基于PLC的立体停车库系统设计_毕业设计(论文)

基于PLC的立体停车库系统设计

摘要

分析了各种立体停车库的结构。其中包括对停车系统原理、类型及特点的概述。通过对比各种立体停车库的特点，得出升降横移式立体停车库是普通家用住宅小区中的最佳选择，并详细的说明了所要设计的普通家用住宅小区中升降横移式立体停车库的工作原理。阐明了立体停车库的运动特点和功能需求，确定了控制系统的总体方案。介绍了立体停车库的系统组成，其中详细的介绍了硬件组成和软件实现部分。探讨了运用可编程控制器PLC实现立体停车库控制系统的方法和步骤。其中包括PLC的选型和PLC的工作步骤、工作原理、工作特点的介绍。根据立体停车库的工作过程，绘制了PLC控制立体停车库的工作流程图，并编写了程序框图。为以后研究普通住宅小区中的立体停车库具有重要的借鉴意义。

关键词：PLC, 自动控制, 立体停车, 升降横移

The Design of a Stereo Garage System Based on PLC

Abstract

This paper analyzed the structure of a variety of parking garages. It includes the parking systems theory, an overview of the type and characteristics. By comparing the characteristics of a variety of solid garage, we draw a conclusion that parking garage can lift and transfer is the best choice for Ordinary household plot. In addition, it described how the new Stereo Garage System works in detail. Then, it illustrates the movement characteristics and functional requirements of this new solid garage. Again, the general scheme of the control system has determined. It introduced the components of the Stereo Garage and described the hardware and software components in detail. It explored the methods and procedures to achieve this new parking garage that controlled by the programmable logic controller PLC. Throughout this article, including selection, work steps, working principle and work characteristics of the PLC. According to the working process of solid garage, I draw a whole flowchart of the parking garage based on PLC and wrote the block diagram. This new solid garage has an important reference for the research of parking garage in the future.

Key words: PLC, Automatic control, Parking, Lifting and Transferring

目录

第一章绪论 (1)

1.1 课题研究背景 (1)

1.2 课题的提出及意义 (1)

1.3国内外车库发展现状 (2)

第二章立体车库总述 (3)

2.1立体停车库的分类及特点 (3)

2.2 车库的选型 (6)

2.3 升降横移式立体车库的结构组成 (7)

2.3.1 主框架部分 (7)

2.3.2 载车板部分 (7)

2.3.3 传动部分 (7)

2.3.4 控制部分 (8)

2.4 车库整体结构设计与运行说明 (8)

2.5 小结 (8)

第三章升降横移式立体车库系统设计 (9)

3.1 动力系统设计 (9)

3.2 检测系统设计 (10)

3.2.1利用光电传感器的检测 (10)

3.2.2载车板到位的检测 (12)

3.3 本章小结 (12)

第四章基于PLC的控制系统设计 (12)

4.1 PLC的控制过程 (12)

4.2 控制板设计 (14)

4.3 I/O口的分配 (15)

4.3 PLC的选型 (15)

4.4 PLC外围接线图 (16)

4.4 PLC程序编写 (18)

4.5 本章小结 (19)

第五章结论 (20)

参考文献 (21)

谢辞 (22)

第一章绪论

1.1课题研究背景

近年来，随着经济的迅速发展，城镇化、机动化进程不断加快，我国逐步进入小康社会，拥有家庭轿车已成为大多数中国人追求的人生目标。但是，随着汽车保有量的快速增长，在中国的各大城市中普遍存在着交通拥挤的现象，尤其是发达地区，停车越来越难。跟具调查，除厦门以外，在我国没有一个城市的车位满足率能够达到85%。不仅像北京、上海、广州、深圳这样的一线城市无法满足“一车一位”的要求，就连成都、杭州等二线城市的车均拥有停车满足率也还不到25%。2007年，武汉地区是39.7万辆机动车共享29万个停车位，而现如今更是92.5万辆机动车争夺34.3万个停车位，在短短不到4年的时间里，车位的满足率从73%下降到37%，仅停车的缺口就增加了一倍。截止到2012年，北京的机动车保有量已经突破400万，但是在北京仅有129万个经营性质的停车位。在山东省的青岛市按照当前车辆和停车位的比率计算，结果是平均9辆家庭轿车分享一个停车位。

