立体车库控制系统的设计.docx

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立体车库控制系统的设计

太原科技大学毕业设计（论文）任务书

学院（直属系）：

电子信息工程学院时间：

2017年3月1日

学生姓名

指导教师

设计（论文）题目

立体车库控制系统的设计

主要研

究内容

掌握PLC控制系统的设计方法，掌握PLC的编程方法，利用PLC实现对立体车库车辆的调动。

研究方法

原理设计

主要技术指标（或研究目标）

1、掌握PLC控制系统的设计方法。

2、完成控制系统硬件设计，给出控制系统原理图。

3、完成控制系统软件设计，编制控制程序。

教研室

意见

教研室主任（专业负责人）签字：

年月日

目录

目录II

摘要III

ABSTRACTIII

第1章绪论1

1.1课题研究背景1

1.2立体车库的分类2

1.3本论文要完成的工作3

1.4小结3

第2章立体车库的控制方案设计4

2.1立体车库的控制要求4

2.2立体车库的控制器的选择5

2.2.1继电器控制的特点5

2.2.2单片机控制的特点5

2.2.3PLC控制的特点5

2.2.4PLC的工作原理6

2.3控制系统的硬件功能需求设计分析4

2.4控制系统的软件功能需求设计与分析4

2.5小结7

第3章系统硬件设计8

3.1机械机构简述8

3.2元器件选择10

3.2.1光电开关10

3.2.2行程开关10

3.2.3转换开关11

3.2.4按钮和指示灯11

3.2.5电机的选择11

3.3人机界面设计13

3.4IO表13

3.5PLC型号的选择15

3.6小结15

第4章软件系统设计16

4.1程序设计16

4.1.1主程序模块16

4.1.2自动取车模块16

4.1.3自动存车模块17

4.3小结18

第5章模拟仿真19

第6章总结21

致谢22

参考文献23

附录24

附录1电气原理图24

附录2元器件清单26

摘要

本文设计一个两层五列九车位的简易立体车库，主要对系统的机械结构、硬件元件、控制系统进行设计，采用升降横移的方法控制板车移动从而实现车辆的调动，使用逻辑可编程控制器（PLC）控制车辆存取。

在控制系统中，用西门子s700系列PLC作为控制核心，使用STEP7编写程序并采用模块化编程，程序中硬件软件结合，使得系统平稳运行。

最终我使用组态软件实现车辆的简单调动，达到了监测效果，证明了设计的可行性。

关键词：

立体车库，升降横移，可编程逻辑控制器

ABSTRACT

Thispaperdesignsathreelayerofthefivecolumnnineparkinggaragesimple,mainlytodesignthemechanicalstructure,hardwarecomponentsandsystemcontrolsystem,usingthemethodofliftingandtransferringcontroltorealizevehiclemobiledraytransfer,usingprogrammablelogiccontroller（PLC）controlofvehicleaccess.Inthecontrolsystem,theSIEMENSs700seriesPLCisusedasthecontrolcore,theprogramiswritteninSTEP7,andthemodularprogrammingisadopted.Thehardwareandsoftwareoftheprogramcombinetomakethesystemrunsmoothly.Finally,Iusetheconfigurationsoftwaretorealizethesimplemovementofthevehicle,andachievethemonitoringeffect,whichprovesthefeasibilityofthedesign.

Keywords:

