电气控制与PLC应用课程设计自动双层停车场控制设计.docx
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电气控制与PLC应用课程设计自动双层停车场控制设计
湖南人文科技学院
课程设计报告
课程名称:
电气控制与PLC应用课程设计
设计题目：
自动双层停车场控制设计
系别：
通信与控制工程系
专业：
自动化
班级：
0802
学生姓名:
学号:
08421206084212270842124808421239
起止日期:
2011年12月21日~2011年12月31日
指导教师:
教研室主任：
指导教师评语：
指导教师签名：
年月日
成绩评定
项目
权重
成绩
许德望
欧阳明
王浩
李利
1、设计过程中出勤、学习态度等方面
0.2
2、课程设计质量与答辩
0.5
3、设计报告书写及图纸规范程度
0.3
总成绩
教研室审核意见：
教研室主任签字：
年月日
教学系审核意见：
主任签字：
年月日
摘要
随着社会不断进步与发展，车辆在不断增多，这就要求提供更多的停车位来供人门停车。
单城市拥挤的环境已无法提供更多的车位，这就要求车位从地面向空间发展。
那么，车位的空间设计技术就不得不引起人们的注意，车库的合理设计以及怎样控制设计者最需要考虑的问题。
车位需要上下移动，根据不同的要求，执行一系列的操作。
这需要一个很好的控制技术。
本设计就是针对车库能很好运行来设计的，用PLC来控制。
下面来介绍下PLC
近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动着工业控制的日新月益更新。
由于PLC自身的特点和优势，在工业控制中PLC已得到广泛应用，包括机械、冶金、化工、电力、运输建筑等众多领域，应用范围也在不断扩大。
三相电热器控制系统就是一个简单的PLC应用，主要运用PLC所具备继电器、计数器及特殊继电器的功能来实现，并且运用模拟的方式来检测系统的可行性。
关键词：
车位；PLC；计数器;继电器
自动双层停车场控制
第1章引言
1.1设计目的
通过本次课程设计掌握PLC的编程原理、思路及硬件的接线方式。
1.2设计内容
通过PLC控制高层车位升降存取车辆，实现控制目的。
1.3设计要求
（1）自动双层停车场控制设计（4人一组）
（2）双层自动停车场配置如图1.1所示，上下层共可停5部车。
图1.1
（3）本停车场设计规则为1、2、3车位只能上下移动，不能左右移动，4、5只能左右移动，不能上下移动。
（4）下排车位只需直接将车子开出即可。
（5）如要呼叫上排车子，只需按下1至3的按钮，在按下[叫车]按钮，则所按车位将降至下层，而下排车位将左右移动，让出位置让上层车位下降。
第2章系统总体方案设计
2.1方案设计与对比
在电子技术领域中，自动双层停车场控制设计的方法有很多种，可以采用不同的原理及器件构成不同的电路来实现控制的目的。
在本次设计过程中主要是采用PLC为核心元件的控制系统进行自动双层停车场控制的目的。
2.1.1方案一
该方案主要是利用硬件来实现自动双层停车场控制。
采用热继电器、时间继电器、计数器、接触器、中间继电器、开关、信号灯、蜂鸣器等等电子元器件组成自动双层停车场控制系统。
在系统的设计中充分利用每种元件的功能及相关的机械互锁。
例如，信号灯LED的闪烁是利用两个定时器的互锁来实现的，而有限次的闪烁只要在其中加入计数器就可以任意改变灯的闪烁次数；保护电路就是利用热继电器原理来实现保护，即当发生故障时，热继电器的辅助触点动作，使电路处于断开状态，从而达到保护目的。
其设计的思路主要是利用中间继电器的多点多功能的特点进行对不同控制的联系，通过充分的利用中间继电器可以减少不必要的误动作，并且简化了接线的复杂度。
图2.1方案一控制流程框图
该方案的特点是在设计过程中的线路比较复杂、成本低，但一旦发生故障难以快速的找出故障的原理。
2.1.2方案二
该方案在基本思路上和方案一基本类似，主要是根据PLC可以看成许多继电器、接触器的集合，从而利用PLC来代替了方案一中的中间继电器、时间继电器、计数器、接触器、热继电器等功能器件。
整个控制电路是以PLC为核心器件组成的。
利用PLC软元件的功能，如输入/输出继电器（X）、辅助继电器（M）、定时器（T）、计数器（C）等，再结合相关的功能指令（比如：
LD/LDI/AND/ADI/MSP/MRP/MPP/RST）实现控制功能。
在整个控制方案中，控制程序的编写是最重要的，它反应了控制过程的快速性、稳定性和准确性。
程序的设计主要是采用经验设计法，通过由不同的经典程序组合成整个自动双层停车场控制程序。
