摘 要

随着城市用车的越来越多，日益增长的停车负担使得我们不得不考虑设计一种有别于常规式地下停车场的车库来缓解这种情况。而电梯式立体车库的兴起，则缓解了城市的动态交通问题，改善了居民的日常居住环境，大大地提升了土地的利用率。本电梯式立体车库系统采用了PLC控制，通过操作即可完成汽车的存车和取车过程，操作便捷，存取简单，运行安全有保障。设计采用模块式安装，维护方便，成本较低，特点鲜明。本课题主要完成了对立体车库研究背景的介绍以及国内外现状的展示，还对完成该课题的相关方案进行了一定的论证，并且进行了相关硬件选型以及PLC的指令系统的设计，最终通过仿真调试完成了该课题，实现了电梯式立体车库控制系统的基本功能。

关键词：立体车库；PLC；控制；电机；梯形图

Abstract

With the increasing use of vehicles in cities, the increasing parking burden makes us have to consider designing a garage different from the conventional underground parking lot to alleviate this situation. The rise of elevator garage alleviates the dynamic traffic problems in the city, improves the daily living environment of residents, and greatly improves the utilization of land. The elevator stereo garage system is controlled by PLC. The process of car storage and pick-up can be completed by operation. It is convenient to operate, simple to access and safe to operate. The design adopts modular installation, easy maintenance, low cost and distinct features. This topic mainly completes the introduction of the research background of the stereo garage and the display of the present situation at home and abroad. It also demonstrates the relevant schemes to complete the subject, and carries out the related hardware selection and the design of the instruction system of PLC. Finally, through the simulation and debugging, the subject is completed, and the basic functions of the elevator stereo garage control system are realized.

Key words：Stereo garage ；PLC；control；Electric machinery；LAD

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景 1

1.2立体车库设计的意义 2

1.3立体车库的国内外发展 2

1.3.1 国外发展状况 2

1.3.2 国内发展状况 3

1.4本文的研究内容 3

第2章 方案论证 5

2.1立体车库选择 5

2.2控制器种类及优缺点 5

2.2.1 单片机的优缺点 5

2.2.2 PLC的优缺点 6

2.3控制器的选择 6

2.4结构图 6

第3章 立体车库控制硬件电路设计 8

3.1车库电源及电机部分 8

3.2 PLC部分 8

3.2.1 电源模块 9

3.2.2 CPU 9

3.2.3 信号模块 9

3.3传感器部分 9

3.3.1 接触器 10

3.3.2 按钮开关 10

3.3.3 行程开关 10

3.4 车库工作流程图及具体流程详述 11

第4章 立体车库指令系统及编程 14

4.1 step7指令系统介绍 14

4.2 输入输出地址分配 14

4.3 程序设计 15

第5章 仿真与调试 26

5.1 PLC仿真过程 26

5.2 调试及结果分析 36

第6章 总结 37

参考文献 38

致谢 39

第1章 绪论

1.1课题研究的背景

由于现代社会的迅速发展，使得经济迅猛提升，我国的汽车行业也相应的进入了飞速进步时代，在我们的日常出行中私家车开始越来越多的崭露头角，甚至有很多家庭已经拥有了多辆私家车，而相对应的私家车也对我们的日常造成了各种方面的影响^[1]。根据相关的统计发现，截止到2017年底，我国的汽车保有量已经达到了2.8亿，这大约是2003年的二十多倍^[2]。而在最近两年，我国私家车的年增速已经达到了大约1400多万辆，并且这个素的还在不断地向上提升中。在十几年前，我国只有为数不多的城市汽车保有量达到上百万辆，而十几年后的今天，我国已经有大约30几个城市的汽车超过了上百万辆，更有些一线城市或者新一线城市的汽车保有量已经超过了二百万辆^[3]。据相关统计，在2017年我国的汽车销售量就已经跃居至世界第一了。

