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編 號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 題目： 自動立體車庫 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 0923147 學(xué)生姓名： 祁 鵬 指導(dǎo)教師： 黃敏 （職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 自動立體車 庫 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究 所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo) 注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何 其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 93 學(xué) 號： 0923147 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目自動立體車庫 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 隨著我國城市經(jīng)濟和汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，擁有私家車的家庭 越來越多，而與此相對應(yīng)的是城市停車狀況的尷尬。自動立體車庫 是專門實現(xiàn)各種車輛的自動停放及科學(xué)寄存的倉儲設(shè)施。它可充分 利用上地資源，發(fā)揮空間優(yōu)勢，最大限度地停放車輛，成為解決城 市靜態(tài)交通問題的重要途徑。 近年來，我國許多大城市如北京、上海、深圳都開始大力發(fā)展 自動立體車庫產(chǎn)業(yè)。機械車庫與傳統(tǒng)的自然地下車庫相比，在許多 方面都顯示出了無比的優(yōu)越性。 三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達到的要求： 了解自動立體車庫的工作原理，以及最近十幾年來國內(nèi)外的研究 狀況； 完成自動立體車庫電氣控制系統(tǒng)整體設(shè)計； 掌握 PLC 編程軟件； II 完成有關(guān)控制系統(tǒng)的主電路、控制電路及控制元氣件的選型設(shè)計； 并完成 PLC 程序編制； 完成自動立體車庫 PLC 控制方案設(shè)計； 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機械 93 班 姓名 祁 鵬 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學(xué)科組組長研究所 所長簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 要 立體車庫是專門實現(xiàn)各種車輛的自動停放及科學(xué)寄存的倉儲設(shè)施。隨著城市里面汽 車數(shù)量的不斷增加，停車?yán)щy的問題己經(jīng)成為大中型城市的普遍現(xiàn)象。自動立體化立體 車庫可充分利用上地資源，發(fā)揮空間優(yōu)勢，最大限度地停放車輛，成為解決城市停車?yán)?難問題的重要途徑。本課題以最為典型的升降橫移式立體車庫為研究對象，綜合考慮立 體車庫制造成本和運行效率等因素進行設(shè)計。 本文在對國內(nèi)外車庫現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢做了充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇三層十車位式自 動立體車庫結(jié)構(gòu)為研究模型。升降橫移式立體車庫就其組成部分而言，可分為三大部分： 車庫結(jié)構(gòu)部分、傳動機構(gòu)部分和控制系統(tǒng)部分。本文簡單介紹了車庫的主體結(jié)構(gòu)特點和 傳動機構(gòu)部分。在對升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了先進的PLC控制，運 用西門子公司的編程軟件編制了升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)的程序，并經(jīng)調(diào)試、運行， 證明采用可編程序控制器(PLC)作為控制系統(tǒng)簡單易行。其穩(wěn)定、可靠、快速、性價比高 的特點使得控制系統(tǒng)非常完美。為了使停車設(shè)備滿足使用要求，根據(jù)國家關(guān)于機械式停 車設(shè)備通用安全要求的標(biāo)準(zhǔn)、升降橫移式立體車庫的實際，在升降橫移式立體車庫中使 用了一些必要的安全技術(shù)，這樣保證了車輛的絕對安全，使得整個車庫可以安全平穩(wěn)的 運行。 關(guān)鍵詞：自動立體車庫；控制系統(tǒng)；可編程序控制器。 IV Abstract Stereo garage is specifically implement check of vehicles automatic parking and scientific storage facilities. With the increasing of urban car ownership, parking problem has become a common phenomenon of large and medium-sized cities. Mechanical stereo garage can make full use of land resources, give full play to the advantage of the play maximum parking vehicles becoming the important way to slow the problem of urban static traffic. This topic was typical to lift move transversely type parking equipment as the research object, considering the three- dimensional garage dual factors of manufacturing cost and operation efficiency. In the garage at home and abroad present situation and the development trend on the basis of investigation and choose three layers of ten parking type automatic stereoscopic garage structure as the research model. Lifting and moving type stereo garage in terms of their component parts, can be divided into three parts: the garage structural parts, transmission parts and control system. This article