基于PLC的升降横移式立体车库设计毕业论文.docx
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基于PLC的升降横移式立体车库设计毕业论文
2014届毕业生毕业论文（设计）
题目：
基于PLC的升降横移式立体车库设计
院（系）别信息科学与电气工程学院
专业电气工程及其自动化
班级
学号
姓名
指导教师
二○一四年六月
原创声明
本人XXX郑重声明：
所呈交的论文“基于PLC的升降横移式立体车库设计”，是本人在导师XXX老师的指导下开展研究工作所取得的成果。
除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果，尊重知识产权，并愿为此承担一切法律责任。
论文作者（签字）：
日期：
2014年6月8日
摘要
随着时代的变化，科学技术的快速发展，城市人口的不断增加，人多地少的问题也日益凸出。
近年来随着我国经济飞速增长，人们的生活水平不断提高，汽车拥有率也迅速上升，以往那种单平面的停车场或者停车坪已经不能够满足人们的需求。
停车位多、占用空间少、操作简单、安全可靠也成为人们对新时代车库的要求，而立体车库的出现则正好满足了人们的需求，消除了车多地少、有车没处停的局面。
目前常见的机械式立体停车库有升降横移式、垂直循环式、多层循环式、水平循环式、平面移动式、巷道堆垛式、垂直升降类和简易升降式8种，其中升降横移类以其结构简单、操作方便、安全可靠、造价低等优点，在国内车库市场占有较大的市场份额。
由于可编程控制器（PLC）集微机技术、自动化技术、通讯技术为一体，可靠性强、性价比高、设计紧凑、扩展性好、操作方便，因此经常在自动停车系统中作为电控核心。
本文主要通过对升降横移式立体车库设计原理的研究，探讨了应用可程序设计控制器PLC在升降横移式立体车库中的应用。
关键字：
立体车库，升降横移式，PLC
Abstract
Alongwiththechangeofthetimes,therapiddevelopmentofscienceandtechnology,increasingurbanpopulation,peoplemuchlessproblemisalsoagrowingbulge.Inrecentyears,asChina'srapideconomicgrowth,people'sstandardoflivingcontinuestoimprove,rapidriseincarownership,insteadofdoingthesingleplaneorparkedintheparkinglotatnolongerbeingabletomeetpeople'sneeds.Parkingspace,takeuplittlespace,easyoperation,safetyandreliabilityrequirementsofthenewerathegarage,garageappearedtocatertothedemand,eliminatingthecarmuchless,thecardidnotstop.
Mechanicalstereogaragecurrentlycommonliftingandtransferring,verticalcirculatingstyle,multilayercirculatingstyle,levelloop,planetype,stackingtype,verticalliftandeasyliftroadwaytype8,liftingandtransferringofclassestotheirsimplestructure,easytooperate,safeandreliable,lowcostadvantagesinthedomesticgaragemarketaccountforalargeshareofthemarket.Becauseoftheprogrammablelogiccontroller（PLC）setofcomputertechnology,automationtechnology,communicationstechnologyasawhole,highreliability,highperformance,compactdesign,scalability,easeofoperation,ofteninelectronic-controlledautomaticparkingsystemasthecore.ThisarticlemainlybyliftingandtransferringcubicgaragedesignprinciplestudyexploredtheapplicationofprogrammingcontrollerPLCapplicationinliftingandtransferringcubicgarage.
