基于PLC升降横移式立体车库控制系统设计毕业论文.docx
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基于PLC升降横移式立体车库控制系统设计毕业论文
目录
第1章绪论 1
1.1自动化立体车库的发展与现状简介 1
1.2研究自动化体力车库的意义 3
1.3自动化立体车库的技术分类及其特点 4
第2章PLC的基础知识 5
2.1PLC简介 5
2.1.1PLC的产生 5
2.1.2PLC的定义 6
2.1.3PLC的种类 6
2.2PLC的特点 8
2.3PLC的组成及工作原理 10
2.3.1PLC的组成 10
2.3.2PLC的工作原理 17
2.4PLC的编程语言 19
2.4.1梯形图语言（LD） 19
2.4.2指令表语言（IL） 19
2.4.3功能模块图语言（FBD） 20
2.4.4顺序功能流程图语言（SFC） 20
2.4.5结构化文本语言（ST） 20
第3章立体车库硬件设计 22
3.1硬件器件简介 22
3.1.1松下FP1型PLC 22
3.1.2传感器（BEN5M-MDT） 22
3.1.3行程开关（YKXX1-111（T）） 23
3.1.4转换开关（YKXH28） 23
3.1.5按钮（YKXY6） 23
3.1.6指示灯（AD16-16DS） 23
3.1.7升降电机 24
3.1.8横移电机 24
3.2硬件设计 24
3.2.1升降横移立体车库简介 24
3.2.2车库外观图设计 25
3.2.3PLC原理图设计 25
3.2.4控制面板设计 27
第4章PLC控制系统软件设计 29
4.1PLC型号的选择 29
4.1.1I/O点数的确定 29
4.1.2选定PLC 29
4.1.3控制系统I/O地址分配 29
4.2PLC控制程序设计 32
4.2.1控制程序流程图 32
4.2.2闸门控制程序 32
4.2.3指示灯控制程序 35
第5章结论 38
参考文献 39
附录A立体车库运行梯形图 41
附录BI/O控制原理图 50
致谢 51
III
第1章绪论
1.1自动化立体车库的发展与现状简介
据现在所知道的立体车库最早建于1918年，位于美国的伊利诺斯州芝加哥市华盛顿西大街215号的一家旅馆的停车库。
立体车库的发展可以说有第一辆车的时候它就产生了，而在近一百年的时间里，它远不如汽车发展引人注目，不为人关注。
到现在为止仍然没有人把它严格的归为哪一类，但是它涉及多领域，多空间，比如我们经常能见到的物流仓库、建筑结构等。
立体车库是一种为减少占地面积，增加停车位而发明的一种车库，主要有升降横移式、垂直循环式、简易升降式、垂直升降式、平面移动式、巷道堆垛式等，升降横移式约占70%。
图1-1为国外立体车库：
图1-1自动化立体车库
随着经济发展，城市人口、车辆逐年增加，停车难就显现出来。
传统的二维平面停车场占用了大量宝贵土地资源，但是远远不能满足社会需求。
而先进的自动化立体车库是空间立体车库，它是以单层面的停车库为核心，通过微型计算机的控制来实现，即通过上位机对车库进行统一管理、监控与PLC控制进行车位空间位置变动，让车位能够从空间到平面的转化，来实现多层平面的停车功能。
自动化立体车库在世界各地的发展是不平衡的，德国开发的最早，所以技术较为领先，主要有二层面和多层面的立体车库，在这一系列中，已经有H型，U型还有Ｖ型。
由于日本国土面积小，机械化发展程度高，汽车拥有量惊人，所以最为广泛使用，自1959年引进机械化立体车库的建在技术以后，到1983年为止，总共建造了25454做各式的机械化立体车库，基本上每座车库能容纳十辆汽车之多，最多的能停上百辆汽车。
从1970到1980年起，机械车库容量每年递增大约为5%-7%，已经超过了同一时期汽车年增长率4%-6%，从技术上看，日本很重视升降式立体车库的发展。
