升降横移式立体车库电控系统设计

学号：[1**********]

毕业论文

题目：

作 者： 界 别：

院 别： 专 业：指导老师： 职 称：完成时间：

摘 要

随着中国经济的快速发展，城市人口越来越多，特别是十一届三中全会以来，中国进入了汽车越来越多的时代。往常那种单层平面停车场也越来越不适合现在市场的需求。因此，对多停车位、占空间少、使用简易方便、安全可靠的“立体车库”的建设，是现在解决大城市停车难有效的办法。

“立体车库”是一种以一层停车场为核心、多平面的空间停车车库，通过单片机控制车位位置的变化，使得车位可由空间转化到平面，并实现多重单层停车的要求。升降横移式立体车库利用底盘位移实现垂直升降，完成车辆立体式存取。

本文主要对升降横移式立体车库运行原理的研究，探讨了运用PLC 实现车库控制。具有很重要的时间价值。

关键词：立体车库；控制系统；PLC

Abstract

With the rapid development of Chinese economy, more and more urban population, especially since the Third Plenary Session, China has entered the era of more and more cars. Always getting the kind of single-plane parking not suitable for the present needs of the market. Therefore, more parking spaces, occupy less space, using simple and convenient, safe and reliable, "parking garage" of the building, is now difficult to solve the big city parking and effective way.

"Parking garage" is a parking lot with a layer of the core, multi-planar space parking garage parking position changes through the MCU control, so that parking space can be transformed into a plane, and achieve multiple single parking requirements. Lifting and transferring garage use chassis to achieve vertical displacement movements, complete three-dimensional vehicle access.

This paper focuses on lifting and transferring parking operation principle of the study to examine the use of PLC control garage. It has a very important time value.

Keywords: Stereo garage; Control system; PLC

目 录

摘 要 ................................................................... 2

Abstract .................................................................. 3

第一章 绪论 .............................................................. 6

1.1研究背景及意义 . .............................................................................................................................. 6

1.2 机械式立体车库研究与应用现状 .................................................................................................. 7

1.2.1机械式立体车库国内研究与应用现状 ................................................................................ 7

1.2.2机械式立体车库国外研究与应用现状 ................................................................................ 8

1.3论文研究的主要内容与结构 ........................................................................................................... 9

1.3.1论文研究的目的与内容 ........................................................................................................ 9

1.3.2论文的主体框架 .................................................................................................................. 10

第二章 升降横移式立体车库的结构与控制系统研究 ........................... 10

2.1机械式立体车库的概述 ................................................................................................................. 11

2.1.1机械式立体车库的定义 ...................................................................................................... 11

2.1.2机械式立体车库的类型与特点 .......................................................................................... 11

2.2机械式立体车库的确定 ................................................................................................................. 11

2.3立体车库控制及管理系统总体设计 ............................................................................................. 12

2.3.1立体车库控制管理功能概述 .............................................................................................. 12

2.3.2立体车库存取车工作流程分析 .......................................................................................... 12

2.3.3立体车库系统▹案总体设计ȉ错误！未指定书签。ȕ

2.4立体车库系统的关键支持技术 ..................................................................... 错误！未指定书签。

r.4.1非接触式IC 卡 . ..................................................................................................................... 16

2&ဴ.2现场总线 ........................................................................................... 错误！未定义书签。

2.4.3PROFIBUS 总线17ဍ笮三章 立体车库控制系统的设计

........................................................ 错误！未定义书签。 笮三章 立体车库控制系统的设计 ........................... 错误！未定义书签。

3.1立体轧库控制器的选取与概迲 ................ “耠PAGE ɒeF _Tocȴ19290993 \h 错误！未定义书签。

3.1.1立体车库控制器的选取 ...................................................................................................... 18

3.1.2 PLC 概述 . ............................................................................................................................. 18

3.2可编程控制器PLC . ......................................................................................................................... 21

3.2.1 PLC 组成及原理应用 . ......................................................................................................... 21

3.2.2 PLC 选择以及I/O分配 . ...................................................................................................... 22

3.2.3 PLC 控制程序设计 .............................................................................................................. 24

3.2.4PLC 控制算法的实现 ............................................................................................................ 26

3.3组态软件的应用实现 . .................................................................................................................... 28

总结 .................................................................... 30

参考文献 ................................................................ 31

致谢 .................................................................... 33

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

随着国民经济的发展及其综合实力的提升，人们的生活质量越来越高。私人交通运输工具也在逐渐改变，从最开始的自行车演变为摩托车，到现在的小汽车。根据国家统计数据显示，我国机动车保有量逐年增加，就2013年汽车销量来看，增长幅度比去年同期显著提高，1-9月份我国汽车总销售量是1588.31万辆，相比增加了12.70%。随着未来的发展，人们对私家车的需求不断提升，我国私家车的拥有量还会不断地增加。

图1.1南京停车现状

然而，私家车数量的增加不仅给我们带来便利，还带了很多负面的影响。如图1.1所示，目前南京停车的几种现状:首先，车位量远满足不了存车的需要。2014年西安市机动车保有量己经达到180万辆，根据国家停车的要求，每100辆机动车需要建立45个泊车位，那180万辆机动车应该需求81万个车位，但是现在西安总的泊车位仅有26-27万个左右，缺口多达51万个左右。西安地区去年新增加十八万辆机动车，今年以来增长速度更是每天一千辆，这无疑更加增加了现在的停车压力。在未来几年内，西安机动车的数目

