【《基于PLC的立体车库电气控制系统探究与设计》8600字】

基于PLC的立体车库电气控制系统研究与设计目录7765摘要 摘要：为了应对市场的不同需求，设计的立体车库也需要多元化。本文在分析了立体车库的框架和运行方式的情况下，设计了一款由PLC控制和触摸屏的升降横移式立体车库。整个系统是以PLC为核心，使用PROFIBUS-DP总线的网络形式，以S7-1200为核心，其他设备充当从站。运用HMI当作人机界面，来帮助用户自我操作，并且可以实时反应车库的状态。车库中的输入输出连接在分布式I/O模块上，将采集到的信号和需要发出的信号通过总线和CPU进行交换。系统的硬件组态，编写程序块的程序，选择变量都在博途中完成。组态硬件的时候，需要确定I/O模块的地址和设置主从站参数，触摸屏程序包括画面的组态，触摸屏和PLC的连接，变量连接。本文首先确定了车库的类型，又涵盖了车库的机械组成，并对PLC，触摸屏，传感器进行简要概述，并对I/O模块进行分配，并设计车库的接线。之后进行软件编程和触摸屏的界面设计，最后调试系统。关键词：立体车库；PLC；触摸屏1.前言因为人们的生活条件越来越好，交通方式也越来越多样化，最初是走路，后来是骑自行车，后来是骑摩托车，最后是轿车。从全国的统计数字来看，汽车的数目越来越多。随着社会的发展，人们对汽车的要求越来越高，机动车的数量也会逐年递增。它相比于一般停车场来看，有着绝对的优势，像占地面积小，智能程度高等一系列特点，可以在很短的时间内解决停车困难。本文设计了一款以PLC控制为核心的立体车库。并对车库实时进行监控和数据采集，意在提高车库的自动化程度，减少车辆进出时间，减少传统车库带来的各种不方便的情况。本文首先阐述并剖析了立体车库硬件的总体机械框架结构,。之后根据车库的类型特点进行了划分,然后又对立体车库系统进行了硬件设计,有PLC的设置选择，触控式的选型，三种传感器的选型，对控制电路的设计，I/O点的分配，并对PLC的硬件进行了设计，并对其进行了编程，同时还对HMI的接口进行了设计。共分为五个画面，分别是对用户和管理员展开，方便用户进行存取车或者车库可以进入电机控制画面进行操作对车库系统进行调试，一方面可以减少误差，另一方面可以保证安全。2.立体车库电气控制系统方案设计本文是基于PLC控制和触摸屏相结合的设计，首先确定了车库的类型，又涵盖了车库的机械组成，并对该系统的开发环境做了简要的说明。2.1立体车库的分类本文的研究对象是升降横移式立体停车库。社会上车库的分类有很多，种类也是层出不穷，简要的分出了6类，根据车库分类的特点如表2.1所示。表2.1车库分类升降横移式对空间的利用率高。存取车方便快捷，有多种操作方式。垂直循环式对土地面积要求较小，层数多，但造价成本高，结构复杂还不稳定。简易升降式一车两停，可以任意迁移，可以配备钥匙，防止外人开动设备。垂直升降式对土地的利用率高，建在室外，这种车库的车位很多，但是钢架结构复杂，安全性低，造价高。平面移动式车辆的存取速率高，有大量的地下空间，局部设备故障也不影响其他设备，使用方便。巷道堆垛式可实现多设备同时工作，提高车辆存取速度，智能化程度高，成本高。2.2升降横移式立体车库的整体结构（1）钢结构框架钢结构是整个架构的核心，其起到的作用就相当于人身上的骨头一样，主要用于承重和放置设备。（2）载车板载车板的作用是用来停放车辆，在其上配备电机，方便做移动的操作。同时，当车辆停在载车板上的时候，可能会发生倾斜，就安装了一些装置，比如说无避让式定位防滑装置。