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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 课题的背景和意义 1
1.2 课题的关键技术及其国内外研究发展现状 3
1.2.1 国外研究现状 3
1.2.2 国内研究现状 4
2 升降横移式立体车库的机械设计部分 6
2.1 立体车库的分类及其特点 6
2.2 升降横移式立体车库的工作原理 8
2.3 升降横移式立体车库的结构 9
2.3.1 升降横移式立体车库的主要构成 9
2.3.2 升降横移式立体车库的结构示意 12
2.4 升降横移式立体车库中的安全防护装置 13
3 立体车库电气控制系统设计 15
3.1 电气控制系统整体设计 15
3.2 电气系统关键部分设计 18
3.2.1 PLC接线设计 18
3.2.2 其他资源配置 19
3.3 PLC控制程序设计 20
3.3.1 PLC的选型 22
3.3.2 PLC的I∕O资源配置 23
3.4 电气安全装置 24
4 升降横移式立体车库监控系统的设计 25
4.1 立体车库自动化控制系统 25
4.2 基于Wincc的监控系统设计与实现 28
4.1.1 Wincc的概述 28
4.1.2 监控系统的功能 28
4.1.3 Wincc的组态 29
5 结论 32
参考文献 33
致谢 34
附录 35

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。停车问题是城市在发展过程中出现的静态交通（车辆停放状态）问题，静态交通是相对于动态交通（车辆行驶状态）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。2.1 立体车库的分类及其特点
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：
①有效利用空间，提高空间利用率达数倍。
②存取车快捷便利，独特跨梁设计，车辆出入无障碍。
③采用PLC控制，自动化程度高。
④环保节能，低噪音。
⑤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：
①使用PLC自动调车，一次按键即可完成存取车。
②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。
③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：
①全封闭管理，安全、防盗、为车辆提供最佳防护。
②可设置于地上或地下，充分利用有效空间。
③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。
④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。
⑤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：
①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。
②可同时提供多车位进出口，等待时间短。
③智能化程度高，可预约存取车及空车位导向。
④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：
①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。
②部分区域发生故障时，不影响其他区域的正常运行。
③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：
①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。
②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。
③备有专用锁匙开关，防止外人开动设备。
④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 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
2.3.2 升降横移式立体车库的结构示意

图2-6 升降横移式立体车库设备结构示意图

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。
3.2 电气系统关键部分设计3.2.1 PLC接线设计
3.2.2 其他资源配置
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。

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I∕O点，无I∕O扩展能力。CPU 222集成了8输入，6输出共14个数字量I∕O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I∕O点，可连接7个扩展模块，最人扩展至168路数字量I∕O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I∕O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I∕O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I∕O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I∕O点或35路模拟量I∕O点。
3.3.2 PLC的I∕O资源配置

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

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。
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。
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
4.2 基于Wincc的监控系统设计与实现
4.1.1 Wincc的概述
4.1.2 监控系统的功能
4.1.3 Wincc的组态
（1）为PC Access创建变量
打开PC Access程序，对创建的PLC的属性进行定义名称以及地址。
（2）将变量导入WinCC
首先在WinCC 中添加OPC驱动，选择“添加新的驱动程序”。在驱动程序选中对话框中选择OPC.chn，设置系统参数，在OPC条目管理的<LOCAL>中，选择“S7-200.OPCServer”,建立一个连接，输入新的连接名称，此时可以在OPC驱动器的目录下看到导入的条目。
（3）创建监控画面
（4）编辑主监控画面
（5）图形对象的动作连接
通过图形编辑器，可链接属于图形对象的带有属性的动作。使用的函数带有返回值，控制与其链接的对象属性。
图4-3为按键显示板外形图。1-1到3-3指示灯亮表示相同位置的车盘内停放有车辆；报警灯亮表示车库有车辆进出。按下手动按钮，车库通过旁边的按键可以控制车盘左右移动和上下升降，按按键奇数次为起动，偶数次为停止。按下自动按钮，表示当前状态由PLC控制，用户可以通过自编程序控制车盘左右移动和上下升降。按下急停按钮，车库就会立刻停下来。
随着中国经济的腾飞，城市化进程加快，汽车越来越快的走进工薪阶层家庭，而土地越来越紧缺的情况下，为解决城市停车难的问题，立体车库是必然出路。我国立体车库发展虽经历了十来年的发展，但仍处于初级的停车功能，是最原始的使用阶段，它的设计水平、经济价值还有待于完善和开发。为此对立体车库设计方案优化具有重大的现实意义和潜在的市场经济效益。经过本次设计我们得出了以下结论：

参考文献
[7] 施利春.PLC操作实训（西门子）.北京：机械工业出版社，2007
[8] 西门子S7-200产品手册.西门子工业集团.
致谢
本次论文设计让我了解到了立体车库的产生和发展历程，并且熟悉了立体车位的运行过程，加深了对可编程程序控制器的了解，并能够将其运用到立体车库控制系统中。在所学知识的基础上，根据自己对立体车库的认识，设计出了三层七车位立体车库，并且为其编写了PLC程序，实现了车库的自动化控制。
在毕业设计研究之中，从我查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中谭老师都给予了我悉心的指导，这使得我最终克服各种困难，顺利地完成了论文。在此，谨向我的导师表示最崇高的敬意和最衷心的感谢。
最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢！附录