基于PLC升降横移式立体车库控制系统设计

毕业设计（论文）

题 目：基于PLC升降横移式立体车库控制系统设计 学 院: 电子信息学 专业班级: 测控技术与仪器2009级2班 指导教师: 贾江涛 职称: 讲师 学生姓名: 梁 鹏 飞 学 号: 40903050218

西安工程大学本科毕业设计（论文）

摘 要

自从1994年国家制定了汽车产业政策，将汽车产业作为国家的支柱产业以来，有效地刺激了汽车工业的生产和发展，特别是近年来人们经济收入的快速增长和生活水平的不断改善，轿车急增使城市停车难问题日益突出，不仅影响了道路交通顺畅，破坏了城市的绿化和美化，而且污染了城市观瞻，随着中国加入WTO之后，这些问题将会越来越严重, 从新加坡、日本等许多经济发达国家的成功经验可以看出，建立立体停车库不失为解决城市“停车难”的理想手段，而且必将成为一个独具特色的阳光产业。

目前常见的机械式立体停车库有升降横移式、垂直循环式、多层循环式、水平循环式、平面移动式、巷道堆垛式、垂直升降类和简易升降式8种，其中升降横移类以其结构简单、操作方便、安全可靠、造价低等优点，在国内车库市场占有83％的市场份额。可编程控制器(PLC)集微机技术、自动化技术、通讯技术为一体，可靠性强、性价比高、设计紧凑、扩展性好、操作方便，因此在自动停车系统中通常作为电控核心。对于规模较大的系统，还可使用工业现场总线构成PLC网络，实现自动控制。

关键字：自动控制，立体车库，PLC

I

西安工程大学本科毕业设计（论文）

ABSTRACT

Since 1994, the state policy to develop the automobile industry, the car industry as a pillar industry of the country has been effective in stimulating the production and development of the automotive industry, especially in recent years the rapid growth of income and living standards continue to improve, car emergency increase so that the city parking is difficult problems have become increasingly prominent, not only affects the smooth road, destroyed the city's greening and beautification, and pollution of the city unsightly, as China joined the WTO, these problems will become more severe, from Singapore, Japan and many successful experiences of developed economies can be seen, the establishment of solid garage may well solve the city, \ Current common mechanical parking equipment with lifting and transferring, vertical circulation, multi-loop, horizontal circular, flat mobile, laneway, vertical lifting type and easy lift eight kinds, including lifting and transferring class of its simple structure, convenient operation, safe and reliable, and low cost in the domestic market share of 83% of the garage of the market share. Programmable controller (PLC) set of computer technology, automation technology, communications technology as a whole, reliable, cost-effective, compact design, scalability, and ease of operation, so the automatic parking system, usually used as electronic control core. For larger systems, but also the use of industrial field bus constitute PLC network, and automatic control.

KEY WORDS: Automatic control,Parking, PLC

II

西安工程大学本科毕业设计（论文）

目 录

第1章 绪论.............................................................................................................. 1

1.1自动化立体车库的发展与现状简介............................................................... 1 1.2研究自动化体力车库的意义........................................................................... 3 1.3 自动化立体车库的技术分类及其特点.......................................................... 4 第2章 PLC的基础知识 ............................................................................................. 5

2.1 PLC简介 .......................................................................................................... 5

2.1.1 PLC的产生 ............................................................................................ 5 2.1.2 PLC的定义 ............................................................................................ 6 2.1.3PLC的种类 ............................................................................................. 6 2.2 PLC的特点 ...................................................................................................... 8 2.3 PLC的组成及工作原理 ................................................................................ 10

2.3.1 PLC的组成 .......................................................................................... 10 2.3.2 PLC的工作原理 .................................................................................. 17 2.4 PLC的编程语言 ......................................................................................... 19

2.4.1 梯形图语言（LD） .......................................................................... 19 2.4.2 指令表语言（IL） ............................................................................ 19 2.4.3 功能模块图语言（FBD） ................................................................ 20 2.4.4 顺序功能流程图语言（SFC） ........................................................ 20 2.4.5 结构化文本语言（ST） ................................................................... 20

