毕业论文-基于组态王的PLC立体车库控制系统设计

1、 绪论目前随着我国城市化进程的加快，城市的车辆越来越多，而除了新建的高档住宅小区外，大多数普通住宅小区的车库严重配套不足，以至于小区内小轿车到处乱停乱放，马路边、人行道、甚至草坪上都停车1。因此研究立体停车库智能控制系统不仅能够降低成本，带来经济效益，更能提高效率、方便人们的日常生活。可编程控制器（ProgrammableLogicController 简称PLC）已经成为现代工业控制的重要支柱之一，它是以微处理器为基础，综合自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置2；其可靠性高逻辑功能强体积小可在线修改控制程序，具有远程通信联网功能易于计算机接口能对模拟量进行控制，具备高速

2、记数与模拟转换等高性能智能模块等优异性能3。而基于组态王的PLC立体车库控制系统通过组态王实现了对立体车库控制系统现场的实时监测与控制，使其具有适应性强、开放性好、易于扩展等优点4。1.1组态王PLC立体车库控制系统的背景和意义 随着社会城镇化的发展，城市人口日益增多，楼房和车辆也越来越多，特别是随着改革开放以来，国民经济的高速发展为汽车工业的振兴注入了强劲的动力，家用汽车的数量成倍增长5。而与此同时，汽车停车场地的增长却不能与之同步，汽车数量远远超过传统汽车场提供的泊位，由此带来停车难、乱停车的问题。在中国城市土地资源越来越紧缺的情况下，城市住宅小区的停车难问题已经日益突出，于是向空间发展成

3、为解决当前问题的一条重要途径6。立体停车库就是在这种背景下发展起来的。近些年，随着智能控制技术的不断发展，基于组态王的PLC立体车库控制系统技术已经引起人们的关注和研究。现从以下几个方面阐述基于组态王的PLC立体车库控制系统的意义：一、立体车库占地空间小，有效的减少车辆占地面积；基于组态王的PLC立体车库占地空间小，在道路拥挤、车满为患的城市中可最大限度的利用空间，安全方便。立体车库既可以大面积使用，也可以见缝插针设置，还能与地面停车场、地下停车库和停车楼组合实施。传统的自然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大约38m2的土地面积。假如采用两层的立体车库，可使地面的使用率提高

4、 8090，如果采用地上 3 层或更高层的立体车库，40-50 m2的土地面积上大约可存放几十台车辆，这样不仅可以节省有限的土地资源，而且可以节省开发成本7。二、立体车库节能环保，安装灵活；基于组态王的PLC立体车库一般不做成成套系统，而是以单台集装而成。这样可以充分发挥它的占地面积少、可化整为零的优势，在住宅区或者大厦的每栋楼下都可以随机设立自动化立体车库7。最重要的是立体车库可以免除采暖通风设施，所以在运行过程中的耗电量比工人管理的传统自然地下车库低得多，而且减少了环境的污染。三、立体车库功能完善，适用性强。基于组态王的PLC立体车库控制系统具备了PLC所有功能，可以用于各种规模的工业控制

5、场合。该系统用软件编程取代了硬件接线实现控制功能，使安装接线工作量大大减小，设计人员只要一台PLC就可以进行控制系统设计，PLC具备完善的自诊断，履历情报存储及监控功能，工作人员通过组态王和PLC可以快速查出故障的原因，便于迅速处理，及时排除故障。使维修方便，从而极大的提高可靠性。综上所述，在城市化发展寸土寸金的今天，要解决“停车难”的问题，最好的方式就是建造立体车库。因而对基于组态王的PLC立体车库控制系统进行研究，具有重要的社会意义和经济意义。1.2 国内外发展状况7自动化立体车库从产生、应用及发展大概已经经历 50 多年的历史了。先后出现了针对家庭使用的双停车设备；利用住宅空地建起的2-

6、4层升降横移停车设备；适合城市中心商住区使用的停车楼和停车塔。世界上起步较早的国家主要有日本、韩国、德国及意大利等。图1 国外高容量的立体车库我国立体车库的早期研究开发工作是从80年代中期开始，90年代开始引进和生产停车设备7。1998年1月1起执行的国家计委6号令把自动化立体车库和城市立体停车场列入“国家重点鼓励发展的产业、产品和技术”。国家海关总署对自动化立体车库规定“国内投资项目给予免征进口税8”。上述措施为我国自动化立体车库产业的发展提供了良好的条件，也为我国解决城市停车难问题提供了机会。可以预见，自动化立体车库在我国具有非常广阔的市场前景。目前，由于国家政策的支持，同时伴随着国家经济

