基于PLC控制的塔式立体车库毕业设计

本科毕业论文（设计）题目：立体车库的PLC控制系统设计立体车库的PLC控制系统设计stereogarageofPLCcontrolsystemdesign摘要随着汽车工业的发展，以与国家的经济型社会、节约型经济的政策、可持续发展战略等，立体车库以其利用率高，自动化强，灵活性高特点得到了快速发展。本文将PLC技术、触摸屏技术、变频器技术应用于塔式立体车库控制系统，并根据系统的控制要求，进行了立体车库控制系统硬件连线，软件编程与组态设计等，实现立体车库存、取车的自动运行，同时也实现了人机界面与变频调速的要求，满足了当下社会发展对车库车位的需求。关键词立体车库；PLC；人机界面AbstractWiththedevelopmentofAutoindustryandthestrategyoftheeconomicalsocietyandthesustainingdevelopmentalstratagem,stereogaragetoitshighutilization、automation、flexibility,gotrapiddevelopment.ThispaperappliedPLCtechnology,touchscreentechnology,invertertechnologyinthecontrolsystemofstereogarage.Accordingtotherequirementsofthecontrolsystem,conductedtheworkofthestereogaragecontrolsystemhardwarecircuitdiagram,softwaredesign,configurationdesignetc,notonlyrealizedcarstockingandcartakingautomatically,butalsorealizedtheman-machineinterfaceandfrequencyconversiontimingrequirementsatthesametime,meettherequirementsofcurrentsocialdevelopmentofstereogarage.Keywordsstereogarage；PLC；HMITOC\o"1-3"\h\u目录4643第1章前言1264901.1课题研究背景157801.2国外现状1183281.3立体车库的优点2221481.4立体车库的分类2279101.5毕业设计容与研究思路39244第2章立体车库的结构与运行原理44352.1车库选型4185152.2立体车库的总体结构4241842.2.1钢结构框架513892.2.2升降装置576912.2.3回转升降装置537582.2.4存取装置593432.2.5叉梳机构698012.3控制运行原理610215第3章硬件系统选型8235653.1电动机选型8273383.2限位开关选型8313453.3传感器选型980833.4触摸屏的选择9237743.5变频器的选择9256293.6PLC选型103633.7系统整体接线图1232527第4章系统程序与组态设计13310844.1程序设计1352844.2主程序13142094.3存车流程15304734.4取车流程20284214.5变频器子程序2557674.6中断子程序2661574.7组态设计27307294.7.1主画面2711164.7.2车位选择画面2732624.7.3车位显示画面2853644.7.4变量关联2923532结论3023852辞3114375参考文献32前言课题研究背景随着国民经济的快速发展以与城镇化水平的不断提高，我国的汽车数量迅速增长，目前许多城市的车辆交通已远远超过现有道路设施的负荷，汽车停车场建设滞后导致国的静态交通基础设施严重落后于动态交通基础设施，停车困难的问题已逐渐成为影响和制约城市建设以与经济发展的重要因素。