simply introduces the main structural characteristics and transmission mechanism parts of the garage. In three-dimensional garage for lifting and moving the design of control system, adopt advanced PLC control, using Siemens programming software of the control system of three-dimensional garage for lifting and moving type, and the debugging and running, prove that using programmable controller (PLC) as control system is simple. Its stable, reliable, rapid, cost-effective features makes the control system very perfect. In order to make the parking equipment meets the requirement, according to the state of mechanical parking equipment general safety standards, lift the lateral movement type parking equipment and actual using some necessary safety technology in the lift move transversely, so that ensures the complete safety of the vehicle, make the whole garage can be safe and smooth operation. Keywords：automatic stereoscopic garage；control system；PLC. V 目 錄 摘 要 ...........................................................................................................................................III ABSTRACT ..................................................................................................................................IV 目 錄 ............................................................................................................................................V 1 緒論 .............................................................................................................................................1 1.1 自動立體車庫的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ................................................................................1 1.1.1 自動立體車庫的研究現(xiàn)狀 ............................................................................................1 1.1.2 自動立體車庫的發(fā)展趨勢 ............................................................................................1 1.2 課題設(shè)計的目的和意義 .......................................................................................................2 1.3 課題設(shè)計的內(nèi)容 ...................................................................................................................2 1.4 自動立體車庫的定義與簡介 ...............................................................................................3 1.5 動立體車庫的結(jié)構(gòu)及組成部件 ...........................................................................................5 2 總體方案設(shè)計 .............................................................................................................................7 2.1 整體方案設(shè)計 .......................................................................................................................7 2.1.1 確定自動立體車庫的架構(gòu) ............................................................................................7 2.1.2 三層十車位升降橫溢式自動立體車庫工作原理 ........................................................7 2.1.3 整體設(shè)計方案 ................................................................................................................8 2.2 控制方式選擇 .......................................................................................................................8 2.3 自動立體車庫 PLC 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) ..........................................................................8 3 可編程控制器概述 .....................................................................................................................9 3.1 可編程控制器的產(chǎn)生及發(fā)展 ...............................................................................................9 3.2 可編程控制器的定義及特點 ................................................................................................9 3.3 可編程控制器的結(jié)構(gòu) .........................................................................................................11 3.4 可編程控制器的組成及其工作原理 ..................................................................................12 3.4.1 可編程控制器的組成 ..................................................................................................12 3.4.2 可編程控制器的工作原理 ..........................................................................................13 4 自動立體車庫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 .......................................................................................15 4.1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu) .............................................................................................................15 4.2 自動立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計分析 .....................................................................................16 4.3 輸入輸出點分配 .................................................................................................................16 4.4 載車板的參數(shù) .....................................................................................................................19 4.5 電機的選擇 .........................................................................................................................19 4.5.1 升級電機的選擇： ......................................................................................................19 4.5.2 橫移電機的選擇 ..........................................................................................................19 4.6 自動立體車庫主電路圖 .....................................................................................................19 5 自動立體車庫可編程控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 ...........................................................................21 5.1 自動立體車庫運行流程圖 .................................................................................................21 5.2 PLC 梯形圖 ..........................................................................................................................21 VI 5.2.1 PLC 仿真軟件的選擇 ...................................................................................................21 5.2.2 PLC 梯形圖的繪制 .......................................................................................................21 6 結(jié)論與展望 ...............................................................................................................................30 6.1 結(jié)論 .....................................................................................................................................30 6.2 不足之處及未來展望 .........................................................................................................30 致謝 ...............................................................................................................................................31 參考文獻 .......................................................................................................................................32 自動立體車庫 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 1 1 緒論 1.1 自動立體車庫的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 自動立體車庫作為現(xiàn)代城市存放汽車的工具，在人們生活中得到越來越廣泛的應(yīng)用， 為此，催生了自動立體車庫控制技術(shù)的發(fā)展。