毕业设计（论文）-立体车库智能化自整理设计.doc

诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 立体车库智能化自整理设计 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号： 102012229 学生： 董玉峰 指导教师（含职称）： 刘晓 （讲师） 专业负责人： 张焕梅 1设计的主要任务及目标 课题的主要任务是基于松下FP0系列PLC的立体车库控制系统的设计。通过本次毕业设计使学生了解和掌握到毕业设计应遵循的步骤和程序，通过对TVT99C立体车库工作原理以及操作控制和松下PLC的学习，在已有部分车库功能的基础上实现立体车库的自动整理功能，它利用立体车库模型，采用滚珠丝杠、直线导轨、普通丝杠作为传动装置，通过PLC编程控制实现X、Y、Z轴位置控制，可完成简单的取车或送车动作并实现自动整理功能。 通过本次毕业设计，对智能化立体车库的学习，了解立体车库的工作原理及控制方法。结合优化算法对车库内车辆进行子整理设计，使车辆做到有序排列。2设计的基本要求和内容 了解智能化车库的工作原理与控制方法。 学习优化算法，在保证时间最短的条件下建立优化模型。 结合存取技术，采用PLC编写程序，实现对立体车库的的自动整理。3. 主要参考文献3郑晟，巩建平.现代可编程序控制器原理与应用M.北京：科学出版社，1999.4王新生，张华强.基于PLC的立体车库控制系统设计J,工业控制计算机,2001.7张干宗，线性规划第二版M，武汉大学出版社，2007,3.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1毕业论文准备 2013.12.102014.01.102确定论文选题 2014.01.112014.01.153开题(提交开题报告及任务书) 2014.03.012014.03.144中期检查、修改及订稿 2014.03.202014.06.105进行毕业答辩 2014.06.182014.06.23立体车库智能化自整理设计摘要：随着我国经济的飞速发展、汽车拥有率的迅速上升，城市停车难问题不断恶化，而作为解决城市停车难的有效措施便是立体车库，随之而来的就是立体车库的整理问题。智能化是当今世界发展的一大主题，立体车库的智能化整理是顺应时代发展的必然趋势，不但可以更简单有效、安全可靠的整理车俩，提高车辆的存取效率；而且也非常好的解放了人类的劳动力。本文分析了利用可移植性很强的PLC实现立体车库的全自动化控制与管理并结合组态软件进行监控。关键词： PLC，自动化控制，自动化立体车库 Intelligent three-dimensional garage since finishing designAbstract：With the rapid development of economy in our country, the surge in car ownership, deteriorating urban parking problems, and as the effective measures to solve the urban parking, three-dimensional garage, followed is the problem of three-dimensional garage finishing. Intelligence is a theme in the development of todays world, intelligent three-dimensional garage is the inevitable trend of social development, not only can be more simple and effective, safe and reliable car, improve vehicle access efficiency; But also very good liberated the human labor. This paper analyzes the use of portability strong PLC to realize the three-dimensional garage automatic control and management and combining the monitor configuration software.Key words：PLC，Automation control，Automated three-dimensional garage目 录1 前 言11.1研究的意义11.2立体车库的发展趋势11.3本设计的主要任务22 立体车库42.1 立体车库的基本结构42.2.