毕业设计（论文）-基于PLC实现现代立体车库.pdf

- i - 基于基于基于基于 plcplcplcplc 实现现代立体车库实现现代立体车库实现现代立体车库实现现代立体车库 摘要摘要摘要摘要 随着我国经济的飞速发展，城市人口日益增多，特别是随着改革开放以 来，我国进入了汽车拥有率迅速上升时候。以往那种单层平面停车场也越来越 不能满足市场的需求。对多停车位、少占空间、使用操作简单、安全可靠的 “立体停车库”的建设，是解决目前寸土寸金的大都市内停车难的有效办法。 立体车库是一种以单层平面停车场为核心、多平面的空间停车车库，通过 可编程控制器(programmingprogrammingprogrammingprogramming logiclogiclogiclogic controllercontrollercontrollercontroller，简称 plcplcplcplc)控制车位空间位置的 变动，使车位能够实现空间到平面的转化，实现多重单层平面停车的功能。升 降横移式立体车库利用托盘移位产生垂直通道，实现多层车位的升降来存取车 辆。 本文主要通过对升降横移式立体车库原理的研究，探讨了应用可编程控制 器 plcplcplcplc 实现车库控制系统的方法、步骤，结合 simatic s7300 介绍了实现 33 立体车库模型的设计和实现情况。控制系统的监控采用基于 windowwindowwindowwindows s s s 平台的工控组态软件 mcgsmcgsmcgsmcgs，实现立体车库的监控系统。 本文的研究对 plcplcplcplc 在计算机自动化控制系统中的应用，以及利用 mcgsmcgsmcgsmcgs 实现工业工程实时监控，提高工业的自动化水平，都具有很重要的实践竟义。 关键词关键词关键词关键词立体车库；可编程控制器 plc；上位机监控系统 哈尔滨理工大学学士学位论文 - ii - realizesrealizesrealizesrealizes thethethethe modernmodernmodernmodern three-dimensionalthree-dimensionalthree-dimensionalthree-dimensional garagegaragegaragegarage basedbasedbasedbased onononon plcplcplcplc abstractabstractabstractabstract along with the our country economy rapid development, the urban population increases day by day, specially since along with the reform and open policy, the automobile total quantity is more and more, formerly that kind of single-layer plane parking lot could not satisfy the demand of the market. to the multi-parking spots, little occupies of the space, the use operation is simple. “ three-dimensional garage ”, which is the effective solution of stops difficult in the present big city. the three-dimensional garage, which takes the single-layer plane parking lot as the core, is the multi-dimensional space parking garage. it uses the programmable controller (programming logic controller, also called plc) to realize multiple monolayer plane stops by controlling the berth space position the change. vertical-horizontal moving underground car parks, which realize multilayer berth fluctuation deposits and withdraws the vehicles by shifting the tray to produce the vertical channel. the article researches the theory of the three-dimensional garage, it has discussed the method and the stop of using programmable controller plc to realize the garage control system, and unified simatic s7300 to introduce the realization 33 three-dimensional garage model design and the realization