基于PLC的地下多层自动停车库的设计毕业设计说明书.docx
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基于PLC的地下多层自动停车库的设计毕业设计说明书
毕业设计说明书
基于PLC的地下多层自动停车库的设计
1前言（绪论）
1.1本课题研究的背景
人类社会的不断进步以及科学技术的不断发展，人类的生活方式也逐渐趋于集中，城市的规模越来越大，人们在的生存空间却越来越小，因此出现了要高效率的应用空间的理念，城市中也逐步开始建设立体建筑（高层办公楼）、立体交通（城市轻轨和高架）和立体停车库。
随着国民经济的快速发展，社会经济的快速腾飞，城市人口的日益上升，特别是自从改革开放以来，我国车辆越来越多，以前的那种单层的、平面的停车库已经不能满足市场的需求，而且占地面积大，停车效率不高，存取车消耗时间长等弊端已经日益凸显，从平面车道到立体车库的发展也逐渐加快，来适应城市中的各种环境。
因此对于新兴的多车位、占地面积小、存取效率高的立体车库的需求也日益增大。
本次论文就是基于这个背景而进行的立体车库的研究与设计。
1.2立体车库的发展历史及国内外研究
立体车库的出现是在第二次汽车工业变革之后，随着欧洲汽车工业的空前繁荣和发展，欧洲出现了最早的立体车库。
而在欧洲国家中，德国是开发最早的国家，技术居于领先地位，在二层及多层平面式立体停车库系列中，它已发展了Ｈ型、Ｕ型和Ｖ型。
但是由于欧洲区域人比较少，相对而言车多地少的矛盾不是很突出，因此立体停车库的研究和应用不是很多，而且多数为巷道堆垛式立体车库。
最早开始研究立体车库的是日本，由于日本国土面积小而应用最广，自从1959年引进了建造机械式立体停车库技术之后，到1983年，就已经在本土上共建造了25454座多种形式的机械式车库，平均每座容车量达到十辆左右，最多的能达到百辆以上。
从上世纪七十年代末期起，车库容量年递增率为5%-7%，已经赶上了同期汽车拥有量的年递增率4%-6%，从技术特征上看，日本更重视竖式自动立体车库的发展，即密集型自动立体停车库的发展。
改革开放以后，我国的汽车工业开始起步。
21世纪进入飞速发展时代。
我国立体车库行业相对于欧洲、日本、韩国家而言起步较晚，从第一台设备诞生到现在，只有近20年历史。
在这20年中，前期发展缓慢，直到1996年，全国机械式立体车库停车设备每年的销售、安装量不足1000个泊位。
到目前为止，已经发展出多类型的立体车库。
近年来，中国的立体车库设备出口量占全部海外出口量的30%左右，一直呈现上升的趋势，由此可以看出，我国的立体车库设备发展的还是很快的。
1.3本课题研究的内容
现代社会要求制造业对市场需求做出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，可编程控制器（ProgrammableLogicController）正式顺应这一要求实现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置[1]。
本次课题研究的是基于台达PLC设计的地下多层自动停车库，该车库以台达ES系列的PLC为控制核心，实现3乘3的立体车库的车辆存取，并结合伺服电机和伺服驱动器进行速度的控制，从而达到精确的定位，另外还设置的手动/自动方式，可以方便的进行立体车库的存取操作，操作简单。
程序也易于扩展，只需要增加输入输出点，可以实现更多的车位控制。
1.4本课题研究的目的和意义
正如上文所说，立体车库在国内外都有良好的发展趋势，特别是国内，由于车辆与用地的紧张局面，在多数一线城市中，存在着车多车库少的局面，因此立体车库的研究与设计更是需要详尽考虑的。
设计研究地下多层立体车库，不仅可以节省土地面积，而且还能提高存取车辆的效率，真正实现无人值守便可以管理一大片车辆的步骤，由于PLC具有适应能力强，抗干扰能力强，可以在恶劣的环境下持续工作，可以有效、精确的完成车库的控制，具有良好的研究价值。
2总体方案设计
2.1方案1升降横移式立体车库
