基于PLC的立体车库系统设计.docx
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基于PLC的立体车库系统设计
摘要
由于全球的汽车数量持续上涨，停车难渐渐成为众多大中型城市需要迫切解决的问题。
因此，一种为了实现车辆有序存储的设施应运而生。
立体车库可以有效的使用土地资源，突出立体空间的优势。
本设计以使用非常广泛的升降横移式立体车库作为对象进行研究，深刻了解立体车库的运行效率，制造成本等各种问题。
在对全球车库现有状况及发展趋势做了充分调查研究之后，设计了一个立体车库的控制监控系统。
以可编程控制器作为控制核心，升降横移动力靠电机来实现，对车库的升降和横移动作进行的准确而有效控制。
通过WinCCflexible中建立的组态画面可以对车库的运行状态实时监控，并且能方便有效的控制车库的运行。
通过立体车库的运行流程，了解基于西门子S7-300系列的PLC对存取车的控制过程，然后进行模型的建立和控制系统的设计。
经过WinCCflexible完成监控画面等功能的建立，在PLC程序运行的前提下，对组态画面进行操作。
可以对各种运行过程及故障报警等功能实时模拟。
关键词：
立体车库;可编程序控制器;升降横移;组态软件
Abstract
Duetothecontinuingriseinthenumberofcarsaroundtheworld,parkingisdifficulttograduallybecomealargeandmedium-sizedcitiesneedtourgentlyaddresstheproblem.Thus,onevehicleinordertoachieveanorderlystoragefacilitiesemerged.Stereogaragecaneffectivelyuselandresources,highlightingtheadvantagesofthree-dimensionalspace.Thedesigniswidelyusedinliftingandtransferringparkingstudyasanobject,adeepunderstandingoftheproblemsofparkingequipmentoperatingefficiencyandmanufacturingcosts.Inthecurrentglobalsituationanddevelopmenttrendofthegaragetodoafullinvestigationafterthedesignofathree-dimensionalgaragecontrolmonitoringsystem.Intheprogrammablecontrollerasthecontrol,liftingandtransferringpowerbythemotortoachieveaccurateliftingandtraverseofthegarageandeffectiveoperationofcontrols.ConfigurationscreensetupbyWinCCflexibleinthegaragecanrunreal-timestatusmonitoring,andcanbeeasilyandeffectivelycontroltheoperationofthegarage.Throughthree-dimensionalgaragerunningprocesses,understandingbasedonSiemensS7-300seriesPLCforvehicleaccesscontrolprocess,andthensetupandcontrolsystemdesignmodel.AfterthecompletionoftheestablishmentofWinCCflexiblemonitorscreenandotherfunctions,inthecontextofthePLCprogramrunningontheconfigurationscreeninstructions.Real-timesimulationoftheprocessavarietyofoperatingandfaultalarmfunctions.
Keywords:
three-dimensionalgarage；PLC；configurationsoftware
