基于PLC立体车库控制系统的设计..

泰泰 山山 学学 院院 本本科科毕毕业业 论论文文 基于 PLC 立体车库控制系统的设计 所 在 学 院 机械与工程学院 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 申请学士学位所属学科 工 学 年 级 2011 级 3 2 学 生 姓 名 学号 王永平 2011170231 指导教师姓 名 职称 陈宏圣 副教授 完 成 日 期 2013 年 5 月 30 日 摘要 I 摘摘 要要 立体停车库生产在中国是个新兴行业 立体停车库可缓解城市动 静态交 通问题 改善居住环境 有效利用土地价值 本系统采用 PLC 计算机结合组 态画面监控 按动按钮或控制组态画面即可完成汽车存取过程 操作简单 存 取方便 控制电路部分采用交流接触器传统方式 使运行安全可靠 设计采用 可分组合 模块式安装 方便灵活 具备维护使用方便 造价低等特点 关键词 自动控制 立体停车场 垂直循环式 PLC Abstract II Abstract Parking equipment production in China is an emerging industry parking can relieve urban dynamic and static traffic problems and improve the living environment and efficient use of land value The system uses PLC combining computer configuration screen monitoring press the button or control the configuration screen to complete the process of car access simple operation easy access Control circuit AC contactor traditional way to make safe and reliable operation Design uses a combination separable modular installation convenient and flexible with easy maintenance and use and low cost Keywords automatic control three dimensional parking vertical circulation PLC 目录 III 目录 1 引言 1 2 西门子 PLC 简介 3 2 1 德国西门子 S7 200 系列 PLC 的性能指标和分类 3 2 11 PLC 的主要性能指标 3 2 12 PLC 的分类 3 2 2 可编程序控制器的工作方式及编程语言 4 3 双层立体车库功能介绍 6 3 1 立体车库系统组成 6 图 3 1 6 3 2 PLC 核心控制部分 6 3 3 移动方案的比较 6 3 4 升降横移式立体车库的系统控制原理 7 3 5 检测点与控制点 8 3 6 控制点分布 9 3 7 电机控制及接线设计 9 4 硬件选型 10 4 1 PLC 型号的选择 10 4 1 1 I O 点数的确定 10 4 1 2 选定 PLC 10 4 1 3 控制系统 I O 地址分配 10 4 14 闸门控制程序 12 4 1 5 指示灯控制程序 14 4 2 变频器的选择 15 4 3 传感器的选择 16 4 4 车位停车信号 16 结论与讨论 17 参考文献 18 致谢 19 附录 车库总程序 20 泰山学院本科毕业论文 1 1 引言 车辆无处停放的问题是城市的社会 经济 交通发展到一定程度产生的 结果 立体停车设备的发展在国外 尤其在日本已有近 30 40 年的历史 无论 在技术上还是在经验上均已获得了成功 我国也于 90 年代初开始研究开发机械 立体停车设备 距今已将近二十年的历程 由于很多新建小区内住户与车位的 配比为 1 1 为了解决停车位占地面积与住户商用面积的矛盾 