基于三菱PLC立体车库毕业设计.docx

1、基于三菱PLC立体车库毕业设计基于三菱PLC立体车库毕业设计1 绪论1.1 本课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2012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2001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

2、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。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

3、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。而无论采取什么措施，在规划后再收拾残局，于局限内弥补不足，政府和管理部门所需投入得精力和资金都不小。1.2 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

4、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8090，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

5、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，

6、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。1.3 立体车库在国内外研究发展现状早在50多年前，立体停车就在国外有所发展，先后出现了针对家庭使用的双层停车设备；利用住宅空地建起2-4层升降横移停车设备；适合城市中心商住区使用的停车楼和停车塔；利用广场、建筑物下面的空间建设地下车库。自70年代末起，世界经济高速发展，汽车逐渐普及，拥有量不断增加，迫使地少人多、车多的国家、地区和一些发达国家积极开展了机械式停车技术的研究开发和制造应用。以日本、美国、德国等为代表的发达国家在停车技术领域的研究处于世界领

7、先水平，韩国和我国的港、澳、台地区的停车业也通过引进移植制造，得到了蓬勃发展，较好地解决了本地区的停车难，并开始向外输出技术和出口产品。目前世界停车产业正向多元化发展，其停车技术几乎包含了当今机械、电子、液压、光学、磁控和计算机技术等领域的所有成熟先进技术。机械方面，应用了许多新材料、新工艺。设备结构采用模块化设计，便于组合使用，易于安装拆卸。钢结构选用新型优质钢材，既提高了设备的强度和刚度，又使设备轻巧美观，载车板采用一次成型的镀锌板或彩涂板组装，美观、强韧、耐用。控制技术方面，广泛采用可编程序控制器和矢量变频变压调速闭环控制技术，使运行高速平稳，节省电力，振动和噪音也趋于最小。控制形式有，

8、按钮式、锁匙式、IC卡式、键盘式、触摸屏式、遥控式等。安全元件采用各种光栅显示屏、光电管、机械式行程开关、磁性接近开关、光敏感应开关等，安全保护装置日臻完善，如汽车出入声光引导和定位、汽车尺寸和重量自动识别、限速保护与多重机构互锁、停车泊位自动跟踪、链条和钢丝绳长度超范围报警和弹性变形自动补偿、汽车图象摄影对比安全检测、自动消防灭火系统等。在我国的停车产业发展中还存在一些问题，如没有统一的技术标准；多数产品是仿效或引进国外技术制造，技术水平低；缺少具有一定规模的企业，生产能力不足；市场竞争无序，个别企业为抢占市场，采取低价竞争；缺少科研设计单位的参与，技术创新能力严重不足；政策不配套，对停车产

9、业发展和管理严重滞后等。解决上述问题，需要我们在政策市场、管理和技术多方面做出努力。政策方面应参照发达国家的有关政策法规，规划确定出专用和公共停车位的合理数量，实现投资主体多元化，确定车库的管理属性和停车收费标准，给予投资和经营者相应的优惠政策，使其有利可图。市场方面应建立车库市场运行机制，利用价格杠杆调高占路停车收费标准，逐步消除“路满库空”现象。鼓励按市场规则经营车库，并实施政府监督和政策调控，使停车产业良性发展。1.4 本题设计的内容本课题的主要内容是基于三菱FX2N系列PLC的立体车库控制系统的设计，升降横移类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。由于受收链装置及存

10、取车时间的限制,一般为24层(国家规定最高为4层),2层、3层者居多,现以典型常见的地上33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:最底层只能平移,最顶层只能升降，中间层既可升降也可平移。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,直到下方为空才可执行下降动作,进出车完成后再上升回到原位置。2 系统方案的设定2.1 方案论证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。所以顺应时下的现状立体车库迅速发展起来，其设计也在不

11、断的趋向于完善化，本车库模型系统的设计也有很多不同的方法。我们对车库模型控制作了两种设计方案，并对其进行了研究和讨论方案一：基于单片机的立体车库模型控制系统设计。采用单片机作为主控制器来控制步进电机的控制系统，系统所要设计的控制电路较多，较为复杂。 （1）单片机抗干扰能力比较弱，所以对现场工作环境要求很苛刻。 （2）单片机控制系统开发周期比较长，系统调试耗时比较多。 （3）单片机自身就是弱电驱动，但是对于停车库运行系统来说，执行部件是电机，属强电系统，这就需要由弱电驱动强电，随着驱动环节的增加，系统的可靠性就会下降。 （4）单片机控制系统，其控制程序基本上是汇编语言，汇编语言虽然功能比较强大，