7、的快速发展，以及城市化的建设步伐加快所带来土地的紧张问题，自动化立体车库行业也发展迅速。目前停车设备生产厂商一发展到几百家，生产各种类型的停车设备，有些停车设备已开始出口。但是我国的停车产业在发展中还存在很多问题，如没有统一的技术标准；多数产品是引进国外技术制造，技术水平较低；缺少大规模的企业，生产能力不足；政策不配套等8。图2 我国广泛使用的升降横移立体车库1.3 课题主要研究内容本文主要根据PLC的功能完善、可靠性高的特点和组态王实时监测和控制的特性，设计了基于组态王的PLC立体车库控制系统。本文主要研究内容如下：一、先介绍立体车库的应用范围，说明PLC和组态王立体车库控制系统的研究背景和

8、意义，以及国内外发展现状。并对立体车库进行概述，包括了对立体车库的基本结构介绍和立体车库控制技术介绍。二、系统总体设计，包括系统总体思路设计，PLC和组态的选型、系统主电路设计和系统控制电路设计等。三、软件设计，主要论述控制系统的软件实现，包括PLC单元系统设计和PLC编程，组态王单元设计以及组态王编程等。四、系统调试，对基于组态王的PLC立体车库控制系统功能进行调试和组态王仿真结果分析。最后对该设计进行总结和展望，并提出该系统还需要进一步研究和改善的地方，并给出一些改进方案。2 立体车库基本结构及其控制基于组态王的PLC立体车库是指利用电机带动载车板的升降或横向平移，从而实现存取车辆操作的机

9、械式停车设备。2.1立体车库基本结构介绍以三层三列式立体车库为模型建立研究对象。立体车库主要由结构框架部分、载车板部分、横移系统、提升系统、控制系统、安全防护系统六大部分组成9。具体组成及作用如下： 图3 立体车库主要组成9一、结构框架立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主，在升降横移式车库中我们选用钢架结构。钢架结构与其它建筑结构相比，具有如下特点：a.可靠性高；b.材料的强度高，钢结构自重小；c.材料的塑性和韧性好；d.钢结构制造简便，施工工期短；e.钢结构密闭性好；二、载车盘（载车托盘或载车板）载车盘主要作用是承载车辆，通过其上的横移电机和升降电机，带动载车盘作水平横移运动和上下升降运

10、动，载车盘上的搬运器由4根钢丝绳与框架连接，可以实现上下升降运动；三、传动机构传动机构主要由升降传动机构和横移传动机构组成，它是整个立体车库关键部分，是系统控制的主要执行部分；四、安全装置上载车板上装有上下行程极限开关和防坠落安全装置；五、控制系统基于组态王的PLC立体车库控制系统采用PLC 可编程序控制器控制，主要有手动、自动、复位、急停四种控制方法。自动控制应用于平时的正常工作状态，手动控制应用于调试、维修状态，复位应用于排除故障场合，急停应用于发现异常的紧急场合。对于本文中所列的7车位立体车库控制系统，PLC 主要控制中层、上层五个升降电机的正反转和底层、中层四个横移电机的正反转。2.2

11、立体车库控制技术基于组态王的PLC立体车库控制系统采用单元钢架结构，升降、横移电机驱动，链条（或钢绳）传动10。车库中每一个车位单元都配置一个停放车辆的载车板（载车盘），载车板由升降、横移电动机单独驱动，可以上下、左右移动。除了最上一层外，每一层全都留有一个空车位，其作用是允许载车板左右移动一个车位位置，为上一层载车板的下移留出一个通道。最上一层的载车板只能上下移动，不能左右移动；最下一层载车板只能左右移动，不能上下移动。因此如果要在任意一个车位上存取车辆，首先必须要把该车位正下方每一层车位的载车板移开，产生一个垂直通道，然后再将该车位的载车板移到最下一层，最后存取车辆。3号123号12111

12、5号5号14号17号7号16号1图4 立体车库工作原理图103系统的总体设计基于组态王的PLC立体车库控制系统由上、下位机二部分组成，上位机为PLC编程软件系统和组态王编程系统，主要负责程序的编程、编译、监控；下位机为PLC硬件运行系统，主要负责接收编译完的程序，并控制硬件电路的工作。3.1 PLC控制系统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.最大限度地满足被控对象的控制要求：充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的前提。2.保证PLC控制系统安全可靠：

