基于PLC的立体车库控制系统设计

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1、毕业设计（论文）基于PLC的立体车库控制系统设计中 文 摘 要随着汽车的日益增多，尤其是在人口密集的大都市，解决停车难的问题显得尤为迫切。全自动立体车库作为智能建筑的一部分以其高效、快速、安全等特点成为解决都市停车难问题最有效的途径。立体车库控制系统是实现车库安全、高效率运行的关键。设计了立体车库分布式控制系统，开发了车库控制软件，并就其可靠性和控制策略、方法进行了研究，主要内容如下： 1在分析立体车库运行特点的基础上，得出了立体车库的分级分布式控制的控制思路，设计了立体车库分布式控制系统。 2结合车库系统的功能及运行特点，设计了各层的子控制器，设计了收费管理模式，确定了主机与子机之间的通讯过

2、程和通讯协议。 3对车库控制系统进行了逻辑分析，提出了确定车库系统可靠性的系统模型及计算方法并对整个系统进行了可靠性分析，确保了系统运行的可靠性。 4根据车库车流的特点，对车库在不同控制策略下能耗及存取总时间进行了计算机数学仿真，并根据仿真结果对控制策略进行了优化。 5设计实验仿真方案和控制策略仿真软件，离线及在线逻辑调试，并对存车过程进行了实验室。本文设计了一种垂直提升平移式立体车库的自动控制系统，详细介绍了系统结构、工作原理、软件实现和四角平层控制方案，分析了系统的控制流程和PLC控制的梯形图。本系统采用PLC、计算机结合组态画面监控，按动按钮或控制组态画面即可完成汽车存取过程，操作简单，

3、存取方便。控制电路部分采用交流接触器传统方式，使运行安全可靠。设计采用可分组合，模块式安装，方便灵活，具备维护使用方便，造价低等特点。关键词：立体车库 可编程控制器 组态监控目 录 毕 业 设 计（论文）任 务 书2中 文 摘 要41 引言5(一）升降横移式6（二）巷道堆垛式62 三菱PLC简介72.1 三菱FX2N 系列PLC的性能指标和分类72.2可编程序控制器的工作方式及编程语言83双层立体车库功能介绍103.1立体车库系统组成103.2 PLC核心控制部分113.3 立体车库控制要求114. 立体车库系统设计124.1 PLC选择124.2 I/O口分配124.3 PLC外部接线端口图

4、134.4 车位检测部分134.5 手动控制部分144.6 软件设计14结论与讨论15参考文献16附录1: 立体车库原理图19附录2.立体车库总程序191 引言 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，立体停车设备的发展在国外，尤其在日本已有近3040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，距今已将近二十年的历程。由于很多新建小区内住户与车位的配比为1:1，为了解决停车位占地面积与住户商用面积的矛盾，立体机械停车设备以其平均单车占地面积小的独特特性，已被广大用户接受。机械车库与传统的自然地下车库相比，在许多方

5、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，这可以大大地节省有限的土地资源，并节省土建开发成本。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

6、供了方便条件。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。(一）升降横移式升降横移式立体车库采用模块化设计，每单元可设计成两层、三层、四层、五层、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。（二）巷道堆垛式巷道堆垛式立体车库采用堆垛机作为存取车辆的工具，所有车辆均由堆垛机进行存取，因此对堆垛机的技术要求较高，单台堆垛机成本较高，所以巷道堆垛式立体车库适用于车位数需要较多的客户使用。垂直提升式立体车库垂直提升式立体车库类似于电梯的工作原理，在提升机的两侧布置车位，一般地面需一个

7、汽车旋转台，可省去司机调头。垂直提升式立体车库一般高度较高（几十米），对设备的安全性，加工安装精度等要求都很高，因此造价较高，但占地却最小。（三）垂直循环式 产品特点： 1)占地少，两个泊位面积可停610辆车。 2)外装修可只加顶棚，消防可利用消防栓。 3)价格低，地基、外装修、消防等投资少，建设周期短。 4)可采用自动控制，运行安全可靠。 本课题以二层五车位为研究对象,采用三菱FX2N-48MR为控制元件,进行模拟,结合所学专业知识,成功的设计出二层五车位PLC控制系统.由于本人水平有限，本设计中难免有不当和错误之处，恳请各位老师批评指正。（四） 垂直循环式 产品特点： 1) 占地少，两个泊

