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PLC控制的升降横移式自动化立体车库设计毕业论文目录第1章 绪论1 1.1 自动化停车库发展的意义1 1.2 自动化停车库的发展趋势11.3 国内外自动化停车库的发展现状11.4 自动化立体车库的技术分类2第2章 立体车库控制系统总体方案32.1 立体车库的结构、运行原理3 2.1.1 立体车库的结构3 2.1.2 升降橫移式车库的工作原理42.2 车库的设计方案52.3 控制系统流程62.4 选择控制方式72.5 选择硬件及电源8第3章 硬件系统的设计9 3.1 PLC介绍93.2 立体车库控制系统PLC选型103.3 I/O分配103.4 硬件电路设计13第4章 控制系统软件的设计144.1 控制系统的结构14 4.1.1 各控制部分的联系14 4.1.2 输入输出信号分析154.2 控制系统设计154.3 梯形图编写154.4 组态过程画面174.5 建立WinCC与KEPSerberEx之间的通信204.6 WinCC监控画面的组态22第5章 系统调试245.1 PLC程序的调试245.2 用C动作实现监控画面的仿真25结论28致谢29参考文献30第1章 绪论1.1 自动化停车库发展的意义立体车库是近年来迅速发展起来的一种先进停车方式，它为城市中已经出现的日益严重的汽车停放问题提供了一条较为有效的解决途径。车辆无处停靠是现代城市社会、经济、交通发展到一定程度必然产生的现象。随着我国国民经济的快速发展，城市规模不断扩大，人民生活水平的不断提高，机动车数量的大幅增加，停车难的问题在我国愈发明显，已经成为制约城市发展和管理的重大问题。立体停车库的发展，将会在一定程度上缓解我国城市可持续发展的压力。1.2 自动化停车库的发展趋势随着手机等移动终端的普及，自动化立体车库在网络互联，信息交融，软件服务平台的推广，自动化立体车库的系统要更好的结合在互联网里，实现用户终端预约，终端缴费，终端控制存取车功能。为了实现效率的提高，全系统要基本实现自动化，全程实现无人化、自动化。在计算机技术的发展下停车诱导、基于微机控制的车位引导和单片机系统控制下的反向寻车系统快速普及，由于汽车的保有量在成几何式增长，城市中停车位的需求在急剧增加，这对城市规模及用地的扩张与汽车增长量之间的矛盾是很大的激化，建成满足使用要求的大型停车场后，要完成自动化减少人工的使用。1.3 国内外自动化停车库的发展现状国内的智能停车市场发展了20多年，2000年以前属于起步阶段，当时城市中车辆和停车场也不多，市场容量有限，当时停车并不难，而车辆属于贵重物品，所以，系统的主要管理目标是车辆的防盗和安全问题，智能停车系统属于安防行业的门禁一卡通系统的一个子系统，这个行业划分习惯一直保持至今1。目前国内的停车场市场现状，缺少整体规划，都只能依据个别企业的需要做。即使已经建设的系统，也还没有发挥出应有的效果。在目前人们对资源利用观念不强的形式下，新兴的智能停车场由于技术限制，还没有达到人们的理想值，投入运行后并没有更高的利用率。国外在智能停车场系统上的研究比国内早将近半个世纪，但是在进入21世纪的发展后，国内在智能停车库上的产品在国际上已经有了很强的竞争力。由于我国的发展现状与国外有很大的差别，我国的相关厂商又是针对我国的现状研发产品，在这方面国内的厂商有很大的优势。美国的智能停车场在设计理念和使用要求上都有很全面的体系，他讲究实用性，紧急情况下能高效的撤离。在绿色通道的设计上有严格的标准。新加坡政府一直寻求政府控制的智能化停车场，编入交通管制的范围内，统一管理，对汽车的限制也有特殊的规范。意大利在致力于发展互联网式的智能停车体系，用户可以提前通过网络预约车位，可以根据停车时长网上支付停车费，方便用户的同时减少了超时停车的问题。伦敦和日本支持社会的资本建立停车场，并给予政策上的优惠，这刺激了他们国家自动化停车库行业的发展，在应用上更加的成熟2。