虽然我国已经开始进入全民汽车时代，但是和汽车相关联的很多附带业务和问题还没有得到一定的关注和研究，比如洗车、维修车的服务以及交通拥堵问题。而停车行业更是还处在相当基础的时期，我国目前的停车服务完全无法满足大量车辆的停放需求。这一问题在一些比较发达的城市体现的更加明显，许多市民都对停车位紧缺的情况表现了自己的不满。而我们国家的许多城市管理部门虽然已经在停车场所和停车管理方面付出了大量的投入，不过仍旧不能及时的达到市民们的要求，小区停车，临时急停的问题也显露出来。为此有一部分研究人员开始针对停车难付出努力，在过去，应对停车的方式是修建大型地上停车场，但在当下社会经济高速进步的情况下，城市的用地效率在不断提升，而停车压力在不断增加，修建大型停车场的局限性已经逐渐露出了苗头。为了不因为这个原因使人民的幸福感降低，有人提出了建立立体车库的措施，因为立体车库占地面积并不高，可以有效地使用高度空间，修建方便，因此它在解决土地缺少和停车难度大的矛盾方面有着相对良好的优点，并且也可以提升现代化城市建设布局。

立体车库当下已经在许许多多的商场和开发区大量修建，而为了满足不同人群的停车需求，立体车库还有一部分问题需要解决，如造价高、操作复杂、管理麻烦等。为了应对这些问题，我们需要建设一些造价低廉、维护成本低、操作简单的车库来满足市民们的需求。

可编程逻辑控制器（PLC）是一种目前在工业设计制造中应用十分广泛的数字运算电子操作系统，具有可靠性高、编程容易、组态灵活、输入输出功能模块齐全安装方便运行速度快等主要的特点。目前其已经在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业中得到充分应用^[4]，对现代自动化设备技术的发展起到了强大的支撑作用。而工控触摸屏的研发并在PLC控制中的应用也大幅增加了人机交互性，充分的满足了相关控制的要求。变频调速技术也广泛被应用在了交流电机转速的调节之中，在立体车库的设计时^[5]，应当要控制载车板的空载与满载运行时速度的不一致，以此来提高存取车的效率，这点就可以通过变频器来控制电机的转速来满足。

1.2立体车库设计的意义

目前我国的现代大都市，大多在城市中心都是高楼大厦密集的情况，并且社区道路、城市高架桥及交通要到、地下铁路等与之一同构成了城市的立体交通结构，与此同时停车场的发展也有了一定的进步，平面的停车逐渐向立体化延伸，简单的机械车库慢慢地向高自动化的现代车库演变，成为了具有高实用性、高观赏性的建筑^[6]。因此，发展立体车库也逐渐成为人们的共同意识。当前我国经济正高速发展中，人民的生活水平飞速提升，很多家庭都拥有了自己的汽车，这也刺激了停车产业的发展。

立体车库与传统的车库比，拥有多方面的优势。首先，他占地面积不大，使用空间不多，利用的土地资源较少，如果使用双层机械车库，就可以提高80%到90%的土地使用率，采用21层立体车库，甚至能在50平米的地面面积上存放40辆车。其次还可以在一定程度上保护停车人的停车安全以及车辆的安全，因为立体车库不需要人深入进入具体停车位置，只需要停车人将车停放在入口处便可操作车库使其自动停车。而由于减少了采暖通风设施，便减少了耗电量，节约了能源。同时，立体车库不需要做成成套对外使用，而是以单台集装组成的，这样能够充分利用残余土地的优势，能够出现在各个小区住宅区，为人们提供方便。因此；立体车库是解决城市土地珍惜、缓解停车困难的一个相当有用的东西，具有相对较高的应用价值和广阔的市场前景。

1.3立体车库的国内外发展

1.3.1 国外发展状况

在50多年前，国外就已经在发展立体车库了，并且出现了家庭款的双层停车设备和住宅区空地上的升降横移停车场以及常应用在商业区及城市中心的停车楼和停车塔^[6]。70年代末期，世界经济开始了一轮高速发展，汽车也在世界范围内开始逐渐普及，世界人民对于汽车的拥有数不断变多，这也相应的出现了地少车多的情况，因此以下一些国家如日本、美国、德国等有代表的发达国家开始了立体车库的研究开发^[7]。而我国的港、澳、台地区也通过引进移植改造的方式解决停车难的问题。

目前世界上的停车技术已逐渐趋于成熟化，可以使用包括材料学、电子学、液压学、光学、计算机控制技术等多个领域的优秀先进技术^[8]。在材料方面，使用的许多最新研发出的高新材料，并采取了相应的工艺手段，新型钢材不仅拥有强度还具有轻巧美观的特点，载车板则采用了镀锌板材质，相当美观耐用。而车库的设备结构则使用了模块化设计，以便对其进行安装与拆卸，同时也提升了组合使用性能。在控制方面，则广泛应用了可编程控制技术，使车库能够高效稳定智能地运行。控制形式也是多种多样，包括按钮式、刷卡式、触摸屏式等。