立体车库的控制单元52.2.1传感器52.2.2微动开关72.2.3 PLC72.3立体车库的动力单元92.3.1并联型开关式稳压电源92.3.2步进电机驱动器102.3.3步进电机113 PLC控制下的立体车库133.1可编程控制器基本应用133.2 PLC的结构和基本配置以及控制要点143.2.1 PLC的结构143.2.2 可编程控制器实现控制的要点153.3控制面板173.4具体的操作步骤193.5装置技术参数及注意事项204 立体车库的功能实现214.1.车库可执行的功能214.2 二次开发的要求224.3 FP0的内部寄存器及I/0配置234.4设计步骤244.4.1 建立优化模型244.4.2通过PLC实现步进电机库位的定位264.4.3程序讲解294.4.4实例演示图37结 论38参考文献39致 谢40太原工业学院毕业设计1 前言1.1研究的意义车辆无处停放的问题是城市的社会、经济、交通发展到一定程度产生的结果，车辆的增加所造成的交通拥挤、商场酒店车位的限制，使得车主为停车而发愁，扩展停车场引起人们的广泛关注。普通露天停车场和建筑物下的停车库虽然停放方便，但占地面积广，且停车数量有限，尤其是土地价格突飞猛进增长的今天，投资商不得不考虑土地占用的成本，为了充分利用立体空间，规范和科学管理汽车的停放，建造智能立体车库已刻不容缓。目前，在国内一些经济较发达、人口密度较大的城市中，己经着手开发推广立体停车库。本设计即是基于日趋成熟和自动化程度不断提高的PLC技术，针对目前车库管理系统存在的系统管理介质落后、集成自动化程度低、安全性差、人性化和运行效率低下的不足，结合目前科学技术领域的最新研究成果，设计了一种技术较先进、性能可靠、自动化程度较高的车库智能管理系统。具有智能化的智能立体车库占用土地少、充分利用空间，缓解了城市中道路空间小的矛盾，又适应了城市高节奏快速发展的需要，更重要的是顺应社会的发展，减少了污染，为城市向更大规模发展提供有利的条件。同时随着微电子技术、通讯技术、控制技术的迅猛发展，计算机更加广泛的进入工业控制的各个领域，并正发挥着越来越重要的作用。计算机技术在车库系统中的应用，可使设施集自动化、系统化、综合化为一体，提高智能立体车库的中存取车辆的速度，提高智能立体车库工作的可靠性。利用计算机进行实时控制和管理车库运行成为发展趋势，降低车库的投资成本，实现无人化管理，增强车库的智能化程度，将会对我国智能立体车库的发展起到很好的推动作用。而且智能立体车库技术空间利用率高，智能化控制，安全可靠等优点为解决停车难问题也有一定的促进作用。1.2立体车库的发展趋势 随着现代工业生产的发展，柔性制造系统（Flexible Manufacturing Systems）、计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing Systems）和自动化应用技术（Automation technology）对自动化存取车辆提出更高的要求，立体车库智能化技术要具有可靠、实时的信息，车辆的存取与整理必须伴随着并行的信息流。车辆无处停放的问题是城市的社会、经济、交通发展到一定程度产生的结果，立体停车设备的发展在国外，尤其在日本已有近3040年的历史，无论在技术上还是在经验上均已获得了成功。我国也于90年代初开始研究开发机械立体停车设备，距今已有十年的历程。由于很多新建小区内住户与车位的配比为1:1，为了解决停车位占地面积与住户商用面积的矛盾，立体车库以其平均单车占地面积小的独特特性，已被广大用户接受。立体车库与传统的自然地下车库相比，在许多方面都显示出优越性。首先，立体车库具有突出的节地优势。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平方米的面积，而如果采用双层立体车库，可使地面的使用率提高8090，如果采用地上多层（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，这可以大大地节省有限的土地资源，并节省土建开发成本。立体车库与地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆的安全，人在车库内或车不停准位置，由电子控制的整个设备便不会运转。应该说，立体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，还可以免除采暖通风设施，因此，运行中的耗电量比工人管理的地下车库低得多。立体车库一般不做成套系统，而是以单台集装而成。这样可以充分发挥其用地少、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立体车库。这对眼下车库短缺的小区解决停车难的问题提供了方便条件。