Keywords:
Parking,Liftingandtransferring,PLC
目录
前言1
1绪论2
1.1立体车库的国内外发展现状2
1.2设计车库的选型3
2升降横移式立体车库4
2.1升降横移式立体车库的主要组成部分4
2.2升降横移式立体车库车位结构4
2.3升降横移式立体车库的工作原理和运行图示4
3升降横移式立体车库的硬件系统设计6
3.1控制原理说明6
3.2控制系统的PLC单元的选择6
3.2.1各型PLC简介6
3.2.2PLC型号的选择7
3.3传感元件的选择7
3.4行程开关8
3.5驱动元件以及减速器选择9
4升降横移式立体车库的控制系统设计10
4.1基本控制原理说明10
4.2升降横移式立体车库的控制任务10
4.3控制程序流程图11
4.4PLC的I/O端口资源配置13
4.5升降横移式立体车库控制程序15
总结22
致谢23
参考文献24
附录I/O控制原理图25
前言
机械式立体车库就是以立体化的方式用机械来存取、停放车辆的整个停车设施，即用机械设备将汽车存放到立体化的停车位或从停车位元取出的方式。
机械式立体停车库是近几十年顺应市场经济发展，在市场需求的迫切影响下应用而生的一种新型停车系统，与传统的自走式停车库不同，用地紧张、车多地少的状况下，将车辆多层存放，其最大优点是能够大量节省有限的地表面积，将停车位向空间和地下发展，采用机电方式存取汽车，自动化程度较高，代表了停车场的发展方向。
随着人民生活水平的不断提高，越来越多的人购买了私家车，对城市的交通和环境起着重大的影响。
而停车难问题的出现，也给机械停车设备行业带来了巨大的商机和广阔的市场。
在这商机与竞争并存的时候，我国的机械停车设备行业也将从快速发展阶段进入稳定发展阶段。
未来市场是巨大的，但对产品的需求，将会向两个极端发展：
一个极端就是价格的极端，市场大量需要低价格的机械停车设备，它只要能够达到增加停车位的目的，能够保证最基本的使用性能，以价格优势占领市场，这一部分的市场份额预计将达到70%--80%；另一个极端就是技术与性能的极端，要求停车设备具有优越的使用性能、方便的操作方式、快捷的存取速度。
通过国内外机械停车设备使用经验的总结，可以发现人们在利用机械停车设备存取车时，首先追求的是存取车速度、等待时间以及方便程度。
此外，未来的机械停车设备市场，将更加注重完善的售后服务系统，远程监控系统、远程故障处理系统将是用户追求的目标。
随着我国经济持续快速的发展，城市规划的完善，机械停车设备行业将成为一个充满生机的朝阳行业，机械停车设备的技术也将得到长足的发展。
1绪论
1.1立体车库的国内外发展现状
机械式立体停车是解决各大城市停车难问题的有效途径，最早起源于欧美国家。
1920年，美国就建成第一座机械升降汽车库，50年代后，随着私人汽车的大量涌现，美国、西欧的国家相继发明了多种形式的立体车库。
德国和意大利等欧洲国家从事停车设备的开发和生产也比较早，较好的公司有:
意大利的sotefin、InterPark、德国的Pa1is等，优势主要在于巷道堆垛类的产品。
由于欧洲国家土地资源比较富余，停车问题表现不是很突出，因此立体停车设备的应用不是很多。
由于土地资源紧张在亚洲某些国家的表现尤为突出，机械式立体车库在亚洲的应用较为广泛。
亚洲的停车设备技术起源于日本，日本自20世纪60年代开始从事机械停车设备的开发、生产、销售和服务，迄今已有近五十年的历史。
目前日本国内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。
自90年代起，日本每年投入运行的机械停车泊位都在10万以上，目前已全部投入使用机械式停车位超过300多万个，其中以升降横移类为主。
日本立体停车设备的技术优势主要在于多层升降横移类、垂直升降类、水平循环类、垂直循环类、简易升降类等产品上。
韩国的机械停车设备技术是日本技术的派生，产业从20世纪70年代中期开始起步，80年代开始引进日本技术，经过消化生产和本土化，90年代开始进入供应使用阶段。
由于韩国政府的高度重视，各种机械停车设备得到普遍开发和利用，近几年泊位增长速度都在30%左右，目前韩国立体停车设备行业进入稳步发展阶段。
我国是从20世纪80年代初开始研制和使用机械停车设备的。
80年代尚处于起步阶段，90年代以来，机械停车设备逐渐步入了技术引进与自主研发相结合的初步发展阶段，得到了较快的发展，已经形成为新兴的停车设备行业。