日本的立体车库技术是最早发展也是最先进的，他们在上世纪60年代初就开始开发研究立体车库，并在当时就开始使用垂直循环式停车场。而在80年代，日本就开始向韩国以及中国台湾地区出口立体车库的产品及技术^[9]。韩国在引进了日本技术以后，结合了本土的技术，近年来的停车行业发展迅速稳定

1.3.2 国内发展状况

我国立体车库的研究最早可以追溯到80年代中期，而在90年代我国则开始引进并生产国外的停车设备，主要在北上广深等大城市使用^[10]。而有关停车设备的行业标准，我国是参照日本等国的标准才在近几年出台，目前我国的停车设备生产工厂已经发展到了好几百家^[6]，并且可以生产出不同种类的停车设备。目前我国的停车设备部分已经有了本国自己独有的技术特点和领域结合技术，并且糅合了国外的停车技术的优势以及其他领域的成熟进步，生产出的产品具有安全、经济、绿色、高效等特显，充分符合我国国情。

但在我国的停车设备行业中，还是拥有一定的问题的，大多数停车设备的制造技术还是过于依赖国外的技术，且生产力低下，创新能力差，管理存在严重问题。为此，我国的立体车库还有很长的一段路要走。

1.4本文的研究内容

本文主要研究应用PLC控制的垂直升降式立体车库，其特点主要是制造成本低、控制方便、存取车容易、管理简单等，能够很好地应对市民的存取车需求，在一定程度上解决当前停车压力大、停车场地少的问题。

而主要研究内容是一种基于西门子PLC立体车库的控制系统^[14]，该车库在实际使用方面具有很大的价值，它不但可以有效地利用稀缺的土地资源，还能够提升私家车主存取车时的速度和便捷度，有效地缓解了胡乱停放车辆、没有地方停放车辆的问题、降低了城镇在交通堵塞方面的问题。而这种基于PLC的立体车库控制系统拥有很高的工业技术水准，以此优化完善出更好更优秀的立体车库，将会是未来此领域的重要研究点^[15]。

本文在研究过程中首先介绍了研究此内容的背景及意义，在我国有这种需求的情况下，才有了此研究课题。其次介绍了国内外的发展状况。在进行该课题的设计的时候，使用了西门子 S7-300当作电梯式立体车库的控制主体。

这种车库占地面积不大，使用空间少，减少了车主的停车时间，缓解了城市交通堵塞的问题，使市民的生活质量得到了很大的改善，在一定程度上也提高了我国的自动控制制造化水平，指引了未来立体车库的发展方向。

本文共分为五章：第一章对研究这种立体车库的背景及意义以及国内外研究状况进行了简单论述，分析了本文的意义，也对本文的结构做出了介绍；第二章讨论设计这种车库的方案论证；第三章探讨了该车库系统的硬件电路；第四章主要介绍S7-300的指令系统与编程；第五章对该系统进行相对应的调试工作，以防止可能出现的某些突发状况。最后总结了全文的工作，探讨了本文的大体内容和不足之处，也对未来做出了一定的展望。

第2章 方案论证

2.1立体车库选择

考虑到对地适用性、存取车速度、安全性能以及市场份额，在此选择垂直升降式立体车库作为该电梯式立体车库的整体结构。

选择设计三层六车位车库^[13]，该立体车库包括两列，中间为上升/下降通道，通道两面为A、B列，每列共设置了3个停车位， 每个停车位上都拥有两个传感器，一个是平层传感器，另一个是车位传感器。

在车库A列的一层设置了载车板，存取车操作时，载车板首先会移动至入口，然后在车辆停放上去以后会升降横移，以执行存车取车操作。车库结构图如图1.1所示。

图2.1 车库结构图

2.2控制器种类及优缺点

2.2.1 单片机的优缺点

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上^[11]，可以理解为一个缩小浓缩版的计算机，但是他又和计算机有所不同，因为单片机没有I/O设备。因此它的优点主要是经济实惠并且成本相对来说较低；它的不好的地方是用某些主控板如果用单片机来制作的话步骤会比较麻烦、布线上难度也很大，并且可能会由于质量问题、布线分配能力以及制造技术等原因使得完成的产品没有很强的抗扰动能力，且故障率高，不易扩展，对环境依赖性强,开发周期长。如果一个产品使用单片机当成核心部分的控制器，是需要用一段时间才能行成真正的可以应用于实际的产品的。