（3）电子控制器电子控制器就起到了大脑的作用，用于检测，控制和保护，主要是信息的采集以及对信号的处理，发送和执行。（4）安全防护安全防护就显得至关重要了，所以会安装一些保护措施来防止意外的发生。比如说警报装置，防坠装置、急停装置，其中防坠装置由于价美物廉，运用的尤为广泛。如图2.1所示。图2.1防坠装置图（5）传动装置中上两层车位有链条带动，中间一层有滚轮，将滚轮放在导轨中，从而到达载车板运动。2.3升降横移式立体车库的车位规划本文设计的是一个三层三列的车库，该车库共有9个车位，可以看出2列下面两个是空车位，不进行存停车功能。根据其行列组合进行排号，其排号结果如图2.2所示。图2.2排号车位每个载车板上都配备一台横移电机，二层车位的话，即能做横向移动，也能做提升动作。而第三层的话只进行升降运动，每个载车板上都配备一台升降电机。若用户想要停在C1的车位上时，则需要把B1和A1的载车板整体往右移动一个车位，这样就可以做到把C1的载车板放下来，让用户可以把车辆停进去。如图2.3所示。图2.3立体图2.4立体车库控制系统总体设计本文是以PLC的控制系统为基础，主要使用的方式是触摸屏和上位机分别跟PLC进行连接，PLC上面共有14路输入和10路输出，将传感器检测到的信号作为输入信号传给PLC，之后PLC对这些信号展开处理，并发送执行信号给执行机构，从而控制车库运行。图2.4系统结构框图（1）PLC控制系统PLC是主控设备，它将传感器检测的信号发送到CPU,CPU对其进行处理，并将执行命令发送到输出模块，由输出模块执行，最终实现对车库运营的控制。（2）上位机监控系统上位机的主体部分是工业控制计算机，它利用以太网与PLC进行连接，然后再用PROFINET协议来接收PLC的数据，从而将其显示到监控界面中。。（3）触摸屏系统触摸屏系统可以让用户根据其内的界面设计实现自动存取操作，极大程度上减少了存取时间。在硬件选型之前，需搞懂本设计的工作流程，才可对下面的硬件软件的组态进行设计。同时也是为了让本设计看起来通俗易懂，所以把存取车的操作过程展示出来，也为了方便操作员更好的上手进行操作和调试。共分为两个部分：一方面为存车流程，另一方面为取车流程。如图2.5所示。图2.5流程图2.5系统开发环境本文采用的V15版本的博途软件，博途软件拥有其他编程软件都有的编程语言，整个系统都适用，其功能多而强大，在整个工业控制软件中运用广泛，如图2.6所示。图2.6软件开启图3.立体车库电气控制系统硬件设计要使该系统能正常工作，就必须对其进行硬件设计。并对PLC，触摸屏，传感器进行简要概述，并对I/O模块进行分配。3.1立体车库控制系统硬件总体设计为了达到车库所需要求，硬件设计包括了PLC的设计，变频器的应用，传感器的设计和触摸屏的设计，如图3.1所示。图3.1硬件组成图3.2立体车库控制系统硬件配置为了保证车库的稳定运行，需要添加元器件来对系统进行硬件的组态。需要选择合适的硬件来设计，可以更大程度方便调试运行，若选择不好的硬件，则会浪费很多时间在硬件上。3.2.1PLC配件配置PLC采用的是S7-1200，型号为CPU1214CDC/DC/DC,其自带14路输入和10路输出，本设计的立体车库系统中共有27路输入和26路输出，满足不了设计要求，所以，分别加了1个16位的输入拓展模块和2个16位的输出拓展模块。3.2.2触摸屏人与人交流需要语言，人与设备交流也同样需要一种介质，那就是触摸屏，很好的承担起了这一项任务。同时触摸屏也起到了门面的作用，因为用户的操作都是在触摸屏上进行的，所以给人留下印象深刻的一是车库的方便程度，再一个就是触摸屏的画面组态了。