自動立體車庫控制技術(shù)中出現(xiàn)過繼電器邏 輯控制、計算機控制、可編程序控制器控制等方式，由于可編程控制器（PLC）是利用計 算機技術(shù)專門針對機電控制而開發(fā)的一種控制器，其組成的控制系統(tǒng)內(nèi)的軟邏輯開關(guān)可 以替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制，而且運行非?？煽坑钟捎谒涩F(xiàn)場編程控制且編程易學(xué)， 故其具有使用靈活及產(chǎn)品開發(fā)周期短，在實際應(yīng)用中維修方便，抗干擾性強等優(yōu)越性。 現(xiàn)代可編程控制器組成的控制系統(tǒng)己成為目前自動立體車庫控制的發(fā)展方向之一。 1.1.1 自動立體車庫的研究現(xiàn)狀 早在 50 多年前，自動立體停車在國外就已經(jīng)有所發(fā)展，先后分別出現(xiàn)了針對家庭使 用的雙層停車設(shè)備；利用住宅空地建起 2-4 層升降橫移停車設(shè)備；適合城市中心商住區(qū)使 用的停車樓和停車塔；利用廣場、建筑物下面的空間建設(shè)地下車庫。自 70 年代末起，世 界經(jīng)濟高速發(fā)展，汽車逐漸普及，保有量不斷增加，迫使地少人多、車多的國家、地區(qū) 和一些發(fā)達國家積極開展了機械式停車技術(shù)的研究開發(fā)和制造應(yīng)用。以美國、德國和日 本等為代表的發(fā)達國家在停車技術(shù)領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先水平，韓國和我國的港、澳、 臺區(qū)域的停車業(yè)也通過引進移植制造，得到了蓬勃發(fā)展，較好地解決了停車難的問題， 并開始向外輸出技術(shù)和出口產(chǎn)品 1。 我國自動立體車庫的研發(fā)工作是從上世紀(jì) 80 年代中期開始，90 年代開始引進和生產(chǎn) 停車設(shè)備，在北京、上海、廣州、深圳等地都有使用。參照德國等國標(biāo)準(zhǔn)制定的我國行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也于近幾年出臺，目前停車設(shè)備生產(chǎn)廠已發(fā)展到幾百家，生產(chǎn)各種類型的停車設(shè) 備，有些停車設(shè)備已開始出口。機械式立體車庫是一種具有綜合性能的建筑，不僅包含 了機械停車設(shè)備，其規(guī)劃建設(shè)涉及到區(qū)域整體景觀、交通疏導(dǎo)、建筑結(jié)構(gòu)、供電照明、 通訊監(jiān)視、通風(fēng)排水、環(huán)境保護、安全消防、收費管理等各學(xué)科領(lǐng)域，就停車設(shè)備本身 而言，其機械結(jié)構(gòu)的發(fā)展已形成了停車設(shè)備獨有的技術(shù)特征，需要多學(xué)科、多專業(yè)的復(fù) 合型人才積極參與，把國外停車技術(shù)和各領(lǐng)域的成熟技術(shù)移植到我國停車產(chǎn)業(yè)，開發(fā)出 安全、經(jīng)濟、高效、節(jié)能、省地的產(chǎn)品，滿足國內(nèi)外市場的需求 2。 1.1.2 自動立體車庫的發(fā)展趨勢 隨著自動立體車庫技術(shù)的發(fā)展，綠色化、低能耗和智能化將成為一段時間內(nèi)的發(fā)展 趨勢。 （1）綠色化。綠色理念是自動立體車庫的發(fā)展總趨勢。不斷改進產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn) 環(huán)保型低能耗、低噪聲、無漏油、無漏水、無電磁干擾、無井道導(dǎo)軌油漬污染的自動立 體車庫。 （2）降低能耗。減少自動立體車庫能耗的措施是多方面的。主要包括：選擇減小電 梯機械系統(tǒng)的慣性和磨擦阻力；驅(qū)動系統(tǒng)使用永磁同步無齒輪曳引機等技術(shù)。可以利用 太陽能作為自動立體車庫的補充能源也將是新的研究課題。 （3）智能化。隨著計算機技術(shù)，訊技術(shù)與控制技術(shù)的發(fā)展使大廈的智能化成為現(xiàn)實。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 1.2 課題設(shè)計的目的和意義 伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展以及汽車數(shù)量的明顯增加， “停車難”的問題日益突出起來， 尤其是以國土面積小且經(jīng)濟發(fā)達的國家和地區(qū)特別顯著（例如日本、臺灣等） ，在我國的 一些大中城市情況也不容樂觀，如圖 1.1 所示。在城市化發(fā)展寸土寸金的今天，要解決 “停車難”的問題，最好的方式就是建造自動化立體車庫。自動化立體車庫與傳統(tǒng)的自 然地下車庫相比，在許多方面都顯示出優(yōu)越性。首先，立體車庫具有突出的節(jié)地優(yōu)勢。 以往的地下車庫由于要留出足夠的行車通道，平均每輛車要占據(jù) 40 平方米的面積，而如 果采用雙層的立體車庫，可以使地面效率提高將近 90%，如果采用地面上多層（20 層以 上）立體車庫的話，五十平米左右便可存放至少 40 輛的車，這樣可以大大的節(jié)省我們有 限的土地資源。其次，與地下車庫相比，自動立體車庫可更加有效地保證人和車輛的安 全，人在自動立體車庫內(nèi)或者汽車沒有停準(zhǔn)位置，由可編程控制器控制的整個設(shè)備就會 停止運轉(zhuǎn)。從某種意義上說，立體車庫從管理上已經(jīng)徹底的做到人車分流。 圖 1.1 城市停車?yán)щy 1.3 課題設(shè)計的內(nèi)容 （1）主要包括以下幾個方面 （2）自動立體車庫基本機構(gòu)及工作原理，簡明介紹電梯基本結(jié)構(gòu)和工作原理。 （3）可編程控制器結(jié)構(gòu)及原理。 （4）重點分析了可編程控制器自動立體車庫的硬件設(shè)計。 （5）重點分析了可編程控制器自動立體車庫的軟件設(shè)計。 （6）結(jié)合以上設(shè)計思想，提出自動立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計的實現(xiàn)方案。 自動立體車庫 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 3 1.4 自動立體車庫的定義與簡介 一種用來存取儲放車輛的機械或者機械設(shè)備系統(tǒng)，俗稱立體車庫。自動立體車庫是 機電合一的大型復(fù)雜產(chǎn)品，機械部分相當(dāng)于人的軀體，電器部分相當(dāng)于人的神經(jīng)。機與 電的高度合一，使自動化停車庫成了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的綜合產(chǎn)品。 