成。
如图4-1所示。
图4-1PLC基本结构
4.2传感器的选择
光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测是否存在物体。
物体不仅限于金属，所有能够反射光线的物体均可被检测到。
立体停车库中，光电开关主要用来检测车库有无车的检测装置以及检测车库是否停靠到位。
图4-2光电开关
4.3行程开关
行程开关又称限位开关，当其与生产机械的运动部件产生碰撞，行程开关便发出控制信号，将机械位移转变为电信号，以实现对机械运动的电气控制。
为了保证存取车可靠安全,系统要精确定位，行程开关的设置保证了载车板能平移到预定位置，但行程开关逻辑要严格互锁。
图4-3行程开关
4.4驱动元件
在此驱动元件是完成车库托盘的横移和升降的专用减速电机,查阅相关资料得知升降速度>lOm／min；横移速度>13m／min；最大提升重量2800kg；升降机构电机功率4—5．5kW；横移机构电机功率0．37—0．55kW。
则本文横移选用Y8012-2三相异步电动机，升降选用Y132S2-2三相异步电动机。
5升降横移式立体停车库的控制系统
5.1软件所要完成的控制任务
升降横移式立体停车库的控制系统必须确保车库的各运动机构能够在规定的时间内准确无误完成所要求的动作，确保对车库现场的工作状况进行实时监控，并把监控信息回馈至系统的控制核心，由它对系统机构的运作进行修正，保证车库整个系统在稳定正常的状态下进行工作。
所以，在确定车库控制系统时，首先应该明确系统的控制任务。
5.1.1升降横移式立体停车库控制系统的控制任务
根据运动的规律，不难发现，存取车过程中，涉及最多的就三个方面：
一、为了让出空位，托盘需要横移；
二、为了存取车，需要托盘的升降；
三、托盘左右横移一个准确的停车位行程和升降到准确的位置。
由此看出，控制任务主要就是要完成对横移、升降以及定位的控制。
在升降横移式立体停车库中，每一个有效车位都有一组独立的横移和升降系统，分别由一个横移专用小型减速电机和一个升降专用减速大电机组成。
横移定位靠安装在横移导轨规定位置的行程开关来完成，升降定位则靠安装在地面和车位架规定位置的行程开关来完成。
控制横移电机和升降电机可以看作是控制系统的输出（开关量输出），行程开关可以看作是控制系统的信号输入（开关量输入）。
5.1.2升降横移式立体停车库控制系统的基本要求
车库现场一般环境比较恶劣（一般为室外），如高温、粉尘、高湿度、振动、强电设备启动的磁场干扰等，所涉及的控制系统除了要满足控制任务，还需要满足如下的基本要求：
1.可靠性高
车库控制系统在车库现场应能长期、可靠、稳定地工作。
一方面，必须具有很强的抗车库现场干扰能力;系统设计时，就应根据使用环境，考虑合适的抗千扰措施。
另一方面，控制系统必须能长期稳定的运行。
2.操作性能好
车库控制系统的操作性能好，表现在它的使用性能和可维护性能两个方面，这是在系统硬件和软件设计时就要考虑和注意的坏节。
使用性能方面，硬件设计时要尽量降低操作人员的专业知识要求，如控制接口不要太复杂，操作顺序简单、操作出错不会引起人身设备故障等，使操作人员感到容易学习，使用方便。
软件开发时，按照软件工程的要求，尽量使用高级语言开发用户程序，使程序具有较好的开放性并易于再开发。
在可维护性能方面，硬件设计时，控制柜应有较大的维修操作空间，硬件采用模块式组合结构，出现故障时，容易采用更换方式进行维修，从而缩短维修时间。
软件设计时，应配有查错、故障诊断程序，使故障出现时，易于查找故障部位。
3.通用性好
4.较高的经济指标
设计车库的控制系统时，经济指标是始终要考虑的指标，即要有较高的价格性能比。
这要根据实际的控制要求，在车库控制系统核心单元选型、检测传感器与驱动组件的选择、软件开发与运行、系统组装与调试等费用方面综合进行考虑。
5.2控制程序流程图
本文设计的升降横移式立体停车库系统其存取车控制只针对上层（2层）车位,而对于下层（1位）车位存取车直接开进开出即可。