1993年，日本在其首都东京举行的世界自动立体车库设备展览会取得了空前的成功。
图1-2为国外高容量立体车库。
图1-2国外高容量立体车库
自20世纪来，我国也相继举办了多场与停车设备有关的展览会，2006年的10月，举办了名为“2006国际停车设备和智能系统展览会”，取得了很好的效果，同时吸引了包括德国、日本、美国等世界上停车设备知名的制造商。
其立体车库的全自动性能以及容车能力、先进程度被世界各国广泛接受和认同。
种类繁多的停车设备，在做出决断前，一定要通过详尽的技术分析，细致的经济报告，尽最大可能利用一切有利因素，造出合理的车库。
总之，在现经济迅猛发展，土地资源日益紧的情况下，设计、生产以及使用这一设备是可行的、明智的选择。
因此立体车库的前景是无限广阔的。
1.2研究自动化体力车库的意义
截止2011年8月，我国汽车拥有量仅次于美国，位居世界第二，而且其每年以两位数的速度增长。
据统计2006年我国汽车销售量第一次超过日本，比同期增长超过25%，成为汽车第二大消费国。
2007也将以15%的速度增长，销售总量超过800万辆。
虽然我国人均汽车拥有量水平较为低下，但是随着经济增长，其提升幅度很大，“停车难”变成了随之而来的主要问题。
例如，位于我国沿海有东海之滨之称的市，位于中心地带的黄浦区，占地约4.16平方公里，在每天的停车高峰段，会有4000辆以上的轿车停放在这一区域，也就是说将近每一平方公里就要停放1000辆左右的轿车，而黄浦区是的黄金地段，商家林立，人口流动相当大，停车自然成了一个难题。
又如，随着市经济迅猛增长，人民生活水平不断提高，市民汽车拥有量也快速增长。
根据调查，戒指2012年12月25日，机动车拥有量为290647，意味着在即将到来的2013年，机动车将会突破30万辆，但是，停车却成了有意亟待解决的难题。
市的市民有这样回答记者：
“不买车后悔，可买了车更后悔。
”有些市民为了一个停车位竟然苦苦等了20多分钟，平均每12辆轿车才有一个停车位。
更让人担忧的是，市泊位缺口每年正以2000到3000的说量上升。
立体车库在这严峻的形势下应运而生，而大力推广它既能有效地缓解停车难的问题与城市道路空间狭小的矛盾，又能优化城市空间格局，配合市政建设，可以说百利而无一害。
图1-3为拥挤的车道。
图1-3马路变身停车场
1.3自动化立体车库的技术分类及其特点
根据车库的结构特征来分类，有平面式和立体式两种，平面式停车库的种类有：
地下平面式车库和地上平面式车库；立体式停车库主要有升降横移式、垂直循环式、简易升降式、垂直升降式、平面移动式、巷道堆垛式等。
立体停车系统，特别是立体车库在世界各地倍受青睐，其发展速度极其迅猛，其原因有：
a.高倍率的技术经济指标
立体车库不仅停车容量大，而且占地面积小，同时可以停放各种类型的车辆，由其是轿车。
同时资金投入却比同等容量的平面停车库少，施工周期短，占地面积也远远比平面停车库少。
b.外观同建筑协调，操作方便
立体停车库适合各种场所，例如：
商场、宾馆、办公楼前、旅游区。
在独具风格的老式建筑物前，采用优质的合金材料，用先进装饰材料，可以吸引人们的目光，是老式建筑不在单一，同时达到耳目一新的效果。
而且许多装置基本上无须专业人员操作，司机就能够独立完成。
c.超高的安全保障
在选材方面，立体车库一般选择塑性、韧性较高的钢材，这样避免超重引起的车库断裂或倒塌，同时塑性。
韧性较好的钢材都具有较高的吸能能力，可以提高抗震能力。
除此之外，立体车库还有完整的安全系统，如障碍物确认装置、紧急制动装置、防止突然落下装置、过载保护装置、漏电保护装置、车辆超长及超高检测装置等等，如果应用于公共场合，还可以配有计时装置，满足收费要求。
存取过程可由人工完成，也可以配备计算机设备全自动完成，这也给今后的开发设计留有大的空间。
第2章PLC的基础知识
2.1PLC简介
2.1.1PLC的产生