目前市面上常見的機械式立體停車庫有:升降橫移類、垂直循環(huán)類、多層循環(huán)類、水 平循環(huán)類、平面移動類、巷道堆垛類、垂直升降類和簡易升降類等 8 種，這些類型中升 降橫移類自動立體車庫以其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、安全可靠、造價低等優(yōu)點，在國內(nèi)自 動立體車庫市場上占有絕對的優(yōu)勢。本設(shè)計就升降橫移類自動立體車庫的控制系統(tǒng)，采 用可編程控制器設(shè)計自動立體車庫，實現(xiàn) PLC 系統(tǒng)對自動立體車庫的運行狀態(tài)的控制效 果 3。 （1）升降橫移式 升降橫移式立體車庫采用模塊化設(shè)計，每單元可設(shè)計成兩層、三層、四層、五層、 半地下等多種形式，車位數(shù)量也隨層的數(shù)增加而增加。這種立體車庫節(jié)省占地，配置靈 活，建設(shè)周期短；價格低廉，消防、外裝修、土建地基等投資少；可采用自動控制，構(gòu) 造簡單，安全可靠；并且存取車迅速，等候時間短；運行平穩(wěn)，工作噪聲低；適用于商 業(yè)、機關(guān)、住宅小區(qū)配套停車場的使用。圖 1.2 是升降橫移式自動立體車庫。 圖 1.2 升降橫移式自動立體車庫 （2）垂直循環(huán)式 垂直循環(huán)式自動立體車庫是采用垂直方向作循環(huán)運動的停車系統(tǒng)來存取車輛的停車 設(shè)備。這種停車設(shè)備的工作原理是電機通過減速機帶動傳動機構(gòu)，在牽引機構(gòu)鏈條上， 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 每隔一定距離安裝一個存車托架，當(dāng)電機啟動時，存車托架隨鏈條起做循環(huán)運動，達到 存取車的目的。圖 1.3 是垂直循環(huán)式自動立體車庫。 圖 1.3 垂直循環(huán)式自動立體車庫 （3）水平循環(huán)式 采用一個水平循環(huán)運動的車位系統(tǒng)來存取停放車輛的停車庫叫水平循環(huán)類停車庫。 其工作原理是存取停放車輛的車位系統(tǒng)在水平面上作循環(huán)運動，將所需存取車輛的載車 板移到出入口處，駕駛員再將汽車存入或取出。圖 1.4 是水平循環(huán)式自動立體車庫。 圖 1.4 水平循環(huán)式自動立體車庫 （4）多層循環(huán)式 多層循環(huán)式停車庫是通過使載車板作上下循環(huán)運動，而實現(xiàn)車輛多層存放的多層循 環(huán)式停車設(shè)備，減少了占地面積，提高了存取車的自動化程度。圖 1.5 是多層循環(huán)式自動 立體車庫。 自動立體車庫 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 5 圖 1.5 多層循環(huán)式自動立體車庫 （5）巷道堆垛式 巷道堆垛式立體車庫采用堆垛機作為存取車輛的工具，所有車輛均由堆垛機進行存 取，因此對堆垛機的技術(shù)要求較高，單臺堆垛機成本較高，所以巷道堆垛式立體車庫適 用于車位數(shù)需要較多的客戶使用。圖 1.6 是巷道堆垛是自動立體車庫。 圖 1.6 巷道堆垛式自動立體車庫 1.5 動立體車庫的結(jié)構(gòu)及組成部件 升降橫移類自動立體車庫通過操作面板或上位機操控載車盤（載車盤或者載車板） 的升降或橫移來存取車輛，它的主要結(jié)構(gòu)是由主體框架、載車盤、傳動機構(gòu)、控制系統(tǒng) 及安全防護設(shè)備等部分組成。具體組成及作用如下： （1）主體框架 主體框架式自動立體車庫的支撐結(jié)構(gòu)，通常采用鋼結(jié)構(gòu)。 （2）載車盤（載車盤或載車板） 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 載車盤主要作用是承載車輛，通過其上的橫移電機和升降電機，帶動載車盤作水平 橫移運動和上下升降運動，載車盤上的搬運器由 4 根鋼絲繩與框架連接，可以實現(xiàn)上下 升降運動。 （3）傳動機構(gòu) 傳動機構(gòu)主要由升降傳動機構(gòu)和橫移傳動機構(gòu)組成，它是整個自動化立體車庫的關(guān) 鍵部分，是系統(tǒng)控制的主要執(zhí)行部分。 （4）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是車庫系統(tǒng)大腦部分，可以采用可編程控制器（PLC） 、單片機等硬件控制 器控制繼電器或接觸器完成升降、橫移動作，通過下位機控制器不僅實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的 控制，而且可以將現(xiàn)場各設(shè)備狀態(tài)傳送到上位機，以便對現(xiàn)場狀態(tài)進行監(jiān)控和管理。 （5）安全設(shè)備 安全設(shè)備主要有急停開關(guān)、超限裝置、車長檢測、阻車裝置、防墜裝置、報警裝置 等，以便使車庫能安全、可靠運行。 自動立體車庫 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 7 2 總體方案設(shè)計 2.1 整體方案設(shè)計 2.1.1 確定自動立體車庫的架構(gòu) 此論文是針對三層十車位升降橫移式自動立體車庫進行 PLC 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計， 如圖 2.1 所示。 圖 2.1 三層十車位升降橫移式自動立體車庫 2.1.2 三層十車位升降橫溢式自動立體車庫工作原理 自動立體車庫的每個車位都有一個載車板，所需要存取車輛的載車板通過升降橫移 到達第一層，然后由司機進入汽車，完成存取車輛的操作。此車庫的第一層載車板只做 橫移運動，第二層和第三層的車位載車板需要升降橫移。整個車庫需要兩臺電機，分別 提供升降動力和橫移動力。具體存取車方案如下：圖 2.1 中 1、2、3 號車位直接存取車， 10 號車下降到地面層后存取車；4，5，6 號車位須通過 1, 2, 3 號車位進行橫移操作留出 空位，然后再下降到地面層存取車。7，8，9，10 號車位通過 4，5，6 號車位和 1，2，3 號車位的橫移讓出空位后，再下降到地面層存取車。如需在 7 號車位存取車，則將 4，5，6 號車位和 1，2，3 號車位向右移動，7 號車位下降即可，如需在 5 號車位存取車， 則 2，3 號車位向右橫移，5 號車位下降即可。同樣 n 層 m 排的存取車原理都是相同。除 最上層外，每層均留有一個空車位，允許載車板左右移動一個車位位置，為上層托板下 移留出通道。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 2.1.3 整體設(shè)計方案 整體設(shè)計方案設(shè)計如圖 2.2 所示 圖 2.2 整體設(shè)計方案 2.2 控制方式選擇 自動立體車庫的控制方式有： （1）電磁繼電控制系統(tǒng) （2）微機（PC）控制系統(tǒng) （3）可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng) （4）單片機控制系統(tǒng)等。 本次課程設(shè)計采用可編程控制器（PLC）作為控制方式。 2.3 自動立體車庫 PLC 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 自動立體車庫 PLC 的控制系統(tǒng)主要由信號控制系統(tǒng)和拖動控制系統(tǒng)兩部分組成，主 要硬件包括 PLC 主機及擴展、機械系統(tǒng)等。 