立体机械停车设 备以其平均单车占地面积小的独特特性 已被广大用户接受 机械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 机械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 平均一辆车就要占据 40 平方米的面积 而如果采用双层机械车库 可使地面的 使用率提高 80 90 如果采用地上多层 21 层 立体式车库的话 50 平 方米的土地面积上便可存放 40 辆车 这可以大大地节省有限的土地资源 并节 省土建开发成本 在地下车库中采用机械存车 还可以免除采暖通风设施 因此 运行中的 耗电量比工人管理的地下车库低得多 机械车库一般不做成套系统 而是以单 台集装而成 这样可以充分发挥其用地少 可化整为零的优势 在住宅区的每 个组团中或每栋楼下都可以随机设立机械停车楼 这对眼下车库短缺的小区解 决停车难的问题提供了方便条件 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 垂直循环式 箱型水平循环式 圆形水平循环式 一 升降横移式 升降横移式立体车库采用模块化设计 每个单元可设计成两个 三个 四 个 五个 半地下等多种形式 车位数从几个到上百个 这种三维的地表和地 下车库停车 配置灵活 成本低 二 巷道堆垛式 巷道堆垛式立体车库堆垛机作为一种工具来使用 存取车辆 所有车辆进行访 问的堆垛机 堆垛机 因此技术要求较高 单堆垛机成本较高 所以巷道堆垛 立体车库车位数量较大的客户所需 垂直升降式停车 泰山学院本科毕业论文 2 类似的垂直升降类停车电梯工程 安排在两侧的电梯车位 通常需要一辆车转 盘地面 省去司机掉头 垂直升降式停车设备的安全性 一般海拔较高 几十 米 精密加工和安装的要求都很高 所以成本较高 但面积是最小的 三 垂直循环式 产品特点 1 占地面积小 两个泊位面积可停放 6 至 10 辆 2 可以添加 只有屋顶和外墙装饰 消防栓 3 价格低 地基 外墙装修 火灾和其他投 资少 建设周期短 4 可自动地控制 安全和可靠的操作 本课题以二层五车位为研究对象 采用德国西门子 S7 200 为控制元件 进行 模拟 结合所学专业知识 成功的设计出二层五车位 PLC控制系统 由于本人水 平有限 本设计中难免有不当和错误之处 恳请各位老师批评指正 泰山学院本科毕业论文 3 2 西门子 PLC 简介 2 1 德国西门子 S7 200 系列 PLC 的性能指标和分类 2 11 PLC 的主要性能指标 1 输入 输出点数 I O 点数 I O 点数是指可编程序控制器外部输入 输出端子数的总和 它标志着可以接多少个 开关 按钮和可以控制多少个负载 2 存储容量 存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量 一般以步为单位 二进制 16 位即一个字为一步 3 扫描速度 一般以执行 1000 步指令所需时间来衡量 单位为 ms k 步 也有以执行一 步指令所需时间来计算的 单位用 s 步 4 功能扩展能力 可编程序控制器除了主模块之外 通常都可配备一些可扩展模块 以适应 各种特殊应用的需要 如 A D 模块 D A 模块 位置控制模块等 5 指令系统 指令系统是指一台可编程序控制器指令的总和 它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要 指标 2 12 PLC 的分类 通常 PLC 产品可按结构形式 控制规模等进行分类 按结构形式不同 可以分为整体式和模块式两类 按控制规模大小 则可以分为小型 中型和大 型 PLC 三种类型 1 PLC 系统的组成 PLC 是一种以微处理器为核心的通用工业自动控制设备 硬件结构和微电 脑控制系统类似 PLC 设置由硬件系统和软件系统两部分组成 泰山学院本科毕业论文 4 2 PLC 的硬件结构 一个 PLC 系统硬件的基本单位 包含中央处理单元 存储器 中央处理单 元 输入 输出接口 内部电源 I O 扩展单元和外部设备 图 2 1 PLC 硬 件结构图 图 2 1 