基于PLC的立体车库设计自动化学位论文doc.docx
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年月日
论文题目:
基于PLC的立体车库设计
专业:
自动化1203班
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指导老师:
xx(签名):
摘要
立体车库是专门实现各种车辆的自动停放及科学寄存的仓储设施。
随着城市汽车保有量的不断增加,停车难问题己经成为大中型城市的一个普遍现象。
机械式立体车库可充分利用上地资源,发挥空间优势,最大限度地停放车辆,成为解决城市静态交通问题的重要途径。
本文介绍了升降横移式立体停车库的工作原理,确定了以PLC为主控单元的控制方案,并对控制系统的输入,输出进行了详细分析,完成了控制系统的输入,输出分配和PLC选型,设计了控制系统的程序流程图,完成立体停车库控制系统设计。
关键词:
立体车库,PLC,升降横移式
Title:
TheCubicGarageDesignBasedOnPLC
Major:
Automation
Name:
xxxxxxxxxxxxx (Signature):
Supervisor:
xxxxxxx (Signature):
ABSTRACT
Stereogarageisthestoragewhichisusedautomaticparkingandscientificstorageofkindsofautomobile.Asthequantityofurbanautomobilehasincreasedcontinuouslyinnowadays.Thehard-to-ParkProblemhasbecomeacommonphenomenon.MechanicalstereogaragecanuseLandersourcesufficientlyandbringspaceadvantageintoplay,andmaximizethenumberofparkingcars.Ithasbecomeanimportantwayforstatictrafficproblemofcities.
The principle of the up-down and translation cubic garage is introduced. Thecontrol project that PLC is used as the main control unit is designed. By analyzinginputs and outputs of the control system, the inputs and outputs distribution of thecontrol system is finished and the type of PLC is selected. Moreover ,the program flow chart of the control system is designed and the control system of cubic garage isimplemented.
KEYWORDS:
stereogarage,plc,up-down and translation
第1章绪论
1.1立体车库概述
1.1.1立体车库的发展
无处停放车辆的问题是一个城市的社会、经济、交通发展到一定程度所产生的结果,立体停车设备的发展,在国外,尤其在日本已有近30~40年的历史。
无论在技术上还是在经验上都已获得了一定的成功。
我国也从90年代初开始研究开发机械立体停车设备,距今已有快二十年的历程。
由于目前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,机械式立体停车设备以其平均单车占地面积小的独特特性,已被广大用户接受。
1.1.2立体车库的分类
如今市面上常见的机械式立体停车库有:
(1)升降横移类
整机特点:
有效的利用空间,提高空间的利用率达数倍。
存取车相对快捷便利,独特的跨梁设计,车辆出入无障碍。
采用PLC控制,自动化程度高。
环保节能,低噪音。
人机界面完善,有多种操作方式可选配,操作简便快捷。
(2)垂直循环式
整机特点:
省地:
在58㎡的地方所建起大型垂直循环类机械停车库,可容纳34辆轿车或着24辆面包车。
方便:
使用PLC控制自动调车,一次按键即可完成存取车。
迅速:
调车时间短,取车快速。
灵活:
可设置在地面上或着半地上半地下,可独立或附设在建筑物内,还可多台组合。
经济:
省去购置土地的大量费用,有利于合理规划和优化设计。
省电:
不需要强制通风,无大面积照明,耗电量仅为普通地下车库的35%。
(3)简易升降式
整机特点:
一个车位泊两台车。
(最适宜多车型家庭用)
构造简单实用,无需特殊地面基础要求。
适合装置于工厂、别墅、住宅停车场。
可任意迁移,搬迁安装容易或根据地面情况,独立及多台设备。
备有专用锁匙开关,防止外人开动设备。
车板防下滑保险装置。
(4)垂直升降式
整机特点:
占地少,容车量大,高层设计最高能够达到平均一辆车仅占一平方米的空间。
可同时提供多车位进出口,等待时间短。
智能化程度高,可预约存取车及空车位导向。
绿色环保车库,利用车库外形的空隙空间可以进行绿化,使车库变成一个立体的绿化体,有利于美化城市和环境。
智能化控制,操作简单方便。
(5)平面横移式车库
整机特点:
每层的车台和升降机分别动作,提高了车辆的出入库速度,可自由利用地下空间,停车规模可达到数千台。
部分区域发生故障时,不影响其他区域的正常运行,因此使用更加方便;采用以车辆驾驶员为中心的设计方法,提高了舒适性。
采取多重保险措施,安全性能卓越;通过计算机和触屏界面进行综合管理,可全面监视设备的运行状况,并且操作简单。
(6)巷道堆垛式
整机特点:
可设置于地上或地下,充分利用有效空间。
载车板的升降和行走同时运行,存取车方便快捷。
全封闭式管理,安全可靠,保障人、车安全。
通过升降机、行走台车及横移装置输送载车板实现存取车操作,整个过程全自动完成。
固定式升降机+各层行走台车的配置形式,可实现多个人同时存取车。
(7)多层循环式
整机特点:
可设置于地上或地下,或一半地下、一半地上,充分利用有效空间。
此设备的出入口可以设在底部、中部或上部。
全封闭式管理,安全可靠,保障人、车安全。
通过升降机、行走台车及循环装置输送载车板实现存取车操作,整个过程全自动完成。
(8)水平循环式
整机特点:
一般用于大厦地下设置,式最节省空间的一种设计,车位占满地下空间,采用封闭式结构,通过机械作上下左右自由移动,再由升降机的提升进出库,无需另设走道,地下空间提车利用率可达85%。
1.2立体车库国内外研究现状及发展趋势
无处停放车辆的问题是一个城市的社会、经济、交通发展到一定程度产生的结果。
早在50多年以前,立体停车在国外有所发展,先后出现了针对家庭使用的双层停车设备;利用住宅的空地建起的2-4层升降横移停车设备;适合于城市中心商住区使用的停车楼和停车塔;利用广场、建筑物下面的空间建设地下车库。
自70年代末起,世界经济飞速发展,汽车逐渐普及,保有量不断增加,使得地少人多、车多的国家、地区和一些发达国家积极开展了立体停车技术的研究开发和制造应用。
以日本、美国、德国等为代表的发达国家在停车技术领域的研究处于世界领先水平,无论在技术上还是在经验上均已获得了成功。
韩国和我国的港、澳、台地区的停车业也通过引进移植制造,得到了蓬勃发展,较好地解决了本地区的停车难,并开始向外输出技术和出口产品。
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,在北京、上海、广州、深圳等地都有使用。
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,立体机械停车设备以其平均单车占地面积小的独特特性,已被广大用户接受。
参照日本等国标准制定的我国行业标准也于近几年出台,目前停车设备生产厂已发展到几百家,生产各种类型的停车设备,有些停车设备已开始出口。
立体车库停车设备行业在我国是近十几年来发展起来的新兴行业。
随着我国人民生活的不断提高和汽车工业的高速发展,机械式停车设备以其独有的优越性,最近几年得到了广泛的应用。
2008年国内进行安装的机械式停车库达到687个,比2007年的652个增加了35个,增长了5.37%。
2008年在中国整体外贸出口增速大幅下滑的情况下,立体停车设备出口额增长仍达到了68.1%的增速。
因此立体车库未来市场是巨大的,但对产品的需求,将会向两个极端发展:
一个极端就是价格的极端,市场大量需要低价格的机械停车设备,它只要能够达到增加停车位的目的,能够保证最基本的使用性能,以价格优势占领市场,这一部分的市场份额预计将达到70%-80%;另一个极端就是技术与性能的极端,要求停车设备具有优越的使用性能、方便的操作方式、快捷的存取速度。
通过国内外机械停车设备使用经验的总结,可以发现人们在利用机械停车设备存取车时,首先追求的是存取车速度、等待时间以及方便程度。
此外,未来的机械停车设备市场,将更加注重完善的售后服务系统,远程监控系统、远程故障导处理系统将是用户追求的目标。
随着我国经济持续快速的发展,城市规划的完善,机械停车设备行业将成为一个充满生机的朝阳行业,机械停车设备的技术也将得到长足的发展。
目前市面上常见的机械式立体停车库有:
升降横移类、简易升降类、垂直循环类、水平循环类、多层循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类等8种。
从我国机械式车库实际安装情况看,由于升降横移类具有类型多、规模可大可小、场地适应性强、价格便宜等特点,决定了升降横移类应用最为广泛,数量占绝大多数,今后相当一段时间内仍将是升降横移类的天下。
1.3选题的研究意义
随着社会的发展,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。
从2000—2013这些年间,我国汽车销量由208万辆增值2198万辆,更是在2009—2013年实现了连续五年全球销量第一的惊人数据。
在如此汽车销量高速增长的同时,也伴随着许多问题和矛盾,其中最为突出的便是停车问题。
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。
“十五”期间,国家鼓励轿车进入家庭,随着城市居民汽车普及率的大幅提高,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,许多大城市为了解决这个问题,都提出了住宅小区停车位的供应以配建为主,并都制定了新的建筑物配建停车设施标准。
但我国大城市普通住宅区以及老城区以前建立的住宅区大部分都没有建停车场(库),也不会有太大的地方和空间来建大型停车场,也就无法满足住宅小区内广大居民的停车需求。
为此停车问题也就逐渐成为大城市的一个大难题。