1.2课题的提出及意义

进入二十世纪以来，尤其是近几年人民的生活质量得到长足的改善。在党中央以“中国梦，我的梦”为主题的倡导下，拥有家庭轿车已经成为现在人的梦想和追求，越来越多的私家车已经出现在城市的大街小巷，停车难已经成为新的社会热点问题被广泛的关注。毫无疑问在寸土如金的一线城市，立体停车库已经成为解决城市停车难问题的最佳选择。在土地价格居高不下的今天，让停车的空间在平面土地上扩展是相当困难的，需要付出非常高的代价。传统的意义上停车场即为地面停车场，需要占用较多的土地，浪费较多的资源。而现代化的立体停车库是一种多层次的空间的立体停车库，其充分利用了地球上的空间资源，将停车区域向空中发展。以传统的地面停车位为改造的基础，引入以PLC为核心的微控单元，通过微控单元的控制实现车位的立体化移动，达到将平面车位升级到立体车位。所以立体停车场的使用，为解决城市停车难的问题提供了更多的选择。

1.3国内外车库发展现状

我国的立体停车库发展到今天已经有20多年的历史。华一机械车库集团在1989年时建造了国内第一台机械式停车库。虽然我国的立体停车库是从二十世纪的八十年代已经开始研究并且使用，但是限于当时我国的市场需求，发展的速度太慢。最近几年，立体停车库无论在硬件还是在软件方面都取得了较大的进步，并广泛的用于火车站、商业大楼、汽车站、机场及繁华的商业区等车辆密集的地区。在进入21世纪后，在国内创办了很多与停车库有关的展览会，吸引了来自日本、美国、德国等有较高知名度的世界级设备生产商。带来了具有世界领先水平的立体停车库设备，其存车的能力和先进程度已经得到了广泛的认可。立体停车库发展到今天对老百姓来说已经不卖陌生，但真正使用过立体停车库的并不多，这说明立体停车库的普及率并不高。研发能够让大多数人使用的实用型立体停车库将会是我国下一步工作的重点。

在世界范围内，日本是立体停车库研发最早的国家。在20世纪的60年代，日本已经开始了立体停车设备的研发、生产和销售工作，到今天已经有50多年的历史。现在约有200多家公司在日本开展停车库的研发工作。90年代左右，日本平均每年进入工作的立体停车位在12万左右。现在在日本的国内正处于使用状态的立体停车位已经超过了320万个，且多数为升降横移类别的小型立体停车库。在立体停车库研发类型的走向方面，我们国家应该向日本学习。由于日本国家面积不大，在生产技术上，竖式的立体停车库发展情况最受日本政府部门的重视，即日本开始向密集型立体停车库发展。由于日本在立体停车库方面的技术是所有亚洲国家中最先进的，所以，韩国、台湾和香港等亚洲的其他国家和地区主要从日本引进技术，我国也不例外。由于受到政府的大力支持，立体停车库设备得到普遍的开发和广泛地利用。韩国最近几年每年的增长速度都在30%以上。韩国的停车库行业已经进入稳步的发展阶段。

第二章立体车库总述

现代人对立体停车库并不陌生，但真正使用过立体停车库的并不多，这说明立体停车库的普及率不高。通过对各种立体停车库特点的比对得出升降横移式立体停车库更适用于普通的住宅小区，确定了升降横移式立体停车库为本文的研究对象。介绍了立体停车库的结构组成，经过优化设计得到了全新的升降横移式的车库结构，并对其进行了详细的例图说明。

2.1立体停车库的分类及特点

受各国地形以及活动场所不同的限制，发展到今天立体停车库的种类已经很多，其运行原理和结构的组成各有各的特点和优势。不同类型的停车库设备采用不同的工作原理和生产技术，可适用于不同的地域。目前在我国的立体停车库共有七类：

