双层立体车库控制系统设计.docx

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双层立体车库控制系统设计

钱江学院

本科生毕业设计（论文）

（2013届）

设计（论文）题目基于FX2N的双层立体车库控制系统设计

作者张雨龙

分院信息与机电工程分院

专业班级机械092班

指导教师（职称）王玉槐（讲师）

论文字数9200

论文完成时间2013年4月18日

杭州师范大学钱江学院教学部制

基于FX2N的双层立体车库控制系统设计

机械092班张雨龙指导教师王玉槐

摘要：

城市土地资源紧缺，停车难已制约中国城市的发展。

据报道：

30%的堵车是为找停车位造成的。

在人们对生活质量和环境意识不断增强之时“车库”日渐成为热门话题，它以占地面积小、效率高、安全可靠、空间灵活等优点越来越受欢迎。

机械自动化立体车库将会在新开发的楼盘及商业区大显身手。

本设计基于日本三菱公司的FX2N系列PLC作为核心控制器建立双层五车位升降式立体车库的设计，完成了系统需求分析、硬件选型、控制电路设计和控制梯形图程序设计。

同时，以组态王6.53工业组态软件对其立体车库的工作过程进行模拟。

关键词：

升降式立体车库；PLC；组态王；

Designofcontrolsystemforthedouble-layerparkinggaragebasedontheFX2N

Mechanicalclass092ZhangYulongInstructor:

WangYuhuai

Abstract：

Urbanlandresourcesarescarce,difficultparkinghasrestrictedthedevelopmentofChinesecity.Accordingtothedailyreports:

30%ofthetrafficjamcausedbyfindingaparkingspace,Moreandmorepopularinpeople'squalityoflifeandtheenvironmentandincreasingawarenessofthe"garage"isbecomingahottopic,smallfootprint,highefficiency,safeandreliable,flexiblespace,etc..ThemechanicalautomaticstereoscopicGaragewillplayanactiveroleinthenewrealestatedevelopmentandcommercial.ThisdesignisbasedonJapan'smitsubishiFX2NseriesPLCasthecorecontrollerisadoublefiveliftingofstereoscopicparkinggaragedesign,atthesametimetoandconfigurationsoftwarekingview6.53tosimulatetheprocessofthestereogaragework.

Keywords:

elevatingthethree-dimensionalgarage;PLC;Kingview;

基于FX2N的双层立体车库控制系统设计

机械092班张雨龙指导教师王玉槐

1引言

1.1研究背景

1.1.1国内研究现状

随着经济的快速发展和人民生活水平的提高，世界各大中城市轿车拥有量的迅速膨胀，车辆的增加、交通拥挤所造成的商场、酒店车位限制，使得车主为停车发愁。

因此，扩展停车场引起人们的广泛关注。

普通露天停车场和建筑物下的停车场虽然停车方便，但占地面积广，且停车数量有限，加上当今土地价格突飞猛进增长。

因此，减少土地占用成本，充分利用立体空间，缓解城市中道路空间小的矛盾，减少污染，规范和科学管理汽车的停放，建立立体停车场已经刻不容缓。

升降横移式立体停车库是一种比较典型的机电一体化产品形式，它主要涉及机械、电子、建工等多个领域，它需要各方面的专业技术人员协同工作。

在现代化大都市中，升降横移式立体车库已经渗入到人们的各个生活领域，在机关、宾馆酒店、医院和居民区等许多地方，升降横移式立体停车库成了一道必不可少的基础设施。

但是我国的机械式停车库技术发展比较晚，大部分还沿用着日本80年代的技术。

经济的飞速发展，机械式车库的现有功能已落后于人们的要求。

现有车库技术的不足主要表现在取车得时间比较长，智能化程度比较低，安全程度不够，设计型式比较陈旧。

上海和北京等地现有的许多高质量的立体停车库，都是运用大量的外汇从国外进口的，并且售后服务也得不到令人满意的保障。

为了打破这种依赖进口的格局，打出具有自身特色的车库产品，就得要在原有技术上有重大突破，从而带动国内车库行业的发展。

因此，对立体停车库的系统研究显得尤为重要。

1.1.2国外研究现状

立体停车库设备的应用已有30多年的历史了发展较早、较好的有日本、韩国、台湾省、德国等众所周知，我国经济在经历了近30年的高速增长之后，大众对生活质量的要求日益提高，“衣食住行”中的“行”提高到一个新的高度。