20世纪20年代左右，人们发明出来一种名为继电-接触器的控制系统，来控制各种机械设备，它是由继电器、定时器、接触器及其触点遵照一定逻辑关系连接而成。
其结构简单，可以满足一定围的控制要求，所以被广泛使用，并在工业控制领域中占领导地位。
20世纪60年代，在工业生产流水线中，基本上所有的自动控制系统都有传统的继电-接触器构成。
当时，汽车发展日新月异，这意味着每一次汽车的改型都会导致控制装置的重新设计和和安装，这样不仅费时，还浪费了大量的人力和物力，影响了汽车的更新。
为了改进这一现状，美国通用汽车（GM）公司希望找出一种方法，这种新方法可以减少重新设计所带来的种种不便，减少资源降低成本，缩短设计周期，并且可以将计算机的优点和继电器控制系统结合起来，形成一种通用的控制装置。
该装置有以下技术指标：
①编程简单，可在现场修改程序。
②维护方便，采用模拟化结构。
③可靠性高于继电-接触器控制装置。
④体积小于继电-接触器控制装置。
⑤成本可以与继电-接触器控制装置竞争。
⑥可将数据直接输入计算机。
⑦输入交流115V（美国标准系列电压值）。
⑧输入为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀、交流接触器、小功率电动机等。
⑨通用性强，能扩展。
⑩能存储程序，存储器容量至少能扩展到4KB。
2.1.2PLC的定义
PLC即可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），其以继电控制和计算机为基础，综合了控制技术、通信技术等现代科技，形成了一种全新的工业自动控制装置。
随着科学技术的发展，可编程逻辑控制器的功能也不断的强大，远远超出了逻辑控制的围，还具有了数据处理等功能。
于是，美国电器制造商协会（NationalElectronicManufactureAssociation,即NEMA）,将其命名为可编程控制器（ProgrammableController,即PC）。
国际电工委员会（IEC）对PLC定义如下：
PLC是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。
它采用可编程的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种机械或生产过程。
2.1.3PLC的种类
到目前为止，PLC有较多的种类，规格性能也不一样，尤其在功能、外形、控制规模、存容量等方面存在着较大的差异，而且没有统一的分类标准。
通常通过以控制规模、结构形式、功能为参照进行分类。
1.按控制规模进行分类
为了适应各种工业生产要求，PLC能够处理的I/O（输入/输出）信号数是不一样的。
我们一般定义一个信号为一个点，把输入点和输出点个数综合称之为PLC的I/O总点数。
根据I/O总点数的多少将PLC分之为小型机、中型机和大型机。
（1）小型机
PLC的I/O总点数少于256的称为小型机，如S7-200系列PLC。
小型PLC用于替代传统的继电-接触器控制，在生产使用过程中，可以执行各种应用指令。
I/O总数少于或等于64的PLC称为微型PLC。
（2）中型机
I/O总数在256～1024的PLC称为中型机，例如S7-300系列PLC。
中型PLC采用模块化结构，根据工业需要，可以将相应的具有特殊功能的模块组合在一起，它能执行具有强的功能，例如：
数字计算、PID调节、查表等，同时相应的辅助功能也增加，应用围更广，功能更强，扫描速度更快，适用于各种复杂环境。
（3）大型机
I/O总数在1024以上的称为大型机，例如S7-400系列PLC，其中I/O口总数超过8192的PLC称为超大型机。
大型机轿中小型机而言，具有更多的功能，包含逻辑和数字计算、联网通信、打印、记录、模拟调节、监视、远程控制、中断控制及智能控制等。
