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plc

编号20110961402119

盐城工学院博雅学院

论文设计

题目

基于PLC的立体车库监控系统

学生姓名

孙红领

学号

0961402119

系部

自动化系

专业

电气工程与自动化

班级

BMZ电气091

指导教师

薛老师

基于PLC的立体车库监控系统

摘要

本文介绍了国内立体车库的发展现状，以及存在问题，同时介绍了可编程控制器的工作原理，选型依据。

设计了一种基于PLC的横移式立体车库，根据设计要求对PLC的输入输出I/O进行了分配，并且编写系统运行的梯形图。

该系统中PLC主要完成对托盘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、继电器执行对拖动电机的起停控制。

而且上层升降动作和以下各层的横移动作必须是互锁的，即当上层泊位在升降时，下面各层泊位不能移动，反之亦然，并且上层泊位每次只能有一个泊位进行升降运动。

为了保证存取车的可靠安全系统要精确定位，行程开关的设置保证了托板能平移到预定位置以及托盘能上升或下降到准确位置，但同时行程开关逻辑要严格互锁。

目录

摘要i

Abstractii

第一章引言1

1.1课题研究的目的和意义1

1.2立体车库的国内外发展现状2

1.3本文所做的主要工作4

第二章可编程控制器（PLC）的介绍5

2.1PLC的产生5

2.2PLC的基本结构6

2.2.1CPU模块6

2.2.2I/O模块6

2.2.3编程设备与电源7

2.3PLC的特点及应用领域7

2.3.1PLC的特点7

2.3.2PLC的应用领域9

2.4PLC的工作原理10

2.4.1PLC的工作方式和运行框图10

2.4.2PLC的扫描工作过程11

第三章立体车库PLC的选型及控制原理13

3.1S7-200介绍13

3.1.1基本单元13

3.1.2扩展单元13

3.1.3编程器14

3.1.4程序存储卡14

3.1.5写入器14

3.1.6文本显示器14

3.2PLC立体车库控制原理15

3.2.1总体设计结构15

3.2.2手动操作16

3.2.3自动运行18

第四章软件部分设计19

4.1流程图设计19

4.2输入/输出（I/O）地址分配19

4.3PLC梯形图解析21

第五章总结与展望23

参考文献24

致谢25

第一章

1.1课题研究的目的和意义

随着社会的发展，人们的生活水平有了极大的提高，现代交通工具家庭式轿车也逐渐进入千家万户，随着汽车的急增致使城市停车难问题不断恶化，解决城市静态交通的有效措施——向空间、向高层发展的自动化立体停车设备，以其占地面积少、停车率高、布置灵活、高效低耗、性价比高、安全可靠等优点，越来越受到人们的青睐。

目前市面上常见的机械式立体停车库有：

升降横移类、垂直循环类、多层循环类、水平循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类和简易升降类等8种，其中升降横移类以其结构简单、操作方便、安全可靠、造价低等优点，在国内车库市场占有绝对优势的市场份额。

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、化整为零的优势，在住宅区的每个组团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。

现代大型建筑的主流是智能化大厦和小区，因此自动化立体停车设备或车库的自动控制系统将成为智能化大厦和小区的一个重要组成部分。

操作简单、迅速，使用方便，安全可靠，维护量小，为用户提供一个安全、简易的使用环境，这是自动化立体停车设备的基本特点。

停车设备的一切运行状况，车辆停放的时间，车辆存放交费情况，车库库容量，车辆存放高、低峰情况，等信息均可通过网络传送到智能化控制中心，通过智能化控制中心运算处理，与广播系统和各分部管理办公室相连，达到提前发布相关控制、管理信息，从而全部实现智能化管理。

通过大厦和小区的智能化控制中心还可与社会相关职能部门联网，将有关信息发布出去或收集进来，扩大车库的社会利用率和经济效益。

这将是自动化车库的发展方向。

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。

1.2立体车库的国内外发展现状

车辆无处停放的问题是城市的社会、经济、交通发展到一定程度产生的结果，立体停车设备的发展在国外，尤其在日本已有近30~40年的历史，无论在技术上还是在经验上均已获得了成功。

我国也在90年代初开始研究开发机械立体停车设备，距今已有十年的历程。

由于很多新建小区内住户与车位的配比为1：

1，为了解决停车位占地面积与住户商用面积的矛盾，立体机械停车设备以其平均单车占地面积小的独特特性，已被广大用户接受。

 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。

[1]

一、升降横移式

如图1.1所示，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。

这类装置的主要特点有：

节省占地，配置灵活，建设周期短；价格低，消防、外装修、土建地基等投资少；可采用自动控制，构造简单，安全可靠；存取车迅速，等候时间短；运行平稳，工作噪声低；适用于商业、机关、住宅小区配套停车场的使用。