系統(tǒng)控制核心為 PLC 主機、操縱盤，安全保護信號通過接口送入 PLC，存儲在存儲 器及召喚指示燈等發(fā)出顯示信號，向拖動控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號。 自動立體車庫 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 9 3 可編程控制器概述 3.1 可編程控制器的產(chǎn)生及發(fā)展 在可編程序控制器問世之前，繼電器接觸器控制在工業(yè)控制領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位。 通過有關(guān)電氣控制知識的學(xué)習(xí)可知，繼電器接觸器控制系統(tǒng)是采用固定接線的硬件實現(xiàn) 控制邏輯，如果生產(chǎn)任務(wù)或工藝發(fā)生變化，就必須重新設(shè)計，改變硬件結(jié)構(gòu)，這樣造成 時間和資金的浪費。另外，大型控制系統(tǒng)用繼電器接觸器控制，使用的繼電器數(shù)量多， 控制系統(tǒng)的體積大，耗電多，且繼電器觸點為機械觸點，工作頻率低，在頻繁動作情況 下壽命較短，造成系統(tǒng)故障，系統(tǒng)的可靠性差 4。隨著工業(yè)的發(fā)展，設(shè)備和生產(chǎn)過程越來 越復(fù)雜。復(fù)雜的系統(tǒng)可能使用成百上千種各式各樣的繼電器，并用成千上萬根導(dǎo)線以復(fù) 雜的方式連接起來，執(zhí)行相應(yīng)的復(fù)雜的控制任務(wù)。作單臺裝置，繼電器本身是比較可靠。 但是，對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，繼電器控制系統(tǒng)存在兩個缺點：一是可靠性差；二是靈活 性差?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場要求做出迅速的反應(yīng)生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、 低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，傳統(tǒng)的繼電器已經(jīng)成為實現(xiàn)這一目標(biāo)的障礙。 在世界性工業(yè)技術(shù)改造浪潮的沖擊下，美國公司率先研制出世界上第一臺可編程序 控制器，并在 GM 公司汽車自動裝配線上試用，獲得成功。其后，在日本，德國等相繼 引入這項新技術(shù)，可編程序控制器由此迅速發(fā)展起來。 個人計算機（PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點， 可編程控制器定名為 Programmable Logic Controller（PLC）,現(xiàn)在，仍常常將 PLC 簡稱 PC。 PLC 的功能不斷完善。隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷 發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC 在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運動控制 等功能。今天的 PLC 不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分 重要的作用 5。 PLC 在二十世紀(jì)八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的 PLC 年增長率 保持為 20% 30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和 PLC 市場容量基數(shù)的不斷擴大， 近年來 PLC 在工業(yè)發(fā)達國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家 PLC 的增長十 分迅速。綜合相關(guān)資料，2004 年全球 PLC 的銷售收入為 100 億美元左右，在自動化領(lǐng)域 占據(jù)著十分重要的位置 6。 近 10 年來，隨著 PLC 價格的不斷降低和用戶需求的持續(xù)增長，越來越多的中小設(shè)備 開始采用 PLC 進行控制， PLC 在我國的應(yīng)用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展和 基礎(chǔ)自動化水平的不斷提高，今后一段時期內(nèi) PLC 在我國仍將保持高速增長勢頭。 3.2 可編程控制器的定義及特點 在可編程序控制器發(fā)展初期，不同的開發(fā)商對PLC有不同的定義。為使這一新型的工 業(yè)控制裝置的生產(chǎn)和發(fā)展規(guī)范化，國際電工委員會曾于1982年11月頒發(fā)了可編程序控制 器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，1985年1月又發(fā)表了第二稿，1987年2月頒布了第三稿。該草案中對 可編程序控制器的定義是：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工 業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、 順序控制、定時，計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出， 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 控制各種類型機械的生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系 統(tǒng)連成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計。 PLC 是綜合了繼電器接觸器控制的優(yōu)點以及計算機靈活、方便的優(yōu)點而設(shè)計制造和 發(fā)展起來的，這就是 PLC 具有許多其他控制器所無法相比的特點。 （1）行穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強 PLC 是專門為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，因此人們在設(shè)計 PLC 時，從硬件和軟件上 都采取了抗干擾的措施，提高了其可靠性。 對于硬件措施，PLC 的電源變壓器、內(nèi)部 CPU、編程器等主要部件采用導(dǎo)電、導(dǎo)磁 良好的材料進行屏蔽，以防外界的電磁干擾；輸入輸出線路采用了多種形式的濾波，以 消除或抑制高頻干擾；內(nèi)部的微處理器和輸入輸出電路之間，采用了光電隔離措施，有 效地隔離了輸入輸出間電的聯(lián)系，減少了故障和誤動作；采用模塊式結(jié)構(gòu)，有助于在故 障情況下短時修復(fù)，一旦查出某一模塊出現(xiàn)故障，就能迅速更換，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。 對于軟件措施，PLC 設(shè)計了故障檢測軟件定期地檢測外界壞境。如掉電、欠電壓、 強干擾信號等，以便及時進行處理；信息保護和恢復(fù)軟件使 PLC 偶發(fā)性故障條件出現(xiàn)時， 將 PLC 內(nèi)部信息進行保護，不遭破壞。