目前相当大一部分大型机使用32位处理器，多CPU并行工作，存储容量更大，扫描更快。
2.按结构形式进行分类
随着电子产品的日益更新，PLC的发展也很快，目前，全世界共有几百个PLC生产厂家，有几千种不同型号。
为了方便现场安装，便于扩展，方便接线，PLC与普通计算机在结构方面有很大的区别。
更具硬件结构，可将PLC氛围以下三类。
（1）整体式PLC
将电源、I/O口、CPU等部件集中配置装在一个箱体，形成一个整体,这样的PLC称为整体式PLC。
这样的PLC体积小、结构紧凑、价格便宜、重量轻、安装方便等特点，但是主机I/O固定，不方便拓展，因此不太灵活。
一般采用这种结构的是小型或超小型PLC。
（2）模块式PLC
模块式结构PLC又称为积木式结构PLC，它是将PLC各组成部分以独立模块的形式分开，如CPU模块、电源模块、输出模块、输入模块，有各种功能模块。
模块式PLC由框架或基板和各种模块组成，将模块插入在带有插槽的基板上，组装在一个机架。
采用这种结构的PLC配置灵活、装配方便、便于扩展和维修。
中大型PLC一般采用模块式结构。
（3）混合式PLC
混合式结构PLC是将整体式的结构紧凑、体积小、安装方便和模块式的配置灵活、装配方便等优点结合起来的一种新型结构PLC。
例如S7-200系列的PLC，它由西门子公司生产，就采用了这种小型模式，S7-300系列就是采用了这种模式的中型PLC。
3.按功能进行分类
根据PLC的功能强弱，可将PLC分为低、中、高三档。
（1）抵挡PLC
抵挡PLC具有基本控制和一般逻辑运算、计时、计数等基本功能，有的还具有少量模拟量I/O、算数运算、数据传送和比较、通信等功能。
这类PLC只适合于小规模的简单控制，在联网中一般作为从机使用。
（2）中档PLC
中档PLC有较强的控制功能和运算能力，它不仅能完成一般的逻辑运算，也能完成比较复杂的三角函数、指数和PID运算，工作速度比较快，能控制多个I/O模块。
中档PLC可完成小型和较大规模的控制任务，在联网中不仅可作从机，也可作主机，如S7-300就属于中档PLC。
（3）高档PLC
高档PLC有强大的控制运算和运算能力，不仅能完成逻辑运算、三角函数、指数PID运算，还能进行复杂的矩阵运算、制表和表格传送操作。
高档PLC可完成中型和大规模的控制任务，在联网中一般坐主机，如S7-400系列。
2.2PLC的特点
PLC发展能如此迅速，除了工业自动化的客观需求外，还因为其许多独特的有点。
它能较好地解决工业控制领域中用户普遍关心的可靠、安全、灵活、方便经济等问题。
它具有以下主要特点：
1.可靠性高，抗干扰能力强
继电-接触器控制系统使用大量的机械触点，连接西路比较复杂，且触点通断时有可能产生电弧和机械磨损，影响寿命，可靠性差。
PLC中采用现代大规模集成电路，比机械触点继电器的可靠性要高。
在硬件和软件设计中都采用了先进技术以提高可靠性和抗干扰能力。
比如，用软件替代传统的继电-接触器控制系统中的中间继电器盒时间继电器，只剩下少量的I/O硬件，接触点因接触不良造成的故障大大减少，提高了可靠性；所有I/O接口电路都采用光隔离，使工业现场的外电路与PLC部电路进行电气隔离；增加自诊断、纠错等功能，使其在恶劣工业现场的可靠性、抗干扰能力提高了。
2.灵活性好，扩展性强
继电-接触器控制系统有继电器等低压电器采用硬件接线实现，连接线路比较繁杂，而且每个继电器的触点数目有限，当控制系统功能改变时，需改变线路的连线，所以继电-接触器控制系统的灵活性、扩展性差；而由PLC构成的控制系统，只需要在PLC的端子上接入相应的控制线即可，减少了接线，当控制系统功能改变时，有事只需编程器在线或离线修改程序，就能实现其控制要求。
PLC部有现成大量的编程元件，能进行逻辑判断、数据处理、PID调节和数据通信功能，可以实现非常复杂的控制功能，若元件不够时，只需加上相应的扩展单元即可，因此PLC控制系统的灵活性好，扩展能力强。