本文使用的触摸屏型号为KTP700BasicPN立式。适用于高标准，可视化，易于操作和监控的机器，可以让用户自己操作并且方便维修员对车库进行手动操作。3.2.3电机本设计采用绕线型的电动机，它是利用自身三项绕组各相差120°来产生一个旋转磁场，三相线分别接在三个绝缘的集电环中，运用了星三角启动，极大程度的改善了电动机的运行性能，同时可以降低启动电流，是普通线路启动的三分之一。本文共用到两种电机，一种是升降电机，一种是横移电机，两者相比较下，横移电机对功率的要求就比较小，本设计中共用到4台。3.2.4传感器（1）限位开关为了保护车辆不超过指定位置，本设计选用了限位开关，是一种松链式的限位开关，型号为SK7311T，它又被称为行程开关，其作用跟按钮的工作原理十分相似，是放在载车板的边缘位置，通过物体的接近程度达到对接点的开闭，达到对电路的转换，从而实现此功能。当车辆停的位置超出指定区域，会输出高电平传给PLC，不能进行下一步。若停在指定区域的话，则维持低电平运行。（2）光电开关为了检测载车板上是否有车和车子的到位情况，本文选择了E3F-DS10C4型光转换器，它是一种具有漫反射特性的光转换器。装在车的一边，用于探测有没有停车，另一个装在四个角的任意一个位置，用于检测车辆是否正确停放。当车辆听到车位上的时候，第一个光电开关会传给上位机，会检测到此车位已停放车辆，当车辆没有停到位的话，另一个传感器就会输出一段高电平传给PLC，不让其进行下一步。停到位的话，就会持续低电平运行。其实物图见图3.2所示。图3.2光电开关（3）接近开关为了检测载车板的停放位置和挂钩的情况，本文采用了接近开关，是一种霍尔式的传感器，为一种开关类型的传感器，具有兼容的性质，既有限位开关的特点又有极多优点，将其放置在挂钩的圆环处，当检测到没有挂钩的信号，会输出一段高电平，来不让其进行下一步。如图3.3所示。图3.3接近开关3.3I/O模块设计本设计需要在变量表里对PLC所有的变量进行编排地址，输入地址从I0.0开始到I3.7结束。输入模块是把传感器采集到的信号传给PLC，如表3.1所示。表3.1输入信号地址分配表名称地址说明G1-1I0.0看G1-1有无载车板G1-3I0.1看G1-3有无载车板G2-1I0.2看G2-1有无载车板G2-3I0.3看G2-3有无载车板G3-1I0.4看G3-1有无载车板G3-2I0.5看G3-2有无载车板G3-3I0.6看G3-3有无载车板SP-A1I1.0A1载车板有没有停放车辆SP-A3I1.1A3载车板有没有停放车辆SP-B1I1.2B1载车板有没有停放车辆SP-B3I1.3B3载车板有没有停放车辆SP-C1I1.4C1载车板有没有停放车辆SP-C2I1.5C2载车板有没有停放车辆SP-C3I1.6C3载车板有没有停放车辆SQ-B1I2.0B1安全挂钩到位情况SQ-B3I2.1B3安全挂钩到位情况SQ-C1I2.2C1安全挂钩到位情况SQ-C2I2.3C2安全挂钩到位情况SQ-C3I2.4C3安全挂钩到位情况X1-1I3.0X1-1停放安全车辆X1-3I3.1X1-3停放安全车辆X2-1I3.2X2-1停放安全车辆X2-3I3.3X2-3停放安全车辆X3-1I3.4X3-1停放安全车辆X3-2I3.5X3-2停放安全车辆X3-3I3.6X3-3停放安全车辆SBI3.7急停开关输出模块是控制模块，执行PLC发出的指令。输出地址从Q0.0开始到Q5.3结束如表3.2所示。