Abstract.......................................................................................................................Ⅱ
1绪论
1.1课题研究的背景及意义
近几年我国的经济和工业程度逐渐提升，汽车也随着走进了千家万户，因此许多城市停车的问题不断显现出来。
调普结果显示，我国城市机动车增速在15%-20%，而城市泊车设备的建设只有2%-3%的增速，这种现象越来越常见。
因此，我们要对城市停车难的问题重视起来，并积极寻求有效方法及措施。
立体车库在这种情况下应运而生，立体停车设备具有明显的优势特点：
一是使用土地相比于普通停车场来说，只有其面积的1/2-1/25，使空间的利用效率得到了很大幅度的提升；二是投资少；三是存取车辆方便，通常情况下，整个过程时间不会超过120秒。
目前，立体车库技术、设备的研发已经慢慢发展起来，并且人们的关注度越来越高。
这种立体设备不像普通停车场的停放方式，而是向上或者向下发展，车辆在空间中平行存放。
这在土地资源紧张，车位紧张的城市里会得到更大的发展。
在我国目前立体车位仅占2％到3％，相关专家表示，未来这种立体车库将会变为主流。
本文研究的对象主要是升降横移式立体车库。
1.2立体车库主要结构组成及类型
立体车库种类繁多，而不同类型的立体车库工作原理和组成结构也大不相同，不同种类的立体车库，工作的停车环境大有不同，有各自的优点和长处。
针对现有车库来说主要存在下列几种类型:
（1）升降横移式
可以设计为多种样式的立体车库，车位数的设置也比较灵便，如图1-1。
在地面以及地下等众多停车场可以考虑设置成这种的类型的设备，而半地下类型的使用也变得更为广泛。
此类车库配置要求简单，存在形式非常多样。
主要有下列优越性:
a、造价相对普遍较低，前期基础建设投资少。
b、安全，可靠，配置简单。
c、能充分使用土地，前期建造时间短。
d、只有轻微噪音，动作过程中平稳。
e、车辆能快速进出车库，不需要等待太长时间。
f、商场、小区等密集场适合使用。
图1-1升降横移式立体车库
（2）巷道堆垛式
巷道堆垛式立体车库，如图1-2所示。
对堆垛机有非常高的要求，因此巷道堆垛式适用范围不广泛，通常设置在要求大量车位数的场所。
图1-2巷道堆垛式图1-3垂直提升式
（3）垂直提升式
垂直提升式立体车库，如图1-3所示，运行时先将车辆升降到指定层，随后提升机附带的设备存放年车辆，从而实现存取车的动作。
垂直提升式设计高度通常很高，对加工精度，安全性能等许多因素都有着较高的要求，所以需要较多的资金。
这类车库的优点也非常明显，占用土地资源较少，能够充分利用空间。
（4）垂直循环式
垂直循环类立体车库基本结构有传动装置和停车架。
车库上所有车位均存在一个停车架，传动装置使其在垂直方向做循环运动。
如图1-4所示，这种车库有下列几种优点:
a、造价低、投资少，前期建设时间短。
b、占地少，利用率高。
c、设备运行安全可靠。
d、可以方便利用消防栓。
图1-4垂直循环式
1.3立体车库的研究发展状况
当前全球立体车库技术正在飞速发展，现在的立体车库停车技术几乎包括了各个领域的先进技术，如图1-5所示，国外圆形的立体车库。
停车形式也时刻出现着变换。
越来越多的新材料和新工艺在立体车库上得到了体现。
模块化的构造，能够便利组合，容易安装，使车库的随意性大大加强。
安全方面得到了较大的发展，安全防护设备进行了充分的改进，如定位系统、限速保护与多重机构互锁系统，若超出范围则报警和弹性变形自动补偿功能，安全检测、自动消防灭火系统，汽车尺寸自动识别系统，停车泊位自动跟踪功能等。
立体车库的停车功能变得越来越人性化、现代化。
图1-5国外圆形的立体车库
在80年代中期国内开始对立体车库进行研究，90年代引进国外设备，并开始生产立体车库，在一些人口密集的城市得到了广泛推广，如图1-6所示是我国常见的一种立体车库。
停车设备技术的发展需要更多的学科支撑，另外还要充分学习国外的成熟技术，使我国前进中的立体车库少走弯路。
在国内，停车行业应该不断前进，完善停车产品，开发生产出适应市场需求的产品。
从目前国内的形势而言。
我国的立体车库的市场处于无序混乱状态，国家对停车产业的不重视以及管理疏松，没有统一的技术标准。
图1-6升降横移式立体车库
2升降横移类立体车库概述
2.1升降横移类立体车库的简介
升降横移式的立体车库是采用电机带动载车板升降或横移存取车辆的机械式停车设备。