将在此基础上再增一百余万辆。到那个时候，南京的停车难现象将会变的更加严重。其次，车位紧张导致停车混乱、交通及安全通道堵塞。我们可以发现因车位的短缺，不仅使住宅区内车满为患，而且小区内与道路两边都成了一个“临时停车场”。最后，车位价格过高，导致很多人买的起车而买不起车位。由于很多车位的价格都是由开发商规定的，会根据车位销量和社会需求量的变化而变化，导致价格浮动很大。并且我国还没有成立该相关的部门，也没有出台相关的法律条文进行约束，导致这种现象的发生。

由此可见，未来我国汽车保有量将保持较高增速，汽车总量会变得更加庞大。大批量的汽车走进居民家庭，大部分汽车集中在大城市，造成了停车难、交通堵塞等现象，这种现象一直困扰城市的交通。为了缓解城市停车难问题，一些城市甚至开始考虑用限车行驶的方法，但是这种方法并不能从根本上解决这个问题。由于我国汽车总量任然在快速提升济开发区、城市交通的难题仍将加剧，解决停车难问题己经非常紧迫。特别是一些经商业贸易区，人们很难去寻觅一个车位。满足不了人们的需求，更不能适应现代化城市的发展当今社会停车位及车库的发展己经尤其是土地价格昂贵的大城市里。那么如何改变这种形势、设计出更加合理的车库，己经成为政府部门、房地产开发商等社会各界人士关注的焦点。

在这种形势下，立体车库慢慢走近人们的眼帘。与一般停车场相比，立体车库有着自动化程度较高、车位多、占地面积较小等特点，能及时解决停车难的问题。目前，机械式停车设备在我们国家才刚刚开始发展，还有存在着不足。因此，本文针对这些现有立体车库的不足之处，加以改进，提出一套基于PLC 控制的车库控制系统方案，研究车库的最可行的存取策略，并进行车库实时存取的监控与数据信息的采集，旨在提高整个车库的自动化控制程度、减少车辆存取的时间。

1.2 机械式立体车库研究与应用现状

1.2.1机械式立体车库国内研究与应用现状

随着国民经济的发展，我国的立体车库己经经历了三个阶段。第一个阶段是20世纪80年代开始，主要是进行了市场需求的考察，一些小作坊式的工厂开始了对停车设备及技术的引进与模仿阶段; 第二个阶段是20世纪90年代我国沿海城市的快速发展，国外很多车库设备公司开始对我国进行投资建厂，同时与我国很多大公司进行合资，利用新技术发展立体车库行业，扩大了车库设备发展阶段; 第三个阶段是进入21世纪后企业之间

竞争增强，开始进行自主的研发创新阶段。根据国内实际情况，对车库进行改造与创新，同时国家相关部门和企业制定了立体车库设备的相关规则来完善了一些体制。虽然我国立体车库的整体实力不断提升，但是与欧美、日本相比还是有很大的差距，我国在自主研发、生产技术以及控制车库成本等方面还需要进一步的完善。

我国的大多数车库设备是引进国外的技术进行制造，技术水平比较低而且没有一个统一的标准，市场上缺乏一些有规模的企业，生产的能力不够且缺少创新。这些问题限制我国停轮设备的发展。怎样能滴好的解决这些问题ｌ需要我国政府部门与企业对市场、抈术等做出改进，同时要建立宍善的市场监管佑制及斿策法规，给予投资经营商更多的优惠政策，使其有利可图嬞现投资的多元化，这样才胼逐步解决“路满库空〝的现象。

如图所示我国建成的一种立体停车场，这类停轤场和住宅小匚融为一体，占地面积只需近居氙储存车辆的渀大难题。该立体큜车场能容纳六百多辆汽车 且300厅あ该车嚓的建立有效皤弓解了附近居民䭘车辆的一大问题。 Р

•

随着车嚓的发展，我国对立体车库也做了一定的研婶。200Ȱ年肖海荣等对立体车库的泊位检测系绞应用超声检测原理更好的解决了车库停车检测问颈。2001年潘耀芳对自动嬖立体车库车位排列与成本造价进行了分析、建模，为以后车库排列的量化分➐提侚了依据基于PLC 控制系绛对立体车库分析与研究ｌ应用崀发了一套皑控软件提高了监控系统的性价比等具体的嫹升降横移式立体轆库控娶系统对PC 上位机的应用进行了阐述，建立了PC 与PLC 的通讯与网络化管理模弟采用꽽荷䣞采失效模帏识别的理论对立体车库结构进行分析提出失效概率的计算方式，得出运用诵技术可以再次的收集、利用系绿的制动动力势能上重力势能而节约能源。2006年孟建军、杨泽青等通过蚁群算法对大型自动化立体车库进行作业路径优化，缩短了出入库作业时间系统在自动化立体车库中的应用，从而实现立体车库分配、调度进行优化，最后提出了一种双环拱型分体轿箱垂直旋转式立体出库。

1.2.2机械式立体车库国外研究与应用现状

立体车库在欧美国家的发展己经有七、八十年的历史了，那么他们的机械式立体车库的种类齐全而且规则完善，使用者可根据自身需求去选择合适的型号，同时他们也有完善的监管体制。1932年，美国的公司建造了一种简易式升降立体车库，是世界第一台

立体车库，但是需要工作人员完成全部的停车过程，操作复杂，因此限制了当时立体车库的发展。立体车库真正发展开始于第二次世界大战以后，50年代开始，美国出现了一种采用堆垛桥式起重机起重的机械式立体车库。1963年，美国又首先将计算机控制技术运用在高架仓库中，建造了世界第一个计算机控制的立体车库。这种自动化立体车库具有更换配件方便、操作简单，同时降低生产成本、节约土地资源。因此，美洲和欧洲等国很快发展起来。1968年6月，英国在伦敦建立了第一座大型立体车库能够容纳300辆直到今天这个车库还在运行。由于欧美国家的人均占地面积比较多，停车问题不是很明显，故立体车库多采用多层升降横移式、巷道堆垛式等形式。

