自动立体车库PLC控制系统设计

摘 要 立体车库是专门实现各种车辆的自动停放及科学寄存的仓储设施。随着城市 里面汽车数 量的不断增加，停车 困 难 的问题己经成为大中型城市的 普遍现象。 自动立体化 立体车库可充分利用上地资源，发挥空间优势，最大限度地停放车辆，成为解决城市 停车困难问题的重要途径。本课题以最 为典型的升降横移式立 体车库为研究对象，综合考虑立体车库制造成本和运行效率等因素进行设计。 本文在对国内外车库现状及发展趋势做了充分调研的基础上，选择三层十车位式自动立体车库结构为研究模型。升降横移式立体车库就其组成部分而言，可分为三大部分：车库结构部 分、传动机构部分和控制系统部分。本文简单介绍了车库的主体结构特点和传动机构部分。在对升降横移式立体车库控制系统的设计中，采用了先进的 PLC控制，运用西门子公司的编程软件编制了升降横移式立体车库控制系统的程序，并经调试、运行，证明采用可编程序控制器 (PLC)作为控制系统简单易行。其稳定、可靠、快速、性价比高的特点使得控制系统非常完美。为了使停车设备满足使用要求，根据国家关于机械式停车设备通用安全要求的标准、升降横移式立体车库的实际，在升降横移式立体车库中使用了一些必要的安全技术，这样保证了车辆的绝对安全，使得 整个车库可以安全平稳的运行。 关键词： 自动立体车库；控制系统； 可编程序控制器。 Abstract Stereo garage is specifically implement check of vehicles automatic parking and scientific storage facilities. With the increasing of urban car ownership, parking problem has become a common phenomenon of large and medium-sized cities. Mechanical stereo garage can make full use of land resources, give full play to the advantage of the play maximum parking vehicles becoming the important way to slow the problem of urban static traffic. This topic was typical to lift move transversely type parking equipment as the research object, considering the three-dimensional garage dual factors of manufacturing cost and operation efficiency. In the garage at home and abroad present situation and the development trend on the basis of investigation and choose three layers of ten parking type automatic stereoscopic garage structure as the research model. Lifting and moving type stereo garage in terms of their component parts, can be divided into three parts: the garage structural parts, transmission parts and control system. This article simply introduces the main structural characteristics and transmission mechanism parts of the garage. In three-dimensional garage for lifting and moving the design of control system, adopt advanced PLC control, using Siemens programming software of the control system of three-dimensional garage for lifting and moving type, and the debugging and running, prove that using programmable controller (PLC) as control system is simple. Its stable, reliable, rapid, cost-effective features makes the control system very perfect. In order to make the parking equipment meets the requirement, according to the state of mechanical parking equipment general safety standards, lift the lateral movement type parking equipment and actual using some necessary safety technology in the lift move transversely, so that ensures the complete safety of the vehicle, make the whole garage can be safe and smooth operation. Keywords： automatic stereoscopic garage； control system； PLC. V 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 自动立体车库的研究现状及发展趋势 . 