（1）升降横移类

通过载车板的升降和横移以达到立体停车目的的设备称为升降横移式的立体停车库。升降横移式的立体停车库采用了模块化的设计，停车位的数量可达到数百个，可应用于多种场地的条件，同时也可运用多种组合，可有效的利用场地的空间，也可运用原有的场地进行改造，其主要在家庭小区、办公楼、小型的商场中应用。如图2..1所示：

图2.1 升降横移类实物图

图2-1 升降横移类

(2)垂直循环类

载车版在竖直方向上做循环移动的停车库称为垂直循环类的立体停车库。该类型的停车库动力比较单一，同时控制过程简单，其所用的面积较小。工作的原理是由电动机带动传动机构，将载车板平均安放到传动链条上，电机运行时，载车板和汽车一同做垂直循环运动，即可进行存车和取车。如图2-2所示：

图2-2 垂直循环类

(3)水平循环类

将载车版安装到运动链条上，在水平的方向上运动的立体停车设备。工作过程：车辆停放到车库的出入口处，车辆在载车板上随链条做水平的运动，停车结束后链条停止运动。如图2-3所示：

图2-3 水平循环类

(4)多层循环类

载车板在竖直的方向上做椭圆式循环的运动，实现车辆在多层停车位上的存放。因这种类型的立体车库无需坡道，节省占地，自动存取，具有广泛的适用性。

如图2-4所示：

图2-4多层循环类

(5)巷道堆垛类

将堆垛机作为车辆存取的载体，所有的车辆都用堆垛机进行存放和取出，故对其技术的要求很高，由于堆垛机的成本高，故该类立体停车库适用于繁华的停车数量较多的地方。如图2-5所示：

图2-5 巷道堆垛类

(6)垂直升降类

垂直升降类的工作原理：存车的时侯先用升降装置把车运送到指定的高度，然后利用横移装置把车辆或着是载车板运送到指定的车位；车辆的取与存是相反的运动过程，取车的时候负责横移的电机先移动，负责升降的电机后移动，车辆被运送到升降口处，完成整个存车过程。如图2-6所示：

图2.6 垂直升降类

(7)简易升降类

一般情况下车库分为上中下三层，它是利用升降装置或者是俯仰装置把车辆存入或者是取出的停车设备。该类停车装置结构比较简单、操作较为容易，一般用于事业单位、企业单位、家庭小区等场合。它可以充分地利用空间区域，将空间的停车效率至少提高两倍。如图2-7所示：

图2-7 简易升降类

2.2 车库的选型

经过对现有立体停车库特点的分析，结合对全国范围内立体停车库使用情况的调研，考虑到研发的成本和维修的费用，在本文中选择升降横移类立体停车库

作为研究的对象。升降横移类的立体停车库建造简单，价格合理，运用也比较方便，更加适用于普通用户使用，使用时操作简单。从目前来看，我国的住宅小区中应用最多的就是升降横移式我国大多数小区采用的也是多层升降横移式立体停车设备，大规模的巷道堆垛式机械立体车库用的比较少，因此选择升降横移式立体车库作为研究对象，易于市场推广，可行性很高。

2.3 升降横移式立体车库的结构组成

本文中设计的升降横移类的立体停车库由四部分组成：主体框架结构部分、载车板部分、传动部分（动力部分）、控制部分。

2.3.1 主框架部分

主框架部分是立体车库的骨骼。该框架以钢材为原材料，便于焊接。立体停车库为多层的结构，钢才能够保证其稳定性。选用钢材为原材料还能够满足抗震性的要求。以钢材为施工的材料要比传统的土木材料在施工的速度上快很多。鉴于停车库的层数相对较少、高度相对较低，以钢材为材料的主框架大多采用纯框架的结构或以框架为主要支撑的结构。

2.3.2 载车板部分

载车板以钢材为材料，是车库用于存取车辆的载体。按照组成结构可以分为整体式和组合式两种。整体式载车板用一块轻型钢板焊接而成，较多的采用了两边凹进的结构。该载车板最大的优点是可对通道的宽度按照需要进行调节。组合式载车板相较于整体式具有可用度高、适用性好、刚度强、方便运输的特点，该类型的载车板更适合大量使用和批量的生产。