1.4 自动化立体车库的技术分类自动化立体停车库可总结为以下9类，有升降横移类机械式多层停车库、垂直循环类机械式多层立体停车库、水平循环类机械式停车库、多层循环类机械式、平面移动类、堆垛类、垂直升降类、简易升降类、起重载机升降类3。每个类型都有其固有的特点，也有相应的优缺点，本文采用升降橫移式立体车库，其特点在于易建造使用，扩展方便，在选择合适的控制系统后，会有很多突出的优势，其余优点在后文要详细介绍。第2章 立体车库控制系统总体方案2.1 立体车库的结构、运行原理2.1.1 立体车库的结构根据一些中小型城市的现实情况，本方案拟采用升降橫移式立体车库的建设方案。现以双层结构作为设计目标。此方案模块化程度高，整合快，施工周期短，改造方便，可根据需要增减或更换相应的模块。本方案采用的升降横移式立体车库是双层结构，设计有两排十列车位，上下层一共有四十个车位，结构俯视图如图2.1所示：图2.1 结构俯视图升降橫移式车库结构侧视图如图2.2所示：图2.2 升降橫移式立体车库结构侧视图这个升降橫移式立体车库是上下两层，一共设计有四十个车位，可以存放小轿车，家用越野车型。用户可以通过终端操作实现存取车的功能，而且本系统具有车型扫描、尺寸测量、车牌号自动扫描记录的功能，减少了用户存车和取车的时间和工作量4。需要存车时，用户在面板上选择存车，系统会检测车库内是否有空余车位，如果有，这时车库前的扫描系统会对车型、尺寸和车牌进行检测，符合尺寸要求的，系统会把载车板运行到车库入口处，用户只需将汽车开到载车板上，下车后管理员确定存车用户就可以离开了，这时载车板会把汽车运送到空余的车位处，并记录在系统的数据库中。本方案设计的升降橫移式立体车库用到了多余度牵引车、复合材料载车板、伺服电机带动的升降机、导轨、机械扣、高强度特塑钢横梁等。关键的机械部件不但有以上的几种，本方案中还设计了使用大量的电气设备，主要涉及到控制系统的主要设备。主要有：PLC、变频器、电动机、定位传感器等。本文后面会有具体的介绍。在设计的体验方面，本立体车库还设计有用户操作间，是放置终端操作台的地方，用来完成车辆的自动存取。操作台安装有必要的手动调节平衡装置、电气保护装置及警示装置。2.1.2 升降橫移式车库的工作原理此论文方案要设计有自动存车和取车的功能，设计有并列的出入口。如果用户要在立体车库中停车，要把车开到标线以内，旁边的显示屏会出现“车库有空”或“车库已满”的提示。如果车库内可以停车，红外汽车尺寸扫描装置会自行启动对车身进行轮廓扫描，所得结果会反馈给系统判断汽车是否可以进入停车库。若汽车尺寸符合要求，车库的档梁会升起，牵引车拖动空车位上的载车板来到档梁下，这时用户把汽车开到载车板上熄火下车就行了，操作员只需在操作间确认存车，剩下的工作系统会自动完成。2.2 车库的设计方案（1） 立体车库模型本论文的方案模型是一个双层十行双列的停车库。（2） 立体车库的设计指标本升降橫移式立体车库是按照最大家用越野车型的尺寸和中型轿车的通用尺寸为参考进行设计，长为（5000mm）宽（2000mm）高（2000mm）的最大车尺寸，每个停车位的尺寸为长（6000mm）宽（3000mm）高（2500mm），通过设置安全空间，本车库的结构空间尺寸设计为： 长度=30000mm，宽度=20000mm，高度=4500mm； 每一层高度：2250mm； 允许停车长为：6000mm 允许停车宽为：2200mm 允许停车高为：1800mm平面示意图如2.3所示：图2.3 平面示意图2.3 控制系统流程 本文的立体车库控制系统的控制是按照程序进行的，系统开始初始化，然后检查设备是否接入电源，提取汽车信息，检测载车板和档梁的位置，对存车的程序进行执行。为方便流程图更直观的显示出系统的运行过程，方案中的“牵引车”以“托盘”代替。控制系统流程图如图2.4所示：图2.4 控制系统流程图2.4 选择控制方式传统电气控制是机械控制领域中原始的方法，单片机控制和PLC控制最现代运用很普遍的方式。而传统控制领域，因为其控制方式落后，操作复杂，设备可靠性不佳，不能实现自动化、网络化，逐步淘汰出了现代控制领域。