【基于可编程控制器PLC的两层三列停车库控制系统设计13000字（论文）】

基于可编程控制器PLC的两层三列停车库控制系统设计摘要随着经济的高速发展，越来越多的人购买汽车作为出行的交通工具，近十年来，我国汽车的数量快速增长，传统的平面停车场已经不能满足车辆的停放需求，于是现代立体车库快速发展。本文以基于PLC控制的两层三列立体车库为研究对象，根据立体车库的机械结构和工作原理对系统的控制线路和监测系统进行设计。主要内容包括立体车库结构设计，PLC程序设计，PLC控制系统硬件设备选择，上位机力控软件与下位机PLC的通信方法，力控软件监控画面设计，上位机力控软件与微信小程序的通信方法等。车主可以通过微信小程序获知立体车库的车位情况，管理员则可通过监控画面时时监控车库运行情况。整个车库停车过程简单、占地面积小、成本低廉、智能化程度高。我相信智能立体车库必然会解决广大有车族停车头疼的问题。为了检验系统设计的正确性，本文所研究的停车系统在实验室中以模型的形式呈现出来，其停取车过程符合预期构想。文章详细阐述了整个控制系统的调试运行过程。关键词：立体车库；升降横移式；可编程控制器PLC；控制系统；两层三列停车库目录摘要 IAbstract II第一章 绪论 11.1研究目的及意义 11.2国内外研究现状 21.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 21.3立体车库发展趋势 31.4主要研究内容 4第二章立体车库控制系统总体设计 52.1立体车库的结构及工作原理 52.1.1立体车库的结构组成 52.1.2立体车库的工作原理 72.2控制要求及控制方式的选择 72.3控制原理图 8第三章立体车库硬件系统设计 103.1硬件设备的选择 103.1.1PLC的选择 103.1.2电动机的选择 113.1.3其他元件的选择 113.2PLC输入/输出地址的分析与分配 123.2.1输入地址的分析与分配 123.2.2输出地址的分析与分配 143.3控制系统电气原理图设计 14第四章立体车库软件系统设计 174.1控制系统控制流程 174.1.1立体车库停车流程 174.1.2立体车库取车流程 184.2控制系统程序编写 194.2.1制动模块 204.2.2复位模块 214.2.3停车模块 234.2.4取车模块 26第五章立体车库监控系统设计 285.1力控组态软件ForceControlV7.2的介绍 285.2监控软件与PLC的通信 285.2.1I/O设备的建立 285.2.2数据库的建立 305.3监控画面设计 325.4监控系统与微信小程序的通信 345.5展望 37结论 38参考文献 39绪论1.1研究目的及意义随着经济的快速发展，如今“家家有辆小轿车”早已不是新鲜事，可“停车难”“抢车位”等问题也接踵而至。目前，我国各级政府积极规划用地，在拥挤的城市里开辟出一个个停车场，但这些停车场不仅占地面积大，修建耗时耗力而且可供停放的车位少之又少；每到节假日，游乐场、旅游景点、商业街等地方的车位往往满足不了需求，如此，便紧接着出现了车辆乱停乱放的现象，这不仅阻塞交通而且给行人出行带来不便。我国车辆平均增长速度远大于停车位的平均增长速度。据公安部统计，2020年，全国汽车保有量2.81亿辆REF_Ref70794883\r\h[1]。这就导致车多位少，停车缺口大。为了解决停车难题，近年来，人们尝试过很多方法如：共享出行减少汽车用量，违停监督提高出行意识，增供给改存量提高车位利用率，利用“互联网+”打造智能停车场等REF_Ref70794937\r\h[2]。但共享出行和增供给改存量以及违停监督等方法只能缓解车位紧张不能根本解决停车难的问题，治标不治本。要想从根本上解决车辆数量日益增加和车位日益不足的矛盾只有通过建设智能车库。在传统车库的基础上扩建机械式立体车库比建造停车楼省时省力，它可以将原有的车位数成倍扩展且停取车操作更加智能。在本课题所研究的立体车库中，车主靠LED显示屏来获知空车位的分布情况。他们可以在操作面板上自由选择想停的车位，这将极大地提高用户体验。车库采用自动化操作，节约人力，一个车位数量庞大的机械式立体停车系统，只要一个控制室几台电脑即可完成管理监控工作，管理费用相对较低REF_Ref70794968\r\h[3]。