机械毕业设计（论文）-自动立体车库PLC控制系统设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 自动立体车库自动立体车库 PLC 控制系统设计控制系统设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 自动立体车 库 PLC 控制系统设计 是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标 注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何 其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 93 学 号： 0923147 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 自动立体车库 PLC 控制系统设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 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，而与此相对应的是城市停车状况的尴尬。自动立体车库是 专门实现各种车辆的自动停放及科学寄存的仓储设施。它可充分利 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。 近年来，我国许多大城市如北京、上海、深圳都开始大力发展自 动立体车库产业。机械车库与传统的自然地下车库相比，在许多方面 都显示出了无比的优越性。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 了解自动立体车库的工作原理，以及最近十几年来国内外的研究 状况； 完成自动立体车库电气控制系统整体设计； 掌握 PLC 编程软件； II 完成有关控制系统的主电路、控制电路及控制元气件的选型设计； 并完成 PLC 程序编制； 完成自动立体车库 PLC 控制方案设计； 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 93 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 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。随着城市里面汽 车数量的不断增加，停车困难的问题己经成为大中型城市的普遍现象。自动立体化立体 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，成为解决城市停车困 难问题的重要途径。本课题以最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等因素进行设计。 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，选择三层十车位式自 动立体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特点和 传动机构部分。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， 证明采用可编程序控制器(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：关键词：自动立体车库；控制系统；可编程序控制器。 IV Abstract Stereo garage is specifically implement check of vehicles automatic parking and scientific storage facilities. With the increasing of urban car ownership, parking problem has become a common phenomenon of large and medium-sized cities. Mechanical stereo garage can make full use of land resources, give full play to the advantage of the play maximum parking vehicles becoming the important way to slow the problem of urban static traffic. This topic was typical to lift move transversely type parking equipment as the research object, considering the three- dimensional garage dual factors of manufacturing cost and operation efficiency. In the garage at home and abroad present situation and the development trend on the basis of investigation and choose three layers of ten parking type automatic stereoscopic garage structure as the research model. Lifting and moving type stereo garage in terms of their component parts, can be divided into three parts: the garage structural parts, transmission parts and control system. This article simply introduces the main structural