2.2.2 PLC的优缺点

PLC控制器实质是一种专门在工业过程中使用的电脑，它的硬件分布大体上和微型电脑差不多，同时还拥有单片机没有的I/O设备。PLC控制的优点：由于PLC是经过几十年实际应用中检验过的控制器，因此其抗干扰能力强，对环境要求不苛刻，故障率低，且易于设备的扩展，便于维护，开发周期短，质量也很好。它的缺点也很直接，就是它的成本与单片机相比过高了。

2.3控制器的选择

室内停车设施在正常运行时对温度的要求为零下5摄氏度到零上40摄氏度，且一天以内的平均温度要求在35摄氏度以下，相对湿度要求低于50%；而室外停车设施在正常运行时对温度的要求为-25摄氏度到40摄氏度，且一天以内的平均温度要求在35摄氏度以下。

考虑到环境温差较大且环境湿度变化范围大，对控制器的性能稳定性及抗干扰能力有一定的要求，因此选用PLC控制器作为该电梯式立体车库的控制器更为安全可靠。

2.4结构图

该车库主要由西门子S7-300进行控制，连接上位机和下位机，用户通过指示灯提示进行相应的按钮操作以后，将发出的信号经上位机传送至S7-300再通过它的控制来使得电机完成升降和横移的操作，最终完成使得存车和取车的功能可以完成。具体如图2.1所示。

图2.2 立体车库工作结构图

第3章 立体车库控制硬件电路设计

3.1车库电源及电机部分

该车库使用380V三相交流电源进行整体供电。

由于立体车库的升降速度大于10米每分钟，横移速度大于13米每分钟，升降功率为7.5千瓦，横移功率为0.75千瓦，所以本次设计升降电机和横移电机均使用三相异步电动机，前者使用的型号为Y132S2-2，为双绕组两极电动机，功率7.5千瓦，控制载车板升降；后者的型号为Y801-2，为双绕组两电动机，功率0.75千瓦，控制载车板横移。用这种方式合作来进行车辆出入库的控制，出入库均为上下移动和左右移动的方式，启动方式则采用直接启动。

3.2 PLC部分

PLC配置如图3.1，3.2.

图3.1 PLC硬件管理图

图3.2 PLC详细硬件管理图

3.2.1 电源模块

电源模块选用PS307单相5A输出电流，可以将120V或者230V的交流电压转换为所需的24V直流工作电压，其输出电流为5A。

3.2.2 CPU

CPU选用314，该型号安装有：微处理器，对每条二进制指令的处理时间大约为60ns；扩展存储器，可以为用户程序提供足够的空间还允许将项目存储在CPU中；灵活的扩展能力，拥有多达32个模块。

3.2.3 信号模块

数字量输入模块DI32DC24 V，分成 16 组，分成 32 组同时可作为 SIPLUS 模块，以及数字量输出模块 DO16DC24V/ 0.5 A，分成 8 组同时可作为 SIPLUS 模块。

3.3传感器部分

传感器作为立体车库中的检测及安全保护装置，在车库日常运行中有着十分重要的作用，传感器如果失效则有可能会导致车辆跌落等重大事故，产生非常严重的经济损失。因此，设计立体车库时，应选择安全、可靠、耐用的传感器产品。

传感器按照输出信号的性质主要可分为开关型（二值型）、模拟型和数字型。开关型主要是接触型如微动开关、接触开关和非接触型如光电开关、接近开关；模拟型主要是电阻型如电位器、电阻应变片等、电压、电流型如光电电池、压电元件和电感、电容器如电感、电容式位移传感器；数字型主要是计数型如二值和计数器和代码器如编码器、磁尺。

3.3.1 接触器

交流接触器使用主要接电来打开和关闭电路，而开通控制回路主要是利用辅助接点来实现的。其工作电压有多种选择，而大于20安培的接触器拥有可以迅速断开电弧、保卫接电的灭弧罩。同时，接触器在作为开断电源的控制时，最高操作频率能够达到1200次每个小时，使用寿命也很高。根据本设计的需要与交流接触器的特点，使用施耐德TeSys系列LC1-D18，额定工作电压为380VAC，功率为7.5kw。如图所示。

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