随之而来的交通方面的情况也日加紧张，而这包含了动态与静态两个方面。

如同城市中由平房改建成高楼大厦一样，停车也从平面转向立体化停放，立体停车在静态交通中已经占有越来越重要的地位。

立体停车库与传统的地下车库相比，在许多方面都显示出优越性首先是节地优势，以往的地下车库由于要留出足够的行车通道，平均一辆车就要占据40平方米的面积，而如果采用双层立体停车库，可使地面的使用率提高80％—90％，如果采用地上多层（21层）立体式车库的话，50平方米的土地面积上便可存放40辆车，可以节省土地资源和减少土建开发成本。

例如北京印度尼西亚驻华大使馆未建多层立体停车库前平面只能放五辆车，现建成三层立体升降横移类停车库后，能停放13辆车，基本能满足驻华大使馆要求。

人们普遍认为停车设备行业发展前景良好，并已被誉为21世纪最热门的行业之一。

2概述

2.1需求分析

随着汽车的急增致使城市停车难问题不断恶化,而作为解决城市静态交通的有效措施——向空间、向高层发展的自动化立体停车设备,以其占地面积少、停车率高、布置灵活、高效低耗、性价比高、安全可靠等优点,越来越受到人们的青睐。

目前市面上常见的立体停车库有：

升降横移类、垂直循环类、多层循环类、水平循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类和简易升降类等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绝对优势的市场份额。

升降横移式立体停车库作为一种新兴的停车设备，以其独特的特点应用在酒店、宾馆、机关单位以及居民小区等各种场所。

本文主要以升降横移式立体停车库为研究对象，对其进行控制系统研究与设计。

升降横移式立体车库利用托盘左右移位产生垂直通道，实现车位升降存取车辆。

在系统中，PLC作为控制器直接控制车库运行，工控机作为上位机通过网络通信监视整个车库的运行状态，实现车库的安全运行和管理。

停车库控制系统的硬件和软件相互依托，相互补充，才能有效地以最低的成本完成对车库系统的控制。

升降横移式立体停车库具有非常广阔的发展空间和发展前景，其未来的发展方向就是要使停车库实现真正的智能化，以互联网为依托，实现网络化。

操作人可通过灵活多样，比较友好的人机界面，控制灵活，系统的安全性和可靠性高。

在工业自动化控制中，最常用的三种控制方式有单片机控制、可编程控制器控制和继电器控制，这三种控制方式各有优缺点。

在20世纪80年代以来单片微机依它的控制功能强、体积小、成本低、功耗小、成本低和使用方便等优势得到飞速发展。

理论上也可用于立体停车库系统，但实际上在立体停车库的控制系统中，单片微机控制却没有得到广泛的推广应用，其原因主要有以下几点:

单片机只是一个芯片，用单片机直接开发控制系统，还必须进行系统硬软件设计和抗干扰设计才能付诸应用，这里包含大量个性化及针对性的设计，对开发者要就相当高，工作量大、成本高、编程比较复杂、开发周期长，有很强的针对性；