本文的设计就是以一3×3升降横移立体车库进行研究的。

二、巷道堆垛式

如图1.2所示，巷道堆垛式立体车库采用堆垛机作为存取车辆的工具，所有车辆均由堆垛机进行存取，因此对堆垛机的技术要求较高，单台堆垛机成本较高，所以巷道堆垛式立体车库适用于车位数需要较多的客户使用。

图1.1升降横移式立体车库图1.2巷道堆垛式立体车库

三、垂直提升式

如图1.3所示，垂直提升式立体车库类似于电梯的工作原理，在提升机的两侧布置车位，一般地面需一个汽车旋转台，可省去司机调头。

垂直提升式立体车库一般高度较高（几十米），对设备的安全性，加工安装精度等要求都很高，因此造价较高，但占地却最小。

四、垂直循环式

如图1.4所示，这类装置的主要具有以下特点：

占地少，两个泊位面积可停6~10辆车；外装修可只加顶棚，消防可利用消防栓；价格低，地基、外装修、消防等投资少，建设周期短；可采用自动控制，运行安全可靠。

图1.3垂直提升式立体车库图1.4垂直循环式立体车库

五、水平循环式

 如图1.5所示，这类装置主要特点有：

容量为平面式的数倍，弹性多层排列，可依据实际建筑物面积及高度设计二层至多层，充分利用空间。

图1.5水平循环式立体车库

1.3本文所做的主要工作

本课题是以3×3立体车库为控制对象，用PLC实现对立体车库的控制与状态采集，在上位计算机上对立体车库进行监视和监控，并可进行在线控制和离线控制。

分别对三层车位动作用文字进行了描述，并以第三层中间列车位为例进行程序设计，设计主要包括存取车过程托盘的左右及上下移动，限位挂钩检测，报警系统等多个步骤，对每一步都进行了详细注解，操作过程简洁明了，实现了立体车库便捷理念。

第二章可编程控制器（PLC）的介绍

可编程控制器（ProgrammableController）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。

早期的可编程控制器主要用于代替继电器实现逻辑控制，因此称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。

随着科学技术的展，现代可编程控制器的功能已经超过了逻辑控制的范围。

PLC从诞生至今，仅30年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，并与CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱。

[2,3,4]编程逻辑控制器，又称可编程控制器，有过多种定义。

可以看作是一种经过特殊设计的工业计算机，整个的设计原则就是简单与实用。

 1968年，通用汽车公司的液压部门为了消除既复杂又昂贵的继电器控制系统，确立了第一个可编程控制器的招标指标。

该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。

该控制系统将大大减少机器的停机时间，并为未来提供了可扩展性。

该招标由DEC公司中标，这套系统于1969年研制出来，这是第一台可编程控制器，型号为PDP-14，应用取得成功。

其后，美国的MODICON公司也推出了同名的084控制器，1971年日本推出了DSC-80控制器，1973年西欧国家的各种可编程控制器也研制成功。

这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。

PLC的发展也是与计算机技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，正是这些高新技术的发展推动了可编程控制器的发展。

从控制功能来看，可编程控制器的发展大致经历了4个阶段：

（1）、初级阶段：

从第一台PLC问世到20世纪70年代中期

由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，主要功能是逻辑运算和计时、计数功能。

CPU由中小规模数字集成电路构成。

主要产品有：

MODICON公司的084，AB公司的PDQ-IL，DEC公司的PDP-14，日立公司的SCY-022等。

第一阶段就采用了梯形图语言作为编程方式，尽管有些枯燥，但却形成了工厂的编程标准。

（2）、扩展阶段：

从20世纪70年代中期到70年代末期

这一阶段PLC产品的控制功能得到很大扩展。

扩展的功能包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。

这一阶段的产品有MODICON的184，284，384，西门子公司的SIMATICS3系列，富士电机公司的SC系列产品。

（3）、通信阶段：

20世纪70年代末期到80年代中期

这一阶段产品与计算机通信的发展有关，形成了分布式通信网络。

但是，由于各制造商各自为政，通信系统也是各有各的规范。

由于在很短的时间内，PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。

其次，产品功能也得到很大的发展。

同时，可靠性进一步提高。

这一阶段的产品有西门子公司的SIMATICS6系列，GOULD公司的M84，884等，富士电机的MICRO和TI公司的TI530等。

（4）、开放阶段：

从20世纪80年代中期开始

由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型OSI，使PLC在开放功能上有较大发展。

主要表现为通信系统的开放，使各制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户得益。

此外，PLC开始采用标准化软件系统，增加高级语言编程，并完成了编程语言的标准化工作。

PLC（可编程控制器）在现代的自动化行业中应用广泛，PLC编程更是精髓技术，前两天看了一篇关于PLC编程语言的基础文章，比较适合入门级，贴出来和大家一起分享下。

最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。

采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。

虽然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的C语言、BASIC语言、专用的高级语言（如西门子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。