一旦故障條件消失，恢復(fù)原來的信息，使之正常 工作。如果 PLC 程序每次循環(huán)執(zhí)行時間超過了 WDT 規(guī)定的時間，預(yù)示程序進入死循環(huán)， 立即報警。對程序進行檢查和檢驗，一旦程序有錯，立即報警，并停止執(zhí)行，這樣可使 一般 PLC 的平均無故障時間達到幾萬小時以上。 （2）通用性強，使用方便 PLC 產(chǎn)品已經(jīng)系列化和模塊化，PLC 的開發(fā)制造商為用戶提供了品種齊全的 I/O 模 塊和配套部件。用戶在進行控制系統(tǒng)的設(shè)計時，不需要自己設(shè)計和制作硬件裝置，只需 根據(jù)控制要求進行模塊的配置。用戶所做的工作只是設(shè)計滿足控制對象的控制要求的應(yīng) 用程序。對于一個控制系統(tǒng)，當(dāng)控制要求改變時，只需修改程序，就能變更控制功能。 （3）采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)組合靈活方便 PLC 的各個部件，均采用模塊化設(shè)計、各模塊之間可由機架和電纜連接。系統(tǒng)的功 能和規(guī)模可根據(jù)用戶的實際需求自行組合，使系統(tǒng)的性能價格更容易趨于合理。 （4）編程語言簡單、易學(xué)，便于掌握 PLC 是由繼電器接觸器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的一種新型的工業(yè)自動化控制裝置。其主 要的使用對象是廣大的電氣技術(shù)人員。PLC 的開發(fā)制造商為了便于工程技術(shù)人員方便學(xué) 習(xí)和掌握 PLC 的編程，采取了與繼電器接觸器控制原理相似的梯形圖語言，易學(xué)、易懂。 （5）系統(tǒng)設(shè)計周期短 由于系統(tǒng)硬件的設(shè)計任務(wù)僅僅是根據(jù)對象的控制要求配置適當(dāng)?shù)哪K，而不要去設(shè) 計具體的接口電路，這樣大大縮短了整個設(shè)計所花費的時間，加快了整個工作的進程。 （6）對生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強 PLC 的核心部件是微處理器，它實質(zhì)上是一種工業(yè)控制計算機，其控制功能是通過 軟件編程來實現(xiàn)的。當(dāng)生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，不必改變 PLC 硬件設(shè)備，只需改變 PLC 中 自動立體車庫 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 11 的程序。這對現(xiàn)代化的小批量、多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)尤其適合。 （7）安裝簡單、調(diào)試方便、維護工作量小 PLC 控制系統(tǒng)的安裝接線工作量比繼電器接觸器控制系統(tǒng)少的多，只需將現(xiàn)場的各 種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連。PLC 軟件設(shè)計和調(diào)試大多可在實驗室里進行，用模擬 實驗開關(guān)代替輸入信號，其輸出狀態(tài)可以觀察 PLC 上的相應(yīng)發(fā)光二極管，也可以另接輸 出模擬實驗板。模擬調(diào)試好后，再將 PLC 控制系統(tǒng)安裝到現(xiàn)場，進行聯(lián)機調(diào)試，這樣既 省時間又很方便。由于 PLC 本身的可靠性高，又有完善的自診斷能力，一旦發(fā)生故障， 可以根據(jù)報警信息，迅速查明原因。如果是 PLC 本身，則可用更換模塊的方法排除故障。 這樣提高了維護的工作效率，保證了生產(chǎn)的正常進行。 3.3 可編程控制器的結(jié)構(gòu) PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同。 （1）中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存 儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并 能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng) PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸 入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映像區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程 序 7，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 I/O 映像區(qū)或數(shù)據(jù)寄 存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映像區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器 內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行 8。 為了進一步提高 PLC 的可靠性，近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)， 或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 （2）存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器，存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序 存儲器。 （3）電源 PLC 的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源 系統(tǒng)是無法正常工作的，因此 PLC 的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流 電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將 PLC 直接連接到交流電網(wǎng)上去。 （4）編程器及其他選件 編程器是編制、編輯、調(diào)試、監(jiān)控 PLC 的用戶程序的必備設(shè)備。小型 PLC 的程序編 制可直接使用簡易的手持式編程器來完成，較為復(fù)雜的編程一般使用專門的編程軟件。 PLC 還可以選配其他設(shè)備，如盒式磁帶機、打印機、EPROM 寫入器、人機接口單元、網(wǎng) 絡(luò)連接設(shè)備等，可以根據(jù)實際需要進行配置。 （5）PLC 硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.1 所示： 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 電源 輸 入 單 元 微機處理 （ C P U ） 運算器 控制器 輸 出 單 元 外 設(shè) 接 口 擴 展 接 口 存儲器 系統(tǒng)程序 用戶程序 擴 展 單 元 主機 輸 出 設(shè) 備 輸 入 設(shè) 備 其 他 設(shè) 備 圖 3.1 PLC 硬件結(jié)構(gòu)框圖 3.4 可編程控制器的組成及其工作原理 3.4.1 可編程控制器的組成 （1）CPU 模塊 同一般的微處理機一樣，中央處理單元是可編程控制器的主要部分，是系統(tǒng)的運算 和控制中心。