我们有理由相信，在不久的将来，当智能化立体停车库被广泛采用时，停车难的问题将得到实质的解决，人民的生活水平将进一步提高，科技感将融入到生活中。根据目前的技术我们有理由设想，未来人们将通过手机遥控停车，监测小区停车库的状态，获取各大商场、旅游景点的停车状况，建立一个统一的大型停车平台，让人民的幸福感建立在智能化生活之上。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状立体车库产生于20世纪20年代的美国，产生原因是缓解由于私人小汽车大量涌现导致的城市停车紧张问题REF_Ref70794991\r\h[4]REF_Ref70794994\r\h[5]。不久后，西欧、日本等相继有了自己的立体停车设备。由于国情不同，各个国家立体车库的发展方向也不尽相同。如美国、加拿大，人口分布较为集中，相对意义上地广人稀，停车不在于难而在于贵，他们的智能停车技术多应用于“车位预定”，停车诱导、车位预约、代客泊车和电子付费[2]。日本是立体车库技术发展最快的国家，日本几乎所有停车场都实现了停车诱导、实时信息查询、无人值守和自助缴费[2]。这与他们陆地面积小、城市发展快的国情有关，目前日本停车场和车容量的数目是世界最高的。世界上现有的停车系统很多，但它们都有各自的局限性REF_Ref70795031\r\h[6]。例如，基于传感器的停车诱导系统仅用于室内停车，该系统需要布线来连接传感器和LED，操作复杂。目前有许多检测停车场内车辆的方法，如磁传感器、微波雷达和超声波传感器，但在每个停车场安装此类传感器，价格不菲。相比而言SuhailaIsaak等人研究的基于机器视觉的物联网智能停车系统价格低廉。它是由物联网、移动应用以及处理数字图像的机器视觉组成。它通过数字图像处理来检测停车场内车辆获取车场空车位信息。系统利用Ubidot作为数据库存储从Pi采集的数据，Spot根据请求下载实时数据。他们在一个区域安装照相机就可以检测该区域的室外空停车场，借此来捕捉停车场的状态，然后通过算法把模拟量改为数字量再将数据传送给Android系统。司机通过软件平台获得停车场信息，如此便极少地避免了双停车问题。REF_Ref70795042\r\h[7]西方发达国家对于立体停车库的研究已有百余年，电子化程度高。但所谓它山之石可以攻玉，我们应当借鉴其发展过程中的问题，学习其先进的技术，不断提高自身发展水平。1.2.2国内研究现状国内智能车库的控制核心主要是PLC控制、单片机控制、继电器控制REF_Ref70795061\r\h[8]。此外还有ZigBee控制等REF_Ref70795093\r\h[9]。目前我国有多家公司涉足智慧停车行业并小有成绩。北京悦畅科技有限公司研发的ETCP提供停车费自动支付服务；硕极科技研发的停车百事通则与百度地图合作为车主提供停车场搜索和位置导航服务。我国的立体车库研发过程经历了从引进到效仿再到自主创新三个阶段，车库应用情况有所改观，但普及程度远远没有达到要求，特别是在二三线城市以及乡镇。导致立体车库普及率低的原因有REF_Ref70794994\r\h[5]：（1）在人口密集度高，停车、取车量较大的地方，对于集中取车的问题，立体车库难以做到在两分钟以内短时取车。（2）多数人不放心其安全性，顾忌立体车库的质量。没有在立体车库停过车的人，往往不愿意去尝试。一是担心操作过程繁琐，耽误时间；二是操作失误造成经济损失或人身伤害。（3）部分人会考虑停车的经济性。由于对立体车库知之甚少，很多人会认为立体车库的停车价格要高于普通停车库。要想真正地实现立体车库普遍化，我们国家还有很长的一段路要走。（1）加强宣传。全面介绍立体车库优点、操作方法，使人们了解立体车库、会用立体车库。拉近产品和百姓的距离，降低立体车库在人们心中的陌生感。（2）建立标准机制。政府可以聘用行业的权威人士归纳制定既适合我国国情又可以和国际市场接轨的标准，加速立体车库行业建设的规范化、标准化。（3）理工类学校可以积极引导学生参加相关比赛，激发学生的兴趣，使他们广泛参与其中。这既培养了学生的自主创新能力又可以为立体车库的发展添砖加瓦。（4）在车库走向普遍化的时期，为了吸引顾客，车库价格往往定价较低。国家可以出台相关政策，扶持车库发展，激励创业者积极参与。1.3立体车库发展趋势智能立体车库的发展是大势所趋，是汽车拥有量激增和车位增长速度不匹配的结果。