12、但是程序编制工作量比较大。 因此，单片机在升降横移式立体停车库控制系统中的应用现在还不成熟，只是停车库系统研究开发的一个方向。方案二：基于PLC立体车库模型控制系统设计。它具有很多其他设计方法不可比拟的优点： （1）可靠性高、环境适应性强：可编程控制器输入/输出端口均采用继电器和光电耦合器件，采取了隔离和抗干扰措施，所以具有很强的抗干扰能力。（2）通用性好：由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU模块、电源模块、PID模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性。 （3）使用方便、灵活：对于不同的控制

13、系统，当硬件结构选定后，如果输入/输出作很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线做较大的修改，减少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。 （4）具有顺序、周期性的工作特征。（5）体积小：由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化。 综上所述：我们选择方案二，即PLC作为设计中的主控制系统，能够更好的满足设计要求，达到设计的目的。2.2 自动化立体车库常见形式目前，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、技术难度以及市

14、场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，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。 2.3 升降横移式立体库控制系统整体方案 升降横移式立体停车库是一种比较典型的跨学科机电一体化产品，集机械、电子、信息和电气技术于一体。升降横移式立体停车库的控制系统是整个车库系统的核心组成部分。如果说执行机构是“四肢”，框架是“区体”，那么控制系统就是“大脑”。它指导着车库的每个运作过程，并对整个系统的状态过程进行监控。 图1 立体车库系统控制整体框图升降横移式立体停车库的系统控制原理:操作者(人)要通过控制系统信息交流

15、的平台(界面)把操作信息传送给控制系统，经经系统处理后，然后系统把可识别的控制信息通过控制设备（PLC）来驱动执行结构，进而完成车库现场的运作。同时该动作的信息通过检测装置传送到检测系统，经处理后反馈到控制系统的监控界面，这样操作者就可以直观的看到车库现场的运行实况了，由此 可以使车库更安全的运行。整个系统控制原理框图，如图1所示。3 立体车库机械部分设计3.1 立体车库的基本结构3.1.1 升降横移式立体车库的工作原理 升降横移式立体车库每个车位都有载车板，车辆停在载车板上，最下层的载车板只做左右横移，不能升降，中间层车位可以左右横移和升降，上层车位只能升降，不能横移，若中间层车位需要存取车

16、，则需下层车位移出空位，才能降至底层，上层车位需要存取车，则需要中间层车位和下层车位移出空位方能下降至底层。存车时，当载车板到位后，驾驶员将车开上载车板后下车离开，中间层和上层载车板升至所在层位；取车时，下层车位直接开出，上层和中间层则是载车板降至底层后，等驾驶员进入车库开走汽车后，载车板回至所在层位。下图为一个地上33型七车位的升降横移式立体车库，其工作原理是:上层载车板可以做升降运动，中间层载车板可以做升降运动和横移运动，下层载车板只能做横移运动。通过中间层和下层的空位，利用载车板横移变换空位，将汽车停到上层或降至下层，第一层的汽车可直接开进和开出，无需变换位置。 图2 七车位升降横移式立

17、体车库工作原理图 如图2所示：1 、2号车位可以直接存取车辆；7 号车位需下降后再存取车辆；3 号车位，则需先将1 号和2号载车板右移，再将3号载车板下降后才能存取车辆； 4号车位，则需先将2号载车板右移，再将4号载车板下降后才能存取车辆；5号车位需要先将1、2、3、4号四个载车板右移，再将5号载车板下降后才能存取车辆；6号车位则需要先将2、4号载车板右移，再将6号载车板下降后才能存取车辆。 升降横移式立体车库对场地的适应性很强，所以可根据不同的地形和空间进行相应的构建，规模可大可小，对场地的要求比较低，因此应用非常广泛。3.1.2 立体车库主要机械构件及其功能 33型升降横移式立体车库，其主

