巷道式立体车库电气系统软件设计毕业设计说明书.docx
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巷道式立体车库电气系统软件设计毕业设计说明书
毕业设计说明书
设计题目：
巷道式立体车库电气系统软件设计
摘要
进入21世纪后，伴随着我国经济继续地大踏步前进和人民生活期望值的提升，市民人均拥有私家车的数量逐年上升。
加上我国近几年用地的紧张，于是停车难的问题越发凸现。
虽然立体车库的投入使用缓解了目前停车难的问题，但很多在役的立体车库存在的问题还是很多，例如：
成本高、利用率低、不易推广、安全性差等问题。
结合目前市场上的立体车库现状和现实使用中的实际环境，本文主要针对基于PLC的电气控制系统进行了理论研究和软件设计。
本课题所研究的立体车库具有开发难度小、制造成本低、能耗低等优点，尤其适合居民小区、工作单位这样的场所需求，以上优点对立体车库的推广将起到积极的作用。
关键词：
立体车库；电气控制系统；PLC
Abstract
Afterenteringthe21stcentury,theamountofthecivilprivatecarpercapitaisincreasingyearbyyearalongwiththerapiddevelopmentofournation’seconomyandtheimprovementofthecivillifeexpectationvalue.Addingthestressofournation’slandinrecentyears,theproblemoftheparkingdifficultyisallthemoreprotruding.Althoughtheemploymentofthestereogaragerelievetherecentproblemoftheparkingdifficulty,thein-servicestereogarageshavemanyproblems,forexample,highcost,lowutilizationratio,noteasytopopularize,lowsafetyandsoon.
Combinedwiththestereogarage’sstatusinthemarketpresentlyandpracticalenvironmentintherealisticuse,thethesismainlydoesthedesignandthetheoryresearchthatareaimedatelectricalcontrolsystembasedonthePLC.Thestereogarageresearchedbythisissuehastheadvantagesthatareeasytodevelop,lowmanufacturingcost,lowenergyconsumptionandsoon,whichespeciallyfitsthedemandoftheplacesthatareresidentialarea,workunits,themeritabovewillplayapositiveroleinthespreadofthestereogarage.
KeywordThree-dimensionalgarage;Electriccontrolsystem;PLC
第1章绪论
1.1课题研究的背景
进入21世纪，我国经济通过不断完善其发展模式依然保持良好稳定的前进速度[1]。
人民生活的期望值随之提升，加上汽车工业迅猛发展和良好的消费环境，人均拥有汽车的数量逐年上升,私人汽车保有量增长依然显著，2012年中国私人轿车保有量5308万辆，增长22.8％。
