基于PLC的立体车库控制系统设计

. . 西安交通大学网络教育学院 毕 业 论 文 (设计) 论文题目 基于 PLC 的立体车库控制系统设计 班 级 电力系统及其自动化 学 号 313091283143066 姓 名 薛志松 联系方式 13474222447 指导教师 赵艳妮 提交日期 2015.8.15 . . 网 络 教 育 学 院 毕 业 设 计 (论 文) 任 务 书 专 业 班 级 电 力 系 统 及 其 自 动 化 1309 层 次 专 升 本 姓 名 薛 志 松 学号 313091283143066 一、毕业设计（论文）题目 基于 PLC 立体车库控制系统设计 二、毕业设计（论文）工作自 2015 年 06 月 26 日起至 2015 年 09 月 24 日止 三、毕业设计（论文）基本要求：论文的总体结构应分为以下几 部分：题目、摘要、目录、前言、正文、结论、参考文献和附录 等几部分组成。论文应力求有作者自己的创见和观点，中心突出， 层次分明，论述清楚，结构严谨，文字流畅，论证有理有据，具 有说服能力。 指导教师： 赵艳妮 . . 网 络 教 育 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )考 核 评 议 书 指 导 教 师 评 语 ： 该生毕业设计过程中态度较认真，论文阐述清楚，论文对材料进行了一定程度的加工整理，论文 内容尚能联系实际，有一定的分析问题、解决问题的能力。 建 议 成 绩 ： 及 格 指 导 教 师 签 名 ： 赵 艳 妮 2015 年 9 月 13 日 答 辩 小 组 意 见 ： 负 责 人 签 名 年 月 日 答 辩 小 组 成 员 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 答 辩 委 员 会 意 见 ： 负 责 人 签 名 ： 年 月 日 . . 基于 PLC 的立体车库控制系统设计 摘要 本次毕业设计课题为基于 PLC 的立体车库控制系统设计。机械式车库种类 较多，主要有以下形式：升降横移类、垂直循环类、水平循环类、平面移动类、 巷道堆垛类、垂直升降类、简易升降类等。通过对这些车库类型特点的比较与 分析，选择了三层三列升降横移车库结构为研究模型和设计内容。本设计论述 了立体车库的发展与当今现状，论述分析了三层三列升降横移式立体车库的运 行原理和结构特点，设计了立体车库的控制系统，并依据其运行原理设计了 PLC 程序。 关键词：立体车库，升降横移式，控制系统，PLC . . . . 目 录 1 绪论 .1 1.1 课题的意义 .1 1.2 国内外有关课题的研究动态 .1 2 升降横移式立体车库的机械设计部分 .3 2.1 立体车库的分类及其特点 .3 2.2 升降横移式立体车库的工作原理 .5 2.3 升降横移式立体车库的结构 .6 2.3.1 升降横移式立体车库的主要构成 .6 2.3.2 升降横移式立体车库的结构示意 .9 2.4 升降横移式立体车库中的安全防护装置 .10 3 立体车库电气控制系统设计 .12 3.1 电气控制系统整体设计 .12 3.2 电气系统关键部分设计 .15 3.2.1 PLC 接线设计 .15 3.2.2 其他资源配置 .16 3.3 PLC 控制程序设计 .17 3.3.1 PLC 的选型 .19 3.3.2 PLC 的 IO 资源配置 .20 3.4 电气安全装置 .21 4 升降横移式立体车库监控系统的设计 .22 4.1 立体车库自动化控制系统 .22 4.2 基于 WINCC 的监控系统设计与实现 .25 4.1.1 Wincc 的概述 .25 4.1.2 监控系统的功能 .25 4.1.3 Wincc 的组态 .26 5 结论 .29 参考文献 .30 致谢 .31 . . 附录 .32 . . 1 绪论 1.1 课题的意义 随着车辆的增加，停车难成了头等问题，而停车难问题的出现，也给立体机 械停车设备行业带来了巨大的商机和广阔的市场。在这商机与竞争并存的时候， 我国的机械停车设备行业也将从快速发展阶段进入稳定发展阶段。 立体车库高倍率的技术经济指标，立体停车设备停车容量大。城市的空间 是有限的，立体车库相比较地下车库，占地面积小，也可停放各种类型的车辆， 特别是轿车。和同等容量的地下车库投资相比，投资少，施工短，耗电省。自 动立体车库具有完整的安全系统，如障碍物确认装置、紧急制动装置、防止突 然落下装置、过载保护装置、漏电保护装置、车辆超长及超高检测装置等等。 存取过程可由人工完成，也可以配备计算机设备全自动完成，这也给今后的开 发设计留有大的空间。.外观同建筑协调，管理方便立体停车设备最适合用于商 场、宾馆、办公楼前、旅游区。许多装置基本无须专门的操作人员，一个司机 就可单独完成。 