基于plc的立体车库集成设计.docx
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基于plc的立体车库集成设计
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
伺服驱动与实践设计说明书
题目：
基于PLC的立体车库伺服系统集成设计
二级学院（直属学部）：
延陵学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
09电Y3
学生姓名：
黄冯翔
学号：
09121110
指导教师姓名：
刘明芳
职称：
讲师
2012年12月
第1章概述
1.1系统功能分析
现代先进的自动化机械立体车库是一种多平面的空间立体车库，它以单层平面停车库为核心，通过计算机对车库进行统一的管理与监控加上PLC的自动化控制来进行车位的空间位置变动，使车位由在空间与平面之间转换，从而实现多层平面停车的功能。
1.2背景介绍
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，近年来，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，经常有路两边都停满车辆的情况发生。
传统的停车场不仅越来越不能满足现代人们的需求，而且占用了大量空间，浪费了土地资源。
据中国汽车工业协会统计，2011年末，中国民用汽车保有量达到10578万辆，比上年末增长16.4%，其中私人汽车保有量7872万辆，增长20.4%。
因此，停车问题成为城市迫切需要解决的难题。
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。
为了解决停车难的问题，车库开始向高层立体方向发展，充分利用土地资源，提高城市土地的利用率，在有限的土地上停放更多的车辆，于是便出现了立体车库。
1.3国内外研究现状
现在所知的最早的立体车库建于1918年，位于美国伊利诺斯州芝加哥市华盛顿西大街215号的一家宾馆（HotelLaSalle）的停车库，设计师是Holabird和Roche。
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90年代初开始研究开发机械立体停车设备，距今已有近二十年的历程。
目前，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。
（1）升降横移式
整机特点：
有效利用空间，提高空间利用率达数倍。
存取车快捷便利，独特跨梁设计，车辆出入无障碍。
采用PLC控制，自动化程度高。
环保节能，低噪音。
人机界面好，多种操作方式可选配，操作简便。
（2）垂直循环式
整机特点：
省地：
在58㎡的地方建起大型垂直循环类机械停车库，可容纳34辆轿车或24辆面包车。
方便：
使用PLC自动调车，一次按键即可完成存取车。
迅速：
调车时间短，取车快速。
灵活：
可设置在地面上或半地上半地下，可独立或附设在建筑物内，还可多台组合。
经济：
可省去购置土地的大量费用，有利于合理规划和优化设计。
省电：
一般不需要强制通风，无大面积照明，耗电量仅为普通地下车库的35%。
（3）简易升降式
整机特点：
一个车位泊两台车。
（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。
备有专用锁匙开关，防止外人开动设备。
车板防下滑保险装置。
（4）垂直升降式
整机特点：
占地少，容车量大，高层设计最高能够达到平均一辆车仅占一平方米的空间。
可同时提供多车位进出口，等待时间短。
智能化程度高，可预约存取车及空车位导向。
绿色环保车库，利用车库外形的空隙空间可以进行绿化，使车库变成一个立体的绿化体，有利于美化城市和环境。
智能化控制，操作简单方便。
（5）平面移动式
整机特点：
每层的车台和升降机分别动作，提高了车辆的出入库速度，可自由利用地下空间，停车规模可达到数千台。
部分区域发生故障时，不影响其他区域的正常运行，因此使用更加方便；采用以车辆驾驶员为中心的设计方法，提高了舒适性。
采取多重保险措施，安全性能卓越；通过计算机和触屏界面进行综合管理，可全面监视设备的运行状况，并且操作简单。
（6）巷道堆垛式
整机特点：
可设置于地上或地下，充分利用有效空间。