2.1.1车库介绍
升降横移式立体车库是采用存车板的升降和横移来进行车辆的存取，该类型的车库配置比较灵活，车位可以从十几个到上百个，占地面积小，维护简单，适用于大型商场或者居民小区安装，一般一套车库可以满足使用。
升降横移是立体车库的结构示意图如图2.1所示。
图2.1车库结构图
其中，主框架是由高强度钢材搭建，可以支撑整个车库及车辆的重量，载车板部分是用来承载车辆，上面安装有电机进行控制，同样在载车板的上方，一般有安装提升系统和钢丝组成的升降系统。
电机转动部分由PLC控制的，通过PLC发出信号，让电动机进行前进或者后退，从而实现载车板的升降横移。
出于安全的考虑，一般还需要加上安全监测装置，主要有防坠开关，防止钢丝的突然断裂从而导致的车位的掉落。
另外加上了急停开关和温烟检测，使得整个立体车库安全性能得到了非常好的提升。
2.1.2车库工作原理
升降横移立体车库通常建立在地面上，为3层车库，地面一层的车位可以直接供车辆进出，因此只需要考虑2、3层车位的控制。
2层车位需要进行升降横移动作，3层车位只需要进行升降动作。
在进行车辆的存取时，先判断需要预存取的车位的信息，然后决定哪些车位需要进行移动，当车位升降横移完成后（通常是采用限位开关或者红外光检测开关判定是否到达），存取通道建立完成，该车位下降至1层地面，车辆进出完成。
随后返回原点，整个存取动作完成。
整个流程如图2.2所示。
图2.2车库流程方框图
2.2方案2堆垛式立体停车库
2.2.1堆垛式立体车库介绍
堆垛式立体车库作为一种新型的立体车库，在近年来发展特别迅速。
堆垛式立体车库主要是由两大部分组成，其中一部分是车库，车库可以设计成一排，也可以做成两排，大大提高了存储容量。
另一部分就是堆垛机，堆垛机作为该类型车库的的核心部分，结合了伺服电机、限位开关、变频器等，可以实现车位的精确定位和车辆的准确停放，因此不容易出错。
堆垛式立体车库的模型如图2.3所示。
图2.3堆垛式立体车库
2.2.2堆垛式立体车库的工作原理
正如上文所说，堆垛式立体车库由两大部分组成，一部分是车库，另一部分是堆垛机。
区别于升降横移式车库，该车库不需要进行车位的移动，因此结构上比前者简单。
而进行车辆的存储时基于堆垛机的移位控制。
当需要进行车位的存储时，先判断预存的车位的行限位和列限位，堆垛机根据命令执行移位，当定位到预存车位的时候，便可以进行车辆的存取，堆垛式立体车库的方案图如图2.4所示。
图2.4堆垛式立体车库方案图
2.3方案比较和选择
方案1是升降横移式立体车库，该立体车库是采用PLC为控制核心，结合加减速电机、限位开关和检测开关等等来进行载车板的移动控制和车辆的存储。
这种车库有优点是车位配置比较灵活，控制结构也相对简单，只需要控制每个车位的移动即可。
但是也存在这缺点，就是每次存取车辆时候，都需要多个车位同时参与移动，需要控制多个电动机，而车位的固定需要用到钢丝绳。
可能会有安全隐患，而且存储效率不高，等待时间较长。
系统的维护也不是很方便。
方案2是堆垛式立体车库。
该立体车库采用PLC作为控制的核心，在水平X轴和竖直Y轴方向上均可以进行移位控制。
另外采用伺服电机进行定位，还可以采用变频器对电机的速度进行控制。
堆垛式立体车库的优点是不需要为车辆的进出设置通道，仅需要设置车辆的存取的出入口和对出入口进行控制管理。
在立体车库内部结构中，采用堆垛控制方式，控制方式较为简单灵活方便。
利用PLC程序为控制，程序简单清晰，维护方便。
而采用地下方式，更是可以最大限度的节约土地资源。
在社会经济效益上也比较突出。
但是也存在着一部分的缺点，就是整个停车系统采用堆垛机控制，堆垛机需要较为精确的设定，因此造价比较高，只能适用于大型的、用地较为紧张的停车场所。
综上所述和国内外立体车库的发展趋势，采用方案2为本次设计的方向。
3堆垛式立体车库硬件设计
3.1PLC设计
3.1.1控制系统结构设计
本次的设计是采用PLC为核心的控制系统来操作控制立体车库的堆垛机的运动。