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能，完成以下任務(wù)： a：接受并存儲用戶程序和數(shù)據(jù)； b：檢查電源、存儲器、I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯 誤； c: 當(dāng) PLC 投入運行后，已掃描的方式接受現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)； d: 讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運算； e: 根據(jù)用戶程序的執(zhí)行結(jié)果，更新有關(guān)狀態(tài)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容， 實現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 小型 PLC 一般采用 8 位微處理器，而大、中型 PLC 一般采用 16 或 32 位微處理器。 一般中型可編程控制器多為雙處理器系統(tǒng)，即字處理器和位處理器，其中字處理器是主 處理器，由它處理字節(jié)操作指令，控制系統(tǒng)總線、內(nèi)部計數(shù)器、內(nèi)部定時器、監(jiān)視掃描 時間、統(tǒng)一管理編程接口，同時協(xié)調(diào)位處理器及輸入輸出。位處理器也稱從處理器，主 要作用是處理位操作指令和在機器操作系統(tǒng)的管理下實現(xiàn)編程語言向機器語言的轉(zhuǎn)換 9。 （2）存儲器 存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序和應(yīng)用軟件?；旧嫌?ROM(Read Only Memory 只讀 存儲器) 、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory,可擦除的只讀存儲器) 及 RAM(Random Assess Memory,隨機存儲器)種組成，存儲能力的大小隨機器的性能而變化。 自動立體車庫 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 13 根據(jù)存儲內(nèi)容的不同，PLC 的存儲器空間一般分為以下 3 個區(qū)域： a:統(tǒng)程序存儲區(qū)，用于存放 PLC 的系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序是由控制器的制造廠家在研 制系統(tǒng)時確定的，它和機器的硬件組成有關(guān)，并在機器使用過程種是不變動的。 b:用戶程序存儲區(qū)，用于存放用戶應(yīng)用程序。用戶應(yīng)用程序是隨控制器的使用環(huán)境 而定的，隨著控制對象的不同而變動，一般存放在 EPROM 存儲器中。 c:系統(tǒng) RAM 存儲器，用于存放控制器在運行中發(fā)生變化和需要進行存取的一些數(shù)據(jù)。 該存儲區(qū)中存放的數(shù)據(jù)一般不需要保存很長時間，所以該部分的存儲器我們一般都選用 RAM，來適應(yīng)隨機存取的要求。與一般的計算機系統(tǒng)不同，在 PLC 的系統(tǒng) RAM 存儲區(qū) 中，除存儲工作數(shù)據(jù)外，還劃分有輸入輸出數(shù)據(jù)映像區(qū)及計數(shù)器、定時器的設(shè)定值與當(dāng) 前值的數(shù)據(jù)存放區(qū)。 （3）底板及電源模塊 對于分體式結(jié)構(gòu)的 PLC，一般都做成總線模板框架式結(jié)構(gòu)。裝有 CPU 模塊的框架稱 為基本框架，其他為擴展框架，框架之間通過電纜連接。在一個框架中，CPU 模塊等模 板插裝在一塊底板上。底板為總線式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部裝有總線控制器的印刷電路板，提供總 線插槽和擴展底板接口。根據(jù)底板上插槽數(shù)目的不同，有 3 槽、8 槽、18 槽等不同的規(guī) 格。 PLC 配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源，用來對 PLC 的內(nèi)部電路供電。PLC 通常使用交流 220V 或直流 24V 工作電源。它的電源模塊為其他各模塊提供 DC5V、12V 、24V 等各種內(nèi)部直 流工作電源。許多 PLC 都可以為輸入電路和外部的傳感器提供直流 24V 的工作電源，但 是驅(qū)動 PLC 負載的直流電源及交流電源一般由用戶提供。 （4）I/O 模塊及特殊 I/O 模塊 I/O 模塊是 PLC 的 CPU 與現(xiàn)場用戶設(shè)備進行聯(lián)系的橋梁?？删幊炭刂破飨到y(tǒng)通過其 I/O 接口模板檢測被控對象的各種參數(shù)，并以這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為控制器對被控對象進行控 制的信息。同時，控制器通過 I/O 模板將控制器的處理結(jié)果送給被控對象，以驅(qū)動各種執(zhí) 行機構(gòu)實現(xiàn)控制 10。 從信號類型上看，PLC 的 I/O 模塊通常包括：開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸入模塊、開 關(guān)量輸出模塊和模擬量輸出模塊等類型，這些模板又有直流和交流、電壓和電流類型之 分，每個類型又有不同的參數(shù)等級，分別用于聯(lián)系不同類型及大小的外部信號。 一般 PLC 均配置 I/O 電平轉(zhuǎn)換及電氣隔離： a:入電平轉(zhuǎn)換 將輸入端的不同電壓和電流信號轉(zhuǎn)換成 CPU 所能接受的低電平信號。 b:出電平轉(zhuǎn)換 將微處理器控制的低電平信號轉(zhuǎn)換為控制設(shè)備所需要的電壓和電流信 號。 c:電氣隔離 指在 CPU 與 I/O 回路之間采用的防干擾措施，以隔離 CPU 與 I/O 回 路之間的聯(lián)系，在強的外部干擾情況下防止 PLC 故障或誤動作。大型 PLC 中還有一類特 殊 I/O 模板，如高速計數(shù)模板、PID 控制模板、中斷控制模板等，它們一般是為了提高 PLC 的實時控制功能和過程控制功能而專門設(shè)計的。 （5）通信接口模塊 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 幾乎所有的 PLC 都具備聯(lián)網(wǎng)通信能力。在實際的控制系統(tǒng)中，由于控制對象的增加、 控制功能的復(fù)雜，就可能由兩臺或多臺 PLC 組成的控制系統(tǒng)；在有些情況下，也需要由 PLC 和其他的計算機組成控制系統(tǒng)。 3.4.2 可編程控制器的工作原理 PLC 是采用周期循環(huán)掃描的工作方式，CPU 連續(xù)執(zhí)行用戶程序和任務(wù)的循環(huán)序列稱 為掃描。CPU 對用戶程序的執(zhí)行過程是 CUP 的循環(huán)掃描，并用周期性地集中采樣、集中 輸出的方式來完成的。一個掃描周期主要可分為： （1）讀輸入階段。每次掃描周期的開始，先讀取輸入點的