1 1.1.1 自动立体车库的研究现状 . 1 1.1.2 自动立体车库的发展趋势 . 1 1.2 课题设计的目的和意义 . 2 1.3 课题设计的内容 . 2 1.4 自动立体车库的定义与简介 . 2 1.5 动立体车库的结构及组成部件 . 5 2 总体方案设计 . 7 2.1 整体方案设计 . 7 2.1.1 确定自动立体车库的架构 . 7 2.1.2 三层十车位升降横溢式自动立体车库工作原理 . 7 2.1.3 整体设计方案 . 8 2.2 控制方式选择 . 8 2.3 自动立体车库 PLC 控制系统的基本结构 . 8 3 可编程控制器概述 . 9 3.1 可编程控制器的产生及发展 . 9 3.2 可编程控制器的定义及特点 . 9 3.3 可编程控制器的结构 . 11 3.4 可编程控制器的组成及其工作原理 . 12 3.4.1 可编程控制器的组成 . 12 3.4.2 可编程控制器的工作原理 . 14 4 自动立体车库控制系统的硬件设计 . 15 4.1 控制系统总体架构 . 15 4.2 自动立体车库 控制系统设计分析 . 15 4.3 输入输出点分配 . 16 4.4 载车板的参数 . 19 4.5 电机的选择 . 19 4.5.1 升级电机的选择： . 19 4.5.2 横移电机的选择 . 19 4.6 自动立体车库主电路图 . 19 5 自动立体车库可编程控制系统的软件设计 . 20 5.1 自动立体车库运行流程图 . 20 5.2 PLC 梯形图 . 20 5.2.1 PLC 仿真软件的选择 . 20 5.2.2 PLC 梯形图的绘制 . 21 6 结论与展望 . 29 6.1 结论 . 29 6.2 不足之处及未来展望 . 29 致谢 . 30 参考文献 . 31 自动立体车库 PLC 控制系统设计 1 1 绪论 1.1自动立体车库的研究现状及发展趋势 自动立体车库作为现代城市存放汽车的工具，在人们生活中得到越来越广泛的应用，为此，催生了自动立体车库控制技术的发展。自动立体车库控制技术中出现过继电器逻辑控制、计算机控制、可编程序控制器控制等方式，由于可编程控制器（ PLC）是利用计算机技术专门针对机电控制而开发的一种控制器，其组成的控制系统内的软逻辑开关可以替代传统的继电器逻辑控制，而且运行非常可靠又由于它可现场编程控制且编程易学，故其具有使用灵 活及产品开发周期短，在实际应用中维修方便，抗干扰性强等优越性。现代可编程控制器组成的控制系统己成为目前自动立体车库控制的发展方向之一。 1.1.1 自动立体车库的研究现状 早在 50 多年前， 自动立体停车 在国外 就已经 有所发展，先后 分别 出现了针对家庭使用的双层停车设备；利用住宅空地建起 2-4 层升降横移停车设备；适合城市中心商住区使用的停车楼和停车塔；利用广场、建筑物下面的空间建设地下车库。自 70 年代末起，世界经济高速发展，汽车逐渐普及，保有量不断增加，迫使地少人多、车多的国家、地区和一些发达国家积极开展了机械式停 车技术的研究开发和制造应用。以美国、德国和日本等为代表的发达国 家在停车技术领域的研究处于世界领先水平，韩国和我国的港、澳、台 区域 的停车业也通过引进移植制造，得到了蓬勃发展，较好地解决了停车难 的问题 ，并开始向外输出 技术和出口产品 1。 我国 自动立体车库的研 发工作是从 上世纪 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 德国 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。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 2。 1.1.2 自动立体车库的发展趋势 随着自动立体车库技术的发展，绿色化、低能耗和智能化将成为一段时间内的发展趋势。 （ 1）绿色化。绿色理念是自动立体车库的发展总趋势。不断改进产品的设计、生产环保型低能耗、低噪声、无漏油、无漏水、无电磁干扰、无井道导轨油渍污染的自动立体车库。 （ 2）降低能耗。减少自动立体车库能耗的措施是多方面的。主要包括：选择减小电梯机械系统的惯性和磨擦阻力；驱动系统使用永磁同步无齿轮曳引机等技术。可以利用太阳能作为自动立体车库的补充能源也将是新的研究课题。 （ 3）智能化。随着计算机技术，讯技术与控制技术的发展使大厦的智能化成为现实。 无锡太湖学院学士学位论文 2 1.2 课题设计的目的和意义 伴随着经济的快速发展以及汽车数量的明显 增加，“停车难”的问题日益突出起来，尤其是以国土面积小且经济发达的国家和地区特别显著（例如日本、台湾等），在我国的一些大中城市情况也不容乐观，如图 1.1 所示。在城市化发展寸土寸金的今天，要解决“停车难”的问题，最好的方式就是建造自动化立体车库。