控制系统开发周期比较长，系统调试耗时比较多；

抗干扰能力比较弱，所以对现场工作环境要求很苛刻；

单片机自身就是弱电驱动，若用于控制必须添加多个驱动装置，而随着驱动环节的增加，系统的可靠性不仅下降，而且大大提高系统的复杂程度，编程复杂，容易出错；

单片机应用范围主要是大批量重复生产的民用消费品以及小批量产品，特别是仪器仪表，家电以及小型控制系统。

PLC和继电器相比具有明显的优势：

A.控制方式

继电器控制是采用硬件接线（硬接线）实现过程控制，即利用导线把继电器、接触器的线圈以及它们的开关的触点按逻辑关系顺次连接起来完成既定的逻辑控制。

一量系统设计完成后，若想改变或增加功能将十分困难；由于继电器的触点有限，其灵活性和扩展性也受到制约。

PLC通过编制程序实现各种逻辑控制，控制要求改变，只需改变用户程序即可，故称“软连接”。

它的接线少，体积和功耗小。

B.控制速度

继电器控制是靠继电器的触点的通断实现控制的，其动作频率受制于机械结构，动作速度慢；机械触点的现抖动现象会引起系统的误操作。

PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度极快并且PLC内部有严格的同步，不会出现抖动问题。

C.延时控制

继电器控制系统的延时控制是靠时间继电器的滞后动实现，精度不高且易受环境温度和湿度的影响，调整时间困难。

PLC用半导体集成电路作定时器，精度高。

定时器数量多，用户可随意更改设定值。

D.控制数据类型

继电器控制系统一般只能进行开关量的逻辑控制。

PLC除了能进行开关量的逻辑控制外，还具有模拟量控制、数据处理、能通讯联网、生产监控等功能，可实现多种复杂控制。

E.可靠性和可维护性

继电器控制系统使用大量的机械触点，连线多而复杂而且寿命短，系统的可靠性和维护性都较差。

PLC采用微电子技术，开关动作由无触点的半导体电路完成，因此寿命长，可靠性高。

PLC本身的监测和自诊断功能，方便现场调试和维护。

此外，PLC具有如下特点：

a.可靠性高，抗干扰能力强。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

b.配套齐全，功能完善，适用性强。

 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

c.易学易用，深受工程技术人员欢迎。

d.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。

e.体积小，重量轻，能耗低。

综合以上原因，选择PLC来进行立体车库控制是最为合适的。

2.2整体方案设计

升降横移立体车库车位结构为N*M二维矩阵形式，可设计为多层、多列。

由于受收链装置及进出车时间的限制，通常设计为2到4层（国家规定最高为4层），其中以2、3层者居多，实际上可以根据泊车的多少决定立体车库的规模。

车库提供的总车位容量为：

P=N*M-（N-1），其中N为二维矩阵的行，即车库的层数；M为二维矩阵的列，即车库的列数。

从结构上来说，通常立体停车库除顶层外的其他层都必须留出一个空位，用来向载车盘提供上升和下降的通道。

当车辆位于底层时，无需移动其他托盘就可以直接取出车；若准备将车存于底层，同样不需要移动其他层的载车盘，直接将车驶入即可。

但若车辆存于中间层或顶层，在存取车时，则需要判断预存取车位处所在的下方是否为空，不为空则要通过横移将车位以下的托盘调整为空，进行平移操作后，在进行下降至一层，进行存取车。

整体操作时，遵循底层托盘只进行平移操作，顶层托盘只能进行升降操作，中间层既可平移又可升降操作的原则。

本次设计一个双层5车位的升降横移式立体车库，两层平面为：

上平面U和下层平面M。

上平面U只能进行升降动作，下层平面M只能进行平移动作。

立体车库中总共有6个车位，其中一个为空位向载车盘提供上升和下降的通道，另外5个车位用于存放车辆。

当下层平面M车位进出车时，不需要移动其他托盘就可直接进行进出车处理。

当上平面U车位进出车时，首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到达下层平面M，进行进出车处理，进出车完毕后上升回到原位置。

根据运动的规律存取车的过程主要包括3个步骤:

1.为了让出空位，载车板需要横移;

2.为了存取车，需要载车板的升降;