2.3.3 传动部分

传动部分是立体停车库的动力系统，由电动机载动载车板的升降系统和电动机载动载车板的横移系统组成。升降横移式立体停车库具有较多的组成形式，但工作原理都基本相同，都是利用载车板升降和横移的不同组合，将停在地面的车辆运送到指定的车位。传动部分主要由电动机和传动链条组成。由电动机和传动链条带动载车板进行车辆的移动，完成车辆存取的全过程。

2.3.4 控制部分

运用可编程控制器PLC作为立体停车库的控制单元。PLC在本系统中使用具有较多的优点：首先，与单片机相比稳定性强，运行可靠；其次，与DSP相比价格便宜，处理的速度完全可以满足要求。控制部分的具体内容在第四章介绍。

2.4车库整体结构设计与运行说明

车库的结构采用立体停车库的形式，分为上中下三层，共有9个停车位7个载车板。6号停车位和9号停车位没有载车板。

升降横移类立体停车库的运行原则：下层只能在平行方向移动，上层只能做升降运功，中间层可以平行移动又可以做升降运动。运动的口诀：升降时复位，平移时不复位。根据图2.1做详细的说明：图中7号车停位和8号停车位可以直接存取车；3号载车板下降到底层后可以进行车辆的存取；当中间层的4号和5号载车板与底层的7号载车板和8号载车板横移出空位后，顶层的1、2、3号载车板通过升降运动下降到底层可完成车辆的存取；当底层的7号和8号载车板横移出空位后中间层的5号和6号载车板下降到底层从而实现车辆存取。如果要在1号停车位存取车，则4号、5号载车板和7号、8号载车板向右运动，1号位的载车板向下运动至底层即可。

2.5 小结

本章分析了各种立体停车库的特点，完成了对自动化立体停车库结构的设计，对立体停车库的各个结构进行了详细的说明，并介绍了立体停车库的运行原则。

第三章升降横移式立体车库系统设计

升降横移式立体停车库是一款信息化集成度较高、跨越学科范围较广的产品，其中，数字电子技术、模拟电子技术、传感器技术的总和运用组成了立体车库的控制系统。立体停车库的控制系统从宏观上认知可分为强电控制系统和弱点控制系统。弱电系统主要是光电传感器、限位开关采集信号送给微控单元PLC，再由微控单元PLC控制接触器的线圈的控制过程，或者是用户通过操作键盘输入控制的目的将信号送给微控单元PLC的过程。强电系统主要是控制电动机的过程。

3.1动力系统设计

升降横移式立体停车库由5个电动机进行载车板升降方向的控制、4个电动机进行载车板水平运动方向的控制。其安装遵循的原则：下层的两个载车板各安装一个电动机，控制载车板载在水平方向的移动；中间层的车板各装两个电机，分别控制载车板在水平方向和竖直方向上的运动；由于上层的载车板只能在竖直方向上做升降的运动，故每个载车板只需安装一个电机。垂直方向电机如图3-1所示；水平方向电机如图3-2所示。

图3-2 垂直方向电机的控制电路

图3-2 水平方向电机控制电路

LA、LB、LC为380V的供电电源，N 为零线，熔断器FU1、FU2、FU3加在开关K0之前。由于三相异步电动机的运行性能较好、功率大且价格便宜，所以在动力系统中所有的电动机均使用大力矩的异步电动机。控制异步电动机在水平方向上运行时，需要使用变频调速器，所以异步电动机要与变频器连接。在本次设计中热继电器主要起到保护异步电动机的作用。当载车板在竖直方向上运动时，控制电路如图3.1所示，由于在该运动中不需要调速，所以竖直方向上运动的电机不需要接变频器。

