基于PLC与组态软件的升降横移式立体车库设计论文Word格式文档下载.docx
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教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩：
教研室主任（或答辩小组组长）：
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教学系意见：
系主任：
摘要
本文设计了一个三层七车位升降横移式立体车库的自动控制和监控系统。
它以可编程控制器（PLC）为控制核心，电机为升降横移动力，完成对升降和横移的准确控制，并通过组态软件设计监控系统和PLC之间建立通信，可以实现上位机对现场状况实时采集和远程控制功能。
最终实现一种多通道、多层次的存取车的方式。
通过对升降横移式立体车库的工作原理和控制过程的研究，探讨以西门子S7-200型号PLC控制立体车库的存取车过程的方法，实现3x3立体车库的存取车模型设计和控制系统设计。
监控系统是基于WINDOW平台的组态软件组态王。
通过组态软件建立数据词典、设计监控界面、动画连接、控制脚本编写、数据采集，在与PLC通信的基础上进行调试，完成组态监控系统的设计。
实现PLC和组态监控对立体车库的人机分离操作和双向控制的系统。
完成对升降横移式立体车库的自动存取车功能、升降横移系统、组态监控系统和安全防坠挂钩功能等的实现与模拟。
关键字:
立体车库；
西门子PLC；
升降横移；
组态王
Abstract
Thispaperpresentsathree-dimensionalliftingandtransferringsevenparkinggarageautomaticcontrolandmonitoringsystems.Itisaprogrammablecontroller（PLC）tocontrolthecoremotorfortheliftingandtransferringpowertocompletetheliftingandtraversingaccuratecontrolandmonitoringsystemviatheconfigurationsoftwaredesignandestablishcommunicationbetweenthePLCcanbeachievedonthehostcomputersiteconditionsreal-timeacquisitionandremotecontrolfunctions.Ultimatelyachieveamulti-channel,multi-levelaccesscarapproach.
ByliftingandtransferringgarageworkingprincipleandcontrolprocessstudytolookattheSiemensS7-200PLCcontrolmodelcarstereogarageaccessprocessmethodstoachievethree-dimensionalgarageaccess3x3carmodeldesignandcontrolsystemdesign.ThemonitoringsystemisconfigurationsoftwarethatiskingviewbasedonWINDOWplatform.Throughtheconfigurationsoftwaretoestablishdatadictionary,themonitoringinterfacedesign,animation,thecontrolscript,dataacquisition,debuggingbasedoncommunicationwithPLC,completedthedesignofconfigurationmonitoringsystem.PLCandconfigurationmonitoringtoachievethree-dimensionalgaragehumanandequipmentseparationoperations,bi-directionalcontrolsystems.Completionoftheliftingandtransferringcargaragefeaturesanautomaticaccess,liftingandtransferringsystem,configuration,andsecuritymonitoringsystemssuchasanti-fallhookfunctionimplementationandsimulation.