亚洲的发展相对欧美比较晚，主要开始于日本。日本的机械停车设备始于20世纪60年代，主要从事停车设备的生产、研发、销售以及服务。日本受其土地面积的影响，那么立体停车设备的应用范围相当的大。自1959年引进了机械式立体停车库技术之后，到1983年就己经建成了2.5万座多种形式的机械式停车设备，其中容量较大的车库能实现百辆以上存车。即日本之后，机械式停车设备技术在韩国和台湾也迅速发展，它们是日本技术的基础上派生而来的。

1.3论文研究的主要内容与结构

1.3.1论文研究的目的与内容

1. 研究目的

通过对我国汽车市场的研究与分析，我国车库数量远远满足不了停车的需求，而且我国的立体车库相对于国外起步比较晚且存在着很多缺点，例如:存取时间过长、占地面积太大、使用不便、价格昂贵且性能不稳定等。为了改善停车环境以及停车的设备，立体车库的研究将是一门新的研究领域。在深入分析国内外的立体车库发展与现状，结合我国国情，提出了基于PLC 的升降横移式立体车库控制系统设计，并设计出一套最优存取车控制方案，提高立体车库自动化程度、节省存取时间、解决停车难问题。

2. 研究内容

本课题主要针对南京某小区地下车库进行了相应控制系统的设计与研究。通过对机械式立体车库类型与特点的分析，进一步确定该车库的指标，着重阐述了该车库结构和工作原理。确定车库控制系统的主体架构，从控制系统动力电路、控制系统PLC I/O端口的分配、控制系统PLC 接线以及控制系统的编程等四个主要方面进行设计，并且依据

就近停车与最优路径停车的原则选择最优停车位; 通过对立体车库立体车库以及排队模型的研究，对其进行仿真，再由仿真结果的对比分析，提出一套可行的存取策略。最后，采用MCGS 软件实现PLC 与上位机的连接，对整个车库进行控制，实现对整体车库的监控及停车信息的采集。

1.3.2论文的主体框架

根据研究的内容，本论文共分为五章，具体的安排如下:

第一章“绪论”主要介绍了本文的选题背景与意义、立体车库国内外的研究与现状，阐述了本课题研究的主要内容及框架。

第二章“升降横移式立体车库的结构与控制系统研究”，阐述了该车库整体结构、工作原理及车库控制系统的架构，对电机控制系统进行了详细的分析和动力电路的设计。

第三章 车库控制管理系统硬件设计，本章列举了系统所需的主要硬件，包括控制车库运行本身所需的硬件以及管理车辆出入所需硬件。着重分析了以西门子S7-200系列CPU226为核心的控制器的工I/O分配和车位调度规则，并且编写了车位调度程序。立体车库监控管理系统的实现，本章首先给出了软件功能模块的设计，之后对关键模块进行了详细的分析和设计，介绍了基于组态王的车库监控子系统设计方法，给出了基于邻域的择优搜索策略。

第二章 升降横移式立体车库的结构与控制系统研究

2.1机械式立体车库的概述

2.1.1机械式立体车库的定义

机械式立体车库是停车设备的一种，是用来存取汽车的机械设备或者停车设备系统，是一种集合电、液、机一体化的停车设备。

2.1.2机械式立体车库的类型与特点

机械式立体车库的类别根据不同形式分为不同的种类，根据停车设备的行业标准，按照立体车库的工作原理分为三种代号。JB/T 8713-1998机械式具体的类别名称、类别代号及示意图如下所示。

升降横移：该设备种类比较多，对于施工的场地没有限制要求比较低，车库的规模没有限制，并且根据具体的环境进行任意组合排列达到充分利用空间的目的，且车库设备安全可靠，存取车辆方便快捷，车库的后期维护容易，车库整体成本较低。

垂直循环：通过搬运器在立体车库的垂直面上来回做往返运动实现存取车辆，这种立体车库对土地使用面积较少，建设的层数较多，但是其成本较高、结构复杂而且稳定性不好。在我国发展还处于一个初级的水平，所占市场比较少，但发展前景好。

多层循环：通过载车板上下往返操作来存取车辆的，且该车库没有设置坡道，故占地面积少，存取车比较方便，较适合建在地方细长的位置处且要求只有一个进出口的地方。

2.2机械式立体车库的确定

通过分析机械式立体车库中各种车库类型的特点及我国的停车现状，并结合该车库所处的实际位置(居民区地下车库) ，同时从节约车位成本以及维修的费用出发，我们确定了升降横移机械式立体车库。

依据JB/T 8910-1999《升降横移类机械式停车设备》可知，一般车位按照其布置又可分为三种形式:重列式、半地下式以及全地上式。结合该车库所处的位置为了更大的利用空间，节约开发商的成本，决定选用正二负一式的三层结构(半地下式) ，且考虑到充分利用有效空间，在此基础上采用前、后两排布置方式，从而省去了一个车道，增加了存车量。同时我们对整个地下车库分成几个小的单元，每一个单元是一个模块，不同的模块互不干扰，这样控制与维修方便也节省存取时间。下面我们仅对有十二个车位的