城市的空间是有限的，但人类的社会的发展是无限的，而人类智慧也是无穷的， 立体停车设备将会利用有限的空间去完成更困难的问题，立体车库会让人们发 现停车原来如此轻松，简单。 停车设备有效地解决停车难的问题，这个应该是值得肯定的，而对于立体车 库今后的发展来说，它也会有着更多的优势，会逐步代替那些平面自然停车场。 立体车库，未来市场是巨大的，但对产品的需求，将会向两个极端发展：一个 极端就是价格的极端，以价格优势占领市场；另一个极端就是技术与性能的极 端，要求停车设备具有优越的使用性能、方便的操作方式、快捷的存取速度。 随着我国经济持续快速的发展，城市规划的完善，立体机械停车设备行业将成 为一个充满生机的朝阳行业，立体机械停车设备的技术也将得到长足的发展 1.2 国内外有关课题的研究动态 自动立体停车装备系统在世界各地的发展是极不均衡的，德国开发最早， 技术居于领先地位，在二层及多层平面式立体停车库系列中，它已发展了型、 . . 型和型。日本由于国土面积小而应用最广，自从 1959 年引进了建造机械式 立体停车库技术之后，到 1983 年，就已经在本土上共建造了 25454 座多种形式 的机械式车库，平均每座容车量达到十辆左右，最多的能达到百辆以上。从上 世纪七十年代末期起，车库容量年递增率为 5%-7%，已经赶上了同期汽车拥有 量的年递增率 4%-6%，从技术特征上看，日本更重视竖式自动立体车库的发展， 即密集型自动立体停车库的发展。1993 年，在日本东京举行的世界立体自动停 车设备展览会盛况空前。 进入 20 世纪以来，在国内举办了多个与停车设备相关的展览会，2006 年 十月在上海举办的“2006 上海国际停车设备和智能系统展览会”同样热闹非凡， 它吸引了来自德、日、美等世界上知名的停车设备制造商，全自动立体停车设 备的容车能力及其技术完备，先进程度已被世界广泛承认和接受。国内正处于 经济与建设发展阶段，目前已有国外多种停车设备出现在国内市场上。 停车装置种类繁多，必须通过详尽的技术分析及经济分析才可以有明智的 决断，有效的利用一切有利因素，建造出经济技术都合理的停车装置。总之， 在我们面临着建设现代化大都市的重任和土地资源寸土万金的情况下，设计、 生产和使用这一现代化设备是可行的、明智的选择。它的前景将是无限美好的。 停车装置这一潜在市场也渐渐的明朗起来了，这给国内的企业经营者们增 加了压力和动力，应联合科研、生产与使用者，共同推进这一高新技术产业的 发展。去抢占这一新兴的市场。可以断言，将来这一市场的竞争一定是激烈的。 我国机械式车库的早期研究开发工作是从 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。参照日本等 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 10。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 升降横移式立体车库的机械设计部分 2.1 立体车库的分类及其特点 机械式车库种类较多，主要有以下形式：升降横移类、垂直循环类、水平 循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类、简易升降类等。下面介绍其 中几种类型及其特点。 （1）升降横移式 停车位为两层或多层，有若干层的同层置车板可左右横向移位，通过升降 机构改变置车板的高度。可为地上式或带地坑式。特点： 有效利用空间，提高空间利用率达数倍。 存取车快捷便利，独特跨梁设计，车辆出入无障碍。 采用 PLC 控制，自动化程度高。 环保节能，低噪音。 人机界面好，多种操作方式可选配，操作简便。 （2）垂直循环式 通过传动机械，驱使以垂直方式排列的各置车板作连续环形运动。车辆出 入口位于设备最下面的称为下出入口式，位于中间部分的称为中出入口式，位 于最上面的称为上出入口式。可为封闭式高塔或敞开式低塔。特点： 使用 PLC 自动调车，一次按键即可完成存取车。 可设置在地面上或半地上半地下，可独立或附设在建筑物内，还可多台 组合。 可省去购置土地的大量费用，有利于合理规划和优化设计。 （3）巷道堆垛式 采用巷道堆垛机和搬运器，将进到搬运器上的车辆一起作平面移动且垂直 升降到停车位旁，再用存取机构将车辆送入停车位。特点： . . 全封闭管理，安全、防盗、为车辆提供最佳防护。 可设置于地上或地下，充分利用有效空间。 载车板的升降和行走同时运行，存取车方便快捷。全封闭式管理，安全 可靠，保障人、车安全。 通过升降机、行走台车及横移装置输送载车板实现存取车操作，整个过 程全自动完成。 固定式升降机各层行走台车的配置形式，可实现多个人同时存取车。 （4）垂直升降（塔库）式 停放车辆的停车位和车辆升降机以立体方式组成的高层停车设备。通过搬 运机械将车辆或载有车辆的置车板横向或纵向地从车辆升降机搬运至停车位。 停车位分横置式、纵置式和圆周式三种。