3.2检测系统设计

在立体停车库的检测系统中运用的检测器件主要有光电传感器以及由撞针系统和限位开关组合而成的检测装置。

3.2.1利用光电传感器的检测

光电传感器具有两个非常重要的作用，分别是检测载车板上有无车辆和停车库内有无异物停车库系统是否在安全的环境中运行。具体工作过程为传感器的发射端发射红外光束信号，当载车板上没有车辆时，接收端得到信号；当载车板上有车辆时，由于车辆阻断了红外光束，所以接收端得不到信号。光电传感器将检测到的信号发送给PLC控制单元，控制单元通过用户的需求对输出对象做下一步的工作指示。光电开关的工作过程如图3-3所示。

图3-3 光电传感器运行原理图

在光电传感器的发射部分，首先要将直流电进行整流稳压的操作，然后利用电流调制器将交流电转换成直流电，最后发光二极管在数字直流分量的作用下导通，发射出红外光信号。在光电传感器的接收部分，首先接收器得到发射器送来的光信号，然后利用三极管将信号放大，最后在调节器的作用下电流由直流变为交流，同时按照一定的频率对外部送出反馈信号，也就是对控制单元送出反馈信号。光电传感器的工作原理和工作过程在上文已经做了详细的说明。但是光电传感器如何在车库内安装才能达到最佳的检测效果是最优化的问题。通过反复的研究表明，在载车板的斜对角线上安装光电传感器对于检测有无车辆效果最佳。在停车的过程中还有可能会遇到停车未到位的问题，要么车辆超过了载车板的长度，要么车辆未完全驶入载车板内，类似的问题都会对停车过程带来较高的安全隐患。本文中，通过在每个载车板的前后两端分别安装光电传感器即可实现对车辆是否停车到位和车辆是否过长的检测。如果停车未到位或者是车辆过长，传感器将信号传给控制单元PLC，控制单元输出信号报警器报警。。

图3-4 撞针系统

3.2.2载车板到位的检测

载车板的到位检测是检测系统中重要的组成部分。在本次设计中利用撞针系统和限位开关的组合检测载车板是否到位。在载车板是否到位的检测系统中，撞针系统是最核心的部分。由于撞针系统为机械结构，适用于复杂环境下的检测，要比行程开关的检测更可靠。下图为撞针的结构图。

如图3-4所示，左部分为弹簧顶针右部分为弹簧顶盘，左右两部分共同组成撞针系统。限位开关安装在撞针系统的两端，当撞针系统的左右两端发生碰撞时限位开关发出信号，载车板停止运动。将撞针系统和限位开关分别安装于第一层和第二层的载车板之间以及载车板与框架结构的两侧，便可实现载车板在水平方向上到位的检测。在第二层和第三层载车板的底端以及框架结构的底端安装撞针系统和限位开关便可实现对竖直方向上载车板是否到位的检测。如果检测载车板已经到位，则PLC控制下一步操作指令继续进行。如果检测载车板运动不到位，则PLC控制报警器发出警报。

3.3本章小结

本章中设计出了立体停车库的动力系统和检测系统，主要是电机横移和升降的电路，同时运用光电开关以及撞针系统与限位开关的组合等器件完成了对立体停车库检测系统的设计。

第四章基于PLC的控制系统设计

基于PLC的控制系统具有较多的优点：首先，与单片机相比稳定性强，运行可靠；其次，与DSP相比价格便宜，处理的速度完全可以满足要求。在本章中主要介绍PLC控制的原理、PLC控制的过程、控制面板的设计、I/O口的分配以及程序的编写等部分。以普通住宅小区为设计对象而设计的立体停车库具有较高的现实使用性，操作更加方便，系统设计更简洁，更有利于普及。

