基于PLC的低成本机械式立体停车库控制系统研究毕业论文.doc

毕业设计（论文）（成教）院 (系)： 机电工程学院 专 业： 机电一体化 姓 名： 肖扬 学 号： 2012522246 指导教师： 陈保帆 题目：于plc的低成本机械式立体停车库控制系统研究二一五年 二 月 一 日 毕业设计（论文）任务书学生姓名肖扬学号2012522246专 业机电一体化院（系）机电工程学院毕业设计（论文）题目基于plc的低成本机械式立体停车库控制系统研究任务与要求1 课题研究的背景2 立体车库 plc 控制系统的设计3 立体车库 plc 控制系统硬件部分设计完成时间段二0一四年12 月1 日 至二0一五 年2 月 1 日 共 12 周指导教师单位科创职业学院职称讲师院（系）审核意见毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字十二月一日创作论文完成十二月二十日收集素材完成一月十日修改论文初稿完成二月一日修改论文并上交指导老师完成教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一毕业设计(论文)中期检查记录表学生填写毕业设计(论文)题目: 基于plc的低成本机械式立体停车库控制系统研究学生姓名: 肖扬 学号：2012522246专业：机电一体化 指导教师姓名:陈保帆职称: 讲师检查教师填写毕业设计(论文)题目工作量饱满一般不够毕业设计(论文)题目难度大适中不够毕业设计(论文)题目涉及知识点丰富比较丰富较少毕业设计(论文)题目价值很有价值一般价值不大学生是否按计划进度独立完成工作任务学生毕业设计(论文)工作进度填写情况指导次数学生工作态度认真一般较差其他检查内容：存在问题及采取措施:检查教师签字: 年 月 日院（系）意见(加盖公章): 年 月 日摘 要进入 21 世纪后，伴随着我国经济继续地大踏步前进和人民生活期望值的提升，市民人均拥有私家车的数量逐年上升。加上我国近几年用地的紧张，于是停车难的问题越发凸现。虽然立体车库的投入使用缓解了目前停车难的问题，但很多在役的立体车库存在的问题还是很多，例如：成本高、利用率低、不易推广、安全性差等问题。结合目前市场上的立体车库现状和现实使用中的实际环境，本文提出了低成本、机械式立体车库的设计构想。本课题研究的立体车库的整个结构框架和控制系统基于低成本、低能耗、结构简练等设计理念。在基于模块化的立体车库结构框架设计完成的基础上，本文主要针对基于 plc 的电气控制系统进行了设计和理论研究。提出了一台电机根据系统控制要求选择性的为多个载车台模块提供动力的设计方法，不仅使得驱动传动结构布置紧凑，节省了空间，而且大大减少了电机的数目，降低了建造成本。根据整个立体车库系统控制要求，在基本电气运行线路设计后，加入了西门字 s7-300plc、接近开关、车位检测开关、西门子变频器、绝对编码器等硬件部分，并且各个硬件通过 dp总线进行信息交换设计，在硬件搭建完成的基础上通过相应软件程序的编译完成，进而实现了整个立体车库控制系统的智能控制。控制系统各部分包括电机轴运动位置检测，plc、变频器和编码器构成的闭环控制系统实现载车板平稳精确地运行到设定位置，辅助设施的正确安全工作，plc 与人机交互单片机之间的数据信息交换实现等；考虑到低成本机械式立体车库项目对驱动传动系统安全可靠性的要求，所以根据国家关于机械式停车设备通用安全要求的标准对保障系统安全可靠的措施进行了分析研究；最后主要对基于 plc 的下位机与其他控制部分（监控计算机和人机交互单片机）之间的通信部分和联调进行了相关介绍。本课题所研究的立体车库具有开发难度小、制造成本低、能耗低等优点，尤其适合居民小区、工作单位这样的场所需求，以上优点对立体车库的推广将起到积极的作用。关 键 词：立体车库 电气控制系统plcabstractafter entering the 21st century, the amount of the civil private car per capita is increasing year by year along with the rapid development of our nations economy and the improvement of the civil life expectation value. adding the stress of our nations land in recent years, the problem of the parking difficulty is all the more protruding. although the employment