毕业设计基于PLC的立体车库控制系统设计.docx
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毕业设计基于PLC的立体车库控制系统设计
摘要
随着城市汽车保有量的不断增加，停车难的问题己经成为大中型城市的一个普遍现象。
机械式立体车库可充分利用土地资源，发挥空间优势，成为解决城市静态交通问题的重要途径。
本文以升降横移式立体车库为研究对象，采用PLC和组态软件设计了立体车库监控系统。
首先，本文分析了升降横移式立体车库的架构和传动方式，在此基础上给出了立体车库控制要求，采用三菱PLC设计了汽车存取、手自动等控制程序。
然后利用组态王软件设计了欢迎界面和汽车存取监控画面，通过动画连接和脚本语言编写完成了汽车的存取过程动态效果和状态显示。
所设计的立体车库监控系统操作简单，存取方便，组态画面形象直观，达到了设计目标。
关键字：
立体车库升降横移式PLC
ThedesignofThree-dimensionalgaragecontrolsystembasedonthePLC
Abstract
Asthequantityofurbanautomobilehasincreasedcontinuouslyinnowadays,thehard-to-ParkProblemhasbecomeacommonphenomenon.Mechanicalstereogaragecanuselandresourcesufficientlyandbringspaceadvantageintoplay,Ithasbecomeanimportantwayforstatictrafficproblemofcities.Thisarticletakesliftingandtransferringstereogaragethetraversingcontrolastheobjectofstudy,UsingPLCandconfigurationsoftwaredesignstereogaragecontrolsystem.First,thispaperanalyzesthestructureoftheliftingandtransferringparkingarchitectureandtransmissionmode,givesparkingcontrolrequirementonthisbasis,thenusedmitsubishiPLCtodesignthevehicleaccessandhandautomaticallyandothercontrolprocedures.Usingthekingviewsoftwaredesignwelcomecontactsurfaceandautomobilemonitoringpicture,Throughtheanimationandscriptinglanguagescompletedaccessprocessdynamiceffectandthestatesofthevehicledisplay.Stereogaragecontrolsystemdesignissimpleinoperation,convenientaccess,configurationscreenvisualimage,toachievethedesigngoals.
Keywords:
stereogarage;liftingandtransferring;PLC
1.绪论
1.1课题研究背景及意义
随着我国城市经济和汽车工业的迅速发展，拥有私家车的家庭越来越多，而与此相对应的是城市停车状况的尴尬。
“车库”在大中城市是一个热门话题，国家经济贸易委员会将“城市立体车库”列为最近工业科技发展重点，随着国内汽车的增加，车辆在公共场所及社区的停车问题将会日益突出，因为人们对生活质量和环境意识的日益增长之时“车库”的关注度逐渐增高，自动化立体车库将在新开发的项目和企业中大显身手。
当前随着汽车工业的发展和人们购买力的增强，汽车已经逐渐走入普通家庭，特别是私家车的数量迅速增长，一些大型城市面临“车多位少”的困境，对于渴望“车者有其位”的车主来说成为了一种奢侈，迫使很多车主只能直接把车停在道路上，一方面影响了道路交通的畅通，给道路交通带来了不少安全隐患的问题，另一方面也非常不利于车辆的管理，车辆很容易被人为破坏或者被盗，给车主带来了许多不必要的财产损失。
车辆无处停放的问题是城市的社会、经济、交通发展到一定程度产生的结果，立体停车设备的发展在国外，尤其在日本已有近30-40年的历史，无论在技术上还是在经验上均已获得了成功。