据统计，1997年全国只有9个机械式停车设备生产企业，只有11个省、市、自治区的13个城市拥有机械式停车设备。
而截至2006年底，全国的机械式停车设备生产企业已发展到100多家，已有27个省、市、自治区的94个城市兴建机械式立体停车库，全国机械式停车库（泊位）拥有量达到284，752个。
目前，我国的机械停车设备在生产能力和产品质量方面，已接近国外先进水平[1]。
许多设备采用了当前机械、电子、光学、磁控、计算机等领域的先进技术，例如交流变频调速技术、激光测距、PLC、IC卡、触摸屏、总线控制技术等，大大提高了产品在技术含量、智能程度、运行可靠性等方面的性能[2]。
近年来，立体停车设备的自主研发工作也越来越被重视，国内许多研究机构都投入技术力量，对机械立体停车设备的各个方面，例如结构优化、控制系统设计、存取策略优化、可靠性分析、生产工艺等方面进行研究，取得了很多的成果。
与此同时，国家也逐步配套与停车产业相关的法规和各项标准，先后制订了多项停车设备的行业标准和行业规范，以加强规划引导、技术开发和标准化工作。
虽然机械式立体停车库在中国作为新兴的产业，具有相当可观的发展前景，但是目前仍未进入高速发展时期，主要因为我国的立体停车设备行业的发展存在着一些问题:
首先，虽然行业里的企业已经形成一定的规模，但是发展不平衡，骨干的大中型企业在20家左右，其它的则是中小企业居多，中小企业技术力量薄弱，靠仿效或引进国外的技术，缺乏自主开发能力；其次，机械式立体车库是对安全性能要求很高的机电一体化设备，但是有些自主研发的产品缺乏深入的研究，产品的可靠性、安全性、耐久性还不能完全保障；第三，市场竞争无序，目前总体生产能力过剩，价格偏低;政府在对立体停车产业发展的政策方面严重滞后；此外，平面停车场收费低廉以及人们在意识上尚未完全转变，也是立体停车难以普及的重要原因。
由此看来，为加快我国机械停车设备产业的发展，需要在政策、市场、管理和技术等多方面做出努力。
1.2设计车库的选型
通过对各种类型立体车库特点的比较，结合技术可行性和推广实用性，本文的立体车库设计类型为升降横移式，这是因为在各种类型的车库中，升降横移式立体车库采用模块化设计，车位从几个到上百个都可以，能够有效利用各种不同的场地环境，能有效利用场地空间，具有空间利用率高、技术性能好、能耗低、噪声小、速度快、操作简单、维护方便等优点，具有广阔的发展前景[3]。
图1.1为升降横移式立体车库。
图1.1升降横移式立体车库实物图
Fig1.1Liftingandtransferringparkingequipmentpicture
2升降横移式立体车库
2.1升降横移式立体车库的主要组成部分
升降横移式立体车库主要由主框架部分、载车板部分、传动系统、控制系统、安全防护措施五大部分组成[4]。
本文主要研究其控制系统。
2.2升降横移式立体车库车位结构
升降横移式立体车库结构为X×Y二维矩阵模式，可设计为多层、多列，车库提供总容量车位数为：
P=X×Y-（X-1）（即除了最顶上一层，其他每层均要留出一个交换车位）
其中：
X为二维矩阵的行，即车库的层数
Y为二维矩阵的列，即车库的列数
2.3升降横移式立体车库的工作原理和运行图示
升降横移式车库每个车位均有载车板，所需存取车辆的载车板通过升、降、横移运动到达地面层，驾驶员进入车库，存取车辆，完成存取过程。
停泊在这类车库内底层的车只作横移，不必升降，上层车位或下层车位需通过中间层横移出空位，将载车板升或降到地面层，驾驶员才可以进入车库内将汽车开进或开出车库，每个车位升降均由一台电机驱动，通过链条拖动搬运器垂直升降，横向移动借助导轨，也是利用一台电机实现车位的移动，它的主要优点在于同一层的车位移动独立，可以自由动作，并且动作时间短，缩短了存取车的时间。
升降横移式立体车库为多层多列布置，除顶层外每层设一个空位，作为交换车位，除底层以外的所有车位均能自行升降，除顶层以外的所有车位均能自行横移，当某一车位需存取车辆时，该车位下方到空位之间的所有车位向空位方向横移一个车位的距离，该车位下方形成升降通道，此时，该车位便可自由升降，当车位降至地面时，车辆便可开进或开出，见图2.1（假设图中每一格为一个车位，没有标号的格子为预留的交换车位）。
图2.1升降横移式立体车库车位示意图
Fig2.1Liftingandtransferringcubicgaragespaces
（1）升降横移式立体车库，包括多层结构的框架，在框架上设置有横移导轨，底层横移导轨上设置有可以沿导轨移动的载车板，上层横移导轨上设置有可以沿导轨移动的载车板，以及通过链条连接在载车架上可以升降的载车板。