随着技术的不断发展，社会对车库提出了新的要求，环保、先进、效率的理念将融入到新型立体车库控制技术中。REF_Ref70795128\r\h[10]1.4主要研究内容第一部分主要介绍课题的研究目的和意义，立体车库国内外的研究现状以及发展趋势，本课题的主要研究内容。第二部分介绍立体车库的机械结构和工作原理，并据此来选择控制方式，设计控制原理。第三部分是硬件系统设计，内容包括PLC选型、各种元器件选型、I/O端口地址分配及接线图设计。第四部分是软件系统设计，对控制系统整个的工作流程进行分析，同时根据流程编写立体车库的梯形图程序。第五部分设计立体车库监控系统，介绍上位机与下位机通信方法，设计监控画面实现安全高效管理。最后对本次课题的研究内容进行总结，并对本次设计中所参与帮助的人致以诚挚的感谢。

第二章立体车库控制系统总体设计2.1立体车库的结构及工作原理2.1.1立体车库的结构组成本文以2层3列6车位机械式立体车库为研究对象，机械结构图如图2.1所示。车库主要包含的机械部件有：（1）钢架结构停车设备的钢架结构材料为Q235普通碳素结构钢。这种钢具有良好的力学性能，且价格低廉，降低了车库成本。钢架之间采用螺栓连接，安装和拆卸方便。主框架主要由六根支撑柱、两根横梁组成。横梁上导轨部分长度为10m所以载车架需要横移的长度最大为10m。（2）载车板载车板是用来承载汽车的载体，它是由两块带有梳齿结构的承载板组成的假想平面。升降装置由升降电机、丝杠、载车板组成，载车板焊接在丝杠螺母上，丝杠转动实现载车板在载车架上的升降运动。选用标准丝杆，导程为0.01m（3）载车架载车架由两根丝杆四根光杆和滑块导轨机构组成。横移装置由横移电机、蜗轮蜗杆、齿轮齿条、导轨和连架杆组成。蜗轮蜗杆的减速比设置为1:10。如图2.2所示。采用光杆的目的是保证载车板垂直上升不发生角度偏移。丝杠螺纹部分的长度为3.8m即载车板最大升降高度为3.8m。图2.1车库整体结构图图2.2电机安装图（4）控制系统控制系统分为主回路和控制回路两部分。主回路控制升降电机和横移电机实现载车板的升降运动和载车架的横移运动。控制回路是保障电气系统正确运行设计的回路，包括超重检测模块、复位模块、急停模块等。2.1.2立体车库的工作原理如果地面层车位有空位，车主可以直接停取，较为方便；如果地面层无空车位，车主需要停到中间层，具体方法是：车主将车驶入称重区称重，并在称重区旁边的控制面板上选择停车位，后通过侧方位停车将车驶到载车板，车主下车按停车按钮，升降电机正转带动载车板垂直上升，到达一定高度后，升降电机停止转动，由于丝杠具有自锁功能所以不会引起车辆下滑。利用接近开关使横移电机正转，载车架左移，带动车子到所选车位上方，随后升降电机反转，车辆通过梳齿结构停在相应车位上。随后载车板、载车架复位。取车过程与停车过程运动顺序相反。当车辆停在地面层时，车主进入车库后可直接驾车离开；若车辆停在中间层，车主应到面板上选择取车位，然后按取车按钮。载车板先上升一小段距离，不要超过中间层高度，然后载车架进行横移至所选车位，载车板继续上升将车辆抬起，上升到指定高度后载车架右移到初始位置，后载车板下降到初始位置，车主驾车离开。整个取车过程控制在两分钟以内。2.2控制要求及控制方式的选择根据车库的工作原理，系统的控制要求主要有以下几点：1、控制系统分为三种方式分别为面板控制、手动控制、急停控制REF_Ref70795162\r\h[11]：本系统采用面板控制与手动控制相结合的方式。选择停车位或者查看车库的空车位时需要采用面板查看，停车、取车则需要用手动控制。面板控制、手动控制都支持急停，以便管理者和车主都能及时发现并防止事故发生。不论在何种运行状态下只要触发急停则整个系统停止工作，需复位以后系统才能正常工作，面板控制和手动控制都支持复位动作。2、面板控制包括：选择存取车位，判断空车位，复位控制，急停车控制，超重显示等。3、安全装置：丝杠具有自锁特性，当电机停止旋转时，丝杠自锁，从而防止载车板下滑。系统设有限高杆以及重力传感器来限制车高车重。系统设有急停按钮，意外发生前车主和管理员都可及时停止系统运行。当前的立体车库控制系统最常用的控制方法有三种，分别是单片机控制方式、继电器控制方式、PLC控制方式REF_Ref70795180\r\h[12]。继电器控制系统组成原理简单，对工程师来说容易上手，但它不适合用于复杂的控制系统。复杂系统电路庞大，接线繁多，某个继电器触点接触不良时往往会引起整个系统的瘫痪，且检修困难