PLC 的硬件结构图 2 2 可编程序控制器的工作方式及编程语言 1 PLC 的工作方式 1 PLC 的扫描工作方式 2 PLC 的扫描过程 输入电路 CPU EPROMRAM 输出电路 基本单元 内 部 电 源 扩 展 I O 接 口 各 种 外 设 接 口 输出信号 现场输入 信号 主机 编程 器 打印机 PC 机 输入电路 输出电路 扩展单元 输出信号 扩展连 接电缆 至 其 他 扩 展 单 元 现场输入 信号 开始 内部处理 通信处理 RUN 方式 输入扫描 程序执行 输出处理 N Y 泰山学院本科毕业论文 5 图 2 2 PLC 的扫描过程 可编程控制器进入运行状态 循环扫描模式 从开始的第一个指令 或者 两不中断的控制下 根据所存储的程序的地址号码递增的顺序执行 该程序顺 序执行一个接一个 直到程序结束 然后再次开始从头扫描和循环很重要 可 编程控制器扫描工作过程如图 2 3 所示 包括五个阶段 内部处理 通信处理 输入扫描 程序执行和输出处理 PLC 来完成扫描被称为扫描周期所需的时间 用户程序的长度和扫描速度的扫描周期的长度 3 PLC 的程序执行过程 PLC 的程序的执行过程大体可以分为以下三个主要阶段 输入采样 程序 执行和输出刷新 如图 2 4 所示 图 2 3 PLC 的程序执行过程 4 PLC 的扫描周期 PLC 过程的实际工作中 除了以前通用的输入采样的每个扫描周期中 程 序的执行 输出刷新三个阶段 同时也为自诊断 和外围设备 例如编程设备 主计算机 的通信处理 也就是说 在一个扫描周期还应该包括自我诊断和通 信等外围设备的时间 输 入 端 子 输 入 映 象 寄 存 器 输 出 映 像 寄 存 器 输 出 锁 存 器 输 出 端 子 输入 输出 程序执行阶段输入采样阶段输出刷新阶段 X001 Y001 Y001 M1 读 读 泰山学院本科毕业论文 6 3 双层立体车库功能介绍 3 1 立体车库系统组成 系统主要由 PLC 组态监控部分 电气传动部分 检测部分 手动控制部分 支架模型 系统图见图 3 1 图 3 1 3 2 PLC 核心控制部分 系统核心部分采用西门子 200 系列 CPU226 为控制元件 它是 200 系列中 功能最强 速度最高的微型可编程控制器 它的基本指令执行时间高达 0 08us 远远超过了很多大型可编程控制器 它功能强大实用 价格便宜 工 作稳定可靠 24 点输入 16 点输出 采用继电器输出形式 可驱动交直流负载 负载电流在 2A 左右 220V AC 供电 并且输入端内部自带 24V 直流电源 还 可为负载提供直流电源 3 3 移动方案的比较 机械式立体停车库有许多种类型 根据其工作原理可分为 升降横移式 水平循环式 平面移动式等等 采用以载车板升降或横移存取车辆的机械式停 车设备叫做升降横移式立体停车库 由于升降横移式停车库的类型比较多 规 模可大可小 对场地的适应性强 因此采用这一类型的停车库十分的普遍 升降横移式立体停车库每个车位均有载车板 所需存取车辆的载车板通过 升降横移运动到达地面层 驾驶员进入车库 存取车辆 完成存取过程 停泊 泰山学院本科毕业论文 7 在这类车库内地面的车只作横移 不必升降 上层车位或下层车位需要通过中 间层横移出空位 将载车板升或降到地面层 驾驶员才可以进入车库内将汽车 开进或开出车库 升降横移式立体停车库的布置型式主要有两种 半地下布置 型式和地上布置型式 本设计是双层六位五车的小型立体车库 多用于居民小区 其简图如下所 示 123 456 图 3 2 立体车库各车位移动方案 移动方案 1 将 1 号车位作为定位 2 3 号车位可以直接提取车 在存取 4 号车时 将 4 号位降到 1 号位上 进行存取车 在存取 5 号车时 将 2 号位移动到 1 号为上 5 号位降到 2 号位上 进行 存取车 在存取 6 号车时 将 2 号位移动到 1 号位上 3 号位移动到 2 号位上 5 降 到 3 号位进行存取车 移动方案 2 可将 3 号车位作为定位 其存取方式和方案 1 相同 故不再做表述 移动方案 3 将 2 号车位作为定位 1 3 号车位可以直接进行存取车 在存取 4 号车时 将 1 号车位移动到 