of the stereo garage relieve the recent problem of the parking difficulty, the in-service stereo garages have many problems, for example, high cost, low utilization ratio, not easy to popularize, low safety and so on. combined with the stereo garages status in the market presently and practical environment in the realistic use, the thesis provided the design conception of the low-cost and mechanical stereo garage. the whole structure frame and control system of this issue is based on the design ideas which are low cost, low energy, simple structure and so on. on the basis of the completion of the stereo garages structure design based on the modular, the thesis mainly does the design and the theory research that are aimed at electrical control system based on the plc. the thesis proposed the design method which isthat one motor selectively provides power to multiple vehicle-loading station according to the system control requirement, it will not only make the structural arrangement of the drive and transmission more compact so that it saves the space, but also reduce the motors amount greatly so that it lets the construction cost down. according to the whole stereo garages controlling requirement, after the design of the basic electrical operation line, the system is added by hardware which include siemens s7-300plc, proximity switch, parking detection switch, siemens inverter, absolute encoder and so on, in addition, the each hardwares information is exchanged by the dp bus, on the basis of hardware buildings completion and then by the relevant software programs compilation, the intelligent control of the whole stereo garages controlling system will be realized. the control system includes the motors motion position detect, the closed loop control system constituted by plc, inverter and code can realize the car-carrying boards moving to the setting position smoothly and accurately, the realization of the date and information exchange between plc and human-computer