毕业论文-立体车库自动控制系统的仿真设计.doc

目 录1引言1.1 本题设计的背景11.2 本题设计的内容11.3 本题设计的目的及意义22系统方案2.1 自动化立体车库的描述32.2 系统设计的基本步骤33系统硬件选型与设计3.1 硬件系统总体设计53.2 升降横移式立体车库的基本结构73.3 PLC控制模块的设计93.4 电气原理图的设计174系统软件设计与实现4.1 系统主程序设计184.2 梯形图205仿真结果参考文献24致谢25附录一26附录二291 引言1.1 本题设计的背景近些年来我国的经济高速发展，无论是城市经济还是汽车工业都取得了长足的发展，每家每户都开始拥有自己的私家汽车。城市停车难的问题一下子就出现在我们大众的面前。根据国家有关部门对我国的一些大中城市进行的停车基本情况的调查，城市的机动车占有量与城市的停车位的比例大概为9：764：3，就此数据而言，对于想要拥有一个车位的车主而言，形式特别的严峻。停车困难的问题也表现出国家建设部门对于这一趋势的误判与准备不充分。停车困难的问题在我们的城市建设中呈现的是一种静态交通的问题，而静态交通又是相对于动态交通而说体现出来的一种不同的交通形态，两者的联系十分紧密，又相互的影响着，静态交通的问题主要又体现在停车设施上，伴随着我国经济的快速发展，各种机动车辆也在持续的增加，相对城市车位与停车设施也在增加，但是如果二者之间的增加比例失衡，城就会出现一系列的不平衡问题。相关调查表明，近些年来我国的城市机动车辆的增长速度大概在在14%-19%左右，但是城市停车设施的增占率却只有2%-3%。所以，这个问题在我们的面前我们不能不去重视，并寻求一个有效的措施去解决。相关的技术人员表示，要解决停车的静态交通问题，可以分为软硬两种措施。软措施指的是，通过相关的国家政策与法规，限制路面的停车并提高停车场的空间利用效率，让部分车主更愿意使用公共交通工具而非私家车，以达到减少对车位及停车场的依赖程度。硬措施指的是，主要包括增加建设停车场的数量，并建设地下和立体停车场、利用一些个多的空间来满足车位的增长。1.2 本题设计的内容本课题研究的的主要内容是立体车库自动控制系统的仿真设计，通过PLC-200来达到控制操作的功能。升降横移类机械停车库是利用托盘上下左右的移动产生垂直通道,从而达到高层车位峡江和中层车位横移的功能。其车位结构是3层8车位。由于受收链装置及进出车时间的影响,一般为24层(国家规定最高为4层),2层、3层者比较多,现以典型的地上3层8车位升降横移式为例子。该停车库结构特点为：顶层和底层只能升降，中间层及第二层只能平移，除了顶层和底层外,中层都必须留下一个空车位来实现横移,供进出车升降之用。当中层车位进出车时,不需移动其他托盘就可以直接进出车;顶层和底层进出车时,预要判断其对应的上方位置和下方位置是否为空,不为空的时候中层的车位要要进行相应的平移处理,底层上方和顶层下方的车位为空才可以进行上升和下降的位移。1.3 本题设计的目的及意义现在的大都市建设都取得了很到发展，无论是立体建筑还是立体交通都取得了非常明显的发展，从而出现的交通堵塞、停车困难的问题在城市生活中都显得格格不入于，所以发展立体停车库已经到了一个很大急切的问题。目前我国的经济正处于飞速发展的时期，国家的建设和国民的经济也有了长足的发展，机动车对于人民来说已经显得很普遍，所以相对来说停车产业市场前景非常广阔。立体车库不但方便，而且可以见缝插针设置，还能与地面停车场、地下车库和停车楼组合实施，是解决城市停车难最有效的方法，机械车库与传统的自然地下车库相比较，在很多方面都显示出了优越性。首先，机械车库具有明显的节地优势。以往的地下车库由于要留出足够的行车通道，平均一辆车就要占据40平方米左右的面积，但是如果采用双层机械车库，可使地面的利用率提高8090，如果采用地上21层立体式车库的话，50平方米的土地面积上便可存放40辆车，这不仅可以大大地节省有限的土地资源，而且可以节省土建开发成本。机械车库和地下车库相比可以更加有效地保证人身和车辆的安全，人在车库内或车没有停准位置，由电子控制的整个设备便不会运行。应该说，机械车库从管理上可以做到彻底的人车分流。在地下车库中采用机械存车，还可以避免采暖通风设施，因此，运行中的耗电量比工人管理的地下车库要低很多。机械车库一般不做成套的系统，而是以单台集装而成。这样既可以充分发挥其用地少、也可化整为零的优势，在住宅区的每个组团中或每栋楼下都可以随机设立机械停车楼。这目前车库短缺的小区为解决停车难的问题提供了方便的条件。当以往的路边、人行道上停车、地下或地面停车场都解决不了上述问题时，采用机械式立体停车设备是一个非常有效的方法和措施。机械式立体停车设备又名立体车库，它占地空间非常小，并且可最大限度地利用空间，安全方便，达到立体车库的设计目的：是解决城市用地紧张，缓解停车难非常有效的手段。可以预知立体车库具有非常广阔的市场前景。