Keywords:
three-dimensionalgarage；
SiemensPLC；
liftingandtransferring；
Kingview
第一章绪论
目前，立体车库主要有以下九种类型：
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）[1]。
立体车库与传统的地下车库相比，在许多方面都显示出优越性。
首先，是占地少优势，节省土地资源和减少土建开发的成本。
目前世界停车产业正向多元化方向发展，如图1-1所示，国外高容量的立体车库，现在的立体车库技不局限于机械的自动化，其停车技术几乎包括了机械、电子、液压、光学、磁控和计算机技术等各个领域的所有成熟先进技术。
停车方式也在不停的改变。
设备结构采用模块化的设计，而不是整套的生产，便于组合使用，也易于安装拆卸，增加了立体车库的随意性。
控制技术方面，广泛采用可编程序控制器（PLC）和矢量变频变压调速闭环控制技术，使系统运行高速平稳，这些技术不仅节省电力，而且振动和噪音也相对趋于最小化。
在安全方面也采用很多高新技术，安全保护装置也更加完善，如汽车出入都会由声光引导和定位系统、汽车尺寸和重量自动识别系统、限速保护与多重机构互锁系统、停车泊位自动跟踪功能、链条和钢丝绳的长度，若超出范围则报警和弹性变形自动补偿功能、汽车图像摄影对比、安全检测、自动消防灭火系统等。
立体车库在发展技术正在趋于成熟，系统功能更加人性化、现代化。
图1-1国外高容量的立体车库。
目前升降横移式立体车库较多采用PLC控制电动机恒速运行，速度过低则车库运行效率低，速度过高则易造成车位晃动与撞击，而且大多没有监控系统或监控系统还不够完善[3]。
图1-2在我国广泛使用的升降横移式立体车库以上的立体车库是以单层面向多层面发展的立体空间停车库，所以主要的研究对象以立体车库的车位载车板控制为主。
通过对可编程逻辑控制器PLC以及组态软件组态王的学习和探讨，实现PLC对升降横移式立体车库的控制和使用组态王软件设计监控系统。
立体车库系统的主要功能有自动存取车、组态监控、升降横移电机的运行、安全措施防坠挂钩以及系统紧急停止等。
研究主要内容包括横移式立体车库的存取方案的确定、可编程逻辑控制器对立体车库的控制和实现、升降横移系统的运行、组态软件设计监控界面设计且实现对整个系统的监控。
第二章系统整体设计
机械式立体车库的整个系统组成其实是多个系统的组合，立体车库的主要组成包括控制住框架、控制系统、升降横移系统、载车板和安全防护防坠挂钩等。
立体车库结构如图2-1所示。
立体车库的核心在于载车板的移动，控制系统控制升降横移系统实现载车板移动，以实现存取车。
基于PLC和组态的升降横移式立体车库，在立体车库的控制系统中，把上位机作为系统监控机器，利用组态王的数据通信功能，完成数据处理和图形显示效果，通过现场总线，实时接收和处理下位机PLC从现场采集的各种设备状态、控制信号、报警信号等,并利用这些信号驱动组态监控界面中的图形，实时显示和反应现场的各种状况，形成友好的人机界面，对现场进行监控，对操作运行和故障给出提示、报警等[4]。
图2-1升降横移式立体车库主要组成
立体车库的控制系统原理，由PLC和组态构成完整的监控系统，上位机由组态软件设计，上位机给出存取命令，控制PLC去执行，同时车库的运行状态实时被上位机采集，实时反映在上位机上[5]。
实现车位的载车板根据呼叫信息完成移动，实现自动存取车过程，以及防坠挂钩的弹出和收回保证载车板的安全。
立体车库的控制系统采用了上位机和下位机双向控制，实现完全的人机分离操作，安全性更高，系统的可靠性也得到了大大的提升。
车库设计为三层七车位的立体车库，在3x3的立体空间里，要实现车位的移动，最多可设计七个移动车位，两个空位，空位的主要是为载车板的移动，车位信息如图2-3所示。
一般的立体车库的特点是顶层的车位只能升降，底层的车位只能横移，车位的移动方案如下：
图2-3车位示意图
二号车位存/取时，五号和七号车位同时右移一个车位，二号车位开始下降至七号车位的原始车位点，小车上载车板，二号载车板上升至起始位置，五号、七号载车板同时左移一个车位，回到起始点，二号存/取完成。
三号车位的存/取时，由于下方五车位，所以三号板呼叫时，三号载车板直接下降到一层，小车上载车板，然后三号载车板上升至起始位置，三号存/取完成。
四号车位存/取时，六号车位和七号车位右移一个车位，四号车位下降，存/取车，四号车位上升，然后六号七号车位左移一个车位回到起始点。
五号车位存/取时，下方的七号车位有一个车位，五号下降，到达一层，开始存/取，五号车位上升，七号车位左移回到起始位置。
六号和七号车位的存/取车不要移动载车板，直接延时进行存/取车即可。