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。与继电器控制系统相比，利用PLC作为控制系统摆脱了完全的硬件化控制，配线大大减少，利用编程语言很容易实现顺序控制逻辑REF_Ref70796581\r\h[14]。PLC具有集成度高、接线清晰、易于检修、抗干扰能力强等优点REF_Ref70795244\r\h[15]。单片机也是一种功能强大的控制系统REF_Ref70795255\r\h[16]，它的编程语言多为汇编语言，对于初学者来说晦涩难懂。单片机对开发者的要求较高，它的工作电压低，往往只有几伏，不规则的操作极易烧坏开发板。PLC相较于单片机，编程简单，工作电压高，初学者易上手。通过对比三种控制方式，最终决定选用PLC作为立体车库的控制核心。2.3控制原理图基于PLC控制系统的原理图，如图2.3所示。整个控制系统采用力控组态软件作为上位机，采用PLC为下位机检测控制立体车库。通过按钮、接近开关、红外检测器、压力传感器等来改变车库运行状态，这些输入设备将信号上传给可编程控制器PLC，PLC处理这些信号后以数字量的方式输出给被控元件如升降电机、横移电机、LED指示灯等，并将此时的车库状态信息上传到PC端，经过力控软件显示在屏幕上。通过MIP程序，PC端的数据可以传递给手机移动端，用户可以通过微信小程序获知车库的空车位数。在车库现场，车主通过人机交互指令选择需要的停车位，力控软件将指令编译后下置给PLC，由此实现车主控制车库的目的。图2.1PLC控制系统原理图

第三章立体车库硬件系统设计3.1硬件设备的选择3.1.1PLC的选择随着PLC的广泛使用，种类越来越多，形态多种多样，其结构形式、使用方法、扩展原理、价格各不相同，适用场合也各有差异。所以，合理选择PLC，对于提高控制系统的综合性能具有重要意义REF_Ref70855713\r\h[17]。（1）机型选择通过对本车库控制量分析，要求用到19个输入信号和5个输出信号，全部为数字量，用小型的PLC就能实现控制需要。S7-200系列PLC是西门子公司开发的一类小型可编程控制器，它设计紧凑、价格低廉和指令系统完善REF_Ref70795324\r\h[18]。完全满足本系统的控制要求。（2）CPU的选择目前S7-200系列的PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224XP和CPU226等REF_Ref70795336\r\h[19]。在选择CPU模块时主要考虑CPU集成的I/O点数及模块的扩展功能、通信接口的个数等。表3-1S7-200CPU输入输出点数对比型号输入点数输出点数CPU22164CPU22286CPU2241410CPU224XP1410CPU2262416根据系统所需输入点的个数以及为将来扩展做准备，本系统选择CPU226模块。（3）扩展模块的选择本系统以两层三列六车位的车库为研究对象，其车位数显然不能满足大型停车库的要求。为了满足大的停车需求量必须扩展车位，而扩展车位势必要扩展I/O口。下面介绍一下S7-200CPU数字量扩展模块，为以后扩展I/O口做准备。常用的数字量扩展模块有三类，即输入扩展模块、输出扩展模块、输入/输出扩展模块等REF_Ref70795352\r\h[20]。如表3-2所示：表3-2S7-200PLC数字量扩展模块类型型号输入点数/类型输出点数/类型输入扩展模块EM2218输入/DC24V光电隔离——EM2218输入/AC120/230V输出扩展模块EM222——8输出/DC24V晶体管型EM2228输出/继电器型EM2228输出/AC120/230V晶闸管型输入/输出扩展模块EM2234输入/DC24V光电隔离4输出/DC24V晶体管型EM2234输入/DC24V光电隔离4输出/继电器型EM2238输入/DC24V光电隔离8输出/DC24V晶体管型EM2238输入/DC24V光电隔离8输出/继电器型EM22316输入/DC24V光电隔离16输出/DC24V晶体管型EM22316输入/DC24V光电隔离16输出/继电器型3.1.2电动机的选择因为涉及到用户的人身财产安全，所以升降和横移电机需要配有减速器，防止升降时溜车和横移时车辆掉出车库REF_Ref70795230\r\h[21]。