新型智能立体车库控制毕业设计论文

1 引言

1.1 本课题研究的背景及意义

近些年来，伴随着我国人民物质生活水平的不断改善，我国机动车保有量越来越多，由于不合理的城市规划，停车设施的短缺、管理不善及其他一些原因，导致道路资源一天比一天紧张，交通供需矛盾日益显现出来。尤其是在静态交通中，传统停车场已经不能满足越来越多的停车需要。基于停车难的现实问题，让静态交通在道路上停车，对于本来就拥挤的动态交通和一寸土一寸金的城市空地上，无疑会让已经拥挤的道路问题越来越严重。因此必须高度重视城市面临的停车难问题，并积极寻找解决办法。

现在城市交通拥堵和停车难已经成为主要的社会问题，造成这些问题的主要原因是城市化的发展和人们生活水平的日益提高。我们可以通过动用各级政府的力量，出台各种鼓励修建停车场的相关政策以及使用立体式停车库位的措施解决这些问题。面对停车难问题，我们要从源头上想办法来解决这个难题。这就要求我们要从停车位建设和对车辆停放的管理两方面进行，以立体停车场为主要的停放地点，如果有需要可以短暂性的在路外以及公共区域停车。

之前停车位的控制系统大多数采用继电器，但是继电器控制系统有许多的不足之处。首先，它的体积很大，比较笨重。其次，它的控制很不稳定，需要许多人进行维护。除了继电器控制系统之外，还有的一些控制系统用的是单片机。但是这些控制系统在输入、输出部分上会有很大的消耗，并且它们系统的稳定性不好和抗干扰性差等因素也会让机器经常需要人员维护。

但是PLC自身的抗干扰、适用能力以及它的应用范围都是特别优秀的，这样，就会让我们设计的此车库的发展就有了更高的发展前景。PLC有在应用灵活方面有着无与伦比的优点，编程简便、且容易修改，配置也是很灵活的，同时它的结构模块化、功能齐全也是PLC技术应用的有力条件；安装简单、调试方便；体积小、能耗低，PLC 的这一系列优点使它赢得了诸多智能立体车库的青睐，加之其价格逐年下降，所以实用性和现实性很强。

1.2 国内外的发展及研究现状

机械式智能立体车库的出现，很好地解决了世界各国停车难的问题，欧美国家是最早开始使用立体车库的国家。世界上第一个机械升降车库是1920年在美国修建成功

的。并且，随着科技的发展，在随后的二三十年间，汽车日渐趋于大众化，其他的国家都开始进行一些立体车库的研究，并且也都取得了不错的成果。尤其是亚洲的一些国家，因为他们的土地资源稀缺，故而对于立体车库的使用就相对的比较广泛。在亚洲，最先使用立体车库的是日本，从日本开始进行机械停车设备的研究开始，已经有50年的历史了，他们每年间所生产的机械停车位就有十几万了，并且是以升降横移类作为主要目标的。

虽然我国总的土地面积挺大，但是由于我国人口基数大，以至于我们人均占有的土地面积就会非常少，土地资源匮乏还是很严重的。而我们国家是在上世纪80年代才开始的，那时候还是处于起步阶段的，一直到90年代，我们的机械停车设备才开始了技术引进，再加上我们的自主研发，很快就取得了相应的发展，目前都已经成为新兴的停车设备行业了。到了2006年底时，对于智能停车设备的研究企业已经翻了十几倍，包括全国的27个省市自治区的94个城市，而拥有智能停车设备设施的有284个。由此可以看出，我们国家这个的行业的发展是非常迅速的。并且，我国的智能停车设备方面的生产力、质量等等一些方面，都已经跟国际的高端水准相接近了。

智能立体车库的许多设备采用了现在机械、电子、光学、磁控、计算机等许多领域的先进技术，例如激光测距、交流变频调速技术、PLC、IC卡、总线控制技术、触摸屏等等，极大地提高了产品在技术含量、智能化程度、运行安全可靠性等方面的性能。近年来，越来越重视智能立体停车设备的研发工作，国内多家研究机构都进行了技术力量的投入，对智能立体停车设备的许多方面进行了研究，取得了很大的成果。