特点： 占地少，容车量大，高层设计最高能够达到平均一辆车仅占一平方米的 空间。 可同时提供多车位进出口，等待时间短。 智能化程度高，可预约存取车及空车位导向。 利用车库外形的空隙空间可以进行绿化，使车库变成一个立体的绿化体， 有利于美化城市和环境。 （5）平面移动式 在同一层面上，用搬运台车平面移动车辆，或使置车板平面横移。可为单 层平面横移、单层（多层）平面往返以及门式起重机多层平移。特点： 每层车台和升降机分别动作，提高出入库速度，可利用地下空间，停车 规模可达到数千台。 部分区域发生故障时，不影响其他区域的正常运行。 通过计算机和触屏界面进行综合管理，可全面监视设备的运行状况，并 且操作简单。 （6）简易升降式 停车位为两层或三层，通过升降机构或俯仰机构改变置车板的高度或倾斜 角度，供车辆出入。可为地上式或带地坑式。特点： 构造简单实用，无需特殊地面基础要求。适合装置于工厂、别墅、住宅 . . 停车场。 可任意迁移，搬迁安装容易或根据地面情况，独立及多台设备。 备有专用锁匙开关，防止外人开动设备。 车板防下滑保险装置。 （7）其他 水平循环类：各置车板以两列或多列方式水平排列，并循环移动。置车板 以圆弧运动方式循环者称为圆形循环式；以直线运动方式循环者称为箱形循环 式。 多层循环式：各置车板以两层或多层方式排列，在相邻两层间的两端设有 车辆升降机，同层置车板可在该层内作水平循环移动。置车板在设备两端以圆 弧运动方式升降者称为圆形循环式；以垂直运动方式升降者称为箱形循环式。 车辆入库方式与水平循环相同。 通过对各类立体车库的分析并结合本次设计的车库容量，可以得出选用升 降横移式立体车库为最佳选择方案。 2.2 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，车辆就停在载车板上，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，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自动升至所在层位，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，载车板自 动回至所在层位。 图 2-1 为一个地上 7 车位的升降横移式停车设备，其工作原理是：三层三 个车位可以升降，二层两个车位可以升降和平移，一层的两个车位只能横向横 移，空车位供三层和二层的车位下降时借用。1、2 号车位可以直接存放车辆； 7 号车位需下降后再存放车辆；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；4 号车位则需先将 2 号载车板右移，再将 4 号存车板下降；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；6 号车 . . 位则需要先将 2、4 号载车板右移，再将 6 号载车板降下。 图 2-1 七车位升降横移式立体车库工作原理图 2.3 升降横移式立体车库的结构 2.3.1 升降横移式立体车库的主要构成 以三层三列式立体车库为模型建立研究对象。升降横移式立体车库主要由 钢结构、传动机构、载车板、电气控制系统、安全装置五大部分组成。 （1）钢结构 图2-2 钢结构简单示意图 具有如下特点： 可靠性高 钢材在生产时，整个过程可严格控制，质量比较稳定，性能可靠。钢材组 织均匀，接近于各向同性匀质体。钢材的物理力学特性与工程力学对材料性能 所作的基本假定符合较好。钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计 算结果，计算结果可靠，所以说钢结构的可靠性高 材料的强度高，钢结构自重小 . . 与混凝土等材料相比，虽然钢材的重力密度大，但它的强度和弹性模量较 高，而且强度与重力密度之比也高得多。钢结构自重小，从而便于运输与安装， 可减轻基础的负荷，降低地基和基础部分的造价。 材料的塑性和韧性好 钢材的塑性好，钢结构在一般条件不会因超载等而突然断裂。破坏前一般 都会产生显著的变形，易于被发现，可及时采取补救措施，避免重大事故发生。 钢材的韧性好，钢结构对动力荷载的适应性强，具有良好的吸能能力，抗震性 能优越。 钢结构制造简便，施工工期短 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。 钢结构密闭性好 钢结构采用焊接连接可制成水密性和气密性较好的常压和高压结构、管道 等。 钢材的耐锈蚀性差 在没有腐蚀介质的一般环境中，普通钢材制成的钢结构经除锈后再涂上合 格的防锈涂料，锈蚀问题并不严重。立体车库多在没有腐蚀介质的环境中，所 以对钢结构本身的维护费用低。 结构主体采用热制H型钢、槽钢、角钢和钢板等型材制造，具有较好的强 度和刚度，轻巧、美观，并可二次拆卸安装，运输方便。 （2）传动机构 每块上载车板都配有一套独立的电机减速机与链传动组合的传动系统。其 工作原理如图2-3，电机顺时针旋转时，载车板上升，电机逆时针旋转时，载车 板下降。根据载车板及车重确定链条所需的传动力。根据传动力及载车板的移 动速度确定电机功率。根据车身高度确定上下载车板间的距离，根据这个距离 确定链条的长度，最后根据传动力确定链轮大小，链节形状及大小。 . . 图2-3 链传动简单示意图 （3）载车板 由于下载车板不需悬挂链条，所以为了节省材料，下载车板比上载车板要 短。每块下载车板后部都配有一套独立的电机减速机传动系统，藏于载车板内。 在下载车板底部装有四只钢轮，可以在导轨上行走，其中两只为主动轮，装于 长传动轴两端，另两只为独立安装的从动轮。电机减速机驱动长传动轴运转， 长传动轴上的主动钢轮在导轨上滚动行走从而使下载车板作横向平移运动。根 据载车板及车辆的重量、行走速度、滚轮与导轨间的摩擦系数确定横移电机的 驱动功率。 图 2-4 平板式载车板及拼合示意图 （4）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极限开关，在 中间层和底层车库横梁两端装有左右行程极限开关。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 装两只电磁铁控制的挂钩，上载车板两侧相应位置出个装两只勾环，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 程极限开关的作用是当载车板到达位置是自动停止。 . . 图2-5 安全装置简单示意图 （5）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，急停，手动 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，当故障排除或急停取消后，可以用手动按钮使车库复位。 2.3.2 升降横移式立体车库的结构示意 本论文具体选用三层七位升降横移式自动化立体车库进行研究和设计，其 设备结构示意如图 2-6： 图 2-6 升降横移式立体车库设备结构示意图 （1）立体车库模型 . . 本立体车库的建筑模型为一个三层七车位立体车库，车库平面设计示意图 如图 2-7 所示，车库立体模型示意图如图 2-8 所示。 （2）立体车库设计指标 本车库以中型轿车尺寸长（4800mm）宽（1800mm）高（1800mm）为标 准进行设计，据此每个停车位的尺寸应为长（5000-6000mm）宽(2500-3000mm) 高（2000-2500mm） ，经考虑停车安全预留空间，本车库的几何空间尺寸设计为： 长度=25000mm，宽度=18000mm，高度=6600mm； 车库前留有6000mm 宽车道； 一层净高：2200mm； 二层净高：2200mm； 三层净高：2200mm； 最大存车长度：5500mm； 最大存车宽度：2000mm； 最大存车高度：1800mm。 图 2-7 立体车库平面示意图 . . 图 2-8 立体车库立体模型示意图 2.4 升降横移式立体车库中的安全防护装置 车库是用来存放汽车的，汽车的价格是很昂贵的，所以车库一旦发生事故， 所造成的损失会很大，为此，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）门前光电检测装置：在车库运行过程中，不能有人或物进入车库的工 作区，所以要在车库入口处安装一个红外装置，一旦在车库工作时有人或物进 入车库，系统将立即停止工作。 （5）载车板固定装置：当载车板到达指定位置后，为防止载车板下滑或因 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，报警灯闪烁， 按下急停按钮使车库立即停止。 . . 3 立体车库电气控制系统设计 3.1 电气控制系统整体设计 在工业自动化控制中，最常用的三种控制方式有继电器控制、单片机控制 和可编程控制器控制，这三种控制方式各有优缺点。 （1）继电器控制系统 控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中 的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的 自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响 整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不 太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性 差，响应速度慢。