situation. control systems monitoring uses based onthe windowsplatform labor controls configuration software mcgs, realizes the three-dimensional garage supervisory system. the article research has the certain practice significance in area of applying the plc in the computer control system as well as using mcgs to achieve real-time monitoring of industrial projects, which raises the level of industrial automation. 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iii - keywordskeywordskeywordskeywordsthree-dimensional garage ； programmable controller ； superior machine supervisory system 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iv - 目录目录目录目录 摘要.i abstractii 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景.1 1.2 自动化立体车库主要结构组成和类型.2 1.2.1 自动化立体车库类型及特点2 1.2.2 升降横移式立体车库主要结构组成5 1.3 论文的主要目的和意义.5 1.4 本论文主要完成的工作.6 1.5 本章小结.7 第 2 章 车库控制系统的可行性分析与研究8 2.1 计算机控制类型.8 2.2 升降横移式立体车库运行原理.9 2.3 立体车库控制系统的组成.11 2.4 立体车库的控制要求及解决方案.12 2.4.1 立体车库的控制要求12 2.4.2 立体车库的解决方案12 2.5 本章小结.14 第 3 章 plc 的研究及在车库控制系统中的应用15 3.1 可编程控制器.15 3.1.1 可编程控制器的简介15 3.1.2 可编程控制器的特点及应用范围17 3.1.3 可编程控制器的组成及控制原理20 3.1.4 plc 编程语言.24 3.2 plc 主要性能指标及选型25 3.3 plc 应用系统的软件设计流程27 3.4 simatic s7300 及主要性能指标28 3.5 软件编制的研究应用及 plc 的常用编程指令32 3.6 plc 在控制模型中的 i/o 分配及流程、编程思路 41 3.6.1 i/o 分配.41 3.6.2 流程、编程思路42 3.7 本章小结.46 第 4 章 上位机监控系统设计47 结论48 致谢49 哈尔滨理工大学学士学位论文 - v - 参考文献50 附录 a51 附录 b 55 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1课题背景课题背景课题背景课题背景 立体停车起源于 20 世纪 20 年代的美国，是为了解决大城市内停车难的问 题。目前，土地资源紧张是大城市的现状，在亚洲各国表现尤其突出，因此， 它的应用在亚洲各国比较广泛，目前统计表明，立体车库在日本、韩国、中国 等地应用很多。 在欧洲，德国、意大利等国家从事停车设备的开发和生产比较早。比较有 名的公司有：意大利的 sotefin、interpark、德国 palis 等。由于欧洲国家的土地 资源比较富有，停车问题不是很突出。停车设备的生产量不是很大，停车设备 多数采用巷道堆跺式产品，立体车库的主要优势式在巷道堆跺式立体车库上。 在亚洲，停车设备技术起源于日本，日本从 20 世纪 60 年代就开始从事立 体车库的研究，目前全日本己经投入使用的立体车位超过 300 万个，其中以升 降横移类为主。 韩国立体车库设备技术是日本技术的派生。从 20 世纪 70 年代中期起步， 在 80 年代开始引进日本技术，经过消化生产和本土化，在 00 年代开始进入使 用阶段。由于在这几个阶段得到了政府的重视，因此各类立体车库的开发和应 用，韩国近几年增长率都在 30%左右。目前韩国立体车库行业进入了稳步发展 阶段。 我国从 20 世纪 80 年代开始从日本引进停车设备产品和相关技术，开发工 作从 80 年代中期开始，90 年代以来，随着汽车工业和建筑业的发展，特别是 轿车进入家庭后，停车设备的应用逐步推广，已经形成了新兴的停车设备行 业，步入引进、生产、研制、使用相结合的初步发展阶段，现在我国从事立体 车库设备制造的企业约有 100 家，其中主机生产超过 50 家。一些企业经过长期 积累发展壮大，已稳居行业前列，一些中小型企业抢抓机遇在发展中崭露头 角，一些大型集团公司开始跨行业进入停车领域，如北京恩菲科技产业集团、 西安斯达机电有限责任公司等。 在 1996 年以前，我国停车设备的年生产能力仅为 4000 个泊位。2003 年 国内新建机械式立体停车库 303 个，新增停车泊位 33756 个，较 2002 年增长 37.7%。据不完全统计，截至 2003 年底，国内机械式立体停车泊位已累计达 82764 个，分布在 31 个省市自治区的 56 个城市。