虽然机械式智能立体停车设施在我国作为一个新兴的产业，具有不可估量的发展前景，但是现在还没有进入一个快速的发展阶段，主要是因为我国在智能立体停车设备行业当中的发展还存在着许多不足之处：首先，虽然这个行业的企业已经具备一定的规模，但是他们的发展不平衡，大中型企业较少，仅20家左右，剩下的则是一些中小企业，中小企业技术力量相对比较薄弱，缺乏企业的自主开发能力；其次，智能立体车库对于安全方面的要求很高，然而有的企业自主研发的设施没有进行更加深入的研究，不能保障产品的安全性、可靠性和耐久性；第三，市场竞争杂乱，目前国内总体生产能力过剩，价格比较低，政府在对待智能立体停车产业发展方面的政策严重滞后；此外，平面停车场收费便宜，加上人们的意识还没有完全转变，都将成为智能立体停车设施难以普及的拦路虎。由此看来，想要加快我国智能停车设备产业的发展，我们需要在政策、市场、管理和技术等多方面进行努力。

1.3 论文的主要内容

这篇论文是有关设计一种可靠性高、便于操作的智能立体车库控制方法，它的基本设计原理是利用载车板改变位置（其系统为PLC）产生一个没有障碍的垂直通道，然后通过上层车位上下移动来存取车辆，PLC中主要的控制对象是车库内的横移小电机和升降大电机，以便它们在不同时间实现正反转，再控制车库内的其他的辅助装置。

本次设计的智能立体车库分为上、下两层。上层车库不可以平移仅仅用来上升与下降，下层车库也只是能进行左右移动。这次设计的新型智能立体车库中总共有6个车位，其中下层有一个为空位作为交换车位，可为载车盘提供一个上下的无障碍通道，另外5个车位用于存放车辆。当下层车位进出车时，不需要移动其他托盘就可直接进行进出车处理。当上层车位进出车时，首先要判断其对应的下方位置是否为空，不为空时要进行相应的平移处理，直到下方为空才可进行下降动作到达下层，进行进出车处理，进出车完毕后上升回到原位置。

研究的具体内容包括：

1. 对新型智能立体车库PLC控制方案进行总体设计；

2.选择控制系统中所需硬件并进行控制系统设计（CPU选型、输入输出接口配置、各电器元件选型等）；

3. 控制系统程序设计（梯形图、语句表程序等）；

4. 对控制系统的工作原理进行分析和说明；

5. 介绍PLC基础知识，包含PLC的由来发展、功能、工作原理、S7-200 PLC指令以及编程软件等内容介绍；

6. 智能立体车库控制特性、PLC系统控制要求；

7. 控制设计，包含：制定程序流程图、分配PLC I/O接口、绘制控制电路外部接线图、编制程序；

8. 实现程序的调试

2 可编程控制器的概述

2.1 PLC的发展

PLC的发展与计算机技术、数字技术、通信网络技术、半导体技术、控制技术等的发展密切联系相辅相成，PLC的发展需要这些高新技术的辅助，而PLC对他们的需

求也恰恰是这些高新技术发展的理由，双方都是互相利用共同促进。

近年来，PLC以高速状态发展，下面就是PLC发展的四个主要阶段：

1969年到1972年，PLC技术处于初始阶段，只能进行一些计数计时、顺序控制和简单的逻辑运算等功能。

1973年到1978年是PLC发展的成熟时期，这个阶段的PLC控制系统功能更加全面。它通过与具有众多优点的继电器控制系统结合起来，使它逐渐完美的面向工业控制。PLC从此开始了实用化的新篇章。