汽车保有量的快速上升与有限的停车位之间的矛盾越发的明显，经常出现上班找不到车位，回家无处停车的窘况。
生活小区，工作单位停车难的问题在大中型城市尤为明显，虽然很多城市在停车管理上投入了大量的精力，适度地减缓了停车难。
但没有从根本上解决问题，高峰期随意占用道路和居民区绿地停车的现象依然很严重，从而加剧了交通管理的负担，降低了居民生活的品质。
另外，由于停车场的严重不足，导致部分大城市的停车费用极其高昂，一个停车位的年收入高达几万元，如此某种程度上阻碍了城市的发展。
目前的停车难、乱停车日益严重的现象早已引起各方面的关注。
部分城市已经开始投入使用用地效率更高的立体车库，其他一些城市也在积极地引进立体车库[2-3]。
很多在役的立体车库在改善停车环境的同时，凸显的问题还是比较多的。
例如：
收费较传统车位高导致利用率低，能耗大、结构复杂、管理繁琐，不太满足生活小区以及相应工作单位需要的配套的小面积停车库。
在这种情况下，立体车库的经济效益将大打折扣，收回投资更是遥遥无期，使很多投资人望而却步，资金很难落实到位，以此造成所建立体车库质量大打折扣，这样本来可以有效解决问题的立体车库很难大范围的推广使用。
本课题提出的低成本、机械式立体车库具有成本低、能耗低的特点，能够使立体停车设备在生活小区、相应的工作单位（医院、事业机关等）得到推广使用，与此同时其立足于低成本这个立项思想也正合投资人的意愿，有利于立体车库在停车难这个大环境下的推广使用，这种低成本、机械式立体车库也响应国家十二五期间提出的绿色发展的号召。
1.2立体车库国内外的发展概况
1.2.1立体车库国外发展概况
立体车库在国外起步早，这些国家和地区包括欧洲、日本、美国和韩国[4]。
这些国家的很多产品中的技术都处于领先地位，而国内一开始有很多立体停车库是引进这些国家，主要集中于日本、德国和韩国。
国土面积小的日本是亚洲立体停车设备的鼻祖，在汽车保有量逐年上升的背景下，从1959年引进机械式立体车库技术后，经过40余年时间，从最初的单一垂直循环发展到垂直升降类、水平循环类、垂直循环类、简易升降类等多种型式，其中生产机械式停车设备的公司约100多家，比较大的公司有新明和、石川岛播磨、日精、三菱重工等。
韩国立体车库产业在很大程度上得益于政府在每个环节上的关注和支持，虽然一开始也是走引进吸收的战略，但现在也能开发和利用各种型号的机械停车设备。
目前韩国的机械立体停车设备进入稳步发展阶段[5-7]。
欧洲国家现状是由于土地规划做的比较好，表现在目前土地还不是特别的紧张，其立体车库中多层升降横移式产品占有很大的比重，集中体现在巷道堆垛类产品上。
国外立体车库的主要特点：
一是技术含量高，日本和德国的车库行业将已成型的机电技术成果转化和移植到车库产品中，使车库产品更新很快，在车库的存取车速度，存车量方面的改进相当快速，进而逐步代替老式车库；二是车库产品朝着性价比更高的方向发展。
不但重视停车密度和高性能，更讲究产品的经济实用性及单车位造价；三是立体车库的选型更加合乎于现场情况，以保证解决停车难问题的同时能做到不浪费多余。
1.2.2立体车库国内发展概况
我国机械停车设备的研制和使用同样是走引进、吸收、开发、制造发展道路，目前停车设备行业在我国已经逐步走向成熟。
2003年以来，进入稳步发展和快速增长的我国机械式停车行业不仅在车库种类上有了很大的提高，并且更可贵的是很多车库使用了当前机械、结构、光电、变频调速等先进技术，这样在车库安全管理和运行稳定上都得到了很大的保障。
传动结构的进一步优化也给车库装置带来了很大的进步，其中通过内藏式传动装置进而提高了设备的耐久性[8]。
对机械结构进行模块化设计更加便于组合使用和安装拆卸，缩短施工周期；采用新材料、新工艺，如钢结构采用H型钢，载车板采用整体成型镀锌板。
车辆采用声光引导精确定位，保护方面采用感应自动消防灭火系统。