第3章 立体车库硬件设计........................................................................................ 22

3.1 硬件器件简介.............................................................................................. 22

3.1.1 松下FP1型PLC ............................................................................... 22 3.1.2 传感器（BEN5M-MDT） ................................................................ 22 3.1.3 行程开关（YKXX1-111（T）） ..................................................... 22

3.1.4 转换开关（YKXH28） .................................................................... 23 3.1.5 按钮（YKXY6） .............................................................................. 23 3.1.6 指示灯（AD16-16DS） ................................................................... 23

III

西安工程大学本科毕业设计（论文）

3.1.7 升降电机............................................................................................ 23 3.1.8 横移电机............................................................................................ 23 3.2 硬件设计...................................................................................................... 23

3.2.1 升降横移立体车库简介.................................................................... 23 3.2.2 车库外观图设计................................................................................ 25 3.2.3 PLC原理图设计 ............................................................................... 25 3.2.4 控制面板设计.................................................................................... 26

第4章 PLC控制系统软件设计 ............................................................................... 29 4.1 PLC型号的选择 ........................................................................................ 29

4.1.1 I/O点数的确定 ................................................................................. 29 4.1.2 选定PLC ........................................................................................... 29 4.1.3 控制系统I/O地址分配 .................................................................... 29 4.2 PLC控制程序设计 ..................................................................................... 31

4.2.1 控制程序流程图................................................................................ 31 4.2.2 闸门控制程序.................................................................................... 32 4.2.3 指示灯控制程序................................................................................ 35

第5章 结论.............................................................................................................. 38 参考文献...................................................................................................................... 39 附录A 立体车库运行梯形图 .................................................................................. 41

附录B I/O控制原理图 ................................................................................................. 50

致谢.............................................................................................................................. 49

IV

西安工程大学本科毕业设计（论文）

计算机为基础，综合了控制技术、通信技术等现代科技，形成了一种全新的工业自动控制装置。随着科学技术的发展，可编程逻辑控制器的功能也不断的强大，远远超出了逻辑控制的范围，还具有了数据处理等功能。于是，美国电器制造商协会（National Electronic Manufacture Association,即NEMA）,将其命名为可编程控制器（Programmable Controller,即PC）。

国际电工委员会（IEC）对PLC定义如下：PLC是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种机械或生产过程。 2.1.3 PLC的种类

到目前为止，PLC有较多的种类，规格性能也不一样，尤其在功能、外形、

控制规模、内存容量等方面存在着较大的差异，而且没有统一的分类标准。通常通过以控制规模、结构形式、功能为参照进行分类。

1. 按控制规模进行分类

为了适应各种工业生产要求，PLC能够处理的I/O（输入/输出）信号数是不一样的。我们一般定义一个信号为一个点，把输入点和输出点个数综合称之为PLC的I/O总点数。根据I/O总点数的多少将PLC分之为小型机、中型机和大型机。

（1） 小型机

PLC的I/O总点数少于256的称为小型机，如S7-200系列PLC。小型PLC用于替代传统的继电-接触器控制，在生产使用过程中，可以执行各种应用指令。I/O总数少于或等于64的PLC称为微型PLC。

（2） 中型机

I/O总数在256～1024的PLC称为中型机，例如S7-300系列PLC。中型PLC采用模块化结构，根据工业需要，可以将相应的具有特殊功能的模块组合在一起，它能执行具有强的功能，例如：数字计算、PID调节、查表等，同时相应的辅助功能也增加，应用范围更广，功能更强，扫描速度更快，适用于各种复杂环境。

（3） 大型机

I/O总数在1024以上的称为大型机，例如S7-400系列PLC，其中I/O口总

6

西安工程大学本科毕业设计（论文）

数超过8192的PLC称为超大型机。大型机轿中小型机而言，具有更多的功能，包含逻辑和数字计算、联网通信、打印、记录、模拟调节、监视、远程控制、中断控制及智能控制等。目前相当大一部分大型机使用32位处理器，多CPU并行工作，存储容量更大，扫描更快。

