完整版应用电子技术专业毕业论文立体车库停车控制器的设计.docx
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完整版应用电子技术专业毕业论文立体车库停车控制器的设计
摘要1
Abstract2
引言3
1控制方案选择4
1.1国内现有控制方案简介4
1.2系统控制方案的构成4
2立体车库的结构与工作原理5
2.1立体车库的结构5
2.2立体车库的工作原理6
2.2.1存车控制过程6
2.2.2各组成部分的作用7
3硬件电路设计8
3.1主电路设计8
3.2PLC选型和接口电路设计9
3.2.1PLC选型9
3.2.2PLC接口电路设计9
4控制程序设计12
4.1程序流程图设计12
4.2模块程序设计12
4.2.1初始化模块程序设计12
4.2.2存车程序设计13
4.2.3取车程序设计13
4.2.4信息显示程序设计13
5系统联机调试17
5.1调试前的准备17
5.2调试步骤、调试内容与分析18
5.2.1载车电梯上行设计要求18
5.2.2载车电梯下行设计要求18
5.2.3系统调试19
5.3展望19
结论21
谢辞22
参考文献23
附件1：
主电路图24
附件2：
元器件清单25
附件3：
梯形图程序26
立体车库停车控制器的设计
信息工程学院应用电子技术专业
摘要：
本文以升降横移式立体车库为控制对象，在分析立体车库的结构特点和存车原理的基础上，设计了立体车库停车控制器。
重点完成了立体车库停车控制器的主电路设计、PLC选型和外部接口电路设计。
根据控制要求，进行了程序流程图和模块化程序设计，最后进行了模拟调试工作。
经过模拟实验表明：
所设计的停车控制器的控制性能已经达到了设计任务书的要求。
关键词：
立体车库停车控制器PLC
Three-DimensionalControllerDesign
forParkingGarage
（MajorofAppliedElectronicTechnology，InformationandEngineeringCollege，NiChenglong）
Abstract：
Inthispaper,aftertheanalysisofthecharacteristicsofthree-dimensionalstructureofthegarageandtheparkingprinciple,aparkingcontrollerofthree-dimensionalgarageisdesignedwithliftingandtransferringcontrolobjectforthree-dimensionalgarage-type.Itfocusesonthemaincircuitdesignofthecontroller,PLCselectionanddesignoftheexternalinterfacecircuitoftheparkinggarage.Underthecontrolrequirements,aprocessflowchartandmodularprogramaredesigned,andfinallytosimulatetheworkofdebugging.Thesimulationexperimentsshowthatthecontrolperformanceofthedesignedparkingcontrollerrequirementsofthetaskbook.
Keywords：
StereogarageparkingcontrollerPLC
引言
随着我国城市经济和汽车工业的迅速发展，拥有私家车的家庭越来越多，而与此相对应的是城市停车状况的尴尬。
停车问题是城市在发展过程中出现的静态交通（车辆停放状态）问题，静态交通是相对于动态交通（车辆行驶状态）而存在的一种交通形态，二者相互联系，互相影响，停车设施是城市静态交通的主要内容，随着城市的不断发展，各种车辆的不断增加，对停车设施的需求也在不断增加，如果两者之间失去平衡，城市里就会出现停车难的一系列问题,发展立体停车已成为人们的共识。
机械式立体车库既可以大面积使用，也可以见缝插针设置，还能与地面停车场、地下车库和停车楼组合实施，是解决城市停车难最有效的手段。
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（如21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。