载车板的升降和行走同时运行，存取车方便快捷。
全封闭式管理，安全可靠，保障人、车安全。
通过升降机、行走台车及横移装置输送载车板实现存取车操作，整个过程全自动完成。
固定式升降机+各层行走台车的配置形式，可实现多个人同时存取车。
（7）多层循环式
整机特点：
可设置于地上或地下，或一半地下、一半地上，充分利用有效空间。
此设备的出入口可以设在底部、中部或上部。
全封闭式管理，安全可靠，保障人、车安全。
通过升降机、行走台车及循环装置输送载车板实现存取车操作，整个过程全自动完成。
1.4论文工作内容
本课题的主要内容是基于施耐德PLC的立体车库控制系统的设计，升降横移类机械停车库利用托盘移位产生垂直通道,实现高层车位升降存取车辆。
其车位结构为2维矩阵形式,可设计为多层和多列。
由于受收链装置及进出车时间的限制,一般为2~4层（国家规定最高为4层）,2层、3层者居多。
立体车库结构特点是：
底层只能平移,顶层只能升降。
除顶层外,底层都必须预留一个空车位,供进出车升降之用。
当底层车位进出车时,无需移动其他托盘就可直接进出车;顶层进出车时,先要判断其对应的下方位置是否为空,不为空时要进行相应的平移处理,直到下方为空才可进行下降动作,进出车完成后再上升回到原位置。
其运动的总原则是：
升降复位,平移不复位。
1.5创新点
在对国内外各种同类产品进行分析的基础上，再结合造价、技术难度以及用户需求等各个方面的因素，可以发现升降横移式立体车库形式比较多，规模可大可小，而且对场地的适应性较强，同时采用这类设备的车库十分普遍。
因此，最终确定研究对象为升降横移式立体车库。
本设计中，以典型的地上3×3升降横移式为例,并且辅以自动、手动两种模式，说明该立体车库的运行原理。
第2章硬件集成设计
2.1方案设计
2.1.1工作原理
本文中设想的立体车库是一个3X3型七车位的升降横移式立体车库，其工作原理是:
第三层载车板可以做升降运动，第二层载车板可以做升降运动和横移运动，第一层载车板只能做横移运动。
通过第二层和第一层的空位，利用载车板横移变换空位，将汽车停到第二、第三层或降至第一层，第一层的汽车可直接开进和开出，无需变换位置，如图2-1所示。
图2-1立体车库示意图
立体车库存车时，如果第一层有空的车位，那就先停在第一层车位，第一层车位停满之后停第二层车位，第二层车位停满之后再考虑停第三层车位。
立体车库存取车过程：
小车从出入口处进入立体车库主通道，我们在出入口处设有一个触摸屏显示面板和道闸，驾驶员可以根据立体车库的停车情况按下相应的车位呼叫按钮，然后道闸打开，这时相应的出入库通道指示灯点亮，小车按照指示灯驶入立体车库出入库通道，将车开进车位载车板上后，停放在合适的位置，拉好手刹，然后驾驶员下车，立体车库就可以根据车位呼叫的信息将车停放在相应的车位。
我们就拿5号车位存取车的过程来举例说明立体车库存取车过程，5号车位存车时，驾驶员按下触摸屏上面的5号车位呼叫按钮，道闸打开，小车从出入口进入立体车库主通道，出入库通道指示灯点亮，小车停在1号车位前面。
立体车库中，1号车位载车板向右移动至空位，3号车位载车板也向右移动至空位，然后5号车位载车板向下移动至第一层，接下来小车开到5号车位载车板上，5号车位载车板又向上移动复位，最后依次是3号载车板左移复位，1号载车板左移复位，这样，5号车位存车就完成了；当5号车位取车时，1号车位载车板向右移动至空位，2号车位载车板也向右移动至空位，然后5号车位载车板向下移动至第一层，小车从立体车库内开出，最后从出入口处开出。
1号车位和2号车位载车板分别用一台电机来控制其左右横移，3号车位和4号车位载车板各用两台电机控制，一台电机控制其左右横移，一台电机控制其升降移动，5号车位、6号车位和7号车位载车板分别用一台电机控制其升降移动。
小车停车情况是通过装在每个车位载车板上的传感器来显示的，当车位上有车时，控制面板指示灯显示红色，并指示该车位有车，当车位上无车时，指示灯显示绿色。
为了防止汽车在载车板上面滑动而造成损失，应该在载车板后端和前端位置各装一个高25mm左右的阻车挡板，司机在将车开到载车板上时，应该将车停在合适的位置上，并拉好手刹。
本文所设计的PLC存取车控制程序只针对第2层和第3层的载车板，而对于底层车位载车板，存取车直接开进开出即可。
第二层车位以上的载车板上都装有一个防坠挂钩，是由电磁铁控制的，当载车板要下降时，电磁铁得电，防坠挂钩就收回，载车板可以下降；当载车板上升到原来位置后，电磁铁就失电，防坠挂钩就弹出，挂住载车板防止其掉落。