原理上单片机的控制在本方案中可以实现，但在实际应用中，由于立体车库设备众多，要求的电气线路的电压是较高的，使用单片机的控制，一方面单片机的输入输出功率在工业电气设备的功率面前可以忽略不计；另一方面，单片机抗过载能力极弱，容易造成烧毁，因此可靠性非常低。在扩展性上，每一个单片机是一个独立的存在，若要互相兼容扩展，需要稳定的软件系统的支持，这在维护性上是个较大的难题。根据以上分析，本立体车库的控制系统不采用单片机的控制。PLC为代表的逻辑控制器是早期继电器控制器发展而来的，在工业生产上适应能力很强，经过半个多世纪的发展，PLC自身的功能已非常完备，其自身集合了计算机技术、微电子技术和通信技术，能够适应大部分自动化生产的过程。PLC具有集成度高，控制更方便，维护简单，扩展能力强，可靠性高等优点使它的应用涉及到生产生活的许多方面。因为PLC通过I/O接口采集外部的输入输出信号，驱动控制外围设备按照预定程序执行，无需复杂的信号处理电路，以后的升级维护十分方便，因此本设计方案中选择PLC的控制方式。2.5 选择硬件及电源立体车库在运行时，对电机的快速启动要求比较高，为了能达到电机快速启动和制动，本方案中采用功率为11KW的变频器，用以控制垂直升降电机的运行；采用TC变压器和VC整流装置，为能耗制动电路提供25V的直流电源；在车库进口处的检测装置使用工作电压为15V的光电传感器。第3章 硬件系统的设计自动化立体车库系统的核心是逻辑控制器，它的主要工作原理是通过接收上位机传来的指令，识别并按照程序运行指令实现具体的操作。逻辑控制器能够处理各个分系统传来的信息，加以分析运算，然后向相应的单元输出指令。在用户要存车时，首先工作的是检测系统，完成相关检测后，车库中的机械系统开始根据控制器发出的指令运行，在停车过程中，会有位置检测系统、光电检测系统、液压检测系统、平衡检测等系统完成工作5，以保证能把车顺利的停放在相应的车位中。本设计方案中，设置了多重电气保护及机械保护等措施，来实现系统安全性的最大化。各个系统的设备及使用要求，在下文分类进行说明。3.1 PLC介绍PLC的设备有CPU、输入输出端口、通信端口。其中CPU是PLC逻辑控制器的核心，I/O部件是连接现场设备与CPU之间的接口，通信接口用于与编程器和上位机连接6。PLC通电后开始自检，检测正常后，会把监控定时器T0复位，开始准备扫描程序7。三菱FX系列PLC的命名方式从左至右为系列序号、I/O总点数、单元类型、输出形式、特殊品种的区别。PLC拥有强大的数据采集能力和对某一种自动控制过程的优秀处理能力，在工业上、制造业上、民用比如电梯、自动洗衣机等的过程控制中有着广泛的应用8。可通过I/O采集模拟量、开关量等进行分析处理，同时拥有强大的可编程能力，一般利用梯形图程序中提供的各种软继电器即可实现一些复杂的逻辑控制，省去了传统的硬件式继电器复杂的接线和经济成本。PLC对程序的读取和运算具有顺序扫描的特点，PLC扫描流程图如3.1所示：图3.1 PLC扫描流程图。3.2 立体车库控制系统PLC选型PLC发展到现在，有许多品牌和各种系列高低搭配，总体可分为美国产品、欧洲产品和日本产品。美国的PLC产品以A-B公司的最为成熟；欧洲的PLC产品以德国西门子的为代表，同样实力强大；日本的PLC产品在小型机领域独树一帜，在亚洲国家应用广泛，并且能实现其他国家中型机或者大型机才能实现的控制功能。本方案设计的立体车库需要用到73个输入端口和70个输出端口，因此小型机即可满足9。通过对各大品牌PLC的评估，日本的三菱小型PLC即可满足本车库的需求，同时其性价比较好。据此本控制系统需要的PLC选用三菱FX2C系列，根据立体车库所需最少输入输出端口数量不少于150个，160MT型有160个输入输出端口，它的输入和输出端口都是80个，无需另行扩展，方案中用到的PLC就选为三菱FX2C-160MT型。