表3.2输出信号地址分配表名称地址说明名称地址说明J1-1-ZQ0.1J1-1左移J3-1-XQ2.1J3-1下移J1-1-YQ0.2J1-1右移J3-2-SQ2.2J3-2上移J1-3-ZQ0.3J1-3左移J3-2-XQ2.3J3-2下移J1-3-YQ0.4J1-3右移J3-3-SQ2.4J3-3上移J2-1-SQ1.0J2-1上移J3-3-XQ2.5J3-3下移J2-1-XQ1.1J2-1下移AN2-1Q3.02-1安全挂钩J2-1-ZQ1.2J2-1左移AN2-3Q3.12-3安全挂钩J2-1-YQ1.3J2-1右移AN3-1Q3.23-1安全挂钩J2-3-SQ1.4J2-3上移AN3-2Q3.33-2安全挂钩J2-3-XQ1.5J2-3下移AN3-3Q3.43-3安全挂钩J2-3-ZQ1.6J2-3左移YXQ3.5正常运行J2-3-YQ1.7J2-3右移YMQ3.6车库已满J3-1-SQ2.0J3-1上移BJQ3.7声光报警3.4电机控制电路设计电机控制电路都由QF、KM和FU组成。控制载车板的供电为QF，并且加了一个FU保护电路，电机的正反转则需要两个KM来控制。通过电路正反接来达到电机的正反转控制，如图3.4所示。图3.4控制电路图当车库得电运行，断路器QF1闭合电源连通，如果要让载车板左移，需要将KM1闭合，使得电机正转，达到左移的目的。若要让载车板右移，则将KM2闭合，使得电机反转，达到右移的目的。升降电机运用的方法和横移电机相同，都是电机的正反转，只不过方向不同。PLC的电气原理图是由14路输入和10路的输出外加以太网接口和电源组成的，其中，14路输入包括三种传感器的符号，10路输出的话是不同的KM去带动不同的电机完成正反转。如图3.5所示。图3.5电气原理图添加两种拓展模块。图3.6附加16点的数字量输入模块一种为16点DC24V数字量输出模块，如图3.7所示。图3.7附加16点的数字量输出模块4.立体车库电气控制系统软件设计立体车库的软件部分，主要由以下三个方面组成：触控式人机交互，上位机的监控以及PLC的应用。车库的程序编写是以PLC为核心，其包括了硬件的组态，主流程设计并与PLC串行接口通信等部分。触控式系统可以整体监控车库并观察车位空闲情况，主要包括了画面的设计与PLC的连接方式。其整体结构如图4.1所示。图4.1软件功能模块4.1PLC控制程序设计先在博图V15中新建一个项目，项目名称设为智能立体车库系统，如图4.2所示。图4.2项目图然后在点击组态画面，会出来组态设备，创建PLC程序，组态工艺对象，组态触摸屏画面，如图4.3所示。图4.3组态画面图4.4添加设备首先单击Controller，然后单击“增加PLC”，它的模式是：1214CDC/DC/DC。点击PLC，右边会出现DI或者DO模块，点进去，选择一个16路的输入模块和一个16路的输出模块，并对它的地址进行分配，系统的硬件配置如图4.5所示。图4.5系统硬件配置4.1.1初始化程序设计由于PLC有记忆功能，为了避免故障的产生，需要每次在运行前先进行一次初始化，保证车场的安全运转。PLC自身带有初始化模组，可以通过该模组进行编程。见图4.6。图4.6初始化程序当PLC接通电源之后，初始化进行，对一些寄存器赋值，将所有的输入，输出还有中间数据变为初始值，已保证后面设备的正常运行，将完成的信号放在M0.0中。4.1.2主程序设计在PLC初始化结束之后，系统在没有执行命令的前提下会一直执行组织块OB1，若OB1需要调用FB时，需将指令完成过后，才能返回OB1中，FB块中有四块，如图4.7所示。