程序中车位载车板的到位停止是通过16个限位开关完成的，限位开关位置图如图2-2所示，图中三角形表示限位开关。
图2-2限位开关位置图
2.1.2流程图
图2-3系统工作流程图
2.1.3可行性
升降横移式立体车库系统主要由由底盘、三层七车位停车场、传动机械及电气控制器件等四部分组成。
机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成，采用步进电机、直流电机作为拖动元件。
电气控制是由施耐德可编程控制器、步进电机驱动电源模块、开关电源、位置传感器等部件组成。
系统结构如图2-4所示。
图2-4升降横移式立体车库实物图
2.2硬件选型
2.2.1电机：
在本课程设计的情况下，需要使用误差小、低转速、小电流、低电压、可定位转矩的电机，因此选择步进电机。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
采用二相八拍混合式步进电机,型号为42J1834-810，主要特点：
体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。
本模型中采用串联型接法，其电气图如图2-5所示：
图2-5二相八拍混合式步进电机串联型接法
2.2.2变频器：
步进电机需要步进驱动器才能工作，步进驱动器接收PLC发出的高速脉冲信号及方向电平信号，并将这些信号转换成驱动步进电机的信号。
步进电机旋转方向由方向电平控制,步进电机旋转速度由脉冲信号频率控制,步进电机旋转度由脉冲信号的数目控制。
用四相步进电机42J1834-810，与之配套的驱动器选用美国IMS公司生产的M415B细分型步进电机驱动器，其细分功能使步进电机运转精度提高，振动减小，杂讯降低，且具有光隔离信号输入（抗干扰），静止时电流减半，电源接反保护功能等优点。
42J1834-810步进电机步距角为1.8o，即在无细分的条件下，200个脉冲使步进电机转一圈（200×1.8=360o）。
通过驱动器设置细分精度，最高可以达到12800个脉冲电机转一圈。
步进电机驱动器M415B细分设定由拨码开关SW4、SW5、SW6设定，如表1所示。
设置SW4=ON、SW5=OFF、SW6=ON，细分设置为800步数/圈，即800个脉冲使步进电机转一圈，此时步距角为（800×0.45=360o）。
步进电机传动组件采用联轴器直接带动螺旋丝杠转动，螺旋丝杠的螺距为5mm，即步进电机每转动一周，载物台位移5mm。
通过控制载物台在X-Z轴平面的运动，从而把工件运送到仓库的指定位置。
步进电机驱动器M415B输出相电流设定由拨码开关SW1、SW2、SW3设定，如表5所示。
设置SW1=OFF、SW2=ON、SW3=OFF，输出相电流为1.05A。
步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。
驱动器参数如下列图表所示
表2-1电气规格
说明
最小值
典型值
最大值
单位
供电电压
18
24
40
V
均值输出电流
0.21
1
1.50
A
逻辑输入电流
6
15
30
mA
步进脉冲响应频率
—
—
100
kHz
脉冲低电平时间
5
—
1
μs
表2-2电流设定
电流值
SW1
SW2
SW3
0.21A
OFF
ON
ON
0.42A
ON
OFF
ON
0.63A
OFF
OFF
ON
0.84A
ON
ON
OFF
1.05A
0FF
ON
OFF
1.26A
ON
OFF
OFF
1.50A
OFF
OFF
OFF
表2-3细分设定
细分倍数
步数/圈（1.8Ｏ整步）
SW4
SW5
SW6
1
200
ON
ON
ON
2
400
OFF
ON
ON
4
800
ON
OFF
ON
8
1600
OFF
OFF
ON
16
3200
ON
ON
OFF
32
6400
OFF
ON
OFF
64
12800
OFF
ON
OFF
由外部确定
动态改细分/禁止工作
OFF
OFF
OFF
表2-4接线信号描述
信号
功能
PUL
脉冲信号：
上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步
DIR
方向信号：
用于改变电机转向，TTL平驱动
OPTO
光耦驱动电源
ENA
使能信号：
禁止或允许驱动器工作，低电平禁止