我国也于80年代末开始研究开发机械立体停车设备，距今已将近三十年的历程。
由于很多新建小区内住户与车位的配比率为1:
1，为了解决小区停车位占地面积与住户商用面积之间的矛盾，立体机械停车设备以其平均单车占地面积小的独特特性，已被广大用户接受。
机械车库与传统的自然地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆的安全，人在车库内或车不停准位置，由电子控制的整个设备便不会运转。
应该说，机械车库从管理上可以做到彻底的人车分流，而且也在许多其他方面显示出优越性。
1.2国内外立体车库研究情况
1.国外立体车库研究情况
在20世纪中后期，立体车库的发展在国外就稍有成就，慢慢家庭开始引入双层停车设备；利用家中的住宅空地建起升降横移式立体停车库；而距离市中心较近的地方则使用停车楼和停车塔；利用广场、建筑物下面的空间建设地下车库。
自80年代初起，经济持续发展，汽车开始逐渐进入千家万户，汽车的增长速度越来越快，迫使地少人多的一些发达国家开始研究开发和应用机械式停车技术。
部分发达国家的技术水平已处于世界领先地位，并开始向外输出技术和出口产品。
2.国内立体车库研究情况
我国在机械式车库方面的早期研究开发工作是从80年代中期开始的，90年代开始逐渐引进国外生产停车设备，在北京、上海、广州等地都有所使用。
参照日本等国的标准制定出我国行业标准。
目前国内停车设备生产厂越来越多，生产各种类型的停车设备，有些停车设备已经开始向外出口。
但在我国的立体停车产业的发展中还存在一些弊端，如没有制定统一的技术标准；大多数产品是引进国外设备进行模仿技术制造，技术水平还处于学习阶段；缺少具备一定实力的企业，在生产能力上感觉有些力不从心；市场竞争激烈，一些企业为了能够在市场上能够占有一席之地，采取低价竞争的方式；科研设计单位的参与较少，技术的创新能力严重滞后；国家政策不配套，还存在很多缺陷。
为了解决上述所列问题，我们在政策、市场、管理和技术多方面还需要做出很大的努力。
1.3立体车库的发展形式
目前我国经济正处在高速发展时期，由于我国的城市化水平加快和人民生活水平的不断提高，汽车进入家庭的步伐也在不断加快，由此与汽车相关的产业进入了人民的眼球。
立体车库行业急需突破，车位平均造价高，成本回收比较困难，这是比较难以突破的。
最关键的是，立体车位对于大部分人来说还是一个新鲜事物，人民对它的了解太少，还需进一步推广。
立体车库主要有以下几种形式：
升降横移式、垂直循环式、简易升降式、垂直升降式、平面移动式、巷道堆垛式等。
升降横移式：
是利用载车板的升降或（和）横向平移存取停放汽车的机械式停车设备。
适用于住宅小区、小型公司、大楼地下室、立交桥下。
空间利用率高，存取车方便快捷，采用PLC控制，自动化程度高，人机界面友好，多种操作方式可选则，操作简便。
垂直循环式：
是用一个垂直循环运动的载车板系统存取停放汽车的机械式停车设备，节省空间。
使用PLC自动调车，一次按键即可完成存取车方便快捷。
动作迅速存取方便。
简易升降式：
一个车位可以泊两台车，最适宜多车型家庭用。
构造简单实用，无需特殊地面基础要求。
适合装置于工厂、别墅、住宅停车场，可任意迁移，搬迁安装容易或根据地面情况，独立及多台设备。
垂直升降式：
占地面积少，容车量大，并且可以提供多车位进出口，等待时间短，智能化程度高，操作简单方便。
平面移动式：
每层车库的载车板和升降机分别动作，提高了车辆的存取车速度，地下空间利用自由，停车场的规模可以达到几千台。
在部分区域发生故障的时候，不会影响其他区域的正常运行。
保险措施安全可靠。
通过计算机和触屏界面进行综合管理，可对车库的运行情况全面监视，并且操作简单。
巷道堆垛：
是用巷道堆垛机或特种起重机将汽车水平且同时垂直移动到预定泊车位置或相反取出汽车的机械式停车设备。
适用于大规模社会公用停车楼及地下停车库。
综合考虑，最终我将对升降横移式立体车库进行设计，通过了解升降横移式立体车库的原理及控制要求，对其提出合理的控制方案，然后采用三菱PLC进行控制程序的编写，再运用组态王软件画出组态监控画面，对汽车的存取过程全程监控。
1.4设计目标与主要内容
本课题以较为典型的升降横移式立体车库为研究对象，综合考虑立体车库制造成本和运行效率两大因素，对立体车库的传动部分和控制部分进行设计。
在合理分析和选择传动机构的基础上，采用PLC实现立体车库的存取车控制；并采用组态王软件设计立体车库监控界面，完成动画设计和组态，直观形象的模拟立体车库运作过程。
后续内容安排：