3.控制速度快，稳定性强
继电-接触器控制系统是依靠触点的机械动作来实现控制的，其触点的动断速度一般在几十毫秒，影响控制速度，有时还会出现抖动现象。
PLC控制系统由程序指令控制半导体电路来实现，响应速度快，一般执行一条用户指令只需几微秒，PLC部有严格的同步，不会出现抖动现象。
4.延时调整方便，精度较高
继电-接触器控制系统的延时控制是通过时间继电器来完成的，而时间继电器的延时调整不方便，而易受环境温度和湿度影响，延时精度不高。
PLC控制系统的延时是通过部时间元件来完成的，不受环境温度和湿度的影响，定时元件的延时时间只需要改变定时参数即可调整，因此其定时精度较高。
5.系统设计安装快，维修方便
继电-接触器实现一项控制工程，其设计、施工、调试、必须与此进行，周期长，维修比较麻烦。
PLC使用软件编程取代继电-控制器中的硬件接线而实现相应功能，是安装接线工作量减少，现场施工与控制程序的设计还可以同时进行，周期短、调试快。
PLC具有完善的自诊断、数据存储及监视功能，对于其部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示，若控制系统有故障时，工作人员通过它即可迅速查出故障原因，及时排除故障。
2.3PLC的组成及工作原理
2.3.1PLC的组成
用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行I/O交换，并将这个变换予以物理实现。
I/O变换、物理变换是PLC实施控制的两个基本点。
而I/O变换实际上是信息处理，信息处理通常采用计算机技术。
物理实现要求PLC的输入应当排除干扰信号适应于工业现场。
输出应放大到工业控制水平，能为实现控制系统方便使用。
而通用计算机只考虑信息本身，别的不多考虑。
因此PLC是微型计算机技术与机电控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心，用于电气控制的特殊计算机，它采用典型计算机结构，主要由中央处理器（CPU）、存储器、I/O口、电源、通信接口、扩展接口等单元组成，这些单元部件都是通过部总线进行连接的，如图所示2-1和2-2所示。
输
入
接
口
输出接口
I/O
数据存储器
中
央
处
理
器
单
元
存
储
器
地址总线 控制总线
开关或传感器
继电器接点 照明
行程开关 电磁装置
电动机
模拟量输入 其他执行装
编程单元
置或接触器
地址总线
控制总线
数据总线
图2-1PLC的硬件系统结构图
1.CPU
PLC和CPU与一般的计算机控制系统一样，由运算器和控制器构成，是整个系统的核心，类似于人类的大脑和神经中枢。
它是PLC的运算、控制中心，用来实现逻辑和算术运算，并对全机进行控制，按PLC中系统程序赋予的功能，有条不紊地指挥PLC进行工作，主要完成以下任务。
①控制从编程器、上位计算机和其他外部设备键入的用户程序数据的接受和存储。
②用扫描方式通过输入单元接受现场输入信号，并存入指定的映像寄存器或数据寄存器。
③诊断电源和PLC部电路的工作故障和编程中的语法错误。
④PLC进入运行状态后，执行相应工作：
从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号去启闭控制电路，通俗讲就是执行用户程序，产生相应的控制信号；进行数据处理，分时、分渠到执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出寄存器的容，再由输入映像寄存器的容，实现输出控制、制表、打印、数据通信等。
其他接口
外存接口
EPROM
A/D、D/A
盒式存储器 计算机
ROM
RAM
其他设备
键盘与显示
中央处理器（CPU）
部存储器
输入接口光耦合
输出接口继电器或晶体管
输入接线端子输出接线端子
