基于PLC车库门毕业设计.docx
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基于PLC车库门毕业设计
RevisedonNovember25,2020
基于PLC车库门毕业设计
毕业设计（论文）
题目：
基于PLC的立体车库控制系统设计
所属系部：
电气与汽车工程学院
专业班级：
机电一体化114班
学生姓名：
李亚利
指导教师：
王月
2013年月日
中文摘要
随着汽车的日益增多，尤其是在人口密集的大都市，解决停车难的问题显得尤为迫切。
全自动立体车库作为智能建筑的一部分以其高效、快速、安全等特点成为解决都市停车难问题最有效的途径。
立体车库控制系统是实现车库安全、高效率运行的关键。
设计了立体车库分布式控制系统，开发了车库控制软件，并就其可靠性和控制策略、方法进行了研究，主要内容如下：
1．在分析立体车库运行特点的基础上，得出了立体车库的分级分布式控制的控制思路，设计了立体车库分布式控制系统。
2．结合车库系统的功能及运行特点，设计了各层的子控制器，设计了收费管理模式，确定了主机与子机之间的通讯过程和通讯协议。
3．对车库控制系统进行了逻辑分析，提出了确定车库系统可靠性的系统模型及计算方法并对整个系统进行了可靠性分析，确保了系统运行的可靠性。
4．根据车库车流的特点，对车库在不同控制策略下能耗及存取总时间进行了计算机数学仿真，并根据仿真结果对控制策略进行了优化。
5．设计实验仿真方案和控制策略仿真软件，离线及在线逻辑调试，并对存车过程进行了实验室。
本文设计了一种垂直提升平移式立体车库的自动控制系统，详细介绍了系统结构、工作原理、软件实现和四角平层控制方案，分析了系统的控制流程和PLC控制的梯形图。
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。
控制电路部分采用交流接触器传统方式，使运行安全可靠。
设计采用可分组合，模块式安装，方便灵活，具备维护使用方便，造价低等特点。
关键词：
立体车库可编程控制器组态监控
1引言
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。
我国也于90年代初开始研究开发机械立体停车设备，距今已将近二十年的历程。
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。
立体车库自动控制系统
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方向。
立体车库自动化控制系统主要包含以下五个子系统：
自动收费管理系统，自动存取车系统，远程诊断系统，自动道闸，监控安保系统。
以上子系统均由中央控制室统一控制，可为客户规划停车库管理形式，发布车库库存容量，控制车流方案。
（一）自动收费管理系统自动收费采用非接触式IC卡。
IC卡分长期卡与储值卡两种。
对固定用户，发行长期卡，费用可在固定用户交纳管理费用时一并交纳；对临时用户，发行储值卡，即：
用户交纳的费用存在卡内，每次停车读卡自动从卡中扣除费用。
（二）自动存取车系统自动存取车系统一般由小型可编程控制器PLC控制，包括卡号识别与移动载车盘两个过程。
用户进入车库时，在门口刷卡进入，读卡机自动把数据传送到PLC控制系统，PLC系统通过判断卡号，自动把对应的载车盘移动到人车交接的位置，开启车库门，缩短存取车的时间。
存车时，司机按照指示灯信号指引入库，只有当车辆停放在安全位置后，停车正常指示灯才会亮启。
存取车完成后，车库门自动关闭。
移动载车盘时，系统严格按照各种检测信号的状态进行移动，检测信号包括超长检测、到位检测、极限位置检测、人员误入检测、急停信号检测等。
若有载车盘运行不到位或车辆长度超出车库允许的长度，所有载车盘将不进行动作，若检测到急停信号，将停止一切动作，直至急停信号消失。
以上信号均为硬件信号，除此之外，还可从控制软件中设置保护信号，比如时间保护，以保证因硬件损坏而导致信号失灵时保证主体设备及车辆的安全。
（三）远程诊断系统现场控制器可以通过网卡、Hub等网络设备与控制中心的局域网相连接，可以通过MODEN实现远程管理，监测现场运行情况，当现场出现故障时，在控制中心即可进行解决，方便管理人员、安保人员异地办公。
（四）自动道闸在车库出入口处各设非接触式读卡器、感应线圈及道闸，用户在车库出入口处刷卡后，系统自动判别该卡是否有效，若有效，则道闸自动开启，通过感应线圈后，自动栅栏自动关闭；若无效，则道闸不开启，同时声光报警。
2.概述
2．1可编程控制器概述
可编程控制器的英文缩写使PC，容易同个人计算机混淆，因此通常都称其为PLC。
PLC是在继电器控制基础上以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的一种新型工业控制装置。
特别是由于PLC采用了依据继电器控制原理而开发的梯形图形作为程序设计语言，使得不熟悉计算机的机电设计人员和工人中的技师均能较快的掌握梯形图的编程方法，极大地促进了PLC在工业生产中的推广应用。
目前PLC基本替代了传统的继电器控制系统，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。
2．1．1PLC的产生
在PLC出现之前，工业生产中广泛使用的电气自动控制系统是继电器控制系统。
虽然继电器控制系统具有价格低廉、维护技术要求低的优点，但该系统的缺点也是很明显的：
继电器控制系统设备体积大，触点寿命低，可靠性差；对于比较复杂的控制系统来讲，维护不便，排除故障困难。
这种用硬件实现的控制程序，智能化程度很低，当产品更新、生产工艺和流程变化时，必须改变相应的器件和接线。
这种变动的工作量大，工期长，因而使得生产成本提高。
继电器控制系统只适用于工作模式固定、控制要求简单的场合。
现代社会制造工业竞争激烈，产品更新换代频繁，迫切需要一种新的更先进的“柔性”的控制系统来取代传统的继电器控制系统。
20世纪60年代，随着电子技术的发展，出现了晶体管和中小规模集成电路。
利用它们的开关特性来替代继电器等构成的逻辑控制系统，体积将更小，改变器件和接线的工作量也随之减少；更重要的特点是，由这些数字器件构成的开关是无触点的，因而可靠性就更高。
但是这种由中小规模集成电路控制的电气控制柜，其控制规模较小，输入/输出点数只有几十点，编程也不够灵活。