1.3立体停车库的研究现状
国外立体车库目前以形成技术密集型产品，就其所使用技术包含了机械、电子、液压、磁控合计算机技术等领域等先进技术。
我国的立体停车产业虽已步入较好的发展态势，但还是存在了一些尚待解决的问题[9]。
比如前期建造的立体车库存在自动化程度较低、安全信任度偏低等一些问题，再加上我国的立体车库相关的政策管理还不够完善，使得我国的立体车库这一新兴行业还有很大的发展空间。
所以我们需要国家设定更加合理的立体车库行业管理的法律法规，以及加大对立体停车设备行业的政策扶持，与此同时需要科研设计单位和相应高校的参与，以此增强设备上技术创新。
就立体车库技术方面。
目前我国主要在下面几个方面上与国外领先技术存在差距[10-12]：
（1）前期投资过高和后期经济效益差让投资人望而却步；
（2）建成后的维护费用也不菲，而且有些车库维护工作比较繁琐；
（3）控制系统设计繁琐造成操作不便捷，设备结构复杂给使用者不安全感；
（4）为了减少成本，厂家对载车板设计考虑不周全造成车辆的停放困难；
（5）实用效果不好，科技成分比重不足造成安全可靠性技术、模块化技术、防护采光技术以及经济效益相对国外领先产品还不太成熟；
1.4课题研究的目的及意义
该课题所研究的低成本、机械式立体车库采用开放式的机械结构框架，省去了传统车库的通风、照明设施，因而进一步节省了成本[13]。
两排垂直升降车库共用一个出入车通道进一步节约了土建用地；载车板采用垂直升降已达到整个车库结构简单，操作便捷，能耗低、可靠性好；控制系统中不管是用于人机交互系统的单片机还是执行控制所采用的西门子S7-300PLC都是目前应用很成熟的开发技术，这样使得整个开发周期短，后期升级便捷。
本课题所研究的立体车库较适宜于居民小区、工作单位、购物超市等一些不适合建大中型车库的场所。
低成本、开放式立体车库有以下优点：
（1）需求量大。
己建和在建住宅小区的配套车位很多都是传统车位，而且很难满足停车需要，造成小区居民生活品质的下降。
（2）前期投资低、不易推广。
大型全自动立体车库平均每个车位约20万元，中型车库一般在10万元左右，而小型车库一般在3万元左右，低成本、开放型机械式立体车库是适合目前立体车库发展形势的，也易于推广。
（3）开发难度小。
相比较而言，采用成熟的PLC和单片机控制技术，开发周期短、开发难度小。
（4）能耗低。
因为车库为开放型，不需要照明、通风、消防等设备，大大降低了能耗，同时积极响应国家十一五期间提出的节能减排的号召。
如果本课题所设计的低成本，机械式立体车库可以得到大范围的推广。
不仅可以改善目前城市车辆带来的拥挤现象，为城市更加和谐地发展做出一定的贡献，也可以在政府良好政策的引导下带动一大批第三产业的兴起；同时也借着国家西部大开发这个良好的投资环境，对装备制造业和民族信息产业的振兴都有积极地推动作用。
从以上介绍可以看出这样立体车库的建设有着重要的社会意义和经济意义。
1.5本文研究主要内容和要解决的主要关键问题
1.5.1课题研究主要内容
本课题研究的内容涉及的学科和门类还是很多的，包括：
工控机监控技术、组态技术、人机交互单片机研发、PLC电气部分开发、视频图像采集技术、ID卡数据库管理、通信安全等，具有很强的技术创新性，对学科的综合应用起到很好的示范作用。
本文从工程的实际应用出发，主要侧重基于PLC的电气控制部分的设计。
针对低成本、机械式立体车库自动控制的作业流程，结合PLC控制技术特点以及与其他控制部分的关联，本文研究的主要内容涉及：
（1）立体车库总体框架结构及工作原理；
（2）立体车库控制系统作业流程及PLC电气部分在其中的作用实现；
（3）信息导入、数据传输与系统处理的实现；
（4）PLC电气控制执行机构能耗优化；
（5）立体车库的PLC电气控制部分与其他控制部分的通信实现；