8、位面积可停610辆车。 2) 外装修可只加顶棚，消防可利用消防栓。 3) 价格低，地基、外装修、消防等投资少，建设周期短。 4) 可采用自动控制，运行安全可靠。二、立体车库自动控制系统： 现代大型建筑的主流是智能化大厦和小区，因此自动化立体停车设备或车库的自动控制系统将成为智能化大厦和小区的一个重要组成部分。操作简单、迅速，使用方便，安全可靠，维护量小，为用户提供一个安全、简易的使用环境，这是自动化立体停车设备的基本特点。停车设备的一切运行状况，车辆停放的时间，车辆存放交费情况，车库库容量，车辆存放高、低峰情况，等信息均可通过网络传送到智能化控制中心，通过智能化控制中心运算处理，与广播系统和各

9、分部管理办公室相连，达到提前发布相关控制、管理信息，从而全部实现智能化管理。通过大厦和小区的智能化控制中心还可与社会相关职能部门联网，将有关信息发布出去或收集进来，扩大车库的社会利用率和经济效益。这将是自动化车库的发展方向。 立体车库自动化控制系统主要包含以下五个子系统：自动收费管理系统，自动存取车系统，远程诊断系统，自动道闸， 监控安保系统。 以上子系统均由中央控制室统一控制，可为客户规划停车库管理形式，发布车库库存容量，控制车流方案。 （一）自动收费管理系统 自动收费采用非接触式IC卡。IC卡分长期卡与储值卡两种。对固定用户，发行长期卡，费用可在固定用户交纳管理费用时一并交纳；对临时用户，

10、发行储值卡，即：用户交纳的费用存在卡内，每次停车读卡自动从卡中扣除费用。 （二） 自动存取车系统 自动存取车系统一般由小型可编程控制器PLC控制，包括卡号识别与移动载车盘两个过程。用户进入车库时，在门口刷卡进入，读卡机自动把数据传送到PLC控制系统，PLC系统通过判断卡号，自动把对应的载车盘移动到人车交接的位置，开启车库门，缩短存取车的时间。存车时，司机按照指示灯信号指引入库，只有当车辆停放在安全位置后，停车正常指示灯才会亮启。存取车完成后，车库门自动关闭。移动载车盘时，系统严格按照各种检测信号的状态进行移动，检测信号包括超长检测、到位检测、极限位置检测、人员误入检测、急停信号检测等。若有载车

11、盘运行不到位或车辆长度超出车库允许的长度，所有载车盘将不进行动作，若检测到急停信号，将停止一切动作，直至急停信号消失。以上信号均为硬件信号，除此之外，还可从控制软件中设置保护信号，比如时间保护，以保证因硬件损坏而导致信号失灵时保证主体设备及车辆的安全。 （三）远程诊断系统 现场控制器可以通过网卡、Hub等网络设备与控制中心的局域网相连接，可以通过MODEN实现远程管理，监测现场运行情况，当现场出现故障时，在控制中心即可进行解决，方便管理人员、安保人员异地办公。 （四）自动道闸 在车库出入口处各设非接触式读卡器、感应线圈及道闸，用户在车库出入口处刷卡后，系统自动判别该卡是否有效，若有效，则道闸自

12、动开启，通过感应线圈后，自动栅栏自动关闭；若无效，则道闸不开启，同时声光报警。 （五）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。2 三菱PLC简介2.1 三菱FX2N 系列PLC的性能指标和分类1) PLC的主要性能指标l 输入输出点数（IO点数）IO点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。l 存储容量存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量，一般以步为单位，二进制16位即一个字为一步。l 扫描速

13、度一般以执行1000步指令所需时间来衡量，单位为ms/k步，也有以执行一步指令所需时间来计算的，单位用s/步。l 功能扩展能力可编程序控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如AD模块、DA模块、位置控制模块等。l 指令系统指令系统是指一台可编程序控制器指令的总和，它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要指标。2) 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, 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。1. 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

14、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。1) 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、输入输出接口、内部电源）、IO扩展单元及外部设备组成。图2-1为PLC的硬件结构图。输入电路CPUEPROMRAM输出电路基本单元内部电源扩展I/O接口各种外设接口输出信号现场输入信号主机编程器打印机PC机输入电路输出电路扩展单元输出信号扩展连接电缆至其他扩展单元现场输入信号图2-1 PLC的硬件结构图图2-2为三菱FX2N小型PLC产品主机示意图。本课题中FX2N48MR为基本单元，(24入、16出)，M表示主机、R表示该单元为继电器输出型

15、。2.2可编程序控制器的工作方式及编程语言1. 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NY1) PLC的扫描工作方式 图2-3 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2-3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

16、关。2) PLC的程序执行过程输入端子输入映象寄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2-4所示。图2-4 PLC的程序执行过程3) PLC的扫描周期在PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。4) PLC的IO响应时间PLC采用集中IO刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号