图2.2方案二控制流程框图
该方案的特点是设计方法简单、线路比较容易，稳定性比较高；最大的特点是具有很大的功能扩展空间，只要通过改变程序就可以达到不同的扩展要求。
从上述两个方案可以看出：
方案二比方案一更具有优越性，因为方案一：
其硬件电路复杂，可靠性低，发生故障时难以判断具体的位置；方案二：
硬件电路简单，可靠性高，并且有较高的精确度，在实现功能的扩展时非常方便。
综上几点对比，可以看出方案二的可行性高。
2.2自动双层停车场基本结构
升降装置包括：
1）曳引驱动机，即电机、减速箱和制动器；2）传动部件包括钢丝绳和滑轮（或升降链条、链轮）等；3）对重和平和平衡连；4）升降导轨和对重导轨。
曳引驱动机通过钢丝绳（或链条）使载车台升降，同时对重也相应运动，平衡重量这样有利于减小电机功率。
自动双层车库控制系统通过人机界面来实现。
存车时，在人机界面的主界面中按“存车界面”，在选择需要存车的车位，判断无误后按确认，自动完成存车过程；取车时人机界面进去取车界面，直接选择想要取车的库位，判断无误后按确定，自动完成驱车过程。
用户存车，进入存车界面。
发布存车指令，人机界面将相应信号送给PLC，此时，大门打开，司机将车开到升降台指定位置后下车，选择库位并按“确定”键，此时，大门开始关闭。
PLC判断是否升降，升降台低速上升，达到指定位置碰到主平层行程开关时，主电机制动。
此时汽车在制定车位，并且人机界面上显示相应库位有存车信息。
图2.3存车流程图
取车时，在人机界面上选择取车界面，选择枯萎，判断无误后按确认，进入驱车操作。
根据库位位置，PLC判断所取车位是否下降，升降台下降，并复位。
人机界面上显示相应库位的消失，并检测升降台是否到位，大门打开，司机把车从升降台上开出，延时一段时间后大门自动关闭，驱车过程结束。
图2.4取车流程图
停车场的底层只能平移，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，平移复位。
自动双层停车场采用模块化设计，每单元可设计成两层、三层、四层、半地下等多种形式，车位数从几个到上百个。
此立体车库适用于地面及地下停车场，配置灵活，造价较低，产品特点：
1）节省占地，配置灵活，建设周期短。
2）价格低，消防、外装修、土建地基等投资少。
3）可采用自动控制，构造简单，安全可靠。
4）存取车迅速，等候时间短。
5）运行平稳，工作噪声低。
6）适用于商业、机关、住宅小区配套停车场的使用。
7）安全装置：
防坠装置，限位保护器、急停开关等。
2.3系统硬件配置及组成原理
可编程控制器采用可以程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并通过式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
PLC的基本组成可归为四大部件（如图2.5）：
中央处理单元（CPU板）——控制器的核心；
输入部件（I/0部件）——连接现场设备与CPU之间；
输出部件——连接驱动或受控元件的接口电路；
电源部件——为PLC内部电路提供能源；
整体结构的PLC——四部分装在同一个机壳内；
模块式结构的PLC——各部件独立封闭，称为模块，通过机架和总线连接而成。
图2.5PLC的组成框图
I/0的能力可按用户的需要进行扩展和组合，另外，还必须有编程器将用户程序写进规定的存储器内。
2.3.2PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU要根据用户控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令号（或地址号）作周期循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
（1）PLC在输入采样阶段
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁在器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入，随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
（2）PLC在程序执行阶段
按用户程序指令存放的先后顺序扫描并执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中的所有的内容随着程序的执行而改变。
（3）输出刷新阶段