13、保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。3.力求简单、经济、使用及维修方便：在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。4.适应发展的需要：由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要考虑到今后控制系统发展和完善的需要，以满足今后生产的发展和工艺的改进。3.2系统总体设计结构图基于组态王的PLC立体车库控制系统和其他类型的车库控制系统一样由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图5 PLC和组态立体车库控制系统基本结构图3.3 PLC硬件选择和组态选择3.3.1 PLC硬件选择本设计采用组态和

14、PLC构成简易的三层七车位立体车库控制系统，车位的上升和下降由一台电动机拽引拖动，电动机正转为车位上升，反转为车位下降。车位的横向平移由另一台电动机门机拖动，电动机的正转为车位向右移动，反转为车位向左移动。由于七个车位都要接收存车、取车共两个信号，即需要2*7=14个输入端；上层三个车位要响应升、降共两个信号，中层两个车位要响应升、降及左移、右移共四个信号，下层两个车位要响应左移、右移共两个信号，即需要3*2+2*4+2*2=18 个输出端。综上所述，输入端14个，输出端18个。实验室有可编程控制器S7-200的PLC226其输入、输出I/O为24/16，外加一个I/O口为8/8的的EM223

15、拓展模块，即系统共有输入、输出I/O为32/24。可满足本设计要求。3.3.2 组态软件选择组态王监控系统软件是新型的工业自动控制系统。它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统11。它以其逼真再现现场画面，使控制者在任何时间任何地点均可实时掌控系统每一个细节。它不但实现对现场的实时监测与控制，且还在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用，有利于实验者对现场实时监控。鉴于组态王的优点，本设计采用市场上广泛推广KingView6.55来进行立体车库控制系统的现场监控。3.4系统的电路设计3.4.1系统的主电路设计根据设计要求，在立体停车库控制系统中主控单元的主要控

16、制对象首先是车库内的横移电机和升降电机，控制系统就是使它们在不同的时间内实现正反转。由于中层4号车位既要升降也要横移，所以选取4号车位的电机控制分析，其电机正反转控制原理图如图6所示。图中M1，M2分别为升降电机和横移电机，交流接触器KM1-KM4，通过控制两台电动机的运行来控制载车板的升降和横移。FR1，FR2是起过载保护作用的热继电器，用于载车板运行过载时断开主电路。FU1、FU2为熔断器，起过电流保护作用。图6 系统主要控制电路原理图其主要设计思想为：当手动开关SB1闭合，停止开关SB2处于闭合状态，如有呼叫信号响应，PLC则按照预先植入的程序执行。1.当IO口Q1.4输出时，其Q1.4

17、常开触点闭合，继电器KM1得电，KM1的常开触头闭合，电动机M1正转，即4号车位向上运行。同时KM1的辅助常闭触头断开，构成互锁结构防止电机M1正反转同时运行，即防止车位向下运行，可提高系统运行的可靠性。2.当IO口Q0.4输出时，其Q0.4常开触点闭合，继电器KM2得电，KM2的常开触头闭合，电动机M1反转，即4号车位向下运行。同时KM2的辅助常闭触头断开，构成互锁结构防止电机M1正反转同时运行，可提高系统运行的可靠性。3.当IO口Q0.0输出时，其Q0.0常开触点闭合，继电器KM3得电，KM3的常开触头闭合，电动机M2正转，即4号车位右移。同时KM3的辅助常闭触头断开，构成互锁结构防止电机

18、M2正反转同时运行，可提高系统运行的可靠性。4.当IO口Q1.0输出时，其Q1.0常开触点闭合，继电器KM4得电，KM4的常开触头闭合，电动机M2反转，即4号车位左移。同时KM4的辅助常闭触头断开，构成互锁结构防止电机M2正反转同时运行，可提高系统运行的可靠性。当需要检修立体车库控制系统时，则按下停止按钮SB2，先使车库各车位复位。再断开手动开关SB1。隔离电源后再进行检修，以保证检修人员安全。3.4.2 PLC的IO分配表基于组态王的PLC立体车库控制系统中PLC输出端口接入立体车库控制系统主控回路图中的相应位置来控制继电器，从而控制立体车库系统的上升和下降以及横移。PLC的外部输入和输出端