3.3 I/O分配本方案所用三菱FX2C-160MT型PLC的输入端口地址分配表如3.1所示：表3.1 输入端口地址分配表序号器件标号地址标号功能说明序号器件编号地址小号功能说明1SB1X0启动39SQ35X5021/31号板限位2SB2X1复位40SQ36X5122/32号板限位3SA1X2手动/自动41SQ37X5223/33号板限位4SQ1X3档梁下限42SQ38X5324/34号板限位5SQ2X4档梁上限43SQ39X5425/35号板限位6SQ3X5升降机下限44SQ40X5526/36号板限位7SQ4X6升降机上限45SQ41X5627/37号板限位8SQ5X7牵1停止位46SQ42X5728/38号板限位9SQ6X10牵1左右回轨位47SQ43X6029/39号板限位10SQ7X11牵1前后轮上限48SQ44X6130/40号板限位11SQ8X12牵1前后轮下限49SQ45X62牵2左行限位12SQ9X13牵1左右轮上限50SQ46X63牵2右行限位13SQ10X14牵1左右轮下限51SB4X66手动档梁正转14SQ11X15牵2停止位52SB5X67手动档梁反转15SQ12X16牵2左右回轨位53SB6X70手动升机正转16SQ13X17牵2前后轮上限54SB7X71手动升机反转17SQ14X20牵2前后轮下限55SB8X72手动牵1前后机正转18SQ15X21牵2左右轮上限56SB9X73手动牵1前后机反转19SQ16X22牵2左右轮下限57SB10X74手动牵2前后机正转20SQ17X23牵3左右轮下限58SB11X75手动牵2前后机反转21SQ18X24车在升降机中位59SB12X76手动牵1左右机正转22SQ19X25紧停60SB13X77手动牵1左右机反转23SQ20X26存车61SB14X80手动牵2左右机正转24SQ21X27取车62SB15X81手动牵2左右机反转25SQ22X301/11号板限位63SB16X82手动牵1前后轮升26SQ23X312/12号板限位64SB17X83手动牵1前后轮下27SQ24X323/13号板限位65SB18X84手动牵2前后轮升28SQ25X334/14号板限位66SB19X85手动牵2前后轮下29SQ26X345/15号板限位67SB20X86手动牵1左右轮升30SQ27X356/16号板限位68SB21X87手动牵1左右轮下31SQ28X367/17号板限位69SB22X90手动牵2左右轮升32SQ29X378/18号板限位70SB23X91手动牵2左右轮下33SQ30X409/19号板限位71SB24X92手动升降机和板扣34SQ31X4110/20号板限位72SB25X93手动牵1和板扣35SQ32X42牵1左行限位73SB26X94手动牵2和板扣36SQ33X43牵1右行限位37SQ34X44板在升降机中位38SB3X45输入取车号输出端口地址分配表如表3.2所示：表3.2 输出端口地址分配表序号器件标号地址标号功能说明序号器件标号地址标号功能说明1KM1Y0档梁正转38YV26Y4615号存车位电磁扣2KM2Y1档梁反转39YV27Y4716号存车位电磁扣3KM3Y2升机正转40YV28Y5017号存车位电磁扣4KM4Y3升机反转41YV29Y5118号存车位电磁扣5KM5Y4牵1前后机正转42YV30Y5219号存车位电磁扣6KM6Y5牵1前后机反转43YV31Y5320号存车位电磁扣7KM8Y6牵1左右机正转44YV32Y5421号存车位电磁扣8KM9Y7牵1左右机反转45YV33Y5522号存车位电磁扣9YV1Y10牵1前后轮升46YV34Y5623号存车位电磁扣10YV2Y11牵1前后轮下47YV35Y5724号存车位电磁扣11YV3Y12牵1左右轮升48YV36Y6025号存车位电磁扣12YV4Y13牵1左右轮下49YV37Y6126号存车位电磁扣13KM11Y14牵2前后机正转50YV38Y6227号存车位电磁扣14KM12Y15牵2前后机反转51YV39Y6328号存车位电磁扣15KM14Y16牵2左右机正转52YV40Y6429号存车位电磁扣16KM15