characteristics and transmission mechanism parts of the garage. In three-dimensional garage for lifting and moving the design of control system, adopt advanced PLC control, using Siemens programming software of the control system of three-dimensional garage for lifting and moving type, and the debugging and running, prove that using programmable controller (PLC) as control system is simple. Its stable, reliable, rapid, cost-effective features makes the control system very perfect. In order to make the parking equipment meets the requirement, according to the state of mechanical parking equipment general safety standards, lift the lateral movement type parking equipment and actual using some necessary safety technology in the lift move transversely, so that ensures the complete safety of the vehicle, make the whole garage can be safe and smooth operation. Keywords：automatic stereoscopic garage；control system；PLC. V 目目 录录 摘 要.III ABSTRACTIV 目 录 V 1 绪论.1 1.1 自动立体车库的研究现状及发展趋势1 1.1.1 自动立体车库的研究现状1 1.1.2 自动立体车库的发展趋势1 1.2 课题设计的目的和意义.2 1.3 课题设计的内容.2 1.4 自动立体车库的定义与简介.3 1.5 动立体车库的结构及组成部件.5 2 总体方案设计.7 2.1 整体方案设计.7 2.1.1 确定自动立体车库的架构7 2.1.2 三层十车位升降横溢式自动立体车库工作原理7 2.1.3 整体设计方案8 2.2 控制方式选择.8 2.3 自动立体车库 PLC 控制系统的基本结构 8 3 可编程控制器概述.9 3.1 可编程控制器的产生及发展.9 3.2 可编程控制器的定义及特点9 3.3 可编程控制器的结构.11 3.4 可编程控制器的组成及其工作原理12 3.4.1 可编程控制器的组成12 3.4.2 可编程控制器的工作原理13 4 自动立体车库控制系统的硬件设计.15 4.1 控制系统总体架构.15 4.2 自动立体车库控制系统设计分析.16 4.3 输入输出点分配.16 4.4 载车板的参数.19 4.5 电机的选择.19 4.5.1 升级电机的选择：19 4.5.2 横移电机的选择19 4.6 自动立体车库主电路图.19 5 自动立体车库可编程控制系统的软件设计.21 5.1 自动立体车库运行流程图.21 5.2 PLC 梯形图21 VI 5.2.1 PLC 仿真软件的选择.21 5.2.2 PLC 梯形图的绘制.21 6 结论与展望.30 6.1 结论.30 6.2 不足之处及未来展望.30 致谢.31 参考文献.32 自动立体车库 PLC 控制系统设计 1 1 绪论绪论 1.1 自动立体车库的研究现状及发展趋势自动立体车库的研究现状及发展趋势 自动立体车库作为现代城市存放汽车的工具，在人们生活中得到越来越广泛的应用， 为此，催生了自动立体车库控制技术的发展。自动立体车库控制技术中出现过继电器逻 辑控制、计算机控制、可编程序控制器控制等方式，由于可编程控制器（PLC）是利用计 算机技术专门针对机电控制而开发的一种控制器，其组成的控制系统内的软逻辑开关可 以替代传统的继电器逻辑控制，而且运行非常可靠又由于它可现场编程控制且编程易学， 故其具有使用灵活及产品开发周期短，在实际应用中维修方便，抗干扰性强等优越性。 现代可编程控制器组成的控制系统己成为目前自动立体车库控制的发展方向之一。 1.1.1 自动立体车库的研究现状自动立体车库的研究现状 早在 50 多年前，自动立体停车在国外就已经有所发展，先后分别出现了针对家庭使 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，保有量不断增加，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。以美国、德国和日 本等为代表的发达国家在停车技术领域的研究处于世界领先水平，韩国和我国的港、澳、 台区域的停车业也通过引进移植制造，得到了蓬勃发展，较好地解决了停车难的问题， 并开始向外输出技术和出口产品1。 我国自动立体车库的研发工作是从上世纪 80 年代中期开始，90 年代开始引进和生产 停车设备，在北京、上海、广州、深圳等地都有使用。参照德国等国标准制定的我国行 业标准也于近几年出台，目前停车设备生产厂已发展到几百家，生产各种类型的停车设 备，有些停车设备已开始出口。机械式立体车库是一种具有综合性能的建筑，不仅包含 了机械停车设备，其规划建设涉及到区域整体景观、交通疏导、建筑结构、供电照明、 通讯监视、通风排水、环境保护、安全消防、收费管理等各学科领域，就停车设备本身 而言，其机械结构的发展已形成了停车设备独有的技术特征，需要多学科、多专业的复 合型人才积极参与，把国外停车技术和各领域的成熟技术移植到我国停车产业，开发出 安全、经济、高效、节能、省地的产品，满足国内外市场的需求2。 