47 南昌航空大学科技学院2014届学士学位论文 2 系统方案2.1 自动化立体车库的描述目前，主要有一下几种形式的立体停车库，它们分别是：升降横移式停车库、巷道堆垛式停车库、垂直提升式停车库、垂直循环式停车库、箱型水平循环式停车库、圆形水平循环式停车库这些车库都是在国内外各种形式的相关产品进行相关分析的框架上，同时结合相关的造价以及相关的技术难度和用户需求等一系列的因素，我们可以发现立体车库的的形式品种多种多样，规模可大可小，最关键的是对场地的的适应性特别的强，最为使用的是它为空间的解决提供了相当大的优势。同时采用这类设备的车库十分普遍。因此，我们最后把课题定为为升降横移式自动立体停车库。2.2 系统设计的基本步骤 立体车库系统的调试与仿真的主要步骤 图2.2 立体车库控制系统的设计步骤在本次课题设计过程中主要考虑以下几点：1）更加深入的了解和分析立体车库的外在条件和控制要求；2）根据立体车库的功能和要求，确定系统的设计系统结构与标准；3）根据所设计的场所和实际情况，严格的选择电机的类型；4）根据I/O的点数选择相应合适的PLC的类型；5）分配I/O点，做好PLC的输入点、输出点的分配；6）设计立体车库系统的梯形图设计；7）将程序输入PLC程序进行调试，查出相应的错误，让程序更加的完善。 南昌航空大学科技学院2014届学士学位论文 3 系统硬件的选型与设计3.1 硬件系统总体设计3.1.1 硬件系统结构设计立体仓库存储系统主要是由PLC控制模块如图和步进驱动模块、丝杆驱动模块、工件推出模块、立体仓库和气源处理组件等部件组成。图3.1 PLC控制模块与步进驱动器模块图3.2 丝杆驱动模块 图3.3 立体车库模型3.1.2 精确定位原理 升降横移式立体停车库的控制系统中，大量存在的是电机的启停信号和传感器的检测信号等开关量信号，控制模式为逻辑控制和顺序控制，故选择PLC作为主控单元进行控制系统设计，该控制系统选择西门子S7-300的PLC作为主控单元。 升降横移式立体停车库的各种传感器检测信号通过数字输入通道输入到PLC控制器，PLC经过运算，通过输出通道将输出信号下传给立体停车库，完成对升降电机、横移电机等执行元件的控制动作，控制系统的信息流程。 图3.12 信息流程图 1) 控制箱。控制箱是控制系统的操作界面，应该设有车位选择按钮、启动/停止按钮、急停按钮、复位按钮、自动/点动切换按钮等控制按钮。 2) 车位是否有车的检测。为了确定载车板是否存在车辆，每个载车板都安装了传感器以判断载车板是否有车。3) 准确定位检测。为了保证载车板是否运动到指定位置，应在相应的车位上安装检测载车板是否升降或横移到位的检测装置。3.2 升降横移式立体车库的基本结构 升降横移式立体车库由底盘、三层八车位停车场、运动机械部分及电气控制部分等四部分组成。机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成，拖动元件为步进电机、直流电机。电气控制是由西门子S7-200系列可编程序控制器(PLC)、步进电机驱动电源模块、开关电源、位置传感器等器件组成。 升降电机。载车板升降所需功率较大，所以选择的是交流电机。载车板的升降通过电机的正反转控制。横移电机。使用小型交流电机，通过横移电机的正反转控制载车板的横移运动。控制面板上的开关、按钮功能及车位号 图3.2 控制面板具体的操作步骤如下：按钮：启动 ：车库的启动按钮，当按下启动按钮，启动二字会显示在左方的显示屏中，在启动按钮的内部，绿色发光2极管发光，表示启动成功。停止 ：车库的停止按钮，当按下停止按钮，关闭二字会显示在左方的显示屏中，在停止按钮的内部，红色发光2极管发光，表示系统已经停止。液晶显示屏：在显示启动和停止之外，当系统运行出现问题，也会出现相应提示。急停按钮：车库发生意外时，当按下急停开关，会使所有的电机电源切断电源，致使系统停止运行，达到保护人员及设备的安全的效果。3X2黄色按钮：相应的按钮代表相应的车位。当按下其中一个时，系统会自动将按钮所表示的车位移动到水平层及第二层，这样便可以把车顺利的取出。程序设计要求：1）1号车位、2号车位、3号车位、6号车位、7号车位、8号车位只能上下移动，不能左右移动；2）4号车位、5号车位只能左右移动，不能上下移动；3）中排车位上的汽车可以直接开出；4）上排车位的汽车和下排的汽车，要想开出需要先按下相应车位按键，然后中排车位先左右移动，让出位置，上排车位降至中层，或者下排车位升至中层，再进出车辆。 3.3 PLC控制模块的设计3.3.1 PLC的结构PLC采用典型的计算机结构，其实质就是一种工业控制计算机。PLC主要由中央处理单元、存储器、输入/输出接口、编程器、电源以及其他电路组成。 图3.3.1 PLC基本结构1）中央处理单元CPUCPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成。CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统赋予的功能接顺利收并安全存贮用户的程序与数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，而且，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令，但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。2）I/O模块输入模块和输出模块简称I/O模块，是联系外部现场设备和CPU 模块的桥梁。PLC通过I/O接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参数。以这些现场数据作为PLC对被控对象进行控制的信息依据。同时PLC又通过I/O接口将处理结果送给被控设备或工业生产过程，以实现控制。3）内存内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。不同机型的PLC期内存大小也不尽相同，除主机单元的已有的内存区外，大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。4）编程器编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编写程序、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。某些PLC也配有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。5）电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。6）PLC系统的其它设备为了扩展PLC的功能，除了I/O接口外，PLC还配置了其他一些接口，主要有：I/O扩展接口智能I/O接口通信接口3.3.2 工作原理最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的： 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。 PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 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。 （1）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。 （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。2）PLC的I/O响应时间 为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术和为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。 所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间： 图3.3.2 最短I/O响应时间图3.3.3 最长I/O响应时间以上是一般的PLC的工作原理，但在现代出现的比较先进的PLC中，输入映像刷新循环、程序执行循环和输出映像刷新循环已经各自独立的工作，提高了PLC的执行效率。在实际的工控应用之中，编程人员应当知道以上的工作原理，才能编写出质量好、效率高的工艺程序。3.3.3应用领域 PLC已经广泛的应用在很多工业部门，随着其性能价格比的不断提高，PLC的应用范围不断扩大，主要有以下几个方面：1）逻辑控制功能。用PLC的与、或、非指令取代继电器触电串联、并联和其他逻辑连接，进行控制。2) 定时/计数控制功能。用PLC提供的定时器，计数器指令实现对某种操作的定时和计数控制。3) 顺序控制功能。用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成后，才能进行下一道工序操作的控制。4) 数据处理功能。PLC能进行数据传输、比较、移位、数制转换、算数运算与逻辑运算以及编码和译码操作。5) 运动控制功能。6) 通信联网功能。7) 监控功能。3.3.4 编程语言PLC是专为工业控制而开发的装置，主要使用对象是广大工程技术人员及操作维修人员。为了满足他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。主要有梯形图（LAD/LD），顺序功能图（SFC/流程图），功能块图（FBD），指令表（STL/助记符）。本设计用梯形图（LAD/LD）。梯形图的特点：梯形图中的继电器不是物理继电器(硬件继电器)，每个继电器实际上是映像寄存器中的一位，因此称为“软继电器”。