为了解决这一问题又不至于使机械结构太过复杂，且能够实现精准停车，选择采用刹车电机。因为载车板载车架不需要变速运动所以选择定速电机即可。电机转速不宜过快，这样既可以保证刹车及时又可以增大转矩。由上文得知载车板需要升降的高度为3.8m，载车架需要横移的长度为10m，升降电机转速应低于横移电机。由前文可知丝杆的导程为0.01m，又电机和丝杆通过联轴器联结，所以完成整个升降过程电机需要转380转，所以升降电机可选台昌牌，型号为5IK60RGU-CMF，单相定速220V，减速比选5（转速为260r/min）。对于横移部分，由于蜗轮蜗杆减速比为1:10，又齿轮的直径为0.176m，则齿轮转一圈载车架移动的距离为s=πd=0.55m，即电机转一转载车架移动0.055m，则完成整个横移过程电机需转181.8转，横移电机可选台昌牌型号为5IK60RGU-CMF单相定速220V，减速比选7.5（转速为173r/min）。3.1.3其他元件的选择本系统采用的主要检测元件为接近开关和红外检测器，其他元件还有继电器、按钮、空气开关、熔断器等。由于S7-200CPU226PLC内部电源为24V，所以PLC输入部分的元器件必须选择直流型元件。采用六个常开对射红外检测器在车位的首尾端安装，当有车辆停放时阻挡了红外线对射，此时红外传感器将PLC相应的输入端口置1，PLC再将信号送给力控组态由此实现上位机监控车库停车状态的要求。经询价，选择森诺牌，型号为E3F-20C1/20L，对射开关NPN常开。接近开关主要用来检测车库现在的运行状态并进行调整以达到停取车的目的。根据结构尺寸和需要选择GTRIC牌，型号为M8，平头常开NO，直流NPN三线式。继电器位于输出端，应选交流220V，由电气接线图知需要八个继电器控制三个电机的正反转和制动。选择正泰牌，型号为JZX-22F(D)/2Z，8脚AC220V继电器。重力传感器是用来检测车重，防止超重引起滑扣。市面上的传感器大多为模拟量，所以需要采买A/D转换模块，将模拟量变为数字量，并设置一定的阈值，当传感器上的压力大于阈值压力时，输出高电平。选择中诺传力牌，型号为ZNHM-I，0-3T直径30的传感器，为了便于使A/D转换器与压力传感器匹配，经咨询商家后，选择中诺传力牌，型号为ZN4S，两组报警BSCC-H2的配套仪表，该仪器既可以显示汽车重力值还可以设置阈值，符合预期要求。空气开关则选德力西电气，型号为DZ47S1P，安装在火线上。熔断器选德力西电气，型号为RT18-32X1P，安装在火线上。3.2PLC输入/输出地址的分析与分配3.2.1输入地址的分析与分配控制面板上按钮所发出的命令主要包括系统的启动、停止、复位、选择停车取车的车位号等，剩下的则是检测信号的输入如红外传感器、限位开关等。根据实际控制要求，系统共需要28个输入地址，其中19个存放在输入映像寄存器（I），9个存放在位存储器（M）。因为对于上位机而言I区只能读，M区则可读可写，可以下放指令。控制系统详细的输入地址分配见表3-3。表3-3输入地址分配表变量地址元件文字符号元件名称控制功能I0.0CGQ10接近开关载车板上移限度I0.1CGQ11接近开关用于确定4号车位及其位置I0.2CGQ12接近开关用于确定5号车位及其位置I0.3CGQ13接近开关用于确定6号车位及其位置I0.4CGQ14接近开关载车板下移限度I0.5CGQ15接近开关载车架右移限度I0.6SB1取车按钮手动I0.7SB2停车按钮手动I1.0SB3急停按钮手动I1.1SB4复位按钮1载车板处于上层复位，手动I1.2YL压力传感器防止超重I1.3HW1红外传感器检测1号车位停车情况I1.4HW2红外传感器检测2号车位停车情况I1.5HW3红外传感器检测3号车位停车情况I1.6HW4红外传感器检测4号车位停车情况I1.7HW5红外传感器检测5号车位停车情况I2.0HW6红外传感器检测6号车位停车情况I2.1CGQ16接近开关载车板处于底层I2.2SB5复位按钮2载车板处于下层复位，手动M2.3————选择4号车位停车M2.4————选择5号车位停车M2.5————选择6号车位停车M2.6————选择4号车位取车M2.7————选择5号车位取车M1.3————选择6号车位取车M0.0——复位按钮1（面板）载车板处于上层复位M0.1——复位按钮2（面板）载车板处于下层复位M0.2——急停（面板）——3.2.2输出地址的分析与分配PLC的输入端接收相应的信号后根据编程信息使相应的输出端接通，从而控制输出端LED灯和继电器的得电。