1.1.2 自动立体车库的发展趋势自动立体车库的发展趋势 随着自动立体车库技术的发展，绿色化、低能耗和智能化将成为一段时间内的发展 趋势。 （1）绿色化。绿色理念是自动立体车库的发展总趋势。不断改进产品的设计、生产 环保型低能耗、低噪声、无漏油、无漏水、无电磁干扰、无井道导轨油渍污染的自动立 体车库。 （2）降低能耗。减少自动立体车库能耗的措施是多方面的。主要包括：选择减小电 梯机械系统的惯性和磨擦阻力；驱动系统使用永磁同步无齿轮曳引机等技术。可以利用 太阳能作为自动立体车库的补充能源也将是新的研究课题。 （3）智能化。随着计算机技术，讯技术与控制技术的发展使大厦的智能化成为现实。 无锡太湖学院学士学位论文 2 1.2 课题设计的目的和意义课题设计的目的和意义 伴随着经济的快速发展以及汽车数量的明显增加， “停车难”的问题日益突出起来， 尤其是以国土面积小且经济发达的国家和地区特别显著（例如日本、台湾等） ，在我国的 一些大中城市情况也不容乐观，如图 1.1 所示。在城市化发展寸土寸金的今天，要解决 “停车难”的问题，最好的方式就是建造自动化立体车库。自动化立体车库与传统的自 然地下车库相比，在许多方面都显示出优越性。首先，立体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，平均每辆车要占据 40 平方米的面积，而如 果采用双层的立体车库，可以使地面效率提高将近 90%，如果采用地面上多层（20 层以 上）立体车库的话，五十平米左右便可存放至少 40 辆的车，这样可以大大的节省我们有 限的土地资源。其次，与地下车库相比，自动立体车库可更加有效地保证人和车辆的安 全，人在自动立体车库内或者汽车没有停准位置，由可编程控制器控制的整个设备就会 停止运转。从某种意义上说，立体车库从管理上已经彻底的做到人车分流。 图 1.1 城市停车困难 1.3 课题设计的内容课题设计的内容 （1）主要包括以下几个方面 （2）自动立体车库基本机构及工作原理，简明介绍电梯基本结构和工作原理。 （3）可编程控制器结构及原理。 （4）重点分析了可编程控制器自动立体车库的硬件设计。 （5）重点分析了可编程控制器自动立体车库的软件设计。 （6）结合以上设计思想，提出自动立体车库控制系统设计的实现方案。 自动立体车库 PLC 控制系统设计 3 1.4 自动立体车库的定义与简介自动立体车库的定义与简介 一种用来存取储放车辆的机械或者机械设备系统，俗称立体车库。自动立体车库是 机电合一的大型复杂产品，机械部分相当于人的躯体，电器部分相当于人的神经。机与 电的高度合一，使自动化停车库成了现代科学技术的综合产品。 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，这些类型中升 降横移类自动立体车库以其结构简单、操作方便、安全可靠、造价低等优点，在国内自 动立体车库市场上占有绝对的优势。本设计就升降横移类自动立体车库的控制系统，采 用可编程控制器设计自动立体车库，实现 PLC 系统对自动立体车库的运行状态的控制效 果3。 （1）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，车位数量也随层的数增加而增加。这种立体车库节省占地，配置灵 活，建设周期短；价格低廉，消防、外装修、土建地基等投资少；可采用自动控制，构 造简单，安全可靠；并且存取车迅速，等候时间短；运行平稳，工作噪声低；适用于商 业、机关、住宅小区配套停车场的使用。图 1.2 是升降横移式自动立体车库。 图 1.2 升降横移式自动立体车库 （2）垂直循环式 垂直循环式自动立体车库是采用垂直方向作循环运动的停车系统来存取车辆的停车 设备。这种停车设备的工作原理是电机通过减速机带动传动机构，在牵引机构链条上， 无锡太湖学院学士学位论文 4 每隔一定距离安装一个存车托架，当电机启动时，存车托架随链条起做循环运动，达到 存取车的目的。图 1.3 是垂直循环式自动立体车库。 图 1.3 垂直循环式自动立体车库 （3）水平循环式 采用一个水平循环运动的车位系统来存取停放车辆的停车库叫水平循环类停车库。 其工作原理是存取停放车辆的车位系统在水平面上作循环运动，将所需存取车辆的载车 板移到出入口处，驾驶员再将汽车存入或取出。图 1.4 是水平循环式自动立体车库。 图 1.4 水平循环式自动立体车库 （4）多层循环式 多层循环式停车库是通过使载车板作上下循环运动，而实现车辆多层存放的多层循 环式停车设备，减少了占地面积，提高了存取车的自动化程度。图 1.5 是多层循环式自动 立体车库。 自动立体车库 PLC 控制系统设计 5 图 1.5 多层循环式自动立体车库 （5）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。图 1.6 是巷道堆垛是自动立体车库。 图 1.6 巷道堆垛式自动立体车库 1.5 动立体车库的结构及组成部件动立体车库的结构及组成部件 升降横移类自动立体车库通过操作面板或上位机操控载车盘（载车盘或者载车板） 的升降或横移来存取车辆，它的主要结构是由主体框架、载车盘、传动机构、控制系统 及安全防护设备等部分组成。具体组成及作用如下： （1）主体框架 主体框架式自动立体车库的支撑结构，通常采用钢结构。 （2）载车盘（载车盘或载车板） 无锡太湖学院学士学位论文 6 载车盘主要作用是承载车辆，通过其上的横移电机和升降电机，带动载车盘作水平 横移运动和上下升降运动，载车盘上的搬运器由 4 根钢丝绳与框架连接，可以实现上下 升降运动。 （3）传动机构 传动机构主要由升降传动机构和横移传动机构组成，它是整个自动化立体车库的关 键部分，是系统控制的主要执行部分。 （4）控制系统 控制系统是车库系统大脑部分，可以采用可编程控制器（PLC） 、单片机等硬件控制 器控制继电器或接触器完成升降、横移动作，通过下位机控制器不仅实现对现场设备的 控制，而且可以将现场各设备状态传送到上位机，以便对现场状态进行监控和管理。 （5）安全设备 安全设备主要有急停开关、超限装置、车长检测、阻车装置、防坠装置、报警装置 等，以便使车库能安全、可靠运行。 