（6）系统单独调试和联调实现以及相关注意事项。
1.5.2课题研究内容的技术指标
基于本课题设计思想和最终实现目标，本文主要解决的关键问题应该达到以下标准：
1.整个控制网络组态的实现[14-15]。
主要包括：
①西门子S7-300PLC系统通过串行通信模块实现与人机交互的单片机系统之间。
②通过PROFIBUS总线实现对编码器信息的提取以便通过变频器精确对电机实现控制。
2.基于西门子S7-300系列PLC的现场执行控制机构的设计开发。
采用PLC硬件连接的联锁、软件程序互锁双重设置来实现对升降执行机构与立体车库保护装置的监控。
3.合理分配人机交互、上位机监控和PLC电气控制执行的工作关系，设定好低成本、开放型机械式立体车库存取车作业方式，以及离线和在线两种模式下具体的工作流程。
4.实现S7-300PLC、变频器与绝对编码器组成闭环结构以此对电机转速实现控制要求的控制，从而使载车板运动更加精确，平稳。
5.编写基于STEP7V5.4的西门子S7-300PLC软件程序，主要包括与上位机和起到人机交互作用的单片机的通讯程序，自身对现场数据采集和对现场执行机构操作的程序以及相关安全监控程序的编写等。
6.最后进行PLC系统的单机自身调试、联机调试，进而对巷道式立体车库控制系统功能的联合调试和测试，以达到现场使用的要求。
第2章巷道式立体车库PLC控制系统的设计
2.1车库的框架结构组成及实现原理
2.1.1车库的框架结构组成
立体车库的基本框架选用共用一个入库车道的双面对开的结构，平面结构示意图如图2.1所示，立体框架示意图如图2.2所示
图2.1车库结构俯面示意图
图2.2车库立体框架示意图
结构俯面示意图与立体框架示意图以双面对开，两面称为A、B区，每面六列，每列三个停车位（共36个停车位）的初始结构画出，以地面为分界地上三层地下两层，也即一列三层的载车板在下面两层载车板运动到地下时，最上面一层的载车板就会与地面平行以方便存取车。
两面停车库共用一个行车通道，进一步达到节约用地的目的[16]。
载车板设有停车导槽，方便车辆的安全停放和保证车辆随库运动的安全系数。
整个框架结构根据实际应用场所，可以减少或者增加对应列数用以满足不同的数量需求。
所以本课题研究的巷道式立体车库的框架结构实际是以模块化形式组合而成，方便了设备的优化改造。
框架结构包括以下几部分：
（1）主体结构：
选用开放型机械式作为主框架，采用热扎H型钢、槽钢、角钢和钢板焊接成型，用高强度螺栓连接，以便停车设备结构部分以更好的刚度和强度承载包括来自用户车辆的重量和自身各个部件的重量，由于采用开放型结构从而可以省去通风、照明设备从而可以节约开发成本。
（2）载车板：
载车板采用Q235B型钢材，采用一体冲压工艺成型，厚度为2mm，上下连接采用活动是连接件，考虑到现有小轿车的高度大约在1550mm，所以我们将载车板之间的高度间隙设定为1600mm,载车板的尺寸为5500mm×1870mm。
并且充分考虑载车板在车子驶入开始，驶入中，驶入结束这三个工作状态对载车板端部，拖拽钢丝与整个载车板连接处以及载车板之间的连接处等进行受力分析以便更好的进行后期机械框架设计。
（3）传动结构：
通过对液压传动、链传动、钢丝绳传动的优缺点总结，以及结合现场使用的需求最终选用了钢丝绳传动的方式[17-18]。
以驱动电机为动力源，经由传动轴、配重、导向轮以及钢丝绳等构成整个传动系统。
并且采用导向槽和安在载车板四个角上的导向靴机械器件使得载车板可以安全可靠的上下运动。
载车板示意图如图2.3所示。
图2.3载车板示意图
（4）载车板选择机构：
该控制系统为了进一步节省成本和减少能源消耗，提出了一个驱动电机通过类似离合器装置的机械结构控制三列载车板，通过单片机和PLC联合驱动小型电机首先带动圆柱凸轮机构转动，带动凸轮机构中的槽内小滑块向上滑行，从而带动滑移齿轮与主动齿轮啮合，其中单片机负责监控整个机动结构，然后将完成信息状态传输给PLC，该装置机械原理图如图2.4所示。