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。由于继电器的触点有 限，其灵活性和扩展性也受到制约。 （2）单片机控制 单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括 CPU、存储器、定时器 和多种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领 . . 域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。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。但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部 I/O 信号相连。 要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和 I/O 接口电路，硬件设计、 制作和程序设计的工作量相当大。 （3）可编程序控制器控制 可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作 硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬茧配制和设计外部接线图，同时采用 梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序 适应工艺条件的变化。 此外，PLC 还有以下优点： （1）可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。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。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。 一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路 来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线 及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。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。在应用软件中， 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及 设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 （2）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。近年来 PLC 的功能单元大量涌现， 使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通 信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容 易。 . . （3）易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易， 编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电 器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继 电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计 算机从事工业控制打开了方便之门。 （4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制 系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同 一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产 场合。 （5）体积小，重量轻，能耗低 以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理 想控制设备。 根据对几种常见控制方式进行对比，再结合本设计可以得出使用 PLC 来控 制立体车库时最合适的。 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。 立体车库的自动控制系统包括弱电和强电两套系统，弱电系统主要是各种 信号的采集和控制输出，例如：通过 PLC 输出信号给接触器线圈，以此来控制 接触器的通断，从而来控制强电系统。强电系统主要包括载车板电机控制线路， 控制电机正反转的接触器等。车库采用面板按钮呼叫车位存取车，用升降横移 装置将汽车输送到位。控制系统在面板上设有急停按钮，当发生意外时，按下 急停按 钮将使车库立即停止运行。 系统输出控制信号包括控制电机运行和方向的信号，控制电磁铁得、失电 信号。 升降横移式立体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、信息技术于一体。其中，电子技术、信息技术和传感技术的合理运用与 组合构成了车库的控制系统。升降横移式立体车库的控制系统是整个车库系统 的重要组成部分，也是车库系统的核心。执行机构是“四肢” ，框架是“躯体” ， 那么控制系统就是“大脑” 。它指挥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。 升降横移式立体车库的系统控制原理：操作者通过控制面板把操作信息传 送给控制系统，经过系统处理后通过辅助设备驱动执行结构，来完成车库的运 作。立体车库系统控制原理框图如图 3-1 所示。 图 3-1 立体车库系统控制原理框图 3.2 电气系统关键部分设计 3.2.1 PLC 接线设计 在升降横移式立体停车库中，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，这些辅助 装置帮助我们更好的控制立体车库。为了保证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。为了判断载车板上有无车辆， 采用了光电开关。同时在车库中还采用了一些传感器如烟温传感器以及安全预 警装置。在此图中只是简单的画出了三层七位升降横移式立体车库的一些其简 单的功能。根据这些功能我们可以很直观的观察出三层七位升降横移式立体车 库的工作。接线图见图 3-2。 . . 图 3-2 简化 PLC 接线图 电机控制及接线设计：在存取车时车位的升降不能同时进行，车位的升降 和横移也不能同时进行，这两个动作必须是互锁的，即当上层车位在升降时， 地面层车位不能移动，反之亦然，并且上层车位每次只能有一个车位进行上下 升降运动。这些在程序中可采用联锁和互锁的方法来解决。如图 3-3 所示。 . . 图 3-3 电机控制原理图 3.2.2 其他资源配置 （1）检测点分布 载车板上汽车停放到位否检测 采用光电开关在底层进行扫描检测。光电开关的接收器和发射器分别安装 在底层左右两边，在载车板前后位置均进行检测，当有车辆停放不到位时，车 就把光电关光源挡住，此时系统不能动作，只有车辆停放到位后，系统才能正 常工作。 载车板上有无车检测在每个载车板上的一条对角线上安放一套光电开关， 用于检测载车板上有无车。 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一只限位开关，用于 检测载车板平移运动是否到位。 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。 上层载车板吊钩是否挂好检测 控制吊钩动作的电磁铁上有一反馈信号，可用于指示吊钩是否已把载车板 挂好。 （2）控制点分布 一层载车板左右平移控制 一层载车板只有两个，每个载车板只有左右移动两个动作，采用带自动抱 闸的三相交流电机控制。 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，采自动抱闸的三 相交流电机控制。 三层载车板升降运动控制 三层载车板有三个，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。 . . 吊钩动作控制 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。 （3）电机的选择 Y系列的三相异步电机具有效率高，噪声低，振动小，且体积小重量轻， 运行可靠安装维护方便，升温低等特点。 所以选用Y801-4三相异步电机。额定功率：P=0.55KW；额定转矩： Y=2.2N.m；额定转速n=1390r/min；质量17Kg。 根据所设计车库容量选择五个升降电机，四个横移电机。 3.3 PLC 控制程序设计 本文所设计的 PLC 存取车控制系统只针对上 2 层和 3 层的车位，而对于 1 层车位，存取车直接开进开出即可。控制软件采用梯形图语言编写。程序流程 见图 3-4。需要说明的是，载车板用链条依靠载车板上的吊点悬吊在托架上，在 静止状态时，防坠（安全）挂钩挂住载车板。在设计不同层进出车程序时运用 了“并行分支与汇合”的技巧，所谓并行分支指的是各分支流程可同时执行待 各流程动作全部结束后，根据相应执行条件，汇合状态动作。