基于PLC的立体车库控制系统设计.docx
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基于PLC的立体车库控制系统设计
PLC实训设计任务书
论文题目
基于PLC控制的立体车库系统的设计
姓名
专业、年级
指导教师
任务下达日期
2016.6/30
一.实训的主要内容
根据实际要求，以S7-200型PLC为核心，设计立体车库控制系统。
设计控制系统硬件电路，编写软件控制系统程序，目的是掌握PLC控制的基本原理、直流电机、传感器等器件的原理及使用。
二.实训报告任务
车库模型以205实验室的立体车库模型为准
立体停车库实物教学实验装置的主要结构分为控制柜和停车库模型两部分。
控制柜部分由按键显示板、信号接口板电气
控制板几部分组成停车库模型部分由停车层模型和停车盘模型组成。
停车层分为上中下三层上层有四个车位共有四个车盘可停放四辆汽车
模型从左到右分别是1号位2号位3号位4号位简记符为3-1、3-2、
3-3、3-4中层有四个车位共有三个车盘可停放三辆汽车模型从左到右
分别是2-1车盘2-2车盘2-3车盘下层有四个车位共有三个车盘可停
放三辆汽车模型从左到右分别是1-1车盘1-2车盘1-3车盘。
对立体车库的控制可以有两种方法
第一种是由现场操作人员通过相应的按钮控制立体车库设备的动作
第二种是根据实际的生产工艺要求编制出控制程序按照现场要求来控制
立体车库设备的动作。
按下存车按钮选择存车位置。
如果选择的车位上已有车停放将发出警示信
息。
该警示信息可以通过控制系统点亮警示灯或发出警示声来实现。
如果选择的
车位上无车系统将做如下动作
如果选择存放1-1号车位汽车进入车库。
当检测到光电开关的信号后表
明车辆己经进库。
如果选择存放1-2号车位载车盘1-1右移载车盘1-2下移
到第一层汽车进入车库。
1-2号车位上移到第二层原位停止。
按下取车按钮选择取车位置。
如果选择的车位上没有车停放将发出警示信
息。
如果选择的车位上有车系统将做如下动作
如果选择取1-1号车位的车此时车辆可以离开车库。
当检测到限位开关的
信号后表明车辆已经出库车位1-1车辆出库过程完成。
如果选择取1-2号车
位的车载车盘1-1右移载车盘1-2下移到第一层汽车出库。
车位1-2车辆
出库过程完成上移回原位车位1-2车辆出库过程完成。
三.实训报告要求
（1）写完整实训报告说明书（3000字）。
（2）完成系统硬件配置，合理进行地址分配，列出I/O表，画出接线图。
（3）设计梯形图控制程序，并在仿真软件上调试。
（4）软件仿真调试成功后，到实验室接线调试。
四、实训报告要求进度安排
日期
时间
内容
备注
查资料
确定I/O数量和配置
画程序流程图并软件仿真
实验室调试
实验室调试
指导老师签字：
摘要
立体车库是专门实现各种车辆的自动停放及科学寄存的仓储设施。
随着城市汽车保有量的不断增加，停车难问题己经成为大中型城市的一个普遍现象。
机械式立体车库可充分利用上地资源，发挥空间优势，最大限度地停放车辆，成为解决城市静态交通问题的重要途径。
本课题以较为典型的升降横移式立体车库为研究对象，综合考虑立体车库制造成本和运行效率的双重因素。
本文在对国内外车库现状及发展趋势做了充分调研的基础上，选择四层三列式车库结构为研究模型。
升降横移式立体车库就其组成部分而言，可分为三大部分：
车库结构部分、传动机构部分和控制系统部分。
本文简单介绍了车库的主体结构和特点，对车库的控制系统也作了简单的说明。
在对升降横移式立体车库控制系统的设计中，采用了先进的可编程序控制器（PLC）控制，运用西门子公司的编程软件编制了升降横移式立体车库控制系统的程序，并经调试、运行，证明采用PLC作为控制系统简单易行。
其稳定、可靠、快速、性价比高的特点使得控制系统非常完美。
为了使停车设备满足使用要求，根据国家关于机械式停车设备通用安全要求的标准、升降横移式立体车库的实际，在升降横移式立体车库中使用了一些必要的安全技术，这样保证了车辆的绝对安全，使得整个车库可以安全平稳的运行。
关键词：
立体车库；控制系统；可编程序控制器
ABSTRACT
Stereogarageisthestoragewhichisusedforautomaticparkingandscientificstorageofkindsofautomobile.Asthequantityofurbanautomobilehasincreasedcontinuouslyinnowadays,thehard-to-ParkProblemhasbecomeacommonphenomenon.Mechanicalstereogaragecanuselandresourcesufficientlyandbringspaceadvantageintoplay,andmaximizethenumberofparkingcars.Ithasbecomeanimportantwayforstatictrafficproblemofcities.Theissuestudiesthetypemechanicalparkingsystemwhichnamedup-downandtranslationstereogarage,andregardsofthetwofactorsofcostofmanufactureandoperationalefficiencysynthetically.