自动化立体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，立体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，平均每辆车要占据 40 平方米的面积，而如果采用双层的立体车库，可以使地面 效 率提高将近 90%，如果采用地面上 多层（ 20 层以上）立体车库的话，五十平米左右 便可存放至少 40 辆的车，这样可以大大的节省我们有限的土地资源。其次， 与 地下车库相比 ，自动立体车库可更加有效地保证人和车辆的安全，人在自动立体车库内或者汽车没有停准位置，由可编程控制器控制的整个设备就会停止 运转。从某种意义上说，立体车库从管理上已经彻底的做到人车分流。 图 1.1 城市停车困难 1.3 课题设计的内容 （ 1） 主要包括以下几个方面 （ 2） 自动立体车库基本机构及工作原理，简明介绍电梯基本结构和工作原理。 （ 3） 可编程控制器结构及原理。 （ 4） 重点分析了可编程控制器自动立体车库 的硬件设计。 （ 5） 重点分析了可编程控制器自动立体车库的软件设计。 （ 6） 结合以上设计思想，提出自动立体车库控制系统设计的实现方案。 1.4 自动立体车库的定义与简介 一种用来存取储放车辆的机械或者机械设备系统，俗称立体车库。自动立体车库是机自动立体车库 PLC 控制系统设计 3 电合一的大型复杂产品，机械部分相当于人的躯体，电器部分相当于人的神经。机与电的高度合一，使自动化停车库成了现代科学技术的综合产品。 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， 这些类型中升降横移类自动立体车库以 其结构简单、操作方便、安全可靠、造价低等优点，在国内 自动立体车库市场 上 占有绝对 的 优势。本设计就升降横移类自动立体车库的控制系统，采用可编程控制器设计自动立体车库，实现 PLC 系统对自动立体车库的运行状态的控制效果 3。 （ 1）升降横移式 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 量也随层的数增加而增加。这种 立体车库节省占地，配置灵活，建设周期短；价格低廉，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 ；并且存取车迅速，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。 图 1.2 是升降横移式自动立体车库。 图 1.2 升降横移式自动立体车库 （ 2）垂直循环式 垂直循环式 自动立体车库 是采用垂直方向作循环运动的停车系统来存取车辆的停车设备。这种停车设备的工作原理是电机通过减速机带动传动机构，在牵引机构 链条上，每隔一定距离安装一个存车托架，当电机启动时，存车托架随链条起做循环运动，达到存取车的目的。 图 1.3 是垂直循环式自动立体车库。 无锡太湖学院学士学位论文 4 图 1.3 垂直循环式自动立体车库 （ 3）水平 循环式 采用一个水平循环运动的车位系统来存取停放车辆的停车库叫水平循环类停车库。其工作原理是存取停放车辆的车位系统在水平面上作循环运动，将所需存取车辆的载车板移到出入口处，驾驶员再将汽车存入或取出。 图 1.4 是水平循环式自动立体车库。 图 1.4 水平循环式自动立体车库 （ 4）多层循环式 多层循环式停车库是通过使载车板作上下循环运动，而实现车辆多层存放的多层循环式停车设备，减少了占地面积，提高了存取车的自动化程度。 图 1.5 是多层循环式自动立体车库。 自动立体车库 PLC 控制系统设计 5 图 1.5 多层循环式自动立体车库 （ 5）巷道堆垛式 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 1.6 是巷道堆垛是自动立体车库。 图 1.6 巷道堆垛式自动立体车库 1.5 动立体车库的结构及组成部件 升降横移类自动立体车库通过操作面板或上位机操控载车盘（载车盘或者载车板）的升降或横移来存取车辆，它的主要结构是由主体框架、载车盘、传动机构、控制系统及安全防护设备等部分组成。具体组成及作用如下： （ 1）主体框架 主体框架式自动 立体车库的支撑结构，通常采用钢结构。 （ 2）载车盘（载车盘或载车板） 无锡太湖学院学士学位论文 6 载车盘主要作用是承载车辆，通过其上的横移电机和升降电机，带动载车盘作水平横移运动和上下升降运动，载车盘上的搬运器由 4 根钢丝绳与框架连接，可以实现上下升降运动。 （ 3）传动机构 传动机构主要由升降传动机构和横移传动机构组成，它是整个自动化立体车库的关键部分，是系统控制的主要执行部分。 （ 4）控制系统 控制系统是车库系统大脑部分，可以采用可编程控制器（ PLC）、单片机等硬件控制器控制继电器或接触器完成升降、横移动作，通过下位机控制器不仅实现对 现场设备的控制，而且可以将现场各设备状态传送到上位机，以便对现场状态进行监控和管理。 （ 5）安全设备 安全设备主要有急停开关、超限装置、车长检测、阻车装置、防坠装置、报警装置等，以便使车库能安全、可靠运行。 自动立体车库 PLC 控制系统设计 7 2 总体方案设计 2.1 整体方案设计 2.1.1 确定自动立体车库的架构 此论文是针对三层十车位升降横移式自动立体车库进行 PLC 控制系统的方案设计，如图 2.1 所示。 图 2.1 三层十车位升降横移式自动立体车库 2.1.2 三层十车位升降横溢式自动立体车库工作原理 自动立体车库的每个车位都有一个载 车板，所需要存取车辆的载车板通过升降横移到达第一层，然后由司机进入汽车，完成存取车辆的操作。