17、发生变化，输入映像寄存器区的内容也不会改变，还会影响本次循环的扫描结果。输出信号的变化滞后于输入信号的变化，这产生了PLC的输入输出响应滞后现象，最大滞后时间为2-3个扫描周期。3 双层立体车库功能介绍3.1立体车库系统组成系统主要由：PLC、组态监控部分、电气传动部分、检测部分、手动控制部分、支架模型系统图见(2.1-1)：图2.1-13.2 PLC核心控制部分系统核心部分采用三菱FX2N-48MR为控制元件，它是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程控制器。它的基本指令执行时间高达0.08us，远远超过了很多大型可编程控制器。它功能强大实用，价格便宜，工作稳定可靠，24点输入，16点输出

18、，采用继电器输出形式，可驱动交直流负载，负载电流在2A左右。220V AC供电。并且输入端内部自带24V直流电源，还可为负载提供直流电源。3.3 立体车库控制要求 本系统通过检测车位运行状态和其它参数，控制电机轮流工作，合理调度电机运行。系统通过计算机以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地 反映系统工作状态以及车位位置等 参数，并通过PLC通讯模块与监测监控主机实现数据交换，该系统具有运行可靠、操作方便 、自动化程度高等特点。如图2.3-1图3.1-1 号车位、2号车位、3号车位只能上下移动，不能左右移动； 4号车位、5号车位只能左右移动，不能上下移动； 下排车位上的汽车可以直接开

19、出； 上排车位的汽车，要想开出需要先按下相应车位标号呼叫按键，再按下叫车按键，然后下排车位先左右移动，让出位置，上排车位降至下层，再进出车辆。 4 立体车库系统设计4.1 PLC选择本系统采用三菱公司的型号为FX2N-48MR的PLC,是一种具有结构紧凑、抗干扰能力强、使用方便、同类产品价格便宜等优点。随着电子科技发展及产业应用之需要，PLC的功能也日益强大，例如位置控制及网络功能等。4.2 I/O口分配针对本课题要求，我们规定了PLC输入点分配。其中，X0到X2为呼叫开关；X3到X6为功能开关；X10至X20为限位开关。1号车位上限开关X103号车位下限开关X202号车位上限开关X111号车

20、位呼叫开关X03号车位上限开关X122号车位呼叫开关X14号车位上限开关X133号车位呼叫开关X25号车位上限开关X14 复位开关X36号车位上限开关X15叫车开关X41号车位下限开关X16停止开关X62号车位下限开关X17关于输出点的定义，它们两两成对，构成控制交流接触器吸合条件。1号车平台上升Y01号车平台下降Y12号车平台上升Y22号车平台下降Y33号车平台上升Y43号车平台下降Y54号车平台左移Y64号车平台右移Y75号车平台左移Y105号车平台右移Y114.3 PLC外部接线端口图系统外部接线如图：:图4.3-1根据I/O分配,及电路原理图：4.4车位检测部分FX2N-48MR可编程

21、控制器采用直流输入形式，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600，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直流电源上串联了一个200/1W的大功率电阻。立体车库共有6个上下到位检测光电对管和3个左右到位检测光电对管，总驱动电流为9*30mA=270mA，小于可编程控制器24V直流电源的最大输出电流，满足设计要求。45手动控制部分程序所用状态元件、定时器及数据存储器均选用具有掉电保护功能的元件,当系统掉电时元件保持掉电前的状态,以保存现场信息,待上电后继续

22、完成被中断的动作;当发生意外情况时,按下急停按钮中止系统的运行并保存现场断点信息;当出现如电机过载、过热电气或机械故障时,自动中止系统的运行,并发出声光报警,同时系统转入手动方式进行故障处理。考虑到组态控制可能出现上述问题，系统也设计了最基本的手控控制，设计了车库上层三个车位的选择按钮、呼叫车位按钮和复位按钮，并且考虑到如果车位动作出现错误，设计了急停按钮，这样能使车库系统无论处于何种运行状态都能立即停止运行，避免事故的发生。4.6 软件设计PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其中前两种语言用得较多，顺序功能图语言也在许多场合被采用。本设计所采用的编程语言为梯形图语言。

23、梯形图程序： 5 结论与讨论近几年，随着人民生活水平的提高，及汽车价格的一降再降，有车在老百姓看来已是越来越平常的事。可是，如果你住在一些较老的小区，会发现，买车容易，停车可就难了；更有甚者，有些人为了能在市中心上班地找到一个泊车位，不得不比挤公车起得还早。为什么会这样，这既有历史原因，人们没想到国人会如此快的拥有自己的家庭轿车，也有中国过于太快的城市化，使城市本就薄弱的基础设施捉襟见肘，所以，国家不能承受城市无限度的外扩，也就不允许在每个建筑外面留下大块的空地作为停车场。因此，“车库”是大中城市的热门话题，国家经贸委将“城市立体车库”列为“近期行业技术发展重点”，随着家用汽车的不断增加，公共

