基于西门子PLC立体车库控制系统

基于西门子PLC立体车库控制系统常州工学院（成人教育学院） 毕 业 设 计（论文）题 目 基于西门子PLC立体车库控制系统 性 质： 毕业设计 毕业论文学生姓名 张 振 宇 年 级 2008 级 教 学 点 无锡技师学院 专 业 工业电气自动化 指导教师 吴 尉 尉 评定成绩 优 良 中 及格 不及格摘 要随着社会生产力的发展，对现代生产制造业的自动化程度要求越来越高，可编程控制器（plc）在其中发挥了重要作用。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。本文以西门子PLC为例，介绍PLC控制技术在立体车库的应用。关键字：立体车库，PLC，西门子PLC S7-200目 录第1章 PLC的论述41.1 PLC发展历史41.2 PLC的基本结构51.3 PLC工作原理51.4 PLC内部运作方式61.5 PLC的特点71.6 PLC技术发展呈现新的动向71.7 PLC就业前景8第2章 西门子PLC92.1 西门子S7-200PLC 介绍92.2 S7-200 CPU模块外观及关键部件92.3 S7-200 PLC指令和编程元件10第3章 立体车库控制系统设计113.1各种立体车库介绍113.2立体车库控制要求123.3输入输出地址表133.4 状态流程图 133.5电气控制系统PLC接线图143.6软件设计15第4章 总 结20致 谢21参 考 文 献22第 23 页 共 23 页第1章 PLC的论述早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,PLC自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。1.1 PLC发展历史1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器 PDP14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。1969年，美国研制出世界第一台PDP-141971年，日本研制出第一台DCS-81973年，德国研制出第一台PLC1974年，中国研制出第一台PLC发展：20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。1.2 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为1.电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去2.中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。3.存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。4.输入输出接口电路1)现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。2)现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。5.功能模块如计数、定位等功能模块。6.通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。1.3 PLC工作原理 1.扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 2.用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。3.输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。1.4 PLC内部运作方式虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下：步骤一“输入状态检查”：PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”结构框图如图1-1所示。图1-1 PLC内部运作架构图1.5 PLC的特点(1) 系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回 路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如 DDC 和 DCS 等，实现生产过程的综合自动化。(2) 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。(3) 能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。1.6 PLC技术发展呈现新的动向1.产品规模向大、小两个方向发展 大：I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。 小：由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。2.PLC在闭环过程控制中应用日益广泛3.不断加强通讯功能4.新器件和模块不断推出 高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。5.编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化 有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统6.发展容错技术 采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。7.追求软硬件的标准化。1.7 PLC就业前景目前我国经济的发展主要特点：（1）目前我国还是制造业大国，是世界的生产加工中心，有大量的制造业，就必须用各种生产设备，大部分生产设备都和 PLC 有关，需要大量的精通 PLC 控制的从业人员。（2）产业结构已发生调整，逐渐有劳动力密集型转化为技术密集型，大量的新设备被采用，这些设备很多都和 PLC 控制相关，需大量的高技术人才。目前和 PLC 有关的从业人员主要有：（1）企业的设备维护和维修人员（2）从事工控设备销售的人员（3）从事设备开发，编程的电气工程师第2章 西门子PLC德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-1200, S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。