GND
直流电源地
+V
直流电源正极，典型值+24V
A+
电机A相
A-
电机A相
B+
电机B相
B-
电机B相
2.2.3PLC：
选择PLC型号时应考虑输入输出点数、存储容量、响应时间、可靠性及成本等因素。
在本次课程设计中，共涉及26个输入触点、24个输出触点，因此采用施耐德公司的ModiconTSXMicro系列的型号为TSX37-22的PLC。
MicroPLC是专为OEM而设计的高性能PLC，具有坚固性、紧凑性及可扩展性等特点，其开关量I/O最大可至256点，同时具备模拟量I/O、高速计数、以及网络通讯等扩展模板，最大限度地满足OEM对机器控制的各种需求。
该型号的PLC参数如下：
（1）开关量I/O模板，包括：
输入模板：
8点、12点、32点，AC/DC型；输出模板：
4点、8点、32点，晶体管/继电器型；混合型模板：
（输入+输出）16点、28点、64点。
（2）模拟量I/O模板，包括：
输入模板：
8通道（电压/电流型），4通道（多输入型）；输出模板：
4通道（电压型），2通道（电压/电流型）；混合型模板：
4通道输入+2通道输出（电压/电流型）。
（3）高速计数模板，包括：
单通道/双通道40KHZ,及双通道500KHz。
（4）通讯模板，包括：
RS232/RS485/电流环型多协议串行通讯模板；ModbuPlus通讯模板；FIPWAY/FIPIO通讯模板；AS-I通讯模板Ethernet/Modem通讯模板。
（5）编程说明：
Windows平台，支持梯形图、指令表、结构化文本、及流程图编程语言，支持浮点数运算、变量代码编程及表达式编程，并提供PID等丰富的库函数和即插即用的调试手段。
（6）用途：
MicroPLC广泛应用于机床、纺织机械、印刷机械、造纸机械、塑料机械、包装机械、食品机械、建筑机械、起重机械、暖通空调等行业。
2.2.4传感器：
PLC采用直流输入形式，车库所有车位到位及限位检测采用了光电对管，检测电路电源使用PLC内部提供的24V直流电源，其最大驱动电流可达400mA.光电对管的导通电流在30mA左右，内阻为600Ω，为满足光电对管的性能指标，我们将可编程控制器的内置24V直流电源上串联200Ω/1W的大功率电阻。
2.3接口电路设计
2.3.1硬件连接示意图
2.3.2PLCI/O接口电路
2.3.3电气控制电路
第3章软件集成设计
3.1流程图：
图3-1手动模式立体车库流程图
图3-2自动模式立体车库流程图
3.2主程序
主程序的设计我就利用3号车位存取车程序的设计来简单说明。
3号车位载车板呼叫，M3得电：
1号载车板右移：
1号载车板右移到位后，6号常闭限位开关断开，停止右移：
6号常闭限位开关闭合，3号载车板下降，3号防坠电磁阀得电，挂钩收回，3号载车板下降到位后，1号常闭限位开关断开，停止下降：
1号限位开关闭合，计时器T2得电开始计时，计时时间到之后，3号载车板上升：
3号载车板上升到位后，12号限位开关断开，3号载车板停止上升，3号防坠电磁阀失电，弹出挂钩：
1号载车板向左移动，当移动到位后，4号限位开关打开，停止左移：
3号呼叫周期结束：
3号车位存取车程序设计完成。
3.3参数设计
表3-1PLC内部辅助触点分配表：
PLC内部元件
组态按钮
输入
组态按钮
M119
自动/手动
M125
5号限位开关
M0
急停
M120
6号限位开关
M129
10号限位开关
M126
7号限位开关
M130
11号限位开关
M127
8号限位开关
M131
12号限位开关
M128
9号限位开关
M132
13号限位开关
M81
1号载车板呼叫
M133
14号限位开关
M82
2号载车板呼叫
M134
15号限位开关
M3
3号载车板呼叫
M135
16号限位开关
M4
4号载车板呼叫
M136
快速切换
M5
5号载车板呼叫
M138
上升
M6
6号载车板呼叫
M139
下降
M7
7号载车板呼叫
M140
左移
M8
1号车位传感器
M141
右移
M9
2号车位传感器
M137
手动载车板切换
M110
3号车位传感器
M121
1号限位开关
M111
4号车位传感器
M122
2号限位开关
M112
5号车位传感器
M123
3号限位开关
M113
6号车位传感器
M124
4号限位开关
M114
7号车位传感器
表3-2PLC输出分配表：
输出
输出设备
输出
输出设备
Y0
1号载车板左移
Y14
5号载车板上升