1978年到1984年，PLC处于快速发展阶段，这时的PLC一直处于快速发展，它的CPU采用8位和16位的微处理器，功能相对增强完善，加快了处理速度。容错技术和自我诊断功能有所发展，也同时具备了通信功能和远程I/O能力，同时也添加了很多特殊功能。自此，开始形分布式通信网络体系。

1984年至今，PLC处于继续发展阶段，这时的PLC用户存储量增大，可以进行在线仿真，人机对话、排错和纠错能力增强，加快了软件开发的周期。

就我国目前经济的发展前景，PLC的应用领域还将日益扩大，其功能也将日益强大，作为增长速度最快的工业控制器它将会继续发展下去。其主要的发展方向，一是朝着大型化的方向发展，二是向着小型化的方向发展，从而完成不同要求的控制和适应不同的场合。

1.大型化

PLC控制技术为了满足不同种控制系统的不同需求，不断地向大存储量、高性能、快速、增加I\O点数方向发展，表现如下：

（1）网络通信功能加强；

（2）智能模块得到发展；

（3）编程语言、编程工具走向标准化、高级化；

（4）发展外部故障诊断功能；

（5）编程组态软件得到迅速发展；

（6）实现软件、硬件标准化。

2.小型化

占地面积小、功能全面、价格容易接受、简单容易操作是小型PLC发展的未来趋势。PLC发展的目标就是占领中小型工业控制场合，使PLC不仅能取代继电器，同时还能超过继电器控制系统。

2.2 PLC的分类及功能特点

PLC一般可按功能、控制规模、结构形式分类。

（1）按PLC的功能分类，有低、中和高档三类；

（2）按PLC的控制规模分类，可以分为小、中、大型机三类；

（3）按PLC的整体结构形式，有叠装式和模块式。

PLC面向工业控制的鲜明特点有以下几点：

1.可靠性好、抗干扰能力强；

2.灵活性好、通用性强、功能齐全；

3.编程简单、使用方便；

4.模块化结构；

5.安装简便、调试方便。

2.3 PLC的基本结构及工作原理

中央处理器（CPU）、电源、存储器、输入/输出（I/O）接口、编程器等是PLC 的基本组成单元。

1.中央处理单元

中央处理单元由小型处理器与控制接口电路两部分组成，是PLC最主要的一个组成部分。

2.存储器

PLC系统中的存储器主要是用来对使用者程序的保存和对系统本身程序的保存。

3.输入、输出单元

PLC的CPU与立体车库设备的连接是通过输入、输出单元完成的。

4.编程器

编程器有简单的和智能的两类。它是PLC外部一个比较重要的设备，主要是帮助使用者更好的使用系统程序。

5.电源单元

电源单元是用来给PLC供电的，一般采用开关电源，它的首要作用是把用户提供的电源转换成PLC系统内各个耗电部分可以正常工作时所需的电源。PLC的电源主要特点是，占地空间小、重量轻、输入电压范围宽、抗干扰能力强、高效。

PLC需要由控制系统的管理，通过运行一定的应用程序来完成用户的需求，否则就无法正常完成用户的任务。PLC为了确保每次在进行用户程序操作时系统的正常运

行，就一定要完成通信信息处理、内部处理、CPU自我诊断检查三个必备环节。之后，PLC会对使用者程序执行进行一个扫描周期的扫描，扫描完成后，还要通过四个过程来达到数据处理的目的，这四个过程分别是：“系统自监测”、“与数字处理器交换信息”、“与编程器交换信息”、“网络通讯”。PLC将一遍又一遍的重复扫描，一遍一遍的执行以上过程，直到停机。