1.3本设计的主要任务课题的主要任务是基于松下FP0系列PLC的立体车库控制系统的设计。立体车库的机构由车库本体、PLC控制单元、接口单元、巷道式堆垛起重机、和电源单元等组成。它利用立体车库模型，采用滚珠丝杠、直线导轨、普通丝杠作为传动装置，通过PLC编程控制在已有的可完成简单的取车或送车动作的功能的基础上进行二次开发,要完成以下工作：（1）了解立体车库的意义和发展状况。（2）了解立体车库的基本结构和基本功能。（3）建立优化车辆整理的数学模型。（4）编写PLC程序，实现立体车库自动整理车辆的功能。22 立体车库2.1 立体车库的基本结构立体车库主体由底盘、四层十二车库停车场、运动机械及电气控制等四部分组成的巷道堆垛式立体车库。机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成，采用步进电机、直流电机作为拖动元件。电气控制是由松下电工生产的FP0型可编程序控制器(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。本系统采用滚珠丝杠、滑杠和普通丝杠作为主要传动机构，电机采用步进电机和直流电机，其关键部分是堆垛机，它由水平移动、垂直移动及伸叉机构三部分组成，其水平和垂直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成，伸叉机构由一台直流电机来控制。它分为上下两层，上层为一平台，可前后伸缩，低层装有丝杠等传动机构。当堆垛机平台移动到车库的指定位置时，伸叉电机驱动平台向前伸出可将车辆取出或送入，当取到车辆或车已送入，则铲叉向后缩回。整个系统需要三维的位置控制。如图2.1所示。 图2.1 TVT-99C 立体车库模型2.2.立体车库的控制单元2.2.1传感器（1）反射式传感器在该立体车库中采用欧姆龙EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式传感器作车辆检测 ，它是日本欧姆龙公司的产品，采用能抗周围外来光干扰的变调光式；采用变调光式，与直流光式比，不易受外来光干扰的影响；电源电压为DC5-24V的大量程电压输出型；带有容易调整的光轴标识；带有便于调整，动作确认的入光显示灯；其结构图如图2.2所示。图2.2 反射式传感器实物图和结构图工作原理：当物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原先的信号相比较，产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号相关的直流信号输出电平。反射式传感器的时间图和输出回路图如图2.3所示图2.3 反射式传感器的时间图和输出回路图它有三根连接线(红、蓝、黑)，红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。需要注意检测距离不要离传感器太近，否则传感器不能动作；连接是采用接插件方式，千万不要对端子(读出头)进行焊接。（2）对射式传感器对射式传感器的工作原理对射式传感器的输出状态一般为 NPN输出，输出晶体管的动作状态可分为入光时ON和遮光时ON两种。入光时为ON的对射式传感器的结构图如图2.4所示，当24V电压加到发光二极管LED1时，它将光发射给发光二极管LED2，LED2接收到光导通，三极管导通，输出为ON；当发光二极管LED1发射出的光被物体挡住使发光二极管LED2接收不到时，LED2不导通，三极管也不导通，输出为OFF。 对射式传感器的选择在该立体车库控制系统中采用8个对射式传感器作限位控制，其中4只对射式光电传感器分别作为X、Y轴的限位控制，当入光时输出晶体管ON；2只对射式光电传感器分别作为车架在X轴和Y轴的到位检测，当遮光时输出晶体管ON，如果车架未到达正确位置，Z轴电机将不能运行以确保当PLC程序出错时也不至于损坏设备；2只对射式光电传感器作为Z轴的限位控制，当遮光时输出晶体管ON，其信号对应PLC的输入点是X4（后限位）和X5（前限位）。图2.4 对射式传感器的实物图和结构图2.2.2微动开关在该立体车库控制系统中共有13个库位（四层十二个库位加0号库位）分别采用13只微动开关作为车辆检测，当有车辆时相应开关动作，其信号对应PLC的输入点是X40-X4C；另外为保险起见，在X轴的左限位和Y轴的下限位处还分别加装了1只微动开关作限位保护，以确保立体车库在程序出错时不损坏；微动开关原理图如图2.5所示。图2.5 微动开关的实物图和原理图2.2.3 PLCPLC的特点目前市场上投入使用的自动化立体车库基本上都是采用PLC控制的，这是因为PLC具有以下特点使它很好的与立体车库相结合。如下图为松下FPO型PLC。 （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。