2. 按结构形式进行分类

随着电子产品的日益更新，PLC的发展也很快，目前，全世界共有几百个PLC生产厂家，有几千种不同型号。为了方便现场安装，便于扩展，方便接线，PLC与普通计算机在结构方面有很大的区别。更具硬件结构，可将PLC氛围以下三类。

（1）整体式PLC

将电源、I/O口、CPU等部件集中配置装在一个箱体内，形成一个整体,这样的PLC称为整体式PLC。这样的PLC体积小、结构紧凑、价格便宜、重量轻、安装方便等特点，但是主机I/O固定，不方便拓展，因此不太灵活。一般采用这种结构的是小型或超小型PLC。

（2）模块式PLC

模块式结构PLC又称为积木式结构PLC，它是将PLC各组成部分以独立模块的形式分开，如CPU模块、电源模块、输出模块、输入模块，有各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成，将模块插入在带有插槽的基板上，组装在一个机架内。采用这种结构的PLC配置灵活、装配方便、便于扩展和维修。中大型PLC一般采用模块式结构。

（3）混合式PLC

混合式结构PLC是将整体式的结构紧凑、体积小、安装方便和模块式的配置灵活、装配方便等优点结合起来的一种新型结构PLC。例如S7-200系列的PLC，它由西门子公司生产，就采用了这种小型模式，S7-300系列就是采用了这种模式的中型PLC。

3. 按功能进行分类

根据PLC的功能强弱，可将PLC分为低、中、高三档。 （1）抵挡PLC

抵挡PLC具有基本控制和一般逻辑运算、计时、计数等基本功能，有的还

7

西安工程大学本科毕业设计（论文）

具有少量模拟量I/O、算数运算、数据传送和比较、通信等功能。这类PLC只适合于小规模的简单控制，在联网中一般作为从机使用。

（2）中档PLC

中档PLC有较强的控制功能和运算能力，它不仅能完成一般的逻辑运算，也能完成比较复杂的三角函数、指数和PID运算，工作速度比较快，能控制多个I/O模块。中档PLC可完成小型和较大规模的控制任务，在联网中不仅可作从机，也可作主机，如S7-300就属于中档PLC。

（3）高档PLC

高档PLC有强大的控制运算和运算能力，不仅能完成逻辑运算、三角函数、指数PID运算，还能进行复杂的矩阵运算、制表和表格传送操作。高档PLC可完成中型和大规模的控制任务，在联网中一般坐主机，如S7-400系列。

2.2 PLC的特点

PLC发展能如此迅速，除了工业自动化的客观需求外，还因为其许多独特的有点。它能较好地解决工业控制领域中用户普遍关心的可靠、安全、灵活、方便经济等问题。它具有以下主要特点：

1.可靠性高，抗干扰能力强

继电-接触器控制系统使用大量的机械触点，连接西路比较复杂，且触点通断时有可能产生电弧和机械磨损，影响寿命，可靠性差。PLC中采用现代大规模集成电路，比机械触点继电器的可靠性要高。在硬件和软件设计中都采用了先进技术以提高可靠性和抗干扰能力。比如，用软件替代传统的继电-接触器控制系统中的中间继电器盒时间继电器，只剩下少量的I/O硬件，接触点因接触不良造成的故障大大减少，提高了可靠性；所有I/O接口电路都采用光隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路进行电气隔离；增加自诊断、纠错等功能，使其在恶劣工业现场的可靠性、抗干扰能力提高了。

2.灵活性好，扩展性强

继电-接触器控制系统有继电器等低压电器采用硬件接线实现，连接线路比较繁杂，而且每个继电器的触点数目有限，当控制系统功能改变时，需改变线路的连线，所以继电-接触器控制系统的灵活性、扩展性差；而由PLC构成的控制

