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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11.1自动化立体车库的发展与现状简介11.2研究自动化体力车库的意义31.3 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52.1 PLC简介52.1.1 PLC的产生52.1.2 PLC的定义62.1.3PLC的种类62.2 PLC的特点82.3 PLC的组成及工作原理102.3.1 PLC的组成102.3.2 PLC的工作原理172.4 PLC的编程语言192.4.1 梯形图语言（LD）192.4.2 指令表语言（IL）192.4.3 功能模块图语言（FBD）202.4.4 顺序功能流程图语言（SFC）202.4.5 结构化文本语言（ST）20第3章 立体车库硬件设计223.1 硬件器件简介223.1.1 松下FP1型PLC223.1.2 传感器（BEN5M-MDT）22 3.1.3 行程开关（YKXX1-111（T）233.1.4 转换开关（YKXH28）233.1.5 按钮（YKXY6）233.1.6 指示灯（AD16-16DS）233.1.7 升降电机243.1.8 横移电机243.2 硬件设计243.2.1 升降横移立体车库简介243.2.2 车库外观图设计253.2.3 PLC原理图设计253.2.4 控制面板设计27第4章 PLC控制系统软件设计29 4.1 PLC型号的选择294.1.1 I/O点数的确定294.1.2 选定PLC294.1.3 控制系统I/O地址分配294.2 PLC控制程序设计324.2.1 控制程序流程图324.2.2 闸门控制程序324.2.3 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B I/O控制原理图50致谢51II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，上海举办了名为“2006上海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，土地资源日益紧张的情况下，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上海市，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，而黄浦区是上海的黄金地段，商家林立，人口流动相当大，停车自然成了一个难题。又如，随着西宁市经济迅猛增长，人民生活水平不断提高，西宁市民汽车拥有量也快速增长。根据调查，戒指2012年12月25日，西宁机动车拥有量为290647，意味着在即将到来的2013年，西宁机动车将会突破30万辆，但是，停车却成了有意亟待解决的难题。西宁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，西宁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2.1 PLC简介2.1.1 PLC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，可以满足一定范围内的控制要求，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： 编程简单，可在现场修改程序。 维护方便，采用模拟化结构。 可靠性高于继电-接触器控制装置。 体积小于继电-接触器控制装置。 成本可以与继电-接触器控制装置竞争。 可将数据直接输入计算机。 输入交流115V（美国标准系列电压值）。 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。 通用性强，能扩展。 能存储程序，存储器容量至少能扩展到4KB。2.1.2 PLC的定义PLC即可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），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范围，还具有了数据处理等功能。于是，美国电器制造商协会（National Electronic Manufacture Association,即NEMA）,将其命名为可编程控制器（Programmable Controller,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、模拟式的输入输出，控制各种机械或生产过程。2.1.3 PLC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、内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2561024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，应用范围更广，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内，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，组装在一个机架内。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。2.2 PLC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内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内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内部有严格的同步，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内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，对于其内部工作状态、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。2.3 PLC的组成及工作原理2.3.1 PLC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内部总线进行连接的，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2-1 PLC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。 