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，明显提高车库的管理水平。
本课题采用的车库为一种垂直提升降方式，设计出多层升降横移式汽车泊位控制系统（本车库为9层），可存车9辆。
采用多层停放的立体车库使占地面积小，是中小型车库的一种典型机电一体化产品，由于占地面积小且动作灵活、易操作、造价低，因此是公司、大酒店、大商场、办公楼、居民住宅区及单位在建造立体停车库时的理想选择.能充分利用立体空间，较好地解决停车难的现状，为了适应生活的快节奏，减少立体车库的车辆存放时间，立体车库采用高度自动化新颖的机械模块试多层立体车库的PLC控制解决方法，对立体车库进行科学管理和操作简单。
1控制方案选择
1.1国内现有控制方案简介
我国机械式车库的早期研究开发工作是从80年代中期开始，90年代开始引进和生产停车设备，在北京、上海、广州、深圳等地都有使用。
参照日本等国标准制定的我国行业标准也于近几年出台，目前停车设备生产厂已发展到几百家，生产各种类型的停车设备，有些停车设备已开始出口。
图1-1所示是一种机械式立体车库。
机械式立体车库是一种具有综合性能的建筑，不仅包含了机械停车设备，其规划建设涉及到区域整体景观、交通疏导、建筑结构、供电照明、通讯监视、通风排水、环境保护、安全消防、收费管理等各学科领域，就停车设备本身而言，其机械结构的发展已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，把国外停车技术和各领域的成熟技术移植到我国停车产业，开发出安全、经济、高效、节能、省地的产品，满足国内外市场的需求。
图1-1升降横移式立体车库实物图
1.2系统控制方案的构成
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、圆形水平循环式等。
在对国内外各种同类产品进行分析的基础上，再结合造价、技术难度以及用户需求等各个方面的因素，可以发现升降横移式立体车库形式比较多，规模可大可小，而且对场地的适应性较强，同时采用这类设备的车库十分普遍。
因此，确定升降横移式立体车库作为本控制器的控制对象。
2立体车库的结构与工作原理
2.1立体车库的结构
图2-1十层升降横移式立体车库结构图
升降横移式立体车库是指利用载车板的升降或横向平移存取停放车辆的机械式停车设备。
升降横移式立体车库每个车位均有载车板，所需存取车辆的载车板通过升、降、横移运动完成地面层和车库层之间输送。
存车时，驾驶员只要将汽车开进电梯房，操作对应存车位的按钮，即可自动完成存车过程；取车时，只要操作所取车位的按钮，系统自动将汽车送到电梯的一层，驾驶员进入电梯将汽车开走，完成取车过程。
停泊在一层车位（地面层）的车只作横移，不必升降。
本立体车库控制器负责10层单列式车位的存取控制。
该立体车库主要由结构框架部分、载车板部分、横移系统、提升系统、控制系统、安全防护系统六大部分组成，如图2-1所示。
其中的控制系统就是本课程所要完成设计的任务。
2.2立体车库的工作原理
2.2.1存车控制过程
本立体车库停车控制器是为10层10车位的车库控制管理而设计的，每层均有1车位，如图2-2所示。
该车库的结构采用垂直提升和水平平移式结构。
垂直提升部分（吊笼）的结构采用卷筒、滑轮和钢丝绳进行升降。
整个结构包括横移电机和升降电机、钢丝绳、停车位框架、搬运器和横移导轨等组成。
图2-2存车操作示意图
该车库采用车主自行选位，利用横移机构和升降装置传送汽车到指定楼层，车库通过外部控制按钮操作来识别车位号。
假如车库4号停车位是空位，现要把车放到4号停车位上，车主在存车处操作4号车位按钮，再操作存车按钮即可，提升机的吊笼升至4层（如图2-2所示第①步），将车位板取出（如图2-2所示第④步），吊笼下降到一层（如图2-2所示第⑤步），打开车库门后，车主将汽车开进吊笼，吊笼上升到四层，然后由横移系统将托盘推入车位（如图2-2所示第②③步），吊笼回到一层。
至此，存车步骤完成。
数据库立即按当前车库的车位占用情况予以刷新。
同样另几层的存车过程也相同。
取车过程也类似，先操作取车位号和取车按钮，提升机的吊笼升至需操作的楼层，然后由横移系统将车辆从车位中取出，然后吊笼下降到底层，等司机将汽车开走后，吊笼再把车位板送回原位完成取车过程。
2.2.2各组成部分的作用
（1）上载车板及其提升系统（吊笼垂直移动）