2 号车位上 4 号车位降到 1 位进行 存取车 在存取 5 号车时 将 5 号车位降到 2 位上 进行存取车 在存取 6 号车时 将 3 移动到 2 位上 6 降到 3 号车位上 进行存取车 综上所述 可以知道方案 3 最快捷 所以本设计采用方案 3 作为车 库整体移动的方案 3 4 升降横移式立体车库的系统控制原理 泰山学院本科毕业论文 8 通过交换在控制系统上的信息 接口 的操作信息传递到控制系统 系统 的处理 系统控制信息 以确定辅助设备驱动程序的执行结构来完成该操作车 库站点的操作者 人 其系统控制原理框图 如图 3 3 所示 图 3 3 车库系统控制原理框图 升降横移式立体车库 控制系统控制单元内的车库和电梯电机的主要控制对象 的第一进给电机 控制系统 使它们在不同的时间内取得积极 其次车库的各 种辅助设备 如灯各种保安设施 为了确保载波汽车板块滑动到预定位置和董 事会的车可以上升或下降到指定的位置 使用行程开关 为了判断载车板上有 无车辆 采用了红外对射开关 3 5 检测点与控制点 1 检测点分布 1 载车板上汽车停放到位否检测 光电开关在底部的扫描测试 光电开关的接收器和发射器被安装在底部的 左 右两侧 在载流子车辆的前部和后部的位置被检测到的板 不到位当车辆 停放 车辆起飞的光源光学块 系统就不能动 只有车辆停放到位 系统才能 正常工作 2 载车板上有无车检测在每个载车板上的一条对角线上安放一套光电开 关 用于检测载车板上有无车 3 载车板平移运动是否到位检测 只有较低的汽车板包含平移运动 每个停车位上的限位开关 用于检测所 述带轮板的平移运动被安装在已安装到位 4 载车板升降是否到位检测 只有在上板升降运动的汽车 在每个垂直运动的汽车上的轨道板 分别在 下部和上部安装一个限位开关 用于检测汽车面板的下降和上升 是在这里的 泰山学院本科毕业论文 9 5 上层载车板吊钩是否挂好检测 可以用来钩是否已挂出了汽车板块的反馈信号控制电磁钩行动 3 6 控制点分布 1 一层载车板左右平移控制 一层载车板只有两个 每个载车板只有左右移动两个动作 采用带 自动抱闸的三相交流电机控制 2 二层载车板升降运动控制 二层载车板有三个 每个载车板只有升降两个动作 采用带自动抱闸 的三相交流电机控制 3 吊钩动作控制 只有二层的载车板使用吊钩 每个载车板用 2 套吊钩 吊钩用电磁铁控 制 3 7 电机控制及接线设计 在存取车时车位的升降不能同时进行 车位的升降和横移也不能同时进行 这两个动作必须是互锁的 即当上层车位在升降时 地面层车位不能移动 反 之亦然 并且上层车位每次只能有一个车位进行上下升降运动 这些在程序中 可采用联锁和互锁的方法来解决 泰山学院本科毕业论文 10 4 硬件选型 4 1 PLC 型号的选择 4 1 1 I O 点数的确定 根据设计要求 其输入大致有 传感器 行程开关 光电开关 操作面板 按钮 输出有 指示灯 数码管 闸门 升降电机 横移电机 经过计算 输 入点大致需要 26 个左右 输出点需要 24 个左右 4 1 2 选定 PLC 西门子 200 系列 PLC 的 I O 地址分配表如下所示 型 号输入端编号输出端编号 CPU221I0 0 I0 7Q0 0 Q0 5 CPU222I0 0 I0 7 I1 0 I1 7Q0 0 Q0 7 Q1 0 Q1 4 CPU224I0 0 I0 7 I1 0 I1 7Q0 0 Q0 7 Q1 0 Q1 7 CPU224CNI0 0 I0 7 I1 0 I1 7Q0 0 Q0 7 Q1 0 Q01 7 CPU226I0 0 I0 7 I1 0 I1 7 I2 0 I2 7 Q0 0 Q0 7 Q1 0 Q1 7 CPU226XMI0 0 I0 7 I1 0 I1 7 I 2 0 I2 7 I3 0 I3 7 Q0 0 Q0 7 Q1 0 Q1 7 Q2 0 2 7 表 4 1 西门子 200 系列 PLC 的 I O 地址分配表 根据控制系统的需求 选定 PLC 型号为西门子 S7 200CPU226 4 1 3 控制系统 I O 地址分配 根据控制系统设计的要求及选定的 PLC 型号 确定系统的 I O 地址分配如 