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。 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。 诊断电源和PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误。 PLC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内容，再由输入映像寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通信等。其他接口外存接口EPROMA/D、D/A盒式存储器计算机ROMRAM其他设备键盘与显示中央处理器（CPU） 内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2-2 PLC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。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）。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内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。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、输出以及内部接点和线圈的状态以及特殊功能要求的数据。用户存储器的内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100120V或200240V）模块两种。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。虚线框内是PLC内部输入电路，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，内部+5V电压经R3和滤波器形成适合CPU所需的标准信号送入内部电路中。SR1+5V交内部电路CR2VLC滤波器COMAR3LED图2-3 直流输入模块原理电路内部电路中的锁存器将送入额信号暂存，CPU执行相应的指令后，通过地址信号和控制信号将锁存器中的信号进行读取。当输入电源有PLC内部提供是，外部电源断开，将现场检测开关的公共接点直接与PLC输入模块的公共输入点COM相连接即可。交流输入模块外部检测开关接点加入的是交流电时，需使用交流输入模块进行信号的检测。交流输入模块的原理电路图如图2-4所示。外部检测开关S的一端接外部交流电（交流100120V或200240V），S的另一端与PLC的输入模块的一个信号输入端子相连，外部交流电源的另一端PLC输入模块的公共端COM。虚线框内是PLC内部输入电路，R1和R2构成分压电路；C为隔直电容，用来过滤掉输入电路中的直流成分，对交流相当于短路；LED为发光二级管。当S闭合时，PLC可输入交流电源，其工作原理与直流输入电路类似。SR1+5V交内部电路CR2VLC滤波器COMAR3LED图2-4 交流输入模块原交直流输入模块当外部检测开关接点加入的是交流或直流电压时，需使用交直流输入模块进行信号的检测，如图2-5所示。从图中看出，其内部电路与直流输入模块原理电路类似，只不过交直流输入模块原理电路的外接电源除直流电源外，还可以使用1224V的交流电源。（2）数字量输出模块数字量输出模块又称为开关量输出模块，它可将PLC内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。数字量输出模块按照使用电源（即用户电源）的不同，分为直流输出模块、交流输出模块和交直流输出模块3种。按照输出电路所使用的开关器件不同，又分为晶体管输出、晶闸管（即可控硅）输出和继电器输出。其中晶体管输出方式的模块只能带直流负载，晶闸管输出方式的模块只能带交流负载，继电器输出方式的米快即可带直流负载也可带交流负载。直流输出模块（晶体管输出方式）PLC某I/O点直流输出模块的电路图如图2-6所示，虚线框内表示PLC的内部结构。它由光电耦合器VLC、二极管现实LED、输出电路VT、稳压管VD、熔断器FU等组成。当某端需输出时，CPU控制锁存器的对应位为1，通过内部电路控制VLC输出，晶体管VT导通输出，相应的负载接通，同时输出指示灯LED亮，表示该输出端有输出。当某端不输出时，锁存器相应位为0，VLC没有输出，VT晶体管截止，使负载失电，此时LED指示灯不亮，负载所需直流电源由用户提供。SR1+5V交内部电路CR2VLC滤波器comAR3LED图2-5 交直流输入模块原理电路内部电路 VLC+5V负载VTLEDR2VDR1R3FUCOM图2-6晶体管输出电路交流输出模块（晶闸管输出方式）PLC某I/O点交流输出模块电路图如图2-7所示，虚线框内表示PLC的内部结构。图中双向晶闸管为输出开关器件，由它组成的固态继电器T具有隔离作用；电阻R2和C构成了高频滤波电路，减少高频信号的干扰；浪涌吸收器起限幅作用，将晶闸管上的电压限制在600V以下；负载所需交流电源由用户提供。当某端输出时，CPU控制锁存器的对应位为1，通过内部电路控制T导通，相应的负载接通，同时输出指示灯LED两，表示该输出端有输出。交直流输出模块（继电器输出方式）PLC某I/O点交直流输出模块电路如图2-8所示，它的输出驱动是继电器K。继电器K即使输出开关，又是隔离器件；R2和C构成灭弧电路。当某端需要输出时，CPU控制锁存器的对应位为1，通过内部电路控制K吸合，相应的负载接通，同时输出指示灯LED亮，表示该输出端有输出。负载所需交直流电源有用户提供。内部电路 T负载R2浪涌交吸收器LEDC R1 图2-7 晶闸管输出电路负载内部电路交LEDVDR2R1KC 图2-8 继电器输出电路通过上述分析可知，为防止干扰和保证PLC不受外界强电的侵袭，I/O模块都采用电气隔离技术。晶体管只能用于直流输出模块，它具有动作频率高、响应速度快、驱动负载能力小的特点；晶闸管只能用于交流输出模块，它具有响应速度快、驱动负载能力不大的特点；继电器既能用于直流也能用于交流输出模块，它的驱动负载能力强，但动作频率和响应速度慢。（3）模拟量输入模块模拟量输入模块用于将输入的模拟量如电流、电压、文都、压力等转换成PLC的CPU可接受的数字量。在PLC中将模拟量转换成数字量的模块又叫A/D模块。（4）模拟量输出模块模拟量输出模块用于将输出的数字量转换成外部设备可接受的模拟量，这样的模块在PLC中称为D/A模块。