图2.4载车板与相应传动机构原理图
2.1.2车库的整体控制原理
本课题立体车库控制主要分为四部分[19-21]。
包括：
（1）用于人机交互作用的单片机控制系统，它包括电源模块、键盘模块、LCD显示模块、语音提示模块、通信模块、车主刷卡模块、卡号信息备份模块等，其主要功能就是使得车主与整个立体车库系统的交流更加顺畅。
方便车主进行存取车动作，让车主切实体会到该套停车设备的优越性。
（2）用于现场监控以及对信息进行数据库管理的上位机系统[22-23]。
它包括卡号相关信息的数据库管理模块、现场视屏监控管理模块、车位使用信息显示模块、通信模块等。
主要用于给管理人员更加游刃有余地对车库进行监控管理以保证车库系统安全运行，同时它还具备存取车位优化能力。
（3）用于现场执行机构操作控制的PLC电气控制系统，它包括对驱动电机的控制、车位使用信息提取、载车板走位精确定位、存取车指示灯、继电器控制原理图、与人机交互单片机的通信等设计。
这部分的内容也是本篇论文的重点部分，这部分设计是否合理对立体车库工作安全影响很大，一旦在电气运行部分出现故障或者是运行结果不够精确，那将造成设备损坏乃至人身安全。
（4）各个控制部分通信实现，其中作为直接对现场执行机构操纵的PLC电气控制系统为控制的核心部分。
PLC与人机交互单片机之间都是通过485串口通信[24-25]。
它从单片机接受到对应哪个车位处于工作状态，然后再将目前车库内车位停车情况反馈给人机交互单片机。
通过上面的介绍，结合三个控制部分在立体车库起到的不同的作用以及三者之间通信形式和内容，整个立体车库控制机理见图2.5所示：
图2.5立体车库控制机理
2.1.3车库的运行原理
该立体车库控制系统为了车库在任何情况下都能充分应对作业需求，所以在设计系统时分为在线和离线两种模式，这两种模式的切换通过监控上位机的在线/离线转换按钮进行设定，在线模式下，在现场的车库管理人员情况下通过操作监控上位机软件界面给PLC发送指令和提取PLC反馈信息以达到直接控制下位机执行机构而实现存取车过程的目的；离线模式下，这种情况适合车库管理人员不在场的情况下，用户通过人机交互直接进行存取车操作，而监控计算机这个时候只起到监控车库运行是否处于安全状态的作用。
用户卡（ID卡）按照用户使用意愿的不同分为三类：
永久卡、固定卡（年卡、季卡、月卡等）、临时卡，一张卡对应独有的卡号，在单片机RAM和监控计算机数据库中通过制卡过程对其相关信息（卡号、卡类别、制卡日期、停车位号）予以存储，以卡号作为所有存储信息的关键字，当用户存取车进行刷卡动作时，显示屏将通过卡号调用对应该卡的相关信息并且显示以供用户查看，当然车库管理人员也可以通过实际情况需要通过监控计算机软件界面修改对应卡号的相关信息并且同时对人机交互相关数据进行改动。
以持有固定卡用户的存取车过程对车库运用进行实例说明，根据以上规定每张卡对应一个停车位号，假定该卡与B区第二列载车台的第二层车位绑定。
持卡用户过来存车，第一步进行用户刷卡，人机交互得到的卡号与自身数据库信息对比验证卡是否有效，如果无效进行语音提示并且不予停车，在判断有效后，人机交互将该卡对应的车位号传给PLC，收到正确车位号的PLC操纵驱动电机来控制对应载车板上的停车位运行至与地面平行的适合位置，停止电机转动，并且给出存车提示灯并且打开车库和车位挡杆，语音提示用户开车入库；第二步，在车位光电检测开关检测到停车合适无误后语音告知车主停车完毕，可以下车出库；第三步，车主在离开车库时再次刷卡确认，这时车库进行复位动作。