8

西安工程大学本科毕业设计（论文）

系统，只需要在PLC的端子上接入相应的控制线即可，减少了接线，当控制系统功能改变时，有事只需编程器在线或离线修改程序，就能实现其控制要求。PLC内部有现成大量的编程元件，能进行逻辑判断、数据处理、PID调节和数据通信功能，可以实现非常复杂的控制功能，若元件不够时，只需加上相应的扩展单元即可，因此PLC控制系统的灵活性好，扩展能力强。

3.控制速度快，稳定性强

继电-接触器控制系统 是依靠触点的机械动作来实现控制的，其触点的动断速度一般在几十毫秒，影响控制速度，有时还会出现抖动现象。PLC控制系统由程序指令控制半导体电路来实现，响应速度快，一般执行一条用户指令只需几微秒，PLC内部有严格的同步，不会出现抖动现象。

4.延时调整方便，精度较高

继电-接触器控制系统的延时控制是通过时间继电器来完成的，而时间继电器的延时调整不方便，而易受环境温度和湿度影响，延时精度不高。PLC控制系统的延时是通过内部时间元件来完成的，不受环境温度和湿度的影响，定时元件的延时时间只需要改变定时参数即可调整，因此其定时精度较高。

5.系统设计安装快，维修方便

继电-接触器实现一项控制工程，其设计、施工、调试、必须与此进行，周期长，维修比较麻烦。PLC使用软件编程取代继电-控制器中的硬件接线而实现相应功能，是安装接线工作量减少，现场施工与控制程序的设计还可以同时进行，周期短、调试快。PLC具有完善的自诊断、数据存储及监视功能，对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示，若控制系统有故障时，工作人员通过它即可迅速查出故障原因，及时排除故障。

2.3 PLC的组成及工作原理

2.3.1 PLC的组成

用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行I/O交换，并将这个变换予以物理实现。I/O变换、物理变换是PLC实施控制的两个基本点。而I/O变换实际上是信息处理，信息处理通常采用计算机技术。物理实现要求PLC的输入应当排除干扰信号适应于工业现场。输出应放大到工业控制水平，能为实现控制系统

9

西安工程大学本科毕业设计（论文）

方便使用。而通用计算机只考虑信息本身，别的不多考虑。因此PLC是微型计算机技术与机电控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心，用于电气控制的特殊计算机，它采用典型计算机结构，主要由中央处理器（CPU）、存储器、I/O口、电源、通信接口、扩展接口等单元组成，这些单元部件都是通过内部总线进行连接的，如图所示2-1和2-2所示。

开关或传感器

继电器接点

行程开关

模拟量输入

地址总线 控制总线

地址总线 控制总线 输 入 接 口 中 央 处 理 器 单 元 存 储 器 I/O 数据存储器 输出接口 照明 电磁装置 电动机 其他执行装 置或接触器

编程单元 数据总线

图2-1 PLC的硬件系统结构图 1.CPU

PLC和CPU与一般的计算机控制系统一样，由运算器和控制器构成，是整个系统的核心，类似于人类的大脑和神经中枢。它是PLC的运算、控制中心，用来实现逻辑和算术运算，并对全机进行控制，按PLC中系统程序赋予的功能，有条不紊地指挥PLC进行工作，主要完成以下任务。

① 控制从编程器、上位计算机和其他外部设备键入的用户程序数据的接受和存储。

② 用扫描方式通过输入单元接受现场输入信号，并存入指定的映像寄存器或数据寄存器。

③ 诊断电源和PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误。

④ PLC进入运行状态后，执行相应工作：从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号去启闭控制电路，通俗讲

10

西安工程大学本科毕业设计（论文）

就是执行用户程序，产生相应的控制信号；进行数据处理，分时、分渠到执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出寄存器的内容，再由输入映像寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通信等。