Y17牵2左右机反转53YV41Y6530号存车位电磁扣17YV5Y20牵2前后轮升54YV42Y6631号存车位电磁扣18YV6Y21牵2前后轮下55YV43Y6732号存车位电磁扣19YV7Y22牵2左右轮升56YV44Y7033号存车位电磁扣20YV8Y23牵2左右轮下57YV45Y7134号存车位电磁扣21YV9Y24升降机和板扣58YV46Y7235号存车位电磁扣22YV10Y25牵1和板扣59YV47Y7336号存车位电磁扣23YV11Y26牵2和板扣60YV48Y7437号存车位电磁扣24YV12Y301号存车位电磁扣61YV49Y7538号存车位电磁扣25YV13Y312号存车位电磁扣62YV50Y7639号存车位电磁扣26YV14Y323号存车位电磁扣63YV51Y7740号存车位电磁扣27YV15Y334号存车位电磁扣64HL1Y80电源灯28YV16Y345号存车位电磁扣65HL2Y81紧停灯29YV17Y356号存车位电磁扣66HL3Y82显示“车位已满”30YV18Y367号存车位电磁扣67HL4Y83显示“车位有空”31YV19Y378号存车位电磁扣68HL5Y84手动灯32YV20Y409号存车位电磁扣69HL6Y85自动灯33YV21Y4110号存车位电磁扣70HL7Y86报警灯34YV22Y4211号存车位电磁扣35YV23Y4312号存车位电磁扣36YV24Y4413号存车位电磁扣37YV25Y4514号存车位电磁扣3.4 硬件电路设计本车库使用6台电动机进行全过程的运作，包括档梁电动机，升降机电动机，牵引机前后左右运动的交流电动机。生产中常用的电机有直流电机和交流异步电机10。直流电动机需要有直流电源供电，而生产车间大多采用380V的三相电，如果接入整流装置，成本会非常的高。交流异步电机是单励磁的设备，定子绕组通电产生旋转磁场，转子绕组跟随产生异步旋转磁场带动负载；交流电机的结构简单、成本低廉、维护管理方便11。根据经济性，可维护性，本车库控制系统选用6台交流异步电机来驱动，其电源采用380V的三相交流电，不需要外加电源驱动电路，控制方便简单。电气控制原理图如图3.2、图3.3所示：图3.2 电气控制原理图图3.3 电气控制原理图第4章 控制系统软件的设计4.1 控制系统的结构4.1.1 各控制部分的联系本论文中的设计的控制系统有上位机、PLC和其他输入输出设备组成。上位机主要是组态监控画面的控制面板，上位机通过OPC(OLE for Process Control)协议与PLC进行通讯12。整个立体车库的控制系统以PLC为核心，控制现场操作机构。在现场设备中，光电系统、行程开关是主要的检测反馈系统；步进电机是控制牵引车和载车板的电气设备。PLC的输出部分包括升降机电机上下运行控制、横移电机左右运行控制、继电器、接触器、电磁阀、显示屏及安全保护装置等组成13。系统结构如图4.1所示：图4.1 系统结构本系统以PC机为上位机同时作监控机，它的作用是对各个输入信号的处理并输出相应的控制信号下发给下位机执行。本车库设置了多道安全保护，设计了稳定的自锁、互锁、制动和安全挂钩保险等安全装置，能够有效应对突发的机械故障。4.1.2 输入输出信号分析（1）输入信号的处理输入信号是检测元件获得的信号反馈给PLC，然后PLC进行执行操作，光电检元件检测的信号和限位开关的相应信号，反馈给系统后，保证系统的安全运行11。（2）输出信号的处理输出结构有PLC驱动的升降机电机正反转接触器11，载车板控制部分的电机运行接触器。PLC通过内部运算将相应的控制信号发送至接触器线圈，使相应的机构作出动作13。4.2 控制系统设计本立体车库的设计方案中，PLC所要完成的是对各系统电气设备的控制，确保移位系统的电机、检测系统的传感器和输入输出指令的正常执行。PLC的输出端连接着接触器和继电器，用以控制电机的运行；PLC的输入端连接有各系统的传感器、光电开关、行程开关和控制面板，用以接收和处理各系统反馈的数据和处理来自控制面板的指令12。