松下FP0系类PLC的特点及配置 图2.6 松下FPO型PLCFP0系列可编程控制器（PLC）是松下电工生产的一种超小型PLC，其体积小巧（W25H90D60mm）, 不受安装场所的限制。FP0系列PLC主机有10点FP0（FP0-10R）、14点（FP0-14R）为继电器输出，16点（FP0-16T）、32点（FP0-32T）为晶体管输出，I/O最大可扩展到3个单元128点，并且3个I/O扩展单元采用堆叠方式不需要任何电缆，结构紧凑。FP0系列PLC功能强大，执行每个基本指令只需0.58us，同时脉冲捕捉和中断输入满足了高速响应的需要。此PLC具有32K步的大容量内存及丰富的指令系统。本设计中采用的FP0-16T型PLC作为控制单元，该型PLC属于晶体管输出型，共有16点I/O，其中输出用X表示，有8点，对应的地址为X00-X07；输出用Y表示，有8点，对应的地址为Y00-Y07。改型PLC程序容量为2720步，支持83条基本指令及114条高级指令，定时器为100个，对应的标号为0-99，计数器为44个，对应的标号为100-143.该型PLC支持32点主控（MC0-MC31），16个子程序（SUB0-SUB15），7中断（外部6点，内部1点）。2.3立体车库的动力单元2.3.1并联型开关式稳压电源(1)并联型开关式稳压电源的原理并联型开关稳压电源是由开关晶体管V和二极管及储能电感L、滤波电容C组成的。除此以外，通常还有较为复杂的驱动电路，调节电路、保护电路、基准电路以及构成闭环回路中的取样电路、放大电路和耦合电路等各个部分，用来对输出电压的大小以及特性进行控制和调节，图2.7并联型开关稳压电源的原理框图。设开关晶体管V的开关转换周期T，导通期的时间为，截止期的时间为，占空比为(/T)。图2.7 并联型开关稳压电源的原理框图 图2.8 并联型开关稳压电源输出电路的电流、电压波形其工作原理如下：当开关晶体管V处于导通期间，输入电压加到储能电感L的两端(这里我们忽略了V的饱和压降)，二极管因被反向偏置而截止。在此期间流过L的电流为近似线性地增加的锯齿波电流(见图2.8)，并以磁能的形式储存在L中。当开关晶体管V截止时，储能电感L两端的电压极性相反，此时二极管被正向偏置而导通。储存在L中的能量通过二极管输送给负载电阻和滤波电容C。在此期间，L中的泄放电流是锯齿波电流的线性下降部分。同理，当开关晶体管V导通期间在储能电感L中增加的电流数值应该等于开关管V截止期间在储能电感L中减少的电流值。只有这样才能达到动态平衡，才能给负载电阻提供一个稳定的输出电压。(2) 开关式稳压电源的选择在该立体车库控制系统中，考虑到PLC和步进电机驱动器都要求直流24V电源，综合考虑系统用电量、系统运行可靠性和系统设计的规整性，我们选用了DM150-24型并联式开关电源。DM150系列开关电源输出功率大，体积小， 重量轻， 高可靠性，适应宽范围的输入电压变动，具有完备的过压、过流保护功能；内置输入EMI滤波器，具有高抗干扰能力；根据UL478标准设计，耐压1500Vac1分钟；采用端子方式连接，全金属外壳，有卧式和立式两种安装方式。如图2.9所示。 图2.9 DM150-24型并联式开关电源2.3.2步进电机驱动器图2.10驱动器的结构图 步进电机的驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。驱动电路是步进电机应用的关键，是影响其性能发挥和可靠运行的一个最重要的因素 。步进电机驱动器采用森创Syntron SH-20403两相混合式步进电机细分驱动器，该驱动器提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分七种模式，利用驱动器上六位拨码开关的1、2、3位可以组合出不同的状态如图所示。当前设置为2细分即改善半步。如图2.10所示。步进电机驱动器控制信号的意义如下：公共端：输入信号才用共阳极接线方式，应将输入信号的电源正极接到该端子上，将输入的控制信号接到相应的信号端子上。控制信号低电平有效，此时对应得内部光耦导通，控制信号输入控制器中。脉冲：脉冲信号输入端，共阳极是该脉冲信号下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。 方向：方向信号输入端，该信号的低电平和高电平控制电机的两个转向。脱机：脱机信号输入端，共阳极低电平时，电机相电流被切断，转子处于自由状态（脱机状态）。2.3.3步进电机(1)步进电机的工作原理 图2.11 步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。如图2.11是步进电机实物图。