EPROM 盒式存储器

ROM

RAM

内部存储器

外存接口 其他接口 A/D、D/A 计算机 其他设备

键盘与显示 中央处理器（CPU） 输入接口光耦合 输出接口继电器或晶体管 输入接线端子 输出接线端子 图2-2 PLC逻辑结构图

2.存储器

PLC中的存储器与普通微机系统的存储器的结构类似，它由系统程序存储器和用户程序存储器等部分构成。

（1）系统程序存储器

系统程序存储器是用EPROM或EEPROM来存储厂家编写的系统程序。系统程序是指控制和完成PLC各种功能的程序，相当于单片机的监控程序或微机的操作系统，在很大程度上它决定该系列PLC的性能与质量，用户无法更改或条用。系统程序有系统管理程序、用户程序编辑和指令解释程序、标准子程序和调用管理程序这3种类型。

①系统管理程序：由它决定系统的工作节拍，包括PLC运行管理（各种操作的时间分配安排）、存储空间管理（生成用户数据区）和系统自诊断管理（如电源、系统出错，程序语法、句法检验等）。

11

西安工程大学本科毕业设计（论文）

②用户程序编辑和指令解释程序：编辑程序能将用户程序变为内码形式以便于程序的修改调试，驾驶程序能将编程语言变为机器语言便于CPU的操作和运行。

③标准子程序和调用管理程序：为了提高运行速度，在程序执行中某些信息处理（I/O处理）货特殊运算等都是通过标准子程序来完成的。

（2）用户程序存储器

用户程序存储器用来存放用户的应用程序和数据，它包括用户程序存储器（程序区）和用户数据存储器（数据区）两种。

程序存储器以存储用户程序，数据存储器用来存储输入、输出以及内部接点和线圈的状态以及特殊功能要求的数据。

用户存储器的内容有用户根据控制需要可读、可写、可任意修改和增删。通常的用户存储器形式有高密度、低功耗的CMOSRAM、EPROM和EEOROM3种。

3. I/O单元

I/O单元又称为I/O模块，它是PLC与工业生产设备或工业过程连接的接口。现场的输入信号，如按钮开关、行程开关、限位开关以及各种传感器输出的开关量或模拟量等，都要通过输入模块传送到PLC中。由于这些信号电平各式各样，而PLC的CPU处理的信号只能是标准电平，所以输入模块还需要将这些信号转换成CPU能够接收和处理的数字信号。输出模块的作用是接收CPU处理过的数字信号，并把它转换成现场的执行部件所能接受的控制信号，以驱动负载，如电磁阀、电动机、灯光显示等。

PLC提供了各种操作电平和驱动能力的I/O模块供用户选择，如数字量I/O模块、模拟量I/O模块。这些模块又分为直流与交流、电压与电流等类型。

（1）数字量输入模块

数字量输入模块又称为开关量输入模块，它将工业现场的开关量信号转换为标准量信号传送给CPU，并保证信息的正确和控制器不受其干扰。它一般是采用光电耦合电路与现场输入信号相连，这样可以防止使用环境中的强电干扰进入PLC。光电耦合电路的核心是光电耦合器，其结构由发光二级管和光敏晶体管构成。现场输入信号的电源可由用户提供，直流输入信号的电源也可由PLC自身

12

西安工程大学本科毕业设计（论文）

提供。数字量输入模块根据使用电源的不同分为直流输入（直流12V或24V）模块和交流输入（交流100～120V或200～240V）模块两种。

①直流输入模块

当外部检测开关接点接入的是直流电压时，需使用直流输入模块对信号进行检测。下面以某一输入点的直流输入模块进行讲解。

直流输入模块的原理图如图2-3所示。外部检测开关S的一端接外部直流电源（直流12V或24V），S的另一端与PLC的输入模块的一个信号输入端子相连，外部直流电源的另一端接PLC输入模块的公共端COM。虚线框内是PLC内部输入电路，R1为限流电阻；R2和C构成滤波电路，抑制输入信号中的高频干扰；LED为发光二级管。当S闭合后，直流电源经R1、R2、C的分压和滤波后形成3V左右的稳定电压给光敏电耦合器VLC，LED显示某一输入点是否有信号输入。光电耦合器VLC另一侧的光敏晶体管接通，此时A点位高电平，内部+5V电压经R3和滤波器形成适合CPU所需的标准信号送入内部电路中。