继电器得电以后，对应的接触器闭合控制升降电机或横移电机的正反转以及制动。根据实际控制要求，系统共需要9个输出地址，全部存放在输出映像寄存器（Q）中。控制系统详细的输入地址分配见表3-4。表3-4输出地址分配表变量地址元件文字符号元件名称控制功能Q0.0LED0指示灯超重指示灯Q0.1DJ1ZZ刹车电机升降电机1正转Q0.2DJ1FZ刹车电机升降电机1反转Q0.3DJ2ZZ刹车电机横移电机正转Q0.4DJ2FZ刹车电机横移电机反转Q0.5DJ3ZZ刹车电机升降电机2正转Q0.6DJ3FZ刹车电机升降电机2反转Q0.7DJ13ZD制动器升降电机1、3制动Q1.0DJ2ZD制动器横移电机制动3.3控制系统电气原理图设计根据I/O分配表绘制PLC外部接线图如图3.1所示：图3.1PLC外部接线图电机接线图如图3.2所示：图3.2电机接线图图3.3刹车电机接线示意图

第四章立体车库软件系统设计4.1控制系统控制流程4.1.1立体车库停车流程来车库停车的车主主要有两种，一种是通过微信小程序已经获知了车库的剩余车位的车主，一种是临时起意或不知道车库车位情况的车主。对于第一种——已经获知了车库车位情况的车主可以直接往预想的车位进行停车。这类车主需要注意，在进入车库之前应再次核对预想车位是否还是空缺。对于第二种——不知道车库车位情况的车主，请在入库前仔细观察LED大屏了解车位剩余情况选择合适的空车位停车。进入车库以后，首先通过限高杆确保汽车的高度达到要求。对于要停地面层的车主，按照指示牌到达指定车位进行停车；对于要停中间层的车主，应先到等候区等候前一车辆停车完毕，再将汽车开到称重区，称重过程中可通过面板选择所停车位（车主不必下车），若指示灯不报警则侧方位停车入库，下车后按停车按钮完成停车。停车流程图如图4.1所示：图4.1停车流程图4.1.2立体车库取车流程相比于停车流程来讲取车流程较为简单。若车主的车停在地面层，则直接将车辆驶离；若顾客的车停在中间层，则需要按照取车流程图取车，如图4.2所示：图4.2取车流程图4.2控制系统程序编写编写程序是整个软件系统设计的核心环节，本课题所用到的编程软件是V4.0STEP7Micro/WIN。整个程序由主程序和子程序两部分组成，主程序包括复位模块、制动模块以及对子程序的调动模块。子程序则包括每个中间层车位停车程序或取车程序。图4.3为程序结构图。图4.3程序结构图4.2.1制动模块制动模块是较为重要的一个环节，载车板或载车架到达指定位置后，电机停电，但此时运动部件具有一定的初速度若不进行刹车很容易偏离指定位置，引起碰撞等事故。制动模块的使用对采用梳齿结构的车库来讲显得更为重要。制动模块分为横移电机制动和升降电机制动两部分，工作原理是升降或横移部分的接近开关得电后使相应的制动继电器得电从而使刹车电机刹车端得电制动。根据载车板和载车架运动速度，确定制动时间。制动时间一到，采用接通延时定时器断开制动。具体程序见图4.4和图4.5。图4.4横移电机制动图4.5升降电机制动由于本系统采用的是载车板和载车架交替运动即升降运动和横移运动为交替运动，所以不论是升降运动还是横移运动每次碰到接近开关时都会停留一段时间即接近开关的信号是持续的所以程序无需设计自锁。由于主程序有复位模块，子程序有停车取车模块都涉及电机的运动，所以主程序和每个子程序中都包含制动模块。4.2.2复位模块通常我们利用急停按钮防止事故的发生或防止事态进一步恶化，急停以后车库处于非正常工作状态，不能继续完成取车或停车工作，此时我们需要对车库进行复位。由于车库在任何运动状态下都可以急停，所以系统无法判断车库急停以后载车板和载车架所处的位置，为了在复位过程中不发生碰撞，我们将复位模块分成两部分：一部分适用于载车板位于中间层车位的上方，对应复位按钮1SB4；一部分适用于载车板位于中间层车位的下方，对应复位按钮2SB5。详细程序见图4.6和图4.7。图4.6载车板处于上层时复位模块1网络2是使载车板移动到上限位置，为下一步载车架的横移做准备；若载车板已在上限位置，那按复位按钮以后会直接执行网络3使载车架移动到初始位置；网络四则是在载车架回到初始位置的前提下使载车板下降到初始位置。