Onthebasisofinvestigationoncurrentsituationanddevelopingtrendofgarageindomesticandabroad,wechoosefour-layerandthree-formulisticgaragestructureastheresearchmodel.Accordingtotheformofthedragging-formsofmultiplayerup-downandtranslationear-base,itismadeofthreeparts:
partofear-basestructure、partofdriving-frameworkandpartofcontrolsystem.Thepapersimplyintroducesmainstructureandcharacteristicsofgarageandalsogivesashortintroductiontoitscontrolsystem.ThepaperadoptedPLCascontrolsystemindesigningtheup-downandtranslationstereogarage,PLCsoftwareofSIEMENScompanywasusedtoweavetheprogramofcontrolsystem,throughdebuggingrunning.TheresultprovedthatadoptedPLCascontrolsystemissimpleandeasytorealize.Thecharacteristicofstabilization,credibility,speedinessandhighcapabilitymadethecontrolsystemveryperfection.Inordertosatisfyusingdemandindesignstereogarage,accordingtocriterionofmechanicalparkingsystems-generalsafetyrequirementandthefactsoftheup-downandtranslationstereogaragethePaperintroducedsomesafetytechniquewhichwasusedintheup-downandtranslationstereogarage.ThiscanensureabsolutesafetyforCarandmakethewholestereogaragesafetyandrunningsmooth.
Keywords：
Stereogarage;Controlsystem;PLC
第1章绪论………………………………………………………………………………1
1.1本题设计的背景……………………………………………………………1
1.2本题设计的内容……………………………………………………………2
1.3本题设计的目的及意义……………………………………………………2
第2章系统控制方案的设定……………………………………………………………3
2.1自动化立体车库的描述……………………………………………………3
2.2系统设计的基本步骤………………………………………………………3
第3章立体车库系统硬件方面的设计…………………………………………………4
3.1硬件系统的总体设计………………………………………………………4
3.2PLC控制模块的设计………………………………………………………9
3.3步进驱动模块的设计……………………………………………………10
3.4丝杆驱动模块的设计……………………………………………………14
3.5电气原理图的设计……………………………………………………14
第4章升降横移式立体车库系统软件方面的设计……………………………………15
4.1系统主程序的设计……………………………………………………15
4.2系统子程序的设计……………………………………………………16
参考文献……………………………………………………………………………22
附录1:
电气原理图设计…………………………………………………………23
附录2:
PLC梯形图设计…………………………………………………………2
第1章绪论
1.1本题设计的背景
随着我国城市经济和汽车工业的迅速发展，拥有私家车的家庭越来越多，截至2011年8月底，全国机动车保有量达到2.19亿辆。
其中，汽车保有量首次突破1亿辆。
而早在2000年，全国机动车保有量仅为1249万辆，汽车保有量为625万辆。
通过以上数据可以看出，短短10年里，中国的机动车辆增加了17倍，汽车增加了16倍。
而与此相对应的是城市停车状况的尴尬。
以北京市为例，截止2007年底，市区仅有公共停车场828处，共计车位5.7万个，仅占市区机动车拥有量的8.6％，停车环境与城市规划的矛盾十分突出。
上海的情况也让人无法乐观，仅有的229个地下车库使用面积不足60万平方米，只能满足1.3万辆机动车停放的要求，路边停车渐呈泛滥之势，比例高达64％，而且还有继续上升之势。
据建设部城市交通工程技术中心对全国15个大城市停车现状的调查，城市机动车保有量与停车位之比平均为4：
84：
1，这一比值对于渴望“车者有其位”的车主来说，形式不容乐观。
停车难产生最主要的原因是城市建设规划上的准备不足。
上世纪80年代初期，北京市权威部门对2000年北京汽车发展数的预测仅仅是70万－80万辆，而事实上到新世纪钟声敲响之前，北京市汽车总量则足足比预期多了100万辆，其中私人小客车的数量就高达45万辆。