此车库的第一层载车板只做横移运动，第二层和第三层的车位载车板需要升降横移。整个车库需要两台电机，分别提供升降动力和横移动力。具体存取车方案如下：图 2.1 中 1、 2、 3 号车位直接存取车， 10 号车下降到地面层后存取车； 4， 5， 6 号车位须通过 1, 2, 3 号车位 进行 横移 操作留出空位，然后再 下降到地面层存取车。 7， 8， 9， 10 号车位通过 4， 5， 6 号车位和 1， 2， 3 号车位的横移让出空位后，再下降到地面层存取车。如需在 7 号车位存取 车，则将 4， 5， 6 号车位和 1， 2， 3 号车位向右移动， 7 号车位下降即可，如需在 5 号车位存取车，则 2， 3 号车位向右横移， 5 号车位下降即可。同样 n 层 m 排的存取车原理都是相同。除最上层外，每层均留有一个空车位，允许载车板左右移动一个车位位置，为上层托板下移留出通道。 无锡太湖学院学士学位论文 8 2.1.3 整体设计方案 整体设计方案设计如图 2.2 所示 图 2.2 整体 设计 方案 2.2 控制方式选择 自动立体车库的控制方式有： （ 1）电磁继电控制系统 （ 2）微机（ PC）控制系统 （ 3）可编程控制器（ PLC）控制系统 （ 4）单片机控制系统等。 本次课程设计采用可编程控制器（ PLC）作为控制方式。 2.3自动立体车库 PLC控制系统的基本结构 自动立体车库 PLC 的控制系统主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成，主要硬件包括 PLC 主机及扩展、机械系统等。 系统控制核心为 PLC 主机、操纵盘，安全保护信号通过接口送入 PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动控制系统发出控制信号。 自动立体车库 PLC 控制系统设计 9 3 可编程控制器概述 3.1 可编程控制器的产生及发展 在可编程序控制器问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。通过 有关电气控制知识的学习可知，继电器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑，如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。另外，大型控制系统用继电器接触器控制，使用的继电器数量多，控制系统的体积大，耗电多，且继电器触点为机械触点，工作频率低，在频繁动作情况下寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差 4。随着工业的发展，设备和生产过程越来越复杂。复杂的系统可能使用成百上千种各式各样的继电器，并用成千上万根导线以复杂的方式连接起来，执行相应的复杂的控制任务。作单台装置 ，继电器本身是比较可靠。但是，对于复杂的控制系统，继电器控制系统存在两个缺点：一是可靠性差；二是灵活性差。现代社会要求制造业对市场要求做出迅速的反应生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，传统的继电器已经成为实现这一目标的障碍。 在世界性工业技术改造浪潮的冲击下，美国公司率先研制出世界上第一台可编程序控制器，并在 GM 公司汽车自动装配线上试用，获得成功。其后，在日本，德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此迅速发展起来。 个人计算机（ PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点 ，可编程控制器定名为 Programmable Logic Controller（ PLC） ,现在，仍常常将 PLC 简称 PC。PLC 的功能不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高， PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用5。 PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20% 30%。随着工厂自动化程度的不断提高和 PLC 市场容量 基数的不断扩大，近年来 PLC 在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家 PLC 的增长十分迅速。综合相关资料， 2004 年全球 PLC 的销售收入为 100 亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置 6。 近 10 年来，随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的 持续增长 ，越来越多的中小设备开始采用 PLC 进行控制， PLC 在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内 PLC 在我国仍将保持高速增长势头。 3.2可编程控制器的定义及特点 在可编程序控制器发展初期，不同的开发商 对 PLC有不同的定义。为使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化，国际电工委员会曾于 1982年 11月颁发了可编程序控制器标准草案第一稿， 1985年 1月又发表了第二稿， 1987年 2月颁布了第三稿。