Y1
1号载车板右移
Y15
5号载车板下降
Y2
2号载车板左移
Y16
6号载车板上升
Y3
2号载车板右移
Y17
6号载车板下降
Y4
3号载车板左移
Y20
7号载车板上升
Y5
3号载车板右移
Y21
7号载车板下降
Y6
3号载车板上升
Y22
3号防坠电磁铁
Y7
3号载车板下降
Y23
4号防坠电磁铁
Y10
4号载车板左移
Y24
5号防坠电磁铁
Y11
4号载车板右移
Y25
6号防坠电磁铁
Y12
4号载车板上升
Y26
7号防坠电磁铁
Y13
4号载车板下降
Y27
报警
3.4等待命令
使用自动模式，当车位载车板到达最底层时，车辆存取需要一定时间，这就要延时程序来使载车板停留在最底层一段时间。
程序如下：
就拿3号车位载车板而言，当3号车位载车板到达最底层后，计时器T2得电，开始计时，计时时间到后常开触点T2闭合使M31得电，3号车位载车板上升。
3.5功能子程序
3.5.1快速切换程序设计
当车位3、4、5、6和7的载车板降至最底层时会有一个延时程序，这一段延时时间是用来存车或者取车的，当存车或取车完成了，但是延时时间还没到的时候，我们就可以利用快速切换程序使车位载车板快速上升，这样的设计可以提高立体车库的存取车效率。
程序如下：
就拿3号车位而言，当3号车位载车板降至最底层时，计时器T2开始计时，当计时时间还没到时，按下快速切换按钮，常开触点M136闭合，使M31导通，3号车位载车板上升。
3.5.2载车板切换程序设计
载车板切换是在手动模式下才使用的，例如：
3号车位载车板恢复到原位后，需要将1号车位载车板也恢复到原位时就需要载车板切换触点来断开手动信号，因为手动信号都是自锁的。
程序如下：
就拿2号手动信号而言，当2号车位载车板恢复到原位时，需要常闭触点M137使2号手动信号M82失电，然后再按其它车位呼叫，这样就完成了手动模式时车位载车板的切换。
3.5.3急停及报警程序设计
当出现紧急情况时，我们需要急停程序来使整个立体车库运行停止。
程序如下：
按下急停的时候，M0得电，程序中的常闭触点M0就打开，切断全部信号，使立体车库停止运行。
第4章触摸屏的设计
本设计中立体车库的控制面板采用MCGSE组态软件制作，MCGSE组态软件具有全中文、面向窗口的可视化操作界面，实时性强，有良好的并行处理性能和丰富多彩的多媒体画面。
4.1工程的新建
（1）新建画面
在电脑上安装好台达触摸屏编辑软件。
双击打开软件，进入编辑状态。
单击“文件”选择“新建”，按下图进行设置：
单击“确定”新页面新建成功，右面对话框可以进行页面属性设置。
（2）制作画面
控制面上有工具条，单击进入可以选择需要的工具进行绘制图形
（3）开关按钮的选择
单击工具条中的按钮图标。
选择“设On”与“设Off”，在界面上用鼠标拉出一个矩形，松开鼠标则完成按钮的选择，在右边对话框选择列表头，进行按钮的设置。
（4）指示灯的选择
单击工具条中的指示灯图标。
选择状态指示灯，在界面上用鼠标拉出一个矩形，松开鼠标则完成指示灯的选择，在右边对话框选择列表头，进行指示灯的选择。
最后形成如下画面：
需要注意的是在对指示灯和按钮的“读取存储器地址”设置时要与PLC编程相对应。
这样才能正确的控制。
（5）触摸屏的模拟
单击工具条上的编译按钮进行编译，如果有错误可以在右下角的对话框内查找，并进行修改。
在界面上选择工具，单击鼠标进入，如图显示：
选择“在线模拟”，触摸屏的制作完毕。
第5章实践仿真调试
为了保证调试工作的顺利进行，在进行系统调试前，应根据系统设计规定的要求，认真对照系统，设备的设计要求与图纸，进行各项检查。
尽可能排除设备在安装，制造过程中存在的各类类问题，改正控制系统在安装，连接等过程中可能存在的不合理，不正确因素。
5.1PLC写入
在没有PLC的情况下，somachine软件可以选择将程序脱机模拟调试。
（1）选择在线菜单的仿真功能。
（2）选择在线，登陆到Appliction上。
（3）登录后，程序自动传入PLC中。
进入到模拟调试界面，可对程序和变量进行调试和设置。
（4）在在线菜单，选择启动PLC，使之进入运行状态，如下
（5）此时PLC状态在编程界面最下方，显示为运
（6）调试时，可以启动程序；双击调试界面的变量准备值，如下图
（7）在调试/观察中选择写入值
（8）此时可观察程序的运行状态，并实时监测程序的输出
（9）如要停止程序，可以在在线菜单中选择停止App
升级会员 