随着计算机技术开始用于工业控制领域，人们尝试用小型计算机取代继电器控制系统。
但是，由于小型计算机价格高昂，对恶劣的工业环境难以适应，其输入输出信号与被控电路不匹配，再加上控制编程的程序编制困难，不像现时的梯形图易于被操作人员掌握，这一“瓶颈”阻碍了其进一步发展和推广应用。
PLC的用途
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。
但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。
PLC的应用通常可分为五种类型：
（1）顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。
PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。
如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。
（2）运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。
在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。
每个轴移动时，
（3）闭环过程控制PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。
PID（ProportionalIntergralDerivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。
当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。
（4）数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。
着名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。
为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。
通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。
美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。
预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。
（5）通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。
作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。
PLC的特点
（1）抗干扰能力强，可靠性高
（2）控制系统结构简单、通用性强、应用灵活
（3）编程方便，易于使用
（4）PLC控制系统设计、安装、调试方便
（6）结构紧凑体积小、重量轻，易于实现机电一体化。
由于以上特点，使得PLC获得极为广泛的应用。
PLC的分类
1.按I/O点数容量分类
一般来说，PLC处理的I/O点数比较多，反映控制关系比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求PLC的指令及其他功能比较多，指令执行的过程比较快等。
按PLC的输入输出点数可将PLC分为三类。
公司的SLC500系列等整式PLC等产品。
（2）中型机中型机PLC的输入、输出总点数在256-2048点之间，用户程序存储器容量达到2-8K字。
中型机PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力，他的通信功能和模拟量处理能力更强大。
中型机的指令比小型机更丰富，适用于更复杂的逻辑控制系统以及连续生产过程控制场合。
典型的中型机有SIEMENS公司的S-300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列模块式PLC等产品。
（3）大型机大型机PLC的输入、输出总点数在2048点以上，用户程序存储器容量达到8-6K字。
大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当，他具有计算、控制和调节的功能，还具有很强的网络结构和通信联网能力。
他的监视采用CRT显示，能够表示过程动态流程，纪录各种曲线，PID调节参数选择图；他配备多种智能板，构成一个多功能系统。
这种系统还可以和其他型号的PLC互联，和上位机相连，组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统。
大型机适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。
典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400系列、OMRON公司的CVM1和CS1系列、SB公司的SLC5/05系列等产品。
上述划分没有严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，某些小型PLC也具备中型机和大型机的功能，这也是PLC的发展趋势。
2．按结构形式分类
按PLC物理结构形式的不同，可分为整体式（也称单元式）和组合式（也称模块式）两类。
（1）整体式结构整体式结构的PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、电源、通信端口、I/O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。
内外还有独立的I/O扩展单元等通过扩展电缆与主机上的扩展端口相连，以构成PLC不同配置与主机配合使用。
整体式结构的PLC结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。
小型机常用这种结构。
（2）组合式结构这种结构的PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能I/O单元，通信单元等分别做成相应的电路板和扩展模块。