城市中有限的地面面积已经无法提供足够的停车车位,于是向空间发展成为解决当前问题的一条重要途径。
立体停车库就是在这种背景下发展起来的。
研究立体停车库网络智能管理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。
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,机械车库从管理上可以做到彻底的人车分流。
在地下立体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。
机械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机械停车楼。
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。
第2章系统的硬件设计
2.1整体设计方案
系统的总体方案是系统实现的基础,本次毕业设计主要研究基于PLC的立体车库的设计,采用西门子S7-200系列PLC中的226CN为主芯片。
由于所需IO口过多,故我在PLC与电机之间加上51单片机最小系统来满足使用。
使用L298N驱动板来驱动42步进电机。
用激光头和光敏电阻传感器模块来组成车位检测系统。
用winccflexible来编写上位机控制模块。
经过调试可实现车位移动、车位检测、急停等功能。
2.2系统框图
基于PLC的立体车库主要由主芯片S7-226N、步进电机、步进电机驱动、51单片机最小系统、winccflexible上位机等模块组成。
用单片机来编写电机的驱动程序,用PLC的OUT端连接单片机来控制单片机的高低电平的转换来控制电机的启停与正反转。
用PLC的IN端来连接光敏电阻传感器来,通过光敏电阻传感器的高低电平转换来检测车位是否有车。
用PC/PPI来实现PLC和winccflexible的连接。
系统原理框图如图2.1所示。
图2.1系统的原理框图
2.3各模块的介绍
2.3.1西门子S7-200226CN
S7-200是一种小型的可编程序控制器,适用于各行各业,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。
CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统,具有更多的输入/输出点,更强的模块扩展能力,更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
如图2.2所示。
图2.2西门子S7-200226CN
2.3.251单片机最小系统
单片机全称单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer),简称SCM,又称微控制器或嵌入式控制器,把一个计算机系统集成到一个芯片上,体积小、质量轻、价格便宜。
单片机内部也有和电脑功能类似的模块,比如CPU,内存,并行总线,还有和硬盘作用相同的存储器件。
单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的,除了单片机之外,还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。
单片机最小系统电路。
1)时钟电路
单片机工作时,从取指令到译码再进行微操作,必须在时钟信号控制下才能有序地进行,时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。
单片机的时钟信号通常有两种产生方式:
内部时钟方式和外部时钟方式。
在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容,可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。
晶振的取值范围一般为0~24MHz,常用的晶振频率有6MHz、12MHz、11.0592MHz、24MHz等。
一些新型的单片机还可以选择更高的频率。
外接电容的作用是对振荡器进行频率微调,使振荡信号频率与晶振频率一致,同时起到稳定频率的作用,一般选用20~30pF的瓷片电容。
外部时钟方式则是在单片机XTAL1引脚上外接一个稳定的时钟信号源,它一般适用于多片单片机同时工作的情况,使用同一时钟信号可以保证单片机的工作同步。
时序是单片机在执行指令时CPU发出的控制信号在时间上的先后顺序。
AT89C51单片机的时序概念有4个,可用定时单位来说明,包括振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期。
振荡周期:
是片内振荡电路或片外为单片机提供的脉冲信号的周期。
时序中1个振荡周期定义为1个节拍,用P表示。
时钟周期:
振荡脉冲送入内部时钟电路,由时钟电路对其二分频后输出的时钟脉冲周期称为时钟周期。
时钟周期为振荡周期的2倍。
时序中1个时钟周期定义为1个状态,用S表示。
每个状态包括2个节拍,用P1、P2表示。
机器周期:
机器周期是单片机完成一个基本操作所需要的时间。
一条指令的执行需要一个或几个机器周期。
一个机器周期固定的由6个状态S1~S6组成。
指令周期:
执行一条指令所需要的时间称为指令周期。
一般用指令执行所需机器周期数表示。
AT89C51单片机多数指令的执行需要1个或2个机器周期,只有乘除两条指令的执行需要4个机器周期。
了解了以上几个时序的概念后,我们就可以很快的计算出执行一条指令所需要的时间。