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控 制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子 及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的一种开环线性执行元件，具有无累积误差、成本低、控制简单特点。产品从相数上分有二、三、四、五相，从步距角上分有0.9/1.8、0.36/0.72，从规格上分有口42130，从静力矩上分有0.1NM40NM。(2)步进电机的特点步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为100%），所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变，使用开环控制（或半闭环控制）就能进行良好的定位控制。起制动、正反转、变速等控制方便。价格便宜，可靠性高步进电机的主要缺点是效率较低，并且必须要配上适当的驱动电源。步进电机带负载惯性能力不强，在使用时既要注意负载转矩的大小，又要注意负载转动惯量的大小，只有当两者选取在合适的范围时，电机才能获得满意的运行性能。由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速的方法根据利用状态的不同而复杂多变。本系统中步进电机采用森创Syntron 42byg250C，该电机为两相混合式步进电机，静态相电流1.5A，步距角1.8，即在无细分的条件下200个脉冲电机转一圈（细分精度最高可以达到12800个脉冲电机转一圈）。步进电机传动组件采用滚珠丝杠，丝杠的导程为3mm，即丝杠转一圈，螺母直线运动距离为3mm。当螺纹是单头时，则螺距与导程相等。PLC对步进电机的控制首先要确立坐标系，可以设为相对坐标系，也可以设为绝对坐标系。PLC直接控制步进电机位置控制系统设计时，必须先计算出脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量3个参数： 脉冲当量= 脉冲频率上限=最大脉冲数量=根据脉冲频率确定PLC高速脉冲输出频率，根据脉冲数量确定PLC的位宽。3 PLC控制下的立体车库3.1可编程控制器基本应用最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。PLC已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。（1）用于开关量控制PLC控制开关量的能力是很强的。所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。所控制的逻辑问题可以是多种多样的：组合的、时序的；即时的、延时的；不需计数的，需要计数的；固定顺序的，随机工作的；等等，都可进行。 PLC的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。必要时，可编写多套，或多组程序，依需要调用。它很适应于工业现场多工况、多状态变换的需要。用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。目前，PLC首用的目标，也是别的控制器无法与其比拟的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。（2）用于模拟量控制如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。工业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。用PLC进行模拟量控制的好处是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制。这个优点是别的控制器所不具备的，或控制的实现不如PLC方便。当然，若纯为模拟量的系统，用PLC可能在性能价格比上不如用调节器。这也是应当看到的。（3）用于数字量控制实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有数字量。如机床部件的位移，常以数字量表示。字量的控制，有效的办法是NC，即数字控制技术。这是50年代诞生于美国的基于计算机的控制技术。当今已很普及，并也很完善。目前，先进国家的金属切削机床，数控化的比率已超过4080，有的甚至更高。PLC也是基于计算机的技术，并日益完善。故它也完全可以用于数字量控制。3.2 PLC的结构和基本配置以及控制要点3.2.1 PLC的结构一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如图3.1所示。