传统的平面停车场需要占用大量的土地资源，容纳的车辆有限，无法有效解决这一问题。而先进的机械式立体停车库，集机械、电子、液压、光学、磁控和计算机等多种技术于一体，实现了地面停车向空间的扩展，具有节约空间、自动化操控、安全可靠、建设成本低、配置灵活等优点，已成为未来车库发展的必然趋势。国外现状近年来世界各国汽车保有量都急剧增加，在给人们带来极大方便的同时也给社会带来了新的问题——汽车的安全有序的存放问题。这一问题引起了各国的重视，均拿出资金资助这一课题的研究。尤其是那些人口多、土地相对较少的国家和地区——如日本、国以与我国的等地区。立体停车设备在国外尤其是在欧洲、美国、日本等国发展已有30多年的历史，技术经验较为成熟，发展较快的有日本、德国、法国、意大利、荷兰、美国、国以与我国等。尤其是日本，从1962年研制出第一台立体停车设备以来，至今已经开发、生产出九大类近百个品种的立体停车设备，拥有停车设备制造企业400多家，车库设备年增长率达30％；拥有停车设备制造企业268家，产量几乎两年翻一翻；国现在拥有停车设备制造企业400多家，通过引进日本技术和自我开发，每年车库设备以30％的速度发展[1]。我国立体车库的发展，始于二十世纪八十年代，的华一机械车库集团XX公司于1989年建造起国第一台垂直循环类机械式停车车库，填补了国机械式停车车库的空白。虽然从二十世纪八十年代就开始研制和使用机械式立体车库，但由于市场需求原因，经历了十多年的温和发展。近年来，中国经济腾飞，城市化进程加快，汽车工业和汽车需求市场也得到快速发展，汽车保有量的不断增加，城市停车设施的增长却长期落后于车辆的增长。立体车库产业在二十世纪九十年代迅速兴起，步入了引进、开发、制造和使用的快车道，国立体停车库市场正以直线上升的态势在飞速发展[2]。到目前为止，国从事立体车库研发的企业已有100余家，其中主机生产的企业有50多家，首批获得国家颁发的立体停车设备制造企业资质的有22家。为适应立体车库行业迅猛发展的需要，保证产品质量和可靠性，以规立体车库的生产和建设，国家已出台了《机械式停车设备类别、型式与基本参数》／T87130．1998等6个标准，对推动我国立体车库事业起到了极大的促进作用[3]。立体车库的优点以立体化形式存放车辆的机械式停车库叫做机械式立体停车库，是一种技术密集型的机电一体化产品，发展潜力很大，具有很多优点：节省占地面积。一般约为平面停车场的1／3～1／20，立体车库可以打破常规纵向向上向下延伸而非单一的平面扩，从而有效地节省土地资源，极大限度的增加停车位[4]。建设成本低。由于机械式立体停车库主要向垂直空间扩展，虽然工程费用较高，但可省去大量的土地使用费等开支，因此就单个泊位的建设成本而言，一般低于同等规模的平面停车场。自动化操控，使用方便。机械式立体停车库自动化程度高，用户通过简单操作，就能实现车辆的自动存取；配备自动检测系统以与安全保护措施，安全性能好。立体车库的分类到目前为止，立体车库发展到现在有九种主要类型：升降横移类(PSH)、巷道堆垛类(PXD)、垂直升降类(PCS)、垂直循环类(PCX)、水平循环类(PSX)、多层循环类(PDX)、简易升降类(PJS)、平面移动类(PPY)、汽车升降机(PQS)[5]。升降横移式停车设备利用载车板的升降或横移来实现车辆的存取，此类停车库将载运和存放汽车的载车板与升降装置组合在一起使用，构成立体化存车的形式，多为中、小型车库，泊位数目从几辆至几十辆不等，一般设计为2或3层。结构上，除顶层外，每层均有一个空车位，作为交换车位。这种类型的立体车库造价不高，车位的布置紧凑，易于实现自动控制，在楼字地下室或住宅小区的空地上布置较为方便。缺点是每块载车板都需要配套的驱动机构，结构比较复杂，可靠性不易保障；层数不宜设计太高，车位数不宜太多，否则存取流程过于冗杂，能源浪费很大[6]。