该草案中对可编程序控制器的定义是：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类无锡太湖学院学士学位论文 10 型机械的生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系 统连成一个整体、易 于扩充其功能的原则设计。 PLC 是综合了继电器接触器控制的优点以及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展起来的，这就是 PLC 具有许多其他控制器所无法相比的特点。 （ 1）行稳定可靠，抗干扰能力强 PLC 是专门为工业环境下应用而设计的，因此人们在设计 PLC 时，从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。 对于硬件措施， PLC 的电源变压器、内部 CPU、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界的电磁干扰；输入输出线路采用了多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰；内部的微处理 器和输入输出电路之间，采用了光电隔离措施，有效地隔离了输入输出间电的联系，减少了故障和误动作；采用模块式结构，有助于在故障情况下短时修复，一旦查出某一模块出现故障，就能迅速更换，使系统恢复正常工作。 对于软件措施， PLC 设计了故障检测软件定期地检测外界坏境。如掉电、欠电压、强干扰信号等，以便及时进行处理；信息保护和恢复软件使 PLC 偶发性故障条件出现时，将PLC 内部信息进行保护，不遭破坏。一旦故障条件消失，恢复原来的信息，使之正常工作。如果 PLC 程序每次循环执行时间超过了 WDT 规定的时间，预示程序进入死循环， 立即报警。对程序进行检查和检验，一旦程序有错，立即报警，并停止执行，这样可使一般 PLC的平均无故障时间达到几万小时以上。 （ 2）通用性强，使用方便 PLC 产品已经系列化和模块化， PLC 的开发制造商为用户提供了品种齐全的 I/O 模块和配套部件。用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需根据控制要求进行模块的配置。用户所做的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能。 （ 3）采用模块化结构，使系统组合灵活方便 PLC 的各个部 件，均采用模块化设计、各模块之间可由机架和电缆连接。系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行组合，使系统的性能价格更容易趋于合理。 （ 4）编程语言简单、易学，便于掌握 PLC 是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置。其主要的使用对象是广大的电气技术人员。 PLC 的开发制造商为了便于工程技术人员方便学习和掌握 PLC 的编程，采取了与继电器接触器控制原理相似的梯形图语言，易学、易懂。 （ 5）系统设计周期短 由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而不要去设计具体的接口电路，这样大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工作的进程。 （ 6）对生产工艺改变适应性强 PLC 的核心部件是微处理器，它实质上是一种工业控制计算机，其控制功能是通过软件编程来实现的。当生产工艺发生变化时，不必改变 PLC 硬件设备，只需改变 PLC 中的程序。这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合。 （ 7）安装简单、调试方便、维护工作量小 自动立体车库 PLC 控制系统设计 11 PLC 控制系统的安装接线工作量比继电器接触器控制系统少的多，只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连。 PLC 软件设计和调试大多可在实验室里进行，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察 PLC 上的相应发光二极管，也可以另接输出模拟实验板。模拟调试好后，再将 PLC 控制系统安装到现场，进行联机调试，这样既省时间又很方便。由于 PLC 本身的可靠性高，又有完善的自诊断能力，一旦发生故障，可以根据报警信息，迅速查明原因。如果是 PLC 本身，则可用更换模块的方法排除故障。这样提高了维护的工作效率，保证了生产的正常进行。 3.3 可编程控制器的结构 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件 结构基本上与微型计算机相同。 （ 1）中央处理单元 (CPU) 中央处理单元 (CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、 I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序 7，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行 8。 为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故