图3.1 PLC的基本结构框图外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类：(1)编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。(2)监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。(3)存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。(4)输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。3.2.2 可编程控制器实现控制的要点（1）入出信息变换、可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。入出信息变换靠运行存储于PLC内存中的程序实现。PLC程序既有生产厂家的系统程序(不可更改)，又有用户自行开发的应用（用户）程序。系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。可靠物理实现主要靠输人（INPUT）及输出（OUTPUT）电路。PLC的I/O电路，都是专门设计的。输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。而且与内部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦元件建立联系。输出电路内外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等。I/O电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个I或O电路。PLC有多I/O用点，一般也就有多少个I/O用电路。但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，所占体积并不大。输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。每一输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。 输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。输出锁存器与输出点也是一一对应的。图3.2 PLC 典型开机流程（2）可编程控制器实现控制的过程简单地说，PLC实现控制的过程一般是：输入刷新-再运行用户程序-再输出刷新-再输入刷新-再运行用户程序-再输出刷新永不停止地循环反复地进行着。图3.2所示的流程图反映的就是上述过程。它也反映了信息的时间关系。有了上述过程，用PLC实现控制显然是可能的。因为：有了输入刷新，可把输入电路监控得到的输入信息存入PLC的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映输入的变化的。只是响应的时间上，略有滞后。当然，这个滞后不宜太大，否则，所实现的控制不那么及时，也就失去控制的意义。 为此，PLC的工作速度要快。速度快、执行指令时间短，是PLC实现控制的基础。事实上，它的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几，或零点零几微秒。而且这个速度还在不断提高中。（3） 可编程控制器实现控制的方式 用这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。是用计算机进行实时控制的一种方式。此外，计算机用于控制还有中断方式。在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理，将不被理睬。显然，中断方式与扫描方式是不同的。在中断方式下，计算机能得到充分利用，紧急的任务也能得到及时处理。但是，如果同时来了几个都要处理的任务该怎么办呢？优先级高的还好办，低的呢？可能会出现照顾不到之处。所以，中断方式不大适合于工作现场的日常使用。 但是，PLC在用扫描方式为主的情况下，也不排斥中断方式。即，大量控制都用扫描方式，个别急需的处理，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理它。这样，可做到所有的控制都能照顾到，个别应急的也能进行处理。3.3控制面板控制面板上的开关及按钮功能及车库号，见图3.3、图3.4和表3.5。 