面对迅速发展的城市车流，停车设施建设的落后也就不足为奇。
据建设部停车技术开发推广中心介绍，北京市停车设施的“欠账”最保守估计应为20－30％。
停车问题是城市在发展过程中出现的静态交通问题，静态交通是相对于动态交通而存在的一种交通形态，二者相互联系，互相影响，停车设施是城市静态交通的主要内容，随着城市的不断发展，各种车辆的不断增加，对停车设施的需求也在不断增加，如果两者之间失去平衡，城市里就会出现停车难的一系列问题。
数据显示，最近几年我国城市机动车辆平均增长速度在15%-20%，而同时期城市停车基础设施的平均增长速度只有2%-3%，特别是大城市的机动车拥有量的增长速度远远超过停车基础设施的增长速度，因此，我们必须重视城市停车难的问题，并积极探求解决的措施。
专家们指出，解决城市静态交通问题，大体分为软硬两种措施。
所谓软措施，就是通过政策法规，限制路面停车，提高停车场利用效率，使部分车主更愿意改乘公共交通工具，以减少机动车对停车场的需求。
而硬措施，主要包括增建停车场，建设地下及立体停车场、利用其它空间满足停车需求。
1.2本题设计的内容
本课题的主要内容是基于西门子S-200系列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,现以典型的地上4×3升降横移式为例,说明停车库的运行原理。
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。
1.3本题设计的目的及意义
作为现代大都市的标志，立体建筑和立体交通都有了显著发展，道路拥挤、车满为患已成为当今快节奏社会中的最不和谐之音，发展立体停车已成为人们的共识。
目前我国经济正处在高速发展时期，随着人们生活水平的不断提高，汽车进入家庭的步伐正在加快，停车产业市场前景广阔。
机械式立体车库既可以大面积使用，也可以见缝插针设置，还能与地面停车场、地下车库和停车楼组合实施，是解决城市停车难最有效的手段，机械车库与传统的自然地下车库相比，在许多方面都显示出优越性。
首先，机械车库具有突出的节地优势。
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，而如果采用双层机械车库，可使地面的使用率提高80％—90％，如果采用地上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，这可以大大地节省有限的土地资源，并节省土建开发成本。
机械车库与地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆的安全，人在车库内或车不停准位置，由电子控制的整个设备便不会运转。
应该说，机械车库从管理上可以做到彻底的人车分流。
在地下车库中采用机械存车，还可以免除采暖通风设施，因此，运行中的耗电量比工人管理的地下车库低得多。
机械车库一般不做成套系统，而是以单台集装而成。
这样可以充分发挥其用地少、可化整为零的优势，在住宅区的每个组团中或每栋楼下都可以随机设立机械停车楼。
这对眼下车库短缺的小区解决停车难的问题提供了方便条件。
当以往的路边、人行道上停车、地下或地面停车场均解决不了上述问题时，采用机械式立体停车设备是一个非常有效的措施。
机械式立体停车设备又名立体车库，它占地空间小，并且可最大限度地利用空间，安全方便，立体车库的设计目的：
是解决城市用地紧张，缓解停车难的一个有效手段。
可以预见立体车库具有非常广阔的市场前景。
第2章系统控制方案的设定
2.1自动化立体车库的描述
目前，立体车库主要有以下几种形式：
升降横移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂直循环式、箱型水平循环式、圆形水平循环式等。
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。
2.2系统设计的基本步骤
立体车库系统设计与调试的主要步骤，如图1所示
图1立体车库控制系统的修订步骤
在本次课题设计过程中主要考虑以下几点：
1．深入的了解和分析立体车库的工艺条件和控制要求。
2．根据立体车库的控制系统的功能要求，确定系统的设计系统结构。
3．根据所设计的场所，选择电动机的类型。
4．根据I/O的点数选择合适的PLC的类型。
5．分配I/O点，分配PLC的输入、输出点。
6．设计立体车库系统的梯形图设计。
7．将程序输入PLC程序进行调试，查出错误，让程序更加完善。
第3章立体车库系统硬件方面的设计
3.1硬件系统总体设计
3.1.1硬件系统结构设计
立体仓库存储系统主要由PLC控制模块、步进驱动模块、丝杆驱动模块、工件推出模块、立体仓库、气源处理组件等部件组成。
系统结构模型如图2所示。
图2立体车库模型
3.1.2精确定位原理
PLC每发出一个脉冲，步进电机转动一个步距角度，X轴步进电机带动X轴丝杆做左右直线运动或Z轴步进电机带动Z轴丝杆做上下直线运动，实现载物台的上、下、左、右运动。
通过控制X轴、Z轴步进电机的脉冲个数，就可以控制载物台在X轴、Z轴上移动的距离，实现载物台在X—Z轴平面的精确定位，从而把物体放到仓库的指定位置。
当PLC输出5000个脉冲时，平移距离为3.125cm（平移距离=步距角×脉冲个数×螺距/360o），输出脉冲10000时平移距离理论值为6.25cm。
3.2升降横移式立体车库的基本结构
升降横移式立体车库由底盘、四层十二车位停车场、运动机械及电气控制等四部分组成。