其特征在于：
框架上除顶层以外的其他每一层均有一空闲的载车板位置，作为上层载车盘下降的通道，载车架的一端的横梁上安装有升降电机和减速器并通过链轮和链条带动传动轴。
传动轴上安装有四个链轮，每个链轮带动一根链条，链条的是一端设计成套状，绕在载车架纵梁上的链轮组上，另一端则绕过一个链轮与载车板连接。
载车架上设计有防坠挂钩，用于悬挂载车板。
防坠挂钩由电磁铁和复位弹簧控制它的弹出与复位。
（2）升降横移式立体车库的出入库方法，其特征在于包括如下步骤：
将除顶层以外的每一层空闲的车位集中在同一纵向位置上，作为初始位置。
如有汽车入库按如下步骤进行：
a）如需进入底层的停车位直接驶入即可。
b）如需进入底层以外的上层车位，先将位于上层车位纵轴线和初始空闲车位纵轴线之间的所有该上层车位下面的载车板同时向初始空闲车位方向横移一个载车板位置；然后将该上层停车位的载车板垂直放下直到底层，将车辆驶入载车板后，再将载车板垂直升高到原来的位置；最后将其它载车板横移回到初始位置。
如有汽车出库按如下步骤进行。
a）如底层汽车出库直接驶出载车板即可。
b）如有除底层以外的上层车位的车出库，先将位于该上层车位纵轴线和初始空闲车位纵轴线之间的所有该上层停车位下面的载车架同时向初始空闲车位方向横移一个载车架位置；然后将该上层车位的载车板垂直放下直到底层；将车辆驶出载车板后，再将载车板垂直升高到原来的位置；最后将其他载车板横移回到初始位置。
3升降横移式立体车库的硬件系统设计
3.1控制原理说明
由第二章分析我们知道升降横移式立体车库的运行原理：
利用托盘的移位产生垂直通道，通过高层车位升降实现车辆的存放，载车板的移位由PLC进行控制，该系统中主控单元的控制对象首先是车库内的横移小电机和升降大电机，控制系统控制它们在不同时间实现正反转，其次是车库内的各种辅助装置，如指示灯等。
为了保证载车板能横移到预定的位置、载车板能上升或下降到准确位置，采用了行程开关，为了判断载车板上有无车辆，采用了光电开关，在不同的位置有不同的功能；将接收器和发射器分别安装在载车板底层左右两边的光电开关，用以检测载车板上汽车停放是否到位；在载车板对角线上安装的光电开关用以检测载车板上有无车辆；装在车位入口处左右两侧的光电开关用于检测外界的错误动作和车位移动时出现的异常情况。
如有车辆未停妥（动作区域有人或物）、运行过程中有车想进入等意外情况，光电开关光线被遮，会给PLC一个电平变化信号，从而改变PLC的输入，蜂鸣器发出长时间报警，设备停止运行。
3.2控制系统的PLC单元的选择
3.2.1各型PLC简介
硬件选购目前市场上的PLC产品众多，除国产品牌外，国外有：
日本的2.3PLC、MITSUBISHI、FUJJ，德国的SIEMENS，韩国的LG等。
考虑到西门子PLC已经在我国市场占了很大的比重，应用范围比较大，说明其应用方便可靠，其技术资料、软硬件资料丰富全面，并且西门子PLC知识简单易学，所以本段主要介绍西门子S7系列。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。
S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
而S7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。
S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。
S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。
各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。
与S7-200PLC比较，S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少，但是S7-300经济要求高，同时S7-300一般用于控制要求比较高的场合。
S7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。
S7-400PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。
当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。