图4.7FB块修改M0.0的值的为1，把FB1和FB4都拖进OB1当中，组织块就可以一直调用FB1和FB4，用来监控车库当时的情况和是否有故障信息。首先，系统是处于自动控制的状态，若要转换成手动控制的话，可以在人机界面上进行操作或者将M0.6修改为1，就可以转换为手动控制。如图4.8所示。图4.8主程序设计4.1.3传感器信号检测程序设计每个载车板上都配备着接近开关，可以观察该车位是否有载车板。如果有的话，输出出来的信号从0变为1，信号发送给PLC。图4.9位置检测程序观察该车位是否停车。如果有的话，输出高电平信号，信号发送给PLC。分别放在MB11、MB21、MB31中。如图4.10所示。图4.10停车检测程序除了地上的车位不需要安全挂钩，其他两层都需要，用来勾住载车板让它不会掉落，当它勾住的时候，会输出高电平信号，分别放在MB22、MB23中。如图4.11所示。图4.11挂钩到位检测程序行程开关放在载车板的边缘位置，可以观察车辆的停放是否安全。图4.12车辆停放安全检测程序4.1.4自动控制程序设计在初始化结束过后，系统处于自动控制。这时，用户可以在触摸屏上进行存取车操作并且可以选择车位。存车设为变量M10.0，取车设为变量M10.1，将两者进行关联设置，若要存车的话，需将M10.0修改为1，若要取车的话，则需将M10.1修改为1。当确定完是存车还是取车之后，就需要选择车位，若需存车，就需将选择的车位和整个车库的载车情况进行一个异或运算，将输出结果存入存储位置。若需取车，就需将选择的车位和整个车库的载车情况进行一个与运算，将输出结果存入存储位置，如图4.13所示。图4.13取车程序收到输出的车位信息之后，需要确定车位的有效性。图4.14选车位程序若车位无效的话，则会显示车位已用的提示，将M20.4修改为1，如图4.15所示。图4.15车位已用程序用于取车的情况下，将M20.6修改为1，会显示无车可取。图4.16无车可取程序4.1.5手动控制程序设计程序的设计就是为了方便用户直接在触摸屏上进行控制命令，让挂钩进行挂钩和脱钩运动，还有控制电机的正反转，达到载车板进行上下左右运动。如图4.17所示。图4.17安全挂钩控制程序将电机用一个中间变量来控制，此变量可以和触摸屏上的电机的上下左右按钮相匹配。还应在此程序中进行互锁，可以保护通电造成机械故障。图4.18电机控制程序4.2触摸屏系统设计触摸屏的运行是和PLC进行变量连接，主要作用是在现场方便用户的操作，让用户可以自动进行存取车的操作，也为了方便操作员对车库进行手动操作。本设计选用的依然是TIA软件中的触摸屏系统，跟其他软件作对比的话，会发现TIA的不需要花很多的时间去集成各种软件包，可以很大程度的降低了时间成本和经济成本，所以选用TIA的触摸屏系统来完成本次设计。4.2.1建立连接打开建立好的项目，点击添加新设备，左侧会出现三个选项，选择HM1，点击7显示屏，进行添加，设置触摸屏的地址，将PLC和触摸屏的子网相连，就会自动显示为HMI连接。图4.19建立连接本设计中所使用的变量可以在变量表中找到，需分配好这些变量的地址，和触摸屏中按钮相连，为了很好的连接变量对立体车库系统进行操控，需要通过时间和PLC中变量进行连接。图4.20变量表4.2.2操作画面设计触摸屏的核心是画面的组建，可以直接进行存取车的操作。在画面中添加新画面，然后进行变量的连接，图形的链接，时间的设定。按照车库运行的要求，需要进行四个画面的建立，例如初始画面，自动控制画面，确认车位的位置和单个车位的操作运动。当M0.0修改为1时，画面会出现等待初始化完成。需等待初始化操作结束之后再进行下一步。