例如:
若单片机使用12MHz的晶振频率,则振荡周期=1/(12MHz)=1/12us,时钟周期=1/6us,机器周期=1us,执行一条单周期指令只需要1us,执行一条双周期指令则需要2us。
2)复位电路
无论是在单片机刚开始接上电源时,还是运行过程中发生故障都需要复位。
复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值,并从这个状态开始工作。
单片机的复位条件:
必须使其RST引脚上持续出现两个(或以上)机器周期的高电平。
单片机的复位形式:
上电复位、按键复位。
引脚图如图2.3所示。
图2.351单片机最小系统
2.3.3电源模块
使用24V直流电源给PLC供电。
同时用直流降压文雅模块LM2596S将24V电源降压至5V给单片机、光敏电阻传感器、步进电机驱动以及激光头供电。
24V直流电源如图2.4所示,LM2596S如图2.5所示。
表2.1LM2596S参数
模块性质
非降压隔离(BUCK)
整流方式
非同步整流
输入电压
3.2V-35V
输出电压
2.45V-30V
输出电流
3A(最大)
转换效率
92%(最大)
开关频率
150KHz
输出纹波
30mV(最大)
负载调整率
±0.5%
电压调整率
±2.5%
工作温度
-40°C到+85°C
图2.424V直流电源
图2.5LM2596S
2.3.4电机以及驱动模块
此部分为本次设计的传动部分。
以42步进电机,丝杆及滑块组成了传动装置如图2.6所示。
表2.2步进电机参数
电机类型
两相四线
驱动电压
4-9V/100-500mA
丝杆长度
90mm
滑块行程
80mm
电极直径
15mm
丝杆直径
3mm
丝杆螺距
0.5mm
步距角
18°
图2.651步进电机传动装置
电机驱动部分我选择L298N驱动模块。
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15脚封装。
主要特点是:
工作电压高,最高工作电压可达46V;输出电流大,瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A;额定功率25W。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载;采用标准逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机,该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机,也可以驱动两台直流电机。
如图2.7所示。
图2.7L298N模块
2.3.5车位检测模块
此部分主要由光敏电阻传感器和激光头组成,用来检测车位上是否有车辆停放。
光敏电阻传感器
模块特色:
1、采用灵敏型光敏电阻传感器
2、比较器输出,信号干净,波形好,驱动能力强,超过15mA。
3、配可调电位器可调节检测光线亮度
4、工作电压3.3V-5V
5、输出形式:
数字开关量输出(0和1)
模块使用说明
1、光敏电阻模块对环境光线最敏感,一般用来检测周围环境的光线的亮度,触发PLC或继电器模块等;
2、模块在环境光线亮度达不到设定阈值时,DO端输出高电平,当外
界环境光线亮度超过设定阈值时,DO端输出低电平;
3、DO输出端可以与PLC直接相连,通过PLC来检测高低电平,由此来检测环境的光线亮度改变。
实物如图2.8所示,接线图如图2.9所示。
图2.8光敏电阻传感器实物图
图2.9光敏电阻传感器接线图
2.3.6smart700
西门子触摸屏SMARTLINE系列为用户提供了触摸屏的基本功能,它经济性好,功能完善,可以与多种类型的西门子PLC进行通讯,在自动化控制系统中有着广泛的应用,为用户提供了人机交互友好的操作方法。
西门子触摸屏SMARTLINE系列是一个人机交互平台,它可以同西门子PLC之间进行通讯,并且为用户提供一个友好的界面,便于用户对控制系统中的设备运行情况进行监控。
它的硬件特点如下:
1.高分辨率宽屏显示西门子触摸屏SMARTLINE系列采用高分辨率64K真彩色,画面更清晰,画质更好;800*480的宽屏显示设计和传统屏幕相比具有更大的可视面积,使得整个画面中可以显示更多的信息,也可以使用户感觉更舒适。
2.LED背光西门子触摸屏SMARTLINE系列采用LED背光,可以降低设备能耗,结合屏保功能可以延长操作屏的使用寿命;通过控制面板,可以实现西门子触摸屏的组态功能。
3.通讯功能强大西门子触摸屏SMARTLINE系列集成有以太网口,可以和西门子PLCS7-200系列,西门子PLCS7-200smart系列以及西门子LOGO!
之间建立通讯连接;除此之外,它还可以通过串口与西门子PLCS7-200和西门子PLCS7-200smart进行通讯。
4.处理器性能高西门子触摸屏SMARTLINE系列采用高端的ARM处理器,主频高,使得数据处理速度快,画面显示流畅,增强的内存使得画面的切换速度更快;西门子触摸屏SMARTLINE系列具有多种优点,为用户在现场的调试提供了方便。
它的硬件部分具有强大的功能,为用户提供了多种功能,使得用户可以充分利用这些控制功能完成对自动化控制系统的掌控。
图2.10smart700触控屏
第3章软件系统设计
本章主要介绍了本设计的软件设计部分,包括PLC程序的编写,单片机程序的编写以及上位机WIN
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