采用PLC的优点是能够快速的对输入的信号做出反应，从而能够及时的对堆垛机进行控制，省略了中间继电器的作用，没有多余复杂的连线。
PLC的控制系统的结构如下图所示。
图3.1PLC的控制结构
3.1.2控制系统的设计思想
本次立体车库的设计思想是利用PLC进行程序的控制，而程序的编写，采用的是主程序加子程序，主程序包含了系统的初始化，以及车库车位的确定，存车按钮就是跳转到子程序部分。
而设计中采用的地下停车库，在地面仅需要设置一个停车棚类似的暂时存放车辆的位置，而主体车库则在地下，堆垛机的载车台可以在车位和暂停位置运动，此时PLC
子程序分为存车子程序和取车子程序，在主程序跳转到相应的程序之后，执行相应的步骤，当载车板定位到预设的车位的时候，再跳转到子程序中，本人认为，车辆的存取是一样的，都是载车板进入车位中，然后将车辆放下，再返回，由于这里采用电机控制，就不需要额外进行控制。
当确定存取完成之后，堆垛机返回到原点，等待下一次的移动步骤控制。
3.2可编程控制器的选型
3.2.1可编程控制器的介绍
可编程控制器简称为PLC，PLC是以微处理器（CPU）为核心的数字运算操作的电子系统，是在继电器技术理论基础上研发的，继承了继电器的技术特性，它把继电器控制、通过导线连接构成的硬件逻辑转换为CPU控制的数字信息组成的软逻辑，二者的逻辑规律基本相同，PLC具备了存储记忆，分析判断的逻辑控制功能，实现了智能化，使自动化技术进入了信息时代[2]。
PLC主要由微处理器（CPU）模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
PLC的特殊功能模块用来完成某些特定的任务：
（1）CPU模块主要由微处理器芯片（CPU芯片）和存储器组成。
在PLC控制系统中，CPU模块不断采集输入信号。
执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。
（2）输入输出模块是连接外部现场设备和CPU模块的通道。
其中，输入模块用来接受和采集输入信号，开关量输入模块用来接受从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等送来的开关量输入信号；模拟量输入模块则是用来接受电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。
（3）编程器是用来编写程序的作用。
一般是使用编程软件在计算机上事先编译好程序，然后下载到PLC上进行运行。
通过RS232和RS485通信，可以实现远距离的编程和数据的传送。
（4）PLC一般使用AC220V或者DC24V的电源。
PLC内部的电源为模块提供DC5V、DC
12V和DC24V的电源。
而PLC的一般输入输出的信号电压都比较高，因此外部引入的电压可能会导致CPU模块和其他模块损坏，或者导致PLC不能正常工作，因此需要用光耦合、小型继电器等进行隔离，从而保护PLC。
3.2.2可编程控制器的特点
（1）编程方法简单易学
（2）功能性强，性价比高
（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应强
（4）可靠性高，抗干扰能力强
（5）系统的设计、安装、调试工作量少
（6）维修工作量少，维修方便
3.2.3控制功能的选择
PLC控制系统的核心部分就是PLC的选择，正确选择好PLC，可以非常有效率的进行程序的运行和监控。
因此PLC的选型有以下几点需要考虑：
（1）输入输出点数的确定：
总输入输出（I/O）点数=（输入点数+输出点数），另外再加上10%到20%的扩展；
（2）容量的估算：
总体存储容量=（开关量输入点数+开关量输出点数）
10+模拟量点数
150；
（3）控制功能的选择，
（4）PLC的机型的选择，需要考虑的有PLC的类型、输入输出量点数、电源选择、存储器的容量的大小，经济性能的考量；
综合上述考虑和老师给出的建议，本次设计采用的台达DVP60ES200T以及IO扩展模块，作为主体控制设备。