3.载车板左右横移一个准确的停车位行程和升降到准确的位置。

下图是一个两层平面立体车库的结构示意图

图2-1立体停车库示意图

3系统硬件设计

3.1PLC控制器的选型

本设计PLC选择三菱FX2N-48MR型PLC，FX2n系列是FX系列三菱小型PLC家族中最可靠的系列。

FX2n系列PLC具有程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

该机型是一种小型化、高速度、各方面都相当于FX系列中最高档次的小型PLC，具有丰富的功能指令和强大的通信能力。

FX2N系列PLC由基本单元、扩展单元、扩展模块和特殊功能单元构成。

FX2N系列PLC性能见表3.1所示。

表3-1三菱FX2N系列PLC技术参数

名称

性能

规格

运算控制方式

存储程序反复运算方式、中断命令

输入输出控制方式

批处理方式

程序语言

继电器符号+步进梯形图方式

程序存储器

最大存储容量

16K步，有磁盘保护功能

内置存储器容量

9K步

可选存储卡盒

RAM8K

指令种类

顺控先进梯形图

顺控指令27条，步进梯形图指令2条

应用指令

128种298个

运算处理速度

基本指令

0.08

/指令

应用指令

1.52-数百

/指令

输入输出点数

扩展并用时输入点数

X0-X287184点（8进制）

扩展并用时输出点数

Y0-Y287184点（8进制）

扩展并用时总点数

256点

辅助继电器

一般用

500点

保持用

524点

保持用

2048点

特殊用

156点

定时器

100ms

200点

10ms

46点

图3-1三菱FX2N系列PLC

3.2硬件电路设计

3.2.1电机驱动电路设计

电机驱动电路完成各车位驱动电机的动力驱动，电路见附录A所示，电路中详细功能见表3.2所示。

表3-2电机驱动电路器件明细表

图纸编号

器件名称

器件功能

QS01

隔离开关

电路隔离、系统检修

QF01

低压断路器

1#车位控制电机短路保护

QF02

低压断路器

2#车位控制电机短路保护

QF03

低压断路器

3#车位控制电机短路保护

QF04

低压断路器

4#车位控制电机短路保护

QF05

低压断路器

5#车位控制电机短路保护

QF06

低压断路器

控制系统电源短路保护

KM1A

交流接触器

1#车位控制电机正转

KM2A

交流接触器

2#车位控制电机正转

KM3A

交流接触器

3#车位控制电机正转

KM4A

交流接触器

4#车位控制电机正转

KM5A

交流接触器

5#车位控制电机正转

KM1B

交流接触器

1#车位控制电机反转

KM2B

交流接触器

2#车位控制电机反转

KM3B

交流接触器

3#车位控制电机反转

KM4B

交流接触器

4#车位控制电机反转

KM5B

交流接触器

5#车位控制电机反转

FR01

热继电器

4#车位控制电机过载保护

FR02

热继电器

5#车位控制电机过载保护

FR03

热继电器

6#车位控制电机过载保护

FR04

热继电器

7#车位控制电机过载保护

FR05

热继电器

8#车位控制电机过载保护

3.2.2PLC控制电路设计

PLC控制电路是系统控制核心，电路见附录A所示，PLC输入输出地址见表3.3所示。

表3-3PLC输入输出地址分配表

图纸编号

输入地址

功能注释

图纸编号

输出地址

功能注释

SQ01

X00

车位行程_01#

KM1A

Y00

1#车位下降控制（正转）

SQ02

X01

车位行程_02#

KM1B

Y01

1#车位上升控制（反转）

SQ03

X02

车位行程_03#

KM2A

Y02

2#车位下降控制（正转）

SQ04

X03

车位行程_04#

KM2B

Y03

2#车位上升控制（反转）

SQ05

X04

车位行程_05#

KM3A

Y04

3#车位下降控制（正转）

SQ06

X05

车位行程_06#

KM3B

Y05

3#车位上升控制（反转）

X06

KM4A

Y06

4#车位右移控制（正转）

X07

KM4B

Y07

4#车位左移控制（反转）

SB01

X10

1#车位选择按钮/手动点动

KM5A

Y10

5#车位右移控制（正转）

SB02

X11

2#车位选择按钮/手动点动

KM5B

Y11

5#车位左移控制（反转）

SB03

X12

3#车位选择按钮/手动点动

Y12

SB04

X13

4#车位手动点动

Y13

SB05

X14

5#车位手动点动

Y14

X15

Y15

SB06

X16

取车位控制按钮

Y16

SB07

X17

存车位控制按钮

Y17

SB00

X20

系统紧急停止

HL01

Y20

1#车位有车指示

SA01

X21

手动/自动工作方式

HL02

Y21

2#车位有车指示

SA02

X22

车位正/反转点动方式