三层升降横移机械式立体车库进行分析与研究。

2.3立体车库控制及管理系统总体设计

2.3.1立体车库控制管理功能概述

立体车库控制系统是相对独立的。是指立体车库控制系统能控制汽车的进出，满足用户的各种需求。所以，对车库进行分析，需要从如下几个方面来考虑:车库管理员以和用户。车库管理员希望车库有保证用户停车、计费等功能; 停车户方面考虑，车库需要有确保车辆安全、存取简单等。

立体车库控制管理系统需要实现以下几个功能:

① 指示盘可完成操作人员的各种命令，车库管理员可直接在计算机上操控，拥

有优先的调度权力;

② 监控车库的运行情况，展示车库车位的信息;

③ 故障的诊断以及处理，按期检查每个设备能否正常的运行，包含现场装置和

信号的判断，底盘在运行中的问题或非正常运动等。

综上所述，车库控制系统所要完成的重要功能，其中车辆是否安全、存取是否方便是立体车库控制系统的最为重要的标准。为保证存取车辆的安全性，采取了基于组态的车位状态监控系统; 为提高存取汽车的效率，采取了基于邻居的选优搜索的车位算法。

2.3.2立体车库存取车工作流程分析

用户驾驶汽车驶入停车场，放置在车道下的汽车感应线圈检测车辆，向单片机发送信号。单片机控制语音提示设备，引导用户在全自动发卡机上领取一张临时IC 卡。如果用户没能及时取走卡片，全自动发卡机则会回收卡片，再重新发卡。在整个过程中，摄像系统拍取汽车的相关信息，并将IC 卡号和车辆信息、停车车位号、入场时间一一对应，显示屏上呈现出停车车位号，正好行成“一车一卡一位”的管理方案。单片机确认用户拿走卡片，单片机控制举起电动杆，放汽车进入车库。电动杆在检测到不通的信号变化后，然后放下。电脑接收到自动杆从举起到落下的信号后，会记下之前得到的汽车信息等。并将立体停车场剩余车位数减1，同时发送指令给相应单元车库的调去相应车位的底盘到第一层，如果在第一层就不用运行，等待汽车入库，驾驶员根据指示驾车到指定地 停车，停放安全之后按确认键，让底盘回到原位置以便完成整个停车过程。

车辆入库存车流程图

驾驶员取车时，通知车库管理员车位号。车库管理员则使用电脑向PLC 发送指令调动该车位，也可以让驾驶员在立体车库操作板操作按钮。驾驶员开走汽车后，再次使用

操作板上的确认键或告知车库管理员向电脑发送指令让PLC 控制器执行程序，控制底盘回到原位置。驾驶员开车驶入出口处，电脑通过汽车检测设备检测到车辆，开启摄像系统，拍下汽车的照片，辨识出汽车的牌号等信息。驾驶员将驶进停车场时领取的IC 卡还给车库管理员，车库管理员将卡片放入读卡机，识别卡号。电脑将在数据库中搜索该卡号，显示进场时间、车牌号码等和这辆汽车有关联的各种信息，再把汽车有关系的信息和车牌辨识系统对比得到数据。如果达不到通行条件就不允许出去，并提示出错的信息。如果达到放行的条件，电脑会按照汽车停留在车库的时间，计算出驾驶员应该交的费用。驾驶员上交停车费，车库管理员确认交易成功。车库出口控制电动杆举起放出，驾驶员开车驶离。电动杆在检测到信号的变化，会自动落下。电脑在接受到电动杆落下的信号后，确保这次车辆离开车库。再把车库剩余空车位数加1。

取车车辆出库流程图

2.3.3立体车库系统方案总体设计

通过对立体车库功能和停车取车过程的研究，这个策略在综合自动化和经济节约原

则，主要考虑安全性并制定出立体车库电控系统的设计方案。立体车库电控系统包含了监控调度系统等通过中央电脑、进出口检查设备、PLC 设备等各个部分构成。中央电脑是系统的核心，主要功能是确保系统管理是否正常等。

按照功能不同研究，我们把车库的电控系统分成两块。首先是以设备为关键，对搜集到的数据进行处理，而且控制立体车库的正常运作，其关键是要对汽车进出等等信息进行管理; 其次是由PLC 控制系统等设备构成的监控系统，主要功能是完成汽车停和取出等等操作。这两块系统在职责上是上下级的关系，前者控制后者，我们所研究的立体车库是3*4型，由独立主站监管系统控制。独立主站监控系统可以应付丰富的指令并做出相应的响应，也会大大拔高系统的时效性。因此立体车库中心电脑和目前所有PLC 间采用总线连接。PLC 是每个单一车库的控制设备和第一层设备相连接，大幅度减少了成本。

控制系统硬件简图

2.4立体车库系统的关键支持技术

2.4.1非接触式IC 卡

智能卡（IC 卡）是内嵌集成芯片电路的卡片，它的外形是塑料弄成卡片的样子。IC 卡是具备存贮能力，并可以被读取和运算处理的智能卡片。IC 卡分为三种：存储器卡、逻辑加密卡还有CPU 卡。因为IC 卡独特的优越性，所以它极快的被引进到各种智能系统。额外的设备读写能力强是IC 卡最特别的优势。独特的安全防范机制则是IC 卡的另外一个特征。在一个应用系统中，须要对每一个拿卡的用户建档，这个档案可存储在IC 卡里。因此可以在特殊条件下也可以得到用户相关信息，很大程度上提高了停车的时效和便捷性。IC 卡的这些优点大大提高了设备的反应速度，同时也减少了对互联网的依赖，同时对于车库持有者、IC 卡用户的权益提供了保障方式，完美的处理了原先很难解决的中心矛盾，因此为IC 卡大规模的使用埋下了伏笔。