每块上载车板都配有一套独立的电机减速与链传动组合的传动系统。
电机顺时针旋转时，载车板上升，电机逆时针旋转时，载车板下降。
根据载车板及车重确定链条所需的传动力。
根据传动力及载车板的移动速度确定电机功率。
根据车身高度确定上下载车板间的距离，根据这个距离确定链条的长度，最后根据传动力确定链轮大小，链节形状及大小。
（2）下载车板及其横移系统（载车板水平移动）
由于下载车板不需悬挂链条，所以为了节省材料，下载车板比上载车板要短。
每块下载车板后部都配有一套独立的电机减速传动系统，藏于载车板内。
在下载车板底部装有四只钢轮，可以在导轨上行走，其中两只为主动轮，装于长传动轴两端，另两只为独立安装的从动轮。
电机减速机驱动长传动轴运转，长传动轴上的主动钢轮在导轨上滚动行走从而使下载车板作横向平移运动。
根据载车板及车辆的重量、载车板行走速度、滚轮与导轨间的摩擦系数确定横移电机的驱动功率。
（3）安全装置
上载车板上装有上下行程极限开关和防坠落安全装置。
防坠落安全装置装在纵梁与上载车板上停位之间，在纵梁两测各装两只挂钩，上载车板两侧相应位置处各装两只耳环，当上载车板上升到位后，纵梁下面的四只挂钩便自动套入四只耳环内，以防止升降电机常闭制动器慢释放后，上载车板在汽车和载车板本身的重力作用下慢慢下滑，压坏下层汽车。
另外也防止制动器一旦失灵，上载车板从上停车位坠落，砸坏下层汽车。
下载车板的安全装置主要是行程极限开关和防碰撞板。
行程极限开关的作用是使载车板横移到位后自动停止。
（4）控制系统
升降横移式立体停车设备的控制系统采用PLC控制，主要控制从底层（一层）到第10层升降电机的正反转、横移电机和开关门电机的正反转。
3硬件电路设计
3.1主电路设计
立体车库控制系统的执行机构主要由提升机构、水平移动装置和开关门装置组成。
提升机构由锥型电动机M1、减速箱、钢丝卷铜等组成。
提升电动机M1通过减速箱拖动钢丝卷筒，电动机正转或者反转，拖动卷筒，可以使吊在钢丝绳上的吊笼上升或下降，实现吊笼提升和下放移动。
水平移动装置由电动机M2、减速箱、导轮和“工”字梁等组成。
平移电动机M2，经过圆柱型减速箱拖动导轮，平移电动机正转或者反转，借助导轮，下载车板可以在工字梁上来回移动，用机械撞块限制前后两个方向的移动行程。
开关门控制电机M3，实现吊笼门的自动打开与自动关闭控制。
图3-1立体车库控制器的主电路图
立体车库的电气控制主电路如图3-1所示。
其控制过程如下：
（1）提升和下放控制
当PLC控制使KM1吸合时，KM1主触头闭合，电磁制动器YB得电松闸，让提升电动机M1转动将上载车板提升。
当PLC控制使KM1释放时，KM1所有触头都断开，YB失电依靠弹簧的推力使制动器抱闸，使电动机M1和卷筒不能再转动。
要下放上载车板时，PLC控制使KM2得电吸合，其主触头闭合，YB得电松闸，电动机M1反转下放汽车。
到达第1层时，压合SQ1，PLC控制使KM2断电释放，主触头断开，YB失电抱闸。
SQ2～SQ10分别对应第2层～第10层的位置开关，当提升到目标位置时，会使KM1失电，YB抱闸，电动机M1停止。
（2）水平移动控制
M2为水平移动电动机，用来水平移动搬运车辆，由KM3、KM4进行正反转控制。
当KM3得电吸合，电动机M2正转，下载板沿工字梁向前作水平移动。
第1层～第10层的汽车在车库里的到位开关分别为SQ11～SQ20。
汽车停好后，会压合目标车库的位置开关，使KM3释放，电动机M2停止，下载板停止向前移动。
当PLC控制使KM4得电吸合时，电动机M2反转，下载板向后作水平移动，当汽车移出车库完全进入电梯后，压合位置开关SQ0，电动机M2停止，下载板停止移动。
（3）开关门控制
KM5得电闭合，M3正转关门；KM6得电闭合，M3反转开门。
3.2PLC选型和接口电路设计
3.2.1PLC选型
根据控制要求，输入PLC的信号有：
第1层～第10层吊笼位置开关信号10个，第1层～第10层车库汽车到位开关信号10个，吊笼上载板到位开关信号1个，第1层～第10层目标位置操作信号10个，存车指令信号1个，取车指令信号1个，关门指令信号1个，电梯关门到位信号1个，电梯开门到位信号1个，共有36个输入信号。
从PLC输出的控制信号有：
第1层～第10层车库有车指示信号10个，第1层～第10层操作目标指示信号10个，电梯上升指示信号1个，电梯下降指示信号1个，3台电机正反转控制信号6个，共有28个输出信号。
