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基于PLC控制的立体车库摘要:随着我国拥有汽车的数量不断上升，停车难以成为了在大中城市中的一种普遍情况，并且还在不断的恶化中。为了解决停车难的问题，车库开始向高层发展，充分利用土地资源，发挥空间优势，最大限度的停放车辆，于是便发展出了机械式立体车库。在当今社会，自动化控制技术使用的地方越来越多，而PLC技术已经成为了自动化控制的主要方式之一，本文以三菱PLC为例，结合典型的33横移升降式立体车库，介绍PLC控制技术在立体车库控制方面的应用。关键字：立体车库，控制系统，PLC第一章 立体车库简介在现代，随着社会经济的不断发展，科技的不断进步，人们的生活水平在不断的提高，慢慢的，人们开始选择汽车作为出行工具，而随着汽车的不断增加，渐渐地，人们发现，城市里的停车位越来越少，经常会出现找不到停车场这种难题。由于现在土地越来越紧缺，于是，如何让停车场能停更多的车而不占用更多的土地便成为了一个问题，于是，立体车库便成为了一种可能的选择。立体车库拥有占地面积小，汽车容纳能力强的特点，它可以在大厦林立的小区中摆放，也可以大面积的组合使用，还能和地下停车场，车库等组合使用，能大大的解决停车难的问题。在当今社会，自动化控制技术使用的地方越来越多，而PLC技术已经成为了自动化控制的主要方式之一。将PLC控制技术应用到立体车库上，可以大大的方便人们停车的过程。第二章 升降横移式立体车库机械部分设计2.1 升降横移式立体车库的基本结构一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。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1 七车位升降横移式立体车库工作原理图如图1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号存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号载车板降下。由于升降横移式立体车库对场地的适应强性，可根据不同的地形和空间进行相应的组合，规模可大可小，对场地的要求比较低，因此，应用非常广泛。二立体车库部分机械构件及其功能以三层三列升降横移式立体车库为例，其主要有六大部分组成，分别是：结构框架部分，载车板部分，横移部分，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。2一层载车板横移传动系统（链传动系统）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，只能实现水平移动的方式，如图2所示。 图2 一层载车板横移链传动结构传动方式为减速电机带动主动链轮，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运动的传动系统（链传动系统）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。如图3所示。 图3 二层载车板升降横移传动结构图横移传动方式为：横移减速电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：升降减速电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，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（链传动系统）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。如图4所示。 图4 三层升降传动结构图 升降传动方式为：减速电机带动主动链轮，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。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，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。2.2 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。如图5所示。图5 防止载车板坠落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。第三章 立体车库电气控制系统设计3.1 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。立体车库的自动控制系统包括弱点和强电两套系统，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。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。图6 立体车库系统控制原理框图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6所示。由于PLC的可靠性、抗干扰能力强。国内外现有的升降横移式立体车库，它们的系统控制形式大都采用可编程控制器控制，特别是应用在智能化要求程度高、多车位、大容量的现代化升降横移式立体车库中。PLC的可靠性、抗干扰能力强。