不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。

l      编程指令：

指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。

从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全相同的。

同时PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。

常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。

常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。

l       指令系统：

一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。

它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。

一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。

我们在编程之前必须弄清PLC的指令系统

l       程序：

PLC指令的有序集合，PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指PLC的用户程序。

用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不提供。

用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。

l       梯形图：

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，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。

母线是用来连接指令组的。

下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例：

它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。

第二组仅一个END指令，用以结束程序。

l       梯形图与助记符的对应关系：

助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。

一般讲，其顺序为：

先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。

有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。

上图的助记符程序为：

        地址     指令      变量

        0000      LD       X000

        0001      OR       X010

        0002      ANDNOT  X001

        0003      OUT      Y000

0004      END       

反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。

l       梯形图与电气原理图的关系：

如果仅考虑逻辑控制，梯形图与电气原理图也可建立起一定的对应关系。

如梯形图的输出（OUT）指令，对应于继电器的线圈，而输入指令（如LD，AND，OR）对应于接点，互锁指令（IL、ILC）可看成总开关，等等。

这样，原有的继电控制逻辑，经转换即可变成梯形图，再进一步转换，即可变成语句表程序。

有了这个对应关系，用PLC程序代表继电逻辑是很容易的。

这也是PLC技术对传统继电控制技术的继承。

2.1PLC的产生

在PLC问世之前，工业控制领域中继电器控制占主导地位。

但继电器控制系统有着十分明显的缺点：

体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。

为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的要求，并能在竞争激烈的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此还拟定了10项公开招标的技术要求。

根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC，并在通用汽车公司自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制新时期。

从此，PLC这一新的控制技术迅速发展起来，特别是在工业发达国家发展得很快。

PLC诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，日本、德国、法国等国家相继研制出各自的PLC。

PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由最初的一位机发展为8位机，并随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用，形成了现代意义上的PLC。

目前，PLC产品已使用16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术使PLC产品的应用得到进一步的发展。

如今，PLC技术已非常成熟。

三菱（MITSUBISHI）、欧姆龙（OMROM）、富士电机（FUJI）、松下电工；德国的西门子（SIEMENS）；法国的TE、施耐德（SCHNEIDER）；韩国的三星（SAMSUNG）、LG等（其中MODICON和TE已归SCHNEIDER旗下）。

2.2PLC的基本结构

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程设备组成，如图2.1所示。

图2.1PLC控制系统示意图

PLC实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与其他微机控制装置相似。

PLC主要由CPU模块（中央处理单元）、存储器、输入/输出模块（简称I/O模块）、编程设备和电源五大部分组成。

2.2.1CPU模块

CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微处理器（CPU）和存储器组成。

CPU的作用类似于人的大脑和心脏。

它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：

（1）输入处理，将现场的开关量输入信号读入输入映像寄存器。

（2）程序执行，逐条执行用户程序，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关映像寄存器的内容。

（3）输出处理，将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。

2.2.2I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：

开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

[5,6]

2.2.3编程设备与电源

编程设备：

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

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

也就是我们系统的上位机。

PLC电源用于为PLC各模块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。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

2.3PLC的特点及应用领域

2.3.1PLC的特点

1.可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。

由于触点接触不良，容易出现故障。

PLC用软件代替中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可以减少到继电器控制系统的十分之一到百分之一，因此触点接触不良造成的故障大为减少。

绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。

PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

事实上，在PLC控制系统中发生的故障，绝大部分都是由PLC外部开关‘传感器和执行元件引起的。

2.通用性强，控制程序可变，使用方便

PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。

用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。

因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。

3.功能强，适应面广

现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。

既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。

4.编程简单，容易掌握

目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。

既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。

梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。

通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。

同时还提供了功能图、语句表等编程语言。

PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。

与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。

5.减少了控制系统的设计及施工的工作量

由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。

同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。

并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。

6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便

PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。

并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

以三菱公司的F1-40M型PLC为例：

其外型尺寸仅为305×110×110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。

现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：

面积为47%，体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24～128点。

2.3.2PLC的应用领域

PLC是以自动控制技术、微计算机技术、和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，随着微处理器技术的发展，PLC得到了迅速的发展，也在社会各领域的生产训得到了越来越多的应用。

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。

[7,8]

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（Digit