Threedimensionalgarage,liftingandtraversing,programmablelogiccontroller

第1章绪论

随着我国城市经济的发展，人们普遍都拥有购买私家车的能力，与之而来的就是车辆停放问题，车库也是一个越来越贴近人们生活的话题。

随着各城市汽车数量增加，车辆在公共场合的停放问题日益突出，而普通车库占地面积大，不适宜大面积停车，立体车库的出现改善了这一问题。

1.1课题研究背景

传统意义的车库即地下车库或者街道旁边的车位、小区的简易停车位，无论是哪种都有一定的弊端，占地面积较大，停放不便，引起交通堵塞等不得不引起我们重视。

地下车库因为车辆停放在地下，停放取车都比较麻烦，且大量车主面临车辆过多抢不到车位的问题，出现车好买车位难买的问题。

街道或小区的车位，因停放占地面积大，给居民交通带来诸多不便，不利于车辆的管理等，又因为车辆停放在室外增加了财产安全问题。

车辆停放问题不仅在我国存在，在其他国家早就想到办法解决，立体车库在国外早就开发出来，上个世纪的美国日本等国家发明的立体车库方法来减少车辆停放占地问题，而我国的立体车库也有30多年的历史。

国外发展情况：

早在20世纪20年代美国就有了立体车库的开发及研究，由于车辆的不断增多，更多的立体车库设计出来，家庭用车可以建造简易车库用于车辆停放，市中心则建造大型停车塔停车楼等，公司企业利用广场地下建造大型车库。

我国立体车库的发展：

我国立体车库现在面临的问题是大部分技术引进自外国，没有自己的研究体系，急需突破，现有的立体车库造价较高，不适合大范围大面积的推广，只能在特定的地方发展实现，大部分人对此并不认识，对此没有一定的理解，难以推广。

立体停车库生产在中国是个新兴行业,从立体车库要在中国建制造业立体车库基地的角度来说,是一种世界竞争态势。

立体停车系统,特别是自动立体停车设备在国际上发展迅猛,在国内倍受青睐是因为比原有的老式停车库有着较多的优点。

就目前来看,立体停车库生产还处于起步阶段,汽车每年按到的速度增长,立体停车库在人多地少的国家和城市将大有用武之地。

立体停车库不仅可以缓解城市动静态交通问题,更可以改善居住环境,有效利用土地价值。

以城市建设与发展的角度来看,必须考虑其中一部分要立体化停放。

因此,全自动立体化停车将是今后停车建设的一个重要方向。

巨大的潜在市场为机械停车设备制造业的发展展示了美好的前景。

可以说,停车设备制造业将成为世纪最热门的行业之一。

在我国,要彻底解决社会停车难的问题需要加强三个方面的工作一是法律支持。

世界上很多国家都有停车法,而我国目前只有一些地方性法规和政策,还没有国家的停车法。

二是技术支持。

发达国家智能停车技术发展了几十年,我国智能停车技术还刚起步,存在很多不足,需要通过与国外厂商的合作,尽快提高整体水平。

三是资金支持。

智能停车产业的市场前景十分广阔,但往往面临建设资金不足,必须通过合作、合资。

1.2立体车库的分类

现有的立体车库有以下几种：

垂直循环式、升降横移式、简易升降式、平面移动式、垂直升降式、巷道堆垛式等。

升降横移式：

利用载车板配合机械结构完成的升降、横向移动的方法，适用于住宅小区、小型公司、立交桥下、大楼地下室。

此方法空间利用率较高，采用PLC控制的方法，自动化程度高，多种操作方式可以选择，操作简单；

垂直升降式：

占地面积，容车量大，操作简单，可以提供多车出口，等待时间短，智能化程度高；

垂直循环式：

采用载车板与机械结构结合的垂直方向的设备，节省空间，采用PLC自动调动车，一次按键即可完成存取车，方便快捷，操作简单；

简易升降式：

一个车位可以停两辆车，最适合多车型家庭使用，结构简单易拆卸，不需要地面的特殊结构，实用于工厂别墅等地方，可任意迁移，搬迁安装容易；

平面移动式：

各层车库的车分别操控，提高了车辆的存取速度，适合地下且空间较大的车库系统，各部分车辆出故障不影响其他部分系统，保险措施更为安全有效，通过计算机与人机界面共同操控，操作简单；