2.1 西门子S7-200PLC 介绍 SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC（如图2-1）所示，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。S7-200作为西门子SIMATIC PLC家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，多年来一直广泛服务于国内的各行各业。 SIMATIC S7-200系列PLC适用于各种场合中的检测、监测及控制的自动化。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系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 图 2-1西门子S7-200PLC2.2 S7-200 CPU模块外观及关键部件 关键部件包括：（1）状态LED，指示CPU运行状态，如系统错误/诊断（SF/DLAG）、RUN（运行）、STOP（停止）。（2）可选卡插槽，可查存储卡、时钟和电池卡。（3）前盖，内置CPU工作模式选择开关（RUN/STOP）、模拟电位器和扩展I/O接口（连接主机和扩展I/O模块）。（4）顶部端子盖，内置CPU电源和输出端子。（5）底部端子盖，内置传感器接口电源和输入端子。（6）DIN导轨是可编程控制器的机械安装导轨，可利用PLC或扩展模块上的标准（DIN）导轨夹片将PLC或扩展模块固定在DIN导轨上，实现PLC系统的快速安装。（7）串行通信接口，为RS-485通信接口，通过该接口可实现与其他PLC、编程器、打印机、显示器等外部设备的通信。（8）I/O LED，指示I/O端口的工作状态。外观如图2-2所示： 图2-2 CPU 模块外观2.3 S7-200 PLC指令和编程元件1.S7-200 PLC指令S7-200 PLC 指令包括如下指令：位逻辑、时钟、通信、比较、转换、计数器、浮点数计算、整数计算、中断、逻辑运算、传送、程序控制、以为/循环、字符串、表、定时器、调用子程序和库指令等，如图2-3所示（该图截自S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN）。2.S7-200 PLC 的编程元件S7-200 PLC 指令由操作码和操作数两部分构成，其中操作码指明指令的功能，而操作数是待处理的数据。编程元件是操作数的别称，主要包括S7-200 PLC存储器各个区域（I、Q、M、SM、V、T、C、HC、AI、AQ、AC、L和S）中的位、字节、字或双子及立即数（常数）等。 图2-3 S7-200 PLC的指令树第3章 立体车库控制系统设计目前，立体车库主要有以下几种形式：升降横移式、巷道堆垛式、垂直提升式、液压吊挂式、旋转入库式、垂直循环式。本文选择的是垂直循环式立体车库作为研究模型。3.1各种立体车库介绍3.1.1 升降横移式升降横移式立体车库采用模块化设计，每单元可设计成两层、三层、四层、五层、半地下等多种形式，车位数从几个到上百个。此立体车库适用于地面及地下停车场，配置灵活，造价较低。产品特点：（1）节省占地，配置灵活，建设周期短。（2）价格低，消防、外装修、土建地基等投资少。（3）可采用自动控制，构造简单，安全可靠。（4）存取车迅速，等候时间短。（5）运行平稳，工作噪声低。（6）适用于商业、机关、住宅小区配套停车场的使用。安全装置：防坠装置，光电传感器、限位保护器、急停开关等。3.1.2 巷道堆垛式巷道堆垛式立体车库采用堆垛机作为存取车辆的工具，所有车辆均由堆垛机进行存取，因此对堆垛机的技术要求较高，单台堆垛机成本较高，所以巷道堆垛式立体车库适用于车位数需要较多的客户使用。3.1.3 垂直提升式立体车库垂直提升式立体车库类似于电梯的工作原理，在提升机的两侧布置车位，一般地面需一个汽车旋转台，可省去司机调头。垂直提升式立体车库一般高度较高（几十米），对设备的安全性，加工安装精度等要求都很高，因此造价较高，但占地却最小。3.1.4 液压吊挂式工作原理：存取的车辆通过指引到达停车位置，由特殊的液压挂钩装置将汽车按斜向轨道拉起到一定位置。该类系统包括钢结构导轨、载车板、液压系统、安全防护系统。其突出特点：对场地的空间利用力高，不受停车规模限制，停车方式新颖，较能吸引顾客。3.1.5 旋转入库式工作原理：存取的车辆抵达停车位位置后，停在载车板上，由整个停车库的旋转使汽车45后前移至车库。该类系统包括钢结构、载车板、液压系统、运动系统、安全防护系统。其突出特点：对车辆的保护较高，适合长期停放的寄存式停车。3.1.6 垂直循环式立体车库的特点垂直循环式立体车库产品特点：（1）占地少，两个泊位面积可停610 辆车。（2）外装修可只加顶棚，消防可利用消防栓。（3）价格低，地基、外装修、消防等投资少，建设周期短。（4）可采用自动控制，运行安全可靠。基于以上的特点，所以本文采用垂直循环式立体车库。如图3-1 图3-1 垂直循环立体车库3.2立体车库控制要求车子驶入车位甲板，PLC检测到是否有车。车主按下停车按钮，该车位指示灯亮起，1S后电机启动，空车位甲板移至地面。，等待其他车辆停放。取车时，车主按下相应的车位号按钮，车位指示灯熄灭，车子所在甲板按最短距离移至地面。当停车板都停满车时，停满指示灯亮起。 3.3输入输出地址表（如表3-1）表3-1 输入输出地址表输入输出名称地址名称地址复位传感器I0.0电机正转Q0.0位置传感器I0.1电机逆转Q0.2停车按钮I0.2已满指示灯Q0.1汽车检测传感器I0.3一号车位指示灯Q1.1一号车位按钮I0.4二号车位指示灯Q1.2二号车位按钮I0.5三号车位指示灯Q1.3三号车位按钮I0.6四号车位指示灯Q1.4四号车位按钮I0.7五号车位指示灯Q1.5五号车位按钮I1.0六号车位指示灯Q1.6六号车位按钮I1.13.4 状态流程图 （如图3-2）开 始是否有车？是否停满？电机启动是否空车位?停 止收到停车信号收到取车信号电机启动车移至地面3.5电气控制系统PLC接线图（如图3-3）图3-31M I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 M L+1L Q0.0 Q0.2 Q0.1 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 复位传感器位置传感器汽车检测传感器停车一号