整个复位过程只需多次按同一个复位按钮键即可，直到整个车库复位。值得一提的是复位按钮1M0.0，由于I寄存器只能读不能写，所以需要设置M寄存器实现写的功能，以便在面板上可以进行复位功能。M0.0和I1.1的作用完全一样，只不过I1.1是物理按钮，M0.0是面板按钮。该程序段具有自锁功能。Q0.1和Q0.5控制的是升降电机1和升降电机2的正转；Q0.2和Q0.6控制的是升降电机1和升降电机2的反转。图4.7载车板处于下层时复位模块2其基本原理与复位模块1类似，这里不过多赘述。4.2.3停车模块如图4.3程序结构图所示，停车模块是由三个子程序组成。停车时，车主在面板上选择停车位，这等价于在主程序中调用了相应的停车子程序，如图4.8所示。由于三个子程序的编程设计原理相同，所以选其中的一个子程序为例进行说明。例如四号车位，程序如图4.9所示。图4.8主程序调用停车子程序首先在面板上选择停车按钮然后选择四号车位，此时系统调用四号车位停车子程序。按下停车按钮SB2，I0.7置1，Q0.1得电并保持，升降电机正转，载车板开始上升直到上移限度即碰到接近开关CGQ10，此时Q0.1置零。以Q0.1的下降沿加CGQ10作为Q0.3的启动条件。Q0.3启动以后，载车架左移至相应车位位置。载车架移动到四号车位后CGQ11得电即I0.1得电，Q0.3置零。同理，以Q0.3的下降沿和CGQ11作为Q0.2的启动条件。Q0.2置1以后，升降电机反转，载车板开始下降直到下移限度，此时车子通过梳齿结构停在相应车位上。当载车板下降到下移限度时，I0.4得电，Q0.2置零，Q0.2的下降沿加CGQ14作为Q0.4的启动条件。Q0.4置1，横移电机反转，载车架开始右移，当载车架移动到右移限度后，I0.5得电，Q0.4置零，Q0.4取反加CGQ15作为网络5的条件再次启动Q0.2。Q0.2置1后，升降电机反转，载车板继续下降，最终载车板载车架都回到初始位置，整个停车过程结束。网络6和网络7为制动模块，前文已详细介绍过，这里不再赘述。当四号车位有车时，监视画面上四号车位下面“空车位”字样消失，并且四号车位停车按钮为红色，提醒车主不可选择。在PLC程序中专门设计互锁环节，防止撞车。其它车位也是同样道理。图4.9四号车位停车程序4.2.4取车模块取车模块的程序和停车模块程序原理相同，动作顺序相反。取车模块也是由三个子程序组成。取车时，在面板上选择车位进行取车。由于三个子程序编程设计原理相同，这里选择五号车位进行说明，详细程序如图4.10所示。首先在控制面板上按取车按钮然后选择五号车位，系统就会调用五号车位取车子程序，然后按取车按钮SB1，I0.6得电，Q0.1得电并保持，升降电机正转，当载车板移动到下移限度位置即CGQ14置1时，Q0.1置零。利用Q0.1的下降沿和CGQ14作为Q0.3的启动条件，Q0.3启动以后，横移电机正转，载车架往左移动，碰到限位开关CGQ12以后载车架停止运动，此时Q0.3置零，Q0.3取反为1加CGQ12作为Q0.1的启动条件。Q0.1启动以后，载车板上移直到上移限度即碰到接近开关CGQ10后停止，中间通过梳齿结构，此时载车板上已驼载汽车，以CGQ10和Q0.1的下降沿为Q0.4的触发条件。Q0.4置1以后，载车架开始右移直到碰到接近开关CGQ15为止。随后，以Q0.4取反加CGQ15作为Q0.2的触发条件。Q0.2置1以后，升降电机反转，载车板下移直到回到初始位置，利用接近开关CGQ16来结束下降动作。随后车主驾车离开，整个取车过程完成。网络6的作用是将Q0.1与Q0.5关联，网络7的作用是将Q0.2与Q0.6关联，以使两个升降电机达到同时正反转同时停车的目的。网络8网络9位制动模块。图4.10五号车位取车程序第五章立体车库监控系统设计5.1力控组态软件ForceControlV7.2的介绍力控监控组态软件ForceControl是一款通用型的人机可视化监控组态软件，是国内率先以分布式实时数据库技术作为内核的自动化软件产品。它提供了良好的用户开发界面和简洁的工程实现方法，可以和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通信，可以方便地向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与第三方的软硬件系统的集成。