PLC的工作过程如图2-1所示。

图2-1 PLC的工作过程

3 新型智能立体车库控制系统的总体设计

3.1 控制系统的选择

本设计其实是根据日趋成熟与自动化程度逐渐提高的PLC技术，针对当前车库管理系统中个别系统管理不全面、安全得不到保证、集成自动化程度不高和运行速度提不起来等这些问题，经过科技领域许多专家学者的不懈努力，设计出了这种新型智能立体车库控制系统。传统的设备通常采用继电器控制系统进行，但继电器控制系统体积比较很大，并且控制稳定性又比较差，需要大量人员进行维护，除此之外更无法进行数学计算。在继电器控制系统之外，还有以单片机作为控制中心的控制系统，传统的车库通常以单片机作为控制核心，但这样做在输入输出的接口上会有很大的消耗，并且它的不稳定性和抗干扰性比较差等因素同样会让机器经常需要人员进行维护。但是以单片机为核心的PLC技术就能避免这些很多的干扰因素，作为可编程的PLC是一种微型的控制装置，主要由工业微型计算机、输入输出设备、也有抗干扰的电路组

成。并且它的工作是有顺序的有周期性的。那么，这个可编程的PLC也是有些特点的，我们从三个方面来看。

在此装置的输入输出端口采用了抗干扰的措施，这样抗干扰能力会有很大程度的提高，即便是在恶劣的环境中同样可以工作。这就是第一个方面，可靠性高。

我们在制造过程中应用了很多的集成电路以及微处理器，同时应用软件编程，大大的减少了硬连线，安装便捷。这是第二个方面，体积缩小，便于安装。编成器模块化，通过各种模块的自由灵活组合，形成各种控制系统，这样对于各种情况的适应能力都特别强。这就是第三个方面，通用性好。

基于PLC以上种种优点能够满足新型智能立体车库的各种性能要求，因此我们本次设计的立体车库的控制系统决定采用PLC。

3.2 控制系统原理

本文设计的车库是小型的双层5车位的车库，示意图如下3-1

图3-1车库示意图

立体车库分为上、下两层。上层只能进行升降动作，下层只能进行平移动作。立体车库中总共有6个车位，其中一个为空位，可为载车盘提供上升和下降的通道，另外5个车位用于存放车辆。当下层车位需要存取车辆时，不需要改变别的载车板的位置就可以直接完成车辆的存取过程。当上层车位存取车时，第一步要做的是判断其对应的下方通道是不是畅通，如果不畅通，也就是其对应的下层车位上有载车板，那么我们首先要将载车板移开，直到建立一个无障碍通道后才可以将上层的车位下降至底层，进行存取过程，车辆存取过程完毕后，载车板复位。

本文设计的智能立体车库只涉及到两个车位的存取，位于底层的车辆自然可以直接开出。由此智能车库的运行原理可以知道，对于高层的车位中车辆的存取，是通过载车板的横移产生的垂直通道所实现的。也就是说，通过高层车位的升降实现的。载车板的运行是通过PLC技术所控制的，在这个系统中，主要通过车库导线小型电动机

与大型起重电动机控制,产量在不同的时间相反旋转效应和在车库里其他辅助设备,如灯光,等等。

此次所设计的智能车库虽说只有上下两层五个车位而已，我们的智能车库的要求却是非常严格的，在各个环节中均是非常严格的，也只有如此，我们的设计才会完美。当然，这之中的重点，自然是存取车辆时人们的安全问题，我们的要求是百分之百确保人的安全。也只有如此，我们的设计才会被采纳。

针对如何可以让载车板横移、升降到完美的预判位置，并且是准确无误的，我们应用了行程开关。对于判断载车板上是否有车辆，我们采用了光电开关，让它在不同位置都会有不同的的功能，再一步提高了它的实用性。我们为了判断车辆有没有停放到指定位置，于是在载车板下面的两侧分别准备了关电开关的接收设备和发射设备。同是，我们在载车板对角上的光电开关，是为了判断载车板上是否有车辆。在车库的门口附近，在车位的入口两侧，我们安置了光电开关，这样可以起检测到外界是否有不符合规定的的动作或者在车位横移时是否有突发情况的出现。就像，在车辆没有停妥这也包括动作区域能有任何动物的情况，在运行途中有别的车辆想要进入的状况等等的这些意外情况，光电开关就会被遮挡，PLC便会2接收到信号，这时，PLC的输入就会发生变化，蜂鸣器就会报警，设备运行自然就停止了。