4.1PLC的控制过程

在本控制系统中最主要的被控对象是载动载车板进行升降横移运动的异步电动机，以及控制其在不同的阶段实现正反转。使用撞针系统和限位开关可确保

载车板能够运动到指定的位置，保证了停车过程的安全性；使用光电传感器可判断载车板上有无车辆，也可判断停车库内有无异物；当车辆没有停到指定的位置、停车库内有人或其他的生物时，光电传感器的光电信号被遮挡，PLC的输入电平会发生变化，报警器报警，运行中的设备停止工作。对于小型的停车库而言使用按钮控制会比较方便，但是对于大型的停车库来说必须要用上位机控制，且在停车库内必须使用某些传感器，像烟雾、温度传感器，以及其他的预警装置。因为在控制系统中只有开关量的输入，凭靠PLC本身的抗干扰能力能够满足控制系统的要求，故不需要外加其他的抗干扰设施。由于在本系统中对控制速度的要求一般，故选用性能一般的PLC即可。

开始

输入要存储的车位

号

启动相应传动机

构

托盘下降

托盘是否

到位？

发出存储车

信号

托盘上升

托盘是否

到位？

弹出防坠挂

钩

防坠装置完

好？

车存储好

①

Y

N

N

Y

Y N

图4-1 车库工作流程图

4.2 控制板设计

控制板的设计如图4-3所示，每个停车位都设有取车的按钮和停放车辆的按钮，在控制面板上设置了报警器闪烁灯、紧急情况下的停车按钮以及载车板复位的按钮。当要把车辆存到1号停车位时，首先按下1号车位的按钮，然后按下1号车位上的取车按钮。当4号载车板、5号载车板和7号载车板、8号载车板向右运动，在1号停车位的下方出现空位后，在1号停车位的1号载车板下降到7号停车位的位置，将车停放到载车板完毕后手动按下恢复按钮。首先是1号载车板向上运动反回到1号停车位，然后4号载车板5号载车板7号载车板和8号载车板向左运动反回到相应的4号停车位5号停车位7号停车位和8号停车位。由于6号停车位和9号停车位实际上没有载车板，故6号停车位和9号停车位不能进行停车和取车的操作。

图4-2 操作面板

4.3 I/O口的分配

在本次设计中共涉及了43个输入点和21个输出点。输入口的分配如表4-1所示：

表4-1 输入口的分配

1号停车位车辆检测X0001号载车板检测X010 1号限位开关的检测X020 2号停车位车辆检测X001 2号载车板检测X011 2号限位开关的检测X021 3号停车位车辆检测X002 3号载车板检测X012 3号限位开关的检测X022 4号停车位车辆检测X003 4号载车板检测X013 4号限位开关的检测X023 5号停车位车辆检测X004 5号载车板检测X014 5号限位开关的检测X024 6号停车位车辆检测X005 6号载车板检测X015 6号限位开关的检测X025 7号停车位车辆检测X006 7号载车板检测X016 7号限位开关的检测X026 8号停车位车辆检测X007 8号载车板检测X017 8号限位开关的检测X027

输出点的分配如表4-2所示：

表4-2输出点的分配

1号载车板向上移动Y0011号载车板向下移动Y002

2号载车板向上移动Y0032号载车板向下移动Y004

3号载车板向上移动Y0053号载车板向下移动Y006

4号载车板向上移动Y0074号载车板向下移动Y010

5号载车板向上移动Y0115号载车板向下移动Y012

4号载车板向左移动Y0134号载车板向右移动Y014

5号载车板向右移动Y0155号载车板向左移动Y016

7号载车板向右移动Y0177号载车板向左移动Y020

8号载车板向右移动Y0218号载车板向左移动Y022

报警灯Y023

4.3PLC的选型

PLC是目前世界上在工业控制方面应用最为广泛的控制器，发展到今天已经具有较多的种类，每类PLC都有较多的型号。以三菱PLC为例，拥有FX1S

、FX1N、FX2N、FX2NC等型号。各型号的输入点数和输出点数不同，输出形式也不尽

相同。本文中由于控制对象较多，各对象的工作过程也不尽相同，所以需要较多的输入点和输出点。通过前文的叙述，共有41个输入点和20个输出点，且控制的对象就是电动机。所以选用型号FX2N-128MR-001的PLC作为控制单元。

4.4PLC外围接线图

型号为FX2N-128MR-001的PLC外围接线图如下图4-3所示，清楚的表明了其I/O口的分配和使用情况。