在升降横移式立体车库中，控制系统的主要控制对象首先是车库内的横移电机和升降电机，控制系统要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。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。一般小型车库选用按钮操作，界面清楚，易于操作，但对于大型车库来说要用上位机来进行对其控制。3.2硬件系统配置本节主要介绍升降横移式立体车库的控制系统和所需的各种硬件设备。如图7所示。 图7 电气控制系统框图一、 PLC选型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。二、 PLC的IO资源配置根据立体车库控制系统的要求功能，对PLC进行IO分配，具体分配如下。输入输入设备输入输入设备X0启动X23门前光电开关X13号载车板呼叫X241号载车板横移到位X24号载车板呼叫X252号载车板横移到位X35号载车板呼叫X263号载车板横移到位X46号载车板呼叫X274号载车板横移到位X57号载车板呼叫X30手动/自动X63号载车板平层X31上升按钮X74号载车板平层X32下降按钮X105号载车板平层X33左移按钮X116号载车板平层X34右移按钮X127号载车板平层X351号载车板呼叫X13车库平层减速X362号载车板呼叫X143号载车板光电开关X37载车板挂钩到位X154号载车板光电开关X403号车位载车板检测X165号载车板光电开关X414号车位载车板检测X176号载车板光电开关X425号车位载车板检测X207号载车板光电开关X436号车位载车板检测X21载车板横移限位开关X447号车位载车板检测X22载车板升降限位开关X45 输出地址输出设备输出地址输出设备Y03号载车板升降Y213号载车板防坠电磁铁Y14号载车板升降Y224号载车板防坠电磁铁Y25号载车板升降Y235号载车板防坠电磁铁Y36号载车板升降Y246号载车板防坠电磁铁Y47号载车板升降Y257号载车板防坠电磁铁Y51号载车板左移Y263号载车板有车Y61号载车板右移Y274号载车板有车Y72号载车板左移Y305号载车板有车Y102号载车板右移Y316号载车板有车Y113号载车板左移Y327号载车板有车Y123号载车板右移Y40低速Y134号载车板左移Y41中速Y144号载车板右移Y42正转Y20报警灯Y43反转三其他资源配置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13个接触器，分别是：3号载车板升降变频接触器，4号载车板升降接触器，5号载车板升降接触器，6号载车板升降接触器，7号载车板升降接触器。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。用到了一个继电器，用来控制PLC的启动。3-7号载车板升降接触器：载车板升降接触器是连接升降电机到变频器的接触器，通过PLC输出指令控制升降电机的变频运行或停止。1-4号载车板左移接触器：1号载车板左移接触器是连接横移电机到工频电网的接触器，通过PLC输出的指令控制横移电机的正转或停止。1-4号载车板右移接触器：1号载车板右移接触器是连接横移电机到工频电网的接触器，通过PLC输出的指令控制横移电机的反转或停止。2变频器本次选用的变频器是三菱的A700型变频器。A700系列变频器是三菱电机全新一代的高性能通用型变频器，可选功率范围在0.4KW500KW，是为满足广大自动化产品用户对于使用的灵活性和方便的要求设计的，努力做到新设计水平先进、新颖；全功能齐全、一机多用；高控制性能优越而独特。特别适用在一些高端的应用场合，典型的应用有印染、起重和卷曲等。A700集成了以往三菱变频器的优点，而作为三菱电机变频器家族中的新添成员，它最吸引人的亮点包括：1）高水准的驱动性能，在无传感器矢量控制中可以驱动普通电机实现高控制精度和快响应速度，在闭环矢量控制中可以实现转矩控制/位置控制以及高精度、高响应的速度控制；2）简易、实用的PLC功能（可选专用型号），除了变频器正常使用外附加了PLC的运行功能，进行相关的电气控制，做到一机多用，它使得变频器的使用更加灵活，可以最大限度的满足您的使用要求；3）强大的网络通讯功能，内置USB通讯接口，方便连接FR-Configurator变频器设置软件。4）内置EMC滤波器，有效地抑制电磁噪声，无需外部配置，节省安装空间；5）长寿命设计，主回路电容、控制回路电容、新设计的冷却风扇设计寿命均为十年。变频器的部分参数设定：参数号名称初始值设定范围内容Pr.4多段速度设定（高速）50Hz0400Hz设定仅RH为ON时的频率Pr.5多段速度设定（中速）30Hz0400Hz设定仅RM为ON时的频率Pr.6多段速度设定（低速）10Hz0400Hz设定仅RL为ON时的频率Pr.9电子过电流变频器额定输出电流55K以下0500A75K以上0500APr.80电机容量999955K以下0.455KW设定使用电机容量75K以上03600KW9999Pr.83电机额定电压400V01000V设定电机额定电压Pr.84电机额定频率50HZ10120HZ设定电机额定频率3传感器（1）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。（2） 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。（3）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。