2003 年市场增长最快的地区 是江苏、山东、浙江，泊位分别增长 512%、364%和 111%，此外上海增长 37%，广东增长 10.3%，北京与上年持平。以上 6 个省市泊位量占到全国新建泊 位总量的 87%，成为国内机械式立体停车库发展最热的地区。 尽管如此，目前我国各主要城市停车设施的建设仍远远落后于道路建设和 汽车工业的发展。据资料表明，现有停车位总数不到需求的 7%。因此立体式停 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 车库在我国有很大的市场，它的研究与建设在我国还有很长的路要走。进入 20 世纪以来，在国内举办了多个与停车设备相关的展览会，2006 年十月在上海举 办的“2006 上海国际停车设备和智能系统展览会”同样热闹非凡，它吸引了来 自德、日、美等世界上知名的停车设备制造商，全自动立体停车设备的容车能 力及其技术完备，先进程度已被世界广泛承认和接受。国内正处于经济与建设 发展阶段，目前已有国外多种停车设备出现在国内市场上。 停车装置种类繁多，必须通过详尽的技术分析及经济分析才可以有明智的 决断，有效的利用一切有利因素，建造出经济技术都合理的停车装置。总之， 在我们面临着建设现代化大都市的重任和土地资源寸土万金的情况下，设计、 生产和使用这一现代化设备是可行的、明智的选择。它的前景将是无限美好 的。 1.21.21.21.2自动化立体车库主要结构组成和类型自动化立体车库主要结构组成和类型自动化立体车库主要结构组成和类型自动化立体车库主要结构组成和类型 1.2.11.2.11.2.11.2.1自动化立体车库类型及特点自动化立体车库类型及特点自动化立体车库类型及特点自动化立体车库类型及特点 机械式立体停车场是指汽车的存取是用机械进行的。移动汽车用的机械设 备有电梯、升降机(液压或电动)、提升机(链式或板式)、移动托盘等。 机械立体停车场式样规格较多，可为双层 2 车位，也可多层或者几百车 位。层内部的水平移动的机械化设备一般采用传送带、搬运小车和迁车台等。 根据环境条件和实际需要，可任意组装和拆卸。 机械式立体停车场，主要优点是占地面积小，存放车位多，灵活多样，安 全方便，经济性好，特别适用住宅区停车和城市中心区停车。它们的类型众 多，设计各有不同，库容量变化比较大，可满足不同用户要求。但它们都具有 建筑面积小，停车层数多，地上和地下空间利用率高的优点。停相同数量车的 情况下，在车辆流量大的繁华地段建一座立体停车库比建一地面停车场节省将 近 50%70% 的投资。严格的车库管理还保证了车库运行的安全性和可靠性， 为存车人提供了最大的方便，存车人只需把车开到指定位置，下面的事都可由 车库控制系统来完成。 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、水平循环式、多层循环式、圆形水平循环式等。 1升降横移式停车场 利用存车板的升降或(和)横向平移存取停放车辆。将平面停车场扩展到空间 多层存放，可因地势建造不同的停车位，可以设置于地面，也可选址地下室， 根据场地大小和空间高度自由设置层数和列数，无需大规模的地基作业工程， 建造方便，布置灵活，出入库有底层和中间层(半地下层)形式，采用链轮，链条 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - (钢索)机构传动，安全可靠，故障率低，进出车速度快。 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，车位数从几个到上百个。此立体车库适用于地 面及地下停车场，配置灵活，造价较低。 图 11升降横移式停车场示意图 主要特点： 1)节省占地，配置灵活，建设周期短。 2)价格低，消防、外装修、土建地基等投资少。 3)可采用自动控制，构造简单，安全可靠。 4)存取车迅速，等候时间短。 5)运行平稳，工作噪声低。 6)适用于商业、机关、住宅小区配套停车场的使用。 2垂直提升式立体车库 垂直提升式立体车库类似于电梯的工作原理，在提升机的两侧布置车位， 一般地面需一个汽车旋转台，可省去司机调头。垂直提升式立体车库一般高度 较高(几十米)，对设备的安全性，加工安装精度等要求都很高，因此造价较高， 但占地却最小。图 12 是垂直升降式停车场示意图(正视图和左视图)。 图 12垂直升降式停车场示意图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 3水平循环式停车场 用一个水平循环运动的车位系统存取停放车辆。当汽车出入时有一个存车 位移至车前，便于车辆出入。该类型有利于充分利用车库空间；但每有一辆汽 车存出，整个系统就要一起运动，既耗能，又磨损机械设备，故应用较少。 4多层循环式停车场 多层循环式停车场呈多层配置，作循环运动；在两层运送器的两端之间， 由运送器的升降形成层间循环运动。依据场地条件，汽车出入口处装设内藏型 汽车旋转台，采用正面出入车，可提高安全性。若建造在楼房的地下室，车位 可占满整个地下室的空间，人不必进入车库，既节省空间，又确保人身安全。 5平面移动式停车场 放置轿车的托板是一种横向小车，通过控制台操作移动，轿车可以自由出 入，自由移动的停车托板将轿车从中央通道的平台运到车位的电梯或出口。通 过增加升降机可多层设置平面往返式停车场，停车量大，出车速度快。图 1-3 是平面移动式停车场示意图(3a 主视图，3b 俯视图)。 