同时伺服电机使用速度控制。
该类型的PLC有以下特点[3]：
（1）大程序存储容量：
共有16K步；
（2）最大提供60输入输出点数；
（3）内置3个COM端口：
1个RS-232端口，2个RS485端口，这些端口都能独立工作；
（4）最大的I/O扩展为256点输入+16输出
（5）高效的指令执行效率；
（6）指令执行速度：
0.24
s；（基本指令）
端子排列如图3.2所示。
图3.2DVP60ES200T端子排列
3.3伺服电机模块
伺服电机在本次设计中作为控制单元部分，实现了载物台的精确控制、定位以及存放，而且适用于输出功率较小的场所，而本次的设计就采用设计出模拟仿真，因此不需要采用大功率电机输出来进行堆垛机和载车板的控制，故此选用伺服电机和伺服驱动器模块进行设计。
3.3.1伺服电机介绍
伺服电机的作用的是进行位置或者速度的控制，通过电机的角位移和角速度变换即可。
改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速和转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压[4]。
根据伺服电动机的使用电源不同，伺服电动机分为直流电动机和交流电动机两大类。
交流伺服电机输出功率大，功率范围为1至600W；而交流伺服电机输出功率较小，功率范围一般为0.1至100W。
直流电动机就是他励直流电动机，其主要结构和原理和普通的他励电机相同，只是输出功率的大小不同而已。
直流伺服电机通常采用电枢控制，即励磁电压f一定，建立的磁通量
也是定值，而将控制电压Uc加在电枢上，其接线图如图3.3所示。
图3.3直流伺服电动机接线图
交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机，因此有时候也被称为两相伺服电动机。
它的定子上面装有在空间上相差90°电角度的绕组，即励磁绕组和控制绕组，励磁电压Uf和控制电压Uc频率相同。
运行的时候励磁绕组始终加上一定的交流励磁电压，控制绕组上则加大小或者相位岁信号变化的控制电压。
交流伺服原理图如图3.4所示。
图3.4交流伺服电机原理图
3.3.2伺服电机选取参数
每一种伺服电机在运动的时候都需要考虑到电机自身的参数和应用时所需要提供的转矩的大小，选用的电机的输出应该要符合负载机构运动条件的需求。
需要按照一定的方式进行伺服电机的选型。
（1）明确负载机构的运动条件和运动方式，需要考虑到加减速、重量、功率等参数；
（2）根据负载机构选择合适的电动机的型号；
（3）查找资料，找到电动机的转矩的各项数据；
（4）考虑电动机的最大输出；
因此根据上述参数介绍、参数选择方式和老师的建议，本次设计采用的伺服电机是ECMA-C20604ES台达伺服电机。
该伺服电机的特点是内置多种功能，简化的配线和操作的设定，提升的马达尺寸的对应性和产品的匹配度，提供了最高脉冲输入为4MPPS的输入，精确度高，另外还有通讯端口，易于控制。
3.3.3伺服驱动器
选取好了伺服电机，就需要考虑到伺服驱动器的选择，因为PLC输出的脉冲不能直接给到伺服电机上面，而且伺服电机还需要进行其他详细的参数的设置才能进行转动，因此需要考虑伺服驱动器的选取。
表3.1伺服驱动器选择
400W
ASD-B2-0421-B
ECMA-C2060
S（S=14mm）
ECMA-CM0604PS（S=14mm）
ECMA-C2080
7（7=14mm）
ECMA-E21305
S（S=22m）
ECMA-G2130
S（S=22mm）
根据上述的伺服电机的功率和参数，选用ASD-B2型号的伺服驱动器。
伺服驱动器需要进行参数的设置，还需要进行与PLC相对应的输入输出口进行连接才可以用PLC驱动伺服电机。
伺服驱动器上面需要进行设置的端口有CN1、CN2、和CN3，这3个是都是伺服驱动器中作为接线的端口，因此对它们进行设定尤为重要。
图3.5CN1端口
其中CN1是I\O口连接器端子的Layout。