19、口作用见表PLC的IO分配表。表1 PLC的IO分配表名称I/O端口名称I/O端口一号存车M1.1一号下降Q0.1一号取车M2.1一号上升Q1.1二号存车M1.2二号下降Q0.2二号取车M2.2二号上升Q1.2三号存车M1.3三号下降Q0.3三号取车M2.3三号上升Q1.3四号存车M1.4四号右移Q0.0四号取车M2.4四号左移Q1.0五号存车M1.5四号下降Q0.4五号取车M2.5四号上升Q1.4六号存车M1.6五号右移Q2.0六号取车M2.6五号左移Q2.1七号存车M1.7五号下降Q0.5七号取车M2.7五号上升Q1.5一号存车M1.1六号右移Q0.6一号取车M2.1六号左移Q1.6二号存

20、车M1.2七号右移Q0.7二号取车M2.2七号左移Q1.73.4.3 PLC硬件电路设计基于组态王的立体车库控制系统共有14个输入触头，18个输出触头，采用了S7-200系列的CPU226和扩展模块EM223。组态王的PLC立体车库控制系统的核心CPU PLC226的硬件输入和输出接线图如图7所示。图7 PLC226硬件输入和输出接线图4系统软件设计本课题设计组态王的PLC电梯控制系统，主要以PLC程序设计为主，用软件程序来替代传统的继电器-接触器控制系统的逻辑运算，顺序运算，以提高系统的可靠性，减小控制系统体积，降低能耗及其维修保养费用。4.1 组态王的PLC立体车库控制系统的优点本设计有如

21、下控制要求：下层的车位只作横移，不必升降；上层车位需通过中间层及底层横移出空位，将载车板升或降到地面层，驾驶员才可进入车库内将汽车开进或开出车库。采用PLC车库控制系统能完全满足上述要求，并且具有如下优点：信号处理均有PLC实现，接线简单；触点少、故障少、可靠性高；降低能耗和降低维修保养费用；功能变化灵活，编程简单；开发周期短，实时监测和控制等。4.2立体车库逻辑程序设计4.2.1 系统总程序设计方框图根据车库的运行控制要求，用编程软件支持的梯形图逻辑语言编写，程序设计方案如下：（1）初始化程序提出系统的控制信息，扫描各到位开关信号；（2）每个载车板运动之前，需要先判断目的地是否有空位，有空位

22、才可以动作。判断是否有空位是根据横移电机所对应的到位行程开关动作信息来确定的。其立体车库控制系统总程序设计方框图如图8所示。 图8 系统总程序设计方框图4.2.2 梯形图程序设计梯形图是PLC使用得最多的图形编程语言，梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点， 因此本系统设计PLC程序采用梯形图编程。立体车库控制系统中，选取上层1号车位存取车为例PLC部分程序设计如下：1、接收存取信号：当上层1号位接收存车信号I1.1时，1号车位在进行升降操作之前，先要判断正下方是否有空位，若没有空位则要等待正下方的车位进行横移操作，使正下方有空位。其梯形图如图9所示;图9 1号车位存取车信号2

23、、中层空位：其正下方中层的4号车位先响应操作输出信号Q0.0且5号车位响应操作输出信号Q2.0，此时4号和5号同时右移一个车位，使1号车位下方的中层让出空位，其梯形图如图10所示； 图10 4号、5号右移 3、下层空位：其正下方下层的6号车位响应操作输出信号Q0.6且7号车位响应操作输出信号Q0.7，此时6号和7号同时右移一个车位，使1号车位下方的下层让出空位，其梯形图如图11所示；图11 6号、7号右移4、1号车位到达指定点：1号车位正下方已空出车位，此时响应操作输出信号Q0.1，1号车位开始下降到达底层指定位置，开始进行存取车操作；完成操作后输出操作信号Q0.1，1号车位上升复位，其梯形图

24、如图12所示；此时1号存取车过程已完成。图12 1号车位升、降4.3 组态王单元系统设计组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统13。4.3.1组态王软件基本操作和设计建立新组态王工程的一般过程是：1.新建组态王工程;2.设计图形界面;3.定义设备;4.构造数据库;5.建立动画连接。本系统的组态软件设计步骤如下：1.新建组态王工程。 启动“组态王”工程管理器，选择菜单“文件新建工程”或单击“新建”按钮。写于工程名后，下一步进入新建工程向导之三工程名称和描述，点击完成。2.设计图形界面。第一步：进入新建的组态王工程，选择

25、工程浏览器左侧大纲项“文件画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出新画面“画面名称”处输入新的画面名称，如“liticheku”，其它属性目前不用更改， 点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统。第二步：在组态王开发系统中从“工具箱”中分别选择“文本”、“图形”“矩形”“窗口色”等构建自己的组态画面。画面如图13所示。图13 组态画面3.定义设备。继续上述的工程。选择工程浏览器左侧大纲项“设备”在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出运行“设备配置向导”找到PLC中的西门子，找到S7-200系列（USB），下一步，弹出“设备配置向导”，为外部设备取一个名称，输入PL