每次存取车后的其它载车板都要归位，以便系统的下次移动确定。
以上移动方案比较与其他移动方案优点在于其下方载车板可以实现整体移动，以便编程及监控实现。
第三章立体车库控制系统设计
立体车库的硬件设计主要包括硬件的选型和主要电路的设计。
根据之前的整体系统设计的方案，本次立体车库的主要应用的硬件如表3-1所列出的。
表3-1硬件型号
名称
数量
型号
备注
PLC
1
西门子S7-200
CPU型号226CN
PPI通信线
USB转PPI
电机
5
三相异步电机
计算机
带编程软件
导线
若干
中间继电器
指示灯
10
24V电源灯
PLC是英文单词ProgrammableLogicController的缩写，意思为可编程逻辑控制器，最早的为了应用与工业工程的控制而产生的，本次设计选用的是西门子S7-200型号的小型控制系统，S7系列PLC是西门子公司生产的小型可编程控制器，S7-200是S7系列中的小型PLC，常在小型自动化设备中使用。
可以根据使用的CPU模块不同而进行分类，其他类型也可以通过扩展模块来增加其功能。
在综合考虑上，S7-200在工业工程的环境下，且相对而言的小型系统控制应用比较合适，很适用于一般的工业控制的小型系统，在一般的工作环境下系统运行稳定，学习使用相比于其他的PLC来说简单方便，更加适合初学者的使用。
但S7-200属于小型控制系统，I/O点数比较有限，不能应用于复杂的工业控制，以及对运算精度不苛刻。
在输入输出点的选择上是而可行的，考虑点配置的基础上，PLC的CPU型号选择为226CN，这个型号的CPU有24/16的点配置，6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的控制器。
升降横移系统主要是对电机的正反转控制。
为了在系统运行时候，实现载车板的恒速平稳的运行，电机采用变频调速，变频调速主要应用在本次系统的电机启动和启停的速度控制上。
它与传统的交流电机拖动系统相比较，利用变频器对交流电动机进行调速控制有许多优点，例如节省电力、对于电机的调速容易实现且可以实现连续控制的特点、速度控制的精确比较高等。
在本次设计重要的是容易实现电动机的正反转切换，可以进行快速起/停转动。
这些优点可以让立体车库系统的存取车效率更高，系统的性能更加优越。
立体车库系统主电路是对电机的控制，如图3-1是一个电机的控制硬件接线图，如图，当KM1闭合时，电机正转；
当KM2闭合时，电机反转；
当KM1、KM2都断开时，电机停转，立体车库系统处于停止运行，在KM1和KM2之间形成互锁环节。
图3-1电机控制主电路
安全设备主要是对防坠挂钩的设计，防坠挂钩的控制是用一个电磁铁动作实现的控制功能，如图3-2所示防坠挂钩的原理图。
由一个电磁铁开关的控制挂钩的弹出和收回，通过牵引绳索到挂钩，当电磁铁得电时，拉动挂钩，挂钩弹出，载车板可以移动，当电磁铁失电时，绳索牵引力消失，挂钩收回，锁定载车板的移动，防止载车板的下落。
防坠挂钩的硬件设计使用中间继电器实现，用线圈得电和失电模拟防坠挂钩的动作。
图3-2防坠挂钩原理图
硬件整体包括主电路和辅助电路的接线图，PLC主要控制电机的正反转以实现载车板的移动，还有防坠挂钩的动作以及系统开关、急停开关、复位开关。
图3-3硬件接线图
根据以上的整体设计思想，整体的硬件接线图如3-3所示。
在整个PLC的控制器上，PLC的供电电源是220V电源，接地端直接接地，在一些外围电路指示灯这些硬件的供电电压都为+24V的。
且要共用COM口。
硬件部分的元件功能说明如表3-2所示。
表3-2硬件定义对照表
电气符号
功能说明
SB1
系统按钮
SB2
复位按钮
K1
急停开关
L1
车位一指示灯（绿色无车，有车红色）
L2
车二指示灯（绿色无车，有车红色）
L3
车位三指示灯（绿色无车，有车红色）
L4
车位四指示灯（绿色无车，有车红色）
L5
车位五指示灯（绿色无车，有车红色）
L6
车位六指示灯（绿色无车，有车红色）
L7
车位七指示灯（绿色无车，有车红色）
KM1
电机1正转
KM2
电机1反转
KM3
电机2正转
KM4
电机2反转
KM5
电机3正转
KM6
电机3反转
KM7
电机4正转
KM8
电机4反转
KM9
电机5正转
KM10
电机5反转
KA1
防坠挂钩1
KA2
防坠挂钩2
KA3
防坠挂钩3
KA4
防坠挂钩4
KA5
防坠挂钩5
图3-4立体车库流程图
立体车库的存取车过程，以存取车复位规则，存、取车操作的车位升降动作达成了一致，即无论存车还是取车操作，车位都是先从所在层位下降到地面层，等存/取车动作完成后，及时上升恢复到原来的层位[6]。