射频辨识是一种非接触式的自动辨识技术，他利用的是无线射频方法对IC 卡进行读写，以便成功达到数据替换的目的。射频辨识系统通常由电子标签、读卡器、电脑网络等构成。。射频辨识系统最显著的特点是可以在无人情况下独立的完成辨识过程，还具备极高的安全保护能力。再者因为他操作简单，方便耐用，被大规模使用在自动化场所。所以在不停车收费系统中采用射频辨识系统科技，可以大大提高车道的通行能力，可以达到原先水平的五六倍。

非接触IC 也称为感应卡， 一张普通的非接触式IC 卡应用系统由如下几个部分构成，比较大的系统同时包含了通讯局域网和中央电脑等。接口设备，是IC 卡和电脑的通讯介质，同一时间还拥有提供能源的能力，IC 卡的内核通常是工业用单片机。读写器与IC 卡之间完全符合国际标准的通讯合同，并且依靠本来的卡座，依赖无线方式对卡进行读写修改，再通过其他方式和电脑之间进行信息的传输来达到通讯的目的。IC 卡通过读卡器

读取卡的号码，再把这个号码相应的汽车信息报讯在数据库里实现方便管理。

图2.14非接触式工C 卡应用系统基本结构

2.4.2现场总线

现场总线系统和原来系统中连线方式不再一样，现场设备的通讯能力和总控室电脑的通讯，达到了完全的分开控制。现场总线系统在技术上还具备以下的特征:①开放性和操作性 ②设备功能自治性 ③环境适应性强

2.4.3PROFIBUS 总线

过程现场总线则是一类独特地放开形式的现场总线，它的传送速度范围在

9.6kbaud-12Mbaud ，而且还会把链接上总线的各种设备设置为同样的速度。PROFIBUS 还能为很多行业自动化过程提供一种解决方法，大规模应用在很多自动化行业。

PROFIBUS 还能实现从现场装置层到工厂级监管的分散式控制和现场通讯，就是典型的自动化三级系统网络:现场级、车间级、管理级。图示为西门子公司的PROFIBUS 网络构架示意图。显而易见，PROFIBUS-PA 通常用在对安全性能要求比较重要的场所，PROFIBUS-DP 则通常组成单主站系统。

西门子公司的PROFIBUS 网络结构示意图

第三章 立体车库控制系统的设计

3.1立体车库控制器的选取与概述

3.1.1立体车库控制器的选取

升降横移式立体车库控制系统的核心是控制器，控制器能够接收上位机的指令并进行分析与运算，也能够控制车库运动机构的运动。因此，控制器关系到整个车库系统运行的平稳、安全和可靠。现在，市场上控制器种类较多，有PLC 、单片机、继电器等。与单片机和继电器等控制相比较，PLC 在运算能力与精度、定时与计数的数量、存储器的容量、I/O口的点数、安装位置及结构的形式和经济美观等更适合于车库控制系统。故本文的控制器主要采用PLC ，同时搭载了其相应的扩展模块来构成一个多功能的控制系统。

3.1.2 PLC 概述

1.PLC 定义

PLC 又称为可编程序控制器，以二进制逻辑运算为主，专为工业环境应用而设计的工业控制器，后来随着需求的变化扩展了各种接口，并且具有完善的通信与软件功能的

工业控制器。

S7-200PLC 实物图

2.PLC 组成

PLC 是一个以数字控制为主特征的工业计算机，有硬件、软件两部分组成。然而与

一般的PC 机相比，它具有更强的与工业控制相连的接口，同时编程语言简单、易于修改。在硬件结构上，PLC 组成主要包括(CPU)、输入/输出接口(I/O ) 、存储器、电源等。PLC 的核心是中央处理器，主要按照PLC 编写的程序给予的指令指导PLC 各端口有条不紊的运转; 存储器包括系统存储器与用户存储器两种，主要是用来存储系统程序、用户程序和监控程序等; 输入/输出(I/O)接口是连接现场设备与CPU 板之间接口电路，由于外界环境的影响，其I/O接口根据工业环境不同进行改变; 电源部件主要是为PLC 内部提供合适的稳定电压，通常交流电源输出为220V 或110V ，直流电源输出为24V 。

PLC 结构示意图

3.PLC 特点

现在，PLC 己经广泛应用在工业的各个部门，并随着其性价比的不断提高，使用的范围越来越大。这主要归结于PLC 有着众多优点。尤其是与单片机等控制系统相比，具有以下特点:全系统采用模块化标准结构; I/O接口模板能适用于各种电压等级; 具有丰富的智能接口模板; 简单的编程语言; 同系列不同型号直接可以形成通信; 适应工业的环境、安装维护方便、可靠性高且故障少; 系统的组成灵活多变、易扩充、易更新; 体积小、能耗低。

4.PLC 工作过程

与计算机工作原理相似，PLC 的工作主要是来执行客户程序的。由于CPU 不能同时处理多个操作任务，只能按照分时操作的原理进行，每一个时刻只能进行一个操作，一

个操作完成后进行下一操作。程序执行的方式是按照程序的顺序依次进行，在时间上形成了串行工作方式。

PLC 有两种工作模式:RUN模式和STOP 模式。在RUN 模式下，主要是通过执行用户程序来完成控制; 在STOP 模式下，主要是CPU 不进行工作，可以进行用户的编程等工作。如果出现致命程序错误时，系统不会进入RUN 模式，直到解决错误为止。PLC 工作过程表示，将总体运行分为三个部分:上电处理、出错处理及扫描过程。