同时可与力控科技公司的其他工业产品衔接，实现工业互联。REF_Ref70795468\r\h[22]ForceControlV7.2是一个完全集成的工业控制软件产品，兼容微软的Windows7、Windows10操作系统。与以往的ForceControl监控组态软件产品相比，该产品支持主流操作系统、具有丰富的图形处理能力、提供交互式容器、优化I/O调度机制等。REF_Ref70795468\r\h[22]5.2监控软件与PLC的通信5.2.1I/O设备的建立与力控组态软件交换数据的设备称作I/O设备，要想完成监控软件与PLC的通信，必须先在力控开发界面上定义I/O设备——PLC。定义西门子S7-200PLC的具体步骤为：（1）打开力控组态软件，点击“新建”，命名新的工程为“立体车库”确定好存放目录后，点击“开发”按钮。如图5.1所示。（2）进入开发界面以后，在左端的工程栏里选择I/O设备组态，双击。如图5.2所示。图5.1创建新的工程图5.2选择I/O设备组态（3）在I/O设备中找到西门子S7-200（PPIUSB）双击。注意，这里PC机与西门子PLC的连接线为USB-PPI免驱动隔离型，它既可以作为Step7与PLC之间的编程线，也可作组态软件与PLC的通信线。（4）下面进行设备配置，是最关键的一步。在第一个弹窗中，通信方式选同步（办卡、适配器、API等）。在第二个弹窗中，USB的PRODUCT_ID和VENDOR_ID的数值设置，具体见驱动帮助页。如图5.3和图5.4所示。图5.3设备配置第一步图5.4设备配置第二步上述步骤完成以后，可以建立简单的数据点试运行，在IOmonitor中观察力控软件与PLC是否握手成功。5.2.2数据库的建立力控监控组态软件实时数据库负责和I/O调度程序的通信，获取控制设备的数据，实时数据库是一个开放的系统，作为一个网络节点，也可以给其它数据库或界面显示系统提供数据。设置立体车库数据源的步骤为：（1）打开新建的工程“立体车库”，进入开发界面，在左端的工程栏里选择数据库组态，双击。（2）进入数据库界面后，右击数据库选择新建节点，命名为S7200PLC，双击然后建立数字I/O点。在基本参数中对点名称进行命名，点描述进行描述，如图5.5所示；在数据连接中，选择之前建好的I/O设备，在连接项中选择I区，数据类型选择位操作，偏移地址为1，位偏移为3。如图5.6和图5.7所示：图5.5基本参数设置图5.6数据连接设置图5.7点组态设置依次设置完所有数据点后，页面如图5.8所示：图5.8数据库连接点5.3监控画面设计立体车库的上位机监控系统的监控画面设计的具体步骤如下：（1）打开新建的工程立体车库，进入开发界面后，在左端的工程栏里选择窗口，右击，选择新建窗口，命名为立体车库监控窗口。如图5.9所示。图5.9新建窗口画面（2）选择工具箱中的基本图元，开始绘制各种控件和对象，完成组态画面如图5.10所示。图5.10立体车库控制画面（3）当需要停车时，先按清零键，再点击停车按钮，弹出窗口如图5.11所示。图5.11停车弹窗（4）当需要取车时，先按清零键，再点击取车按钮，弹出窗口如图5.12所示。图5.12取车弹窗5.4监控系统与微信小程序的通信为了实现监控系统与移动端通信，采用力控工业小程序MIP，MiniIndustrialProgram（简称MIP）它可与工业现场的各品牌组态软件对接，也能够与现场的OPC、Modbus等标准协议的设备对接，通过微信小程序，实现移动终端可以对工业现场的设备或系统数据实时浏览和查询。建立MIP与力控软件的通信步骤如下：（1）打开MIP，设置站点名称为立体车库的监视与控制，如图5.13所示。图5.13设置站点名称（2）添加数据源，选择本地数据源图5.14添加数据源图5.15定义数据源（3）连接成功后，如图5.16所示。图5.16MIP与力控软件连接成功（4）用微信扫第一个二维码，注册后进入小程序页面，然后扫第二个二维码添加此站点。添加成功后，点击立体车库监视与控制便可以在移动端获知立体车库的运行状态。图5.17MIP小程序移动端页面5.5展望为了推广这种立体车库使之更加智能化，笔者设想了两种情况。第一，可以建立相关的公众号或APP来收集各个地区立体车库的站点二维码。当车主需要停车时，打开公众号，公众号获