图3.4控制面板上的车库号图3.3控制面板上的开关及按钮功能按键号 功能选择定义按键号功能选择定义1自动选择1号车库7自动选择7号车库手动机构水平向左移动手动无意义2自动选择2号车库8自动选择8号车库手动机构垂直向下移动手动无意义3自动选择3号车库9自动选择9号车库手动机构水平向右移动手动无意义4自动选择4号车库10自动选择10号车库手动机构水平向后移动手动无意义5自动选择5号车库11自动选择11号车库手动机构垂直向上移动手动无意义6自动选择6号车库12自动选择12号车库手动机构水平向前移动手动无意义表3.5控制面板上的按钮功能表173.4具体的操作步骤（1）接通电源。（2）将选择开关置手动位置（此时16号有效）（3）分别点动按键1、2、3、4、5、6，观察水平（X轴）、垂直（Y轴）、前后（Z轴）各丝杠运行情况，运行应平稳，在接近极限位置时，应执行限位保护（运行自动停止）。（4）用计算机编写程序并下载至PLC。（5）将选择开关置自动位置（通电状态下，各机构复位，即返回零位）。（6）将一带托盘汽车模型置零号车库，放置模型时，入位要准确，并注意到车库底部检测开关已动作。（7）执行送指令选择欲送车库号，按动车库号对应按钮，控制面板上的数码管显示车库号。按动送指令按钮，观察送入动作（若被选择车库内已有汽车，则该指令不被执行。指令完成后，机械自动返回。零号车库已无汽车，则下一个送指令（误操作）将不被执行。（8）执行取指令选择欲取车库号，按动车库号对应按钮，控制面板上的数码管显示车库号。按动取指令按钮，观察取出动作（若被选择车库内无汽车，则该指令不被执行）。指令完成后，机构自动复位。零号车库已有汽车，则下一个取指令（误操作），将不被执行。183.5装置技术参数及注意事项技术参数:输入电压：AC200V240V（带保护地二芯插座）或DC24V，耗电量250W。环境：温度-540摄氏度，湿度小于或等于百分之八十。外形尺寸：60 X 45 X 60cm注意事项:（1）当0#位有车时，只能有“存”的操作，0#位无车时，只有“取”的操作。（2）取、送汽车模型应观察模型到位情况，应注意检测开关的动作情况。（3）需用手取送汽车模型时，应在断电状态下进行。（4）立体停车场模型应水平放置，并观察Y轴与场体垂线重合情况，若重合不良，应在垫角下垫某一厚度垫片。保护开关（1）X轴极限位保护（SQ0、SQ1）（2）Y轴极限位保护（SQ2、SQ3）（3）Z轴极限位保护（SQ4、SQ5）（4）X轴、Y轴、Z轴协调保护（SQ6、SQ7硬件联锁）以上各种保护开关，确保在编程实验中、立体停车场在程序出错时，并不损坏该装置。194 立体车库的功能实现4.1.车库可执行的功能（1）将选择开关置于手动位置（此时16号有效），分别点动按键1、2、3、4、5、6，观察水平（X轴）、垂直（Y轴）、前后（Z轴）各丝杠运行情况，运行应平稳，在接近极限位置时，应执行限位保护（运行自动停止）。（2）将选择开关置自动位置（通电状态下，各机构复位，即返回零位）。（3）将一带托盘物品置零号车库，放置模型时，入位要准确，并注意到托盘底部检测开关已动作。（4）执行送指令 选择欲送车库号，按动车库号对应按钮，控制面板上的数码管显示车库号 按动送指令按钮，观察送入动作（若被选择车库内已有物品，则该指令不被执 指令完成后，机械自动返回。 零号车库已无物品，则下一个送指令（误操作）将不被执行。（5）执行取指令 选择欲取车库号，按动车库号对应按钮，控制面板上的数码管显示车库号。 按动取指令按钮，观察取出动作（若被选择车库内无物品，则该指令不被执行）。 指令完成后，机构自动复位。 零号车库已有物品，则下一个取指令（误操作），将不被执行。 图 4.1 车库原有功能图4.2 二次开发的要求为了便于车库的管理，我将在TVT-99C立体车库模型和已经可以执行的基础上对立体车库的控制进行二次开发，车库原有的功能是：（1） 手动状态，通过键盘来控制车架的水平，竖直，前后方向的运动。（2） 自动状态：自动从最高有车车库取出车辆放到0号车库。 0号车库有车时，自动放到最低无车库位。具体的二次开发要求是：（1）车库原有功能只能自动取车或自动送车，不能做完整的自动整理动作。在车库原有的功能上，将车库自动取功能和自动送功能整合到一块，使车库具有一个完整的自动取送整理车辆功能。（2）在（1）中，车库能实现一次自动整理一个库位车辆的初步整理功能，之后就返回原点。对于零乱车库车辆整理时，要整理多次，效率很低。所以，还得要求系统能一次性整理好所有的车辆。（3）车库原有功能不能分辨出车辆是否摆放整齐，如没外界干预会一直运动下去。所以二次开发要求，对于每次整理完车辆后，系统还必需辨别出是否已经整理好，然后返回原点。设计思路通过X40X4C的微动开关来判断各个车库物品摆放情况，如果车库中车辆没有摆放整齐，“就绪”灯亮10秒后，程序将自动把最大有车车库中的物品转运至最小没有车辆的车库中，直到摆放整齐。对于车库一个完整的整理过程：（1） 首先是PLC通过每个车库的微动开关对车库进行扫描，选出最高有车的车库号，然后用X轴、Y轴的坐标定位选中的车库的位置，车架在伺服电机带动下运动，当车架的坐标到和车库的坐标一样时，车架就运动到了选定的车库，然后调用Z轴直流电机取出车辆，Z轴回零静止等待下部命令。