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ：物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。光电传感器采用BEN10M-TFR型光电传感器。探测方式：透过型探测距离：10M电源：24-240VAC10% 50/60HZ，24240VDC10%（幅度 P-P：MAX。10%）环境温度：-20+65（未结冰状态）保存温度：-25+70环境湿度：3585%RH。采用KCB-1型双稳态磁性开关。KCB-1型用于高速电梯平层控制,各类升降机限位及工业自动化方面作控制元件，具有控制灵敏度高，开关双稳态保持形式稳定，不耗电等优点（4）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(1) 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。(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， 采自动抱闸的三相交流电机控制。(3) 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。(4) 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。根据依据需要控制的电机、电磁铁和检测点等条件，建立电气线路图8和图9. 图 8 电气线路图 图 9 电气线路图3.3 电气控制系统PLC接线图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。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，采用了双稳态磁性开关。为了判断载车板上有无车辆，采用了光电开关。其简化接线图见图10。图10 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。可以在程序中用自锁和互锁的方式完成。电机控制原理如图11所示。图 11 电机控制原理图3.4 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12。需要说明的是， 载车板用链条和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。图12 存取车程序流程图 根据立体车库的运行控制要求，程序设计方案如下：（1）每个载车板在运动之前，需要根据各传感器的状态，来判断目的地是否有空位，有空位才可以移动，如果没有空位，则需要通过周边载车板横移运动来挪出空位，然后再进行相应的运行。（2）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。若是车库在运行过程中，有人或物进入车库，PLC将立刻关闭所有运行设备，并发出声光报警信号。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电气或机械故障时， 如电机过载、过热时自动中止系统运行， 并发出声光报警， 同时系统转人手动方式进行故障处理。本升降横移式立体停车库控制系统分为两种工作方式：手动方式和全自动方式，可用开关来进行选择。其中手动方式主要用于调试维修或应急情况，也就是通过PLC实现“点动”，当选择了车位号后，再按下“上”、“下”、“左”、“右”键，就可以把载车板调整到预定的位置。全自动方式是立体停车库的正常工作方式，当键入某载车板进出命令后，系统可自动判断路径并移动载车板，自动完成进出载车板动作，记忆各载车板新的车位状态，并刷新载车板有无车信息。根据上述工作步骤，设计出来的程序如下所示： 小结本论文主要研究的是PLC控制的升降横移式立体车库，它是以PLC为核心，借助于PLC可靠而灵活的可编程控制，既可以对车库载车板进行自动化控制，也可以实现手动控制。自动化立体车库在现代大城市中使用的越来越多，由于其实现了自动化控制，不需要人们频繁操作，方便了人们的生活，大大的化解了城市停车难的问题，还节省了土地资源，可以说是一举多得。答谢辞这篇论文在设计过程中遇到了许多的问题，在解决问题的过程中，各位指导老师和同学给了我很多的帮助，在这里我表示对他们深深的谢意。首先感谢我的指导老师-吕宁老师，全靠了您的指导，这篇论文才能完成。其次感谢班主任戴维老师和所有教过我的老师，在这六年的学习生活中，你们教给我很多的知识。再次感谢我身边的同学和朋友，谢谢你们对我的帮助和宽容，和你们在一起的时间，将是我珍贵的回忆。致 谢一个好的设计，仅仅依靠自己的力量是很难完成的，因为你总会遇见困难，或许老师、同学的一个简单提示就可以让你豁然开朗、让你茅塞顿开，在此次设计过程中，我深刻体会到了这一点的重要性，同时我也深刻的领悟到团队精神的重要，互助精神的必要。在此，我衷心地向我的毕业设计指导老师郑雪娇老师，还有其他各位老师、同学和领导表示感谢。感谢他们在设计中给我的帮助、鼓励和支持，使我在困难面前勇于前行，使我对人生目标有了更大的坚定。我为有这么一些同学、老师和领导而感到骄傲和幸运，我感谢他们在生活中的悉心照料、学习中的全心帮助。在此，我衷心地对他们说声谢谢参考文献三菱FX2N系列编程手册三菱通用变频器A700使用手册西门子S7-200工程应用实例分析 陈玉华 编著 电子工业出版社现代新潮传感器应用手册 杨帮文 编著 机械工业出版社