第四步，当车主进行取车动作，同样先进行刷卡动作，人机交互验证卡是否有效，如果无效不给予取车动作并且语音提，在判断有效后，人机交互将得到的取车动作的车位号告知PLC，通过对应驱动电机PLC将车位准备就绪，并且车位挡杆给出提示灯指引车主进行取车；第五步，取车完毕的车主再次进行刷卡，车库系统根据此次刷卡再次进行车库复位动作。
对立体车库控制系统进行设计时一定要将设备各个影响工作安全的细节都要考虑到位，并且将处理手段反应到系统设置当中，充分挖掘各个控制系统的利用点，同时将监控计算机、人机交互单片机、PLC控制系统的之间有效整合以达到控制系统的最优化，从而保证车库设备工作时的绝对安全。
该立体车库分为在线和离线两种模式，所以设定好在这两种模式下的整个车库控制系统的作业流程尤为重要，使得负责各个设计模块的设计人员有一个共同的标准，知道自己所涉及的设计任务在整个控制过程的位置，以便更好地做好自己的研究设计工作，交出的结果符合车库控制流程的要求。
低成本、开放式立体车库整个控制流程在线如图2.6所示
图2.6在线控制作业流程原理图
2.2PLC控制系统总体方案
2.2.1PLC控制系统
立体车库控制系统一定要根据实际使用场所的需求和投资成本的目前情况进行设计。
市场上现在用的比较多的控制系统有三大类：
继电器控制、单片微机控制、可编程控制器（PLC）[26]。
立体车库刚开始使用时，广泛使用的是继电器逻辑电路控制形式，它是通过继电器、接触器经过控制需要的电气原理连接而成。
其优点是电路简易，开发成本低，缺点主要是智能性不强，难以实现复杂的控制要求。
单片微机的出现一定程度上解决了继电器控制中智能性不强的缺陷，同时还具备功耗小、成本低、体积小、操作简单等优点，但其软件编程周期时间长，而且抗干扰程度低，不利用大范围推广。
而直接面向控制过程的可编程控制器（PLC）的出现不仅同时具备以上两种控制系统的优点，同时也具备以上两者没有的优势，比如：
直接面对问题的编程语言使得开发周期大大减小，而且可靠性非常强，所组成的电气控制线路也简单明了，很容易被开发人员学习并且掌握，从一定程度上增强了其可以被广泛使用度。
结合本课题巷道式立体车库的要求，本文选用更具智能化、开发周期短、抗干扰能力强的可编程控制器（PLC）来设计终端控制系统。
2.2.2系统功能设计
PLC控制做为整个控制系统与驱动传动部分的衔接部分，决定了其在立体车库设备中有着不可取代的地位，它所要达到的功能以及如何无缝地接入车库控制流程都是以保证车库运行绝对安全为标准。
系统主要实现的功能如下：
（1）对存取车以及复位这三个主要车库动作提供原始触发信号，通过对应的接触器、继电器以及电气连接使得驱动传动得以顺利地工作，从而将动力传给待使用的载车板以便载车板实现上下运动，完成存取车、复位过程；
（2）由于采用一台电机选择性地控制三列载车板的驱动传动机构，所以做为控制媒介的PLC控制部分对选择哪列载车板也起着重要的作用。
在PLC从监控计算机或是人机交互那边得到待使用车位号后以及单片机控制对应的驱动机构选择好对应电机控制的载车板列并且告知PLC，就要有目的地选择目标电机对目标载车板提供动力，从而为车主提供待使用车位或是对车库进行复位；
（3）立体车库控制很重要的而一部分就是对待使用载车板运动的电气控制，要使载车板运动精确、平稳、安全，本文对此设计了两套监控系统，变频器、编码器的加入与PLC的联合工作来控制对应的电机，使得电机的启动、运行、停止这三个动作满足立体车库存取车效率、运动精度、稳定性和安全性的要求，PLC控制还通过光电编码器对电机执行机构的位置进行检测及时反馈给PLC，PLC然后通过变频器已达到对电机的闭环控制；辅助设施为通过对应合适的接近开关和限位开关对载车板运动给出第二道控制手段以达到对车库运动的双重监控。
（4）控制外
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