如图4.21所示。图4.21初始化界面在自动监控屏幕上，对车辆进行停放、停放。在触摸屏幕上，按下停车和取车的按钮，就能完成停车和取车的动作。可以在图4.22中看到。图4.22待机界面在按下中添加函数，输入置位位，在变量中选择存车变量，按下按钮时，会自动跳转到选择车位的界面。若为取车，则在按下中输入置位位，选择取车变量，会跳转到等待界面。如图4.23所示。图4.23添加变量当选择好车位过后，会将选择的车位信息录入MB106中。图4.24车位选择在没有完成操作之前，可以进入等待操作完成的界面。如图4.25所示。图4.25操作界面当完成存取车的操作过后，就点击其中的完成按钮，对存取车的按钮和完成按钮进行复位，之后回到待机画面。当上述操作均以完成，则可进行车位移动，此画面为B1车位的移动画面，它既可以进行上下又可进行左右运动，将载车板操作到选定车位的位置，来完成此次存取车过程。图4.26车位控制程序5.立体车库电气控制系统仿真调试在系统硬件、软件设计完成之后，还需要对系统进行仿真调试，首先，能够对系统的可行性进行验证，二来能够保证系统能够合理、安全、可靠。5.1PLC程序仿真运行调试5.1.1程序编译打开设备和网络，把PLC点中，选择编译。图5.1编译程序5.1.2程序仿真选择PLC并开始下载。见图5.2。图5.2下载程序打开程序块，点击开始仿真，整个程序段进入仿真界面，首先是程序段中的手自切换，当初始化完成之后，程序就如图5.3所示。图5.3手自切换系统默认的是自动控制，若想要切换成手动控制，就要把M0.6修改为1，程序就切换为手动控制了。当M20.2修改为1时，先要判断车位的有效性，如图5.4所示。图5.4车位选中若有效的话，将信息赋值给MB106，调用FC1，执行命令。若无效的话，则会显示相关的提示。在存车中，置位M20.4，会出现“车位已用”的提示，如图5.5所示。图5.5车位已用在取车中，置位M20.6，会出现“无车可取”的提示，如图5.6所示。图5.6无车可取下载完成之后，开始运行程序，需要开启监控功能。在仿真程序的时候，可以通过手动改变输入变量的值，用来应对随时出现的漏洞，进一步的完善程序。如图5.7所示。图5.7变量表5.2触摸屏系统仿真调试系统的硬件、软件都连接和设计好之后，便要进行相应的编译和下载。5.2.1程序编译打开设备和网络，把PLC点中，选择编译。图5.8编译程序5.2.2程序仿真触摸屏的自启屏幕为初始屏幕，因此，如果点击模拟，将会首先显示初始屏幕，具体如下。图5.9操作界面当程序初始化完成之后，界面可以顺畅地跳转至待机界面，可以按照需要来点击并保存车辆，具体情况如图5.10所示。图5.10待机界面当使用者点击停车按钮时，便会进入停车泊位的选择，如图5.11所示。图5.11选择界面选择要进行动作的停车位置B1，然后界面会跳跃到这个停车位置的停车位置控制界面，来进行动作，以完成前面所需的动作。图5.12控制界面6.总结本论文首先确定了车库的类型，又涵盖了车库的机械组成，并对PLC，触摸屏，传感器进行简要概述，并对I/O模块进行分配，并设计车库的接线。之后进行软件编程和触摸屏的界面设计，最后调试系统。对整个控制系统有着总结和感悟：(1)首先是对立体车库的认识进行分析，并结合社会发展趋势，来决定出未来立体车库的走向。(2)结合车库的优点，需要达到系统的功能要求，在此基础上，本文还对该系统的输入、输出等部分进行了详细的研究。(3)根据所提出的可编程控制器的控制方案，进行了硬件的选择。给出了PLC、触摸屏、传感器的简单介绍，完成了输入输出模块的配置