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
PLC型号的选择：
PLC机型选择：
机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，保证、维护使用方便以及最佳的性能价格比。
具体就考虑几个方面：
结构上合理，安装要方便；功能上要相当；机型上应统一；是否在线编程；是否满足响应时间的要求；对联网通信功能的要求；其他特殊要求等。
PLC容量的确定：
PLC的容量指I/O点数和用户存储器的容量两方面的含义。
在选择PLC型号时不应盲追求过高的性能指标，但是在I/O点数和存储器容量方面除了要满足控制系统要求外，还应留有裕量，以做备用或系统扩展时使用。
I/O模块的选择：
I/O部分的价格占PLC价格的一半以上。
不同的I/O模块，其电路和性能不同，它直接影响着PLC的应用范围和价格，应该根据实际情况合理选择。
自动双层停车场的运行原理即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，其原理如图1.1所示。
下排车位只需直接将车子开出即可。
如果要呼叫上排车位，只需按下1至3的按钮，再按下[叫车]按钮（如图2.6），则所按车位将降至下层，而下排车位将左右移动，让出位置让上层车位降下来。
即底层只能平移，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，平移复位。
图2.6呼叫控制面盘图
2.4系统变量定义及分配表
根据不同控制要求，可以定义不同的变量名来代替外界发来的开关信号，并且合理的分配对应的变量，从而针对性的进行开关信号的转变，使程序的可读性增强，使程序在扩展方面更加方便。
其I/O分配如表2.1、表2.2所示。
表2.1输入信号的地址分配表
输入信号名称
输入点
1号车极限开关
X10
2号车极限开关
X11
3号车极限开关
X12
4号车极限开关
X13
5号车极限开关
X14
1号车呼叫
X1
2号车呼叫
X2
3号车呼叫
X3
叫车按钮
X0
6号车极限开关
X15
表2.2输出信号的地址分配表
输出信号名称
输出点
1号车平台上升
Y0
1号车平台下降
Y1
2号车平台上升
Y2
2号车平台下降
Y3
3号车平台上升
Y4
3号车平台下降
Y5
4号车平台左移
Y6
4号车平台右移
Y7
5号车平台左移
Y10
5号车平台右移
Y11
2.5系统接线图设计
接线图，是根据电气设备和电器元件的实际位置和安装情况绘制的，只用来表示电气设备和电器元件的位置、配线方式和接线方式，而不明显表示电气动作原理。
主要用于安装接线、线路的检查维修和故障处理。
此自动双层停车场控制的接线图可如图2.7所示，根据系统变量定义及分配表可以看出，要实现控制目的要利用PLC中的10个输入继电器和10个输出继电器。
输出部分的电压必须采用AC220V的交流电，并且热继电器的辅助常闭触点要接在主线上，这样才能达到保护的目的。
图2.7自动双层停车场控制系统接线图
2.6系统可靠性设计
PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。
但是，如果环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或PLC的安装和使用方法不当，都可能给PLC的安全和可靠运行带来隐患。
因此，在PLC控制系统设计中，还需要注意系统的可靠性设计问题。
PLC的可靠性设计应注意以下方面：
PLC的环境适应性设计；控制系统的冗余性设计；控制区系统工程的抗干扰性设计；控制系统的故障诊断。
针对以上方面的设计注意事项分析自动双层停车场控制的可靠性设计知：
工作环境为30到100摄氏度，电源为220V交流供电等，PLC及外部电路（I/0模块、辅助电源等）要可靠接地，并且要对PLC采取隔热的措施；对于电热器来说抗干扰能力是比较强，因此不必考虑；对于故障诊断，在PLC中设置了报警器和报警指示灯，当发生故障时，报警器报警、报警指示灯闪烁，直到按下复位按钮和热继电器的辅助常闭按钮复位才停止报警，PLC的故障检查和扩展是非常方便的，因为接线线路是很简单的，PLC只要修改程序就可以达到不同的控制目的。
第3章控制系统设计
控制系统设计是整个设计中的重点部分，它关系到控制系统的稳定性、快速性和准确性。
在设计中要注意假如能使用功能指令来代替大量基本指令组成的功能模块则要代替；能简单处理的不能复杂处理等等。
3.1控制程序流程图设计
图3.1自动双层停车场控制流程图
3.2控制程序设计思路