interaction scm and so on; considering the safety and reliability requirement of the driving and transmission system in the low-cost and mechanical stereo garage item, so the thesis do the analysis and research of the measure safeguarding the systems safety and reliability according to the general safety standard required by the states mechanical parking equipment; at last do the related introduction of the communication and debugging between lower machine based onthe plc and other controlling part(monitoring computer and human-computer interaction scm). the stereo garage researched by this issue has the advantages that are easy to develop, low manufacturing cost, low energy consumption and so on, which especially fits the demand of the places that are residential area, work units, the merit above will play a positive role in the spread of the stereo garage. key word:three-dimensional garage; electric control system;plc 目录1 绪论 . - 1 - 1.1 课题研究的背景 . - 1 - 1.2 立体车库国内外的发展概况 . - 1 - 1.2.1 立体车库国外发展概况 . - 1 - 1.2.2 立体车库国内发展概况 . - 2 - 1.3 立体停车库的研究现状 . - 2 - 1.4 课题研究的目的及意义 . - 3 - 1.5 本文研究主要内容和要解决的主要关键问题. - 3 - 1.5.1 课题研究主要内容. - 3 - 1.5.2 课题研究内容的技术指标 . - 4 - 2 立体车库 plc 控制系统的设计 . - 5 - 2.1 车库的框架结构组成及实现原理. - 5 - 2.1.1 车库的框架结构组成 . . - 5 - 2.1.2 车库的整体控制原理. - 8 - 2.1.3 车库的运行原理 . - 9 - 2.2 plc 控制系统总体方案 . - 13 - 2.2.1 plc 控制系统 . - 13 - 2.2.2 系统功能设计 . - 13 - 2.2.3 plc 控制系统结构组成 . - 14 - 2.3 本章小结 . - 16 - 3 立体车库 plc 控制系统硬件部分设计 . - 17 - 3.1 plc 在立体车库系统控制中的应用. - 17 - 3.1.1 plc 介绍 . - 17 - 3.1.2 plc 适合工控的原因 . - 17 - 3.1.3 车库 plc 的基本内部结构 . - 17 - 3.1.4 plc 的运行原理 . - 19 - 3.1.5 s7-300 plc 的技术参数 . - 20 - 3.2 plc 控制各部分硬件实现 . - 21 - 3.2.1 载车板停车状态检测 . - 21 3.2.2 载车板运动控制与定位 . - 22 - 3.2.3 控制系统电气原理图 . - 28 3.3 plc i/o 口分配 . - 30 - 3.3.1 plc 端口分配 . - 30 - 3.3.2 plc 端口外部接线图 . - 33 - 3.4 plc 系统可靠性硬件设计 . - 34 - 3.5 本章小结 . - 34 - 4 立体车库 plc 控制系统软件部分的设计 . - 35 - 4.1 plc 编程环境介绍 . - 35 - 4.1.1 s7-300 程序结构 . - 35 - 4.1.2 s7-300 程序编译方式 . - 36 - 4.1.3 plc 软件开发基本说明 . - 36 - 4.2 s7-300 程序软件编程 . - 