图 13a平面移动式停车场主视图图 13b平面移动式停车场俯视图 6巷道堆垛式停车场 用巷道堆垛起重机或桥式起重机，将进到搬运器上的车辆水平且垂直移动 到存车位，并用存取机构存取车辆。该类型建造成本高，但存车量大，安全可 靠，适合建造大型停车场。图 1-4 是巷道堆垛式停车场示意图(主视图和俯视 图)。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - (a)(b) 图 14巷道堆垛式停车场示意图(a 为主视图、b 为俯视图) 7垂直循环式 特点： 1)占地少，两个泊位面积可停 610 辆车。 2)外装修可只加顶棚，消防可利用消防栓。 3)价格低，地基、外装修、消防等投资少，建设周期短。 4)可采用自动控制，运行安全可靠。 总结：机械式停车场以其种类繁多，灵活多样，安全方便，美观实用，污 染小，经济性好等特点，受到广泛的欢迎，正在大踏步进入大都市的街头巷 尾。 1.2.21.2.21.2.21.2.2升降横移式立体车库主要结构组成升降横移式立体车库主要结构组成升降横移式立体车库主要结构组成升降横移式立体车库主要结构组成 升降横移式立体车库主要由三部分组成：机械部分、电机驱动部分和控制 管理部分。 (1) 机械部分：由车架、起升结构和双向平移结构组成，它是车库的主架。 (2)电机驱动部分：由多个电机组组成，由它来带动平移机构和升降机构的 运行，完成搬运器的上下和左右移动，以完成存取车过程。 (3) 控制管理部分：立体车库控制系统随着它所采用的控制器智能化程度的 不同而不同，参见下节内容。 1.31.31.31.3论文的主要目的和意义论文的主要目的和意义论文的主要目的和意义论文的主要目的和意义 随着社会的发展，城市人口的日益增多，楼房和车辆也越来越多。特别是 改革开放以来，国民经济的飞速发展为汽车工业注入了强劲的动。 在 2001 年，我国通过了国民经济和社会发展十五计划纲要 ，在 纲 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 要中提及到“鼓励轿车进入家庭” 。这是建国五十余年来官方文件中第一次明 确“轿车进入家庭”这样的提法，我国进入了汽车拥有率迅速上升时期。据统 计，1985 年我国汽车拥有量为 321.12 万辆，1990 年为 551.36 万辆，.1997 年全 国汽车保有量 1100 万辆，2000 年达到 1608.91 万辆。我国在 2001 年为全球第 7 大汽车销售市场，2003 年全国汽车销售达到 439 万辆，全球排名上升到第 5 位，仅列美国、日本、德国、法国之后.年销售将有望在 2010 年达到 700 万 辆，将成为全球第 3 大市场。 在 2005 年我国轿车保有量达 1000 万辆，到 2010 年将达 2000 万辆。根据 交通规划专家的总体测算：一个城市停车位数量与机动车数量之比至少为 1.2:1，才能基本满足城市的停车需要，也就是说一辆车除去应该拥有一个固定 停车位之外，包括工作、娱乐、消费还至少应该有 0.2 个停车位。从 2005 年到 2010 年，我国将总共增加停车位 480 万个，平均每年要 96 万个。 表 11 几个主要城市汽车保有量及停车位现状 (2005) 城市汽车总量(万辆)停车位数量(万)所缺车位数量(万) 北京241109.8131.2 广州66.821.645.2 天津10413.590.5 沈阳70565 从以上数据可以看出，有一大半的机动车的停放处于无序状态。据统计： 2001 年的上海，每天停在马路上的汽车就多达 35 力辆，广州每天也有 35 万 辆机动车“露宿”街头，北京更有 90 万辆之多，这些车大都停在马路上、绿化 隔离带、胡同、非机动车道、消防通道等非停车地带。151 致使本来就紧张的 交通更拥挤不堪，严重滞后了城市交通的发展。行车难、停车难、乱停车，加 剧交通拥堵、降低生活质量、恶化投资环境，成为城市经济发展的障碍，大大 降低了城市的文明程度。 为了缓解这种局面，城市停车场所的建设，尤其是多停车位、少占空间、 使用操作简单、安全可靠的“立体停车库”的建设，对现在寸土寸金的大都市 有着不可替代的价值。自动立体车库已成为城市交通一个研究热点，并且国家 将其列入了重点科技攻关项目之一。 1.41.41.41.4本论文主要完成的工作本论文主要完成的工作本论文主要完成的工作本论文主要完成的工作 立体车库是一种多平面的空间立体停车车库，它以单层平面停车场为核 心，通过可编程控制器(programmingprogrammingprogrammingprogramming logiclogiclogiclogic controllercontrollercontrollercontroller ，简称 plcplcplcplc)控制车位 的空间位置变动，使车位能够实现空间到平面的转化，实现多重单层平面停车 的功能。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 论文在查阅大量资料的基础上，以立体车库车位设备控制为研究对象，通 过对可编程控制器 plcplcplcplc 的学习和研究，实现了用可编程控制器 plcplcplcplc 对 3x33x33x33x3 升 降横移式立体车库模型控制系统的控制，对车库的监控采用组态软件 mcgsmcgsmcgsmcgs， 实现上位机监控。 主要研究的内容包括： (1) 升降横移式立体车库存取车策略的研究。 (2) 可编程控制器 plcplcplcplc 在升降横移式立体车库模型中的研究与实现。 (3) 应用组态软件 mcgsmcgsmcgsmcgs 实现升降横移式立体车库的监控系统。 1.51.51.51.5本章小结本章小结本章小结本章小结 本章介绍了机械式立体车库的定义和分类，立体车库停车设备在国内外的 应用情况、国内外停车行业的研究现状，总结了本论文研究的目的、意义及主 要完成的工作。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 车库控制系统的可行性分析与研究车库控制系统的可行性分析与研究车库控制系统的可行性分析与研究车库控制系统的可行性分析与研究 2.12.12.12.1计算机控制类型计算机控制类型计算机控制类型计算机控制类型 计算机控制系统有多种分类方法，根据设计方法的不同，有以单片机为核 心的控制系统、以 ipc(工业 pc 机或称工业控制计算机)为核心的计算机控制系 统和以 plc(可编程控制器)为核心的计算机控制系统。 (一)单片机控制系统 以单片机为核心的计算机控制系统，突出优点是结构小型、价格低廉，广 泛应用于智能仪器、仪表、及小规模的控制系统上。 由于它的硬件电路和软件都要单独设计，不能充分利用普通 pc 机提供的各 种软硬件资源，对设计人员要求较高。因此产品通常没有通用性，目前在工控 (即工业控制)领域应用最多的是各种智能仪器显示调节仪表和智能传送器。 (二)工业控制计算机 (ipc) 工业控制计算机(简称工控机)是一种应用于工业生产过程控制的专用计算 机，它能将生产的过程和管理调度相结合，从而使工业在就地控制加集中控制 的基础上，进一步向自动化方向发展。 主 机 板人 机接 口系 统 支 持硬 盘 系 统通 信 接 口 模 拟 量 输 入 通 道（a i） 模 拟 量 输 出 通 道（a o） 数 字 量 输 入 通 道（d i） 数 字 量 输 出 通 道（d o） 外 部 总 线 内 部 总 线 图 21 工业控制计算机的硬件组成结构 工控机系统包括硬件和软件两部分。硬件由主机板、外部总线、内部总 线、人机接口、通讯接口等组成。软件包括系统软件、支持软件和应用软件。 硬件组成如图 21 所示： 其中： (1) 主机板 主机板由 cpu 和内存 (rom、 ram)等部件组成，它是工业 控制机的核心。 (2)外部总线和内部总线 内部总线是工控机内部各组成部分进行信息传送的 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 公共通道，由一组信号线组成，常用的信号线有 ibmpc 总线和 std 总线。 外部总线是工控机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道。常 用的外部总线有 rs232 和 ieee488 通信总线。 ipc 控制系统的优点是可以充分利用一般计算机提供的各种软件和硬件资 源，利用 windows 或其它操作系统，方便地对系统的进行控制。但是它要求 设计人员单独设计系统的 1/0 接口电路，独立开发系统软件，编制软件的人员 素质水平对系统控制有很大影响，因此它不具有通用性。 (三)可编程序控制器(plc)系统 由继电器控制系统发展而来的 plc，是以开关信号为主，控制方式以逻辑 控制为主、连续控制为辅的离散量控制系统。它集微机技术、自动化技术、通 讯技术为一体，可靠性强、性价比高、扩展性好、操作方便，广泛应用于工业 生产的各个领域，特别是在以开关变量为主的系统中，已成为控制领域的重要 手段。plc 主要的工作原理将在第 3 章介绍。 全是开关量输入输出的多层升降横移式立体停车库，要求每一个车位都能 准确地停靠到位，控制准确、安全；对操作人员以及维护人员的要求不能太 高，安装、调试应该比较简单。因此采用操作维护比较简单、程序直观、设计 周期短、稳定性比较高、技术比较成熟、易实现逻辑控制的 plc 作为控制系统 不失为一种行之有效的方法。 2.22.22.22.2升降横移式立体车库运行原理升降横移式立体车库运行原理升降横移式立体车库运行原理升降横移式立体车库运行原理 升降横移立体车库车位结构为 nm 二维矩阵形式，可设计为多层、多列， 车库提供的总车位容量为: p=nm-(n-1) 其中：n 为二维矩阵的行，即车库的层数 m 为二维矩阵的列，即车库的列数 升降横移式立体车库的车位结构为 2 维矩阵形式，可设计为多层和多列。 由于受收链装置及进出车时间的限制，一般为 24 层(国家规定最高为 4 层)，2 层、3 层者居多，可根据泊车的多少决定停车场的规模。车库可以设在地上， 也可以设在地下，或者一半设在地下一半设在地上。其钢结构框架按一定规格 的分格单元进行组合，可纵向延伸，分段集中控制，也可横向并列，分排单独 控制。车库组合布置的不同形式可适应不同场地条件需要，配置非常灵活。现 以典型的地上 33 升降横移式为例，说明停车库的运行原理。 升降横移式车库利用托盘移位产生垂直通道，实现高层车位升降存取车 辆，全程逻辑过程均由 plc 经行控制。地面以上布置的升降横移式立体车库其 结构特点是：底层只能平移，顶层只能升降，中间层既可平移又可升降。除顶 层外，中间层和底层都必须预留一个空车位，供进出车升降之用。当底层车位 进出车时，无需移动其他托盘就可直接进出车；中间层、顶层进出车时，先要 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 判断其对应的下方位置是否为空，不为空时要进行相应的平移处理，直到下方 为空才可进行下降动作，进出车完成后再上升回到原位置。