软件在设计不同层进出车程序时运用了“并行分支与汇合”的技巧,所谓并行分支指的是各分支流程可同时执行,待各流程动作全部结束后,根据相应执行条件,汇合状态动作。
即如果选择第二层托盘进出车,可以使一层平移（左移或右移）,这样控制系统能自动处理设备动作顺序之间联锁和双重输出,而且控制系统的试运行及故障检查非常方便,可节约大量时间,提高工作效率。
流程图说明:
（1）PLC由STOP转为RUN状态时，初始脉冲SM0.1对状态进行初始复位。
（2）复位后对系统进行安全检测，如果系统没有出现故障，则选取上层将要存取车的载车板号位。
如果系统出现故障则对系统进行故障处理，直到系统安全。
（3）选取车位号后判断该车位对应的下层是否有托盘，如果有托盘则对托盘进行左右平移直到建立了下降通道为止。
（4）建立下降通道后，把所选载车板上的防坠落挂钩弹开，弹开后载车板开始下降
（5）下降到底层后进行存取车
（6）存取车完毕后，托盘上升直到顶层
程序流程见下图:
5.3PLC的I/O口资源配置
输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。
PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。
在本次立体停车场的设计中是选用S7—200系列中的CPU226DC/DC/DC，它的可用输入点数为24，可用输出点数为16。
系统CPU采用的是24输入／16输出的西门子S7-200系列PLC中的226DC／DC／DC。
根据设计要求,其输入点共30个：
车位选择开关6个,车位限位开关6个，光电检测2个，下层载车板平移行程开关3个，链条检测输入3个，紧急停止按钮和复位按钮各1个，防坠落安全装置的电磁铁输入3个，电动机热继电器输入5个。
输出点共10个：
电动机接触器输出5个，电磁铁输出3个，蜂鸣器和警灯。
根据控制系统设计的要求及选定的PLC型号,确定系统I/O地址分配如下表所示：
表4-1I/O地址分配表
输入点
输出点
符号
地址
注释
符号
地址
注释
TL1
I0.0
选择1号车位
KM4_Left
Q0.0
4号电动机接触器（正转）
TL2
I0.1
选择2号车位
KM4_Right
Q0.1
4号电动机接触器（反转）
TL3
I0.2
选择3号车位
KM5_Left
Q0.2
5号电动机接触器（正转）
TTL1
I0.3
1号车位上升限位开关
KM5_Right
Q0.3
5号电动机接触器（反转）
TTL2
I0.4
2号车位上升限位开关
KM1_Up
Q0.4
1号电动机接触器（正转）
TTL3
I0.5
3号车位上升限位开关
KM1_Down
Q0.5
1号电动机接触器（反转）
BL1
I0.6
选择4号车位
KM2_Up
Q0.6
2号电动机接触器（正转）
BL2
I0.7
选择5号车位
KM2_Down
Q0.7
2号电动机接触器（反转）
BL3
I1.0
选择6号车位
KM3_Up
Q1.0
3号电动机接触器（正转）
BBL1
I1.1
1号车位下降限位开关
KM3_Down
Q1.1
3号电动机接触器（反转）
BBL2
I1.2
2号车位下降限位开关
EMO1
Q2.0
1号电磁铁
BBL3
I1.3
3号车位下降限位开关
EMO2
Q2.1
2号电磁铁
PHE1
I1.4
光电检测1（安全线）
EMO3
Q2.2
3号电磁铁
PHE2
I1.5
光电检测2（车辆超长）
ALARM
Q2.3
报警器
输入点
输出点
符号
地址
注释
符号
地址
注释
LL
I2.0
4号车位限位开关
LIGHT
Q2.4
报警灯
CL
I2.1
5号车位限位开关
RL
I2.2
6号车位限位开关
CHAIN1
I4.1
链条松弛1（升降）
CHAIN2
I4.2
链条松弛2（升降）
CHAIN3
I4.3
链条松弛3（升降）
ES
I4.6
紧急停止
RESET
I4.7
复位
EMI1
I5.0
1号电磁铁防坠落挂钩
EMI2
I5.1
2号电磁铁防坠落挂钩
EMI3
I5.2
3号电磁铁防坠落挂钩