24、场所及社区内存车矛盾、车挤绿地的问题将会越来越突出，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，机械自动化立体车库将会在新开发的楼盘及商业里大显身手。 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。目前市面上常见的机械式立体停车库有：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

25、对优势的市场份额。本文介绍了立体车库发展状况以及立体车库的主要功能与优越性，并进一步结合给出了一个物业小区内地下三层升降横移式立体车库的设计与实现方案的实践操作来阐述PLC的应用。升降横移类立体车库的控制系统通过采用PLC和Profibus现场总线控制,使整个控制系统的可靠性大大提高,满足了车库的控制功能与使用性能的要求,完全实现了进出车的智能控制。系统还在硬件设计上采用了手动、半自动和全自动多级冗余控制方式,配合软件/硬件连锁保护,大大提高了系统的可靠性;同时,由于PLC软件设计上的优化处理,使得本系统对于车位的扩展实现较为简便;此外,软件设计还采用了“并行分支与汇合”的技巧,从而大大缩短了

26、进出车时间,提高了工作效率。同时，本文还介绍了基于可编程控制器(PLC)和Profibus总线的车库控制系统,简述了多层升降横移立体停车库工作原理和结构特点，通过PLC软件设计及其优化,实现了立体车库的自动控制。升降横移类立体车库的控制系统通过采用PLC和Profibus现场总线控制,使整个控制系统的可靠性大大提高,满足了车库的控制功能与使用性能的要求,完全实现了进出车的智能控制。系统还在硬件设计上采用了手动、半自动和全自动多级冗余控制方式,配合软件/硬件连锁保护,大大提高了系统的可靠性;同时,由于PLC软件设计上的优化处理,使得本系统对于车位的扩展实现较为简便;此外,软件设计还采用了“并行分

27、支与汇合”的技巧,从而大大缩短了进出车时间,提高了工作效率。本文的一些观点和实际操作是根据具体的实际情况不同而不同，存在一定差异性，还有就是希望能多和同行业的同仁通交流探讨。参考文献1 李雪雪, 柯尊忠. PLC在立体车库自动控制中的应用研究 J .机电产品开发与创新, 2003 (3)2 郭建江, 于有生. PLC 在塔式立体车库控制系统中的应用 J . 机电工程技术, 2003 (5)3 郑晟, 巩建平. 现代可编程序控制器原理与应用 M . 北京: 科学出版社, 19994 赵跃华. 可编程序控制器及其应用 M . 成都: 电子 科技大学出版社, 19985 SIMATIC S7 - 2

28、00 可编程序控制器系统手册6 西门子SIMATIC S7 - 200 可编程序控制器选型手册7 西门子MicroMaster440 通用型变频器使用大全8 殷际英. 机电一体化基础 M . 北京: 冶金工业出版社, 19979 任伯淼. 机械式立体停车库 M .北京: 海洋出版社, 200110皮壮行, 宫振鸣, 李雪华. 可编程序控制器的系统设计与应用实例 M . 北京: 机械工业出版社, 200011 王新生 , 张华强，基于PLC的立体车库控制系统设计工业控制计算机 Industrial Control Computer12 张华强 , 王陶 , 苏晓良 , 王蕾，基于HMI和PLC的

29、立体车库自动控制系统电气传动 Electric Drive 13 程怀舟基于PLC的多层升降横移立体停车库控制系统设计电子设计应用 Electronic Design & Application World-Nikkei Electronics China 14 戴士杰 , 李斌 , 师占群 , 岳宏，基于PLC控制的液压立体车库的设计机床与液压 Machine Tool & Hydraulics 15 宋胜涛 , 李瑞琴PLC在机械式立体车库控制系统中的应用太原师范学院学报（自然科学版） Journal of Taiyuan Teachers College(Natural Science

30、Edition) 结语升降横移类立体车库的控制系统通过采用PLC和Profibus现场总线控制,使整个控制系统的可靠性大大提高,满足了车库的控制功能与使用性能的要求,完全实现了进出车的智能控制。系统还在硬件设计上采用了手动、半自动和全自动多级冗余控制方式,配合软件/硬件连锁保护,大大提高了系统的可靠性;同时,由于PLC软件设计上的优化处理,使得本系统对于车位的扩展实现较为简便;此外,软件设计还采用了“并行分支与汇合”的技巧,从而大大缩短了进出车时间,提高了工作效率。 参考文献：电器与可编程控制器应用技术，机械工业出版社，2002 电器与可编程控制器应用技术，东南大学出版社，2003 PLC电器控制与组态设计，科学出版社，2003 工厂电气控制技术，机械工业出版社，2000 可编程控制器应用技术，化学工业出版社，2002 可编程控制器应用技术，重庆大学出版社，2002