26、C226. 单击“下一步”，弹出“设备配置向导-地址设置”从PLC中查询得知地址为“2”请检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成4.构造数据库：组态王中定义的变量与一般程序设计语言，比如BASIC、C语言，定义的变量有很大的不同，既能满足程序设计的一般需要，又考虑到工控软件的特殊需要。在工程浏览器中左边的目录树中选择“数据词典”项，右侧的内容显示区会显示当前工程中所定义的变量。在数据词典中双击“新建”图标，弹出“定义变量”属性对话框。“确定”按钮，则工程人员定义的变量有效时保存新建的变量名到数据库的数据词典中。若变量名不合法，会弹出提示对话框提醒工程人员修改变量名。单击“取消”按钮，则工

27、程人员定义的变量无效，并返回“数据词典”界面5.建立动画连接。5系统调试运行5.1 PLC调试本设计采用S7-200系列PLC, 使用STEP 7-Micro/WIN编程软件，在程序指令输入完毕后，单击工具栏中的编译按钮进行编译，编译通过后状态栏里的信息提示如图14所示。将执行编译好的程序下载到PLC中。 图14 编译信息至此，立体车库控制系统的程序开发过程全部结束，可以进行程序联机调试。5.2 PLC程序和组态王程序联机调试将PLC程序下载到PLC中，再次进行编译并确认程序无误后，将程序扫描并开启运行状态。关闭PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN并且保证PLC是运行状态,此时等待组

28、态王的运行和调试。PlC下载界面如图15所示。图15 PLC下载界面组态王工程已经初步建立起来，进入到运行和调试阶段。在组态王开发系统中选择“文件切换到 View”菜单命令，进入组态王运行系统。在运行系统中选择“画面打开”命令，从“打开画面”窗口选择“liticheku”画面。显示出组态王运行系统画面。其基本控制结果如下：1、组态王的PLC立体车库控制系统在运行时组态王中监控画面显示：以上层1号位存取车为例，1号位接收存取车信号时，其正下方中层的4号车位先响应操作输出信号Q0.0且5号车位响应操作输出信号Q2.0，此时4号和5号同时右移一个车位，使1号车位下方的中层让出空位；其正下方下层的6号

29、车位响应操作输出信号Q0.6且7号车位响应操作输出信号Q0.7，此时6号和7号同时右移一个车位，使1号车位下方的下层让出空位；其组态画面如图16所示。图16 1号车位下方空位留出1号车位正下方已空出车位，此时响应操作输出信号Q0.1，1号车位开始下降到达底层指定位置，开始进行存取车操作；其组态画面如图17所示。图17 1号车位下降存车完成操作后输出操作信号Q0.1，1号车位上升复位，然后输出操作信号Q1.0和信号Q2.1，响应控制4号、5号车位左移复位，同时输出操作信号Q1.6和信号Q1.7，响应控制6号、7号车位左移复位；此时1号存取车过程已完成。如图18所示。图18 存车完成后复位总结本文

30、主要以立体车库为研究对象，参阅了国内外关于立体停车库的大量实际案例及相关资料，分析了立体车库的特点，从组合方式、节地、安全性、运行维护等方面与传统车库的比较分析，从车库库存量、存取车时间、经济性及运行原理、适用范等方面分析，对立体车库控制系统进行如下设计：1.设计基于组态王的PLC立体车库控制系统的总体方案。分别对方案中个各部分关键器件进行了分析和选择。2.在硬件选择上，为了达到设计要求和控制成本的最佳。方案选择了应用广泛，功能完善的PLC编程器。4.在软件设计部分设计了组态监控画面、PLC立体车库控制梯形图。在做这个设计中，我学到了很多实践操作知识，也使我的专业理论知识更加扎实，软件操作更加熟练了。做完这个设计后，也感觉到自己对立体车库涉及的一些领域相当的贫乏，由于受限于自己当前的能力水平与知识量，论文中立体停车库所涉及的许多内容都没能够深入的阐述分析，仅仅在自己能力有限范围内对立体停车库进行探究，导致文章中很多方面缺乏深度和广度，很多内容方面还需要今后继续进一步完善。我将仅以本论文为今后研究的开端，日后将结合工作进一步的深入研究。当然论文当中有一些疏漏和片面之处，恳请各位专家老师批评和指正，便于今后更进一步的研究分析。参考文