4. 电源单元PLC的电源单元通常用于将220V的单相交流电传换成CPU、存储器等电路工作所需的直流电，它是整个PLC系统的能源供给中心，电源的好坏直接影响PLC的稳定性和可靠性。对于小型整体式PLC，其内部有一个高质量的开关稳压电源，对CPU、存储器、I/O模块提供5V直流电源，还可为外部输入单元提供24V的直流电源。5. 通信接口为了实现微机与PLC、PLC与PLC间地对话，PLC配有多种通信接口，如打印机、上位计算机、编程器等接口。6. I/O扩展接口I/O扩展接口用于将扩展单元或特殊功能单元与单元相连，使PLC得配置更加灵活，以满足不同控制系统的要求1-3。2.3.2 PLC的工作原理PLC虽然以微处理器为核心，具有微型计算机的许多优点，但它的工作方式却与微型计算机有很大的不同。微型计算机一般采用等待命令或中断的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，当有按键或I/O动作时，则转入相应的子程序或中断服务程序；无键按下时，则继续扫描等待。而PLC采用循环扫描的工作方式，即“顺序扫描，不断循环”。用户程序通过编程器或其他输入设备存放在PLC的用户存储器中。当PLC开始运行时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，可完成个输入点状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、个输出点状态的更新、编程器键入响应和显示器更新及CPU自检等功能。PLC的扫描可按规定顺序进行，也可按用户程序规定的顺序进行。这不仅仅因为有的程序不需要每扫描一次，执行一次，也因为在一个大控制系统中，需要处理的I/O点数较多。通过不同的组织模块的安排，采用分是分批扫描执行方法，可缩短扫描周期和提高控制的实时响应性。PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，减少了外间干扰的影响。PLC的循环扫描过程分为输入采样（或输入处理）、程序执行（或程序处理）和输出刷新（或输出处理）3个阶段。1. 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入状态惊醒采集，并将采样结果分别存入相应的输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行期间即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容不会改变，输入状态的变化只在下一个工作周期的输入采样阶段才被从新采样到。2. 程序执行阶段在程序执行阶段，PLC是按顺序对程序进行扫描执行，如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序进行。如遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中设计输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器将上一阶段采样的输入端子状态读出，从元件映像寄存器中读出对应元件的当前状态，并且根据用户程序进行相应运算，然后将运算结果再存入元件寄存器中。对于元件映像寄存器来说，其内容随着程序的执行而发生改变。3. 输出刷新阶段当所有指令执行完后，进入输出刷新阶段。此时，PLC将输出映像寄存器中所有与输出有关的输出继电器的状态转存到输出锁存器中，并通过一定的方式输出，驱动外部负载。PLC工作过程除了包括上述3个主要阶段外，还要完成内部处理、通信处理等工作。在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，PLC与其他带微处理器的智能装置实现通信4-14。2.4 PLC的编程语言PLC的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制设计的。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3）。PLC的编程语言包括以下五种：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块图语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）及结构化文本语言（ST）15。2.4.1 梯形图语言（LD）梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。它是与继电器线路类似的一种编程语言。由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉，因此，梯形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用。梯形图编程语言的特点是：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是，梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，应用时，需要与原有继电器控制的概念区别对待。2.4.2 指令表语言（IL）指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下，适合采用PLC手持编程器对用户程序进行编制。同时，指令表编程语言与梯形图编程语言图一一对应，在PLC编程软件下可以相互转换。指令表表编程语言的特点是：采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握；在手持编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的场合进行编程设计；梯形图有一一对应关系。其特点与梯形图语言基本一致。2.4.3 功能模块图语言（FBD）功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种PLC编程语言。采用功能模块图的形式来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。功能模块图编程语言的特点：功能模块图程序设计语言的特点是：以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；功能模块是用图形的形式表达功能，直观性强，对于具有数字逻辑电路基础的设计人员很容易掌握的编程；对规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间大大减少。