3.3 新型智能立体车库控制系统的工作流程

3.3.1 新型智能立体车库工作流程

本课题要求设计的可靠性要高、易于操作的智能立体车库得控制方法，它的基本运行原理：通过载车板的移位产生一个竖直的无障碍通道，通过上层车位的上下实现车辆的存放，载车板移位是PLC进行控制的，这个系统的主要控制单元控制对象是车库通过一个小电机和起重电机的控制系统来控制他们在不同时间产生正反转,然后是车库里面的辅助设备。

那么根据智能立体车库它的控制要求，此次设计的智能立体车库控制系统应当满足“汽车入库”与“汽车出库”这两种需求。

汽车入库进行以下步骤：

1. 需进入底层的停车位直接驶入。

2. 如果需要进入上层车位，首先将与上层车位在垂直通道上的下层车位上的载车板横移到交换车位；然后将此上层停放车辆的车位的载车板竖直下降到底层，把车辆开上载车板后，再让载车板上升到原来的位置；最后让其它载车板横移至初始位置。

汽车出库进行以下步骤：

1. 底层汽车出库直接驶出载车板。

2. 如果上层车位的车辆出库，首先把与上层车位在垂直通道上的下层车位上的载车板横移到交换车位；然后把需要出库的车辆所在的载车板竖直下降到最下面一层；把车辆开出载车板，然后将载车板复位；最后把其他载车板横移到初始位置。

程序流程图是系统如何工作，怎样工作最简单明了的一个分析技术，通过流程图我们可以一目了然的知道智能立体车库是怎样完成车辆存取过程的，所以说程序流程图是本次设计的核心。

3.3.2 新型智能立体车库工作流程图

可以把智能立体车库的工作过程使用流程图表达，便会让人很直观、很明了地明白该智能车库工作的具体过程。

针对此流程图的说明：

（1）把PLC状态转为RUN，是对系统状态复位。

（2）若系统开始自检，当系统状态正常，那么转为使用上层作为存取的车位号；当系统状态异常，那么进行故障排除，一直到系统安全。

（3）选好要存取到哪个车位后，首先要判断在该车位垂直通道的下层车位上有没有载车板，如果有载车板的话，先将载车板横移，确定建好下降通道。

（4）建立好下载通道,应该将防坠钩松开;当确认后,选松开后，选中的车辆可以开始下降。

（5）载车板下降到底层，就可以开始存取车。

（6）确认存取完毕之后，载车板就开始上升。

（7）确认载车板已经上升到最高点,复位完成，车辆整个过程的存取结束。

通过这个流程图我们可以直观的、清晰地对知道智能立体车库是如何工作、如何实现汽车的存取过程，可以说这个新型智能立体车库工作流程图是本次设计的一个核心，所有的工作都是围绕着这个流程图，都是为了要实现这个流程图所展示的一系列过程，本次设计内容就是要实现这个流程图的各个环节。

下图为车库上层车位存取车流程图3-2。

图3-2 流程图

4 新型智能立体车库控制系统硬件选择

4.1 电动机选型

电动机是将电能转化为机械能的电力设备,新型智能立体车库洗涤过程需要电动机作为动力。根据不同的工作需要的电源不同,电机可分为直流电动机和交流电动机。按结构及工作原理可分为:直流电机、感应电动机、同步电动机。按用途划分:驱动电机和控制电机。根据转子的结构:笼型感应电动机绕线转子感应电动机。除以速度:高速电机,低速电机、恒速电动机,电动机速度。