巷道堆叠式：

用巷道堆垛机或特定的起重机将汽车水平且垂直的移动至预定停车位或取出汽车的机械式停车设备，适用于大规模社会公共停车楼及地下停车场。

多层升降横移式立体车库是中小型车库的一种典型的机电一体化产品，与其他车库比较，它属于中低密度经济型停车库，规模可大可小，对场地的适应性比较强，多个板车移动，节省运行时间，工作效率高，此外，升降横移立体车库还有启动平稳、噪声小、安全可靠、同一层的车位独立移动等特点。

因此，我选择研究两层五列可存九车位的升降横移立体车库。

该立体车库的主要结构由三部分组成：

机械部分、电机驱动部分、控制管理部分。

机械部分：

有车架、升降结构和双向平移结构组成，这是车库的主架；电机驱动部分：

由多个电机组成，由电机带动平移机构和升降结构的运行，完成存取车过程；控制管理部分：

立体车库控制系统随着它采用的控制器的不同而不同。

1.3本论文要完成的工作

本文通过对国内外立体车库现状及发展趋势的研究，选择两层五列式立体车库结构为研究对象，以西门子S7-300可编程控制器作为主控制核心，操作人机界面配合机械结构完成对车辆的调动。

主要研究内容包括：

（1）升降横移立体车库存取车策略的研究；

（2）可编程逻辑控制器在立体车库中的研究与实现；

（3）利用组态软件MCGS实现立体车库控制系统的模拟仿真。

1.4小结

本章简单介绍本课题研究的背景，比较现有的几种立体车库的设计方法和特点，最终选取升降横移的方法。

第2章立体车库的控制方案设计

上一章介绍了立体车库的背景等，并选择了升降横移的方法。

这一章介绍了具体的控制要求、控制器的选择、硬件功能需求设计分析、软件功能需求设计分析。

2.1控制系统的硬件功能需求设计分析

由于此设计系统的结构是2层，每层5个车位，由于系统的机械结构，需留下一个位置升降，所以可停放车位只有9个。

要求车库可以停放的车辆为普通家用型小汽车，重量不可超过1.8吨，长度不超过4.3米，宽度不超过1.8米，高度不超过1.6米。

板车的材料需要承受汽车的重量，每个板车上安装光电开关，感应是否有车，并且通过指示灯显示。

板车下的电机需要达到适用要求的功率，升降和横移所需电机功率不同。

一层需要有轨道以便板车横向移动，二层需要有链条以便拉动板车升降。

每个车位都有限位开关，板车移动到该位置就停止。

而每个车位的电路通过转换开关控制，各部分分布操作，不互相干扰。

2.2控制系统的软件功能需求设计与分析

车库的控制分为手动控制和自动控制模块，系统的光电开关和指示灯始终处于工作状态，显示车位是否有车，若选择存车后，选择车位，若该车位有车，系统会显示无法操作。

手动控制即通过触摸屏上的按键操作选择存取车、车位以及板车的上下或左右移动；自动控制即选择存取车和车位之后，系统跳转进入子程序，如2-1号车位存车，该逻辑为：

1-1号板车没有在1-2号位置则右移至1-2号位置，1-2号板车没有在1-3号位置则右移至1-3号位置，1-3号板车没有在1-4号位置则右移至1-4号位置，1-4号板车没有在1-5号位置则右移至1-5号位置，1-1号位置空缺，2-1号板车下降，车辆停放完毕后2-1号板车复位。