FR1
I5.3
1号电动机热继电器
FR2
I5.4
2号电动机热继电器
FR3
I5.5
3号电动机热继电器
FR4
I5.6
4号电动机热继电器
FR5
I5.7
5号电动机热继电器
注：
载车板编号上层为1、2、3号，下层为4、5号
续表4-1
5.4升降横移类立体车库的梯形图
PLC作为控制器，需要相应的程序来实现系统的运行，在PLC所有编写的程序中，梯形图是用的最广泛的一种，在此次设计中程序也是用梯形图来编的，对程序的分析如下。
PLC由STOP转为RUN状态时，初始脉冲SM0.1对状态进行初始复位，并将状态S0.0置1。
此段程序用到特殊状态寄存器SM0.1。
SM系统状态位赋值如下：
SM是特殊标志寄存器，特殊内存字节SM0.0-SM0.7提供八个位，在每次扫描周期结尾处由S7-200CPU更新。
程序可以读取这些位的状态，然后根据位值作出决定。
符号名SM地址用户程序读取SMB0状态数据
Always_OnSM0.0该位总是打开。
First_Scan_OnSM0.1首次扫描周期时该位打开，一种用途是调用初始化子程序。
Retentive_LostSM0.2如果保留性数据丢失，该位为一次扫描周期打开。
该位可用作错误内存位或激活特殊启动顺序的机制。
RUN_Power_UpSM0.3从电源开启条件进入RUN（运行）模式时，该位为一次扫描周期打开。
该位可用于在启动操作之前提供机器预热时间。
Clock_60sSM0.4该位提供时钟脉冲，该脉冲在1分钟的周期时间内OFF（关闭）30秒，ON（打开）30秒。
该位提供便于使用的延迟或1分钟时钟脉冲。
Clock_1sSM0.5该位提供时钟脉冲，该脉冲在1秒钟的周期时间内OFF（关闭）0.5秒，ON（打开）0.5秒。
该位提供便于使用的延迟或1秒钟时钟脉冲。
Clock_ScanSM0.6该位是扫描周期时钟，为一次扫描打开，然后为下一次扫描关闭。
该位可用作扫描计数器输入。
Mode_SwitchSM0.7该位表示“模式”开关的当前位置（关闭=“终止”位置，打开=“运行”位置）。
开关位于RUN（运行）位置时，您可以使用该位启用自由口模式，可使用转换至“终止”位置的方法重新启用带PC／编程设备的正常通讯。
若此时有存取车的需要，将1号载车板下降到地面为例，此时可按下TD200面板上的F1按钮，程序跳转到S0.1状态，S0.0复位。
本次设计程序中用的最多的指令为顺序控制继电器指令。
西门子S7-200系列PLC提供了顺序流程的相关指令，即顺序控制继电器指令LSCR、SCRT、SCRE。
LSCRn是标记一个顺序控制器段（SCR）的开始，n为顺序控制器S的地址，当n为1时，该顺序控制段开始工作。
SCRE是标记该顺序控制段的结束。
每一控制段必须以它为结束。
SCRTn是执行SCR段的转移，当n=1时，一方面使下一个SCR段的使能位S置位，以便下一个SCR段开始工作，同时对本SCR段复位，使得本SCR段停止工作。
所以控制SCRT的转换条件就可以实现相关的转移。
使用SCR时有以下限制:
不能在不同的程序中使用相同的S位，如PLC控制的流程有两部分，则这两部分之间不能用相同的S位，否则两部分的流程会混串。
不能在SCR指令中使用JMP和LBL指令，使用JMP和LBL指令，即不允许用跳入或跳出的方法跳入或跳出SCR段，其实对于用顺序流程控制指令都能实现跳转，完全可不用JMP。
不能在SCR段中使用FOR、NEXT、END语句。
程序根据下层3个限位开关的信号判定下层两个车位的移动方向。
下层3个限位开关有以下三种情况。
（1）下层4号、5号载车板分别停在1号、2号载车板下
（2）下层4号、5号载车板分别位于1号、3号载车板下方
（3）下层4号、5号载车板分别位于2号、3号载车板下方，1号载车板下方位置为空
上段程序为情况1,即下层4号、5号载车板分别停在1号、2号载车板下:
如果下层4号
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