自动立体车库 PLC 控制系统设计 7 2 总体方案设计总体方案设计 2.1 整体方案设计整体方案设计 2.1.1 确定自动立体车库的架构确定自动立体车库的架构 此论文是针对三层十车位升降横移式自动立体车库进行 PLC 控制系统的方案设计， 如图 2.1 所示。 图 2.1 三层十车位升降横移式自动立体车库 2.1.2 三层十车位升降横溢式自动立体车库工作原理三层十车位升降横溢式自动立体车库工作原理 自动立体车库的每个车位都有一个载车板，所需要存取车辆的载车板通过升降横移 到达第一层，然后由司机进入汽车，完成存取车辆的操作。此车库的第一层载车板只做 横移运动，第二层和第三层的车位载车板需要升降横移。整个车库需要两台电机，分别 提供升降动力和横移动力。具体存取车方案如下：图 2.1 中 1、2、3 号车位直接存取车， 10 号车下降到地面层后存取车；4，5，6 号车位须通过 1, 2, 3 号车位进行横移操作留出 空位，然后再下降到地面层存取车。7，8，9，10 号车位通过 4，5，6 号车位和 1，2，3 号车位的横移让出空位后，再下降到地面层存取车。如需在 7 号车位存取车，则将 4，5，6 号车位和 1，2，3 号车位向右移动，7 号车位下降即可，如需在 5 号车位存取车， 则 2，3 号车位向右横移，5 号车位下降即可。同样 n 层 m 排的存取车原理都是相同。除 最上层外，每层均留有一个空车位，允许载车板左右移动一个车位位置，为上层托板下 移留出通道。 无锡太湖学院学士学位论文 8 2.1.3 整体设计方案整体设计方案 整体设计方案设计如图 2.2 所示 图 2.2 整体设计方案 2.2 控制方式选择控制方式选择 自动立体车库的控制方式有： （1）电磁继电控制系统 （2）微机（PC）控制系统 （3）可编程控制器（PLC）控制系统 （4）单片机控制系统等。 本次课程设计采用可编程控制器（PLC）作为控制方式。 2.3 自动立体车库自动立体车库 PLC 控制系统的基本结构控制系统的基本结构 自动立体车库 PLC 的控制系统主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成，主 要硬件包括 PLC 主机及扩展、机械系统等。 系统控制核心为 PLC 主机、操纵盘，安全保护信号通过接口送入 PLC，存储在存储 器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动控制系统发出控制信号。 自动立体车库 PLC 控制系统设计 9 3 可编程控制器概述可编程控制器概述 3.1 可编程控制器的产生及发展可编程控制器的产生及发展 在可编程序控制器问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。 通过有关电气控制知识的学习可知，继电器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现 控制逻辑，如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成 时间和资金的浪费。另外，大型控制系统用继电器接触器控制，使用的继电器数量多， 控制系统的体积大，耗电多，且继电器触点为机械触点，工作频率低，在频繁动作情况 下寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差4。随着工业的发展，设备和生产过程越来 越复杂。复杂的系统可能使用成百上千种各式各样的继电器，并用成千上万根导线以复 杂的方式连接起来，执行相应的复杂的控制任务。作单台装置，继电器本身是比较可靠。 但是，对于复杂的控制系统，继电器控制系统存在两个缺点：一是可靠性差；二是灵活 性差。现代社会要求制造业对市场要求做出迅速的反应生产出小批量、多品种、多规格、 低成本和高质量的产品，传统的继电器已经成为实现这一目标的障碍。 在世界性工业技术改造浪潮的冲击下，美国公司率先研制出世界上第一台可编程序 控制器，并在 GM 公司汽车自动装配线上试用，获得成功。其后，在日本，德国等相继 引入这项新技术，可编程序控制器由此迅速发展起来。 个人计算机（PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点， 可编程控制器定名为 Programmable Logic Controller（PLC）,现在，仍常常将 PLC 简称 PC。PLC 的功能不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断 发展和用户需求的不断提高，PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制 等功能。今天的 PLC 不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分 重要的作用5。 PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的 PLC 年增长率 保持为 20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和 PLC 市场容量基数的不断扩大， 近年来 PLC 在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家 PLC 的增长十 分迅速。综合相关资料，2004 年全球 PLC 的销售收入为 100 亿美元左右，在自动化领域 占据着十分重要的位置6。 近 10 年来，随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的持续增长，越来越多的中小设备 开始采用 PLC 进行控制，PLC 在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和 基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内 PLC 在我国仍将保持高速增长势头。 3.2 可编程控制器的定义及特点可编程控制器的定义及特点 在可编程序控制器发展初期，不同的开发商对PLC有不同的定义。