第一章节介绍了课题研究背景及意义、国内外立体车库研究情况、立体车库的发展形式及设计目标和主要内容。
第二章节对升降横移式立体车库进行一个总体概述，在总体概述中又对其控制系统、工作原理、主要组成、运动规律以及升降系统和横移系统的传动原理进行一一介绍；
第三章节对比其控制方式，提出控制方案，然后对其进行硬件选型；
第四章节对其控制程序提出方案，进行设计，介绍各个控制程序流程；
第五章节仿真界面的设计，从建立到监控进行总体的详解。
2.升降横移式立体车库的概述
上一章节的介绍使我们对立体车库有了一个简单的认识，这一章节就对其控制系统、传动原理进行深入的了解，并提出控制要求。
2.1升降横移式立体车库的控制系统概述
升降横移式立体车库的控制系统必须保证车库的各个运动机构能够在规定的时间内准确无误的完成系统所要求的动作，确保对车库现场的工作情况进行实时的监控，并把监控信息安全准确的反馈到系统的控制中心，由它对系统机构的运行动作进行补正，确保车库在整个系统的正常状态下稳定运行。
所以，在确定车库控制系统的时候，首先要明确系统的控制任务。
2.1.1升降横移式立体车库的工作原理
升降横移式立体车库每个车位上均有载车板，所需存取车辆的载车板只需通过升、降、左右横移运动到达地面层，驾驶员驾驶车辆进入车库，存取车辆，完成存取过程。
在这类车库地面停泊的车只需做横移运动，不必升降，上层车位则需要下层车位横移出空位，将载车板降到地面层，驾驶员才可进入车库内将汽车开进或开出车库。
运行特点:
最下层只能进行平移运动,顶层只能进行升降运动,中间层既可平移又可升降。
除顶层以外,中间层和底层必须留出一空车位,以此保证上下车通道的畅通。
总的原则：
升降复位,平移不复位。
2.1.2升降横移式立体车库的主要组成
升降横移式立体车库的主要由主框架部分、载车板部分、传动系统、控制系统、安全防护措施等五大部分组成。
升降横移式立体车库车位的结构为N×M而为矩阵形式，可设计为多层、多列，车库提供的总车位容量为：
P=N×M-（N-1）
其中：
N为车库的层数，M为车库的列数。
由于受收链装置及进出车时间的限制，一般设计为2-4层，以2，3层者居多，可根据泊车的多少决定停车的规模。
假如要设计一座能够提供9车位的两层升降横移式立体车库。
由公式可知，N=2，P=9则M=5，及设计2×5立体车库可以实现其要求。
本论文就以2×5地面上布置的升降横移立体车库为例子，介绍其运行原理。
2.1.3升降横移式立体停车库的运动规律
图2.1是全地上布置型式的2×5升降横移式立体车库，共有10个车位，9个载车板，最多可以停9辆车，载车板上面有车库号。
车在车库内的运行情况是这样的：
图中一楼的车库是直接存取车的；10号车在初始状态下可以直接下降到地面层后存取车辆；其他的车库则需要通过一楼的车库载车板横移出空位后下降到地面层存取车辆。
如需在6号车位存取车，则要将1、2、3、4号车库的载车板向右依次移动，当检测移动到位后，6号车位下降即可。
同样n层m列的存取车原理都是大同小异的。
图2.1升降横移式立体车库
2.2升降横移式立体车库的传动原理
1.上载车板及其提升系统
每块上载车板都配有一个自己独立的电机与链传动组合的传动系统。
如图2.2所示，电机顺时针旋转，载车板上升；电机逆时针旋转，载车板下降。
根据载车板及车重的情况确定链条所需要的传动力，根据链条所需要的传动力及载车板的移动速度可以进行电机功率的选择，根据所设计允许进入车的车身高度确定上下载车板之间的距离，再根据这个距离确定链条的长度，最后根据传动力确定链轮的大小，链节形状及大小。
1—车位高层横移导轮2—定长链条3—载车板4—链轮5—地面横移导轮
6、9—车位架7—升降链条8—升降电机
图2.2链条传动型式升降机构示意图
2.下载车板及其横移系统
如图2.3所示，由于下载车板不需要悬挂链条，在考虑经济的情况下，下载车板可以比上载车板要短。
每块下载车板后部都配有独立的电机，藏于载车板内。
在下载车板的底部装有四只钢轮，可以自由的在导轨上行走，其中两个为主动轮，装于长传动轴的两侧，另外两个为独立安装的从动轮。
电机驱动长传动轴转动，长传动轴上的主动钢轮在导轨上滚动行走从而使下载车板可以作横移运动。
根据载车板及车辆的重量、滚动速度、滚轮与导轨间的摩擦系数确定横移电机的驱动功率。
1—横移导轨2—横移行走轮3—轴4—伺服电机5—交流异步电机6—测速器7—链条、链轮8—制动器
图2.3横移传动系统
2.3升降横移式立体车库的控制要求
1．将选择开关置于手动位置（此时程序跳入到手动程序的位置），操作面板上分别有上、下、左、右四个选择。