组合式的特点是配置灵活，输入接点、输出接点的数量可以自由选择，各种功能模块可以依需要灵活配置。
大、中型PLC常用组合式结构。
PLC的基本结构及原理
1.PLC的系统结构
目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。
主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。
其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。
如图2所示，PLC控制系统由输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。
由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。
2.PLC的选型原则
当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。
一方面要选择多大容量的PLC,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。
对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。
控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际电数。
因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。
所以一旦它们是交流220V的负载负载使用。
则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。
这样有可能造成输出点浪费，增加成本。
所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。
一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。
对第二个问题，则有以下几个方面要考虑：
（1）功能方面所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。
如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。
这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。
（2）价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。
在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。
PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。
3．PLC系统设计
可编程序控制系统设计的基本原则
控制系统设计原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
（1）最大限度地满足被控对象的控制对象。
设计前，应深入现场进行调查研究，收集资料，并于机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟订电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
（2）在满足控制系统要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。
（3）保证控制系统的安全、可靠。
（4）考虑到生产的发展和工艺和改进，在选择PLC容量时，应适当留有裕量。
控制系统设计的一般步骤
（1）根据生产的工艺过程分析控制要求。
（2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。
（3）选择PLC系统。
（4）分配PLC饿I/O点，设计I/O连接图。
（5）进行PLC程序设计，同时可进行控制太的设计和现场施工。
程序设计的步骤
（1）对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程土，用以清楚地表明动作的顺序和条件。
（2）设计梯形图。
这程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。
（3）根据梯形图编制程序清单。
（4）用编程器将程序输入到PLC的用户存储器中，并检查输入的程序是否正确。
（5）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。
（6）待控制台及现场施工完成后，就可以进行联机调试。
若未满足要求，再从新修改程序或检查接线，直到满足为止。
（7）编写技术文件。
（8）交付使用。
控制系统设计步骤流程图如图4所示。
图4PLC控制系统设计步骤
4．三菱plc简介
三菱FX2N系列PLC的性能指标和分类
1）PLC的主要性能指标
●输入／输出点数（I／O点数）
I／O点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。
它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。
●存储容量
存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量，一般以步为单位，二进制16位即一个字为一步。
●扫描速度
一般以执行1000步指令所需时间来衡量，单位为ms/k步，也有以执行一步指令所需时间来计算的，单位用μs/步。
●功能扩展能力
可编程序控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如A／D模块、D／A模块、位置控制模块等。
●指令系统
指令系统是指一台可编程序控制器指令的总和，它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要指标。
2）PLC的分类
通常，PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。
按结构形式不同,可以分为整体式和模块式两类。
按控制规模大小、则可以分为小型、中型和大型PLC三种类型。