18、要有六大部分组成，分别是：结构框架部分，载车板部分，横移系统，升降系统，控制系统，安全防护系统。 1框架 立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主，在本文中，选择用钢结构。钢结构一般在专业工厂制造，易实现机械化，生产效率和产品精度高，质量易于保证，是工程结构中工业化程度最高的一种结构。构件制造完成后，运至施工现场拼装成结构。拼装可采用安装方便的螺栓连接，有时还可在地面拼装成较大的单元，再进行吊装。施工工期短，可尽快发挥投资的经济效益。由于钢结构具有连接的特性，故易于加固、改建和拆迁。 2一层载车板横移传动系统 第一层车位设置在地面上，汽车的存取可以直接在对应的位置进行，车辆驶上载车板后，只能实

19、现水平移动的方式。 传动方式为电动机带动主动链轮，使链条带动从动链轮从而带动主轴，进而驱动行走轮带动载车板在导轨上做横移运动，采用这种链传动方式与齿轮齿条传动方式相比，结构简单，成本低。同样可以达到传动准确，效率高的目的。 3二层载车板升降横移传动系统 第二层车位是由一个横移矩形框架及一个悬挂载车板组成，汽车驶上载车板后不光要进行横移运动，还要进行垂直升降运动。 横移传动方式为：横移电动机带动横移主动链轮，使链条带动横移从动链轮从而带动横移主轴，进而驱动行走轮带动横移框架，实现二层载车板的横移运动做横移运动。 升降传动方式为：升降电动机带动升降主动链轮，使链条带动升降从动链轮从而带动升降主轴，

20、进而驱动升降链轮带动升降链条，从而带动载车板，实现二层载车板的垂直升降运动。 4三层载车板垂直升降运动的传动系统 第三层车位是由一个焊接在立体车库骨架上的框架和一个悬挂载车板组成的。当汽车驶上载车板后，只能进行垂直升降运动。 升降传动方式为：电动机带动主动链轮，使链条带动从动链轮从而带动主轴，进而驱动升降链轮带动升降链条，从而带动载车板，实现二层载车板的垂直升降运动。 5安全装置 在立体车库上层停车位和下层停车位的纵梁处装有上下行程限位开关，在中间层和底层车库横梁两端装有左右行程限位开关。上载车板上装有防坠落安全装置，防坠落安全装置安装在纵梁和上载车板停泊位置之间，在纵梁两边各安装两只电磁铁控

21、制的挂钩，载车板两侧相应位置装两只勾环，当上载车板上升到位后，纵梁上安装的四只挂钩便会自动勾住四只勾环，以防止当升降电机制动器失灵后，上载车板汽车和上载车板坠落，从而压毁下层的汽车。行程限位开关的作用是当载车板到达位置是自动停止。6控制系统 升降横移式立体车库的控制系统采用PLC控制，主要有自动，手动和急停三种控制方式，立体车库一般采用自动控制方式工作，当出现紧急异常的情况时候使用急停控制。3.2 立体车库中的安全防护装置车库是用来存放汽车的，汽车由人驾驶而且汽车的价格是很昂贵的，所以车库一旦发生事故，所造成的人员和经济损失会很大，所以，我们要将事故防范于未然。为此车库的安全防护措施应该做到以

22、下几点，并安装相应的防护设备。 1. 急停措施：在控制盒上安装红色的紧急停止开关，当发生异常情况时，按下急停开关能使立体车库立即停止运转。2阻车装置：为了防止汽车在载车板上发生滑动，应该在载车板后端和前端安装一高25mm以上的阻车挡块，司机在停车时应将汽车停在载车板合适的位置上，并拉好手刹。3限位保护：立体车库的载车板在升降和横移过程中是靠定位开关来定位的，为了防止定位开关出现故障而导致事故，所以在上升定位上方，下降定位下方，左移定位左边，右移定位右边分别装有限位开关。当定位开关出现故障时，一旦限位开关触碰到载车板时，限位开关立即使车库停止工作。4载车板固定装置：当载车板到达指定位置后，为防止