其运动的总原则 是：升降复位，平移不复位。图 22 为 33 升降横移式立体化车库运动原理 图。地下布置、半地上半地下布置车库的结构与此类似。 图 22 地上 33 升降横移式立体化车库运动原理图 如图 23 所示，第一层和第二层都有两个停车位，一个空位；第三层有三 个停车位，无空位。 假如停车库的状态如图(a)所示，除了 a32 是空的，其它车位有车。现在要 把车停放到 a32 停车位上，则首先应将 a32 停车位下的车位移开，即将 a12， a22，向左移，如图(b) ，最后将 a32 降至底层，如图(c)，车停到 a32 上，然 后托盘复位，如图(d)。图 23 为停车全过程的运动示意图，同样 n 层 m 排的 存取车原理相同。 a3 2a3 3a3 1 a2 1a2 2 a1 1a1 2 a3 2a3 3a3 1 a2 1a2 2 a1 1a1 2 a3 2 a3 3a3 1 a2 1 a1 2a1 1 a2 2 a3 2a3 3 a3 1 a2 1 a1 1 a2 2 a1 2 ( a )(b ) ( c ) (d ) 图 23 三层升降横移式立体停车库运动示意图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 2.32.32.32.3立体车库控制系统的组成立体车库控制系统的组成立体车库控制系统的组成立体车库控制系统的组成 立体车库控制系统由上位机监控系统和下位机 plc 控制系统组，图 24 为该系统结构框图。控制系统由“上级总线机或网络 (可选)+上位机+plc+现场 操作机构”构成，以 pc 机为核心，配备有打印机、音效设备、收款机、显示器 等。上级总线控制机或网络、操作器、触摸屏、ic 卡磁卡机都是可选部分，为 进一步开发内容，可根据车库规模以及实际情况合理选用。例如多个 33 单元 组合车库，我们可以用一个 plc 控制一个车库单元，多个 plc 共同构成多点 结构的局域网。如果车库的规模足够大，还可以考虑配备操作器、触摸屏和 ic 卡磁卡机实现智能化自动控制。 图 24 控制系统结构图 车库控制方式分为 3 级手动、半自动和全自动。手动是在现场用手操 作器对每个托板进行点动控制；半自动为操作 plc 控制面板上的按钮由 plc 实 现自动逻辑控制；全自动是由计算机给出存取命令由 plc 执行(要求配备 “操 作器”)。手动方式主要用于维修调试或异常情况处理，为最高优先级；半自动 或全自动方式用于正常进出车处理，其中半自动方式优先级高于全自动。在计 算机脱机情况下，plc 控制面板可以完成所有存取车操作。手动、半自动、全 自动之间必须能够互锁。 采用上位机技术，上位 pc 机向 plc 发出控制指令，再由 plc 控制车库执 行机构的运作，从而完成上位机对整个升降横移式立体车库系统的控制与管 理，达到全自动化的控制水平。 上位机与 plc 的通信是应用上位机中通信软件对串口状态及串口通信的信 息格式和协议进行设置，以实现上位机串行口和 plc 上的通讯单元之间的通讯 连接。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 2.42.42.42.4立体车库的控制要求及解决方案立体车库的控制要求及解决方案立体车库的控制要求及解决方案立体车库的控制要求及解决方案 2.4.12.4.12.4.12.4.1立体车库的控制要求立体车库的控制要求立体车库的控制要求立体车库的控制要求 本文解决的立体车库共三层，每层三个车位为一个单元。车库底层左端设 置存车(取车)位。为方便叙述也称为原位。整个车库为全封闭式，存车方式采 用头进尾出，车库空间适合大部分轿车及微型车存放。 模块是立体停车系统由控制升降机的横移装置，升降机及升降机上的台车 三部分组成。当车进入存车(取车)为后，由台车上的摩擦带动汽车后退，到位 后，启动控制升降机的横移装置运动至需存车位的相应列，在启动升降装置运 动至指定层，最后由台车上的摩擦将汽车送入存车位。取车时，运动过程正好 相反，从而达到存取车的目的。图 25 是该模块式立体车库的示意图。 1 列2 列3 列 升降机 7892 层 存取车位4561 层 台车1230 层 横移装置导轨 升降装置 图 25 模块式立体车库示意图 2.4.22.4.22.4.22.4.2立体车库的解决方案立体车库的解决方案立体车库的解决方案立体车库的解决方案 该立体车库停车系统的控制需通过操作盘来实现，根据需要操作盘可设置 为按钮式或触摸屏式。在操作盘上按“存车”(或“取车” )键，再按相应的车 位键来自动完成存取车动作。如需存入 6 号车位，停车系统的控制过程应为： 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 将车停放在存取车位，进车到位，确定人离开车后，按“存车”键，再按 6 号 车位键。此时，台车从原位后退，升降机向右横移到列 3 的位置，然后升降装 置至 6 号车位所在的层 1，如图 26 所示，由台车上的摩擦将车存入 6 号车 位，然后停车系统再返回至原位结束。而取车时，控制方式跟存车一样，取走 车后，停车系统回到原位。这种方法的优点是控制简单，存取车对号入座，操 作安全、方便。 该立体车库的控制设计方法为： (1)台车后退(出库)及台车前进(入库)处理 在此方向由于移动距离短，所以设计为慢速出入库，选择小功率低速三相 异步电动机带动摩擦带，同时在此方向设置二个行程开关进行进到位及退到位 检测以便制动。 (2)升降机平移处理 将三层立体车库分为三列，在每列的右边各装设二个行程开关，其中一个 作为列方向的平层信号，另一个为平层到位信号。为保证运行平稳，定位准 确，采用交流变频器进行速度控制。 (3)升降机的升降处理 当升降装置列到位后，转入升降处理，在每层的下部同样设置二个行程开 关，分别作为平层信号及平层到位信号。实际安装时，每一层的每一个车位下 面都需要设置二个这样的形成开关，只要将它们分别并联起来作为 plc 的一个 输入点就可以了。设置平层信号是为了控制变频器平稳减速，最后准确定位。 启动时，则可通过变频器设置为软启动方式实现平稳加速。 (4)变频器调速处理 在平移方向，各列设置的列平层检测信号和列平层到位检测信号之间的行 程一致。而在升降方向，各层设置的层平层检测信号和层平层到位检测信号之 间的行程一致。在软件设计时，将启动变频器的各平层检测信号与相应的车位 关联。不管是存车还是取车，从原位到各车位总是跟列 1、2、3 及层 1、2 的相 应的平层检测信号有关，而从各车位退到原位时，跟层 0 及原位的平层检测信 号有关。这样，变频器的设置其实只有一种情况，参数设定变得简单。 (5)操作面板及显示 在操作面板上对应的各存车位设置 9 个车位号，同时设置 4 个功能键，分 别为“存车” 、 “取车” 、 “复位”及“紧急停车” 。 “复位”键的作用是当按错车 位号后，可用该键使动作复原。而“紧急停车”键是当出现紧急情况时能进及 制动停车装置，避免出现意外。存车时，车入库，该车位键亮红灯。取走该 车，按该车位键红灯灭，同时显示绿灯(由背景灯提供)。车位满，车位红灯全 亮。车位空绿灯亮。为节省 plc 的输出点，灯的控制直接和车位键、 “存车”、 “取车”键以及车位有车或空车检测信号联动，由外电路控制。同时在操作面 板上应有一定的警示牌，也可设置声音提示。 (6)保护 主要应设置车长、车宽、车高检测，钢绳异常及紧急情况警报、机器停车 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 并自锁，以防止出现意外。平移、升降及台车的进退连锁保护。配有消防灭火 装置，可进行自动报警，自动灭火。同时还有停车系统的 6 个方向(前后、左 右、上下)的限位保护。 2.52.52.52.5本章小结本章小结本章小结本章小结 本章分析了升降横移式立体车库的运行原理、车库控制系统的组成以及控 制要求和解决方案，通过对不同控制系统的比较、分析，得出用 plc 作为车库 的控制系统的可行性。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章 plcplcplcplc 的研究及在车库控制系统中的应用的研究及在车库控制系统中的应用的研究及在车库控制系统中的应用的研究及在车库控制系统中的应用 3.13.13.13.1可编程控制器可编程控制器可编程控制器可编程控制器 可编程控制器(英文为 programmable controller，简称 pc)，它最初称为可编 程逻辑控制器(programming logic controller，简称 plc)，在 1980 年正式命名为 可编程控制器(简称 pc)，但是由于 pc 常常用来称呼个人计算机(personal computer )，为了避免混淆，因此仍常用 plc 来表示可编程控制器。 3.1.13.1.13.1.13.1.1可编程控制器的简介可编程控制器的简介 1980 年，美国电气制造商协会(nemanational electrical manufactures association)定义了可编程控制器 plc：plc 是一种数字式电子装置，它使用了 可编程的记忆体存储指令，用于诸如逻辑、顺序、实时计数及演算等功能，并 通过数字或类似的输入/输出模块，来控制各种机械或者工作程序。 国际电工委员会(international electro technical commission)在 1985 年颁布 的可编程控制器标准草案第二稿修改的基础上，于 1987 年 2 月进一步完善了 plc 的定义，也就是目前被大家认同并且所接受的定义：可编程控制器是一种 数字运算操作的电子系统，专为工业环境下的应用而设计，它采用可编程的存 储器，用来执行内部的逻辑运算、顺序控制、定时、计数或算术运算等操作指 令，并通过数字式或模拟式输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控 制器及其相关的外围设备，都是按照易与工业控制系统联成一个整体、易于扩 充的原则而设计。 由此可知，可编程控制器 plc 的本质就是一台为实现机械工业或生产过程 而专门设计的、具有独特功能的软硬件系统的电子计算机。它是基于电子计算 机，但不是普通的计算机，普通的计算机进行输入输出信息的变换，多只考虑 信息的本身，信息的输入输出，只要人机界面友好，如使用多媒体就可以了， 而 plc 则重点考虑输入输出信息的可靠性、实时性，以及信息的实际应用，另 外还必须考虑所使用的环境、便于安装维护、抗干扰等问题。 plc 的产生源于继电器装置。在早期，继电器控制系统广泛应用在工业生 产中，它用不同的连接来反映不同的触点与电器间的逻辑关系，如图 31 所 示。