37 - 4.2.1 dp 编码器 . - 37 - 4.2.2 mm440 变频器使用介绍 . - 38 - 4.2.3 s7-300 的硬件组态 . - 39 - 4.3 s7-300 的软件程序编译 . - 40 - 4.4 系统可靠性软件设计 . - 46 - 4.5 本章小结 . - 46 - 5 立体车库系统通信 . - 47 - 5.1 plc 与人机交互(单片机)的通信实现内容 . - 47 - 5.2 s7-300 与单片机通信原理 . - 47 - 5.2.1 s7-300 与单片机通信硬件实现 . - 47 - 5.2.2 s7-300 与单片机通信协议. - 48 - 5.2.3s7-300 与单片机通信流程图 . - 49 - 5.3 本章小结 . - 51 - 6 车库控制系统调试 . - 52 - 6.1 s7-300 控制系统调试内容 . - 52 - 6.2 s7-300 控制系统调试注意点 . - 53 - 6.3 调试结果 . - 53 - 6.4 本章小结 . - 55 - 结论与展望 . - 56 - 致 谢 . 57 -参 考 文 献 .1 绪论1.1 课题研究的背景进入 21 世纪，我国经济通过不断完善其发展模式依然保持良好稳定的前进速度1。人民生活的期望值随之提升，加上汽车工业迅猛发展和良好的消费环境，人均拥有汽车的数量逐年上升, 私人汽车保有量增长依然显著，2012 年中国私人轿车保有量 5308 万辆，增长 22.8。汽车保有量的快速上升与有限的停车位之间的矛盾越发的明显，经常出现上班找不到车位，回家无处停车的窘况。 生活小区，工作单位停车难的问题在大中型城市尤为明显，虽然很多城市在停车管理上投入了大量的精力，适度地减缓了停车难。但没有从根本上解决问题，高峰期随意占用道路和居民区绿地停车的现象依然很严重，从而加剧了交通管理的负担，降低了居民生活的品质。另外，由于停车场的严重不足，导致部分大城市的停车费用极其高昂，一个停车位的年收入高达几万元，如此某种程度上阻碍了城市的发展。目前的停车难、乱停车日益严重的现象早已引起各方面的关注。部分城市已经开始投入使用用地效率更高的立体车库，其他一些城市也在积极地引进立体车库2-3。 很多在役的立体车库在改善停车环境的同时，凸显的问题还是比较多的。例如：收费较传统车位高导致利用率低，能耗大、结构复杂、管理繁琐，不太满足生活小区以及相应工作单位需要的配套的小面积停车库。在这种情况下，立体车库的经济效益将大打折扣，收回投资更是遥遥无期，使很多投资人望而却步，资金很难落实到位，以此造成所建立体车库质大打折扣，这样本来可以有效解决问题的立体车库很难大范围的推广使用。 本课题提出的低成本、机械式立体车库具有成本低、能耗低的特点，能够使立体停车备在生活小区、相应的工作单位(医院、事业机关等)得到推广使用，与此同时其立足于低成本这个立项思想也正合投资人的意愿，有利于立体车库在停车难这个大环境下的推广使用，这种低成本、机械式立体车库也响应国家十二五期间提出的绿色发展的号召。 1.2 立体车库国内外的发展概况1.2.1 立体车库国外发展概况 立体车库在国外起步早，这些国家和地区包括欧洲、日本、美国和韩国4。这些国家的很多产品中的技术都处于领先地位，而国内一开始有很多立体停车库是引进这些国家，主要集中于日本、德国和韩国。国土面积小的日本是亚洲立体停车设备的鼻祖，在汽车保有量逐年上升的背景下，从1959年引进机械式立体车库技术后，经过40余年时间，从最初的单一垂直循环发展到垂直升降类、水平循环类、垂直循环类、简易升降类等多种型式，其中生产机械式停车设备的公司约100多家，比较大的公司有新明和、石川岛播磨、日精、三菱重工等。 韩国立体车库产业在很大程度上得益于政府在每个环节上的关注和支持，虽然一开始也是走引进吸收的战略，但现在也能开发和利用各种型号的机械停车设备。目前韩国的机械立体停车设备进入稳步发展阶段5-7。欧洲国家现状是由于土地规划做的比较好，表现在目前土地还不是特别的紧张，其立体车库中多层升降横移式产品占有很大的比重，集中体现在巷道堆垛类产品上。 国外立体车库的主要特点：一是技术含量高，日本和德国的车库行业将已成型的机电技术成果转化和移植到车库产品中，使车库产品更新很快，在车库的存取车速度，存车量方面的改进相当快速，进而逐步代替老式车库；二是车库产品朝着性价比更高的方向发展。不但重视停车密度和高性能，更讲究产品的经济实用性及单车位造价；三是立体车库的选型更加合乎于现场情况，以保证解决停车难问题的同时能做到不浪费多余。 1.2.2 立体车库国内发展概况我国机械停车设备的研制和使用同样是走引进、吸收、开发、制造发展道路，目前停车设备行业在我国已经逐步走向成熟。