PLC 工作过程框图

3.2可编程控制器PLC

3.2.1 PLC 组成及原理应用

可编程序控制器(PLC)通过数字式、模拟式的输出输入，达到控制各类机械的生产过程，这是一种把计算机作为中央的通用工业控制设备。如图所示。CPU 是PLC 的中心部分，I/O单元用于连接CPU 和其他装置的接入电路，PLC 与上位计算机和编程设备通过通讯接口相接。还有单独的I/O口扩展部分配合使用。分离式PLC 将完全式PLC 的各个组成模块分割成对应的部分，每个部分插在地盘上，地盘上还附带总线，所有单元的地盘，CPU 子公司S7-200系列PLC 为独立式PLC 。每个部分经过总线连接在一起。我们所使用的这个系统采用的是西门子PLC 。

整体式PLC 的组成示意图

PLC 的工作原理大致能用简单的表述是在程序系统的监控下，经过应用程序的运作，并通过对控制需求采用判断处理，还经过运行用户程序完成控制目的。PLC 的工作方法是通过穿行循环的方法，命令从第一条起始逐步按照次序进行周期扫描循环。若没有跳转命令，就只是从开始按步执行到最后一条，如果碰到结束指令就返回到最初的指令，再不断重复的运行这些指令。

PLC 得益于其强大的功能，稳定的性能和使用便捷等特点，大规模用在工业的很多

方方面面。在这当中开关量逻辑控制是PLC 中很普通的控制功能，控制的变量有:时间顺序、排列组合、计数、延时等。他控制的变量没有受限制，还能够经过因特网达成控制目的。PLC 开始的目的是开关量的控制，所以，差不多全部的工业行业都可以利用这个东西。PLC 的还有一个很重要的功能则是模拟量的闭环控制，PLC 利用其A/D, D/A转换和算术等完成模拟量的闭环控制。鉴于PLC 可以输出输入高速脉冲这个特点，若可以装备对应传感器或者其他装置则能实现智能控制。PLC 附加触摸屏，则能实现收集数据还有统计分析数据的目的，完成监控现场的数据收集控制。额外的，PLC 还具备极强的通讯能力，还能够与PLC 或电脑，或只能设备进行链接因特网通讯，达成数据的改变以及控制。连接分散于控制场面的PLC ，完成每个站点之间的通讯以及不同层面之间的通讯，这就组成了目前的控制过程系统。

3.2.2 PLC 选择以及I/O分配

输入、输出点分配表

德意志帝国的西门子集团出产的S7-200系列PLC 是微型PLC ，具备构架设计严密、延展性良好、功能组成丰富、命令系统丰富和价格优惠等特点。所以，立体车库控制系统采用S7-200PLC 作为控制设备。S7-200有5种CPU 模块，CPU226模块拥有16输出、24输入，拥有优秀的延展和控制功能，适用于微型和中型系统，每个立体车库利用CPU226部分当做整个系统的基层单位。我们以3*4型升降横移式立体车库做例子，依据数据进出的分解，每个升降横移式立体车库都必须配备36个输出和54个输入，每个单位没有办法符合输出输入的需求，所以须要添加延展部分。选择32输入出的EM223当作I/O的延展部分，选择EM277通讯部分连接PROFIBUS-DP 网路。每个基层单位右边延展的借口和延展部分在左边延展借口经过总线链接，延展部分邮编拓展借口与接下来延展部分左边延展借口经过总线链接。

升降和横移电机是PLC 控制系统的主要的控制目标，依据停车取车要求用到控制板上的按钮，完成底盘的横向纵向的移动。再者则是立体车库里的其他安全保护等辅助装置，例如指示灯、传感器开关等等设备。还有由于需要确保底盘能精确的移动到要求的地方，利用各种开关，也在同一时间里利用了传感器开关来判断底盘上又没有汽车。升降横移式立体车库的人和机器交流信息的显示板直接用按键，还可以选择高级的IPS 电容屏抑或专业的操作板。升降横移式立体车库的I/O口全部都是涉及开关的量，所以电路相比起来要简便许多，另外PLC 本来也拥有优秀的抵御干扰的能力，因此没有必要额外添加多余的预防干扰的方法。PLC 控制原理如图所示，这种控制系统的方法检查体现是灵敏度比较好、工作精确比较实在而且反应迅速，所以暂时在升降横移式立体车库中拥有不错的适用性。

PLC 控制原理图

3.2.3 PLC 控制程序设计

升降横移式立体停车库中PLC 控制部分重要的功能是确保停车取车的操作，通过操作板可以完成全自动或者手动的方法来调度底盘到想要的方位。手动方法是经过操作板上的按键来调度相应的底盘或者在特殊情况下作为特殊方式进行调试维修用途，停车取车时在操作板上选相应的位置号，PLC 半自动控制方法是升降横移式立体车库调度对应的汽车位移程序以便完成整个目的。停车取车的控制首先需要解决汽车底盘的位移矛盾，并且把已经选择的车位下面所有的车做相应的运动，同时形成向下移动的道路。在框定停车位置的时候，所框定的空余车位按照路程最短的原则:行程向下移动的道路所花费的时间较少抑或形成向下移动的道路所需要移动的车位最少。 (第i 行j 列车位) 需要符合如下的公式

:

为了保证停车取车的高效率和可靠性，我们做出了关于停车取车复位的机制。底盘移动规则是没有必要复位的。并且在行程向下运行道路的过程中，还必须要对最上一层采用移动的操作。而且在停车取车完毕结束，横向移动的汽车不回到原先的位置，而是再次加入到接下来的调度中。车位升降复位的规则是：进行上升下降的汽车必须要复位。另外保证汽车停车取车的安全性，并且在设备正常操作的时候，我们规定当停车取车结束后，下行的车位需要很快的上移到目前这个车位操作之前在的那一层。然而如果选定最下面那层时的停车位时则没有不要使底盘运动，直接进行停取车的操作。如果选定的不是最下面那层时，则需要把选定的车位和下面的空位进行比较。如果这个车位下面那层的空车位在这个车位的左边，那么就把相应的车位向左运动；如果这个车位下面那层的空车位在这个车位的右边，那么就把相应的车位向右运动，从而可以在这个选定的车位下方建立通道，以便成功地完成目标。例如 作为已经确定的车位, 因此必须为其形成向下的道路。为第y 层空位所在列，若，说明车位正

，下方第y 层也同时为空位置, 第y 层的车位也没有必要进行横向的移动操作；若

则表明第y 层的空车位在车位的右边, 将第y 层 j-（ky-1）列空车位都向右移动一个位置；若，说明第y 层空车位在车位的左边，将第y 层（ky+1）-j 列的所有车位都向左运动一个位置。总体上移动的原则是：升降复位，平移不复位。因此按照上面停车取车的规定，停车与取车的操作相应的车位运动方式是一致的，也需要利用同样的控制系统完成同样的停车取车操作。图所示是升降横移式立体停车库停车取车控制的流程图。

上层车位存取车流程图

3.2.4PLC 控制算法的实现

在升降横移式立体车库中，停车位按照不一样的情况有非常多的组合排列方法。若把所有停车取车的调用情况的所有程序全部编写出来，那么程序量将会特别的巨大。所以这种方式不但会增加控制设备的存贮量，而且还可以减少立体车库的运作效率。所以，利用德意志帝国西门子集团S7-200PLC 系列中CPU226提供的子程序调用指令SBR 来编纂立体车库运行的程序段，因此只要在主程序中添加相应的命令。

观察升降横移式立体车库的控制程序，利用变量寄存器V 记下每一个底盘的方位以及单层空车位在的那一列的方位。我们以3*4型升降横移式立体车库来阐释停车位调用

控制程序。开始假设最初的时候每一层的空车位都停在最右边，VB1, VB2表示第一层和第二层空车位在的那一列，开始赋初始数值VB1=4, VB2=4。VB3, VB4, VB5表示第一层一号，二号，三号车位在的那一列的位置，VB6, VB7, VB8则表示第二册第二层四号，五号，六号车位在的那一列的位置，开始赋初始数值VB3=1, VB4=2, VB5=3，VB6=1, VB7=2, VB8=3。最上面的那一层的车位不做横向的移动，即在的那一列的数值也是不改变的，因此不用赋予初始值。升降横移式立体车库在正常运作中，最上面那层和次上面那层的车位在下移到最下面那层或者复原停在原来的那层两种状态，做出如下规定VB9-VB11代表第二层四号，五号，六号车位的运行状态，规定VB12-VB15代表第三层七号，八号，九号，十号车位的运行状态，可以让0, 1代表车位在原先的那一层与在最下面的那层，VB9-VB15的最开始赋的数值都是0。最下面的那层的车位不用上升，所以也没必要做出什么规定或者赋值。停车位向上向下的状态量代表了车位在的哪一层，用来在整个控制程序段中判断车位的状态。即在升降横移式立体车库的正常运行时，控制程序一直刷新各个车位的变量，以确定目前车位的运行状态和剩余车位等等情况。在选择确定下来的停车位时，按照目前车位的情况和其他相关的所有信息关系，做出相应的车位移动，一直到向下移动的通道弄好算结束。给出如下的在最开始状态的时候例子，如何弄好五号车位向下移动的通道的控制程序。如图五号车位下行通道的控制程序图。

3.3组态软件的应用实现

升降横移式立体车库的监视系统利用组态的方法把所有车位的情况可视化，经过上位电脑的外形图画每时每刻监视并且把目前的状态显示出来，从而达成升降横移式立体车库的非近程的控制。开始，组态方法中的I/O口的分别相应着在场的所有输出输入设备，顺便把PLC 中规定好的的I/O口变化的状态和上位电脑中规定的数据建立链接，确保数据值的正确性，如图所示为组态王数据中规定的PLC 与上位电脑I/O口数据的对比图。

PLC 与上位机I/O点参数对照表

这是要制作的的监管图画，升降横移式车库是经过很多个3*4的小型立体车库构成的，如图所示即为3*4型的立体车库的监管画面。然后经过组态王软件的特殊功能，可以把这个车库的图案对应到相应的变量上并生动的显示出来。

3*4型立体车库单元满车时监控画面

总结

总结:

立体车库控制系统是整个车库的核心部分，它关系到整个车库运行的流畅性、安全性与稳定性。本文针对西安某小区地下立体车库进行了车库控制系统的研制与实现，具体完成的工作如下:

1. 通过对不同类型的立体车库的对比分析以及该车库所建造的位置，确定了本车库的类型为升降横移式立体车库及相应的车库指标，并且对该车库进行模型的设计;

2. 通过对PLC 的分析确定了CPU 为226的S7-200 PLC 为该车库的控制器，对车库控制系统PLC 的I/O端口进行了具体的分配，完成了车库控制系统PLC 接线设计;

3. 结合PLC 的特点与该车库所处的具体环境，通过对车库控制流程进行了具体分析，并编写车库存取车过程中的控制程序;