控制程序设计主要是采用经验法进行的设计，根据各基本控制程序模块再结合相关的自锁和互锁达到对车位的控制，此设计所用的基本控制模块有点动控制、启动控制、脉冲控制、有限次脉冲控制，下面将逐一介绍：
根据自动双层停车场的控制要求适合点动操作，即按下点动启动按钮时，常开触点接通车位上升或下降的启动回路，升降机开始工作；松开按钮后，按钮自动控制制复位，常开触点断开，切断了车位上升或下降的启动控制回路，升降机停止工作。
点动启、停的时间表长短由操作者手动控制。
如图3.2
图3.2最基本的点动控制梯形图
根据自动双层停车场控制要求适合于启动控制。
由接触器（继电器）自身的常开触点来使其线圈长期保持通电的环节叫“自锁”环节。
启动操作即当按下启动按钮时，由于继电器的自锁触点动作，使继电器保持通电，从而保持启动控制回路的接通，只有按下停止按钮时才切断启动控制回路。
如图3.3
图3.3最基本的启动控制梯形图
在控制要求中出现了指示灯的闪烁控制，所以可以用脉冲来控制指示灯的闪烁。
如下图五，当X000闭合时，控制回路接通，有输出Y000，并且定时器T1开始计时0.5秒，时间到后，定时器T1动作、定时器T2开始计时、无输出Y000；当定时器T2时间到后，定时器T2动作、T1复位、Y000有输出、T2复位，以后依此循环连续控制指示灯的闪烁。
如图3.4
图3.4最基本的脉冲产生控制梯形图
在控制线路中利用辅助触点互相制约工作状态的控制环节，称为“互锁”。
设置互锁是可逆控制线路中防止电源线间短路的保证。
由接触器（继电器）自身的常开触点来使线圈长期保持通电的环节叫“自锁”。
综合以上功能模块，再加上相应的自锁和互锁就可以设计出PLC控制自动双层停车场的目的。
（具体的程序说明参照附录）。
第4章自动双层停车场PLC监控系统设计
1.监控安保系统
监控安保系统是指在中央控制室进行监视控制车库现场的运行状况。
它具有运动检测、车牌识别、网络连接、各种类型的报警系统实现连动等功能，可以实现无人看守。
现在已经开始有越来越多的居住小区开始采用机械停车库了。
考虑到成本及维修，目前多数小区采用的是多层升降横移式立体停车设备，大规模的仓储式机械停车库还很少。
升降横移式立体停车设备的泊车流程示意如下：
（一）红绿黄指示灯指示车库运行状态。
红色指示灯指示有人正在进行操作，请稍候；绿色指示灯指示目前无人操作，可进行操作；黄色指示灯指示有故障发生，车库不能工作。
（二）存车操作
司机驾驶车辆从车库入口进入。
在入口处的非接触式读卡机前感应区域晃以下自己的IC卡，感应过程完毕，栅栏自动升起，司机开车进入车库。
车辆进入后，栅栏自动关闭。
划卡的同时，控制器读取车位号，车库内对应的载车盘自动移动到人车交接的位置，车库单元门自动打开。
司机开车进入，停车到位，拉手刹，下车走出车库，用IC卡在车库出口处晃一下IC卡，车库单元门自动关闭。
完成存车操作。
（三）取车操作
司机进入车库时，在入口处的非接触式读卡机前感应区域晃以下自己的IC卡，控制器自动读取车位号，车库内对应的载车盘自动移动到人车交接的位置，车库单元门自动打开，司机进入车库，开车出来，在车库出口处的自动读卡机前感应区域晃一下自己的IC卡，感应完毕，读卡机接受信息，上位控制机自动记录、扣费，栅栏自动升起，司机开车出场，出场后，栅栏自动关闭；同时，控制器自动读取车位号，对应的车库单元门自动关闭。
取车操作完毕。
车库在运行过程中，有完备的自我保护装置。
一系列光电开关、接近开关、行程开关等对载车盘准确运行到位起着决定性的作用；独特的防坠落装置、断绳报警装置、超速保护装置对车辆的安全起到保护作用。
车辆超长检测、车辆停车不到位检测、以及人员误入检测等信号对车辆及人员的安全起着决定性的作用。
2.通讯程序设计
PLC选用ModbusRTU主通讯模块（master）。
PakscanIIE主站控制器是一个远程终端单元，做为Modbus从设备（slave）。
PLC的CPU通过ModbusRTU主通讯模块控制PakscanIIE主站控制器的读写，被称为Modbushost。
系统采用单Modbushost两线通讯方式，该方式最多可以连接32个PakscanIIE主站控制器。
主通讯模块的程序设计有3部分内容：
初始化通讯模块;读写Modbus/RTU数据;监测通讯状态。
通讯模块的初始化工作主要是配置3个初始化控制块的参数：
Slave控制块（SCB），信息控制块（MCB）和通讯要求参数块（COM_REQ）。
SCB是一个15个寄存器长的数据块，功能是定义与其通讯的Slave的型号、个数、状态等参数，每一个Slave需要定义一个SCB块。