垂直循环式立体停车库是循环式中最有代表性的，主体是垂直回转链式输送机，车辆停放在呈圆形或长圆形配置的数个托盘上，由链条带动做垂直循环运动，在平动机构控制下保持车位水平。这种车库由单一大型电机驱动，最大的优点是电气控制系统简单，但缺点也很明显，例如泊位数受电机功率与结构等因素限制、传动噪音大、存取速度慢、能耗高等，因此呈逐步淘汰之势。垂直升降类立体停车设备利用升降机构将车辆提升到目标层，再启动横移机构把车存入泊位中，工作方式类似于电梯。这种车库有几十米高，每层可设2个或多个泊位，可单独建设或安装于建筑物，一般采用可编程序逻辑控制器构成其自动控制系统，实现车辆的全自动存取等功能[7]。巷道堆垛类立体停车设备是利用巷道堆垛机或桥式起重机作为搬运装置，进入到搬运装置中的车辆可同时进行两维的运动，快速到达指定车位，再用存取机构将车存入泊位。这种车库类似于立体仓库，最早出现在美国，适合于上百个、甚至是上千个停车位的大型自动化立体停车库，当然造价也是很高的。毕业设计容与研究思路认真阅读相关书籍资料，仔细研究各种类型立体车库的特点，通过对比的方面的原理和特点，选择性价比较高的车库类型。根据车库选型，参考一些成熟技术，设计立体车库的硬件部分，在此基础上考虑车库整个运行流程，考虑车库的高效性、可靠性、安全性，分析设计方案。根据车库运行流程与其实现功能，选择合适的控制系统和软件实现方案，并进行编制相应的程序，在逐步完善相应功能。调试运行程序，发现问题，解决问题，优化功能。立体车库的结构与运行原理车库选型通过分析比较各种立体车库类型的优缺点，结合技术可行性和经济性可行性，本文的立体车库类型设计为塔式即垂直升降式立体车库，这是因为在众多的立体车库类型中，塔式（垂直升降式）是本文认为综合性能最好的一种，塔式立体车库空间利用率高、自动化程度高、配置灵活、运行噪声小、能源消耗低、维护方便，所以具有广阔的发展前景。立体车库的总体结构垂直升降式立体车库的机械结构比较复杂，必须对关键机构进行重点设计，其中主要包括钢架结构，升降装置、存取装置、载车台回转装置、安全保护装置等[8]。本论文研究的塔式（垂直升降式）立体车库以4层8库位为例，每层2库位，分A区、B区，塔式立体车库结构如图2.1所示。由1台电磁制动三相异步电动机(22kW)作为主拖动电动机（曳引电机），l台安全门控制电动机，1台举升电机，1台旋转电机，l台横向移动取送电动机组成。图2.1塔式立体车库结构图钢结构框架钢结构框架主要由立柱、横梁、车位架等组成，用于承受车库自身部件重量和存入车辆重量、置停车位并且安装机械传动和电气控制部件。每个车位初定长宽高尺寸为5.3m×2.3m×2.3m。升降装置为了提高运行效率，塔式（垂直升降式）立体车库要求升降系统具有较高的提升速度和良好的可靠性。在参照和比较几种现有升降驱动方式的基础上，决定选用曳引驱动技术，采用成熟的升降机提升装置。我们选用高效节能的三相异步电动机作为动力源，控制方式采用变频变压调速技术，不仅能够实现良好的调速性能和运行平稳性，还可满足停车库对平层精度的要求。升降装置包括：1)曳引驱动机、减速机构和制动器；2)传动部件，包括钢丝绳和滑轮等；3)对重和平衡链；4)载车台，用于升降时支托车辆；5)升降导轨和对重导轨。曳引机通过钢丝绳驱动载车台升降，同时对重也相应运动。对重可称为重量平衡系统，其功能是在工作中使升降台和对重间的重量差保持在某一限额，保证电动机正常运转，对重由对重架、对重块、导轨、缓冲器碰块以与钢丝绳组成。升降装置的传动机构(包括电机，滑轮等)设在停车库的顶部[8]。回转升降装置升降回转装置由回转支撑、回转台等部分组成。通过比较分析现存同类立体车库的横移与旋转机构的优缺点，把旋转装置与横移装置全部放在升降机上，采用置式转盘。旋转机构通过回转支承、电机实现平台旋转，从车辆进入载车平台后，通过电机正反转触碰行程开关来实现旋转到位。