因此，只要在车位呼叫的同时判断呼叫车位的占用情况，就可以用相同的控制程序实现同一车位的存取车控制，这样不仅提高了控制程序的执行效率，而且节省了存储空间。
存取车流程图如图3-4所示。
当有车位呼叫按钮按下时，不管存取车车位都要下降到底层，所以先执行横移电机启动，下方载车板移开，高层载车板移动时，防坠挂钩会自动弹出，载车板可以移动，下方载车板移开后，升降电机正转，被呼叫载车板下降到底层，让后延时一段时间，以便存取车动作，当存取车结束后，升降电机反转，被呼叫载车板上升，被呼叫载车板归位后，下方载车板回到原来车位，每个高层载车板的防坠挂钩失电，载车板锁定，不可移动。
一个存取过程完成。
系统回到开始部分，等待执行下一次呼叫信号。
在点的配置方面，本次设计选用的是S7-200的CPU226CN型号，此型号的PLC共有24个输入点和16个输出点。
由于控制输出点的不足，要采用一个数字扩展模块来增加输出点的数量，西门子S7-200的扩展模块，都是直接靠后安装，并使用自带的数据线接插通讯的。
但是，一个S7-200的CPU最多自能带7个扩展模块。
扩展模块的供电直接由CPU提供。
在数字输出点的扩展上，只需要将数字扩展模块直接接在PLC上即可。
扩展模块的地址分配方式，它的地址分配是在上一个模块的输出点的下一位，例如模块最后一个输出点为Q2.6，那么扩招模块应为从Q3.0开始。
其它的点地址按以上原则分配，可以直接使用。
设计所用的主要使用在输出点的分配上，主要的输入时车位呼叫输入，可以在组态界面的操控面板设计直接使用。
主要的输出点是每个车位的移动方向指示和安全防坠挂钩的输出，本次设计的每个载车板的移动代表了电机需要执行的动作，
其它的I/O口地址分配是系统按钮的、紧急按钮的设置、复位开关和车位指示灯的控制。
整个PLC控制系统的地址分配如表3-3所示。
表3-3I/O分配表
PLC地址
Q0.1
一号载车板下降
Q1.1
一号载车板上升
Q0.2
二号载车板下降
Q1.2
二号载车板上升
Q0.3
三号载车板下降
Q1.3
三号载车板上升
Q0.4
四号载车板下降
Q1.4
四号载车板上升
Q0.0
四号载车板右移
Q1.0
四号载车板左移
Q0.5
五号载车板下降
Q1.5
五号载车板上升
Q2.0
五号载车板右移
Q3.0
五号载车板左移
Q0.6
六号载车板右移
Q1.6
六号载车板左移
Q0.7
七号载车板右移
Q1.7
七号载车板左移
M1.1
一号存车按钮
M2.1
一号取车按钮
M1.2
二号存车按钮
M2.2
二号取车按钮
M1.3
三号存车按钮
M2.3
三号取车按钮
M1.4
四号存车按钮
M2.4
四号取车按钮
M1.5
五号存车按钮
M2.5
五号取车按钮
M1.6
六号存车按钮
M2.6
六号取车按钮
M1.7
七号存车按钮
M2.7
七号取车按钮
Q2.1
一号车位防坠挂钩
Q2.2
二号车位防坠挂钩
Q2.3
三号车位防坠挂钩
Q2.4
四号车位防坠挂钩
Q2.5
五号车位防坠挂钩
I0.0
系统启停开关
I0.1
系统急停开关
程序的编写要在编程软件中实现，本次采用的编程软件为STEP7MicroWIN是S7-200的编程软件，编程语言有：
顺序功能图（SFC）、语句表（STL）、梯形图（LAD），在STEP7MicroWIN里，这些语言都可以进行转换，可以根据自己的熟悉程度选择不同的语言。
STEP7MicroWIN主要的界面内容说明如下：
（1）浏览条：
它由“查看”和“工具”两部分组成，查看部分由程序块、符号表、状态表、数据块、系统块、交叉引用、通信和设置PG/PC接口。
（2）指令数：
它由当前项目和指令两部分组成，当前项目除了显示项目文件的存储路径外，还显示了该项目下的对象。
如程序块、符号表，当需要编辑该项目下的对象时，可以双击该对象。
然后再窗口右下方编辑区就可以对该对象进行编辑。
指令部分提供了编程时用到的所有PLC指令以及快捷操作命令。
（3）输出窗口：
在编译程序时，显示编译结果。
（4）状态条：
显示软件编辑执行信息。
在编辑程序时，显示当前的网络号、型号、列号；
在运行程序时候，显示运行状态、通信波特率和远程地址等信息。
（5）程序编辑区：
用于编写程序。
（6）局部变量表：
每一个程序块都一个对应的局部变量表，在带参数的子程序调用中，参数的传递时通过局部变量表进行的。
对于主程序的设计，以一号车位载车板的呼叫为例，简单的讲解说明整个程序的结构。
首先了解一下一号车位运行在时间轴上的一个表示，如图3-5所示，可以清楚的看出在一号载车板的11S运行时间里PLC整个系统的运作。
图3-5一号车位呼叫移动时间轴
在一号存取车过程，首先一号车位的存车和取车构成一
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