2003年以来，进入稳步发展和快速增长的我国机械式停车行业不仅在车库种类上有了很大的提高，并且更可贵的是很多车库使用了当前机械、结构、光电、变频调速等先进技术，这样在车库安全管理和运行稳定上都得到了很大的保障。传动结构的进一步优化也给车库装置带来了很大的进步，其中通过内藏式传动装置进而提高了设备的耐久性8。对机械结构进行模块化设计更加便于组合使用和安装拆卸，缩短施工周期；采用新材料、新工艺，如钢结构采用h型钢，载车板采用整体成型镀锌板。车辆采用声光引导精确定位，保护方面采用感应自动消防灭火系统。 1.3 立体停车库的研究现状国外立体车库目前以形成技术密集型产品，就其所使用技术包含了机械、电子、液压、磁控合计算机技术等领域等先进技术。我国的立体停车产业虽已步入较好的发展态势，但还是存在了一些尚待解决的问题9。比如前期建造的立体车库存在自动化程度较低、安全信任度偏低等一些问题，再加上我国的立体车库相关的政策管理还不够完善，使得我国的立体车库这一新兴行业还有很大的发展空间。所以我们需要国家设定更加合理的立体车库行业管理的法律法规，以及加大对立体停车设备行业的政策扶持，与此同时需要科研设计单位和相应高校的参与，以此增强设备上技术创新。就立体车库技术方面。 目前我国主要在下面几个方面上与国外领先技术存在差距10-12： (1) 前期投资过高和后期经济效益差让投资人望而却步；(2) 建成后的维护费用也不菲，而且有些车库维护工作比较繁琐； (3) 控制系统设计繁琐造成操作不便捷，设备结构复杂给使用者不安全感； (4) 为了减少成本，厂家对载车板设计考虑不周全造成车辆的停放困难； (5) 实用效果不好，科技成分比重不足造成安全可靠性技术、模块化技术、防护采光技术以及经济效益相对国外领先产品还不太成熟； 1.4 课题研究的目的及意义该课题所研究的低成本、机械式立体车库采用开放式的机械结构框架，省去了传统车库的通风、照明设施，因而进一步节省了成本13。两排垂直升降车库共用一个出入车通道进一步节约了土建用地；载车板采用垂直升降已达到整个车库结构简单，操作便捷，能耗低、可靠性好；控制系统中不管是用于人机交互系统的单片机还是执行控制所采用的西门子s7-300 plc都是目前应用很成熟的开发技术，这样使得整个开发周期短，后期升级便捷。本课题所研究的立体车库较适宜于居民小区、工作单位、购物超市等一些不适合建大中型车库的场所。低成本、开放式立体车库有以下优点： (1) 需求量大。己建和在建住宅小区的配套车位很多都是传统车位，而且很难满足停车需要，造成小区居民生活品质的下降。 (2) 前期投资低、不易推广。大型全自动立体车库平均每个车位约20万元，中型车库一般在10万元左右，而小型车库一般在3万元左右，低成本、开放型机械式立体车库是适合目前立体车库发展形势的，也易于推广。 (3) 开发难度小。相比较而言，采用成熟的plc和单片机控制技术，开发周期短、开发难度小。 (4) 能耗低。因为车库为开放型，不需要照明、通风、消防等设备，大大降低了能耗，同时积极响应国家十一五期间提出的节能减排的号召。 如果本课题所设计的低成本，机械式立体车库可以得到大范围的推广。不仅可以改善目前城市车辆带来的拥挤现象，为城市更加和谐地发展做出一定的贡献，也可以在政府良好政策的引导下带动一大批第三产业的兴起；同时也借着国家西部大开发这个良好的投资环境，对装备制造业和民族信息产业的振兴都有积极地推动作用。从以上介绍可以看出这样立体车库的建设有着重要的社会意义和经济意义。 1.5 本文研究主要内容和要解决的主要关键问题 1.5.1 课题研究主要内容本课题研究的内容涉及的学科和门类还是很多的，包括：工控机监控技术、组态技术、人机交互单片机研发、plc电气部分开发、视频图像采集技术、id卡数据库管理、通信安全等，具有很强的技术创新性，对学科的综合应用起到很好的示范作用。本文从工程的实际应用出发，主要侧重基于plc的电气控制部分的设计。 针对低成本、机械式立体车库自动控制的作业流程，结合plc控制技术特点以及与其他控制部分的关联，本文研究的主要内容涉及： （1）立体车库总体框架结构及工作原理； （2）立体车库控制系统作业流程及 plc 电气部分在其中的作用实现； （3）信息导入、数据传输与系统处理的实现； （4）plc 电气控制执行机构能耗优化； （5）立体车库的 plc 电气控制部分与其他控制部分的通信实现； （6）系统单独调试和联调实现以及相关注意事项。 1.5.2 课题研究内容的技术指标 基于本课题设计思想和最终实现目标，本文主要解决的关键问题应该达到以下标准： 1.整个控制网络组态的实现14-15。主要包括：西门子s7-300 plc系统通过串行通信模块实现与人机交互的单片机系统之间。