23、载车板下滑或因故坠落，损害其下方的车或人，所以安装电磁铁控制的挂钩形式的防坠装置。当载车板停靠到位时，电磁铁由通电状态转为失电状态，驱动挂钩勾住铁环。当载车板要下脱离铁环。电磁铁由失电状态转为通电状态，按下急停按钮使车库立即停止。4 立体车库控制系统硬件设计4.1 电气控制系统整体设计整个车库由一台PLC对其进行管理和监控，由PLC来控制载车板升降横移传动装置，完成车辆的存取操作，各车位车辆的存取由PLC根据当前各车位的停放情况，按照相应的策略来调动载车板，以存取车辆。4.2 硬件系统配置4.2.1 PLC概述 1. PLC的分类通常，PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。按结构形式不同

24、, 可以分为整体式和模块式两类。按控制规模大小、则可以分为小型、中型和大型PLC三种类型。 2. PLC系统的组成PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似。PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。 3. PLC的硬件结构一套PLC系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口、内部电源）、I/O扩展单元及外部设备组成。图3为PLC的硬件内部结构图。图3 PLC的硬件内部结构图 图3为三菱FX2N小型PLC产品主机示意图。本课题中FX2N80MR为基本单元，(40个输入点、40个输出点)，M表示基本单元、R表示

25、该单元为继电器输出型。4.2.2 PLC的工作方式开始内部处理通信处理RUN方式？输入扫描程序执行输出处理NY 1. PLC的扫描工作方式图4 PLC的扫描过程可编程序控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地重要进行。可编程序控制器工作时的扫描过程如图4所示，包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。输入端子输入映象寄

26、存器输出映像寄存器输出锁存器输出端子输入 .输出程序执行阶段输入采样阶段输出刷新阶段X001Y001Y001M1读读 图5 PLC的程序执行过程2. PLC的程序执行过程 PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段，如图5所示。4.3 其他硬件资源配置 1. 继电器和接触器在立体车库中，由于载车板的运行过程并不是连续的，而是根据按钮操作进行动作的，因此需要PLC根据当前按钮的情况来控制载车板的启动和停止，在本系统中，需要用到18个接触器，分别是：1号载车板左移接触器，1号载车板右移接触器，2号载车板左移接触器，2号载车板右移接触器，3号载车板左移接触器，3号载车板

27、右移接触器，4号载车板左移接触器，4号载车板右移接触器，3号载车板上升接触器，3号载车板下降接触器，4号载车板上升接触器，4号载车板下降接触器，5号载车板上升接触器，5号载车板下降接触器，6号载车板上升接触器，6号载车板下降接触器，7号载车板上升接触器，7号载车板下降接触器。用到了一个继电器，用来控制PLC的启动。 2. 电动机三相异步电动机的工作原理：当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，

28、驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。 3. 传感器 （1）载车板平移运动是否到位检测只有下层载车板有平移运动，在每个车位上分别安装有限位开关，用于检测载车板平移运动是否到位。（2）载车板升降是否到位检测只有上层载车板有升降运动，在每个载车板垂直运动的轨道上，在低层和上层分别安装一只限位开关，用于检测载车板下降和上升是否到位。其中，各个限位开关都是自动复位式。 4. 控制点分布 （1）一层载车板左右平移控制。一层载车板有两个，每个载车板只有左右移动两个动作。（2）二层载车板升降横移运动控制。二层载车板有两个，每个载车板有横移、升降四个动作。（3）三层载车板升降运动控制。三层载车板

29、有三个，每个载车板只有升降两个动作，采用带自动抱闸的三相交流电机控制。（4）只有二、三层的载车板使用吊钩，每个载车板用2 套吊钩，吊钩用电磁铁控制。5 立体车库控制系统软件设计5.1 PLC的特点及选型1.可靠性高，抗干扰能力强 （1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。 （3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

30、（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2.通用性强，控制程序可变，使用方便PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。3.功能强，适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一

31、个生产过程。4.编程简单，容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。5.减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调

32、试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低，具有强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。综上所述，根据控制系统的要求，从经济性，实用性和可靠性等方面考虑，本次采用三菱FX2N-80MR-001型PLC作为控制系统的核心控制器。本控制器集成了40点输入,40点输出，共有80个数字量I/O口。而本次控制系统需要24个输入点和22个输出点，所以，选用三菱FX2N-80MR-001型PLC可以满足课题需要，而且也保证了I/O口的使用裕量，可以