在实际的现实应用当中，因为此类车库有很多的类型，具有很强的适应能力，规模上大小不一，最普遍最实用的停车库就是此种类型。
2.1.1升降横移式立体车库的工作原理
在立体车库当中，每一个轿厢上都有一块载车板，存取车辆的时候通过载车板来进行升降以及横移运动到达地面，驾驶员将车开入或开出车库，最终完成车辆的存取操作。
如果车辆停在车库靠经地面的那一层，则车辆只需直接开入或开出，而不需要进行升降就能完成停车动作，车库中其余层中的车位须要下层的车位经过动作有空位后，载车板才能到达车库的地面层，然后进行存取车。
2.1.2停车设备的几种主要形式
升降横移式的立体车库种类繁多，最主要的方式有半地下式跟全地上式两种类型。
图2-1半地下布置型式
图2-2全地上布置型式
半地下式车库内车位的运行动作如图2-1，地面层的车位在其他层没有动作时可以直接在此层存（取）车操作。
下层车位需要在上方地面层出现空位时才能上升存取（车）。
而上层车位要在其下方出现空位时才能下降。
全地上式车库内车位的运行动作如图2-2所示，最下层的车位直接存（取）车辆；二层车位需要一层出现空位才能下降，而三层车位需要在其下一、二层都出现空位时才能下降存（取）车。
⑩号车下降到地面层后存（取）车。
对⑧号车位存（取）车，只需要⑨号车位右移，⑧号车位下降即可。
如果要对①号车位存取车辆，则要将②⑤⑧和③⑥⑨号车位的载车板都向右移动，留出①下面的空位，然后①号车位下降即可。
此类停车设备可以在不同场地应用。
从使用能力上来看，此类车库对土地建设没有过高的要求，规模大小也很灵活，并且在不同的地形环境下可以进行不同的排列组合。
因此，此类升降横移停车库在现实生活中的实际使用十分普遍。
因此，在本次设计中选用的研究对象是全地上式的三层三列七车位的立体停车库。
2.2升降横移式立体车库的基本结构
如图2-3所示为升降横移类停车设备的主要组成。
升降式横移类的停车设备主要有下面的五大部分。
图2-3升降横移类停车设备的主要组成
2.2.1钢结构部分
在停车设备中往往通过钢结构来进行设备的支撑以及车辆的停放，其具备很好的强度跟刚度。
依照停车设备对结构形式要求的不同，因此设备钢架结构形式也不相同。
2.2.2载车板部分
在升降横移式立体车库中，车辆停放在载车板上。
从结构上有框架式和拼接式。
框架式的载车板，此种载车板有中间凸起式和平板式，中间凸起式的载车板具有可以按照实际需要进行设计行车通道宽度的长处，非常适宜车型变动很多的小规模生产当中。
而拼接式的载车板主要是用钢板进行滚压或者一次冲压形成组装件，应用咬合拼装构成载车板。
2.2.3传动系统
一般情况下电机减速机和油缸液压马达能够构成传动动力系统。
在电动机的减速机中应当设定制动系统，通常运用常闭式的制动器。
并且油缸液压马达需要装有如防爆阀之类的装置，用来预防因瞬间油管破裂导致的载车板下坠问题。
2.2.4控制系统
系统中的主回路跟控制回路组成了其控制系统。
载车板进行各种动作由主回路进行实现。
而控制回路当中主要实现的功能是对人跟车的安全进行设计。
控制形式有许多，通过利用软件来实现对各类控制器跟接触器动作的控制，以此来实现此类设施进行各种动作的过程。
控制系统的运行方式主要有自动运行和手动或点动运行等两种方式。
2.2.5安全防护措施
通过在实际应用中发现的各种问题，按照国家标准的要求，立体车库应该安装各类安全保护设施，保证人员及车辆的安全。
主要设施有：
（1）在操作装置上装设红色的急停开关，当车库运行中发生各种意外以及紧急情况时可让车库立即停止运行。
（2）在车库中装设车长检测装置，当车辆进入车库时，检测车辆的长度，如果车长超过停车位的长度，则车库不运行并发出信号。
一般为光电开关。
（3）在车辆进入车库的方向安装阻车装置。
（4）车库在运行时，为了确保安全，必须禁止人车误入。
通常使用的设备为光电开关或着在车库周围设置栅栏。
（5）必须在车库中装备防坠落装置，用来预防载车板突然落下，对人员和车辆造成伤害。
（6）车库上安装警灯，当车库在运行中时，起警示作用。
3立体车库电气控制系统设计
3.1电气控制系统整体设计
车库的管理和监控在PLC控制下统一进行，传动装置驱动载车板纵移横移以此来进行车辆存放过程。
通过PLC的控制来调节立体车库中的车位的状态。
立体车库的控制系统的两套系统分别是：
（1）弱电系统，包括信号的采集、输出与报警。
接触器的接通和关断是由PLC输出信号控制接触器线圈决定的。