HL03

Y22

3#车位有车指示

X23

HL04

Y23

4#车位有车指示

X24

HL05

Y24

5#车位有车指示

X25

HL06

Y25

系统手动指示

X26

HL07

Y26

系统自动指示

FR

X27

车位故障输入

HL08

Y27

系统故障指示

4系统软件设计

4.1软件结构设计

系统PLC程序结构如图4-1所示。

PLC程序由：

主程序、手动子程序、自动子程序和公共子程序构成。

主程序：

主程序完成系统工作方式、急停处理子程序调用等工作；

手动子程序：

完成系统手动控制；

自动子程序：

完成系统1、2、3车位的自动存取控制；

公共子程序：

完成系统手动和自动的汇合输出控制；

图4-1PLC程序结构

4.2PLC程序设计

4.2.1主程序设计

下位机PLC主程序主要完成系统的紧急停止处理以及子程序的调用。

详细内容如下：

（1）系统紧急停止程序段：

系统紧急停止程序段如图4-2所示，系统紧急停止由按钮停止和故障停止构成，X21为系统紧急停止按钮当按下X20时通过MOV指令将输出寄存器Y00—Y27清零实现，X27为系统电机故障输入，其输入逻辑为反逻辑（输入常闭）因此当断开的瞬间将输出寄存器Y00—Y27清零，同时点亮Y27故障指示。

图4-2系统紧急停止处理程序段

（2）子程序调用程序段：

子程序调用通过CALL指令实现，以手动子程序调用为例，如图4.3所示当X21断开时为手动工作方式通过CALL指令实现对P0手动子程序的调用，同时点亮手动工作指示灯Y25。

图4-2系统紧急停止处理程序段

4.2.2手动子程序设计

手动子程序用于系统故障时以及调试检修等工作使用，手动控制由SB01—SB05五个车位点动控制按钮和一个点动方向转换开关SA02构成。

SA02用于调整点动方向控制在配合SB01—SB05实现各车位的上升、下降、左右移动等控制。

手动操作内存缓存地址见表4-1所示。

表4-1手动操作程序缓存地址分配表

编号

地址

功能

手段缓存

M100

1#车位下降控制（正转）

M101

1#车位上升控制（反转）

M102

2#车位下降控制（正转）

M103

2#车位上升控制（反转）

M104

3#车位下降控制（正转）

M105

3#车位上升控制（反转）

M106

4#车位右移控制（正转）

M107

4#车位左移控制（反转）

M110

5#车位右移控制（正转）

M111

5#车位左移控制（反转）

手动控制原理以5#车位的左右移动为例，见图4-3所示当SB05（X14）按下时通过SA02（X22）识别正反转控制，在控制M110和M111，在通过公共子程序输出到Y寄存器实现手动控制。

图4-35#车位手动左右移动控制程序段

4.2.31#车位自动程序设计

1#自动子程序（P1）工作流程见图4-4所示，其工作原理为逆序出车位，顺序回车位控制思路，程序控制缓存地址见表4-2所示。

图4-41#车位自动程序工作流程

表4-21#车位自动程序工作缓存地址分配表

编号

地址

功能

1#存取

M210

5#右移

M211

4#右移

M212

1#下降

M219

1#取出完成

M220

1#上升

M221

4#左移

M222

5#左移

1#自动子程序控制过程以5#车位右移动→到位停止→4#右移为例，见图4-5所示，当D10等于1并取车按钮按下（X16）时M210置位5#车位右移动，当碰触6号车位行程时停止，同时启动4#车位右移动（M211）由此实现顺序控制。

图4-51#车位5#车位右移动→到位停止→4#右移程序段

4.2.42#车位自动程序设计

2#自动子程序（P2）工作流程见图4-6所示，其工作原理为逆序出车位，顺序回车位控制思路，控制原理同1#车位。

程序控制缓存地址见表4-3所示。

表4-32#车位自动程序工作缓存地址分配表

编号

地址

功能

2#存取

M310

5#右移

M311

2#下降

M319

2#取出完成

M320

2#上升

M321

5#左移

图4-62#车位自动程序工作流程

4.2.53#车位自动程序设计

3#自动子程序（P2）工作流程见图4-7所示，其工作原理为逆序出车位，顺序回车位控制思路，控制原理同1#车位。

程序控制缓存地址见表4-4所示。

表4-44#车位自动程序工作缓存地址分配表

编号

地址

功能

3#存取

M410

3#下降

M419

2#取出完成

M420

3#上升

图4-73#车位自动程序工作流程

4.2.6公共程序设计

公共子程序（P4）完成系统车位有无车指示和自动手动汇合输出构成。

车位指示灯的控制以2#车位为例，见图4-8所示当SQ02（X1）接通时表示有车，同时Y21输出（HL01）由此实现车位指示。

图4-82#车位有无车指示控制程序段

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自动和手动的汇合输出以2#车位的下降为例，见图4-9程序段所示，当M102（手动下降）接通时Y002接通，或M31