即如果选择第 3 层载车板进出车，可以使一层二层同时平移左移或右移，这样，控制系统能自 动处理设备动作顺序之间的联锁或双重输出，而且控制系统的试运行及故障检 查非常方便，可节约大量时间，提高工作效率。 . . 初 始 化 下 降 通 道 建 立 否 ? 弹 开 防 坠 挂 钩 挂 钩 移 开 否 ? 托 盘 下 降 托 盘 到 底 层 否 ? 发 出 存 取 车 信 号 存 取 车 完 毕 否 ? 系 统 安 全 检 测 发 生 故 障 否 ? 托 盘 上 升 托 盘 到 达 最 高 点 ? 托 盘 复 位 托 盘 复 位 ? 上 层 存 取 车 完 成 结 束 上层立体车库存取车流程图 选 取 车 位 号 下 层 车 位 有 托 盘 否 ？ 托 盘 左 右 移 动 Y N Y N N Y N Y N Y N Y N Y Y N 报 警 故 障 处 理 开 始 图 3-4 存取车程序流程图 . . 程序设计方案如下： （1）初始化程序提出系统的控制信息，扫描各到位开关信号。 （2）主控制程序按照进车优先的原则，将最多的车位保持在进车位置。每 个载车板运动之前，需要先判断目的地是否有空位，有空位才可以动作，前后 动作互锁。判断是否有空位是根据横移电机所对应的到位行程开关动作信息来 确定的。液压升降系统启、停动作也是根据相应的到位行程开关来确定。 （3）故障报警程序故障报警程序能够实时地采集设备异常信息，及时发出 声光报警信号，提醒司机和管理人员进行处理。若在程序执行过程中，有人、 物侵入车库空间或车辆超长，PLC将按照闭锁关系停止设备运行，同时发出故 障报警。该程序完整而高效的完成了二层升降平移式车库全部动作，具有安全 可靠性。完全达到了作为民用机电一体化设备所应具备的条件，充分发挥了它 的作用，让我们更好的操作。 3.3.1 PLC 的选型 目前市面上主要的 PLC 有西门子、三菱、欧姆龙、施耐德等。其中西门子 的功能强大，系统稳定，性能质量好，市场占有率最高。基于西门子结构化的 编程方式，开放性好，支持多种通信协议。另外西门子适用多种人机界面和监 控组态软件利于多厂家设备的通讯与集成，西门子做了很多功能块，减少了设 计人员的负担。因此，本设计选用了西门子公司的 PLC。西门子 S7-200 系列的 强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此 S7-200 系列具有极高的性能价格比。S7-200 有 5 种 CPU 模块，分别是 CPU 221、CPU 222、CPU 224、CPU 224XP、CPU 226；CPU 221 集成了 6 输入，4 输出共 10 个数字量 IO 点，无 IO 扩展能力。CPU 222 集成了 8 输入，6 输 出共 14 个数字量 IO 点，可连接两个扩展模块； CPU 224 集成了 14 输入，10 输出共 24 个数字量 IO 点，可连接 7 个扩展模块，最人扩展至 168 路数字量 IO 点或 35 路模拟量 I O 点； CPU 224XP 集成了 14 输入，10 输出共 24 个 数字量 IO 点，可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 IO 点或 38 路模拟量 I O 点；CPU 226 集成了 24 输入，16 输出共 40 个数字量 IO 点， 可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 路数字量 IO 点或 35 路模拟量 IO 点。 根据本设计车库的输入和输出，采用 CPU226 模块为 PLC 控制系统的核心控制 . . 器是最合适的。 3.3.2 PLC 的 IO 资源配置 根据立体车库控制系统的要求功能与选定的 PLC，对 PLC 进行 IO 分配， 具体分配如下。 表 3-1 I/O 分配输入表 输入地址 功能 输入地址 功能 I0.0 启动 I2.2 门前光电开关 I0.1 3 号载车板呼叫 I2.3 1 号载车板横移到位 I0.2 4 号载车板呼叫 I2.4 2 号载车板横移到位 I0.3 5 号载车板呼叫 I2.5 3 号载车板横移到位 I0.4 6 号载车板呼叫 I2.6 4 号载车板横移到位 I0.5 7 号载车板呼叫 I2.7 手动/自动 I0.6 3 号载车板平层 I3.0 上升按钮 I0.7 4 号载车板平层 I3.1 下降按钮 I1.0 5 号载车板平层 I3.2 左移按钮 I1.1 6 号载车板平层 I3.3 右移按钮 I1.2 7 号载车板平层 I3.4 1 号载车板呼叫 I1.3 车库平层减速 I3.5 2 号载车板呼叫 I1.4 3 号载车板光电开关 I3.6 载车板挂钩到位 I1.5 4 号载车板光电开关 I3.7 3 号车位载车板检测 I1.6 5 号载车板光电开关 I4.0 4 号车位载车板检测 I1.7 6 号载车板光电开关 I4.1 5 