（2）强电系统，包括电机控制线路、到位限位、形成限位等。
车库的车位检测装置可以自动检测车位位置，当发生意外情况时，可按下控制面板上的急停按钮。
本次立体车库设计中的控制原理为：
使用者可以利用控制界面来将所需指令输送至控制系统当中，通过分析之后，将可以应用的指令用来进行执行操作，实现立体车库中的总体操控。
图3-1车库系统控制原理框图
图3-2PLC硬件系统结构框图
3.2重要电气件的选型
3.2.1PLC的选型
1、CPU315
处理器对每条二进制指令的处理时间大约为50ns，每个浮点预算的时间为0.45µs。
256KB工作存储器（相当于大约85K条指令），与执行程序段相关的大容量工作存储器可以为用户程序提供足够的空间。
灵活的扩展能力，多达32个模块。
MPI多点接口，集成的MPI接口最多可以同时建立与S7-300/400或编程设备、PC、OP的16条连接。
在这些连接中，始终为编程器和OP分别预留一个连接。
通过“全局数据通讯”，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。
同时带有PROFIBUSDP主/从接口的CPU315-2DP可以用来建立高速、易用的分布式自动化系统。
此CPU的功能为：
口令保护、诊断缓冲、免维护的数据后备、可参数化的特性可以使用STEP7对S7的组态、属性以及CPU的响应进行参数设置和自检测功能、定义程序和数据的访问权限和定义诊断报警的处理和范围等等。
CPU315运行速度快功能全，而且扩展能力强，当控制任务增加时可以自由扩展，完全能满足本设计中的立体车库系统控制要求。
2、数字量输入模块SM321
在工作中将车库运行时发出的数字信号转变成PLC识别的内部信号。
在车库设备中的输入元件，只需要使用开关触点。
本次设计中涉及21个输入点，所以选择带有32点输入接口的SM321。
3、数字量输出模块SM322
具有将PLC的输出信号传递于使用者输出设备的作用，使PLC内部的低电平信号改变成外部所需要的电平输出信号。
本次设计中，数字量输出驱动的主要是指示灯和电动机共涉及15个输出点，同时考虑到安全性等特性，故选用16点继电器输出可直接驱动接触器220V的数字量输出模块SM322。
4、电源模块PS30710A
从实际情况来看，电源模块的输出电流跟输出功率的额定数值必须要足够大，即大于所有模块的总和。
而且还需要百分之三十左右的余量。
专用电源需要将交流电转换为直流电进行使用。
综合考虑以上各点，本次设计选用电源模块PS30710A。
输出电压24VDC，具有防短路和开路保护。
3.2.2电动机的选型
1、横移电机PL22-200-30-50S3B
如图3-3所示，该电机的输出功率为0.2KW，速比1:
60。
选择该型号的电机足够满足工作需求。
图3-3横移电机
2、升降电机PL40-2200-60S3B
所选升降电机的输出功率为2.2KW，速比1:
60，附刹车。
如图3-4所示，该电机具有节能环保，安装维护简单，输出能效高，经久耐用等优点。
图3-4升降电机
3.2.3行程开关的选型
1、行程开关（横移）SZL-VL-S-J金属滚轮调杆，可如图3-5所示。
图3-5车板横移限位开关
2、行程开关（升降）SZL-VL-S-C可调金属棒，如图3-6所示。
图3-6车板横移限位开关
此类开关耐用型好，强度高，可以应用在多种场合，而且安装较为方便。
并且具备许多优点：
a、体积较小，不需要过大的安装空间，可以有充足的接线空间；
c、本体是铸铁制造而成，外层则采用塑料罩壳；
d、电流容量为5A，电流的负载能力为10A；
e、可以正常工作的温度范围为-20—60度；
b、单刀双掷双断路器；
g、结构本身自带防水、防油、防尘等功能。
3.3主回路及控制回路电气接线设计
PLC接线设计：
立体车库的控制系统主要控制电机，能够在不同环境中进行不同方向的运转。
控制系统是把各种辅助装置作为控制对象。
例如，应用光电开关，是为了判断车位的停车情况。
使用大量的行程开关，是为了使载车板在运行过程中能够准确的停放在预先设定的位置。
车库中装设有烟温传感器等装置用来保证车库的安全。
3.3.1系统变量定义及分配表
表3.1系统变量分配表
序号
名称
符号
地址
1
急停按钮
SB1
I0.0
2
启动按钮
SB2
I0.1
3
停止按钮
SB3
I0.2
4
清除键
SB4
I0.4
5
车位按键
SB201-SB303
I2.3-I2.7
6
限位开关
SQ01-SQ12
I0.5-I2.0
7