（2） 然后，PLC扫描出最小空库位，用X轴和Y轴重新定位最小空库位的位置，之后X轴和Y轴滚珠丝杠带动车架运动，直到车架的坐标位置和选出的车库坐标位置相等时，车架停住的位置也是所选中的车库的位置。然后调用Z轴直流电机将车辆放下。（3） 下个动作就重复（1）和（2），直到车库整理整齐，即（1）中所选的最大有车车库号和（2）中所选的最小无车车库号相等时，车辆摆放整齐。4.3 FP0的内部寄存器及I/0配置在使用PLC之前最重要的是先了解PLC的内部寄存器及I/0配置情况。 H：16进制常数 WY：外部输出 WX：内部寄存器 IX：索引寄存器0 WR：内部寄存器 IY：索引寄存器1 X4：Z轴回复零位 Y7：轴反转取出 X5：Z轴到达限位 Y20：系统就绪显示 X6：小车有无物品 Y21：系统取出显示 X7：手动自动选择 Y22：系统送入显示 X25：X轴回复零位 R9013：系统初始化 X27：Y轴回复零位 R0：暂存零位标志 X40-X4C：1-12号车库选中 R1：X轴回复零位 Y6：Z轴正转送入 R2：Y轴回复零位 R3：初始回零标志 R9：系统回复标志 R4：Z轴回零标志 R121-R12C：1-12号车库选中标志 R5：Z轴调用标志 R120：取出物品标志 R6：对应车库标志 R13E：选中物品标志 R7：中转位置标志 R130：车库选中标志4.4设计步骤4.4.1 建立优化模型由于堆垛机在Z轴方向的移动是申叉移动，对每个库存取车所用的时间是相同的，所以可以将立体车库实验模型正面投影成二维平面图，每个车库的投影看作是正方形的，并建立直角坐标系，并为每个车库编号，如图4.2所示，以便于计算车辆移动的距离。堆垛机在滚动丝杠的作用下进行横向（X轴）和竖向（Y轴）移动，由2.3立体车库的动力单元部分分析可知，移动相同的距离在X轴方向所用的时间tx和在Y轴所用的时间ty是相等的，即tx=ty所以最短时间的选择便是最短路径的选择，理想情况下，堆垛机不载车运动一个库的时间t1与载车时运动一个库的时间t2相等。建立数学模型：定义目标函数为一次整理m辆车所用的总距离D为：d=d1+d2+.+dm .(4.1)式4.1中d1dm为m辆车移动到最佳选择的车库所需要的距离。设车库的边长为a，要移动车辆的车库坐标为（x，y），移动到最佳车库的坐标为（i，j），根据堆垛机托盘的移动规律，可以计算出任意两个车库之间的合理移动距离d为：d=a2(x-i)2+(y-j-|x-i|)a .(4.2) 因为有多个库位的车辆需要移动，所以车辆整理的方案种类需要通过排列组合的方式计算出来，因此整理的方案种类A有：A（m,m）=m(m-1)(m-2).1 .(4.3)举例说明：如图4.3所示，有两辆车需要移动，移动轨迹如图所示， 图4.3示例图 4号库的坐标（1,2），5号库的坐标（2,2）,10号库的坐标（1,4），12号库的坐标（4,4），移动方案的种类A（2,2）=2x1=2 种，第一种方案：10号库到4号库的距离d1=a2(1-1)2+(4-2-1+1)=2a 同理可得12号库到5号库的距离d2=(2+1)a所以总距离d1=d1+d2=2a+(2+1)a=3a+2a。第二种方案：10号库到5号库的距离d1=(2+1)a，12号库到4号库的距离d2=22a，所以总距离d2=d1+d2=a+32a，由此可得d1d2，所以第一种方案的距离小，因为距离与时间成正比，所以第一种整理方案所用的时间少，所以，第一种方案为最优方案。4.4.2通过PLC实现步进电机库位的定位 PLC实现步进电机库位的定位主要由PLC、步进电机驱动器、步进电机及滚珠丝杠组成，如图4.4所示。 图4.4 步进电机控制系统结构框图系统中脉冲信号由FP0 C16T PLC提供。FP0 C16T是晶体输出型的PLC，具备2路最高可达10KHz的脉冲输出，可实现独立控制，常用语两轴位置控制。通过输出端子Y0，Y1分别产生一个50%占空比脉冲串，然后接到两个步进驱动器，从而控制X轴，Y轴步进电机，构成步进电机位置的开环控制系统。脉冲周期和数量有PLC程序进行控制。通过输出端子Y2，Y3分别接到两个步进电机驱动器方向控制端，实现步进电机正转、翻转控制。步进电机位置控制系统接线图如图4.5所示。图4.5步进电机位置控制系统接线图 运行模式说明：增量模式根据目标的设置设定值，来输出相应脉冲数的脉冲。将控制码（Control code）设置为H02（即：增量模式；正向：OFF；反向：ON），当目标值为正时，方向信号输出为OFF，同时高速计数器的当前值增加。当目标值为负时，方向信号输出为ON，同时高速计数器的当前值减少。当控制码（Control code）设置为H03时，方向信号