需要回转时，通过旋转电机驱动齿轮减速箱，其输出小齿轮驱动回转大齿轮完成回转动作[9]。例如左侧车位，需要电机正转触发平台左限位开关后，表示旋转到位。存取装置伸缩叉梳式交接系统机构简单，传动部件少，运行效率高，更适合中小型车库使用。考虑到存取车时间是一个影响立体车库使用的重要因素，所以选择效率较高的叉梳式存取方式。叉梳的推出方式有双向和单向两种方式，单向推出叉梳的横移机构简单，但是安装叉梳的旋转台必须能作旋转才能实现左右方向存取车辆；双向推出叉梳不需要作旋转就能实现左右方向存取车辆，但是要实现双向推出，其横移机构就要复杂许多，而且会增加横移叉梳的宽度，从而增加升降机井道的宽度，故选择单向伸缩叉式存取机构[10]。叉梳机构叉梳机构是指库位和升降机上各有一对相互交错的叉梳（实际上库位是一个叉梳，而升降机中还有一个与它相错的叉梳），这两个叉梳相互交错,从而使车辆能顺利的实现库位和取送机构之间的传送。存车时取送电机将叉梳机构伸出，举升机构向下运动实现车辆由升降机到库位的交接，取车时正好相反。叉梳结构如图2.2所示。图2.2叉梳结构停车位的叉梳设计为固定的，升降机中的叉梳在动力系统的带动下可以横向移动。旋转台能实现90°正反向旋转，在旋转台的带动下，横移叉梳只需单向伸缩就可实现对井道两边库位上汽车的存取。这样固定停车位就不需要动力源，除升降机的动力源之外，只有旋转、横移和载车台升降三两个动力源，它们都安装在升降机中，而且运动部件也大为减少。系统控制运行原理本系统通过可编程逻辑控制器（PLC）控制实现整个存取车过程，PLC控制系统是整个立体车库的核心部分。其整体控制图如图2.3所示。PLC安全门取送机构升降机构旋转机构传感器PLC安全门取送机构升降机构旋转机构传感器控制面板控制面板图2.3整体控制图硬件系统选型电动机选型本次设计电动机可选用型号：Y系列三相鼠笼异步电动机。本系列电动机具有体积小，重量轻、运行可靠、结构坚固，外形美观等观点，而且效率高，起动转矩大，噪声低、寿命长、经久耐用。适用于电源电压为380V无特殊要求的机械上，如机床、泵、风机、运输机搅拌机、农业机械等[11]。本设计中主要用到电机，由1台电磁制动三相异步电动机(22kW)作为曳引电机，l台安全门控制电动机，1台旋转电机，1台举升电机，l台横向移动取送电动机组成。升降机构的最大速度为1m/s，载车平台、叉梳机构和车辆的总重按照2.1t计算，所以电机功率P约为22KW，故选择曳引电机型号为Y1M80-2，最大功率为22kw，转速为2940r/min，重量为173kg。门电机型号为Y801-2，最大功率为0.75kw，转速为2830r/min，重量为17kg。旋转电机型号为Y225M-2，额定功率为45kw，最大转矩／额定转矩为2.2。取送机构速度约0.2m/s，材料系数经查表得出齿轮材料的摩擦系数为0.5，（P=μ×mg×v=0.5×20000×0.2=2KW）故选择取送电机型号为Y90L-2，最大功率为2kw，转速为2840r/min，重量为25kg。限位开关选型在这个控制系统中，使用了众多触点式限位开关，其主要作用是对载车平台的运行状况进行控制，同时对自动门的开关进行控制。（1）楼层限位开关。限位开关的作用是控制升降机在运行过程中准确到达每层，例如上行过程中，如果在楼层2升降机需要停止，则在接触到楼层2下限位开关后，升降机由高速切换到低速运行，实现电梯的平稳启停。（2）开/关门限位开关。开/关门限位开关主要包括两个限位器，开门限位器和关门限位器，主要作用是检测门的状态。开门限位器置于门在打开状态时的位置，当门完全打开后，限位开关接通；关门限位开关置于门在闭合状态时的位置，当门完全闭合时，限位开关接通。（3）载车平台限位开关。车辆进入载车平台，前轮触碰到限位开关，两侧光电开关感应到车辆，表示车辆已经停到位，可以进行下一步操作。