为使这一新型的工 业控制装置的生产和发展规范化，国际电工委员会曾于1982年11月颁发了可编程序控制 器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。该草案中对 可编程序控制器的定义是：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工 业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序控制、定时，计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出， 无锡太湖学院学士学位论文 10 控制各种类型机械的生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系 统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 PLC 是综合了继电器接触器控制的优点以及计算机灵活、方便的优点而设计制造和 发展起来的，这就是 PLC 具有许多其他控制器所无法相比的特点。 （1）行稳定可靠，抗干扰能力强 PLC 是专门为工业环境下应用而设计的，因此人们在设计 PLC 时，从硬件和软件上 都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。 对于硬件措施，PLC 的电源变压器、内部 CPU、编程器等主要部件采用导电、导磁 良好的材料进行屏蔽，以防外界的电磁干扰；输入输出线路采用了多种形式的滤波，以 消除或抑制高频干扰；内部的微处理器和输入输出电路之间，采用了光电隔离措施，有 效地隔离了输入输出间电的联系，减少了故障和误动作；采用模块式结构，有助于在故 障情况下短时修复，一旦查出某一模块出现故障，就能迅速更换，使系统恢复正常工作。 对于软件措施，PLC 设计了故障检测软件定期地检测外界坏境。如掉电、欠电压、 强干扰信号等，以便及时进行处理；信息保护和恢复软件使 PLC 偶发性故障条件出现时， 将 PLC 内部信息进行保护，不遭破坏。一旦故障条件消失，恢复原来的信息，使之正常 工作。如果 PLC 程序每次循环执行时间超过了 WDT 规定的时间，预示程序进入死循环， 立即报警。对程序进行检查和检验，一旦程序有错，立即报警，并停止执行，这样可使 一般 PLC 的平均无故障时间达到几万小时以上。 （2）通用性强，使用方便 PLC 产品已经系列化和模块化，PLC 的开发制造商为用户提供了品种齐全的 I/O 模 块和配套部件。用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需 根据控制要求进行模块的配置。用户所做的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应 用程序。对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能。 （3）采用模块化结构，使系统组合灵活方便 PLC 的各个部件，均采用模块化设计、各模块之间可由机架和电缆连接。系统的功 能和规模可根据用户的实际需求自行组合，使系统的性能价格更容易趋于合理。 （4）编程语言简单、易学，便于掌握 PLC 是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置。其主 要的使用对象是广大的电气技术人员。PLC 的开发制造商为了便于工程技术人员方便学 习和掌握 PLC 的编程，采取了与继电器接触器控制原理相似的梯形图语言，易学、易懂。 （5）系统设计周期短 由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而不要去设 计具体的接口电路，这样大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工作的进程。 （6）对生产工艺改变适应性强 PLC 的核心部件是微处理器，它实质上是一种工业控制计算机，其控制功能是通过 软件编程来实现的。当生产工艺发生变化时，不必改变 PLC 硬件设备，只需改变 PLC 中 自动立体车库 PLC 控制系统设计 11 的程序。这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合。 （7）安装简单、调试方便、维护工作量小 PLC 控制系统的安装接线工作量比继电器接触器控制系统少的多，只需将现场的各 种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连。PLC 软件设计和调试大多可在实验室里进行，用模拟 实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察 PLC 上的相应发光二极管，也可以另接输 出模拟实验板。模拟调试好后，再将 PLC 控制系统安装到现场，进行联机调试，这样既 省时间又很方便。由于 PLC 本身的可靠性高，又有完善的自诊断能力，一旦发生故障， 可以根据报警信息，迅速查明原因。如果是 PLC 本身，则可用更换模块的方法排除故障。 这样提高了维护的工作效率，保证了生产的正常进行。 3.3 可编程控制器的结构可编程控制器的结构 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。 （1）中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存 储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并 能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输 入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程 序7，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映像区或数据寄 存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映像区的各输出状态或输出寄存器 内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行8。 