1.PLC系统的组成
PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似。
PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
1）PLC的硬件结构
一套PLC系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入／输出接口、内部电源）、I／O扩展单元及外部设备组成。
图2-1为PLC的硬件结构图。
图2-1PLC的硬件结构图
图2-2为三菱FX2N小型PLC产品主机示意图。
本课题中FX2N－48MR为基本单元，（24入、16出），M表示主机、R表示该单元为继电器输出型。
可编程序控制器的工作方式及编程语言
1.PLC的工作方式
1）
PLC的扫描工作方式
图2-3PLC的扫描过程
可编程序控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。
从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。
然后再从头开始扫描，并周而复始地重要进行。
可编程序控制器工作时的扫描过程如图2-3所示，包括五个阶段：
内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。
PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。
扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。
2）PLC的程序执行过程
PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段，如图2-4所示。
图2-4PLC的程序执行过程
3）PLC的扫描周期
在PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。
即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。
4）PLC的I／O响应时间
PLC采用集中I／O刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器区的内容也不会改变，还会影响本次循环的扫描结果。
输出信号的变化滞后于输入信号的变化，这产生了PLC的输入输出响应滞后现象，最大滞后时间为2-3个扫描周期。
5．触摸屏介绍
GOT——图形操作终端设备，即以前用操作面板进行的开关操作，灯显示，数据显示，信息显示全部用监控画面替代。
触摸屏的功能
监控PLC系统的运行过程：
1）将制作的画面传输到GOT中；
2）GOT与PLC连接进行监控：
传输装置-变行-透明传输功能（电脑与PLC直接连接，无需直线）
三菱GOT系列
GT10——超小型机；GT11、GT12——基本功能；GT15、GT16——定位高性能机
触摸屏的特点
1）色彩鲜明的画面
2）标配USB接口
3）支持各种连接形式
4）丰富的画面显示
5）透明传输系统
6）多国语言
7）一对多连接功能（可最多同时连接4个通道，最多可以监控4个FA设备，即PLC、伺服放大器、变频器）
系统设置
1）通信设置
2）GOT写入（写入数据，初次使用GOT时，先写入boots写入模式：
选择写入数据，TureType数字字体：
黑体）
3）GOT的读取
6.双层立体车库功能介绍
立体车库系统组成
系统主要由：
PLC、组态监控部分、电气传动部分、检测部分、手动控制部分、支架模型
系统图见：
图
PLC核心控制部分
系统核心部分采用三菱FX2N-48MR为控制元件，它是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程控制器。
它的基本指令执行时间高达，远远超过了很多大型可编程控制器。
它功能强大实用，价格便宜，工作稳定可靠，24点输入，16点输出，采用继电器输出形式，可驱动交直流负载，负载电流在2A左右。
220VAC供电。
并且输入端内部自带24V直流电源，还可为负载提供直流电源。
立体车库控制要求
本系统通过检测车位运行状态和其它参数，控制电机轮流工作，合理调度电机运行。
系统通过计算机以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态以及车位位置等参数，并通过PLC通讯模块与监测监控主机实现数据交换，该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点。
如图
图
①１号车位、2号车位、3号车位只能上下移动，不能左右移动；
②4号车位、5号车位只能左右移动，不能上下移动；
③下排车位上的汽车可以直接开出；
④上排车位的汽车，要想开出需要先按下相应车位标号呼叫按键，再按下叫车按键，然后下排车位先左右移动，让出位置，上排车位降至下层，再进出车辆。
7.立体车库系统设计
PLC选择
本系统采用三菱公司的型号为FX2N-48MR的PLC,是一种具有结构紧凑、抗干扰能力强、使用方便、同类产品价格便宜等优点。
随着电子科技发展及产业应用之需要，PLC的功能也日益强大，例如位置控制及网络功能等。
I/O口分配
针对本课题要求，我们规定了PLC输入点分配。
其中，X0到X2为呼叫开关；X3到X6为功能开关；X10至X20为限位开关。
1号车位上限开关
X10
3号车位下限开关
X20
2号车位上限开关
X11
1号车位呼叫开关
X0
3号车位上限开关
X12
2号车位呼叫开关
X1
4号车位上限开关
X13
3号车位呼叫开关
X2
5号车位上限开关
X14
复位开关
X3
6号车位上限开关
X15
叫车开关
X4
1号车位下限开关
X16
停止开关
X6
2号车位下限开关
X17
关于输出点的定义，它们两两成对，构成控制交流接触器吸合条件。
1号车平台上升
Y0
1号车平台下降
Y1
2号车平台上升
Y2
2号车平台下降
Y3
3号车平台上升
Y4
3号车平台下降
Y5
4号车平台左移
Y6
4号车平台右移
Y7
5号车平台左移
Y10
5号车平台右移
Y11
PLC外部接线端口图
系统外部接线如图：
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