LED 图2-3 直流输入模块原理电路 交 S R1 C R2 VLC +5V COM A R3 滤波器 内部电路 内部电路中的锁存器将送入额信号暂存，CPU执行相应的指令后，通过地址信号和控制信号将锁存器中的信号进行读取。

当输入电源有PLC内部提供是，外部电源断开，将现场检测开关的公共接点直接与PLC输入模块的公共输入点COM相连接即可。

②交流输入模块

外部检测开关接点加入的是交流电时，需使用交流输入模块进行信号的检测。 交流输入模块的原理电路图如图2-4所示。外部检测开关S的一端接外部交流电（交流100～120V或200～240V），S的另一端与PLC的输入模块的一个信

13

西安工程大学本科毕业设计（论文）

号输入端子相连，外部交流电源的另一端PLC输入模块的公共端COM。虚线框内是PLC内部输入电路，R1和R2构成分压电路；C为隔直电容，用来过滤掉输入电路中的直流成分，对交流相当于短路；LED为发光二级管。当S闭合时，PLC可输入交流电源，其工作原理与直流输入电路类似。

LED 图2-4 交流输入模块原 交 S R1 C R2 VLC +5V COM A R3 滤波器 内部电路 ③交直流输入模块

当外部检测开关接点加入的是交流或直流电压时，需使用交直流输入模块进行信号的检测，如图2-5所示。从图中看出，其内部电路与直流输入模块原理电路类似，只不过交直流输入模块原理电路的外接电源除直流电源外，还可以使用12～24V的交流电源。

（2）数字量输出模块

数字量输出模块又称为开关量输出模块，它可将PLC内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。数字量输出模块按照使用电源（即用户电源）的不同，分为直流输出模块、交流输出模块和交直流输出模块3种。按照输出电路所使用的开关器件不同，又分为晶体管输出、晶闸管（即可控硅）输出和继电器输出。其中晶体管输出方式的模块只能带直流负载，晶闸管输出方式的模块只能带交流负载，继电器输出方式的米快即可带直流负载也可带交流负载。

①直流输出模块（晶体管输出方式）

PLC某I/O点直流输出模块的电路图如图2-6所示，虚线框内表示PLC的内部结构。它由光电耦合器VLC、二极管现实LED、输出电路VT、稳压管VD、熔断器FU等组成。当某端需输出时，CPU控制锁存器的对应位为1，通过内部电路控制VLC输出，晶体管VT导通输出，相应的负载接通，同时输出指示灯

14

西安工程大学本科毕业设计（论文）

LED亮，表示该输出端有输出。当某端不输出时，锁存器相应位为0，VLC没有输出，VT晶体管截止，使负载失电，此时LED指示灯不亮，负载所需直流电源由用户提供。

LED 图2-5 交直流输入模块原理电路

交 S R1 C R2 VLC +5V com A R3 滤波器 内部电路 内部电路 VLC +5V VT LED R1 R3 R2 VD 负载 FU 图2-6晶体管输出电路

COM ②交流输出模块（晶闸管输出方式）

PLC某I/O点交流输出模块电路图如图2-7所示，虚线框内表示PLC的内部结构。图中双向晶闸管为输出开关器件，由它组成的固态继电器T具有隔离作用；电阻R2和C构成了高频滤波电路，减少高频信号的干扰；浪涌吸收器起限幅作用，将晶闸管上的电压限制在600V以下；负载所需交流电源由用户提供。当某端输出时，CPU控制锁存器的对应位为1，通过内部电路控制T导通，相应的负载接通，同时输出指示灯LED两，表示该输出端有输出。

③交直流输出模块（继电器输出方式）

15

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/y4o6.html