传感器选型传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。本设计中用到对射式光电传感器。触摸屏的选择在工业环境中使用触摸屏，用它作为人机界面，具有交互性好、可靠性高、编程简单以与与连接简便等优点。主要由以下功能：（1）主要用于实时显示设备或系统在操作状态方面的实时信息；（2）触摸屏上的触摸按钮可以产生相应的开关信号，获输入数值、字符给PLC进行运算处理；（3）可多幅画面重叠或切换显示，显示图形、字符串、报警信息等。本设计选择的K-TP178micro拥有5.7英寸触摸屏、蓝色4级灰度显示、S7-200PLC专用触摸屏，友好的操作界面（触摸屏+按键）、快速的系统启动时间和操作响应时间、超大存储空间、无与伦比的高可靠性、强大的密码保护功能。组态软件：WinCCflexible，编程灵活快捷、为中国用户量身定做，符合中国用户使用习惯。[12]图3.1K-TP178micro显示界面变频器的选择在本系统中，选用了由西门子生产的变频器MM440。MM440是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列[13]。本设计所选型号订货号为6SE6440-2UD32-2DA1，额定输出功率为30kw，额定输入电流为74.8A，额定输入电流62A，外形尺寸D，重量16kg。MM440主要特性：=1\*GB3①对控制信号的响应是快速和可重复的=2\*GB3②参数设置的围很广=3\*GB3③具有多个继电器输出=4\*GB3④具有多个模拟量输出=5\*GB3⑤6个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP接线=6\*GB3⑥2个模拟输入：AIN1、AIN2MM440端子接线图如图3.2所示图3.2MM440端子PLC选型根据控制系统的功能要求，从经济性实用性和可靠性等方面考虑，采用西门子S7-200系列PLC作为控制系统的核心编程器。S7-200系列现在应用比较广泛的CPU是22*系列，在这个系列中有五种不同的结构配置：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU22XM等。在此次车库控制系统中，共需要31个数字输入量、11个数字输出量，故选择CPU226作为主机[14]。CPU226的数字量输入为24个，数字量输出为16个。故该控制系统需要扩展一个数字量输入模块，根据控制系统的功能要求选用数字量扩展模块EM221，它有8个数字量输入。该系统还需要扩展一个模拟量输入模块，根据控制系统的功能要求选用模拟量扩展模块EM235[15]，EM235为4个模拟量输入和1模拟量个输出。其接线图如图3.3所示。图3.3模拟量扩展模块EM235PLC的I/O资源配置根据控制系统的功能要求，分配如表3-1所示。表3-1I/O地址分配表输入地址输入设备输出地址输出设备I0.0存车按钮I2.6一层按钮I0.1取车按钮I2.7变频器故障信号I0.2急停按钮I3.0三层按钮I0.3启动按钮I3.1四层按钮I0.4关门按钮I3.2门电机故障信号I0.5光电开关I3.3旋转电机故障信号I0.6载车台限位开关I3.4曳引电机故障信号I0.7一层下行程开关I3.5取送电机故障信号I1.0二层下行程开关I3.6二层按钮I1.1三层下行程开关Q0.0门电机正转I1.2四层下限位开关Q0.1门电机反转I1.3门开到位限位开关Q0.2旋转电机正转I1.4门关到位限位开关Q0.3旋转电机反转I1.5旋转左位行程开关Q0.4曳引电机正转I1.6旋转右位行程开关Q0.5曳引电机反转I1.7旋转原位行程开关Q0.6举升电机正转I2.0取送起始位行程开关Q0.7举升电机反转I2.1取送终止位行程开关Q1.0取送电机正转I2.2举升上位行程开关Q1.1取送电机反转I2.3举升下位行程开关Q1.2报警I2.4左按钮AIW0变频器频率输入I2.5右按钮AQW0变频器频率反馈系统整体接线图根据以上各主要器件的型号以与PLC的确定，控制系统的整体硬件接线图如图3.4所示：图3.4系统的整体硬件接线图系统程序与组态设计程序设计本次毕业设计控制系统程序设计根据流程图，编写的梯形图分为主程序、存车程序、取车程序、变频器子程序四部分。