考虑到系统控制功能的扩展需要，输入输出点均留有一点的冗余度，综合各种因素在此选用主机为CPM2A-60CDR-A和8点继电器输出模块CPM1A-8ER。
3.2.2PLC接口电路设计
根据PLC的输入、输出信号的数量及特点，进行IO地址分配，见表3-1。
表3-1IO地址分配表
输入
输出
符号
地址
操作功能
符号
地址
操作功能
SB1～SB10
00001～00010
1层～10层
目标位置
HL1～HL10
01000～01007
01100～01101
1层～10层
有车指示
SB11
00000
存车按钮
HL11～HL20
01102～01107
01200～01203
1层～10层
目标指示
SB12
00011
取车按钮
HL21
01204
上升指示
SB13
00111
关门按钮
HL22
01205
下降指示
SQ1～SQ10
00101～00110
1层～10层
电梯位置
KM1、KM2
01300、01301
电机M1控制
SQ11～SQ20
00201～00210
1层～10层
车库停车到位
KM3、KM4
01302、01303
电机M2控制
SQ21
00211
车进电梯到位
KM5、KM6
01304、01305
电机M3控制
SQ22
00100
电梯关门到位
SQ23
00200
电梯开门到门
将表1所示的IO地址分配表进行细化，得到图3-2所示的PLC外部接口电路。
并且根据负载大小，进行了相关电器的选型，详见表3-2。
表3-2元器件清单
元件名称
符号
型号规格
数量
功能
可编程控制器
PLC
CPM2A-60CDR-A
1
系统控制
8点扩展模块
8ER
CPM1A-8ER
1
增加PLC的输出点数
隔离开关
QS
HZ15-633
1
线路主电源控制
断路器
QF1
1
PLC供电电源开关
熔断器
FU1
3
主线路短路保护
熔断器
FU2
RL1-156
2
PLC外部电路短路保护
接触器
KM1、KM2
2
提升与下降控制
接触器
KM3、KM4
2
水平移动控制
接触器
KM5、KM6
2
开门与关门控制
电磁制动器
YB
MZS1-15（吸力20kg）
1
升降运动抱闸制动
电动机
M1
ZD132-4（功率4.5kW）
1
升降电动机
电动机
M2
ZDY112-4（功率2.2kW）
1
前后水平移动电动机
电动机
M3
ZDY112-4（功率0.55kW）
1
开门与关门电动机
按钮
SB1～SB10
LA19-11
10
目标操作
按钮
SB11
LA19-11
1
电梯开门
按钮
SB12
LA19-11
1
电梯关门
位置开关
SQ1～SQ10
LX2-131
10
电梯楼层位置
位置开关
SQ11～SQ20
LX2-131
10
汽车在车库中到位
位置开关
SQ21
LX2-131
1
汽车在电梯中到位
位置开关
SQ22、SQ23
LX2-131
2
电梯门开或关到位
指示灯
HL1～HL10
AC220V3W
10
车库有车指示
指示灯
HL11～HL20
AC220V3W
10
操作目标指示
指示灯
HL21
AC220V3W
1
电梯上升指示
指示灯
HL22
AC220V3W
1
电梯下降指示
图3-2PLC外部接口电路
4控制程序设计
4.1程序流程图设计
图4-1程序流程图
根据存取车控制要求，首先扫描按键操作情况，然后再进行存车或取车操作，如果系统不停止（断电），则系统始终处于运行状态，设计的程序流程图如图4-1所示。
停车控制过程：
操作停车位号按钮和存车按钮，电梯上升到指定楼层，将车位板装上电梯，然后下降到一层并打开电梯门，驾驶员将汽车开到装车底板上，操作关门按钮，电梯关门并上升到指定楼层，将汽车推到指定位置，电梯自动回到底层，指示灯指示汽车所停的楼层号。
取车控制过程：
操作取车位号按钮和取车按钮，电梯自动上升到目标楼层，装上汽车，车位有车指示灯熄灭，然后电梯下降到一层，打开电梯门，驾驶员就可进入电梯开走汽车，然后电梯延时关门，将装车底板运回来的停车位置，电梯返回一层并且打开电梯门。
4.2模块程序设计
4.2.1初始化模块程序设计
将取车指令、存车指令、关门指令、目标地址、电梯当前位置等信息用PLC内部存储器保存起来，为存车处理和取车处理做好准备工作，设计的梯形图程序见图4-2。
4.2.2存车程序设计
操作存车位号按钮（SB1～SB10中任一个）和存车按钮SB11后，进行存车处理。