下表所示 泰山学院本科毕业论文 11 信号名称I O 地址 启动按钮I0 0 停止按钮I0 1 急停按钮I0 2 一号上限位开关I0 3 二号上限位开关I0 4 三号上限位开关I0 5 一号下限位开关I0 6 二号下限位开关I0 7 三号下限位开关I1 0 四号车位左限开关I1 1 六号车位左限开关I1 2 四号车位右限开关I1 3 六号车位右限开关I1 4 1 号车位存取开关I1 5 2 号车位存取开关I1 6 3 号车位存取开关I1 7 检测车是否在前部停好光电传 感器 I2 0 检测车是否在后部停好光电传 感器 I2 1 检测四号车位是否有车光电传 感器 I2 2 检测空车位是否有车光电传感 器 I2 3 检测六号车位是否有车光电传 感器 I2 4 1 2 3 载车板上升按钮I2 5 进门光电传感器I2 6 泰山学院本科毕业论文 12 出门光电传感器I2 7 进闸门上限开关I3 0 进闸门下限开关I3 1 出闸门上限开关I3 2 出闸门下限开关I3 3 表 4 2 输入 I O 地址分配 信号名称I O 地址 一号平台上升Q0 0 二号平台上升Q0 1 三号平台上升Q0 2 一号平台下降Q0 3 二号平台下降Q0 4 三号平台下降Q0 5 绿灯Q0 6 红灯Q0 7 四号平台左移Q1 0 六号平台左移Q1 1 四号平台右移Q1 2 六号平台右移Q1 3 报警灯Q1 4 1 号防坠电磁阀Q1 5 2 号防坠电磁阀Q1 6 3 号防坠电磁阀Q1 7 进闸门上升Q2 0 进闸门下降Q2 1 出闸门上升Q2 2 出闸门下降Q2 3 表 4 3 输出 I O 地址分配 4 14 闸门控制程序 泰山学院本科毕业论文 13 设计要求 当汽车到达闸门前时 若车库内有空车位 系统自动打开闸门 让车辆进入动作平台 如果停车位已满 系统将拒绝打开停车场闸门 在车库 进出口处各装有一个传感器 I3 0 I3 1 当有车进入车库时 I3 0 检测到实现加 1 运算 当有车出去时 I3 1 检测到实现减 1 运算 这样 当车库内车辆未达到 5 辆时 系统会在检测到车辆时自动打开进口闸门 当车库内车辆达到 5 辆时 系统将拒绝打开进口闸门 泰山学院本科毕业论文 14 图 4 4 闸门控制程序 4 1 5 指示灯控制程序 设计要求 红色灯在系统处于等待状态时能代表车位已经满 绿色灯则代 表车位还有剩余 利用闸门控制程序检测到的车位情况即可实现该显示 设计要求 停车场的指示灯能够自动分辨系统当前处于的控制状态 红灯 闪烁代表进车模式 绿灯闪烁代表取车模式 黄灯代表手动控制模式 粉红色 灯闪烁代表系统处于等待选择状态 泰山学院本科毕业论文 15 图 4 5 指示灯控制程序 立体车库作为解决城市现代化进程中停车难的首选解决方法 它以快捷 高效 占地少和安全方便等优点 迅速出现在各个现代化的城市建设中 作为 高科技的新产品 这个选题具有很现实的意义 由于立体车库目前尚属于高科技产品 现成的资料十分的缺少 我通过上 网 到图书馆查资料 不断的收集相关信息 并针对设计题目的要求 最终选 定设计方案 通过完成本次课程设计 在我的脑海里逐渐形成一套提出问题 分析问题 解决问题的思路 这竟针对以后我们面对新任务时 有更好的解决方法 课程 设计的完成 使得我的创新能力得到了全面的提高 在完成课程设计的过程中 不仅丰富了我的知识结构体系 更锻炼了我的实际动手能力 这将对将要走上 工作岗位的我打下一个坚实的基础 由于所学的知识有限 而实际经验缺乏 因此 我的实际中难免存在缺陷 和不足 恳请老师给予批评指正 以便我在今后的学习工作中得意弥补 4 2 变频器的选择 1 变频器与负载的匹配问题 电压匹配 变频器的额定电压与负载的额定电压相符 电流匹配 普通离心泵 变频器的额定电流和电机额定电流匹配 对于特 殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数 以确定逆变器电流和过载的最 大电流 转矩匹配 这种情况在有减速装置或者恒转矩负载时有可能发生 2 变频器选择 由于电动机是立体车库的动力源 各个载车板的移动均由电动机拖动完成 所以 能否有效控制电机决定了存取车的效率 