它是用于更加高级的控制要求的PLC，其价格更高。
3.2.2PLC型号的选择
升降横移式立体停车库控制系统的控制核心单元确定与控制任务有关，在本次立体停车场的设计中是选用S7—200系列中的CPU226，它的可用输入点数为24，可用输出点数为16。
PLC采用典型的计算机结构，其实质就是一种工业控制计算机。
PLC主要由中央处理单元、存储器、输入/输出接口、编程器、电源以及其他电路组成。
如图3.1所示。
图3.1PLC基本结构
Fig3.1BasicPLCstructure
3.3传感元件的选择
光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。
物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。
光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。
在立体车库中，光电开关用于检测车库车位上是否有车以及车辆是否停靠到位[5]。
介于需要确定车位上是否有车，以及车辆是否停靠到位，采用对射型光电开关。
对射型光电开关由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化，典型的方式是位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达50米。
主要特征：
辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间仅一次；不易受干扰，可以使用在野外或者有灰尘的环境中；装置的消耗高，两个单元都必须敷设电缆。
图3.2为对射式光电开关。
图3.2对射式光电开关
Fig3.2Beamphotoelectricswitches
3.4行程开关
行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。
利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。
通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。
由于行程开关为了确保载车板能平移到预定位置，所以选用滚轮式行程开关。
下图为行程开关实物图。
图3.3行程开关实物图
Fig3.3Limitswitchpicture
3.5驱动元件以及减速器选择
这些驱动元件是完成车库托盘的横移和升降的专用减速电机。
查阅相关资料[6]后，升降用电机选择电动机型号为Y132M2-6，其技术参数见表3.1
表3.1Y132M2-6电动机主要性能参数
Tab3.1Y132M2-6Motorsmainperformanceparameter
型号
额定功率
kW
同步转速
r/min
满载转速
r/min
Y132M2-6
5.5
1000
960
横移电机选择功率为0.18kW、减速比为80的G系列小型齿轮减速电机，其技术参数如表3.2所示。
表3.2G系列小型齿轮减速电机技术参数
Tab3.2Gseriessmallgearmotortechnicaldata
机型号
额定功率
kW
减速比
输出转矩
输出转速
r/min
22
0.18
80
112
17.3
减速器选择型号为NGWL52-8的二级NGW-L减速器。
其主要性能参数见表3.3。
表3.3NGWL52性能参数
Tab3.3NGWL52performanceparameters
机座号
型号
公称传动比i
实际传动比
性能参数
（mm）
（mm）
T
5
NGWL52
56
54.39
56/80
1.75/2.5
2780/3870
注：
、、、分别为减速各级的中心距和模数
4升降横移式立体车库的控制系统设计
4.1基本控制原理说明
由第三章分析我们知道升降横移式立体车库的基本运行原理：
利用载车板的移位产生垂直通道，通过高层车位升降实现车辆的存放，载车板的移位由PLC进行控制，该系统中主控单元的控制对象首先是车库内的横移小电机和升降大电机，控制系统控制它们在不同时间实现正反转，其次是车库内的各种辅助装置，如指示灯等。
为了保证载车板能横移到预定的位置、载车板能上升或下降到准确位置，采用了行程开关；为了判断载
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