2.3立体车库的控制要求

此次设计的是两层，每层5个车位的升降横移立体车库。

（1）一层可以直接出库，且主要是横向移动，一层只有4个可用位置，另一个空置；

（2）二层主要是升降，移动到一层再出库，二层可以有5个可用位置；

（3）每个车位都有一个板车，有电机带动滚动轮横向移动，升降由电机控制拉链带动；

（4）要实现取车和存车记录，取车时，只横向移动一层板车，空余所取车位置的下方，二层车辆下降即可；存车时，移动一层板车，空出目的位置下方位置，下降该板车即可；

（5）在取车或存车时，车辆的上下或左右移动只能单个进行，不能同时两个位置移动，否则会影响PLC运行，造成混乱；

（6）存车时，要有检测系统，知道哪个位置有无车辆，每个位置应有指示灯；

（7）要有限位，控制车辆移动到什么位置停下，每个位置都有上下限位，下限位即板车载车停留的位置，上限位即车辆高度不可超过的位置；

（8）有手动控制和自动控制。

2.4立体车库的控制器的选择

在PLC没出现之前，继电器、接触器控制在工业生产中占有主要地位。

随着社会的进步，科技的发展，继电器控制的漏洞也更加清晰，也就有了PLC的兴起，PLC控制逐步在工业生产中占据了主要地位。

2.4.1继电器控制的特点

继电器控制采用硬接线逻辑，利用继电器的工件需要大量的机械触电，而随着工件的使用发现了许多继电器的缺点：

一旦系统构成后，功能固定，修改十分不便；因为继电器的寿命有限，维修问题十分困难，需要浪费大量的人力物力，调试更改十分麻烦；体积大，功能有限。

2.4.2单片机控制的特点

由于目前国内市场上的单片机种类较多，选择一个功能准确、性能良好的单片机比较麻烦，而单片机由于各个元件之间存在干扰问题，会导致系统参数的不稳定性，从而影响最终功能。

因为单片机外围元件也存在干扰问题，会导致系统参数的不真实与不可控制，最终严重影响调试。

基于单片机的设计方案是根据一定的功能来设计的，如果需要增加或删除单片机的功能，需要重新设计，从而增加了开发的周期和成本。

2.4.3PLC控制的特点

PLC是根据其所需由厂家专门设计的，由于PLC可以有一定的备用模块，如果需要增加或改变其功能，直接修改程序然后导入即可，PLC的程序简单易懂，开发方便。

而且PLC内部有一定的诊断程序，在系统自己出错的时候可以自行停止，如果系统故障是由于程序的不合理导致的，在调试的时候很容易发现，而运行时，程序有一定的监测，也比较容易发现程序的不合理。

综上所述，我选择PLC控制来实现本次设计。

为提高车库控制的智能化，车库控制系统由触摸屏和PLC结合共同控制车库运行，利用PLC完成车的存取过程控制，触摸屏实现车的存取。

控制分为手动和半自动，手动控制是直接操作触摸屏实现点动控制；半自动控制是通过触摸屏选择车位和存车或取车，PLC实现其逻辑控制。

半自动控制为此次车库设计的主要运行方式，手动控制主要用于维修调试等状况。

2.4.4PLC的工作原理

PLC是采用顺序扫描，不断循环的方式进行工作的，即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令序号作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐步顺序执行用户程序，直至程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出信号的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期必经过输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

PLC的基本结构由输入输出接口、中央处理器等部分组成，其中中央处理器是核心，他不断釆取输入信息执行用户程序，刷新系统输出。

中央处理器与现场，设备与IO部件连接。

PLC的通信接口和的PLC编程器连接上位机。

整体式和模块式的区别在于：

模块式PLC各部件独立封装，通过总线连接安装在‘导轨机架上。

PLC硬件结构如下图所示：

图2-1PLC硬件结构

1.中央处理单元

中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成，通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口连接。