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 16 - k其 中: k:输 出 s b1、s b2： 接 触 开 关 r:负 载 s b1 s b2 r 图 31 继电器控制电路图 继电器控制系统具有电路直观、结构简单、价格低廉等优点，但是随着工 业的飞速发展，控制系统对复杂性和可靠性的要求越来越高，而靠触点的通断 来实现控制的继电器控制系统在实际的应用中不可避免有如下缺点： (1)因为触点的转换总是需要时间，因此总存在电流滞后或机械滞后，这两 个滞后加起来有时长达几十毫秒甚至更多，由滞后带来的不及时、不同步不但 降低了控制的精度，而且会使电路的工作出现竞态。 (2)消耗电能多，触点频繁通断，易于受点火烧蚀及机械的磨蚀，在大功率 高电压场合，容易带来非常大的安全隐患。 (3)体积大，难于实现复杂的逻辑关系控制，并且不同继电器电路不通用， 多种电路需要单独设计，应用过程中更改困难。 在继电器控制电路之后，出现过可编程序逻辑控制器、顺序控制器。在 20 世纪 60 年代，将小型电子计算机通过改变程序(软件)用来做机械工作或生产过 程的逻辑控制，但是逻辑控制器综合较难，实现复杂，特别是时序、逻辑关系 处理复杂，顺序控制的编程功能靠硬件实现，无法在大规模的集成电路上应 用，而基于小型电子计算机的逻辑控制编程复杂，要求编程人员有非常高的编 程水平，对工作环境的要求也非常高，无法普及到工控及生产过程中，并且造 价昂贵。 1968 年，美国通用汽车公司(gm)为适应汽车工业的生产发展的需要，提出 了一种新型的控制器代替传统的继电器控制系统的设想，并提出了 10 条指标： (1)编程简单，可在现场修改程序； (2)维护方便，最好是插件式； (3)可靠性高于继电器控制； (4)体积小于继电器控制柜； (5)可将数据直接送入到管理计算机； (6)在成本上可与继电器竞争； (7)输入可以是交流 115v(美国市电)； (8)输出为交流 115v，2a 以上，能直接驱动电磁阀和接触器等； (9)在扩展时，原有的系统只需做很小的变更； (10)用户程序存储器容量至少能扩展到 4k； 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 17 - 以上 10 条，就是著名的 gm10 条，实际上它说明了现在可编程控制器最基 本的功能： (1)用计算机系统代替继电器控制装置； (2)用软件程序代替硬件接线； (3)输入输出信号可以直接和外界设备相连； (4)结构易于扩展； 1969 年，美国数字设备公司(dec)制成了世界上第一台可编程控制器 (plc)，并且在美国通用汽车公司生产线上成功使用，从此，开创了 plc 的新 时代。 1971 年和 1973 年，日本和欧洲开始生产可编程控制器。目前，世界上有 成百家公司生产可编程控制器，竞争激烈，plc 的规格、品种和数量都得到了 高速的发展。现在，plc 已经广泛应用在生产中，据美国麻省的市场调查公司 arc 最新公布，plc 应用市场正以 4.6%的年增长率增加，2003 年的全球 plc 市场总额超出 60 亿美金，到 2008 年将达到 75 亿美金。 3.1.23.1.23.1.23.1.2可编程控制器的特点及应用范围可编程控制器的特点及应用范围 plc 的主要特点如下： (一)高可靠性 高可靠性是 plc 的最突出的优点之一。 由于工业生产过程是昼夜连续的，一般的生产装置要几个月、甚至几年才 大修一次。因此，对用于工业生产过程的控制器提出了可靠性尽可能高的要 求。而工业现场的各种电磁千扰特别严重，针对这一情况，plc 采取了一系列 的措施，其中主要包括： (l)所有的输入/输出(以下均用简称 i/o)接口电路均采用光电隔离，使工 业现场的外电路与 plc 内部电路之间电气上隔离。 (2)各输入端均采用 rc 滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms，对于 一些高速输入端则采用数字滤波，其滤波时间常数可以用指令设定。 (3)各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 (4)采用性能优良的开关电源。 (5)对采用的器件进行严格的筛选。 (6)良好的自诊断功能，一旦电源或其它软、硬件发生异常情况，cpu 立即 采取有效措施，以防止故障扩大。 (7)大型 plc 还可以采用由双 cpu 构成的冗余系统或由三 cpu 构成的表决式 系统，使可靠性更进一步提高。 由于采取了上述一系列措施，使中期 plc 的平均无故障运行时间，又称为 平均故障间隔时间 mtbf(mean time between failures)已经高达几十万小时。 例如日本三菱公司的 f1、f2 系列 plc 的平均无故障运行时间可达三十万小时。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 18 - 事实上，如果一个控制装置连续运行几十万小时不出故障，工业界就会将 其称作无故障设备。所以，现在 plc 的技术性能指标中一般不再列出这一指标 了。 (二)丰富 i/o 接口模块 由于工业控制机只是整个工业生产过程自动控制系统中的一个控制中枢， 为了实现对工业生产过程的自动控制，它还必须与各种工业现场的设备相连 接，才能完成控制任务。因此，plc 除了具有计算机的基本部分如 cpu、存储器 以外，还有丰富的 i/o 接口模块。 plc 针对不同的工业现场信号(如交流或直流、电压或电流、脉冲或电位、 开关量或模拟量、强电或弱电等)，有相