4. 基于组态软件，对该立体车库监控与管理进行了应用实现，通过组态王软件进行了车库存取界面、存取车策略选取界面、电机控制界面及实时数据库界面的建立，实现了MCGS 与S7-200 PLC 连接与调试，运用实时数据对象与控制策略实现工程界面的监控及车库控制系统安全机制的设计，从而方便快捷的了解整个车库运行状态、提高了车库控制系统的安全性，便于分析与监控，为在实际中控制装置的研究奠定了坚实的基础。

参考文献

[1]中国行业研究网.2014年汽车市场发展形势分析[DB/OL].

http://www.chinairn.com/news/20131023/100355709.htm1, 2013一10-23

[2]华商网. 盘点西安停车五大现状[DB/OL].

http://news.hsw.cn/system/2011/05/24/0956444.shtml, 2011-OS一24

[3]姜涛. 西安市停车问题研究与对策规划与设计，2013(5): 72-73

[4]中国百科网. 立体车库行业现状与发展趋势[DB/OL].

http://www.chinabaike.com/t/30660/2013/0713/1291751.htm1, 2013-07一13

[5]肖海荣，刘文江，王风瑛. 超声钡」距在自动立体车库检测系统中的应用[J].济南交通高等专科学报，2000, 8(4): 39-41

[6]潘耀芳. 自动化立体车库的库位排列及成本优化[J].上海电力学院学报，2001, 17(1):27一31

[7]唐储文，王生学，张侃谕. 监控通信在立体车库现场控制中的应用. 微计算机信息2002, 18(5): 28-30

[8]刘振全，龚海峰，李雪琴.PC 上位机在升降横移式立体车库控制中的应用. 机械与电子，2003(6): 53-55

[9]徐格宁，杨瑞刚. 立体车库钢结构失效模式及失效概率计算. 起重运输机械，2004(3): 15一18

[10]减发业. 基于二次调节技术的立体车库提升系统性能仿真[[J].农业机械学报，2005, 36(6): 82-86

[11]孟建军，杨泽青，蒋兆远. 基于蚁群算法的大型自动化立体车库计算机监控软件设 计. 计算机应用与软件，2006, 23(1): 56-61

[12]黄琼雁. 一种基于专家系统的自动化立体车库出入库调度策略[J].计算机与现代化2007, (8): 41-47

[13]韩立芳，张明勤，李海青，减德江，石海龙. 基于TE I Z 的新型立体车库创新设计[J].工程设计学报，2008, 15(2): 86-89

[14]刘美莲，滕旭辉，熊光洁，吴雪. 基于PLC 的立体车库控制系统设计[J].微计算机信息，2009, 25(3): 42-44

[15]李剑锋，段文军，方斌. 基于改进遗传算法立体车库存取调度优化[J].控制工程，2010, 17(5): 658-662

[16]胡清明，李西兵，郭建华，王世刚，林颖. 基于车牌自动识别立体车库智能停车管理系统研究[J].机床与液压，2011, 39(18): 97-99

[17]张锡治，范宏飞，贾莉. 坡道式立体车库抗震性能的弹塑性分析[J].工程抗震与加固改造，2012, 34(4): 28-34

[18]韩兵兵，张功学，贾争宪. 基于Workbench 的立体车库钢架稳定性分析[J].陕西科技大学学报， 2013, 31(1): 111-114

[19]筑龙网. 全球最有创意车库[DB/OL]. http://www.chla.com.cn/htm/2010/0727/60835_3. html, 2010-07一27

[20]张强. 自动化立体车库控制系统的设计及应用[D].成都:电子科技大学，2009

[21] JB/T 8910-1999，升降横移类机械式停车设备[S ].北京:中华人民共和国机械行业出版社，1999

[22]谭仁人. 基于PLC 控制的升降横移式自动化立体车库系统研究与设计[D].成都:电子科技大学，2011

[23]王勇. 单侧巷道分层搬运滚道并排存放型停车库运行调度研究[D].上海:上海交通大学，2009

[24]易倩颖. 基于PLC 的新型智能立体车库的控制系统研究[D].杭州:浙江大学，2012

[25]杨丽英. 升降横移式智能化立体车库设计与研究[D].济南:山东大学，2010

[26]王阿根. 西门子S7-200 PLC 编程实例精解[M].北京:电子工业出版社，2011: 56-98

[27]张云刚，宋小春，郭武强. 从入门到精通一西门子S7-200 PLC 技术与应用[M].北京:人民邮电出版社, 2007:106-178

[28]徐格宁，程红玫，陈延伟. 基于排队论的立体车库车辆存取调度原则优化[J].起重运输机械，2008, (5):50-55

[29]杨晓芬，肖华. 自动化立体车库存取策略的比较分析[J].机械制造与自动化，

2004, 33(5):50-53

[30]汤伟. 升降横移式立体车库结构优化及控制策略分析[D].合肥:合肥工业大学，2008

致谢

值此心学士毕业论文完成之际，首先我要由衷地感谢我的导师余晓峰副教授，余老师丰富渊博的学术知识、细致严谨的治学态度和求真务实的工作作风使我终生受益。在学习上，从论文选题、调研和撰写，余老师都提出了很多宝贵的意见，也正是在余老师的关心、鼓励和严格要求下，我才能顺利完成毕业论文的撰写工作; 张老师更是平易近人，对我们的关心无微不至，真正做到了教书育人，在此谨对我敬爱的余老师表示最为衷心和诚挚的感谢!

最后，感谢学校的栽培，感谢在百忙之中抽出宝贵时间对论文进行评审的老师和专家们。