2.4.4 顺序功能流程图语言（SFC）顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间。用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。顺序功能流程图编程语言的特点：以功能为主线，按照功能流程的顺序分配，条理清楚，便于对用户程序理解；避免梯形图或其他语言不能顺序动作的缺陷，同时也避免了用梯形图语言对顺序动作编程时，由于机械互锁造成用户程序结构复杂、难以理解的缺陷；用户程序扫描时间也大大缩短。2.4.5 结构化文本语言（ST）结构化文本语言是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言。它是类似于高级语言的一种编程语言。在大中型的PLC系统中，常采用结构化文本来描述控制系统中各个变量的关系。主要用于其他编程语言较难实现的用户程序编制。结构化文本编程语言采用计算机的描述方式来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。大多数PLC制造商采用的结构化文本编程语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。结构化文本编程语言的特点：采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；需要有一定的计算机高级语言的知识和编程技巧，对工程设计人员要求较高。直观性和操作性较差。不同型号的PLC编程软件对以上五种编程语言的支持种类是不同的，早期的PLC仅仅支持梯形图编程语言和指令表编程语言。目前的PLC对梯形图（LD）、指令表（STL）、功能模块图（FBD）编程语言都以支持。比如，SIMATIC STEP7 MicroWIN V3.2。在PLC控制系统设计中，要求设计人员不但对PLC的硬件性能了解外，也要了解PLC对编程语言支持的种类18。第3章 立体车库硬件设计3.1 硬件器件简介3.1.1 松下FP1型PLCFP1是一种功能强大的小型机，在设计过程中采用先进的方法及组件，使其具有通常大型PLC中才具备的功能。虽然是小型机，但其功能较完善，性能价格比高，适用于工业现场的单机控制，特别适合在轻工业中、小型企业中使用。FP1主机控制单元内有高速计数器，可输入频率高达10kHz的脉冲，并可同时输入两路脉冲。另外还可输出频率可调的脉冲信号，具有8个中断源的中断优先权管理。通过主机上配有的RS-422或RS-232接口，可实现PLC与PC之间的通信，将PC上的梯形图程序直接传送到可编程控制器中去。 FP系列可编程控制器无论采用的是手持编程器还是编程工具软件，其编程及监控功能都很强，从而为用户提供了方便的软件开发环境。FP1系列的硬件配置较全，主机可通过外接I/O扩展单元（扩展单元位一些扩展I/O点数的模块，由E8E40系列组成）扩展I/O点。FP1的智能单元主要有A/D、D/A模块。当需要对模拟量进行测量和控制时，可以连接智能单元。FP1的指令功能也较强，有近200条指令，除能进行基本逻辑运算外，还可以进行加、减、乘、除四则运算；数据处理功能也比一般小型机强，除处理8位、16位数据外，还可以处理32位数据，并能进行多种码制变换。除一般PLC常用的指令外，还有中断和子程序调用、凸轮控制、高速计数、字符打印以及步进指令等特殊功能指令。由于指令非常丰富，功能较强，故给用户提供了极大方便。此外，FP1的监控和逻辑功能也很强，有几十条监控命令、多种监控方式19。3.1.2 传感器（BEN5M-MDT）它是一种测距的光电传感器，具有测距远（最远可达到5米），采用反射镜反射的检测方式，DC1224V供电，NPN/PNP同时输出，遮光ON/入光ON选择。3.1.3 行程开关（YKXX1-111（T）又称限位开关,可以安装在相对静止的物体(如固定架、门框等，简称静物)上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。适用于操动机构交流电压380V、直流220V，发热电流为5A的控制电路中。3.1.4 转换开关（YKXH28）具有体积小、结构紧凑、功能齐全、操作灵活可靠、外形美观等优点，该开关产品结构设计，材料选用于传统开关有着较大差别，具有很高的技术含量，可与国外最先进的蓝系列开关相媲美，对于提高成套设备的可靠性及产品档次有着重要的意义。主要用于交流50Hz，额定电压至380V及以下， 直流额定电压至220V及以下的电路中作接通、分段和转换电路之用，也可直接控制小容量电动机和作主令控制之用。3.1.5 按钮（YKXY6）主要用于交流50Hz-60Hz工作电压至380V和直流工作电压至220V的控制电路中，作控制、信号、连锁之用。3.1.6 指示灯（AD16-16DS）AD16系列指示灯均采用LED发光芯片为光源，灯罩采用高强度聚碳酸脂制成具有良好的抗冲击性，寿命可达到5万10万小时，能耗低、体积小、重量轻。3.1.7 升降电机载车板升降所需功率较大，故选用交流大电机。载车板的升降由电机的正反转控制。3.1.8 横移电机 载车板的横移所需功率较小，使用小型交流电机，通过横移电机的正反转控制载车板的横移运动。3.2 硬件设计3.2.1 升降横移立体车库简介升降横移立体停车库车位结构为2维矩阵形式，可设计为多层、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)，以2、3层者居多，可根据泊车的多少决定停车库的规模。车库可设在地上，也可设在地下，或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的需要，配置非常灵活。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和进出车动作，进出车后再上升回到原位置。升降横移停车库利用载车板移位产生垂直通道，实现高层车位升降存取车辆，全部逻辑过程均由PLC进行控制。地面以上布置的升降横移立体车库结构特点：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和进出车动作，进出车后再上升回到原位置。运动总原则是：升降复位，平移不复位20。3.2.2 车库外观图设计本次设计要求设计一个双层8车位升降横移式立体车库，根据车库的特点，设计车库的车位如图3-1所示：图3-1 车库外观图其中0号车位仅做一层车位横移用，不用来存放车辆。车库运行规则：14号车位只能左右移动，不能上下移动；58号车位只能上下移动，不能左右移动。下排车位上的汽车可以直接开出；上排车位的汽车需要先降到下排车位才能开