CN1上提供了6组输出及9组的输入。
CN2是编码器信号接线，端子的意义如下表所示：
表3.2伺服驱动器CN2端口接头说明
驱动器接头端
马达输出端
PinNo
端子记号
说明
快速接头
颜色
4
T+
串列通信信号输入输出+
1
蓝
5
T-
串列通信信号输入输出-
4
蓝黑
-
-
保留
-
-
-
-
保留
-
-
8
+5V
电源+5V
7
红/红白
7，6
GND
电源地线
8
黑/黑白
Shell
Shielding
屏蔽
9
-
CN3是负责进行远距离通讯的端口，可以通过MODBUS通讯结合语言来操作驱动器，可以有两种通讯方式，一种是RS232，在距离较短的场合使用；另外一种就是RS485，可以传输较远的距离。
图3.6伺服驱动器接口端
3.4限位开关
3.4.1限位开关介绍
限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关，限位开关有接触式的和非接触式的[5]。
接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。
当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。
由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。
非接触式的形式很多，常见的有单簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到，当然还有更多的先进的形式。
在立体车库中，核心的操作就是堆垛机的控制，PLC通过端口控制堆垛机，让堆垛机进行上下前后的移动，而在其中需要注意的是定位的控制。
例如将车辆存入7号车库，需要堆垛机移位到7号车库的位置，再进行存储，因此限位的方式必不可少。
限位开关的模型如下图所示。
图3.7限位开关模型
3.4.2限位开关在本次设计的应用
在控制中，有两种方式进行定位，一种是步进电机，步进电机是一种可以将电脉冲转换为角位移的电动机，可以使用专门的驱动电源向步进电机提供一系列的有一定规律的电脉冲信号，因此可以使用步进电机来控制定位的位置。
另外一种方式就是采用限位开关+普通电机进行定位的控制，这种控制的方式较为简单，对于不需要太精确的控制或者模拟场景的时候尤为有效，由于本次设计的立体车库是以仿真的样式给出，因此考虑这种方式来确定堆垛机的移位和定位。
在本次的设计当中，需要用到限位开关的地方有2处，一处使堆垛机进行移位控制，需要限位开关进行定位。
在这里，采用的方式是先行定位，再列定位，例如，当按下存车按钮，系统判断5号车库可以存车时，堆垛机就需要移位到5号车库位置，才能进行车辆的存放。
具体的步骤是：
电机先下降，至2层，当堆垛机上的载物台触碰到2行限位开关时，开关闭和，电机停止下降，同时，电机开始水平移动，当平移到2列限位开关的时候，开关闭合，电机停止移动，表示堆垛机移位到位，可以进行车辆的存储工作了。
第二处就是存取车辆，货叉的伸缩的限位使用。
车库是有距离有深度的，因此需要设定限位开关，方式货叉伸出太长导致车辆的损坏或者货叉伸出太短，车辆的存取没有到位，这两种方式都会导致车辆存放的不安全从而致使财产损失。
当加上限位开关之后，只要货叉触碰到限位开关，就表示车辆已经存取完毕，可以进行下一个步骤，因此确保的系统的精确性。
3.4.3限位开关的选取
在立体车库的定位控制当中，需要用到的是限位开关来进行定位，由于立体车库中堆垛机在存取车辆的时候需要多次经过限位开关，因此选用的限位开关必须有高精度，高灵敏性，响应时间快，另外结合经济型和安全性上的考虑，选用的限位开关为欧姆龙系列微动开关，限位开关的原理图如图3.8所示，。
图3.8限位开关接线图
3.5传感器
由于该立体车库是属于地下立体车库，因此需要考虑到安全性，安装有温烟检测传感器，这样起到在车库中检测到异常的温度和烟雾之后，自动报警，并且立即停止系统，在最大限度上保护车辆和机器的安全。
3.6变频器模块