运行精度 稳定性和安全性等 早起的升降横移式立体车库采用普通三项交流异步电机 控制过程简单 但电 机恒速运行 是靠牺牲时间来获得令人满意的速度的 本次设计针对立体车库 电机控制常规方法的缺点 提出了 PLC 与变频器结合的改进方法 泰山学院本科毕业论文 16 当 PLC 接触到上位机传来的存取车信号 需要电机动作时 PLC 控制相应 的接触器动作闭合 电机得电运转 电机转子通过减速器带动载车板移动 载 车板移动到位后 触动行程开关 向 PLC 发送停止信号 PLC 控制接触器断开 电机停转 并同时制动 保证电机迅速停转 避免移动错位 选用安川 VS 616G5 通用变频器 其具有可自行设置速度曲线的特点 能实 现电机控制系统和精确控制 4 3 传感器的选择 本设计中选用的接近开关为欧姆龙电感式接近开关 LW 18 系列 如下图 所示 图 4 6 欧姆龙电感式接近开关 LW 18 系列 4 4 车位停车信号 立体停车库中 载车板上是否停放车有车辆 通过采用光电开关实现 在 此采用红外对射式光电开关 在载车板的对角线上安装 当有车辆停放时 阻 挡红外对射信号 光电开关无输出 当无车辆停放时 存在红外对射信号 光 电开关有输出 红外光电开关是一种对射式光电传感器 其物体不限于金属 该传感器具 有探测距离远 可调节测量范围的优点 关于该红外开关的测量范围问题 厂家给出的范围是 0 8m 但本产品并非 精密传感器 测量范围有误差 但在本设计中 此种型号的光电开关就能满足 设计要求 本设计中采用的红外对射开关型号为 E18 M8NK 泰山学院本科毕业论文 17 结论与讨论 升降式立体车库的控制系统采用 PLC 控制 是整个控制系统的可靠性大 大提高 可实现车位的自动调配 满足的车库的控制功能与使用性能要求 完 全实现了进出车的自动控制 软件设计上的优化处理 使得本系统车位扩展较 为简便 在分析目前立体车库常用的传动系统的基础上 确定了本车库的机械 系统传动方案 本文介绍的基于 PLC 的立体车库控制系统 简述了二层升降横移式立体 车库工作原理和结构特点 通过 PLC 软件设计 实现了立体车库的自动控制 升降横移式立体车库的控制系统通过采用 PLC 的控制 使整个控制系统的可 靠性大大提高 满足了车库的控制功能与使用性能要求 实现了进出车的智能 控制 机械立体车库的种类繁多 我们必须通过详尽的技术分析才可以有明智 的判断 利用一切可以利用的因素 建造出经济技术合理和使用市场要求的机 械立体车库 总之 在我们面临着建设现代化大都市的重任和土地资源异常奇 缺的情况下 使用机械立体停车库是可行 明智的选择 它的前景将无限美好 在整个课程设计的过程中 遇到了很多设计前想不到的问题 困扰了很长 时间 不过通过查找资料 请教老师和同学 问题终于得以化解 因此困难是 不可怕的 可怕的是缺少面对困难的勇气 这次课程设计虽然困难多多 但是 最后却得到了很多 泰山学院本科毕业论文 18 参考文献 1 王淑英编 电气控制与 PLC 应用 M 北京 机械工业出版社 2007 48 2 王兆义 可编程控制器教程 M 上海 机械工业出版社 2004 28 3 张文明 组态软件控制技术 J 北京 清华大学出版社 2006 08 4 何献忠 可编程控制器应用技术 M 北京 清华大学出版社 2007 14 5 杨莹 可编程控制案例教程 J 上海 机械工业出版社 2008 16 6 王军 郑新志 PLC 自动控制系统 J 山东 山东轻工业学院学报 2004 03 7 陈光明 赵连玉 可编程控制器应用 J 天津 天津理工大学学报 2005 06 8 蔡瑞娟编 西门子 PLC 高级培训教程 J 北京 人民邮电出版社 2009 88 9 林春方 可编程控制器原理及其应用 M 上海 上海交通大学出版社 2004 55 10 王永华 现代电气及可编程控制技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 2003 48 11 殷洪义 可编程序控制器选择设计与维护 M 北京 机械工业出版社 2004 38 12 钟肇新 彭侃编译 可编程控制器原理及应用 M 第二版 广州 华南理工大学出版社