主程序立体车库控制系统通过人机界面HMI来实现。通过触摸屏按下启动按钮，系统开启并进行系统初始化，然后就可以进行存车、取车操作。系统工作流程图如图4.1所示。图4.1系统工作流程图主程序包括启动程序、调用存车取车子程序、调用变频器子程序、故障显示程序。启动程序用来实现所有寄存器初始化。主程序中急停按钮可以实现存车和取车程序在任何时刻实现中断，避免突发状况。故障显示程序是指当系统中出现故障电机停转，并且能通过触摸屏显示。主程序如下图4.2所示。图4.2主程序存车流程立体车库控制系统通过人机界面HMI来实现。存车时，在人机界面的主画面选择“存车”按钮，进入存车界面，选择存车库位，人机界面将相应信号传送至PLC。此时，安全门打开，司机将车开到升降台指定位置后下车，并按“关门”按钮，大门关闭。PLC根据选取库位判断旋转台是否需要左（右）旋转90°，若需要则起动旋转电机。之后，升降台上升，快要到达指定层时，升降台切换为低速上升，达到指定层碰撞到行程开关时，曳引电机制动。然后，叉梳机构存车入位。此时，在人机界面上显示相应库位信息。升降台下降，旋转台复位，完成存车操作。存车流程图如图4.3所示。图4.3存车流程图存车程序程序根据存车流程图编写，主要有车辆进入载车平台、旋转台旋转、叉梳机构存车入位、复位等程序组成。存车程序如下图4.4所示。图4.4存车程序图4.4(续)存车程序图4.4(续)存车程序图4.4(续)存车程序取车流程取车时，在人机界面上选择“取车”按钮，选择取车库位,进入取车操作。根据库位位置，PLC根据选取库位判断旋转台是否需要左（右）旋转90°，若需要则起动旋转电机。然后升降台开始快速上升，到达指定层。然后叉梳机构取车，此时人机界面上显示相应库位信息。升降台复位，安全门打开，司机把车从载车台上开出，大门自动延时关闭。取车过程结束。取车流程见图4.5所示。图4.5取车流程图取车程序根据取车流程图编写。取车程序包括旋转台旋转、叉梳取车、复位、车驶出载车平台、延时关门程序。取车程序如下图4.6所示。图4.6取车程序图4.6（续）取车程序图4.6（续）取车程序变频器子程序变频器子程序如下图4.7所示。图4.7变频器子程序中断子程序中断子程序如下图4.8所示。图4.8中断子程序组态设计WinCCflexible是针对具有简单高效的机器而设计的，WinCCflexible综合了下列优点：直接的处理方式、透明性、灵活性[16]。在进行组态设计时主要需要通过建立过程画面（显示工作过程），变量关联（用于运行时在PLC和HMI设备之间传送数据），报警（用于运行时显示运作状态）实现人机交互。根据塔式立体车库的控制要求，在触摸屏上主要设置这几个画面：主画面，车位选择画面，车位显示画面。主画面为使显示画面简洁，需要在触摸屏主画面上设置如下主要项目：启动与停止，存车与取车，车位显示，故障显示。按下启动按钮后，系统初始化，即可进行存取车动作。按下存/取车按钮后，即可进入车位选择画面，根据所选车位便可进行存取车。按下车位显示便进入车位显示画面。主画面如图4.1所示。图4.1主画面车位选择画面车位选择分两步，首先选择左右侧车位，即画面上的A和B。然后选择层数即画面上的1、2、3、4层。例如选A2，即是2层A车位。以此类推。取车车位选择方法与存车车位选择一样。车位选择画面如图4.2所示。图4.2车位选择画面车位显示画面车位显示画面用于方便用户查看车库车位利用情况，当车库车位有车时，车位显示红色，表示不可存车。当车库车位无车时，车位显示绿色，表示可以存车。例如A2车位，当已经存车