多数的直流电机和单相交流电动机使用最广泛,根据启动和运行可分为罩极式、分相起动系统、电容起动和电容器运行类型等。

查阅相关资料后，升降用电机选择电动机型号为Y132M2-6，其技术参数见表4-1

表4-1 Y132M2-6电动机主要性能参数

横移电机选择功率为0.18kW 、减速比为80的G 系列小型齿轮减速电机，其技术参数如表4-2所示。

表4-2 G 系列小型齿轮减速电机技术参数

减速器选择型号为NGW L52-8的二级NGW-L 减速器。其主要性能参数见表4-3。

表4-3 NGW L52性能参数

注： 1a 、2a 、1m 、2m 分别为减速各级的中心距和模数

4.2 传感元件的选择

光电开关（光电传感器）又称为光电接近开关,它是使用阻塞或测试的反射材料,由同步电路控制电路,来看看能不能找到对象。对象不仅是金属,只要是反射光线的东西都能被检测到。注入光电开关输入电流变送器转换成光信号,接收端根据接收到的光强度或检测目标对象。在车库里,光电开关可以用来检测是否有一辆车停在车库和停车的地方。

判断一辆车的停车位有没有车,以及车是不是停在指定的地方,一般采用对射型光电开关。

对射型光电开关由两个分开的结构部分,他们是发射机和接收机。需要切换开关信号的变化才可以工作,当我们挡住光线，这种开关信号可以产生变化。同时,和它在相同平面的光电开关也可以分开,距离甚至高达50米。

主要特点:它可以识别不透明反射对象;有效距离较大、光束在诱导时间的长度只有一次,不容易受到干扰，可以用于野外或尘土飞扬的环境;两个单元设备的高消耗,必须铺设电缆。

图4-1为对射式光电开关。

图4-1 对射式光电开关

4.3 行程开关

行程开关,位置开关(又称限位开关)的一种，是一个常用的小电流主设备。通过生产机械零件的碰撞实现控制电路,达到控制的目的。限制机械运动的位置或行程通常使

用这个开关,开关可以根据一定位置或行程自动停止,反向运动,变速运动或自动往复运动等机械运动。

为了能使载车板能平移到预定的位置，所以选用滚轮式行程开关。

下图为行程开关实物图。

图4-2 行程开关实物图

4.4 PLC选型

关键问题是PLC控制系统硬件配置能不能选择正确的机型。现在,国内外、西门子、松下、三菱和许多生产PLC公司,尽管公司不同,但PLC的基本功能并没有太大的区别。他们在某些方面的价格、服务、特殊性能不同,甚至同一制造商生产的型号也有很多不同的系列。同一系列还包括不同类型的CPU,他们的功能不同,所以选择PLC的机型需要考虑制造商、每个系列、CPU类型等许多方面。

升降横移式立体车库控制系统的核心控制单元确定和控制任务相关,本次智能立体停车库的设计是选择S7 - 200系列CPU226,可用输入点24，可用输出16号。

5 新型智能立体车库控制系统程序设计

5.1 I/O分配表

I / O端口模块用于实现PLC系统对所述工业过程的控制。在控制过程中，I / O 端口模块测试场景的一系列参数作为PLC实现实际控制的一个依据。与此同时，它将会把通过PLC最终出来的处理结果发送到被控制设备，各种执行机构来进行驱动以实现PLC控制设备的目的。

对于小的系统中，系统内的例如80个点，一般不需要延伸;当系统是大系统时，

会延长。不同的产品，系统和扩展模块的总点数的数目都有限制，当扩展不能满足要求，网络结构就可以使用;与此同时，一些厂商的单个模块不支持扩展模块，因此，在进行软件建立的时候要注意。

根据本次立体车库的设计要求，输入点，共有30个：六个停车位选择开关，限位开关6个，光电检测2个，楼层较低的载车板平移行程开关3个，3个链条检测输入，急停和复位按钮均1，防坠落安全装置的电磁铁输入3个，电机热继电器输入5个。输出点共有10个：电机接触器输出5个，电磁铁输出3个，蜂鸣器和灯光报警。

根据上述PLC控制系统设计的要求及为了很好的完成本次设计所选定的PLC型号，确定系统I/O地址分配如表5-1所示：

表5-1 I/O地址分配表