号车位载车板检测 I1.7 7 号载车板光电开关 I4.2 6 号车位载车板检测 I2.0 载车板横移限位开关 I4.3 7 号车位载车板检测 I2.1 载车板升降限位开关 表 3-2 I/O 分配输出表 输出地址 功能 输出地址 功能 Q0.0 3 号载车板升降 Q1.6 3 号载车板防坠电磁铁 Q0.1 4 号载车板升降 Q1.7 4 号载车板防坠电磁铁 Q0.2 5 号载车板升降 Q2.0 5 号载车板防坠电磁铁 Q0.3 6 号载车板升降 Q2.1 6 号载车板防坠电磁铁 Q0.4 7 号载车板升降 Q2.2 7 号载车板防坠电磁铁 Q0.5 1 号载车板左移 Q2.3 3 号载车板有车 Q0.6 1 号载车板右移 Q2.4 4 号载车板有车 Q0.7 2 号载车板左移 Q2.5 5 号载车板有车 Q1.0 2 号载车板右移 Q2.6 6 号载车板有车 Q1.1 3 号载车板左移 Q2.7 7 号载车板有车 Q1.2 3 号载车板右移 Q3.0 正转 Q1.3 4 号载车板左移 Q3.1 反转 . . Q1.4 4 号载车板右移 Q1.5 报警灯 梯形图附于附录。 3.4 电气安全装置 在立体车库中安全是非常重要的，因此做好安全防护十分有必要。以下是 电气安全中的的一些重要装置。 （1）设有断电、缺相、断相和相序保护：在主电源发生缺相，设备发生断 相、反相时，保护器动作切断设备主电源。 （2）延时保护：当车停不进设备时，设备将自动停止任何操作。试进入 （设定）三次自动停止，处于保护状态，停止任何操作。 （3）防人、异物误闯入红外线检测装置：设置自动锁闭系统，当设备运转 时，如有人或异物进入设备中，设备将会自动急停。待人员或异物离开设备后， 按动“复位”按钮，设备将恢复运行。保证设备安全运转，以防误伤人员。用 光电开关检测。 （4）车辆定位：载车板的末端装有前、后、左、右限位装置。 （5）防止载车板坠落装置：设置防坠落装置，载载车板运行到停车位后， 为防止载车板因故突然落下，设防止坠落装置，保证入库车辆安全。 （6）汽车长度限制装置：设置超长光电检测装置。当进入设备的车辆超过 适停车辆尺寸时，设备自动锁闭并报警提示。 （7）紧急停止装置：设置紧急制动开关，当出现异常情况时，能使停车设 备立即停止运转。 （8）防止超限运行装置：设置限位开关，包括，上限位开关，下限位开关， 左限位开关，右限位开关，极限开关等。当到位开关出现故障时，超限位开关 能使设备停止工作。 （9）警示灯及警示蜂鸣器：设置设备运转信号显示。提示设备处于运转状 态及对异常情况报警。 （10）电机自带刹车装置：防止载车板自动滑。 . . 4 升降横移式立体车库监控系统的设计 4.1 立体车库自动化控制系统 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。图4-1为立体车库监控的一个简易示意图。 . . 图4-1 立体车库监控示意图 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。 （1）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，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。 （2）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。 （3）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。 （4）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。 （5）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 以实现无人看守系统简介如下： 视频监控功能：在车库各出入口，值班室和车库内主要区段安装定焦摄像 机，在大范围车位区安装球形云台，以便实现对车库全方位的实时监控。如果 在车库光照条件不好的情况下，可选用黑白摄像机。 运动检测功能：可以在夜间设置车库的运动检测区域，当检测区有移动目 标时，运动检测功能发出报警信号，提醒值班人员。 车牌识别功能：它能够设置车库参照车辆的车牌、车型。当参照车辆进入 车库监视区域，系统自动对比参照车辆图像，有异常情况，发出报警信号，并 自动切换和记录相关图像。 报警连动功能：可以连动各类报警主机，如启动继电器发出声光报警通知 安保人员自动放下道闸拦截车辆出入。 数字录像功能：可以连续记录一个同在车库所发生事件，可以同步回放多 个图像，可选择任意图像进行整体放大和局部放大，记录、回放、备份可同步 进行各种信息。 图4-2为立体车库的一些监控设备。应用这些监控设备我们能更好的对立体 车库停放车进行安排。 . .