电动机
M1-M9
Q4.0-Q5.0
8
运行指示灯
HL1
Q5.3
9
报警指示灯
HL2
Q5.4
3.3.2简化的PLC接线图
图3-7 PLC接线图
3.3.3系统主电路图及控制回路原理图
图3-8主电路图
电机控制及接线设计：
车库运行时，载车板移动存取车辆，每次只能进行一个动作，比如，上升时就不能进行下降动作。
并且此时也不能进行横向移动操作。
所以当每层的载车板进行上升或下降动作时，其以下层的载车板不能动作。
对应的，其他车位的载车板也这样移动。
图3-9电机控制原理图
图3-10101横移电机控制回路
4PLC编程设计
4.1PLC程序设计原则与流程
在本次立体车库PLC的程序设计当中有许多原则性问题：
首先，要具有完整性，所编程序应该满足人们在现实生活中对立体车库的最大需求。
其次，需要具备操作简单、符合人性化等需求。
第三，能够考虑到在实际应用中的现状。
要对接口和通信等留有适当的空隙。
本系统为三层三列立体车库，最多存放7辆车。
控制系统只能控制上层车位进行存取车辆的操作，下层车位的车辆可直接进出车位。
控制横移电机和升降电机正反转就能达到操作车位上升下降的目的。
另外，为了使载车板上的吊点能够悬吊与托架之上需要使用链条来做辅助，在静止不动的状态时，使用防坠挂钩装置用来防止车板坠落。
由于载车板可能会因为天气等原因发生晃动，所以在设计车库时采用定位杆。
然而本设计中省略了过载保护、防坠等一些安全防护系统，只是对全地上式三层七车位升降横移类立体车库的存取车系统进行简单的仿真。
图4-1存取车辆程序流程图
程序设计方案如下：
（1）控制信息是由程序原始化的控制系统所给出的，用其来扫描各限位开关的信号；
（2）首先判断目的车位是否是空位，当判断完成发现有空位时车位上的载车板才可以动作，前后动作不能同时发生。
使用到位行程开关来确定空位条件，判断是否存在空位，以及确定载车板动作的启动和停止；
（3）故障的报警程序主要是用于比较及时的收集设备在运行时的不正常的信息，并且能够快速的向外界释放出报警信号，提醒管理工作人员进行及时处理故障。
若在车库运行过程中发生故障，PLC将使设备停止运行，并且发出报警信号。
整个程序包括主程序模块（其中包含故障急停程序、手动按键程序、载车板运动程序等）和故障报警子程序模块。
因为本次设计的系统对控制速度要求不高，而使用是普通的可编程序控制器，其具备的基本功能能满足要求。
本系统输入端有启动按钮、车位号按钮若干以及急停保护按钮等等。
在输出端处的九台电动机都需要进行控制，另外再加上一些各种操作按钮及安全检测报警等。
在本次的设计当中选取SIEMENS公司的S7-300PLC程序，采用LAD语言来进行编写。
同时选用西门子人机界面WinCCflexible进行组态仿真。
依照控制功能来安排输入输出点，在一般情况下输入端子与输入控制，输出端子与输出控制属于一对一的关系。
在本设计中101车位的右限限位开关和102左限的限位开关共用一个。
同理201右限的限位开关和202左限的限位开关共用一个。
下限开关为上层下降到位的多个限位开关串联而成。
4.2系统程序的I/O分配
本文设计的全地上式升降横移类立体车库系统共有3个功能按键。
5个车位按键，可以根据操作需要选择201、202、301、302、303等5个不同的车位。
12个限位开关，可以根据此类开关的情况查看车位的运行状态，比如101左限、102左限、102右限等等。
总计有21个输入点。
同时本系统中9个电动机，包含4个横移电机和5个升降电机，分别由9个继电器线圈控制。
电机正反转用4个接触器线圈控制，2个指示灯，共计15个输出量。
根据设计要求完成的PLC符号表如表4.1所示
表4.1PLC符号表
标志
地址
数据类型
急停按钮
I0.0
BOOL
启动按钮
I0.1
BOOL
停止按钮
I0.2
BOOL
清除键
I0.4
BOOL
101左限
I0.5
BOOL
102左限
I0.6
BOOL
102右限
I0.7
BOOL
201左限
I1.0
BOOL
202左限
I1.1
BOOL
202右限
I1.2
BOOL
201上限
I1.3
BOOL
202上限
I1.4
BOOL
301上限
I1.5
BOOL
302上限
I1.6
BOOL
303上限
I1.7
BOOL
下限
I2.0
BOOL
201~303车位按钮
I2.3~I2.7
BOOL
101横移电机
Q4.0
BOOL
102横移电机
Q4.1
BOOL
201横移电机
升级会员 