相应位的状态为“l”时，表示该继电器线圈通电，其常开触点闭合，常闭触点断开；相应位的状态为“0”时，表示该继电器线圈失电，其常开触点断开，常闭触点闭合。梯形图是由这些“软继电器”组成的控制线路，但它们并不是真正的物理连接，而是逻辑关系上的连接，称为“软接线”。 每个继电器对应映像寄存器中的一位，其状态可以反复读取，因此可以认为继电器有无限多个常开触点和常闭触点，在程序中可以被反复使用，没有数量限制。假想电流”(虚电流、概念电流、能流)。假想电流只能单方向流动：从左向右流动，层次改变只能先上后下。输入继电器供PLC接收外部输入信号，而不是由内部其它继电器的触点驱动，因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现输入继电器的线圈。3.3.5 设计的基本原则任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：1) 最大限度地符合被控对象的控制要求2) 保证PLC控制系统安全可靠运行3) 力求简单、经济、使用及维修方便3) 为了适应工业水平的需要3.3.6 PLC的选型及特点1.可靠性高，抗干扰能力强（1）所有的I/O接口都采用光的是电隔离电路，使得工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般在921ms之间。 （3）各模块都采用了屏蔽措施，更加有效的减少了辐射的干扰。（4）均采用了性能优良的开关电源，有利于控制。（5）对采用的器件均进行了严格的筛选，要求均达到了要求。（6）PLC都具备了很好的自诊断功能，假使电源或其他的软件或者是硬件发生了不正常的情况，CPU立即采用相关措施，以防止故障扩大，降低损失。（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2.通用性强，控制程序可变，使用方便PLC的品种十分齐全，具有各种硬件装置，不仅可以组成能满足用户要求的控制系统，最关键的是用户不必自己再设计和制作出硬件装置。用户在确定了所需要的硬件以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，可以不改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。3.功能强，适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等多种功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等一系列功能。既可控制一台生产机械、也可以控制一条生产线，又可控制一个生产过程。4.编程简单，容易掌握目前，PLC仍然采用继电控制形式的“梯形图编程方式”占了很大的比例。这种方式的继承了不仅传统控制线路的让人看上去程序清晰，又考虑到大多数工厂企业的相关工作人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。5.减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，它的结构十分紧凑，十分的坚固，体积又小，重量也轻，功耗低，具有十分强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.3.7 I/O口分配表输入（传感器）I输出（电机）O车位1上升到位I1.0上升Q1.0下降到位I1.1下降Q1.1车位2上升到位I1.2上升Q1.2下降到位I1.3下降Q1.3车位3上升到位I1.4上升Q1.4下降到位I1.5下降Q1.5车位4左移到位I2.0左移Q2.0右移到位I2.1右移Q2.1车位5左移到位I2.2上升Q2.2右移到位I2.3下降Q2.3车位6上升到位I3.0上升Q3.0下降到位I3.1下降Q3.1车位7上升到位I3.2上升Q3.2下降到位I3.3下降Q3.3车位8上升到位I3.4上升Q3.4下降到位I3.5下降Q3.5表4.0 i/o分配表I1.0K21I1.1K22I1.2K23I1.3K24I1.4K25I1.5K26I2.0K27I2.1K28I2.2K29I2.3K30I3.0K31I3.1K32I3.2K33I3.3K34I3.4K35I3.5K36I7.1K41I6.1K42I7.2K43I6.2K44I7.3K45I6.3K46I7.4I6.4I7.5I6.5I7.6K47I6.6K48I7.7K49I6.7K50I8.1K51I8.2K52 I0.0STARTI0.1STOPI0.2表4.1 PLC接线图（IN部分）Q1.0K1Q1.1K2Q1.2K3Q1.3K4Q1.4K5Q1.5K6Q2.0K7Q2.1K8Q2.2K9Q2.3K10Q3.0K11Q3.1K12