牵引车和载车板的移动是通过控制其电机的正反转实现的，PLC会根据程序以及检测装置反馈的状态对电机的正反转进行精确控制，在载车板入库的时候，行程开关可以保证能让载车板到达准确的位置。在PLC的编程中，为了使各个检测系统的数据能够得到及时的处理和控制，采用嵌入式程序，应对大部分情景。按照系统流程编写程序，在最后阶段，把PLC与仿真软件进行通信。4.3 梯形图编写空位检测程序如图4.2所示：图4.2 空位检测程序存车过程，牵引车将空位上的载车取出，牵引到横梁处，待汽车停靠在载车板上，然后再将载车板牵引到其空位上，存车过程程序如图4.3、图4.4所示：图4.3 存车过程程序图4.4 存车过程程序取车过程和存车过程是一个相反的过程，取车程序如图4.5所示：图4.5 取车程序4.4 组态过程画面先建立WinCC与PLC的通信连接，再使用KEPSerberEx软件组态。（1）打开KEPSerberEx软件的工作界面如图4.6所示：图4.6 KEPSerberEx软件的工作界面（2）建立连接通道如图4.7所示：图4.7 建立连接通道（3）选择通信对象如图4.8所示：图4.8 选择通信对象（4）设置通信参数如图4.9所示：图4.9 设置通信参数（5）选择PLC型号如图4.10所示：图4.10 选择PLC型号（6）建立变量如图4.11所示：图4.11 建立变量4.5 建立WinCC与KEPSerberEx之间的通信（1）添加OPC对象如图4.12所示：图4.12 添加OPC对象（2）选择KEPSerberExOPC服务器如图4.13所示：图4.13 选择KEPSerberExOPC服务器（3）建立OPC服务器变量并导入变量如图4.14所示：图4.14 建立OPC服务器变量并导入变量4.6 WinCC监控画面的组态下面是车库过程画面组态的步骤：（1）启动WinCC后打开WinCC项目管理器如图4.15所示：图4.15 打开WinCC项目管理器（2）打开图形编辑器如图4.16所示：图4.16 打开图形编辑器（3）在画面中创建所需控件和控制对象如图4.17所示：图4.17 创建所需控件和控制对象第5章 系统调试5.1 PLC程序的调试空位检测调试如图5.1所示：图5.1 空位检测调试存车过程调试如图5.2所示：图5.2 存车过程调试取车过程调试如图5.3所示：图5.3 取车过程调试5.2 用C动作实现监控画面的仿真各个系统在这个车库的运行中相互关联，共同的协作运行，来达到对车库预定的设计目标。监控系统中用到了西门子WinCC V6.0,它是目前全球最成功的工控软件，性能可靠，技术先进和操作简单。它与本设计方案中使用的三菱PLC通过OPC通信协议进行通信。（1）车辆入库运行画面一和车辆入库运行画面二如图5.4、图5.5所示：图5.4 车辆入库运行画面一图5.5 车辆入库运行画面二（2）车辆出库运行画面一和车辆出库运行画面二如图5.6、图5.7所示：图5.6 车辆出库运行画面一图5.7 车辆出库运行画面二结论本方案通过比较各种类型停车库的优缺点和3种控制方式的特点，确定了以升降橫移式立体车库为设计类型，整个车库采用PLC逻辑控制器为核心的控制系统。整个系统的输入输出设备接入灵活，维护方便，大量使用了传感器作为现场的反馈系统，使整个系统的安全性和可靠性有很大的提高。在电路的设计上，考虑到实际使用中各种负载的需要，设计了整流电路、变压电路，为低电压负载提供了能正常工作的电源。在电动机控制电路中，为了使电动机更快的提速和降速反转，运用了变频器和能耗制动电路，使存取车的过程更加高效。在存取车的的控制程序和监控画面的设计中，利用了组态软件WinCC和三菱PLC通过OPC协议通讯的平台，实现了对车库动态的、实时的管理和监控。在立体车库中设计了轨道和牵引车，降低大量机械的应用带来的控制问题，简化了存取车的机械操作，同时能为PLC提供更好的现场控制环境。通过收集资料，对国内外自动化停车库的发展现状进行了对比和预测，在本方案中的设计在理论上符合未来停车库的发展方向。在建设材料的应用上