MCB是一个6个寄存器长的数据块，功能是定义Master要求每个Slave执行的命令信息，包括命令类型、RTU引用地址偏移、PLC引用地址偏移、主机号等参数，每一种命令需要定义一个MCB块。
COM_REQ是一个17个寄存器长的数据块，功能是定义通讯方式、端口控制字及监测SCB和MCB的状态参数等，每一端口需要定义一个COM_REQ块。
所有这些初始化参数在PLC上电或冷启动初始化的第一个扫描周期内加载到RTU主通讯模块，此后RTU主通讯模块负责与PakscanIIE主站控制器通讯，而PLC则与RTU主通讯模块交换数据。
读写Modbus/RTU数据和监测通讯状态的编程相对简单，只要读写初始化时定义的相应的PLC参数地址即可。
3.故障报警系统设计
在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。
为防止指示灯灯泡损坏不能正确反映设备工作情况，专门设置了故障复位/灯测试按钮，系统运行任何时间持续按该按钮3s，所有指示灯应全部点亮，如果这时有指示等不亮说明该指示灯已坏，应立即更换，改按钮复位后指示灯仍按原工作状态显示设备工作状态。
2级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。
3级故障显示设置在中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。
在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除。
第5章系统调试及结果分析
在本停车库操作系统中，由于底层不需要升降，只需左、右横移。
所以，可直接进行停、取车操作。
1）X10车盘停、取车的调试：
系统上电以后，各指示灯正常情况下。
当按下SB1启动按钮时，KM1线圈得电，其电机正转带动X13车盘右移。
当车盘右移到行程开关SQ1时，启动能耗制动，X13车盘停止。
同时，SQ1触发X10车盘上挂钩得电，挂钩动作输出信号（Y0）。
此时，KM8得电，电机转动带动X10车盘下降。
当车盘下降到行程开关SQ8时，电机制动X10车盘停稳，进行取车过程。
操作完毕之后，按下SB4上升启动按钮时，线圈KM7得电，电机反转并带动X10车盘上升。
当车盘上升至行程开关SQ5时，挂钩得电并动作，输出信号（Y1）促使线圈KM2得电，电机反转带动X13车盘左移。
当左移到位触发行程开关SQ9制动开始，X13车盘停稳，即完成了X10车盘停车过程。
2）X11车盘停、取车的调试：
在按下SB2启动按钮，线圈KM3得电，电机正转带动X14车盘左移，当车盘左移到位触发SQ2开关时，输出信号使得X11车盘挂钩动作，同时输出信号（Y2）使线圈KM12得电，电机带动X11车盘下降。
当下降到位SQ10时,车盘停止动作，进行取车操作。
当按下SB5上升启动按钮时，线圈KM11通电，电机反转带动X11车盘上升。
当运动到行程开关SQ6时，电机制动车盘停止运动。
此时，挂钩得电动作，输出信号（Y3）使KM4线圈得电。
电机反转带动X14车盘右移。
右移到位触发SQ11行程开关后，制动进行车盘停止运动。
即完成X11车盘停车过程。
3）X12车盘停、取车的调试：
在按下X12车盘启动按钮SB3，线圈KM1、KM5得电，横移电机正转带动X13、X14车盘右移，当车盘左移到位触发SQ3，SQ4开关时，输出信号使得X12车盘挂钩动作并输出信号（Y4），使线圈KM14得电，电机正传带动X12车盘下降。
当下降到位SQ12时,线圈KM14失电车盘停止动作，进行取车操作。
当按下SB6，X12车盘上升启动按钮时，线圈KM13通电，电机反转带动X12车盘上升。
当运动到行程开关SQ7时，电机制动车盘停止运动。
此时，挂钩得电动作，输出信号（Y5）使KM2、KM5线圈得电。
电机反转带动X13、X14车盘左移。
当左移到位触发SQ13、SQ14行程开关后，制动进行车盘停止运动。
即完成X12车盘停车过程。
通过系统调试的一系列过程，使得程序达到了控制要求，由于设计的环境有限，并不能进行现场调试，也是这一设计的不足之处，但通过了准确的仿真调试，系统的控制要求都已实现。
结论与体会
自动停车场集中了现代多方面的先进技术，是科技含量较高的车库，其中双层自动停车场停车方便、存取速度快、车库结构灵活、造价低的特点，将可能成为今后停车库发展的主要形式。
立体停车库目前在全国各地的很多新建小区内逐渐开始应用，今后随着家庭轿车的增加，经济实用的自动的立
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