第1步，电梯上升到指定楼层；第2步，将车位板装上电梯，然后下降到一层，自动打开电梯门；第3步，驾驶员将汽车开到装车底板上，操作电梯关门按钮，电梯关门并上升到指定楼层，将汽车推到指定位置；第4步，电梯自动回到底层，有车指示灯指示汽车所停的楼层号。
根据存车处理分析和图4-1程序流程图的要求，设计的存车梯形图程序如图4-3所示。
4.2.3取车程序设计
操作取车位号按钮（SB1～SB10中任一个）和取车按钮SB12后，进行取车处理。
第1步，电梯上升到指定楼层；第2步，将汽车装上电梯，然后下降到一层，自动打开电梯门；第3步，驾驶员将汽车开走，电梯延时关门，上升到指定楼层，将装车板推回到原来的位置；第4步，电梯自动回到底层，对应楼层有车指示灯熄灭。
根据取车处理分析和图4-1程序流程图的要求，设计的取车梯形图程序如图4-4所示。
4.2.4信息显示程序设计
该系统有存车指示灯、目标指示灯、电梯上升指示灯和电梯下降指示灯，各个指示灯显示程序，如图4-5所示。
图4-2初始化模块程序
图4-3存车处理程序
图4-4取车处理程序
图4-5信息显示程序
5系统联机调试
5.1调试前的准备
PLC程序的调试方法有两种，一种是先将硬件电路搭建好，然后将编写好的程序输入到PLC中，并切换到“运行”模式下，通电后按动电路板上的按钮和开关，观察各指示灯的亮灭状态和接触器的通断状态，以此判断程序的好坏。
另一种是将PLC连接在微机上，并运行在CX-Programmer中的监视模式下进行调试。
前一种方法由于硬件电路中的故障会给程序的调试和诊断带来困难，所以一般不适合编写程序过程中的调试。
在此，笔者先采用第二种方法对程序进行调式和修改，整个程序基本确定以后，再用第一种方法进行系统调试。
由于两种方法的调试过程基本一致，因此，只介绍第二种调试方法。
5.2调试步骤、调试内容与分析
5.2.1载车电梯上行设计要求
（1）当立体车停于1层（1F）或2F、3F、4F、5F……10F呼叫，则上行到10层碰行程开关后停止；
（2）立体车停于1F或2F，3F呼叫时，则上行，到3F行程开关控制停止；
（3）立体车停于1F，2F呼叫，则上行，到2F行程开关控制停止；
（4）立体车停于1F，2F、3F同时呼叫，立体车上行到2F，车停好后，继续上行到4F停止；
（5）立体车停于1F，3F、4F9F同时呼叫，立体车上行到3F，车停好后，继续上行到9F停止；
（6）立体车停于1F，2F、4F9F同时呼叫，立体车上行到2F，车停好后，继续上行到9F停止；
（7）立体车停于1F，2F、3F、4F9F同时呼叫，立体车上行到2F，车停好后，继续上行到3F，车停好后，继续上行到9F停止；
（8）立体车停于2F，3F、4F9F同时呼叫，立体车上行到3F等车停好后，继续上行到9F停止。
5.2.2载车电梯下行设计要求
（1）立体车停于9F4F或3F或2F，1F呼叫，立体车下行到1F停止；
（2）立体车停于9F4F或3F，2F呼叫，立体车下行到2F停止；
（3）立体车停于9F4F，3F呼叫，立体车下行到3F停止；
（4）立体车停于9F4F，3F、2F同时呼叫，立体车下行到3F，等车移出，继续下行到2F停止；
（5）立体车停于9F4F，3F、2F同时呼叫，立体车下行到3F，等车移出，继续下行到1F停止；
（6）立体车停于9F4F，2F、1F同时呼叫，立体车下行到2F，等车移出，继续下行到1F停止；
（7）立体车停于9F4F，3F、2F1F同时呼叫，立体车下行到3F，等车移出，继续下行到2F，等车移出，继续下行到1F停止。
5.2.3系统调试
当按下存三楼按钮时SB3，线圈20003接通，01005接通（KM1得电，同时电机M1正转上升）。
按下三楼的平层开关SQ7，01005断开（KM1失电），同时YB磁抱闸断电（刹车闭合）；KM3得电，M2电机正转托盘前进。
按下前限位开关SQ2，KM3失电，电机M2停转，定时器TIM001开始定时，同时线圈（KM5得电，01101出电）电机M3得电，过3S后，定时器TIM001常开触点闭合，闭合同时（01100得电）M2电机反转托盘后退。
按下后限位开关SQ3，01006接通，KM2得电，M1反转下降，按下底层限位开关Q4，KM2失电，电机M1电机停转，M7刹车启动。
M4、M5、M6机正转开门，定时12S后，M4、M5、M6电机反转自动关门，记忆该存车位号。
磁抱闸得电断开（刹车断开），同时电机M1正转上升。
01005接通（KM1
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