为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统， 或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。 （2）存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序 存储器。 （3）电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠的电源 系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流 电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去。 （4）编程器及其他选件 编程器是编制、编辑、调试、监控 PLC 的用户程序的必备设备。小型 PLC 的程序编 制可直接使用简易的手持式编程器来完成，较为复杂的编程一般使用专门的编程软件。 PLC 还可以选配其他设备，如盒式磁带机、打印机、EPROM 写入器、人机接口单元、网 络连接设备等，可以根据实际需要进行配置。 （5）PLC 硬件结构框图如图 3.1 所示： 无锡太湖学院学士学位论文 12 电源 输 入 单 元 微机处理（CPU） 运算器 控制器 输 出 单 元 外 设 接 口 扩 展 接 口 存储器 系统程序 用户程序 扩 展 单 元 主机 输 出 设 备 输 入 设 备 其 他 设 备 图 3.1 PLC 硬件结构框图 3.4 可编程控制器的组成及其工作原理可编程控制器的组成及其工作原理 3.4.1 可编程控制器的组成可编程控制器的组成 （1）CPU 模块 同一般的微处理机一样，中央处理单元是可编程控制器的主要部分，是系统的运算 和控制中心。它按照 PLC 系统程序赋予的功能，完成以下任务： a：接受并存储用户程序和数据； b：检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错 误； c: 当 PLC 投入运行后，已扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据； d: 读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算； e: 根据用户程序的执行结果，更新有关状态标志位的状态和输出状态寄存器的内容， 实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。 小型 PLC 一般采用 8 位微处理器，而大、中型 PLC 一般采用 16 或 32 位微处理器。 一般中型可编程控制器多为双处理器系统，即字处理器和位处理器，其中字处理器是主 处理器，由它处理字节操作指令，控制系统总线、内部计数器、内部定时器、监视扫描 时间、统一管理编程接口，同时协调位处理器及输入输出。位处理器也称从处理器，主 要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现编程语言向机器语言的转换9。 （2）存储器 存储器主要用于存放系统程序和应用软件。基本上由 ROM(Read Only Memory 只读 存储器)、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory,可擦除的只读存储器)及 RAM(Random Assess Memory,随机存储器)种组成，存储能力的大小随机器的性能而变化。 自动立体车库 PLC 控制系统设计 13 根据存储内容的不同，PLC 的存储器空间一般分为以下 3 个区域： a:统程序存储区，用于存放 PLC 的系统程序。系统程序是由控制器的制造厂家在研 制系统时确定的，它和机器的硬件组成有关，并在机器使用过程种是不变动的。 b:用户程序存储区，用于存放用户应用程序。用户应用程序是随控制器的使用环境 而定的，随着控制对象的不同而变动，一般存放在 EPROM 存储器中。 c:系统 RAM 存储器，用于存放控制器在运行中发生变化和需要进行存取的一些数据。 该存储区中存放的数据一般不需要保存很长时间，所以该部分的存储器我们一般都选用 RAM，来适应随机存取的要求。与一般的计算机系统不同，在 PLC 的系统 RAM 存储区 中，除存储工作数据外，还划分有输入输出数据映像区及计数器、定时器的设定值与当 前值的数据存放区。 （3）底板及电源模块 对于分体式结构的 PLC，一般都做成总线模板框架式结构。装有 CPU 模块的框架称 为基本框架，其他为扩展框架，框架之间通过电缆连接。在一个框架中，CPU 模块等模 板插装在一块底板上。底板为总线式结构，内部装有总线控制器的印刷电路板，提供总 线插槽和扩展底板接口。根据底板上插槽数目的不同，有 3 槽、8 槽、18 槽等不同的规 格。 PLC 配有开关式稳压电源，用来对 PLC 的内部电路供电。PLC 通常使用交流 220V 或直流 24V 工作电源。它的电源模块为其他各模块提供 DC5V、12V、24V 等各种内部直 流工作电源。许多 PLC 都可以为输入电路和外部的传感器提供直流 24V 的工作电源，但 是驱动 PLC 负载的直流电源及交流电源一般由用户提供。 （4）I/O 模块及特殊 I/O 模块 I/O 模块是 PLC 的 CPU 与现场用户设备进行联系的桥梁。可编程控制器系统通过其 I/O 接口模板检测被控对象的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控对象进行控 制的信息。同时，控制器通过 I/O 模板将控制器的处理结果送给被控对象，以驱动各种执 行机构实现控制10。 