2.存储器

储存器包括系统储存器和用户储存器两种。

系统储存器用于存放的系统程序和用户程序。

3.IO模块

输入接口单元将按钮形成开关或传感器产生的信号，输入CPU。

输出接口单元将的输出信号转换成执行信号，控制接触器通断。

4.电源部件

PLC的电源作用是将220V的交流电转换成内部电路所需的直流电源。

电源内部设有整流、滤波、稳压电路。

大多使用抗干扰的幵关型稳压电源。

各个模块使用的是不同等级的直流电。

5.编程器

编程器是用来修改用户程序、输入用户程序、监控可编程控制器的操作。

调整内部寄存器的存储数据。

它的类型可分为图形编辑器和建议编程器。

6.其他接口电路

PLC还配置了一些其他的借口，目的是增强PLC的功能，如通信接口、IO扩展模块、智能IO接口。

7.PLC外部设备

PLC还有一些外部设备协助工作，包括打印机、编程器、、外存储器写入器等。

2.5小结

本章简单介绍了此升降横移立体车库的控制要求，比较了继电器、单片机和PLC控制的优缺点，最终选择PLC控制，简单介绍了系统硬件、软件上的设计需求。

第3章系统硬件设计

上一章介绍了立体车库的控制方案，硬件、软件设计需求分析。

本章具体介绍硬件系统的设计，包括PLC的型号，电机、指示灯、光电开关、行程开关和转换开关等的型号选择，以及系统机械结构的设计思路。

3.1机械机构简述

1.主体框架

升降横移式的立体车库主体框架我们一般选用钢架结构，它主要以钢筋混凝土为主，与其他建筑结构相比它具有如下特点：

（1）可靠性高，正规钢材在生产过程中的质量方面严格控制。

可以根据需求，不同的进行设计型号多种多样，所以被得到广泛运用；

（2）材料的可塑性和钢性好，钢材良好的可塑性和韧性能够任意铸造成相应的机械材料。

而且抗震能力强，在弯曲变形损坏时有明显的现象。

所以钢的实用性很强，能够避免重大事故发生；（3）材料的强度高，钢结构自重小与混凝土材料相比，钢结构降低基础造价便于运输安装，钢材料密度大、强度高、自重还比其他结构小，建设起来也比较方便，建设费用也不高，所以应用广泛；（4）钢结构工业化程度高，施工难度低钢结构是工程结构中工业化程度最高的一种，它一般在专业工厂制造，产品精度高、生产效率高。

钢结构构件拼装简单，施工周期短，经济效益高，质量安全可靠，由于釆用螺栓连接，所以易于拆装改建。

结构主体主要釆用槽钢、钢板、角钢等型材制造，具有美观、轻巧的优势，所以被得到广泛的运用，如图3-1所示。

图3-1立体车库简易示例图

2.载车板

载车板的结构形式有框架式和平板式两种，作用是停放车辆。

框架式载车板

的优点是可以按需要进行宽度设置，并且具有良好的导入功能，适合小批量生产。

拼板式载车板又称波浪板，优点是外观轻巧美观，并在拼装前可以处理表面，

由于它成本低、安装方便、还无需定制所以应用广泛。

本设计就选用的拼接式载

车板，如图3-2所示。

图3-2载车板模型

板车长度稍长于汽车的长度，二层的板车前后端具有伸缩结构，如板车位于二层，它处于最长状态，若板车需要升降，前后端可短距离伸缩，使其脱离轨道的卡槽，由链条拉动，电机控制其升降。

每个板车都需要4根链条，左边的两条固定不动，右边的两条缠绕在电机上。

二层每块载车板上都有一个自己独立的电机与链条组合的传动系统。

电机正转，载车板上升；电机反转，载车板下降。

根据载车板及车重确定链条所需要的传动力，根据链条所需要的传动力和载车板的移动速度可以进行电机功率的选择，根据所设计允许进入车的车身高度确定上下载车板之间的距离，再根据这个距离确定链条的长度，最后根据链条的长度确定链轮的大小，链条形状及大小，如图3-2所示。

图3.3提升机构

由于一层的载车板不需要链条，在考虑经济的情况下，一层的板车可以比二层的板车稍短一点，每个载车板下边都有一个独立的电机，一层的载车板底部装4个钢轮，可以自由的在导轨上移动。