图2-2PLC逻辑结构图
2.存储器
PLC中的存储器与普通微机系统的存储器的结构类似，它由系统程序存储器和用户程序存储器等部分构成。
（1）系统程序存储器
系统程序存储器是用EPROM或EEPROM来存储厂家编写的系统程序。
系统程序是指控制和完成PLC各种功能的程序，相当于单片机的监控程序或微机的操作系统，在很大程度上它决定该系列PLC的性能与质量，用户无法更改或条用。
系统程序有系统管理程序、用户程序编辑和指令解释程序、标准子程序和调用管理程序这3种类型。
①系统管理程序：
由它决定系统的工作节拍，包括PLC运行管理（各种操作的时间分配安排）、存储空间管理（生成用户数据区）和系统自诊断管理（如电源、系统出错，程序语法、句法检验等）。
②用户程序编辑和指令解释程序：
编辑程序能将用户程序变为码形式以便于程序的修改调试，驾驶程序能将编程语言变为机器语言便于CPU的操作和运行。
③标准子程序和调用管理程序：
为了提高运行速度，在程序执行中某些信息处理（I/O处理）货特殊运算等都是通过标准子程序来完成的。
（2）用户程序存储器
用户程序存储器用来存放用户的应用程序和数据，它包括用户程序存储器（程序区）和用户数据存储器（数据区）两种。
程序存储器以存储用户程序，数据存储器用来存储输入、输出以及部接点和线圈的状态以及特殊功能要求的数据。
用户存储器的容有用户根据控制需要可读、可写、可任意修改和增删。
通常的用户存储器形式有高密度、低功耗的CMOSRAM、EPROM和EEOROM3种。
3.I/O单元
I/O单元又称为I/O模块，它是PLC与工业生产设备或工业过程连接的接口。
现场的输入信号，如按钮开关、行程开关、限位开关以及各种传感器输出的开关量或模拟量等，都要通过输入模块传送到PLC中。
由于这些信号电平各式各样，而PLC的CPU处理的信号只能是标准电平，所以输入模块还需要将这些信号转换成CPU能够接收和处理的数字信号。
输出模块的作用是接收CPU处理过的数字信号，并把它转换成现场的执行部件所能接受的控制信号，以驱动负载，如电磁阀、电动机、灯光显示等。
PLC提供了各种操作电平和驱动能力的I/O模块供用户选择，如数字量I/O模块、模拟量I/O模块。
这些模块又分为直流与交流、电压与电流等类型。
（1）数字量输入模块
数字量输入模块又称为开关量输入模块，它将工业现场的开关量信号转换为标准量信号传送给CPU，并保证信息的正确和控制器不受其干扰。
它一般是采用光电耦合电路与现场输入信号相连，这样可以防止使用环境中的强电干扰进入PLC。
光电耦合电路的核心是光电耦合器，其结构由发光二级管和光敏晶体管构成。
现场输入信号的电源可由用户提供，直流输入信号的电源也可由PLC自身提供。
数字量输入模块根据使用电源的不同分为直流输入（直流12V或24V）模块和交流输入（交流100～120V或200～240V）模块两种。
①直流输入模块
当外部检测开关接点接入的是直流电压时，需使用直流输入模块对信号进行检测。
下面以某一输入点的直流输入模块进行讲解。
直流输入模块的原理图如图2-3所示。
外部检测开关S的一端接外部直流电源（直流12V或24V），S的另一端与PLC的输入模块的一个信号输入端子相连，外部直流电源的另一端接PLC输入模块的公共端COM。
虚线框是PLC部输入电路，R1为限流电阻；R2和C构成滤波电路，抑制输入信号中的高频干扰；LED为发光二级管。
当S闭合后，直流电源经R1、R2、C的分压和滤波后形成3V左右的稳定电压给光敏电耦合器VLC，LED显示某一输入点是否有信号输入。
光电耦合器VLC另一侧的光敏晶体管接通，此时A点位高电平，部+5V电压经R3和滤波器形成适合CPU所需的标准信号送入部电路中。
S R1 +5V
交
内部电路
C R2 VLC
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