从信号类型上看，PLC 的 I/O 模块通常包括：开关量输入模块、模拟量输入模块、开 关量输出模块和模拟量输出模块等类型，这些模板又有直流和交流、电压和电流类型之 分，每个类型又有不同的参数等级，分别用于联系不同类型及大小的外部信号。 一般 PLC 均配置 I/O 电平转换及电气隔离： a:入电平转换 将输入端的不同电压和电流信号转换成 CPU 所能接受的低电平信号。 b:出电平转换 将微处理器控制的低电平信号转换为控制设备所需要的电压和电流信 号。 c:电气隔离 指在 CPU 与 I/O 回路之间采用的防干扰措施，以隔离 CPU 与 I/O 回 路之间的联系，在强的外部干扰情况下防止 PLC 故障或误动作。大型 PLC 中还有一类特 殊 I/O 模板，如高速计数模板、PID 控制模板、中断控制模板等，它们一般是为了提高 PLC 的实时控制功能和过程控制功能而专门设计的。 （5）通信接口模块 无锡太湖学院学士学位论文 14 几乎所有的 PLC 都具备联网通信能力。在实际的控制系统中，由于控制对象的增加、 控制功能的复杂，就可能由两台或多台 PLC 组成的控制系统；在有些情况下，也需要由 PLC 和其他的计算机组成控制系统。 3.4.2 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理 PLC 是采用周期循环扫描的工作方式，CPU 连续执行用户程序和任务的循环序列称 为扫描。CPU 对用户程序的执行过程是 CUP 的循环扫描，并用周期性地集中采样、集中 输出的方式来完成的。一个扫描周期主要可分为： （1）读输入阶段。每次扫描周期的开始，先读取输入点的当前值,然后写到输入映像 寄存器区域。在之后的用户程序执行的过程中，CPU 访问输入映像寄存器区域,而并非读 取输入端口的状态，输入信号的变化并不会影响到输入映像寄存器的状态，通常要求输 入信号有足够的脉冲宽度，才能被响应11。 （2）执行程序阶段。用户程序执行阶段,PLC 按照梯形图的顺序，自左而右，自上而 下的逐行扫描，在这一阶段 CPU 从用户程序的第一条指令开始执行直到最后一条指令结 束，程序运行结果放入输出映像寄存器区域。在此阶段，允许对数字量 I/O 指令和不设置 数字滤波的模拟量 I/O 指令进行处理，在扫描周期的，各个部分，均可对中断事件进行响 应 （3）处理通信请求阶段。是扫描周期的信息处理阶段，CPU 处理从通信端口接收到 的信息。 （4）执行 CPU 自诊断厕试阶段。在此阶段 CPU 检查其硬件，用户程序存储器和所有 I/O 模块的状态。 （5）写输出阶段。每个扫描周期的结尾，CPU 把存在输出映像寄存器中的数据输出 给数字量输出端点（写入输出锁存器中） ，更新输出状态。然后 PLC 进入下一个循环周期， 重新执行输入采样阶段，周而复始。 如果程序运行中使用了中断，那么系统会自动立即运行这个程序，并且中断程序可 以在扫描周期内的任意点被执行。 如果程序中使用了立即 I/O 指令，可以直接存取 I/O 点。用立即指令读输入点值时， 相应的输入映像寄存器的值未被修改，用立即 I/O 指令写输出点值时，相应的输出映像寄 存器的值被修改12。 自动立体车库 PLC 控制系统设计 15 4 自动立体车库控制系统的硬件设计自动立体车库控制系统的硬件设计 4.1 控制系统总体架构控制系统总体架构 整个自动立体车库设计由可编程控制器对车库进行统一的控制盒管理，通过可编程控 制器控制载车板升降横移以完成对车辆的存取操作。各车位内车辆的存取由可编程控制 器根据当前各车位的车辆存放情况，按照相应的程序进行选择，调度车辆进出。 升降横移式立体车库的系统控制原理：操作者(人)要通过控制系统信息交流的平台(界 面)把操作信息传送给控制系统，经系统处理后，系统把可识别的控制信息通过辅助设备 驱动执行结构，来完成车库现场的运作。其系统控制原理框图，如图 4.1 所示。 图 4.1 自动立体车库系统控制原理图框 在升降横移式立体车库中，控制系统中主控单元的主要控制对象首先是车库内的横 移电机和升降电机，控制系统就是使它们在不同的时间内实现正反转;其次是车库内的各 种辅助装置，如指示灯及其各种安全设施等13。为了确保载车板能横移到预定位置以及 载车板能上升或下降到指定位置，采用了行程开关。小型车库一般选用按钮操作，界面 清楚，易于操作。 自动立体车库硬件系统的结构，主要有下列部分构成： （1）可编程控制器：处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发起信号，同时变频 器也将工作状态信号送给 PLC 形成双向联络关系是系统的核心。 （2）输入输出单元为 PLC 的 I/O 接口部分，主要由电源开关，复位按钮，急停按钮 等单元构成14。 无锡太湖学院学士学位论文 16 4.2 自动立体车库控制系统设计分析自动立体车库控制系统设计分析 西门子 S7-200 一共有 5 种 CPU 模块，CPU226 模块具有 24 输入、16 输出，并且具 有扩展功能和较强的控制功能，所以此次自动立体车库 PLC 控制系统采用 CPU226 模块 为基本单元。由于此次论文设计的自动立体车库为 3 层 10 车位，需要 40 个输入和 332 个输出。CPU226 基本单元不能够满足输入输出的基本要求，所以需要增加扩展模块。所 选的扩展模块是 16 入 16 出的 EM223 扩展模块和具有 8 个输出的 EM222 模块。 4.3 输入输出点分配输入输出点分配 该系统占用 PLC 的 110 个 I/O 口，44 个输入点，26 个输出点，具体的 I/O 分配表如 表 4-1 所示。 