根据载车板及车的重量、滚动速度、滚轮与导轨间的摩擦系数作为电机的驱动功率。

一层板车的下边要预留50cm左右的间隙，以便安装电机和检修。

一层的板车高度和地面平齐，以方便车直接进入，如图3-4所示。

图3-4横移机构

3.2元器件选择

3.2.1光电开关

判断每个板车上是否有车通过光电开关来实现，在本次设计中使用红外对射式光电开关，在载车板的对角安装，当有车时，车阻挡了红外信号的接收，关电开关没有输出。

根据车辆情况我们选择最大距离为5米的NPN常开型红外对射式光电开关，型号为E3F-5DA1，如图3-5所示。

图3-5光电开关

3.2.2行程开关

又称限位开关,可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物） 上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。

适用于操动机构交流电压380V、直流220V，发热电流为5A的控制电路中。

根据要求我们选择型号为D4N-212G的限位开关，信息选择常开，如图3-6所示。

图3-6行程开关

3.2.3转换开关

主要用于交流50Hz，额定电压至380V及以下，直流额定电压至220V及以下的电路中作接通、分段和转换电路之用，也可直接控制小容量电动机和作主控制之用。

3.2.4按钮和指示灯

按钮主要用于交流50Hz-60Hz工作电压至380V和直流工作电压至220V的控制电路中，作控制、信号、连锁之用。

指示灯：

AD16系列指示灯均采用LED发光芯片为光源，灯罩采用高强度聚碳酸脂制成具有良好的抗冲击性，寿命可达到5万～10万小时，能耗低、体积小、重量轻。

3.2.5电机的选择

对于此次设计：

一层的四个板车各安置一个电机，需要控制板车的左右移动；二层的五个板车也各安置一个电机，需要在特定时候控制板车升降。

（1）二层板车的电机的选择

二层的电机可以选择YZ系列，YZ系列为鼠笼型异步电机，具有很大的启动转矩和过载能力，能够进行频繁的启动，转差率也比较高，而且具有良好的防护特性。

它适用于短时间或断续运转、启动、制动频繁、有时过载以及有过强震动的一般起重设备。

对于板车来说，它大部分时间都是出于静止状态，只有在升降过程中电机才会动作，所以适合采用YZ系列的电机。

由于底部板车大约重370kg，小车重量大约在1.3-1.8t之间，载车板升降移动速度V=4m/min，而一般电机的效率为0.75。

功率：

P＝1.732×U×I×cosφ

功率因数：

cosφ=P/S=P/[（P2+Q2）^（1/2）]

转速：

n=60f/p

计算可得，选用YZ132M1-6型号的电机，功率为2.2KW，满载转速为1470r/min,堵转电流倍数4.74，额定电压380V，堵转转速倍数3.11，效率75%，功率因素0.77，电气原理图如图3-7所示，详见附录。

图3-7垂直控制电机原理图

（2）一层板车电机的选择

由于取车载车板横向移动所需克服的荷载不像升降电机那么大，因此在这里选择小功率的异步电机即可。

小功率的异步电机具有结构简单，造价低廉，噪声低，运行安全可靠，对无线电干扰小等特点，是广泛应用的驱动动力。

由于底部载车板大约重300kg，小汽车的重量大约在1.3-1.8t之间，滚轮与导轨之间的摩擦系数f=0.005，载车板横向移动速度V=10m/min，链传动效率为0.96，电机的效率为0.6，通过计算可知，选用YS系列三项异步电机，型号为YS6324，功率为0.55KW，满载转速为1390r/min,额定电流为0.64A，额定电压380V,效率64%，频率50Hz，功率因素0.66，电气原理图如图3-8所示，详见附录。

。

图3-8水平控制电机原理图

3.3人机界面设计

人机界面，使用西门子公司的EB8000软件进行设计绘制，如图3-6所示，人们只需要在这个屏幕选择存取车，然后选择车位即可，而其余的键位是为了调试的时候方便，即可以手动选择车位号，手动让板车上下或右移动。

=

图3-6人机界面

3.4IO表

根据设计需要，每一个车位都需要检测是否有车，I0.0-I1.0为所有车位检测输入信号