通过profibus总线实现对编码器信息的提取以便通过变频器精确对电机实现控制。 2.基于西门子s7-300系列plc的现场执行控制机构的设计开发。采用plc硬件连接的联锁、软件程序互锁双重设置来实现对升降执行机构与立体车库保护装置的监控。 3.合理分配人机交互、上位机监控和plc电气控制执行的工作关系，设定好低成本、开放型机械式立体车库存取车作业方式，以及离线和在线两种模式下具体的工作流程。 4.实现s7-300plc、变频器与绝对编码器组成闭环结构以此对电机转速实现控制要求的控制，从而使载车板运动更加精确，平稳。 5.编写基于step 7 v5.4 的西门子s7-300 plc软件程序，主要包括与上位机和起到人机交互作用的单片机的通讯程序，自身对现场数据采集和对现场执行机构操作的程序以及相关安全监控程序的编写等。 6.最后进行plc系统的单机自身调试、联机调试，进而对整个低成本、机械式立体车库控制系统功能的联合调试和测试，以达到现场使用的要求。2 立体车库 plc 控制系统的设计 2.1 车库的框架结构组成及实现原理2.1.1 车库的框架结构组成 立体车库的基本框架选用共用一个入库车道的双面对开的结构，平面结构示意图如图 2.1 所示，立体框架示意图如图 2.2 所示。结构俯面示意图与立体框架示意图以双面对开，两面称为 a、b 区，每面六列，每列三个停车位（共 36 个停车位）的初始结构画出，以地面为分界地上三层地下两层，也即一列三层的载车板在下面两层载车板运动到地下时，最上面一层的载车板就会与地面平行以方便存取车。两面停车库共用一个行车通道，进一步达到节约用地的目的16。载车板设有停车导槽，方便车辆的安全停放和保证车辆随库运动的安全系数。整个框架结构根据实际应用场所，可以减少或者增加对应列数用以满足不同的数量需求。所以本课题研究的低成本、机械式立体车库的框架结构实际是以模块化形式组合而成，方便了设备的优化改造。 框架结构包括以下几部分： (1)主体结构：基于节约成本的思想，选用开放型机械式作为主框架，采用热扎 h型钢、槽钢、角钢和钢板焊接成型，用高强度螺栓连接，以便停车设备结构部分以更好的刚度和强度承载包括来自用户车辆的重量和自身各个部件的重量，由于采用开放型结构从而可以省去通风、照明设备从而可以进一步节约开发成本。 (2)载车板：载车板采用 q235b 型钢材，采用一体冲压工艺成型，厚度为 2mm，上下连接采用活动是连接件，考虑到现有小轿车的高度大约在 1550mm，所以我们将载车板之间的高度间隙设定为 1600mm,载车板的尺寸为 5500mm1870mm。并且充分考虑载车板在车子驶入开始，驶入中，驶入结束这三个工作状态对载车板端部，拖拽钢丝与整个载车板连接处以及载车板之间的连接处等进行受力分析以便更好的进行后期机械框架设计。 (3)传动结构：通过对液压传动、链传动、钢丝绳传动的优缺点总结，以及结合现场使用的需求最终选用了钢丝绳传动的方式17-18。以驱动电机为动力源，经由传动轴、配重、导向轮以及钢丝绳等构成整个传动系统。并且采用导向槽和安在载车板四个角上的导向靴机械器件使得载车板可以安全可靠的上下运动。载车板示意图如图 2.3 所示。 (4)载车板选择机构：该控制系统为了进一步节省成本和减少能源消耗，提出了一个驱动电机通过类似离合器装置的机械结构控制三列载车板，通过单片机和 plc 联合驱动小型电机首先带动圆柱凸轮机构转动，带动凸轮机构中的槽内小滑块向上滑行，从而带动滑移齿轮与主动齿轮啮合，其中单片机负责监控整个机动结构，然后将完成信息状态传输给 plc，该装置机械原理图如图 2.4 所示。2.1.2 车库的整体控制原理本课题立体车库控制主要分为四部分19-21。包括： (1)用于人机交互作用的单片机控制系统，它包括电源模块、键盘模块、lcd 显模块、语音提示模块、通信模块、车主刷卡模块、卡号信息备份模块等，其主要功能就是使得车主与整个立体车库系统的交流更加顺畅。方便车主进行存取车动作，让车主切实体会到该套停车设备的优越性。 (2)用于现场监控以及对信息进行数据库管理的上位机系统22-23。它包括卡号相关信息的数据库管理模块、现场视屏监控管理模块、车位使用信息显示模块、通信模块等。主要用于给管理人员更加游刃有余地对车库进行监控管理以保证车库系统安全运行，同时它还具备存取车位优化能力。 (3)用于现场执行机构操作控制的 plc 电气控制系统，它包括对驱动电机的控制车位使用信息提取、载车板走位精确定位、存取车指示灯、继电器控制原理图、与人机交互单片机的通信等设计。这部分的内容也是本篇论文的重点部分，这部分设计是否合理对立体车库工作安全影响很大，一旦在电气运行部分出现故障或者是运行结果不够精确，那将造