表 4-1 I/O 分配表 输入信号输出信号 自动工作方式按钮I0.01 号车位左移Q0.0 手动工作方式按钮I0.11 号车位右移Q0.1 总停开关I0.22 号车位左移Q0.2 车位左行按钮I0.32 号车位右移Q0.3 车位右行按钮I0.43 号车位左移Q0.4 车位上升按钮I0.53 号车位右移Q0.5 车位下降按钮I0.64 号车位左移Q0.6 1 号车位选择按钮I0.74 号车位右移Q0.7 2 号车位选择按钮I1.04 号车位上移Q1.0 3 号车位选择按钮I1.14 号车位下移Q1.1 4 号车位选择按钮I1.25 号车位左移Q1.2 5 号车位选择按钮I1.35 号车位右移Q1.3 6 号车位选择按钮I1.45 号车位上移Q1.4 自动立体车库 PLC 控制系统设计 17 7 号车位选择按钮I1.55 号车位下移Q1.5 8 号车位选择按钮I1.66 号车位左移Q1.6 9 号车位选择按钮 I1.76 号车位右移Q1.7 10 号车位选择按钮I2.06 号车位上移Q2.0 续表 4-1 输入信号输出信号 1 号车位左限位开关I2.16 号车位下移Q2.1 1 号车位右限位开关I2.27 号车位上移Q2.2 2 号车位左限位开关I2.37 号车位下移Q2.3 2 号车位右限位开关I2.48 号车位上移Q2.4 3 号车位左限位开关I2.58 号车位下移Q2.5 3 号车位右限位开关I2.69 号车位上移Q2.6 4 号车位左限位开关I2.79 号车位下移Q2.7 4 号车位右限位开关I3.010 号车位上移Q3.0 4 号车位上限为开关I3.110 号车位下移Q3.1 4 号车位下限位开关I3.2 5 号车位左限位开关I3.3 5 号车位右限位开关I3.4 5 号车位上限位开关I3.5 5 号车位下限位开关I3.6 无锡太湖学院学士学位论文 18 6 号车位左限位开关I3.7 6 号车位右限位开关I4.0 6 号车位上限位开关I4.1 6 号车位下限位开关I4.2 续表 4-1 输入信号输出信号 7 号车位上限位开关I4.3 7 号车位下限位开关I4.4 8 号车位上限位开关I4.5 8 号车位下限位开关I4.6 9 号车位上限位开关I4.7 9 号车位下限位开关I5.0 10 号车位上限位开 关 I5.1 10 号车位下限位开 关 I5.2 复位开关I5.3 I/O 接线图如 4.2 所示： 自动立体车库 PLC 控制系统设计 19 图 4.2 I/O 接线图 4.4 载车板的参数载车板的参数 由于现在市面上各类轿车包括一些全尺寸 SUV 的尺寸都不超过 5000mm1850mm1550mm 左右，所以每个车位的尺寸是 600025001800，载车板 的尺寸则为 60002500150。材料选择具有高强度、韧性好、易于加工的热轧钢。一块 载车板的质量为 1800Kg 左右。 4.5 电机的选择电机的选择 在升降横移式自动立体车库的控制系统中，分为两个传动系统，为升降传动系统和 横移传动系统。所有需要存取的车辆都是通过升降和横移两个传动系统到达预定的位置， 然后进行存取。 4.5.1 升级电机的选择：升级电机的选择： 一般汽车质量都不超过 1800Kg。根据 GB 179071999机械式停车设备 通用安全 存取车时间不超过 120 秒。可以估算整个升降电机的功率为： KW. . . . P P KW. . T SF P 额 总 额 81 90 61 90 61 120 451036000 （4.1） 通过查阅机械设计课程设计常用标准和规范选择 Y132S-8 型三相异步电动机， 转速 750r/min，功率为 2.2kW。 4.5.2 横移电机的选择横移电机的选择 横移电机采用功率为 0.2kW。 4.6 自动立体车库主电路图自动立体车库主电路图 主电路图如图 4.3 所示： 无锡太湖学院学士学位论文 20 图 4.3 自动立体车库主电路图 5 自动立体车库可编程控制系统的软件设计自动立体车库可编程控制系统的软件设计 5.1 自动立体车库运行流程图自动立体车库运行流程图 （1）自动立体车库运行流程图如图 5.1 所示 自动立体车库 PLC 控制系统设计 21 图 5.1 自动立体车库运行流程图 5.2 PLC 梯形图梯形图 5.2.1 PLC 仿真软件的选择仿真软件的选择 本次论文里选择西门子的STEP 7作为自动立体车库PLC控制系统实现仿真的软件。 STEP 7具有硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运 行和诊断功能等。STEP 7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象， 按F1可以得到该对象的相关帮助。另外，在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的 硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览 SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具 都集成在STEP 7中15。 5.2.2 PLC 梯形图的绘制梯形图的绘制 梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为 PLC 的第一编程语言。梯形图与电器 控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适 用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。 根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态， 无锡太湖学院学士学位论文 22 称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解 算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值， 而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的16。 （1）自动手动工作方式选择模块： 手动自动工作方式选择模块如图 5.2 所示。I0.0 为常闭开关，通电后闭合，M0.0 通电， I0.1 和 I0.2 断开，即选择自动工作方式。同理，I0.1 为常闭开关，通电后闭合，M0.1 通 电，I0.0 和 I0.2 断开，即选择手动工作方式。 图 5.2 自动手动工作方式模块选择 （2）自动工作方式选择车位模块： 自动工作方式选择车位模块如图 5.3 所示。首先自动工作方式接通，I1.0 为常闭开关， 通电闭合，I1.0、I1.1、I1.2、I1.3、I1.4、I