如果想把二层的某车库载车板移下来，只需要将其对应一层车库的载车板移开即可。
运行要平稳，在接近极限位置的时候，应执行限位保护。
2．将选择开关置于自动位置，程序进入初始化状态，等待存取车。
3.立体车库控制方案设计
通过前面对升降横移式立体车库的一些基本介绍，我们也已经对其运动规律、传动原理以及升降、横移系统和控制要求有了一个直观的了解，下面就要对其进行控制方案的设计，通过提出一个合理的方案，然后对其进行设计，验证。
3.1现有的立体车库控制方式
在PLC还没出现之前，继电器、接触器控制在工业领域中占有主导地位。
以继电器、接触器为核心元件的自动控制系统也有许多固有的缺陷。
按照以往的设计思路，采用一般的继电器控制或单片机控制也不是未曾不可，但随着科技的不断进步，社会的不断发展，采用PLC控制已经逐渐成为现代工业设计与应用的主流。
通过下面的比较我们就可以知道为什么在本次设计中采用PLC控制。
●继电器控制系统：
继电器控制系统采用硬接线逻辑，利用继电器机械点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，需要大量的机械触点，当生产工艺流程改变时要改变大量的硬件接线，同时也会受到机械触点寿命的限制；一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难；同时还需要定期的更换继电器，维修不方便，为此要耗费许多人力，物力和时间；另外，继电器触点数目有限，每只继电器一般只有4-8对触点，因此灵活性和扩展性很差；而且在工业现场的工作环境差，会降低系统的可靠性，使系统工作不稳定；安装时的接线工作量比较大，图样多种多样，安装，调试周期比较长；功能局限性大，体积大，功耗多。
●单片机控制系统：
目前国内市场上的单片机芯片品质参差不齐，种类数不胜数，很多的其实还是国外已经淘汰出局的次等产品，批量小的那部分产品想让它经过严格的技术筛选配对也是一件很难达到的事，因此想要得到很好的一致性和高可靠性的控制系统也是很难做到的，因为无论任何一个元件的参数稍有偏差都会引起系统运行的不可靠。
再加上系统中其它外围元件（如电感、电容、电阻等）的参数不稳定性也很大，对于系统的调试工作会出现很多因各个元件之间的相互干扰而带来的调试不成功，带来很多不必要的麻烦。
除此之外，对于单片机的抗电源干扰能力来说也是很弱的，而国内设计的电源也都有着这样或那样的毛病，再加上变频器对电源的干扰，因此，会更可能引起单片机系统工作的不稳定。
由于单片机的线路设计是根据一定的功能要求而进行设计的，因此如果想要对其增加一个新的功能就要重新设计线路，而且与之相对应的程序也都要重新设计。
如果想要再增加功能，则会增加单片机的开发成本和周期。
一旦单片机运行系统出现故障，就很难诊断出故障元件和故障原因，可能为了检测出故障所在而要对线路进行逐一排查。
●PLC控制系统：
PLC所采用的CPU都是由生产厂家专门设计的，每个元件都可以直接向生产厂家购买，都是经过严格筛选的工业级元件。
当你要增加一个新的功能的时候，只要对其增加相应的模块和修改对应的程序即可，而且PLC的编程方法也相对比较简单易懂，这样开发周期就会大大缩短。
PLC本身还具有很强的自诊断功能，一旦PLC运行系统出现故障，可以根据自诊断很容易诊断出故障元件及故障原因，即使非专业人员只要能看懂也是可以维修的，如果故障是由于编程人员对程序设计的不合理所引起的，而且它还提供了完善的调试工具，在运行状态下，对程序进行监控，也是比较容易找出到底程序上是因为哪里不合理而造成的故障。
由于PLC控制与其他控制方式相比编程与控制还是相对容易的，设计周期更短，成本相比较之下也更加低廉，检查维护与调试工作也变得更加游刃有余。
因此，根据现有条件综合考虑之后，我将选用PLC的控制方式对其进行设计。
3.2控制方案设计
在本次设计的系统硬件的设计中包括检测单元、执行单元和控制单元部分的设计，他们之间互相联系，缺一不可，共同组成一个完整的系统。
在过程控制系统中，检测环节还是一个相对比较重要的环节。
设计中涉及到限位的检测，将检测的结果送给PLC，通过PLC执行相应的动作。
如果检测单元出来问题的话，就会造成整个系统可能都无法动作，还可能会带来意想不到的后果。
执行单元是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节之一，它接收来自检测单元的输入信号，并使相应的元件得电动作，使PLC进入相应的子程序，以便执行下一步动作，从而控制整个系统的安全可靠运行。
控制单元是整个系统的核心。