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。
电气控制是由西门子S-200系列可编程序控制器（PLC）、步进电机驱动电源模块、开关电源、位置传感器等器件组成。
本系统采用滚珠丝杠、滑杠和普通丝杠作为主要传动机构，电机采用步进电机和直流电机，其关键部分是堆垛机，它由水平移动、垂直移动及伸叉机构三部分组成，其水平和垂直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成，伸叉机构由一台直流电机来控制。
它分为上下两层，上层为货台，可前后伸缩，低层装有丝杠等传动机构。
当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，伸叉电机驱动货台向前伸出可将货物取出或送入，当取到货物或货已送入，则铲叉向后缩回。
整个系统需要三维的位置控制。
控制面板上的开关、按钮功能及车位号如图3所示
图3控制面板上的开关、按钮功能及车位号
控制面板上的按钮功能如表1所示
表1控制面板上的按钮功能表
按键号
手动
自动
1
机构水平向左移动
选择1号仓位
2
机构垂直向下移动
选择2号仓位
3
机构水平向右移动
选择3号仓位
4
机构水平向后移动
选择4号仓位
5
机构垂直向上移动
选择5号仓位
6
机构水平向前移动
选择6号仓位
7
无意义
选择7号仓位
8
无意义
选择8号仓位
9
无意义
选择9号仓位
10
无意义
选择10号仓位
11
无意义
选择11号仓位
12
无意义
选择12号仓位
具体的操作步骤如下：
1．手动操作
（1）接通电源。
（2）将选择开关置于手动位置（此时1～6号有效）
（3）分别点动按键←1、2↓、3→、4↙、5↑、6↗，观察水平（X轴）、垂直（Y轴）、前后（Z轴）各丝杠运行情况，运行应平稳，在接近极限位置时，应执行限位保护（运行自动停止）。
注意：
只有X、Y轴运行到相应位置（左侧数码管显示“”）时，伸叉机构方可运行。
2．自动运行
（1）将程序下载到PLC
（2）将选择开关置“自动”位置（通电状态下，各机构复位，即返回零位）。
（3）将一带托盘汽车模型置零号仓位，放置模型时，入位要准确，并注意到仓位底部检测开关已动作。
（4）执行“送”指令
a、选择欲送仓位号，按动仓位号对应按钮，控制面板上的数码管显示仓位号。
b、按动送指令按钮，观察送入动作（若被选择仓位内已有汽车，则该指令不被执行）。
c、指令完成后，机械自动返回。
d、零号仓位已无汽车，则下一个“送”指令（误操作）将不被执行。
（5）执行“取”指令
a、选择欲取仓位号，按动仓位号对应按钮，控制面板上的数码管显示仓位号。
b、按动“取”按钮，观察取出动作（若被选择仓位内无汽车，则该指令不被执行）。
c、指令完成后，机构自动复位。
d、零号仓位已有汽车，则下一个“取”指令（误操作），将不被执行。
（6）演示程序中的其它内容
①当0#仓位上有货物时，若无外部操作指令，“就绪”灯亮，延时15秒后，自动将货物放在仓库号最小的空位上，依次类推。
如1#、2#、3#、4#都已有货物，程序延时15秒，15秒内若无外部操作指令，自动将货物放在5#仓库。
如1#、3#、4#都已存放货物，15秒内若无外部操作指令，自动将货物放在2#仓库。
在延时的15秒内，若按下数字5#，然后按下“送”键，则运行机构将货物放入5#库，若按下5#键后，想取消此操作，可按下“放弃”键。
此时，程序又处在待命状态，“就绪”灯亮，又可进行其它操作。
②当0#仓位上无货物时，若无人操作，“就绪”灯亮15秒后，程序将把数值最大仓库号里的物品转运至没有放货物的仓号比它小的仓库里。
如1#、2#、5#有物，该程序将自动把5#物品转至3#仓库。
操作步骤如下：
“就绪”灯亮时，延时15秒后，程序将自动把5#物品先转至0#仓库，再延时15秒后，自动将货物放在3#仓库。
③当程序运行时，货台上已经货物时，在5秒后，程序将把货台上的物品自动运至没有放货物的最小仓号的仓库里。
3.2PLC控制模块的设计
3.2.1PLC的概述
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器是六十年代末在美国首先出现的，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能，由此日本称它为顺序控制器（SequenceController）。
提出PLC概念的是美国通用汽车公司。
当时，根据汽车制造业生产线的需要，希望用电子化的新型控制器替代继电器控制盘，以减少汽车改型时，重新设计制造继电器控制盘的成本和时间。
随着半导体技术尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到七十年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出组件和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的“PLC”已不再是仅有逻辑（Logic）判断功能了，同时具有数据处理、PID调节和数据通讯功能。
美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManu-factoryAssociation）从1976年开始，经过四年的调查，于1980年把它正式命名为可编程序控制器，简称
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