在现实当中，车辆一般的重量在几吨左右，而且还要加上载车盘自身的重量，就会显得特别的沉重，如果是按照伺服电机和伺服驱动器那种输出功率较小的情况下进行设计，很有可能无法移动或者移位不准确，造成不必要的错误。
因此这里在设计现实的立体车库当中时候，需要采用变频器对电机进行的转速进行控制，可以让电机匀加速—平稳运行—匀减速指到停止，整个过程就会显得平滑，不会因为突然启动导致车辆的相对位移，也不会因为电机转矩不够而导致无法运行。
因此在本次设计中，采用的是用变频器进行位置的控制，可以方便的进行载车板的移动和电机的控制。
3.6.1变频器介绍
变频器（VariableFrequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源的频率和幅值来控制交流电动机的电力传动元件，变频调速就是通过改变电动机定子供电频率，以平滑改变电动机转速，电动机的转速调节范围非常宽，在调速过程中，一直可以保持有限的转差功率，具有高精度、高效率的调速性能[6]。
电动机调速是指通过改变电动机的级数、电压、电流或者频率等方法改变电动机的转速，一般情况下，电动机调速的方法有：
变级对数调速方法、变频调速方法、串级调速方串电阻调速方法、定子调压调速方法、电磁调速电动机调速方法以及液力耦合器调速方法共7种方法。
在这里使用变频器调速方法[7]。
3.6.2变频器的选择
在考虑变频器的选取时，需要考虑到以下几点要求，另外还需要输出的功率、转矩等等限制，否则在实际应用中会出现错误的情况。
（1）选取变频器的目的；
（2）变频器所搭载的负载；
（3）变频器与负载之间的匹配；
（4）变频器与PLC之间通信方式；
在考虑到以上选取变频器的要求后，以及老师的建议和经济效益上面的考虑，选用台达的VFD-EL系列的变频器。
该类型的变频器有以下的特点[8]：
（1）输出频率在0.1~600Hz；
（2）3点任意V/F曲线；
（3）内含PID回路控制；
（4）采用了RS485通讯，多样化的通讯模组，支持多种通讯协定；
（5）可以并排安装，节省空间，内含多种应用；
在使用变频器的时候，需要设定变频器的工作方式，然后完成与PLC之间的通讯，在使用编程软件对该变频器进行程序的编制，需要写入启动、停止以及正反转信号，其余部分可以再变频器的控制面板上进行操控控制。
控制面板上的按键输入如下图所示。
图3.9变频器控制面板
3.6.3变频器控制原理
在本次的设计当中，采用变频器作为电机的控制方式，其中，由于载车板的移位需要进行速度控制，在载车板启动的过程中，要保持匀加速的功能，在即将入库的时候，还需要保持匀减速直到停止，表示本次移位结束。
在该设计中，变频器采用占空比可调的脉宽调制进行速度的控制，刚开始移位的时候，电机缓慢加速，确保车辆和载车板不会发生偏移从而造成车辆的损坏，加速到一定值的时候，车辆和载车板一起移动，当移位即将完成的时候，进入匀减速的环节，直到减速为0，停止，载车板移动到位，然后就是将车辆送入车位进行存放，接着返回到原点，等待下一次的输入。
具体的移位控制参照附录1程序分析。
3.7立体车库的I/O分配表
本次的设计中，重要的一节就是PLC的输入输出点数的统计和设定，特此将本次设计的输入输出端口列出来，计算出输入口有22个，输出端口有7个，具体列表如下。
表3.3立体车库I/O分配表
输入
功能
输出
功能
X0
1列限位开关
Y0
电机水平运动正转
X1
2列限位开关
Y1
电机水平运动反转
X2
3列限位开关
Y2
切换电机和变频器输出连接
X3
1号车库位置开关
Y3
电机竖直运动正转
X4
2号车库位置开关
Y4
电机竖直运动反转
X5
3号车库位置开关
Y5
脉冲输出
X6
4号库位置开关
Y6
车库运行指示
X7
5号库位置开关
Y7
报警信号
X10
6号库位置开关
X11
7号库位置开关
X12
8号库位置开关
X13
9号库位
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