在系统中，PLC是控制系统的中心元件，没了它整个系统将会瘫痪，它的选择是控制单元设计的重要部分。
系统应用的三菱FX2N系列的PLC，其结构简单，使用灵活，编程方法通俗易懂，易于维护。
它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。
立体车库的整个控制系统由上位机监控系统和下位机PLC控制系统组成，图3.1为该系统的组成框图。
该系统由上位机（计算机）、三菱FX2NPLC和现场操作机构构成，以计算机为核心。
在控制方式上有三种方式，一是现场手动控制，主要用于现场设备检修、调试或当出现异常情况的处理；二是通过PLC单独控制，操作PLC控制面板上的按钮可对其实现自动逻辑控制，在车库容纳量不大，节约成本的情况下可以考虑单独采用这种方式控制；其三是上、下位机通信连接机构成监控系统的控制方式，由计算机给出存取命令，然后把命令传送给PLC执行,同时车库的整个运行状态实时的反映在上位机的监控画面上。
三种方式可以任意选择。
如果车库的规模足够大，还可以考虑配备操作器、触摸屏和IC卡磁卡机实现智能化自动控制。
图3.1系统组成图
系统工作过程如下：
（1）PLC上电，程序开始进入初始化状态，扫描一层载车板的位置；
（2）当有人按下操作面板上的车库号按钮时，PLC就进入相应的子程序，就执行该车库相应的动作，车库挡车杆打开，使车辆能够进入；
（3）按下按钮的同时显示相应的车库号，并且显示剩余车库数，当存车到位后安全防坠挂钩会动作；
（4）当执行完相应的存取车程序后，会有对应的指示灯显示车库的有无车情况（绿灯代表无车，红灯代表有车）；
（5）当按下手动按钮时，就跳入手动程序；按下自动按钮，又跳回自动控制程序；当出现故障，按钮急停按钮，全部电机断电，报警指示灯闪烁。
3.3控制系统的硬件选型
3.3.1PLC的选型及I/O口的确定
1.PLC的选型
根据系统的控制要求及复杂程度，需要对所用到的I/O口要进行初步的估算。
PLC的输入输出点数是有限的，通常在设计关于PLC控制系统时可能会遇到其I/O口的点数问题，我们根据所需的I/O点数选择适合的PLC或增加其扩展单元。
经过计算统计，本次设计一共需要36个输入口（X）和37个输出口（Y），结合我自己所学的知识（我在学校所学的PLC系统以三菱系列为主），因此我决定选择三菱公司生产的FX2N-80MRPLC,它是220VAC电源输入、24VDC晶体管输出的主控制器。
2.I/O口的确定
下面分别列出输入、输出点的使用情况，如表3-1，3-2所示：
表3-1输入点
序号
输入地址
功能
1
X0
2F1#台板下限位
2
X1
2F1#台板上限位
3
X2
2F2#台板下限位
4
X3
2F2#台板上限位
5
X4
2F3#台板下限位
6
X5
2F3#台板上限位
7
X6
2F4#台板下限位
8
X7
2F4#台板上限位
9
X10
2F5#台板下限位
10
X11
2F5#台板上限位
11
X12
1F1#台板限位
12
X13
1F2#台板限位
13
X14
1F3#台板限位
14
X15
1F4#台板限位
15
X16
1F5#台板限位
16
X17
2F1#按钮
17
X20
2F2#按钮
18
X21
2F3#按钮
19
X22
2F4#按钮
20
X23
2F5#按钮
续表3-1
序号
输出地址
功能
21
X24
存车按钮
22
X25
取车按钮
23
X26
急停按钮
24
X27
手动按钮
25
X30
自动按钮
26
X31
1F1#库有无人检测
27
X32
1F2#库有无人检测
28
X33
1F3#库有无人检测
29
X34
1F4#库有无人检测
30
X35
1F5#库有无人检测
31
X36
超长检测
32
X37
超重检测
33
X40
“上”按钮
34
X41
“下”按钮
35
X42
“左”按钮
36
X43
“右”按钮
表3-2输出点
序号
输出地址
功能
1
Y0
1F1#左移电机
2
Y1
1F1#右移电机
3
Y2
1F2#左移电机
4
Y3
1F2#右移电机
5
Y4
1F3#左移电机
6
Y5
1F3#右移电机
7
Y6
1F4#左移电机
8
Y7
1F4#右移电机
9
Y10
2F1#上移电机
10
Y11
2F1#下移电机
11
Y12
2F2#上移电机
12
Y13
2F2#下移电机
13
Y14
2F3#上移电机
14
Y15
2F3#下移电机
15
Y16
2F4#上移电机
16
Y17
2F4#下移电机
续表3-2
序号
输出地址
功能
17
Y20
2F5#上移电机
18
Y21
2F5#下移电机
19
Y22
升级会员 